Stressz és a reaktív oxigénformák

Átírás

1 Stressz és a reaktív oxigénformák Oxigénformák A földi élet egyik paradoxonja: Az oxigén, amely az aerob életfolyamatokhoz szükséges, és a az energia termelés és légzés alapvetı feltétele, sok betegség és degeneratív folyamatban vesz részt. Sokféle emberi betegség kiváltásában az oxigén redukált formái vesznek részt. Növényekben szintén jelentısége van, de kevesebb tudunk a szerepükrıl, mert nehéz kimutatni az oxigénformákat, nagyon sokféle forma vesz részt és extrém gyors kémiai reakciók zajlanak le. Ezért a növényi stressz-válaszok vizsgálata során csak az oxigén reakciók nyomait vizsgálhatjuk és megkíséreljük az ok-hatás összefüggéseket feltárni. A légköri oxigén alapállapotban különbözik a gáznemő elemektıl, mert kétatomos és két párosítatlan elektronja van.ezért paramágneses tulajdonságú, így kis valószínősége van annak, hogy szerves molekulákkal reakciókba lép, ha nincs aktivált állapotban. Az oxigén két párosítatlan elektronjának spin-je parallel. A Pauli tilalmi elv szerint ez a tulajdonság a két értékő redukáló szerrel való reakciókat kizárja, kivéve ha azok szintén két párosítatlan paralell, de az oxigénével ellentétes spin-ő elektront tartalmaznak, ami azonban nagyon ritka. Így az oxigén rendszerint nem reaktív a szerves molekulákkal szemben, mivel azok párosított spinő elektronokat tartalmaznak. A spin általi korlátozás azt is jelenti, hogy a a biokémiai reakciókban az oxigén redukciója egyetlen elektron átvitelével lezajló reakció. Az oxigén aktiválása két eltérı mechanizmus szerint megy végbe: Energia abszorpció az egyik párosítatlan spinő elektron spinjének megfordításához Egyelektronos redukció A kétatomos oxigén triplet állapotban van, mivel az elektronjaira parallel spin jellemzi. Ha a triplet oxigén elegendı energiát abszorbeál az egyik elektron spinjének a megfordításához, akkor singlet állapotba kerül (két ellentétes spinő elektronnal). A singlet oxigén részt tud venni olyan reakciókban, amelyekben a két elektron szimultán történı transzfere zajlik le (kételektronos redukció). Mivel a párosított elektronok gyakoriak a szerves molekulákban, a szinglet oxigén sokkal reaktívabb a szerves molekulákkal szemben, mint a triplet forma. Oxigénformák Az aktiválás második mechanizmusa az oxigén egymást követı lépésekben történı egy elektronos redukciója, amely szuperoxid (O - 2 ), hidrogén peroxid (H 2 O 2 ), hidroxil gyök ( OH) és végül víz képzıdéséhez vezet. Az elsı lépés endoterm, a többi reakció exoterm. 1

