Reaktywne formy tlenu

(RFT)

Reactive oxygen species

(ROS)

Stres oksydacyjny w komórkach

roślinnych, H

jako cząsteczka sygnalna

Co to są reaktywne formy

tlenu ?

• Tlen cząsteczkowy jest utleniaczem: reagując ze

związkami organicznymi, utlenia je, pobierając od nich
elektrony, a sam ulega redukcji.

• Całkowita redukcja O

oznacza przyłączenie 4 protonów

i 4 elektronów, powstają wówczas 2 cząsteczki
H

• Cząsteczka tlenu, nie zawsze ulega pełnej, 4-

elektronowej redukcji.

Rodnik

–

atom lub cząsteczka zdolna do

samodzielnego istnienia, mająca 1 lub więcej
niesparowanych elektronów.

Wolne rodniki

są reaktywne, ponieważ dążą do

sparowania elektronów (pozbycia się nadmiaru, lub
przyłączenia dodatkowego elektronu).

Reaktywne formy tlenu

są produktami

kolejnych stopni redukcji cząsteczki tlenu

Co to są reaktywne formy
tlenu ?

Reaktywne formy tlenu (ROS)

• wolne rodniki

• nie rodnikowe

pochodne tlenu

ponadtlenkowy

hydroksylowy

nadtlenek

wodoru

ozon

tlen singletowy

ONOO

nadtlenoazotyn

tlenek azotu

Anionorodnik ponadtlenkowy

–

•produkt jednoelektronowej redukcji tlenu, ulega dysmutacji
spontanicznej lub przy udziale SOD (dysmutazy
ponadtlenkowej), czego konsekwencją jest pojawienie się
także nadtlenku wodoru.

•-

+ O

•-

+ H

O  HO

+ O

+ OH

•

+ O

•-

+ H

O  H

+ O

+ OH

Anionorodnik ponadtlenkowy nie jest zbyt reaktywny wobec
głównych elementów budulcowych makrocząstek biologicznych.

Nadtlenek wodoru H

– Cząsteczka

sygnalna

Nie jest zbyt reaktywną formą tlenu.

Biologicznie istotne znaczenie ma utlenianie grup tiolowych oraz
utlenianie jonów metali przejściowych (Fe

do Fe

i Cu

), co prowadzi do powstawania rodnika hydroksylowego.

+ H



•

OH + OH

+ Fe

+ H



•

OH + OH

+ Cu

– jest stosunkowo mało reaktywny, łatwo

przenikający przez błony biologiczne, może się pojawiać w
dużych odległościach od miejsca powstania.

Rodnik hydroksylowy

•

- jeden z

najbardziej reaktywnych utleniaczy.

Ma bardzo wysoki potencjał redoks, a więc silne
właściwości utleniające.

Reaguje praktycznie ze wszystkimi
substancjami występującymi w organizmie i to
bardzo szybko.

Ozon

Ozon w stratosferze (15-50 km od powierzchni
Ziemi) pochłania promieniowanie nadfioletowe C
(200-280 nm) i nadfioletowe B (280-320)

Ozon w atmosferze zadymionych miast – jako
składnik smogu ma działanie niszczące jak
inne reaktywne formy tlenu

Miejsca produkcji ROS w

komórce roślinnej

Chloroplasy

Mitochondria

Peroksyzomy, Endoplazmatyczne Reticulum,
Glioksyzomy

Błona komórkowa (oksydazy NADPH),

Apoplast (peroksydaza)

Powstawanie ROS w komórce
roślinnej

Stresy stymulują produkcję ROS w komórce
roślinnej wywołując wtórny stres oksydacyjny.

Poziom stresu jest związany z indukcją systemu
antyoksydacyjnego.

Stężenie ROS w komórce

roślinnej

• Produkcja ROS w

niepobudzanych
komórkach

240 µM s

-1

• W czasie stresu
produkcja ROS
240-720 µM s

-1

• stężenie H

0,5 µM

• stężenie H

5 -15 µM

W czasie jakich reakcji

powstają ROS w odpowiedzi na

stres ?

• Fotooddychanie
• Oddychanie mitochondrialne
• Oksydaza NADPH
• Peroksydazy w apoplaście
• Peroksydacja lipidów

Niektóre efekty działania ROS na komórki i ich
składniki:

•

Utlenianie związków niskocząsteczkowych: glutation, askorbinian,

NADH

• Inaktywacja enzymów
• Inaktywacja białek transportowych
• Uszkodzenia kwasów nukleinowych
• Peroksydacja lipidów błonowych
• Zahamowanie fosforylacji oksydacyjnej
• Zaburzenia wewnątrzkomórkowej homeostazy Ca

• Zaburzenia struktury cytoszkieletu (polimeryzacja aktyny,
rozerwanie mikrofilamentów)

• Powstawanie mutacji

ROS odgrywają rolę

cząstek

toksycznych i

sygnalnych

Muszą w komórce

funkcjonować

mechanizmy:

-detoksykacji ROS

- modulacji stężenia

ROS

Enzymy komórkowego systemu

antyoksydacyjnego

Dysmutaza ponadtlenkowa

(SOD),

Katalaza

(CAT), powinowactwo mM do

, sugeruje zmiatanie wolnych

rodników w warunkach stresu

Peroksydaza glutationowa

(GPX)

Peroksydaza askorbinianowa

(APX),

powinowactwo M do H

, sugeruje

modulację stężenia ROS w reakcjach
sygnalizacji komórkowej

Antyoksydanty cząsteczkowe

(nieenzymatyczne)

ASKORBINIAN (5-20 mM)

GLUTATION (1-5 mM)

TOKOFEROL

FLAWONOIDY

KAROTENOIDY

Stosunek zawartości zredukowanej formy
antyoksydanta do utlenionej formy
antyoksydanta jest sygnałem modulującym
mechanizmy zmiatania ROS.

