Ugrás a tartalomhoz

Növényvírusok és virológiai vizsgálati módszerek

dr. Horváth József - dr. Gáborjányi Richard

Mezőgazda Kiadó

17. fejezet - Aktív oxigénformák és antioxidáns enzimrendszerek

17. fejezet - Aktív oxigénformák és antioxidáns enzimrendszerek

A növények, mint ahogyan minden élőlény, életük során számos környezeti hatásra (szárazság, hőmérséklet-változás, légszennyeződés, kórokozókkal történő fertőződés stb.) reagálnak. E környezeti hatások gyakran az optimális életkörülmények megváltozását okozzák, ezzel alkalmazkodásra kényszerítik a növényeket. A hatás erősségétől függően látható vagy mérhető stressz-szimptómák jelennek meg a növényen. A „stressz” a Selye János által megfogalmazott definíció szerint nem más, mint a szervezet nem fajlagos válasza különböző stresszorok károsító hatása ellen. A stresszor hatására jelentkező tünetegyüttes pedig a generális adaptációs szindróma, amely magában foglalja a vészreakciót, a rezisztencia és a kimerülés szakaszát (Selye, 1975). Ezt a definíciót azonban manapság nem követik a kutatók, ma a stressz a stresszor fogalmával azonos fogalom. A stressz tehát a károsító tényező, a növény nem fajlagos válaszreakciója pedig a stressz-szimptóma. A növényekben fellépő stressz pontos meghatározása azonban igen nehéz. A különböző genetikai arculattal rendelkező organizmusok más-más módon reagálnak a környezet változásaira. Nehéz meghatározni az egyes környezeti tényezők (98. ábra) hatásának a stressz kiváltásához elegendő szintjét, ahol az anyagcsere-folyamatok stressz-anyagcsere-folyamatokba váltanak át (Elstner és Osswald, 1994).

98. ábra - A növényeket befolyásoló hét „stresszhatás” [Schlee, 1992 után]

A növényeket befolyásoló hét „stresszhatás” [Schlee, 1992 után]


A számos stressz közül a kórokozók (gomba, baktérium, vírus) fertőzése a legváltozatosabb és legbonyolultabb hatású. A behatoló mikroorganizmus érzékelésén és azonosításán túl a növény képes koordinált rendszerben egy vagy több védekező mechanizmust felmutatni, amelyek segítségével megpróbálja megakadályozni a kórokozó behatolását, szaporodását, és végül annak elpusztítására törekszik.

A védekezés lehetőségei egyrészt adottak, másrészt indukálhatók. Az indukálható védekező reakciók két típusát különböztetjük meg: a) specifikusan, valamint b) nem specifikusan indukálható védekező reakciók. Ez utóbbiak előidézésére számos biotikus és abiotikus stresszor (stressz) képes. A többnyire összetett védekezés során a növény egyrészt kémiai „fegyverzettel” (fitoalexinek, aktív oxigénformák és antimikrobiális fehérjék termelése) rendelkezik, másrészt szerkezeti gátak kialakítására (sejtfal megszilárdítása, ligninképződés és a sejtfalfehérjék immobilizációja) képes (Dixon et al., 1994).

A gazda–parazita kapcsolat kimenetelét jelentősen befolyásolja a specifikus felismerés, amely specifikus elicitor–receptor kölcsönhatáson keresztül történhet. A gazda–parazita kapcsolat kimenetelét azonban gyakran nem specifikus, hanem általánosan aktiválható reakciók döntik el.

A védekezési folyamatok egy része a növényi sejt felületén játszódik le, de itt történik egyéb folyamatok indukálása is, amelyek tagjai annak a folyamatláncolatnak, amely mint jelátadó rendszer működik. A válaszreakciók egy része rezisztenciát idéz elő, míg többségük inkább a kórokozó sikeres fertőzésének a kísérőjelensége, esetleg az abiotikus stresszhatás által kiváltott stressz-anyagcserefolyamat része [aktív oxigénformák (AOF) termelődése, az exocelluláris és intracelluláris pH-változás, a membránpotenciál megváltozása, az ion-kiáramlás, a fehérjék foszforiláltsági mintázatának a változása stb].