2 Reaktív oxigéngyökök Szinglet oxigén Alapállapot triplet oxigén hidroxil szuperoxid perhidroxil hidrogénperoxid Szuperoxid A szuperoxid részben oxidáló részben redukáló szerként mőködhet: oxidálhatja a kenet, az aszkorbinsavat vagy a NADPH-t, redukálhatja a citokróm c-t és a fém ionokat. A H 2 O 2 és O 2 képzıdéséhez vezetı dizmutáz reakció végbe megy spontán vagy a szuperoxid-dizmutáz enzim katalizálta reakcióban. A szuperoxid protonált formája (pka = 4.8) a nagyon reaktív perhidroxil gyök képzésében vesz részt, de a biológiai jelentısége kicsi, mert a fiziológiai ph-nál a koncentrációja kicsi. A reaktív oxigén formák Normál állapotban az oxigén kettıs kötéső O 2. Ebbıl a triplet állapotból aktiválódhat egyrészt az egyik párosítatlan elektron spin-jének a megfordulásával és szinglet állapot kialakulásával. Másrészt redukálódhat:az elsı redukció endoterm és szuperoxid gyök képzıdik. Az ezt követı redukciók során hidrogén peroxid, hidroxid gyök és víz képzıdik. Az egyes aktivációs lépésekhez az elektromos állapotot a reakció energiája (Kcal/mol) mutatja. Hidrogénperoxid A hidrogénperoxid a membránokon keresztül jut, nem kompartmentalizálódik a sejtben. Sok enzim (peroxidázok) szubsztrátként használja oxidációs reakciókban pl. komplex szerves molekulák szintézise. A hidrogén-peroxid reaktivitása valójában nem a a saját reaktivitásának tulajdonítható. Fém redukáló szer jelenlétét igényli a nagyon reaktív hidroxil gyök képzıdéséhez, ami a legerısebb oxidáló szer és a szerves molekulákkal reagál... Hidrogénperoxid Fenton (1894, 1899) írta le a hidrogénperoxid oxidáló tulajdonságait vas(ii) sók jelenlétében. Késıbb Haber és Weiss (1934) azonosították az oxidáló reakcióban szerepet játszó hidroxil gyököt: A biológiai rendszerekben a ferro-ionok korlátozzák a reakció sebességét, de a ferri-ionoknak a ferro-ionokká tröténı visszaalakulása fenntartja a Fenton reakciót és hidroxil gyök képzıdését. A szuperoxid fontos redukáló ágens, nemcsak a H2O2 képzıdésében vesz részt, hanem a Fe3+ -- Fe2+ átalakulásban is A vas nyomnyi mennyisége elegendı ahhoz, hogy a szuperoxid és a hirdogénperoxid reakciója destruktív hidroxil gyök képzıdését és a szerves molekulák oxidációját váltsa ki. A vason kívül más vegyértékváltó fém ionok is részt vehetnek az elektron transzfer folyamatokban. 2

3 A szerves molekulák oxidációja: 1) A OH csoport addiciója a szerves molekulába 2) A hidrogén atom beépülése a molekulába 1) OH csoport a szerves molekulába (addició) Az elsı reakcióban a szerves molekula hidroxilált formája képzıdik. A hidroxilált forma tovább oxidálódik Fe 3+ ionok, oxigén vagy más oxidáló szerek révén stabilabb oxidált termékekké. 2) A hidrogén atom beépülése a molekulába A második reakcióban a hidroxil gyök víz képzıdés közben oxidálja a szerves molekulát és képzıdik szerves reaktív gyök. A szerves reaktív gyök egyetlen párosítatlan elektront tartalmaz, így képes reagálni a triplet állapotú oxigénnel. Képzıdik peroxil gyök, amely más szerves molekulákból képes a hidrogént kivonni és egy másik szerves gyök képzıdik. A hidroxilált molekula dizmutálódhat is és kereszt-kötések révén összekapcsolt termékek jönnek létre. Elindul egy láncreakció, és ez az, ami miatt az oxigén szabad gyökök sokkal nagyobb károsodásokat okoznak, mint ami a koncentrációjuk alapján várható lenne. A lipidek károsodása Az oxigén gyökök biológiai reakciói Az aktivált oxigén szerves vegyületekkel történı reakciói összetettek, nehéz a célpontokat, a helyeket és a reakciók típusát meghatározni. A növényekben a membránlipidek károsodása a leginkább elfogadott, az oxidatív károsodások a membránlipidek peroxidációjára vezethetı vissza. Ezen kívül a növényekben a környezeti stressz során fehérjék, nukleinsavak károsodása is lezajlik A növényi membránok telítetlen zsírsavakat tartalmazó lipidjei a reaktív oxigén formák célpontjai. Lipid kettıs réteg: foszfolipidek és glikolipidek zsírsav láncokkal, amelyek a glicerin 1. és 2. szénatomjához kapcsolódnak észterkötésekkel. A zsírsavak peroxidációja eltérı, attól függıen hogy az acil láncban a kettıs kötések hol vannak és milyen számban. 3

