ENZYMY UCZESTNICZĄCE W PRZEMIANACH AZOTOWYCH

• Reduktaza azotanowa (NR),

• Reduktaza azotynowa (NiR),

• Syntetaza glutaminowa (GS),

• Syntaza glutaminianowa (GOGAT)

• Dehydrogenaza glutaminowa (GDH)

• Syntetaza asparaginowa (AS)

CYKL GS-GOGAT

Izoenzymy GS₁ i GS₂ występują w rożnych komórkach i pełnia inne funkcje.

• Forma chloroplastowa (GS₂) występuje głównie w komórkach mezofitu i uczestniczy w reasymilacji jonów amonowych uwalnianych w procesie fotorespiracji.

• W korzeniach roślin forma plastydowa (GS₂) uczestniczy w pierwotnej asymilacji amoniaku pobranego przez rośliny lub powstałego w procesie redukcji azotanów.

• Izoenzym cytozolowy (GS₁) występuje w komórkach pochwy wokółwiązkowej i uczestniczy w procesach syntezy glutaminy na eksport.

Fizjologiczna rola GS_{1 i} GS₂

SYNTAZA GLUTAMINOWA (GOGAT) (EC 1.4.1.13) (Glutamine - OxoGlutarate Amido Transferase)

• Katalizuje reakcję redukcyjnego przeniesienia grupy amidowej z glutaminy na kwas 2- oksoglutarowy (α-ketoglutarowy) w wyniku czego powstają 2 cząsteczki glutaminianu;

• Jedna z nich jest wykorzystywana przez GS, druga natomiast może służyć do różnych syntez;

• Funkcjonowanie syntazy glutaminianowej powiązane jest z aktywnością syntetazy glutaminowej, a reakcje katalizowane przez te enzymy noszą nazwę cyklu GS/GOGAT.

Dehydrogenaza glutaminianowa (GDH)

DEHYDROGENAZA GLUTAMINOWA (GDH) (EC 1.4.1.2.)

Katalizuje 2 różne reakcje biochemiczne:

- aminację 2-oksoglutaranu oraz

- deaminacją kwasu glutaminowego.

• Kierunek reakcji zależy głównie od stężenia amoniaku;

• Charakteryzuje się niskim powinowactwem do jonów amonowych, dla NH₄⁺ mieści się w granicach 5-70 mM;

• Występuje powszechnie i w dużych ilościach, głownie w mitochondriach komórek roślinnych, zarówno w zielonych jak i niezielonych częściach roślin.

Rola GDH:

• Uczestniczy głównie w przemianach katabolicznych,

• Pełni funkcję komplementarną do cyklu GS/GOGAT,

• Nie dopuszcza do nagromadzania się NH3/NH4⁺w komórkach roślin (rola detoksykacyjna), Uczestniczy w regulacji przepływu węgla i azotu w roślinach;

• Niektórzy badacze przypisują GDH szczególną rolę w asymilacji NH₄+ w warunkach stresowych, wówczas gdy :

- poziom ATP jest niski, - Stężenie NH₄⁺ stosunkowo wysokie.

Aktywność GDH

Wysoką aktywnością GDH charakteryzują się tkanki, w których zachodzi hydroliza białek i uwalnianie glutaminianu np.:

• w czasie kiełkowania nasion,

• we wczesnych etapach wzrost u roślin,

• w okresie starzenia się liści.

Enzymy uczestniczące w pierwotnej syntezie aminokwasów:

• Syntetaza glutaminowa (GS),

• Syntaza glutaminianowa (GOGAT),

• Dehydrogenaza glutaminianowa (GDH),

• Syntetaza asparaginowa (AS).

Syntetaza asparaginowa (AS)

Aminokwas mało aktywny metabolicznie, stanowi zapasową i transportową formę azotu.

Syntetyzowany głównie w warunkach małej dostępności związków węglowych (cukrów) i wysokiej koncentracji związków azotowych

SYNTETAZA ASPARAGINOWA (AS) (EC 6.3.5 4)

• Katalizuje reakcję amidacji kwasu aparaginowego i utworzenia asparaginy; reakcja wymaga udziału ATP,

• Donorem grupy amidowej asparaginy może być glutamina lub NH₄\

• Roślinna AS bardziej efektywnie wykorzystuje glutaminę jako donora azotu (charakteryzuje się wyższym powinowactwem w stosunku do glutaminy niż NH₄⁺).

Rola i właściwości syntetazy asparaginowej:

• Przypuszcza się, że reakcja z udziałem NH4+iest jednym z mechanizmów odtruwających, który funkcjonuje w warunkach nadmiaru amoniaku w tkankach;

• W dużych ilościach występuje w dojrzałych częściach korzeni oraz w brodawkach korzeniowych;

• Optymalne pH wynosi 7.6 - 8.3;

• Aktywatorem enzym u są jony chlorkowe;

• W warunkach in yitro jest mało stabilna;

• Transkrypcja genu kodującego AS nasila się w ciemności

WTÓRNA SYNTEZA AMINOKWASÓW - KOŃCOWY ETAP ASYMILACJI JONÓW AZOTANOWYCH I AMONOWYCH. (ROLA AMINOTRANSFERAZ)

Wtórna syntezo aminokwasów - przeniesienie grupy aminowej z aminokwasów tzw. pierwotnych na inne związki węglowe (głównie ketokwasy).

Aminokwas 1 + keto kwas 2 -> keto kwas 1 + aminokwas 2

Aminotransferazy (transaminazy)- właściwości:

• Reakcje katalizowane przez aminotransferazy są odwracalne;

• Kierunek reakcji zależy od poziomu substratów będących donorami i akceptorami grup aminowych;

• Charakteryzują się niewielką specyficznością substratową i stosunkowo małym powinowactwem do aminokwasow;

• Występują w postaci licznych form izoenzymatycznych w różnych przedziałach komórkowych (cytozolu, mitochondriach, chloroplastach, peroksysomach);

• Glutaminian jest głównym donorem grup aminowych w reakcjach transaminacji..

Znaczenie aminotransferaz:

• Uczestniczą w biosyntezie aminokwasów oraz innych związków azotowych: amin, alkaloidów, porfiryn...

• Utrzymują na odpowiednim poziomie ich stężenie w komórce,

• Odpowiadają za dystrybucję azotu aminowego na inne związki,

• Umożliwiają oszczędne gospodarowanie azotem,

• Wiążą różne szlaki metaboliczne (przemiany azotowe z przemianami węgla), uczestniczą w procesie fotorespiracji oraz fotosyntezie typu C4

Przykłady powszechnie występujących i bardzo aktywnych aminotransferaz

Aminotransferaz alaninowa

Aminotransferaza asparaginianowa

PODSUMOWANIE:

• Obok fotosyntezy, przemiany związków azotowych mają podstawowe znaczenie dla | kontynuacji życia na Ziemi oraz bezpośrednio i pośrednio kontrolują różne aspekty wzrostu i rozwoju roślin;

• Przemiany azotowe są precyzyjnie kontrolowane i regulowane przez czynniki endogenne i środowiskowe, są skoordynowane z przemianami związków węglowych (fotosynteza, oddychanie).

AMINOKWASY

Pełnią kluczową rolę zarówno w metabolizmie podstawowym jak i wtórnym:

• Uczestniczą w asymilacji azotu oraz jego transporcie w roślinie;

• Są prekursorami wielu związków metabolizmu wtórnego (m.in. alkaloidów, fenylopropanoidów - syntetyzowane z fenyloalaniny), fitohormonów (auksyny, cytokininy), poliamin oraz substancji zaangażowanych w reakcje obronne roślin (białka stresowe, glutation, betainy).

POLIAMINY:

• Są to związki powszechnie występujące w roślinach, organizmach zwierzęcych i mikroorganizmach,

• Ich funkcje regulacyjne odkryto w 1966 r - stymulacja wzrostu bulw będących w stanie uśpienia,

• W roślinach ich stężenie wzrasta w odpowiedzi na niekorzystne warunki środowiskowe,

• Zwiększają tolerancję roślin na stresy środowiskowe,

• Pośredniczą w reakcji roślin na czynniki zewnętrzne oraz na czynniki wewnętrzne, hormonalne.

• W roślinach występująw ilościach milimolowych (103 molxdm3),

• Pełnią funkcje:

• strukturalne (m.in. są ważnymi składnikami błon plazmatycznych i ścian komórkowych),

• regulacyjne (niezbędne do prawidłowego wzrostu)

• Kontrolują i regulują:

• Podziały komórkowe,

• Syntezę i funkcjonowanie kwasów nukleinowych,

• Syntezę białek,

• Wzrost i różnicowanie się komórek,

• Rozwój zarodków,

• Fizyczne i chemiczne właściwości membran,

• Aktywność enzymów.