A fent említett AOF termelődése a gazda–parazita kapcsolatok, valamint számos abiotikus stressz által előidézett folyamat során fokozódik. Ez a reakció az állatvilágban és a humán patológiában több mint 30 éve ismert. A növényekben később fedezték fel. Az azóta született biokémiai és genetikai kutatási eredmények alátámasztják az AOF-nak a sejthalálban betöltött kulcsszerepét, bár a mai napig vitatott, hogy vajon az AOF közvetlen hatása mennyire irányul a növény és mennyire a kórokozó ellen. Az is kérdés, hogy jelmolekulaként szerepet játszanak-e az egyes védelmi szerepet kódoló gének transzkripciójának indukálásában (Dangl et al., 1996).

Az aktív oxigénformák

A legtöbb látható vagy mérhető stressztünet kapcsolatos az oxigénanyagcsere-folyamatok megváltozásával, melynek során a heterolitikus (két elektron átvitelével járó) folyamatok helyett megnövekszik a homolitikus (egy elektron átvitelével járó) folyamatok mennyisége, és emiatt ún. szabad gyökök keletkeznek. Az AOF részben szabad gyökök, mint a szuperoxid (O2) és a hidroxil gyök (OH), amelyek párosítatlan (extra) elektronnal rendelkeznek, részben olyan molekulák, amelyek reakcióik során szabad gyök képzésére képesek, mint pl. a hidrogén-peroxid (H2O2) és a szinglet oxigén (1O2).

Ezek a gyökök és molekulák a molekuláris oxigénből sorozatos redukcióval keletkeznek.

Képzésükre így minden aerob sejt képes, kis mennyiségű termelődésük az egészséges növényi szövetek sejtjeiben természetes folyamat. AOF keletkeznek kloroplasztiszokban a fotoszintetikus elektrontranszport során, mitokondriumokban, ahol az oxigén 4%-a alakul át szuperoxiddá, továbbá a citoplazmában lejátszódó enzimreakciók során. Az így keletkező AOF semlegesítésére a sejt antioxidáns-kapacitással rendelkezik, amelyet antioxidáns enzimek és nem enzimatikus antioxidánsok képviselnek.

A molekuláris oxigén önmaga nem nagyon reakcióképes, a fent említett redukciók során elektronszerkezete azonban megváltozik, s ezáltal rendkívül reakcióképessé válik. Számos, élettani szempontból jelentős makromolekulát képes károsítani (membránokat, fehérjéket, aminosavakat, nukleinsavakat stb.). Ha a sejt antioxidáns-kapacitását felülmúlja az AOF gyors, nagy mennyiségű átmeneti képződése, ún. „oxidatív robbanás” (oxidative burst) következik be. Ez utóbbi jelentős károsításokat okozhat, és bekapcsolódhat a sejt jelátviteli rendszerébe, ezáltal szerves részévé válik számos folyamatnak.

Szuperoxid gyök (O2)

Molekuláris oxigénből egyelektronos redukcióval szuperoxid (O2) anion keletkezik. Ennek a reakciónak a végbemeneteléhez csekély energiabevitelre van szükség. Ezt az energiát az élő rendszerekben legtöbbször a redukált nikotinamid-adenin-dinukleotid-foszfát (NADPH) szolgáltatja. A további redukciókhoz már nincs szükség extra energiára, a megfelelő reakciópartner jelenlétében spontán módon is lejátszódnak. Az élő sejtekben a szuperoxid (O2) sav–bázis egyensúlyt alkot protonált formájával, a hidroperoxil gyökkel (O2H),

ez utóbbi forma lipofil, könnyebben behatol a membránok lipid kettősrétegébe, és így képes a káros lipid-peroxidáció előidézésére.

A szuperoxid (O2) jelenléte a növényi szövetekben pH-függő (fiziológiás pH esetén a szuperoxid nem nagyon reaktív). Az 1,0 × 10–6 M-os szuperoxid (O2) oldatban a molekula felezési ideje (t1/2) 6,5 pH esetén 0,5 másodperc, míg 8,5 pH esetében 50 másodperc. Vizes oldatban annak kissé savas és semleges pH-ja esetén a szuperoxid (O2) és protonált formája