4 A növényi membránban gyakori linolénsav peroxidációja A lipid-hidrogénperoxid labilis. Fe jelenlétében a ROOH a Fenton reakcióban vesz részt és reaktív alkoxy gyökök képzıdnek: A hidroxil gyök H-t von el a zsírsav két kettıs kötés közötti 11 C-jánál. Az elektron hiány a 9 és 13 C atom között oszlik meg. Vas jelenlétében a láncreakciók megsokszorozódnak. Triplet oxigén kapcsolódhat a szerkezethez a 9 és 13 C-atomnál és peroxil csoport képzıdik. Ez a szerves peroxil gyök egy másik linolénsavtól H-t von el és lipid-hidrogénperoxid és szerves gyök képzıdik. Lánctöréshez és keresztkötések képzıdéséhez vezetı reakciók játszódnak le és aldehidek, szénhidrogének, alkoholok és keresztkötésekkel kapcsolt dimerek jelennek meg, mint termékek. Fehérjék oxidatív károsodása Növényi membránokban lezajló lipid peroxidáció A telítetlen zsírsavak degradációja aldehidek, szénhidrogének és keresztkötésekkel összekapcsolt termékek képzıdéséhez vezet A peroxidáció termékeinek a mérése Igazolja, hogy a reaktív oxigén formák részt vesznek a stresszválaszokban A fehérjék és az aminósavak érzékenysége a reaktv oxigéngyökökkel szemben eltér. A kéntartalmú, tiol csoporokat tartalmazók különösen érzékenyek Az aktivált oxigén a H atomok elvonja a ciszteinbıl, a képzıdı gyök kapcsolódik egy másik gyökkel és diszulfid híd képzıdik. Metioninnal: metionin-szulfoxid származékok képzıdnek. Gyakran irreverzibilis változások: Fe-S központok oxidációja szuperoxid hatására tönkreteszi az enzim funkciót Sok aminósav irreverzibilisen változik meg: pl. a triptofán oxidációja során bitirozin termékek képzıdnek. Hisitidin, lizin, prolin, argininin, szerin: karbonil csoportok képzıdnek A fém ionok mint pl. a Fe stimulálják az oxidatív degradációt. A kétértékő kation kötı helyekhez kötıdnek. A fém reagál a hidrogén-peroxiddal a Fenton reakcióban és hidroxilgyök képzıdik, amely gyorsan oxidál egy aminósavat a fehérje fémkötı helyénél vagy annak közelében. Enzim inaktiválódás. 4

5 DNS károsodások A cukor és a bázis komponensek egyaránt érzékenyek a reaktív oxigéngyökökre A bázis degardáció: számos terméket eredményez, 8-hidroxiguanin, hidroximetilkarbamid,timin glikol, timin és adenin győrő felnyilás termékei stb.. Cukor komponensek: oxidáció hidroxil gyökök révén száltöréseket okoz A DNS és fehérje közötti kötések: hidroxil gyökök támadják De a DNS repair enzimek gyorsan aktiválódnak Eukarióta sejtekben a DNS nagyrészt sejtmagban, távol a reaktív gyökképzıdési helyektıl. Reaktív oxigénformák képzıdése a kloroplasztiszban A gerjesztési energia sorsa a kloroplasztiszban A) Optimális feltételek között: Az abszorbeált fényenergia az elektron transzport folyamatok mőködtetésére fordítódik. CO 2 fixáció és egyéb redukciós folyamatok lezajlása az elektrontranszport rátával hasonló arányban. B) Ha a NADPH felhasználás gátlódik: Foto-oxidációs stressz lép fel. A PSII-nél a gerjesztési energia oxigénre kerül, singlet oxigén képzıdik. A PSI-nél az elektron transzport a molekuláris oxigén redukciójához vezet, szuperoxid gyök és hidrogén peroxid képzıdik (Mehler-peroxidáz reakció). A H 2 O 2 detoxifikációja az aszkorbinsav-glutation ciklus során megy végbe. Mitokondrium a) Szinglet oxigén képzıdhet az LHC-ben, amikor a gerjesztett klorofill molekula a gerjesztési energiáját triplet oxigénnek adja át. b) Szuperoxid és hidrogén peroxid képzıdik a PSII oxidáló (vízbontó) oldalán. c) Triplet oxigént a ferredoxin redukálhatja szuperoxiddá a PSI redukáló oldalán. Szuperoxid gyök képzıdés a mitokondrium membránjában lejátszódó elektrontranszport során A redukált ubikinon oxidációja szuperoxid gyök képzıdéshez vezethet. 5