Budowa i właściwości poliamin:

• Są związkami alifatycznymi, zawierającymi dwie lub więcej grup aminowych (- NH2),

• W fizjologicznym zakresie pH są polikationami o wysokim dodatnim ładunku (grupy -NH2 ulegają protonacji —> -NH₃⁺),

• Mogą oddziaływać z ujemnie naładowanymi grupami funkcyjnymi białek (enzymatycznych i strukturalnych) i kwasów nukleinowych.

Przykłady poliamin:

• Putrescyna NH₂(CH₂)₄NH₂

• Spermidyna NH₂(CH₂)₃NH(CH₂)₄NH₂

• Spermina NH₂(CH₂)₃NH(CH₂)₄NH(CH₂)₃NH₂

• Diaminopropan NH2(CH2)3NH, - występuje u traw;

• Kadaweryna NH,(CH2)5NH2 - występuje u roślin motylkowatych.

Biosynteza poliamin:

Syntetyzowane są z aminokwasów:

• głównie z argininy, ornityny

• metioniny.

Forma występowania:

• wolne aminy,

• formy związane (koniugaty) z pochodnymi związków fenolowych,

• kompleksy ze związkami wielkocząsteczkowymi takimi jak białka i kwasy nukleinowe.

Wewnątrzkomórkowa lokalizacja poliamin:

• Głównie w cytoplazmie podstawowej,

• W mniejszych ilościach w ścianie komórkowej i plazmolemie,

• W wakuoli, mitochondriach, chloroplastach i jądrze komórkowym.

Przykłady działania poliamin:

• Chronią błony plazmatyczne przed działaniem niekorzystnych czynników:

• łączą się z fosfolipidami błon,

• usztywniają i stabilizują ich strukturę,

• modyfikują ich właściwości półprzepuszczalne;

• obniżają utlenianie lipidów błonowych;

• Modyfikują odpowiedź roślin na hormony np. przez blokowanie receptorów hormonów;

• Często działają antagonistycznie do etylenu, hamują jego syntezę;

• Stabilizują strukturę DNA;

• Wiążą się z tRNA;

• Uczestniczą w utrzymywaniu równowagi jonowej oraz odpowiedniego wewnątrzkomórkowego pH;

• Biorą udział w wychwytywaniu wolnych rodników,

• Wpływają na aktywność enzymów,

• Modyfikują aktywność kanałów jonowych zlokalizowanych w plazmolemie i tonoplaście.

Przykłady praktycznego zastosowania poliamin:

• Opryskiwanie kwitnących drzew owocowych poliaminami poprawia zawiązywanie owoców i wielkość plonu;

• Stymulacja ukorzeniania sadzonek niektórych roślin;

• Opryskiwanie liści spermidyną łagodzi skutki stresu oksydacyjnego spowodowanego obecnością Cd⁺².

BIAŁKA

(proteiny; gr. proteios = pierwszorzędny, o pierwszorzędnym znaczeniu)

Białka "do zadań specjalnych":

• Białka szoku termicznego (HSP)

• Białka LEA

• Białka PR

• Osmotyna

• Polipeptydy

• fitochelatyny

• systemina

Białka szoku termicznego (stresu cieplnego) (Heat Shock Proteins - HSP):

• Specyficzne i wysoce konserwatywne białka syntetyzowane w odpowiedzi na szok termiczny;

• Temperatura wywołująca ich syntezę zależy od gatunku rośliny, na ogół jest ona od 10-15°C wyższa od optymalnej temperatury wzrostu;

• Są odporne na wysokie temperatury i nie ulegają denaturacji;

• Białka te uczestniczą w procesach naprawczych i osłaniających inne białka;

• Zwiększony poziom białek szoku termicznego związany jest nie tylko z oddziaływaniem wysokiej temperatury, ale występuje również pod wpływem innych czynników stresowych takich jak:

• metale ciężkie,

• deficyt wodny,

• zranienia,

• nadmiar NaCI (zasolenie),

• warunki beztlenowe,

• chłód.

• Są obecne również w komórkach nie poddanych stresom i pełnią ważne funkcje;

• Synteza pełnego kompletu HSP zachodzi w warunkach stresu spowodowanego wysoką temperaturą;

• Większość genów dla HSP nie posiada intronów, (wiąże się to z koniecznościąich szybkiej ekspresji w postaci dojrzałych, funkcjonalnych transkryptów);

• Matrycowy RNA (mRNA) dla HSP odznacza się dużą stabilnością i podlega preferencyjnej translacji w warunkach stresowych.

Podział białek HSP:

• Białka HSP sklasyfikowano na podstawie ich masy cząsteczkowej wyrażonej w kilodaltonach (kDa);

• Masa ta mieści się w zakresie 8.5-110 kDa;

• Wyróżnia się 6 rodzin białek HSP (HSP 110, 90,70,60,20, 8.5).

RODZINA HSP WYSTĘPOWANIE

HSP 110 Występują głównie w cytoplazmie

białka o masie cząsteczkowej 95 - 110 kDa.

HSP90 Występują w cytoplazmie komórek, również tych nie poddanych działaniu czynników stresowych.białka o masie cząsteczkowej 80 - 94 kDa Mogą stanowić 1 -2% białek obecnych w komórkach.

HSP 70 Występują w cytoplazmie, cysternach siateczki śródplazmatycznej, chloroplastach,

białka o masie cząsteczkowej 63 - 79 kDa. matriks mitochondrialnej. jądrze komórkowym. Obecne są w komórkach również w warunkach fizjologicznych.

HSP 60 Występują głównie w cytoplazmie, chloroplastach i mitochondriach, również w

białka o masie cząsteczkowej 53 - 62 kDa. warunkach fizjologicznych.

HSP 20 Występują głównie w cytoplazmie i chloroplastach. Odznaczają się dużą trwałością, czas

białka o masie cząsteczkowej 10 - 30 kDa. ich połowicznego rozpadu dochodzi do 52 godzin. Większość z nich jest syntetyzowana w czasie szoku termicznego.

HSP 8.5 Białko wysoce konserwatywne, występujące w komórkach eukariotycznych, zbudowane z

(UBIKWITYNA) 76 aminokwasów.

„Opiekuńcze” funkcje białek HSP:

HSP 60, 70, 90 „molekularni opiekunowie” = cha perony

Funkcje białek HSP:

• Umożliwiają szybkie i dokładne zwijanie i się innych białek oraz uzyskanie przez nie właściwej konformacji przestrzennej;

• Wiążą się odwracalnie z syntetyzowanymi polipeptydami zapobiegając ich niewłaściwemu zwijaniu się i tworzeniu przypadkowych agregatów białkowych;

• Pełnią funkcje osłaniające (molecular chaperones = „molekularni opiekunowie”) (HSP 90, 70, 60)

• Stabilizują chromatynę i zabezpieczają proces transkrypcji i syntezy rybosomów, [HSP 70]

• Uczestniczą w transporcie białek do odpowiednich organelli komórkowych [HSP 70, 60]

• Umożliwiają i usprawniają łączenie podjednostek białkowych, [HSP 60]

• Stabilizują i chronią niektóre białka (również enzymatyczne), [HSP 70]

• Rozpoznają białka nieprawidłowo sfałdowane lub niepotrzebne, łączą się z nimi i w ten sposób znaczą je do degradacji [HSP 8,5 ubikwityna]

Niektóre funkcje białek szoku termicznego:

Funkcje białek HSP w warunkach stresowych:

• Pośredniczą w rozpuszczaniu agregatów białkowych wytrąconych w warunkach stresowych, [HSP 110]

• Uczestniczą w ochronie i przechowywaniu normalnego mRNA oraz jego reaktywacji po ustaniu stresu, uczestniczą w przywróceniu biosyntezy białek „niestresowych”, [HSP 70, 20]

• Łączą się z błoną tylakoidów, uczestniczą w ochronie i naprawie fotosystemu II, [HSP 20]

• Uczestniczą w chelatowaniu jonów metali ciężkich, [HSP 20]

• Rozpoznają białka uszkodzone lub zdenaturowane.[HSP 8.5]

Białko LEA

(ang. Late Embryogenesis Abundant proteins)

• Po raz pierwszy zostały wykryte w nasionach w fazie ich dojrzewania i desykacji (utraty wody);

• Ich obecność wykryto również w wegetatywnych częściach roślin w czasie stresów związanych z odwodnieniem tkanek (susza, stres osmotyczny, niska temperatura);

• Wyróżnia się 6 grup białek LEA i kilkanaście rodzin (m. in. dehydryny). Różnią się one pewnymi właściwościami i funkcjami.