hidrogén-peroxiddá (H2O2) és oxigénné (O2) alakul át (Sutherland, 1991). Ez a reakció lejátszódhat spontán dizmutáció útján, vagy szuperoxid-dizmutáz enzim katalizációja segítségével. Az enzim gyorsan katalizálja a reakciót, jelenlétében 1010-szer gyorsabb a reakció. Megjegyzendő, hogy a spontán dizmutáció is nagyon gyors, mégis csaknem minden szervezet rendelkezik olyan speciális enzimmel vagy rendszerrel, amely a dizmutációért felelős. Az enzim megtalálható a citoplazmában, a kloroplasztiszokban, a mitokondriumokban, sőt a plazmamembránon kívül is. A szuperoxid (O2) keletkezését jelentős mennyiségű hidrogén-peroxid (H2O2) keletkezése kíséri:

Hidrogén-peroxid (H2O2)

A hidrogén-peroxid (H2O2) aránylag stabil AOF. Elektromosan semleges és kevésbé reaktív, képes tehát áthatolni a membránokon, így a keletkezési helyéről más sejtekbe vándorolhat. A sejtekben keletkezett hidrogén-peroxid (H2O2) spontán módon vagy kataláz segítségével

átalakulhat vízzé (H2O) és molekuláris oxigénné (O2), vagy szubsztrátja lehet különböző peroxidázoknak, amelyek segítségével a ligninszintézis alapjául szolgáló fenoxil gyökök keletkeznek,

de átalakulhat a Halliwell-Asada-cikluson (lásd az Aszkorbát c. alfejezetet) keresztül is. A hidrogén-peroxid (H2O2) közvetlen oxidálására képes néhány átmeneti fém, ilyen a Fe2+ és a Cu2+ is.

Hidroxil gyök (OH)

A legaktívabb az itt tárgyalt formák közül a hidroxil gyök (OH), amely hidrogén-peroxid (H2O2) és a szuperoxid (O2) direkt reakciójával (Haber-Weiss-reakció) keletkezhet:

A növényi sejtben, a sejt természetes állapota mellett ez a reakció lassan játszódik le, és nem termelődik általa jelentős mennyiségű hidroxil gyök (OH), 4,8-as pH-optimuma miatt gyakorisága elhanyagolható.

Jelentős mennyiségű hidroxil gyök keletkezik átmeneti fémek – Fe2+ és Cu2+ – oxidációja

során (Fenton-reakció). Ez olyan ciklusreakció, ahol az oxidált ionok redukáló formájukat szuperoxiddal (O2-) való reakció útján visszanyerik.

A hidroxil gyökök (OH) sejten belüli keletkezését elsősorban az átmeneti fémek hozzáférhetősége határozza meg (Gutteridge és Halliwell, 1994). A hidroxil gyök (OH) az egyik legerősebb redukáló ágensként irreverzíbilis változásokat idéz elő a sejt makromolekuláiban és megtámadja az organellumokat. Felezési ideje 10–9 másodperces tartományba esik, így meghatározása és szerepének vizsgálata nem sok sikerrel járt ez idáig. A hidroxil gyök (OH) jelenléte a növény–kórokozó kapcsolatokban feltételezhető.

Egyéb aktív oxigénformák

A biológiai membránokhoz kapcsolt elektrontranszport-láncok és a szolubilis fázis kémiai reakciói révén számos más, az előző fejezetekben nem említett AOF keletkezik. Ezek részben gyökök, mint pl. a szerves ligandumot (R) tartalmazó fenoxil gyökök (RO2), alkoxil gyökök (RO), nitrogén-monoxid gyökök (NO), nitrogén-dioxid gyökök (NO2), részben pedig molekulák, pl. szinglett oxigén (1O2), ózon (O3), hipoklórossav (HOCl), szerves peroxidok (ROOH), salétromossav (HNO2) stb. Az utóbbi évek kutatási eredményei a nitrogén-monoxid gyök (NO) kiemelkedő szerepét bizonyítják. A nitrogén-monoxid szintáz által termelt nitrogén-monoxid gyök (NO)

szuperoxid gyökkel reagálva további AOF-at hoz létre (Millar és Day, 1997):

Delledonne et al. (1998) és Durner et. al. (1998) munkáikban a nitrogén-monoxid gyök (NO) hiperszenzitív reakcióban, valamint az egyes védelmi szerepet betöltő gének transzkripciójának aktiválásában betöltött szerepét bizonyítják.