6 A reaktív oxigén formák megszüntetése a növényi sejtben Karotinoidok és a szinglet oxigén fluoreszcencia fotoszintézis hıdisszipáció Antioxidáns rendszerek a kloroplasztiszban Az aszkorbinsav redox ciklusa a kloroplasztiszban: Halliwell-Asada ciklus Az aszkorbinsav redox ciklusa a kloroplasztiszban: a Halliwell-Asada út 6

7 Aszkorbinsav Az L-aszkorbinsav képzıdése és lebomlása a növényi szövetekben Structure of ascorbic acid and its metabolites D-glükózból képzıdik. Antioxidáns és különbözı reaktív oxigéngyökökkel reagál, és monodehidroaszkorbinsav és/vagy dehidroaszkorbinsav képzıdik. A redukált formák monodehidroaszkorbinsav reduktáz és dehidroaszkorbinsav reduktáz enzimek katalizálta folyamatban aszkorbinsavvá alakulnak. A két enzim a redukcióhoz redukáló erıként NAD(P)H ill.redukált glutationt használ A dehidroaszkorbinsav lebomolhat és tartarát + oxálsav képzıdik. N-asszimiláció Glutation és szintézise S(SO 4 2- )-asszimiláció Glutation Mechanism of detoxification of heavy metals, organic pollutants and oxidative stress in plant cells by glutathione. Cys, cysteine; -Glu- Cys, -L-glutamyl-L-cysteine; -ECS, -glutamylcysteine synthetase; GSH, glutathione; GSSG, oxidized glutathione; PC, phytochelatine; HMI, heavy metal ion; HMI-PC, heavy metal phytochelatine complex; Toxin, xenobiotics; Toxin SG, toxin GSH conjugate. (1) -Glutamylcysteine synthetase; (2) glutathione synthetase; (3) phytochelatine synthase; (4) glutathione S- transferase (GST). 7

8 A növényi sejtekben gyakran elıfordul a tokoferol és a tokotrienol Fotorespiráció és fényvédelem Szerkezeti sajátosságok A tokoferol szerepe a teljesen szubsztituált benzokinon győrőhöz és a teljesen redukált fitil lánchoz kapcsolódik. Egy C2 ciklusban a szén 2 mól glikolsavban kerül ki a kloroplasztiszból és 1 mól glicerinsav formájában kerül vissza. Az oxidatív C2 ciklusban a ribulóz-1,5, bifoszfát oxigenálása során a C 75 %-a visszakerül a kloroplasztiszba és a Calvin ciklusban felhasználódik. Nincs N-veszteség! Nincs NADH veszteség! fény Az abszorbeált fényenergia sorsa a kloroplasztiszban fluoreszcencia fotoszintézis hıdisszipáció fotoszintézis fluoreszcencia hıdisszipáció 8

9 Xantofill ciklusok Xantofill ciklus Hıdisszipáció és zeaxantin 9

10 A gerjesztési energia sorsa a kloroplasztiszban A) Optimális feltételek között az abszorbeált fényenergia az elektron transzport folyamatok mőködtetésére fordítódik; CO 2 fixáció és egyéb redukciós folyamatok lezajlása az elektrontranszport rátával hasonló arányban B) Ha a NADPH felhasználás gátlódik, akkor photooxidációs stressz lép fel. A PSIInél a gerjesztési energia oxigénre kerül, singlet oxigén képzıdik. A PSI-nél az elektron transzport a molekuláris oxigén redukciójához vezet, szuperoxid gyök és hidrogén peroxid képzıdik (Mehler-peroxidáz reakció). A H 2 O 2 detoxifikációja az aszkorbinsav-glutation ciklus során megy végbe. 10