Właściwości białek LEA:

• rozpuszczalne,

• bogate w reszty aminokwasów polarnych,

• wysokiej zdolności wiązania wody,

• zawierają również domeny hydrofobowe umożliwiające oddziaływanie z lipidami (struktura amfipatyczna),

• ich masa cząsteczkowa mieści się w zakresie 9-200 kDa,

• występują głównie w cytoplazmie i jądrze komórkowym

• ich synteza ulega indukcji pod wpływem kwasu abscysynowego (ABA) i jasmonowego.

Funkcje białek LEA:

• Chronią i stabilizują błony plazmatyczne inne struktury komórkowe,

• Stabilizują strukturę białek (również enzymatycznych),

• Przywracają właściwą konformację częściowo rozwiniętym łańcuchom białkowym.

• Uczestniczą w sekwestracji jonów w komórce

Białka PR (ang. Pathogenesis Related):

• Białka obronne,

• Syntetyzowane głównie w odpowiedzi na infekcję patogenem,

• Są elementami mechanizmów obronnych zabezpieczających przed rozprzestrzenianiem się patogena poza miejsce infekcji lub zranienia,

• Odpowiadają za szybką zlokalizowaną śmierć komórek (reakcja nad wrażliwości*),

• Syntetyzowane również w innych sytuacjach stresowych:

• zranienie,

• działanie promieniowania UV,

• zanieczyszczenia chemiczne środowiska…

Lokalizacja białek PR -> Występują głównie w wakuoli lub przestrzeniach międzykomórkowych, rzadziej w cytoplazmie.

Przykłady białek PR:

• Chitynazy i glukanazy- enzymy rozkładające polisacharydy ścian komórkowych grzybów;

• Tioniny - białka bogate w aminokwasy siarkowe, wykazują działanie przeciwgrzybowe;

• Peroksydazy uczestniczące w biosyntezie lignin - umożliwiają modyfikację składu i właściwości ścian komórkowych,

efekt ich działania: powstrzymanie wnikania i rozprzestrzeniania się patogena w tkankach roślin, zabliźnianie ran;

• inhibitory proteaz - białka powodujące inhibicję proteaz; uniemożliwiają owadom dostęp do aminokwasów; blokują również aktywność proteaz bakteryjnych i grzybowych.

• lipooksygenaza - enzym inicjujący peroksydację (utlenianie) wielonienasyconych kwasów tłuszczowych występujących w błonach; działanie enzymu polega na utworzeniu hydroksynadtlenków kwasów tłuszczowych. Efektem tego jest rozerwanie łańcucha węglowego i dalsza ich fragmentacja.

Peroksydacja (utlenienie) lipidów błonowych:

rozerwanie

R–CH=CH–CH₂ –CH=CH-R R-CH(-OOH)-CH=CH-CH=CH-R

Skutki:

• Zmiana stopnia płynności i przepuszczalności blon plazmatycznych;

• Inhibicja aktywności białek błonowych;

• Rozpad lipidów błonowych na fragmenty. Produkty powstałe w wyniku rozpadu utlenionych kwasów tłuszczowych są wysoce reaktywnymi związkami powodującymi uszkodzenia białek enzymatycznych i zaburzenia metabolizmu komórkowego. Są toksyczne zarówno dla rośliny jak i patogena.

Osmotyna

• Białko o masie cząsteczkowej 26 kDa,

• Występuje głównie w wakuoli;

• Do indukcji genu kodującego osmotynę dochodzi m.in. pod wpływem ABA, etylenu, infekcji grzybowych, stresu solnego, suszy;

• Wykazuje działanie antygrzybowe, dokładna funkcja biologiczna nie jest znana.

Mechanizm antygrzybowego działania osmotyny

• Toksyny wydzielane przez grzyby zwiększają, przepuszczalność plazomlemy komórek roślin.

• Woda i związki odżywcze „wyciekają" z komórek.

• Komórki tracą turgor, dochodzi do syntezy i akumulacji osmotyny,

• Osmotyna wypływająca z komórek roślinnych łączy się z receptorami błony komórkowej grzybów powodując zaburzenia jej integralności i wzrost przepuszczalności,

• To hamuje wzrost grzybni prowadzi do śmierci patogena.

FITOCHELATYNY - polipeptydy wiążące metale ciężkie

Rola:

• Regulują wewnątrzkomórkowe stężenie metali ciężkich, zapewniają utrzymanie homeostazy.

• Uczestniczą w detoksykacji metali oraz ich sekwestracji (transport z cytoplazmy do wakuoli).

Budowa i właściwości fitochelatyn:

• Są polimerami glutationu;

• Ogólny wzór fitochelatyn (Glu-Cys)_n-Xa gdzie n=2-11;

Xa - C-końcowy aminokwas, u większości roślin jest to glicyna, rzadziej seryna (Poaceae), glutaminian, β-alanina;

• Łączą się z metalami przez wolne grupy hydrosulfidowe (-SH) cysteiny;

• W ich syntezie uczestniczy enzym - syntaza fitochelatynowa.

Syntaza fitochelatynowa:

• Enzym konstytutywnie występujący w cytoplazmie komórek roślinnych;

• Aktywowany przez jony metali;

• Przenosi dwu-aminokwasowy fragment (Glu -Cys) z donorowej formy glutationu na jego formę akceptorową.

Budowa glutationu ɣ-Glu-Cys-Gly

(tripeptyd złożony z kwasu glutaminowego, cysteiny i glicyny)

grupa ɣ-karboksylowa glutaminianu

Powstałe wiązanie ɣ jest odporne na działanie wewnątrzkomórkowych peptydaz

Synteza fitochelatyn:

Reakcja transpeptydyzacji powtarza się, powstały polimer łączy się z następną cząsteczką glutationu i łańcuch polipeptydowy wydłuża się (n=211).

SYSTEMINA

• Polipeptyd zbudowany z 18 aminokwasów,

• Uwalniany z uszkodzonych komórek (np. przez szkodniki) i transportowany do nieuszkodzonych liści (w czasie 60-90 min.),

• W tkankach docelowych aktywuje szlaki związane z reakcjami obronnymi.

• Działa w niskich stężeniach (10^-6 mol dm³).

BIAŁKA ROŚLINNA O SŁODKIM SMAKU (BSS)

• Opisano je w latach 70-tych dwudziestego wieku;

• Występują w owocach (głównie) i nasionach niektórych roślin tropikalnych rosnących w zachodniej Afryce, Malezji, Chinach;

• Ich biologiczna funkcja nie jest do końca wyjaśniona;

• BSS nie wykazują podobieństw strukturalny oraz w sekwencji

WŁAŚCIWOŚCI:

• Zawierają od 54 do 207 reszt aminokwasowych,

• Ich masa molekularna wynosi od 6.5 do 22 kDa,

• Są dobrze rozpuszczalne w wodzie.

• Są od 500 do 3000 razy bardziej słodkie od sacharozy.

• Wywoływane przez nie wrażenie słodkiego smaku jest długotrwałe

Porównanie „słodkości” różnych naturalnie występujących i syntetycznych związków (względem sacharozy - ogólnie przyjętego wzorca słodkości)

ZWIĄZEK	STOPIEŃ SŁODKOŚCI	ZWIĄZEK	STOPIEŃ SŁODKOŚCI
Sacharoza	1	Glicerol	0,8
Laktoza	0,4	Chloroform	40
Maltoza	0,5	Sacharyna	200-700
D-glukoza	0,7	As partam	100-200
D-fruktoza	1,1	Cyklamiany	30-80
Sorbitol	0,5	Monelina	3000
Glicyna	0,7	Taumatyna	2500

ZNANYCH JEST 5 BSS. SĄ TO:

• Brazzeina:

• 54 reszty aminokwasowe, w tym 8 cystę in,

• pH- oraz termostabilna,

• od 500-2000 razy słodsza od sacharozy;

• Mabinltna

• najbardziej termostabilne białko o słodkim smaku; odporne na działanie temperatury 80°C przez okres 48 godzin,

• ok. 400 razy bardziej słodka od sacharozy.

• Monellina:

• jest najbardziej słodką substancją (próg rozpoznania wynosi 48 nmol * dm^-3),

• słodkość tego białka jest około 100 tysięcy razy bardziej intensywna od słodyczy sacharozy (jeśli porównuje się stężenia

• mało stabilna w wysokich temperaturach i kwaśnym pH;

• Kurkulina:

• wykazuje również działanie modyfikujące smak;

• Toumatyna

• Występuje w owocach zachodnioafrykańskiej bylin Thaumatococcus danielli,

• Z jednego owocu (od 6 do 30 g) można otrzymać 12 mg tego białka.

