Növénybiológia MSc 1. elıadás. Szignál-transzdukció

Átírás

1 Növénybiológia MSc 1. elıadás Bevezetés a kurzus témáiba. A növény egyedfejlıdése és környezetével való kapcsolata során a külsı és belsı (hormonális) tényezık hatására bekövetkezı fiziológiai változások molekuláris mechanizmusai. A fejlıdési-, környezeti faktorok szerepe. A folyamatokban szerepet játszó jelközvetítık, szignáltranszdukciós hálózatok A növények növekedését és fejlıdését befolyásoló szignálok sokfélék Az élılények növekedését, fejlıdését és környezeti válaszreakcióit programozott génexpresszió határozza meg. gének be- és kikapcsolása révén változik a sejt funkcionális (enzim) és strukturális proteinkészlete, amely az organizmus differenciálódásának feltétele. Szabályozás: belsı (hormonális) és külsı környezeti tényezık A hatásukat biokémiai reakciók sorozatán keresztül fejtik ki, amelyet jelátviteli útnak nevezünk. A jelátadás folyamán az eredeti jel, a szignál, fizikai vagy kémiai természete is megváltozik, amplifikáció jelerısítés történik, majd a jel lefordítódik, és értelmet kap egy specifikus gén aktiválásával vagy represszálásával. Szignál-transzdukció A jeltıl a válaszreakcióig lezajló folyamat. Komponensek: Jel: külsı és belsı tényezık (fény, vízfelvehetıség, hormonok, egyéb jelmolekulák) Jelérzékelés (percepció) membrán (receptorok, ioncsatornák), citoplazma szintjén (receptorok) Jelátadás (transzdukció) membránvagy citoplazma szinten; Jelerısítés (amplifikáció) másodlagos hírvivık, kinázok által; Bejutás a sejtmagba Dekódolás, kötıdés a megfelelı DNS szekvenciához (cisz -, transzható elemek), transzkripció génexpresszió Külsı szignál Szignálpercepció Szignáltranszdukció anyagcsereválaszok Válaszreakció: a protein szintézis szintjén, funkcionális és strukturális fehérjék és egyéb, adaptív értékő anyagok szintézise, a növekedés és fejlıdés módosulása a környezeti és belsı feltételeknek megfelelıen. Jelátvitel a prokariótákban Stimulus érzékelése, átalakítása, majd a válaszreakció. Kétkomponenső regulátor rendszer két moduláris egység: a szenzor protein és a válaszregulátor mindkét egység két doménbıl épül fel Szenzor protein: a bemeneti (input) domén és a transzmitter domén Válaszregulátor: elsı doménje a fogadó domén (receiver), a másik pedig a kimeneti (output) domén. 1