Stężenie H

komórce jest
kontrolowane przez
system
antyoksydacyjny
(homeostaza)

Sygnał ROS jest kontrolowany

przez procesy syntezy i

zmiatania ROS

Istnieje równowaga pomiędzy syntezą ROS i aktywnością
komórkowego systemu antyoksydacyjnego (oba procesy zachodzą
zawsze).

Zakłócenie tej równowagi prowadzi do powstania stresu
oksydacyjnego, t.z.n. zmiatanie ROS nie nadąża za produkcją
ROS

antyoksydanty

prooksydant
y

Stres
oksydacyjny

Bartosz 2003

Sposoby unikania

niekontrolowanego wzrostu

stężenia ROS w roślinach

• Adaptacje anatomiczne – struktura liści,
epidermy, ruchy liści, prowadzące do „ukrycia”
szparek lub przemieszczania się chloroplastów w
komórkach

• Modyfikacje metabolizmu – CAM, C

• „Przebudowa” aparatu fotosyntetycznego –
anteny zbierające

• Aktywacja alternatywnych oksydaz w łańcuchu
transportu elektronów (AOX)

Czynniki wywołujące stres
oksydacyjny

Procesy biologiczne regulowane

przez H

-Stres biotyczny -infekcja patogenu –
indukcja PCD

-Allelopatia
-Stres abiotyczny
-Zamykanie aparatów szparkowych w
odpowiedzi na ABA

-Reakcja grawitropiczna w odpowiedzi
na auksynę, rola ROS polega na
regulacji aktywności kanałów Ca

Neill et al. 2002, Laloi et al. 2004

Udział stresu oksydacyjnego w
biotycznych (a) i abiotycznych stresach
(b)

Udział stresu oksydacyjnego w

biotycznych i abiotycznych stresach

• Stres biotyczny – nadprodukcja ROS (oksydaza NADPH),

wygaszenie systemu antyoksydacyjnego, miejscowa
realizacja PDC (programowanej śmierci komórki) oraz
uruchomienie mechanizmów obronnych

• Stres abiotyczny – wzrost produkcji ROS, natychmiastowa

aktywacja systemu antyoksydacyjnego, zmiatanie ROS

Różnica

Różnica: strategia modulowania aktywności systemu

antyoksydacyjnego

ROS

Receptory
ROS

•oksylipiny
•akwaporyny
•peroksypory

Stres

Obrona

Odpowiedź komórki

Johansson, 2004

Sygnałowe funkcje

ROS

związane są nie

tylko z odpowiedzią na

stres

Przejściowy wzrost (sygnał ?)
produkcji ROS i białek
utlenionych przed
zakwitnięciem rośliny

Zawartości białek utlenionych

w trakcie rozwoju

rośliny

(Arabidopsis) jest

zmienna.

ROS pełnią wiele sygnałowych

(nie tylko toksycznych)
funkcji w roślinie:

• wtórne przekaźniki podczas stresu
• powodują powstawanie białek

utlenionych podczas kiełkowania,
kwitnienia…

• Życie jest bilansem pomiędzy

aktywnością ROS i
antyoksydantami

Hallaiwell 2006, Plant
Physiol. 141, 312-322

ROS pełnią sygnałowe funkcje

nie tylko w warunkach stresu

(powstawanie białek utlenionych

)

Auto-oksydacja

dojrzewające nasienie

spoczynkowe

nasienie

Kiełkowanie

siewka

Embriogeneza

Spadek oddychania

Desykacja

Wzrost oddychania

ß-oksydacja

Hydratacja

RFT

ROS w nasionach

Uszkodzenia komórkowe

spowodowane ROS

• DNA

– utlenianie (8-oxo-guanina)

• Lipidy

– peroksydacja kwasów tłuszczowych m. in.

błonach komórkowych

• Białka

– karbonylacja białek (powstawanie grup

karbonylowych w niektórych

aminokwasach:

lizyna

arginina
prolina

tyrozyna

Skutki utleniania białek

• wzrost podatności na proteolizę

• wzrost/utrata aktywności

enzymatycznych

• modyfikacja ekspresji genów

Białka utlenione w dojrzewających i

kiełkujących nasionach

Białka zapasowe

Rozdział elekroforetyczny białek wyekstrahowanych z dojrzewających,
suchych i kiełkujących (2 dni) nasion rzodkiewnika pospolitego (A. taliana)
(1, 2 – 2D, 3, 4 – oksyblot, A podjednostka krucyferyny).

Job et al. 2005, Plant Physiol. 138;

790-802

Dojrzewające nasiona

Suche nasiona Kiełkujące nasiona