• Powyżej 70°C ulega agregacji i traci „słodkość",

• Opisano 5 różnych form taumatyny,

• Jest to monomeryczne białko zasadowe o masie około 22 kDa (207 reszt aminokwasowych, w tym 16 cystein),

• Wszystkie grupy -SH reszt cysteinowych tworzą 8 wiązań disulfidowych.

• Cząsteczka taumatyny z częściowo zredukowanymi wiązaniami dwusiarczkowymi ulega autotrawieniu, a w obecności odpowiednich substratów wykazuje aktywność proteazy, amidazy i esterazy;

• Wywoływane przez to białko wrażenie smaku słodkiego pojawia się z niewielkim opóźnieniem (15 s) i zanika powoli (30 minut);

• Taumatyna w stężeniach niższych niż 10^-8 mol*dm^-3 obniża próg rozpoznawania innych słodkich substancji, a także intensyfikuje smak niektórych produktów żywnościowych;

• Jest jedynym białkiem jakie znajduje się w sprzedaży jako środek słodzący;

• Od roku 1998 jest dopuszczona do obrotu w Polsce i jest stosowana w produkcji niektórych wyrobów spożywczych.

• Wykazuje znacie podobieństwo (od 40 do 70% homologii w sekwencji aminokwasów) do niektórych białek stresowych - zaangażowanych w mechanizmy obronne roślin

• Osmotyny

• białek PR (m.in. inhibitorów proteaz i/lub amylaz).

• Sekwencje aminokwasów osmotyny i taumatyny wykazują aż 52% homologii.

• Można stąd wnioskować, że białka te pełnią jakieś ważne funkcje biologiczne, funkcje ochronne

Taumatyna - rola:

Transgeniczne rośliny tytoniu zawierające gen kodujący taumatynę charakteryzowały się:

• zwiększonąodpornościąna patogeny grzybowe oraz większą tolerancją na abiotyczne czynniki stresowe;

• w warunkach in vitro ekstrakt z liści hamował rozwój grzybów (działanie antygrzybowe);

• nasiona roślin transformowanych lepiej kiełkowały, a siewki wykazywały większą tolerancję na stres solny i suszę.

BIAŁKO O WŁAŚCIWOŚCIACH MODYFIKOWANIA SMAKU:

• Mirakulina

• Występuje w owocach zachodnioafrykańskiej rośliny Richadella dulcifica,

• Jest glikoproteiną o zawartości cukrów 13.9 %,

• Modyfikuje smak kwaśny do słodkiego.

• Kurkulina

• Jest białkiem o słodkim smaku,

• Wykazuje również działanie modyfikujące smak,

• Nie traci tej właściwości po godzinnej inkubacji w temperaturze 50°C w zakresie pH 3 - 11.

• Smak wody po spożyciu tego białka jest słodki

Możliwości wykorzystania BSS:

• Naturalna, niskokaloryczna substancja słodząca ewentualnie wartościowy dodatek do syntetycznych słodzików,

• Polepszanie walorów smakowych żywności, A

• Zwiększenie walorów użytkowych (słodkości) y jadalnych części roślin poprzez wprowadzenie do ich genomu genu kodującego BSS,

• Nowy sposób użytkowania transgenicznych gatunków roślin syntetyzujących BBS - pozyskiwanie z nich BSS na skalę przemysłową.

PARADOKS TLENOWY

Tlen dla organizmów aerobowych jest niezbędny a jednocześnie jest dla nich toksyczny.

• Komórki organizmów aerobowych narażone są na działanie tzw. reaktywnych form tlenu (ROS).

• ROS powodują uszkodzenia komórek (błon plazmatycznych, białek, kwasów nukleinowych), mogą być przyczyną śmierci komórek

Aktywne (= reaktywne) formy tlenu (AOS=ROS-ang. Active Oxygen Species):

Wysoce reaktywne molekuły wytwarzane w różnych przemianach metabolicznych

Zalicza się do nich:

• (aniono)rodnik ponadtlenkowy = rodnik ponadtlenkowy (0₂^-),

• tlen singletowy (¹0₂) - tlen w stanie wzbudzonym, o zwiększonej energii swobodnej, bardzo reaktywny (1500 razy bardziej niż tlen w stanie podstawowym); ; jego powstawanie indukowane jest m.in. światłem ultrafioletowym,

• rodnik hydroksylowy ('OH),

• nadtlenek wodoru (H₂0₂).

Reaktywne formy tlenu (ROS)

• Powstają w różnych przedziałach normalnie funkcjonujących komórek roślinnych (są produktem ubocznym normalnych czynności życiowych) - w chloroplastach, mitochondriach, glioksysomach, peroksysomach, plazmolemie, ścianie komórkowej.

• Jedynie 1-5% tlenu obecnego w roślinach ulega przemianie w ROS.

• W prawidłowo funkcjonujących komórkach istnieje równowaga pomiędzy ich wytwarzaniem, a przekształcaniem w formy nieaktywne

Powstawanie ROS Degradacja ROS

Przykłady procesów, w których uczestniczą aktywne formy tlenu:

• Procesy lignifikacji ścian komórkowych,

• Utlenianie poliamin,

• Fotorespiracja,

• Utlenianie kwasów tłuszczowych,

• Procesy starzenia się komórek....

Czynniki powodujące wzrost stężenia ROS i wystąpienie stresu oksydacyjnego:

• Zanieczyszczenia powietrza np. tlenki siarki, ozon...

• Metale ciężkie,

• Promieniowanie ultrafioletowe,

• Herbicydy,

• Ekstremalne temperatury,

• Zasolenie,

• Susza,

• Atak patogenów.

Peroksydacja (utlenienie) lipidów błonowych

Stres oksydacyjny: Degradacja ROS

• Spowodowany jest nadprodukcją aktywnych form tlenu, (unieczynnienie)

• Powoduje różne uszkodzenia (błon plazmatycznych, kwasów nukleinowych, białek). Powstawanie

ROS

Wolne rodniki w działaniu:

ROS wywierają destrukcyjny wpływ na makrocząsteczki komórkowe przekształcając je w związki bardzo

reaktywne (wolne rodniki, nadtlenki) inicjują reakcje łańcuchowe o trudnych do przewidzenia konsekwencjach.

Reaktywne formy tlenu (ROS) – Powstawanie:

³O₂ tlen w stanie (aniono) rodnik rodnik Stosunkowo trwały; może przemieszczać się przez błony

Podstawowym ponadtlenkowy wodoro-nadtlenkowy plazmatyczne np. z komórki do komórki; może byś substratem

(trypletowy) O₂^- w reakcjach utleniania; w obecności jonów metali bardzo toksyczny

(nietrwały)

Utlenia redukuje H₂O₂ + Fe⁺³ Fe⁺³ + OH + HO

Np. związki zawierające grupę –SH, np. jony metali, cytochrom c

Kwas askorbinowy, NAD(P)H

• Reakcja Fentona — reakcja z udziałem H₂0₂ i zredukowanych jonów metali Xe (Xe = Fe, Cu, Mn, Ni. Cr, Hg, V, Pb)

• H₂0₂ + Xe (donor elektronu -> jon metalu) -> X + OH + OH^- rodnik hydroksylowy – najbardziej reaktywny z ROS, inicjuje niekontrolowane reakcje

łańcuchowe (wolnorodnikowe) bardzo szkodliwy

Przykłady reakcji z udziałem rodnika hydroksylowego:

‘OH + związek organiczny —►rodnik organiczny (‘R) + produkt trwały

‘R + R1 —> ‘R¹ — R - - - > rodnikowy produkt kondensacji

‘R1-OH + ‘R²—OH -> R¹-O-R² + H₂0

Oszacowano, że pojedynczy rodnik 'OH uruchamia łańcuch reakcji obejmujący od 10 do 15 cykli.

W efekcie powstaje od 10 do 15 cząsteczek wodoronadtienków organicznych ROOH.

R + 0₂ —> ROO (organiczny rodnik nadtlenkowy)

ROO‘ + R’-H —> ROOH (hy droksy nadtlenek) + ‘R’

Peroksydacja (utlenienie) lipidów błonowych przy udziale

OH oraz ¹O₂

R-CH=CH-CH2-CH=CH-R -> R-C H(-OOH)-CH=C H-C H=CH-R

• Peroksydacja lipidów jest najbardziej znanym łańcuchowym procesem wolnorodnikowym;

• Polega na utlenianiu nienasyconych kwasów tłuszczowych lub innych lipidów;

• W wyniku tego powstają nadtlenki tych związków. Angielska nazwa nadtlenku to peroxide, stąd powstawanie nadtlenków

nosi nazwę peroxidation.