2 Jelátvitel az eukarióta szervezetekben Ligandumok érzékelése speciális felületi receptorokkal, amelyek a plazma membránban lévı szenzor protein beviteli doménjei (vagy oldékony protein, mely már a periplazmikus térben köti a ligandumot. A jelérzékelés és jelátvitel mechanizmusa Speciális receptorokkal történik, amelyek többnyire a membránhoz kötött receptorokkal (pl. valamilyen funkcionális, jelérzékelésre alkalmas integráns protein) G protein α, β és γ alegységekbıl álló, heterotrimer G-proteinnel (GTP-kötıfehérje),. A G- protein α alegysége aktiválatlan állapotban egy GDP molekulát köt. A szenzor fehérje input doménjének konformáció-változása, ami a transzmitter domén konformáció változását is maga után vonja. A szenzor protein transzmitter doménjén egy, az N-terminálishoz közeli hisztidin ATP felhasználásával autofoszforilálódik (autofoszforiláló hisztidin kináz). A foszfát csoport átadása a válaszregulátor protein fogadó doménjének (aszparaginsavra). A foszforilált aszpartát a válaszregulátor proteint konformáció változását okozza (aktiválja) A válaszregulátor kiviteli doménjének jelértékő konformációváltozása. A válaszjel a fogadó domén defoszforilációjával szőnik meg. Jelátvitel az eukarióta szervezetekben A jelérzékelés és jelátvitel mechanizmusa Speciális receptorokkal történik, amelyek többnyire a membránhoz kötött receptorokkal (pl. valamilyen funkcionális, jelérzékelésre alkalmas integráns protein) Általános séma: (speciális utak az egyes hormonoknál) 1. A jelmolekula kötıdése receptormolekulához 2. A jelmolekula-receptor komplex kölcsönhatásba lép az α, β és γ alegységekbıl álló, heterotrimer G-proteinnel (GTP-kötıfehérje),. A G-protein α alegysége aktiválatlan állapotban egy GDP molekulát köt. 3. GDP GTP-re cserélıdik és az α alegység aktiválódik, majd ledisszociál k a heterotrimer komplexbıl. 4. Az aktivált α alegység kölcsönhatásba lép a másodlagos hírvivıt (camp)termelı enzimrendszerrel (adenilil-cikláz). 5. A GTP-GDP hidrolizis és α ledisszociál. camp növényekben K+ ioncsatorna szabályozásában A foszfolipázok szerepe a jelátvitelben A G-protein II alegységének másik fontos célproteinje a foszfoinozitid-specifikus foszfolipáz C (PLC). 2

3 A membránalkotó lipidek között kis mennyiségben található foszfatidilinozitol. Ez két egymás utáni kináz reakcióval foszfatidilinozitoi 4,5- biszfoszfáttá alakul, ami az aktiválódott PLC szubsztrátja. A PLC reakció termékei: vízoldékony inozitol 1,4,5- triszfoszfát (IP 3 ) és a membránfázisban maradó, lipidoldékony diacil-glicerol (DAG). Mindkettı szerepet.játszik a sejtben lejátszódó jelátvitelben DAG: a C-típusú protein kinázt aktiválja. A C-tipusú protein kinázoknak a további célpotjai: specifikus kinázok, az ún.map kinázok (rnitogenactivated protein kinase), amelyek a sejtosztódás szabályozásában és a differenciálódásban vesznek részt. IP 3 : 1. Mozgékony a citoszolban, kötıdik az ER és a tonoplaszton lévı kötıhelyeihez. 2. Az IP 3 kötése esetén a Ca 2+ -csatornák nyitódnak. Ez a reakció igen IP 3 specifikus!! 3. A kötıdés után az organellumokból Ca 2+ áramlás történik a citoszolba 4. Megemelkedik a szabad Ca 2+ koncentráció 5. Ez számos célproteint aktivál (protein kinázok, Ca2+-ATPáz) (A válaszreakció az IP3 lebontásával és a Ca2+ citoszolból való kipumpálásával fejezıdik be). Hidroaktív sztómazáródás!! 3

4 A kalcium jelátvitel végeredményben génexpressziós változáshoz vezet. A kalmodulin (CaM) fehérje négy Ca2+ ionnal képez komplexet A Ca2+ koncentráció változás elsıdleges szenzora a kalmodulin (CaM) fehérje, A kalcium jelátvitel végeredményben génexpressziós változáshoz vezet. A Ca 2+ koncentráció változás elsıdleges szenzora a kalmodulin (CaM) fehérje, amely négy Ca 2+ ionnal képez komplexet. A komplex számos célproteint aktiválhat. A növényi sejtben a környezeti faktorok (hımérséklet, fizikai hatások) a kalmodulint kódoló mrns-ek gyors megjelenését idézik elı. A kalmodulin a növényi sejt különbözı komnpartmentjeiben található, így a citoplazmán kívül a sejtmagban is. 4

