ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ ΚΑΤΑΠΟΝΗΣΕΩΝ ΤΩΝ ΦΥΤΩΝ ΤΟ ΧΗΜΙΚΟ ΟΠΛΟΣΤΑΣΙΟ ΤΩΝ ΦΥΤΩΝ ΕΝΑΝΤΙ ΒΙΟΤΙΚΩΝ ΠΑΡΑΓΟΝΤΩΝ ΚΑΤΑΠΟΝΗΣΗΣ

Transcript

1 ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ ΚΑΤΑΠΟΝΗΣΕΩΝ ΤΩΝ ΦΥΤΩΝ ΤΟ ΧΗΜΙΚΟ ΟΠΛΟΣΤΑΣΙΟ ΤΩΝ ΦΥΤΩΝ ΕΝΑΝΤΙ ΒΙΟΤΙΚΩΝ ΠΑΡΑΓΟΝΤΩΝ ΚΑΤΑΠΟΝΗΣΗΣ

2 Η σύνθεση των δευτερογενών μεταβολιτών έχει άμεση σχέση με την αντιμετώπιση των βιοτικών παραγόντων καταπόνησης Πρωτογενής μεταβολισμός: Η μεταβολική δραστηριότητα που έχει ως αποτέλεσμα τη σύνθεση των απαραίτητων συστατικών τα οποία συγκροτούν τη θεμελιώδη δομή των φυτικών κυττάρων (π.χ. αναπνοή, σύνθεση πρωτεϊνών κ.ά.).

3 Η σύνθεση των δευτερογενών μεταβολιτών έχει άμεση σχέση με την αντιμετώπιση των βιοτικών παραγόντων καταπόνησης Οι βιοχημικοί μηχανισμοί οι οποίοι συνιστούν τον πρωτογενή μεταβολισμό και τα απαραίτητα συστατικά τα οποία παράγονται δεν παρουσιάζουν σημαντικές διαφοροποιήσεις σε επίπεδο κυττάρων, ιστών, οργάνων ή ακόμη και οργανισμών.

4 Η σύνθεση των δευτερογενών μεταβολιτών έχει άμεση σχέση με την αντιμετώπιση των βιοτικών παραγόντων καταπόνησης Δευτερογενής μεταβολισμός: Η μεταβολική δραστηριότητα που έχει ως αποτέλεσμα τη σύνθεση μεταβολικών προϊόντων τα οποία παράγονται μόνο σε επιμέρους ιστούς ή όργανα ή/και σε συγκεκριμένα στάδια ανάπτυξης.

5 Τα κυριότερα χαρακτηριστικά της ομάδας των δευτερογενών μεταβολιτών Ο συνολικός αριθμός τους υπερβαίνει κατά πολύ εκείνο των πρωτογενών μεταβολιτών. Οι μεταβολίτες αυτοί προέρχονται από ενδιάμεσες ενώσεις του πρωτογενούς μεταβολισμού (π.χ. ακετυλοσυνένζυμο-α, ορισμένα αμινοξέα, κ.ά.).

6 Τα κυριότερα χαρακτηριστικά της ομάδας των δευτερογενών μεταβολιτών Η σύνθεση και συσσώρευσή τους αποτελεί μια συντονισμένη και ολοκληρωμένη δραστηριότητα των φυτικών κυττάρων που συνδέεται στενά με την ικανότητα διαφοροποίησης, Πολυάριθμα παρακλάδια του δευτερογενούς μεταβολισμού λειτουργούν αποκλειστικά ή ενισχύονται μόνο σε ορισμένες οικογένειες φυτών.

7 Η σημασία των δευτερογενών μεταβολιτών Στο παρελθόν είχε διαμορφωθεί η λανθασμένη αντίληψη ότι οι δευτερογενείς μεταβολίτες αντιπροσώπευαν απόβλητα ή παραπροϊόντα του πρωτογενούς μεταβολισμού. Σήμερα έχει πλέον επιβεβαιωθεί ότι η παραγωγή των δευτερογενών μεταβολιτών συνδέεται στενά με την ύπαρξη και λειτουργία θεμελιωδών αμυντικών μηχανισμών, αναγκαίων για την επιβίωση των φυτικών ειδών. Συνδέεται επίσης με πλειάδα οικολογικών ρόλων, όπως η εγκαθίδρυση συμβιωτικών σχέσεων, η επικονίαση, ο ανταγωνισμός με άλλα είδη κ.ά.