Peroksydacja (utlenienie) lipidów błonowych

fragmentacja

R-CH=CH-CH₂-CH=CH-R -> R-CH(-OOH)-CH=CH-CH=CH-R

• Rozpad lipidów błonowych na kilku- lub kilkunastowęglowe fragmenty (aldehydy m. in. dialdehyd malonowy, hydroksyaldehydy, węglowodory alifatyczne np. etan, pentan);

• Związki te są one wysoce reaktywnymi toksynami powodującymi uszkodzenia białek enzymatycznych

zaburzenia metabolizmu komórkowego.

Przykłady powstawania reaktywnych form tlenu w łańcuchu transportu elektronów w błonie tylakoidu

Produkcja aktywnych form tlenu (ROS) (chloroplasy, mitochondria, peroksysomy) -> mechanizmy obronne

Lipidy Białka DNA

Utlenianie kwasów tłuszczowych, modyfikacje białek, uszkodzenia DNA

Uszkodzenia błon utlenianie grup –SH, zaburzenia metabolizmu

Denaturacja komórki

SPRZYMIERZEŃCY ORGANIZMU W WARUNKACH STRESU OKSYDACYJNEGO -> ANTYOKSYDANTY=ANTYUTLENIACZE

Mechanizmy antyoksydacyjne przeciwdziałające nagromadzaniu się ROS w nadmiernych ilościach:

Enzymatyczne:

• Dysmutaza ponadtlenkowa (SOD),

• Katalaza (CAT),

• Peroksydazy.

Nieenzymatyczne:

Obecność anl^tlcniaczy tzw wymiataczy wolnych rodników,

Związki tłumiące ROS, bez przekształcania się w destrukcyjne rodniki

• Kwas askorbinowy (wit. C),

• α-tokofcrol (wit. E),

• Glutation,

• Karotenoidy,

• Poliaminy,

• Związki fenolowe.

• Cysteina, prolina

Kwas askorbinowy (witamina C)

• Występuje w zielonych i niezielonych częściach roślin, w milimolowych stężeniach,

• Najwięcej kwasu askorbinowego występuje w chloroplastach (50 mmol*dm^-3) i cytozolu (20-50 mmol*dm^-3),

• W innych przedziałach komórkowych (mitochondria, wakuola, ściana komórkowa) jego stężenie nie przekraczał mmol*dm ^-3,

• W liściach może stanowić 10% rozpuszczalnych cukrów,

• Do jego syntezy zdolne są wszystkie rośliny wyższe oraz wiele zwierząt (wyjątkiem są ssaki naczelne i świnka morska)

• Jest pochodną cukrów, powstaje w wymku ich utleniania,

• Syntetyzowany z glukozy lub galaktozy,

• Jest dobrze rozpuszczalny w wodzie.

Kwas askorbinowy i jego forma odwodorowana (kwas dehydroaskorbinowy) pozostają w równowadze.

Kwas askorbinowy Kwas dehydroaskorbinowy

Funkcje kwasu askorbinowego:

• Chroni chlorofil przed fotoutlenieniem,

• Uczestniczy w syntezie zeaksantyny (cykl ksantofiłowy), która rozprasza nadmiar energii świetlnej w błonach tylakoidów,

• Reaguje z wolnymi rodnikami, w tym również z rodnikiem hydroksylowym,

• Chroni enzymy, których grupami prostetycznymi są metale grup przejściowych,

• Uczestniczy w regeneracji antyutleniaczy związanych z błonami np. a-tokoferolu,

• Reguluje potencjał oksydoredukcyiny komórek.

Glutation (GSH)

• Wy stępuje głównie w chloroplastach i cytozolu w stężeniach milimolowych (1-5 mmol*dm^-3),

• Jego stężenie zależy od warunków środowiska (wzrasta w warunkach stresowych), obniża się z wiekiem tkanki,

• W komórkach występuje w formie zredukowanej (GSH) i utlenionej (GSSG),

• W formie utlenionej dwa tripeptydy zostają połączone wiązaniem disulf idowym (dwusiarczkowym),

• W komórkach ilość GSH jest większa niż GSSG.

Glutation- tripeptyd zawierający grupę hydrosulfidową -SH (Glu-Cys-Gly) Przemiany glutationu Glu-Cys-Gly

Funkcje glutationu:

• Jako przeciwutleniacz reaguje z nadtlenkami organicznymi i nadtlenkiem wodoru,

• Stabilizuje membrany - usuwa nadtlenki lipidów,

• Kontroluje i reguluje potencjał oksydoredukcyjny komórek,

• Służy jako bufor hydrosulfidowy;

Inne funkcje nie związane z właściwościami antyoksydacyjnymi:

• Jest substratem w syntezie fitochelatyn,

• Uczestniczy w detoksykacji ksenobiotyków,

• Stanowi formę transportową i zapasową zredukowanej siarki,

• Reguluje pobieranie siarki przez korzenie roślin.

Tokoferole (witaminy E)

• Są lipofilne,

• Występują w błonach plazmatycznych,

• Ich obecność stwierdzono we wszystkich roślinach wyższych, zarówno w tkankach fotosyntetyzujących jak i nief otosy ntety zu j ących,

• Ich stężenie waha się w szerokich granicach od 200 ng*g^-1 św. masy w bulwach ziemniaka do 5 mg*g^-1 św. masy w liściach niektórych palm,

• Najpowszechniej występuje a-tokoferol, najbardziej aktywny związek tej grupy.

Budowa tokoferoli:

Są pochodnymi chromanu – układu dwóch skondensowanych pierścieni: benzenowego i tetrahydropiranowego oraz 15 węglowego nasyconego łańcucha bocznego.

Funkcje tokoferoli:

• Stabilizują strukturę błon,

• Łączą się z wolnymi kwasami tłuszczowymi zapobiegając uszkodzeniom błon,

• Jako antyoksydanty usuwają:

• rodnikowe formy tlenu,

• tlen singletowy,

• rodniki nadtlenkowe lipidów (ROO, LOO).

Zawartość tokoferoli (Wit.E) w wybranych owocach i wrzywach (mg*100 g_­­^-1): oliwka 13,7, awokado 1,3, szpinak 1,8, szparagi 0,9, pomidor, brzoskwinia 0,8.

Budowa karotenoidów i witaminy A

Karotenoidy występują w plastydach, w zielonych i niezielonych częściach roślin. Są tetraterpenami (8 jednostek izoprenowych).

11 sprężonych

wiązań

podwójnych

Stanowi ok. 25-30% wszystkich karotenoidów.

Wykazuje aktywność prowitaminową.

Głównym karotenoidem lisci jest luteina (ok. 45%).

Funkcje karotenoidów:

• W chloroplastach wspomagają zbieranie światła w fotosystemach,

• Chronią fotosystemy:

• reagują ze wzbudzonym chlorofilem, przejmują jego energię i rozpraszają ją w postaci ciepła w tzw. cyklu ksantofilowym,

• zapobiegają powstawaniu tlenu singletowego,

• Reagują z rodnikowymi produktami peroksydacji lipidów kończąc reakcje łańcuchowe.

Flawonoidy:

• Liczna grupa związków fenolowych (ponad 4000) zawierająca dwa pierścienie aromatyczne połączone heterocyklicznym pierścieniem zawierającym tlen.

• Podstawą budowy jest układ flawonu. C­₆-C₃-C₆

• Często występują w formie glikozydów tzn. w połączeniu

z cukrami (glukoza, mannoza, fruktoza, ksyloza, arabinoza).

Występują również jako wolne cząsteczki.

• Głównie są to barwniki roślinne występujące w wakuolach;

• Odpowiedzialne za barwy takie jak pomarańczowa, czerwona, niebieska, żółta i biała;

• Przykłady: żółte flawony (np. luteolina) i flawonole (np. rutyna), różowe, niebieskie, fioletowe, antocyjany.

Flawonoidy – przykłady funkcji fizjologicznych (superantyoksydanty):

• Pełnią funkcje ochronne, m.in. chronią przed promie­niowaniem ultrafioletowym (są filtrem światła UV);

• Niektóre chronią przed atakiem patogenów i szkodników,

• Odgrywają rolę w zjawisku allelopatii,

• Mogą stanowić substrat dla peroksydaz w reakcjach inaktywacji H₂0₂,

• Mogą wychwytywać wolne rodniki oraz tworzyć chelaty z metalami,

• W badaniach in vitro wykazują większą aktywność antyoksydacyjną niż kwas askorbinowy i α-tokoferol.