5 A környezethez való alkalmazkodás formái.adaptáció A tulajdonságokban (morfológiai, fiziológiai vagy fejlıdési) az evolúció során bekövetkezı olyan öröklıdı változás, amely az adott élılény számára a sikeresebb fennmaradást és reprodukciót biztosítja (genotípusos alkalmazkodás). -C4 fotoszintézisút és a hozzá kapcsolódó anatómiai tulajdonságok Akklimácó Fenotípusos alkalmazkodás a környezeti tényezık fluktuációjához: a fiziológiai és a morfológiai/anatómiai sajátosságok fokozatos és reverzibilis igazodása a környezeti tényezık változásához. Idılépték: életciklus, növekedési szezon, hónapok, hetek (hosszú távú alkalmazkodás) vagy sokkal rövidebb órák, percek (rövidtávú alkalmazkodás) Ugyanazon genotípuson belül a fenti bélyegek azon képessége, amely lehetıvé teszi, hogy a különbözı környezeti feltételek között eltérı fenotípusok alakuljanak ki. -fenotípusosan flexibilis bélyegek: konstitutív és fakultatív bélyegek Fény és árnyéklevelek fotoszintézis-fiziológiája és anatómiájamorfológiája C3 és CAM fotoszintézisutak További fenotípusos alkalmazkodási típusok Akklimatizáció: a növények transzplantációja során fellépı fenotipusos alkalmazkodás Moduláció: a kialakult szervek (modulok) fiziológiai, biokémiai, anatómiai sajátosságainak változása a környezeti tényezık fluktuációjával. A növények környezeti válaszainak fajtái 1. Azonnal fellépı (direkt) növényi válaszok Fotoszintézis fényválaszok 2. Kioldásos növényi válaszok Csírázás (hımérséklet, vörös fény), 3. Modulált, késleltetett válaszok Fototropizmus, gravitropizmus, fitokróm közvetítette válaszok, virágzás 4. Homeosztázis válaszok Sztóma nyitódás és a fotoszintézis összefüggése, a növekedési anyagok belsı koncentrációja. 5. Kondicionáló hatások Szárazság és fagy tolerancia kialakulása (alacsony vízpotenciál) 6. Átöröklı válaszok Hibridek (két-három generáción megjelenı változások) 5

6 Növényfiziológiai környezeti válaszok Alapelvek: A) Egyetlen tényezı jelenlétében Fotoszintézisszéndioxid cc. válaszok 1. Telítıdés (szaturáció) küszöbérték (minimum), telítési érték Michaelis-Menten enzimkinetikával jellemezhetı Vmax Km= Michaeles-féle állandó (1/2 Vmax-ig a ható tényezı koncentrációja, erıssége 2. Dózis-válasz összefüggés Shelfold (1913): a tolerancia törvénye (law of tolerance) a) Esszenciális faktor-válaszok İszi búza nitrogénigénye a) Esszenciális faktor-válaszok három zóna: hiány, tolerancia, toxicitás (optimum) Hımérséklet igény b).nem esszenciális faktor-válaszok toxicitás 6

7 B) Több tényezı együttes jelenlétekor 1. Liebig-féle minimum törvény (law of minimum) Liebig 1841: a minimumban lévı tápanyagtól függ a növények növekedése Blackman1905: a "limitáló tényezı" fogalom bevezetése (a "legkisebb" mennyiségben jelenlévı faktor) ökofiziológiai jelentısége: pl. magyarázatot adhat a fajok elterjedésére A növényi válasz leírása: Blackman-görbék 2. A környezeti tényezık kölcsönhatnak a) Szinergista tényezık b) Additív tényezık c) Multiplikatív tényezık d) Antagonista tényezık Peptid szignalizációs és növekedési faktorok és receptoraik Lineáris növekedés Növekedés Peptid Szisztemin Fitoszulfokin CLAVATA3 SCR (SP11) Biológiai aktivitás Védelmi jelmolekula mechanikus sebzéskor sejtosztódás A merisztéma növekedésszabályozója Öninkompatibilitás Receptor 160 kda membránfehérje 120 kda és 160 kda membránfehérjék CLV1 és CLV2, 185 kda receptor kináz komplexek SRK, 110 kda receptor kináz L t =L o + rt A növekedés abszolút sebessége= a/b = L/ t Ritka!!! Vagy rövid ideig marad fenn!! 7