Najlepsze roślinne źródła flawonoidów:

• Czarne jagody, borówka amerykańska, winogrona, owoce dzikiej róży,

• Truskawki, maliny, śliwki, wiśnie, brzoskwinie, jeżyny,

• Owoce cytrusowe, papaja,

• Pomidory, karczochy, soja,

• Zielona herbata,

• Kora sosny, liście miłorzębu dwuklapowego, brzozy, borówki czarnej.

200 g bakłażanów lub ciemnych winogron dostarcza 1500 mg antocyjanów.

Czynniki wpływające na zawartość związków fenolowych w surowcach roślinnych:

• Czynniki genetyczne (różnorodność odmianowa),

• Warunki klimatyczne,

• Agrotechnika,

• Stopień dojrzałości,

• Czas zbioru,

• Warunki przechowywania.

Enzymy antyoksydacyjne

Enzymy bezpośrednio zaangażowane w usuwanie reaktywnych form tlenu:

• Dysmutaza ponadtlenkowa (SOD),

• Katalaza (CAT),

• Peroktydazy.

Enzymy umożliwiające regenerację zredukowanych antyoksydantów:

• Reduktaza glutationowa

• Reduktaza dehydroaskorbinowa

Dysmutaza ponadtlenkowa (SOD) (ang. SuperOxide Dismutase)

Wyróżnia się trzy klasy dysmutazw zależności od metalicznego ko faktora:

• Cu/Zn-SOD -> cytozol, peroksysomy, plastydy, brodawki korzeniowe

• Mn-SOD -> mitochondria

• Fe-SOD -> plastydy, organizmy prokariotyczne

Katalizuje reakcję przekształcania dwóch rodników ponadtlenkowych w nadtlenek wodoru i tlen cząsteczkowy:

2O₂^- + 2H⁺ --SOD---> H₂O₂ + O₂

Katalaza (CAT) -> rozkłada toksyczny nadtlenek wodoru

H₂O₂ + H₂O₂ –CAT--> 2H₂O + O₂

• Jest enzymem obecnym we wszystkich organizmach tlenowych,

• Występuje w cytozolu, glioksysomach, peroksysomach,

• Jako grupę prostetycznązawiera żelazoporfirynę (hem),

• Wrażliwa na światło, ulega fotoinhibicji, konieczna jest ciągła synteza enzymu de novo,

• Charakteryzuje się bardzo dużą aktywnością- aktywność molekularna wynosi 5*10⁶ min^-1.

Katalaza (H₂0₂: H₂0₂ oksydoreduktaza; EC 1.11.1.6)

Wyróżnia się 3 klasy katalaz:

I - dominuje w tkankach fotosyntetyzujących roślin, odpowiada za usuwanie H202 wytwarzanego w procesie fotorespiracji;

II - pełni ważne funkcje w tkankach przewodzących, odgrywa ważną rolę w lignifikacji ścian komórkowych;

III - ulega ekspresji w nasionach i młodych siewkach; usuwa H₂0₂ wytwarzany w glioksysomach w czasie przemian nierozpuszczalnych lipidów w cukry – metabolity

nadające się do transportu (cykl glioksalowy).

Peroksydazy

• Zawierają żelazo hemowe,

• Występują w cytozolu, piasty dach, stromie chloroplastów, błonach tylakoidów, brodawkach korzeniowych,

• Usuwają nadtlenek wodoru oraz nadtlenki alkilowe.

H₂0_{2 peroksydaza} H₂O

ROOH + AH₂ ROOH + H₂O + A (utleniony) Czynnik redukujący -> kwas askorbinowy, glutation, związki fenolowe

LOOH (czynnik redukujący) LOH

Cykl askorbinian - glutation umożliwiający regenerację zredukowanych antyoksydantów:

H₂O₂ askorbinian GSSG NADPH₂

ROOH

peroksydaza reduktaza reduktaza

askorbinianowa dehydroaskorbinianu glutationowa

H₂O dehydroaskorbinian 2x glutation (2 GSH)

ROH

Reaktywne formy tlenu (ROS) oraz antyoksydanty umożliwiające ich neutralizację:

Tlen singletowy ¹O₂ Karotenoidy, tokoferole, kwas askorbinowy

Rodnik ponadtlenkowy O₂^-‘ Dysmutaza ponadtlenkowa, kwas askorbinowy

Nadtlenek wodoru H₂O₂ Katalaza, peroksydazy: glutationowa i askorbinianowa

Rodniki alkilowe ROO’ Kwas askorbinowy, tokoferole

Rodniki lipidów LOO’ Tokoferole

Rodnik hydroksylowy OH’ Kwas askorbinowy

Nadtlenki organiczne ROOH Peroksydazy

ALLELOPATIA

Termin wprowadzony do literatury przez austriackiego fizjologa G. Molischa w 1937 r.

Allelon (gr) - wzajemny Phatos (gr) - cierpieć, szkodzić

Allelopatia - wzajemne oddziaływanie (korzystne lub ujemne) sąsiadujących ze sobą gatunków za pośrednictwem pewnych związków chemicznych wydzielanych przez organizmy żywe (rośliny, mikroorganizmy) lub uwalnianych podczas rozkładu osobników martwych.

Trochę historii:

• 370 r.p.n.e. Demokryt - opisał doświadczenie polegające na niszczeniu drzew przez traktowanie ich korzeni mieszaniną kwiatów łubinu namoczonych w soku szaleju jadowitego (Cicuta virosa);

• 285 r. p.n.e. Teofrast-grecki botanik- zaobserwował wzajemne oddziaływania między roślinami (pierwsze wzmianki o allelopatii);

• 1 r. p.n.e. Pliniusz Starszy - rzymski przyrodnik- opisał trujące dla innych roślin, właściwości orzecha czarnego;

• 1832r de Candolle - szwajcarski botanik - podjął próbę wyjaśnienia tych zjawisk; wskazał na udział chemicznych substancji wytwarzanych przez rośliny; zaproponował nowatorską teorię „toksycznych wydzielin”;

• 1937r Molisch - austriacki fizjolog - po raz pierwszy użył terminu allelopatia;

• 1984r Rice - współczesny autorytet naukowy od allelopatii - zwraca uwagę na znaczenie zjawiska allelopatii zarówno w ekosystemach naturalnych, jak

i agroekosystemach;

• 1996r — I Międzynarodowy Kongres Allelopatyczny zorganizowany w Hiszpanii; Zaproponowana tam definicja allelopatii:

Każdy proces, w którym zaangażowane są wtórne metabolity wytwarzane przez rośliny, mikroorganizmy i grzyby, mające wpływ na wzrost i rozwój systemów biologicznych i rolniczych.

Allelopatia jest przyczyną zmęczenia gleby

Zmęczenie gleby - zjawisko polegające na obniżaniu się urodzajności gleby w wyniku jednostronnego jej użytkowania, które objawia się ciągłym zmniejszaniem się plonów pomimo intensywnego nawożenia i uprawy.

W skrócie -> obniżenie produktywności powodowane uprawą monokulturową

Skutki nagromadzenia allelozwiazków w glebie:

• Zmiany w składzie mikroflory glebowej,

• Zmniejszenie odporności roślin na patogeny,

• Masowe porażenie roślin przez choroby i szkodniki,

• Zwiększenie liczebności chwastów,

• Zmiany w pobieraniu składników pokarmowych przez rośliny,

• Naruszenie równowagi jonowej w glebie,

• Niekorzystny wpływ na kiełkowanie, wschody i wzrost roślin, a w konsekwencji na ich plonowanie.

Różne typy wzajemnych oddziaływań:

Donor (związki wytwarzane przez): Akceptor (związki działające na):

ROŚLINY WYŻSZE KOLINY ROŚLINY WYŻSZE

MARAZMINY ^ FITO(N)CYDY V

MIKROORGANIZMY MIKROORGANIZMY

ANTYBIOTYKI

Występowanie substancji allelopatycznych (allelopatin) roślinach:

• Najwięcej występuje w liściach roślin (zarówno pod względem ilości, jak i jakości),

• Są obecne we wszystkich częściach roślin: korzeniach, łodygach, kwiatach, owocach, nasionach.

Sposoby uwalniania allelosubstancji do środowiska

• Wymywanie z powierzchni roślin przez deszcz, mgłę, rosę, wodę irygacyjną;

• Wydzielanie przez system korzeniowy (eksudacja);

• Uwalnianie lotnych substancji;

• Rozkład obumarłych części roślin.

Aktywne wydzielanie allelozwiązków odgrywa mniejszą rolę niż oddziaływanie substancji powstającyh przy obumieraniu korzeni i resztek roślinnych.

Warunki środowiska modyfikują wytwarzanie allelozwiązków.

Zwiększone wytwarzanie związków allelopatycznych stwierdzono w warunkach ograniczających wzrost roślin (stresy biotyczne i abiotyczne).

Czynniki powodujące stymulację syntezy allelopatin:

• niedobór składników mineralnych, zwłaszcza azotu i fosforu,

• susza,

• chłód i wysoka temperatura,

• promieniowanie ultrafioletowe,

• atak patogenów i szkodników.

Pobieranie i transport substancji allelopatycznych:

• Głównie pobierane są przez korzenie roślin i transportowane do innych organów;

• Ich działanie może ujawnić się na każdym poziomie: komórkowym, tkankowym i organizmalnym.

ALLELOPATIA:

• Prawdziwa – uwalniane do środowiska związki chemiczne są toksyczne bezpośrednio po wytworzeniu przez roślinę

• Funkcjonalna – uwalniane do środowiska substancje są toksyczne dopiero po przekształceniu przez mikroorganizmy

Obecnie znanych jest ok. 100000 allelozwiązków.

• Należądo różnych grup chemicznych: od prostych gazów (amoniak, etylen) i związków alifatycznych (kwas szczawiowy, krotonowy, mrówkowy...) do wielopierścieniowych związków aromatycznych;

• Ich synteza może pochłaniać 20% zasymilowanego w fotosyntezie węgla;

• Gatunki roślin dziko rosnących zawierają więcej allelosubstancji niż rośliny uprawne.

Związki allelopatyczne są w większości wtórnymi metabolitami przemiany materii.

Najwyższą aktywnością allelopatyczną odznaczają się

• związki fenolowe (kwasy: dezoksybenzoesowy, chlorogenowy, galusowy, garbnikowy, p-kumarowy, wanilinowy i in.),

• alkaloidy (kofeina, chinina, kokaina, papaweryna i in.), jak również cykliczne kwasy hydroksamowe (obecne w roślinach z rodziny Poaceae)

• terpenoidy (pinen, kamfora, cyneol).

KWASY HYDROKSAMOWE

• Są obecne głównie w roślinach z rodziny Poaceae. życie, pszenicy, kukurydzy;

• Występująw połączeniu z cukrami tworząc glikozydy;

• Są niestabilne;

• W roztworach wodnych ulegają przemianom do biologicznie aktywnych związków - benzoksazolinonów.

Produkty przemian kwasów hydroksamowych (benzoksazolinony)

PRZYKŁADY KOLIN:

KOFEINA Selektywnie niszczy wiele chwastów bez szkody dla fasoli
JUGLON (5-hydroksynaftochinon) Zidentyfikowany w 1928 roku;

• Wydzielany z liści, owoców i korzeni orzecha;

• Powoduje więdnięcie i obumieranie wielu roślin m.in. pomidorów, lucerny, róży, jabłoni.

KWERCETYNA

• Jest flawonoidem o silnych właściwościach allelopa- tycznych;

• Zaburza oddychanie mitochondrialne (może przejmować elektrony

z łańcucha oddechowego, poprzez co rozprzęga fosforylację oksydacyjną);

• Hamuje pobieranie fosforanów;

• Powoduje inhibicję oksydazy kwasu idolilo-3-octowego, enzymu utleniająceg

auKsynę (chroni auksyny przed utlenieniem).

TERPENOIDY (Związki lotne)

• Związki te są odpowiedzialne za zdolność pewnych roślin do wypierania traw

• i roślin jednorocznych w obrębie zajmowanej przez siebie przestrzeni;

• Jedna roślina wypiera całkowicie rośliny jednoroczne w promieniu 60-90 cm;

• W odległości do 6 m obserwuje się stopniowy zanik oddziaływania

SORGOLEON (Analog plastochinonu)

• Syntetyzowany w tkankach sorgo (Sorghum bicoloĄ, Jest chinonem o

• bardzo dużym potencjale inhibicyjnym,

• Inhibuje fotosyntetyczny transport elektronów i wydzielanie tlenu.

• Hamuje również mitochondrialny transport elektronów.

• Zakłóca biosyntezę karotenoidów.

PRZYKŁADY MARAZMIN:

KWAS α-PIKOLINOWY

• Akaloid pochodzenia bakteryjnego,

• fitoaktywny,

• dobrze rozpuszczalny w wodzie, ruchliwy w glebie,

• trwały (czas jego połowicznego zaniku wynosi 90 dni),

• Jego chlorowcowa pochodna jest handlowo dostępnym herbicydem o nazwie Picloram.

FOSFINOTRYCYNA = GLUFOSYNAT:

• Fitotoksyna syntetyzowana przez bakterie, głównie Streptomyces yiridichromogens;

• Powoduje nieodwracalną inhibicję syntetazy glutaminowej (GS), kluczowego enzymu

uczestniczącego w asymilacji NH3/NH4+;

• Jest substancją aktywną herbicydów o nazwach handlowych Basta,

• Buster, Challenge...

GLUFOSYNAT

• Jest analogiem kwasu glutaminowego;

• Łączy się z centrum aktywnym syntetazy glutaminowej (GS);

• Nieodwracalnie blokuje działanie enzymu;

• Doprowadza do toksycznego nagromadzenia jonów amonowych w tkankach roślin.

Synteza glutaminowa (GS) + glufosynat

PRZYKŁADY FITO(N)CYDÓW:

ALLICYNA CYKLOALLIINA

• Posiada bardzo silne właściwości antybiotyczne;

• Nadaje roślinom mocny, gorzki smak i charakterystyczny zapach;

• Występuje m.in. w roślinach z rodzaju Allium (cebula, czosnek).

Możliwości praktycznego wykorzystania zjawiska allelopatii do:

• Zmniejszenia stanu zachwaszczenia gleby (np. jesienny wysiew żyta z przeznaczeniem na przyoranie wiosną -> zmniejsza średnio o 94% biomasę chwastów takich jak: komosa, palusznik, rzeżucha, proso, chwastnica, szarłat, bożybyt);

• Ograniczenia stosowania środków chemicznych;

• Syntezy naturalnych (proekologicznych) herbicydów na bazie allelopatin (są one dobrze rozpuszczalne w wodzie i łatwo biodegradowalne).

Skutki negatywnego działania allelosubstancji:

• Zmniejszenie zawartości chlorofilu,

• Hamowanie kiełkowania nasion, Hamowanie podziałów mitotycznych,

• Utlenianie hormonów roślinnych,

• Redukcja syntezy białek,

• Inhibicja lub stymulacja niektórych enzymów,

• Zahamowanie wzrostu roślin,

• Zmiany ultrastruktury komórek:

- zwiększenie wakuolizacji, - zmniejszenie ilości mitochondriów, - zmniejszenie ilości rybosomów i diktiosomów.

Mechanizm działania allelosubstancji:

• Niektóre wpływają bezpośrednio na fazę jasną procesu fotosyntezy (łączą się z PSII i rozprzęgają transport elektronów),

• Inhibują enzymy uczestniczące w procesie oddychania (głównie enzymy glikolizy i cyklu pentozowego):

• Jest to główną przyczyną hamowania kiełkowania nasion;

• Inhibicja glikolizy uniemożliwia mobilizację substancji energetycznych nasienia i biosyntezę związków budulcowych niezbędnych dla rozwijających się siewek.

Przykłady dodatniego i antagonistycznego oddziaływania na roślinę:

Oddziaływanie dodatnie

ziemniak, marchew, ogórek, kapusta

cebula, kalarepa

szpinak, marchew, rzodkiew, ogórek, truskawka

rośliny aromat., seler, koper, szałwia, buraki, cebula

groch,sałata, por, cebula, pomidor

fasola, kukurydza, groch, rzodkiew, słonecznik

fasola, kukurydza, kapusta, chrzan, len

kąkol (do pewnego poziomu), chaber, bławatek, kukurydza

licznik

koniczyna, lucerna

bratek polny, wyka

ziemniak, groch, fasola, ogórek, dynia, kabaczek, pszenica

Roślina

Fasola

Burak

Sałata

Kapustne

Marchew

Ogórek

Ziemniak

Pszenica

Len

Jęczmień

Trawy

Żyto

Kukurydza

Antagonizm

cebula, czosnek, mieczyk

fasola, gorczyca

truskawka, fasol a pomidor

koper

cebula, czosnek, mieczyk

dynia, kabaczek, ogórek, słonecznik, pomidor, mak polny, komosa biała

mak polny, ostrożeń

msk polny

krwawnik

mak polny

jaskrowate

Mechanizmy odporności na allelozwiązki:

• Tworzenie przez allelosubstancje połączeń (koniugacja) z endogennymi związkami głównie cukrami oraz glutationem, Powstają podobne lecz

• Modyfikacje chemiczne (m. in. utlenianie), mniej toksyczne związki

• Sekwestracja, odizolowanie allelopatin w wakuoli.