8 Exponenciális növekedés Linearizált formája L t = L o e r t r = L/(L o t) kamatos kamat analógia A meglévı növényi rész (pl. levélterület, vagy biomassza) újabb növekvı részeket hoz létre. X = idı, Y = ln L t (vagy log L t ) ln L t = ln L o + r t vagy 10-es alapú logaritmus esetén log L t = log L o + (log e) r t ahol (log e) r = 0,43 r = a/b (az egyenes meredeksége) log L o = tengelymetszet Az exponenciális növekedési forma általános, de csak korlátolt ideig tarthat!!!! Szigmoid növekedési görbe 1. A növekedés kezdeti lassú szakasza (lag fázis) 2. Exponenciális növekedési szakasz (a növekedés nagy periódusa) átmeneti lineáris növekedés 3. Telitıdési szakasz a növekedés az adott fiziológiai és környezeti feltételek közötti maximumhoz közelít A növekedés kinematikai elemzése A növény növekedési folyamata a csúcsi merisztémákból kiindulva idıben tekintve dinamikus, de morfológiai szempontból állandó struktúrát hoz létre, amely egy szökıkút vízáramához hasonló jelenség. Az elemi részecskék - a sejtek, vagy szövetelemek - mozgása és analízise a mozgástan vagy kinematika eszközeivel is leírható. Hipokotil Marker: A helyzetének a kampórégióhoz viszonyított változása jelzi, hogy a kampó olyan elemi szövetszakaszokból áll, amelyek mindegyike elıször görbül, majd kiegyenesedik, amint a növekedés folyamán a csúcstól eltávolodik. A növekvı szárnak bármely idıpillanatban vannak olyan elemei, amelyek a kampó csúcsának apikális oldalán görbülnek, a bazális oldalon pedig kiegyenesednek. 8

9 A növekedés általában a növekedési zóna régióban jön létre, a csúcsi merisztémák mind jobban eltávolodnak a bazális résztıl. Ha pl. a gyökércsúcstól különbözı távolságban több jelet használunk, az várható, hogy a jelek egymáshoz viszonyított távolsága a növekedési zónán belüli vagy kívüli elhelyezkedésüktıl függıen változik. A növekedési sebesség térbeli profilja A növekedés sebessége fokozódik a szöveti elem csúcstól való távolságának a növekedésével, és konstans telítıdési értéket mutat a növekedési zóna bázishoz közeli részén. A jelek távolodnak az apikális merisztémától, a csúcstól való távolságuk függvényében. A jelölt szöveti elemek elmozdulása részben a sejtosztódás, részben sejtmegnyúlás következménye (amelyek különbözı régiókban mehetnek végbe). A szöveti elemek apextıl való eltávolodásának idıfüggvényét növekedési pályagörbének nevezzük. Relatív elementáris növekedési ráta A szegmens apikális és bazális végének elmozdulási sebessége közötti különbség a szegmens megnyúlására utal. A sebességkülönbséget osztva a szegmens hosszával, megkapjuk a relatív elemi növekedési sebességet (r c ): r c = dv/dx ahol v a növekedési sebesség, x a szegmens két vége közötti távolság. A kezdeti L szegmenshosszt véve figyelembe a relatív növekedési sebesség leírásánál használt egyenlethez jutunk: r c = (1/L) (dl/dt). A relatív elemi növekedési sebesség a szegmens vagy sejt helyzetének a függvényében ábrázolva megmutatja, hogy hol találhatóak a leggyorsabb megnyúlással jellemezhetı régiók a gyökér vagy hajtástengely mentén. 9