Enzymy uczestniczące w detoksykacji allelosubstancji oraz innych ksenobiotyków:

• Cytochrom P450,

• Glikozylotransferazy,

• Transferazy glutationowe.

CYTOCHROM P450

• rodzina enzymów wykazujących aktywność monooksygenazy (włączają pojedynczy atom tlenu w cząsteczkę substratu);

• jako grupę prostetyczną zawierają hem,

• występują w cytoplazmie w postaci rozpuszczonej oraz w powiązaniu z błonami.

Przykład reakcji z udziałem cytochromu P450:

• Reakcja hydroksylacji

Atom tlenu w grupie hydroksylowej wprowadzonej do ksenobiotyku pochodzi z tlenu.

• Reakcja epoksydacji

Najpowszechniejszymi reakcjami katalizowanymi przez cytochrom P450 są:

• reakcje hydroksylacji pierścienia aromatycznego lub reszty alkilowej w łańcuchu alifatycznym,

• wprowadzenie atomu tlenu do podwójnego wiązania między atomami węgla, co prowadzi do utworzenia grupy epoksydowej,

• reakcje dealkilacji i deaminacji oksydacyjnej.

GLIKOZYLOTRANSFERAZY

• katalizują przeniesienie reszty glukozy z UDP-glukozy na substrat),

• Powstają połączenia typu 0-, N- lub S-gliko żydów, rzadziej koniugaty estrowe,

• Grupami funkcyjnymi, które najczęściej biorą udział w reakcji są: hydroksylowa, aminowa, karboksylowa,

• Powstałe koniugaty mogą tworzyć koniugaty wtórne z glukozą lub malonianem (dawcą grupy acylowej jest malonylo-CoA).

TRANSFERAZY GLUTATIONOWE:

• pełnią ważne funkcje w przemianach metabolitów wtórnych m. in. takich jak kwas cynamonowy czy antocyjany,

• katalizują przyłączenie glutationu (GSH - glutamylo- cysteinyloglicyny) do odpowiednich substratów;

• łączą się z nimi za pośrednictwem grupy hydrosulfidowej cysteiny (-SH),

• występują w licznych formach izoenzymatycznych;

• zlokalizowane są głównie w cytoplazmie;

• odpowiedzialne są również za tolerancję roślin na określone herbicydy,

• są jednym z ważnych mechanizmów obronnych związanych z obecnością metali ciężkich, atakiem patogenów, stresem oksydacyjnym (m in. usuwają produkty peroksydacji lipidów).

Znaczenie reakcji koniugacji:

• Powstałe produkty wykazują znacznie mniejszą toksyczność lub są nietoksyczne;

• Zwiększa się ich hydrofilowość (są lepie) rozpuszczalne w wodzie);

• Mogą być deponowane w wakuoli lub w innych przedziałach komórkowych (np. ścianie komórkowej).

Kompartmentacja:

Zinaktywowane, rozpuszczalne w wodzie koniugaty są usuwane z cytozolu i transportowane do:

• wakuoli i tam magazynowane lub hydro lizowane,

• apoplastu gdzie, mogą się wiązać z ligninami, hemicelulozami i innymi składnikami ściany komórkowej.

Schemat detoksykacji allelopatin w komórkach roślinnych:

Etap I Chemiczna modyfikacja Etap II Koniugacja Etap III Kompartmentacja

FIZJOLOGICZNA REAKCJA ROŚLIN NA STRESY ŚRODOWISKOWIE

Podstawowe czynniki srodowiskow niezbędne roślinom do wzrostu:

• Promieniowanie słoneczne

• Odpowiednia temperatura

• Woda

• Minerały

• Tlen CO₂

Wzrostowa reakcja roślin na czynniki środowiskowe:

• Optimum fizjologiczne - Taka wartość czynnika przy której roślina

osiąga maksymalny wzrost

• Tolerancja ekologiczna – granice działania określonego czynnik,

w których populacji może istnieć i poza którymi ginie

• W aspekcie fizjologii plonowania (agrofizjologii) gatunki lub odmiany

tolerancyjne (odporne) na stresy środowiskowe odznaczają się

wiernością plonowania w zmiennych warunkach środowiska

(niewielki spadek plonu przy zachowaniu jego wysokiej jakości).

• Krytyczne stężenie/intensywność czynnika przy którym wzrost/plon

roślin utrzymuje się na poziomie 90% wzrostu roślin w warunkach optymalnych

• Życica do optymalnego wzrostu potrzebuje 1,4 mM NO₃, ale stężenie

0,014 mM zapewnia tej trawy na poziomie 90% stanu optymalnego

Czynniki środowiskowe

Abiotyczne

• Promieniowanie (niedobór, nadmiar, UV)

• Temperatura (wysoka, chłód, mróz)

• Woda (suche powietrze, susza glebowa, zatopienie)

• Gazy (niedobór Oz, ozon, gazy wulkaniczne)

• Minerały (niedobór, nad­miar, zasolenie, zachwianie równowagi, metale ciężkie, zakwaszenie, alkalizacja)

Biotyczne

• Rośliny (zagęszczenie, allelopatia, rośliny pasożytnicze)

• Patogeny (wirusy, bakterie, grzyby)

• Zwierzęta (zgryzanie, żerowanie, deptanie, pasożytnictwo)

• Antropogeniczne (za ni eczy szczeni a przemysłowe, pestycydy, ubicie gleby, pożary, promieniowanie jonizujące,pole elektromagnetyczne)

W warunkach naturalnych na rośliny oddziałuje jednocześnie (w tym samym czasie) kilka niekorzystnych czynników.

• Mogą się one pojawiać jako efekt wtórny.

• Równoczesne oddziaływanie kilku czynników może być:

=> synergistyczne,

=> addytywne,

=> antagonistyczne.

• Często zmiany wywołane jednym czynnikiem powodują zwiększenie odporności rośliny na inne stresy („odporność krzyżowa").

Skutki działania niekorzystnych czynników (stresów środowiskowych):

• Zahamowanie wzrostu roślin,

• Trwałe uszkodzenia komórek, tkanek i organów,

• Zaburzenia metaboliczne,

• Niepowodzenia w rozwoju generatywnym,

• Przedwczesna śmierć rośliny.

Odpowiedź na działanie czynnika stresowego może być:

• Lokalna - zachodzi w miejscu działania czynnika,

• Systemiczna - informacja o powstaniu stanu stresowego zostaje przekazana do innych organów.

Od czego zależą skutki stresów środowiskowych:

• Intensywności czynnika,

• Czasu jego działania,

• Sposobu działania (krótkotrwały impuls, szybka zmiana, stopniowe i powolne pogłębianie stresu, długotrwały stres, pojawia się cyklicznie),

• Towarzyszących warunków,

• Stanu fizjologicznego rośliny,

• Fazy rozwojowej rośliny.

Fazowy przebieg odpowiedzi organizmu na czynnik stresowy

W reakcji roślin na czynniki stresowe wyróżnić można 4 fazy:

1. Fazę alarmu,

2. Fazę restytucji,

3. Fazę wyczerpania,

4. Fazę regeneracji.

FAZA ALARMU:

Wystąpienie czynnika stresowego powoduje różne zakłócenia (odchylenie od standardowego przebiegu funkcji życiowych rośliny):

• Destabilizacja struktury i funkcji komórek i tkanek (uszkodzenia błon plazmatycznych, destabilizacja/denaturacja białek strukturalnych i enzymatycznych),

• Zakłócenia gospodarki jonowej i wodnej,

• Przewaga procesów katabolicznych nad anabolicznymi,

• Zaburzenia homeostazy organizmu

• Spadek witalności

FAZA RESTYTUCJI:

Faza nabywania odporności na stres:

• Uruchomienie procesów przystosowawczych i naprawczych,

• Modyfikacja szlaków metabolicznych,

• Synteza substancji ochronnych (osmolitów, białek stresowych, antyoksydantów),

• Modyfikacja składu i właściwości błon plazmatycznych oraz ściany komórkowej,

• Dostosowanie organizmu do warunków stresowych,

• Przywrócenie pierwotnych funkcji (reaktywacja).

FAZA REGENERACJI:

• Po ustąpieniu stresu następuje częściowa lub całkowita regeneracja,

• Przywrócenie homeostazy organizmu.

FAZA WYCZERPANIA:

• Zbyt długotrwały i/lub zbyt mocny stres powoduje przekroczenie zdolności przystosowawczych,

• Powoduje nieodwracalne uszkodzenia lub śmierć komórek.