8 Η σημασία των δευτερογενών μεταβολιτών Η παραγωγή των δευτερογενών μεταβολιτών αποτελεί μια συντονισμένη και ολοκληρωμένη δραστηριότητα των φυτικών οργανισμών η οποία συνδέεται στενά με την ικανότητα διαφοροποίησης, δηλ. τον μηχανισμό δημιουργίας εξειδικευμένων κυττάρων. Η ικανότητα επομένως κάθε φυτού να παράγει τους μεταβολίτες αυτούς, ακολουθεί ένα ιδιαίτερο πρότυπο στο χώρο και στο χρόνο.

9 ΤΟ ΧΗΜΙΚΟ ΟΠΛΟΣΤΑΣΙΟ ΤΩΝ ΦΥΤΩΝ Μια πληθώρα οικολογικών υποθέσεων έχει διατυπωθεί σχετικά με τα αμυντικά πρότυπα των φυτών

10 Οι δευτερογενείς μεταβολίτες κατατάσσονται σε τρεις μεγάλες ομάδες Με βάση τη βιοσυνθετική οδό μέσω της οποίας παράγονται και τα χαρακτηριστικά του μορίου, οι δευτερογενείς μεταβολίτες κατατάσσονται συνήθως σε τρείς μεγάλες ομάδες. Η ομάδα των φαινολικών ουσιών περιλαμβάνει μεταβολίτες οι οποίοι χαρακτηρίζονται από την ύπαρξη ενός τουλάχιστον αρωματικού δακτυλίου στο μόριό τους και συντίθενται κυρίως μέσω των βιοσυνθετικών οδών του σικιμικού ή/και του μηλονικού οξέος.

11 Οι δευτερογενείς μεταβολίτες κατατάσσονται σε τρεις μεγάλες ομάδες Τα τερπένια παράγονται μέσω της βιοσυνθετικής οδού του μεβαλονικού και πρόδρομο μόριο το ακέτυλο-συνένζυμο Α. Η ομάδα των αζωτούχων δευτερογενών μεταβολιτών περιλαμβάνει ενώσεις οι οποίες προέρχονται κυρίως από αμινοξέα. Οι κηροί, η κουτίνη και η σουβερίνη, παρόλο που παραδοσιακά δεν θεωρούνται ως ενεργοί δευτερογενείς μεταβολίτες, θα αναφερθούν εν συντομία επειδή αποτελούν μια ενδιαφέρουσα ομάδα αμυντικών μορίων.

12 Φαινολικές ενώσεις Πρόκειται για οργανικές ενώσεις των οποίων το μόριο περιλαμβάνει έναν τουλάχιστον αρωματικό δακτύλιο (C 6 ) ο οποίος φέρει ένα ή περισσότερα υδροξύλια. Μέσω αντιδράσεων συμπύκνωσης, προσθήκης ή πολυμερισμού του βασικού αρωματικού δακτυλίου, προκύπτει ένας μεγάλος αριθμός παραγώγων

13 Οι κυριότερες υποομάδες των φαινολικών ουσιών. Άτομα C Τύπος σκελετού Κατηγορία ενώσεων Χαρακτηριστικοί εκπρόσωποι 6 C 6 απλές φαινόλες υδροκινόνη, κατεχόλη 7 C 6 -C 1 παράγωγα υδρόξυβενζοϊκού 8 C 6 -C 2 παράγωγα οξικού ακετοφαινόνες φαινυλίου 9 C 6 -C 3 υδρόξυκινναμικού φαινυλοπροπανίου παράγωγα κουμαρίνες 4-υδρόξυβενζοϊκό 4-υδρόξυακετοφαινόνη 4 υδροξυφαινυλοξικό καφεϊκό ευγενόλη εσκουλετίνη 10 C 6 -C 4 ναφθοκινόνες γιουγκλόνη 13 C 6 -C 1 -C 6 ξανθόνες μαντζιφερίνη 14 C 6 -C 2 -C 6 στιλβένια, ανθρακινόνες ρεσβερατρόλη, εμοντίνη

14 Οι κυριότερες υποομάδες των φαινολικών ουσιών. Άτομα C Τύπος σκελετού Κατηγορία ενώσεων Χαρακτηριστικοί εκπρόσωποι 15 C 6 -C 3 -C 6 φλαβονοειδή κερκετίνη 18 (C 6 -C 3 ) 2 λιγνάνες πινορεσινόλη 30 (C 6 -C 3 -C 6 ) 2 διφλαβονοειδή αμεντοφλαβόνη n (C 6 ) n μελανίνες της κατεχόλης πολυμερή του ναφθαλενίου n (C 6 -C 1 ) n :Glc υδρολυόμενες ταννίνες γαλλοταννίνες n (C 6 -C 3 ) n λιγνίνες n (C 6 -C 3 -C 6 ) n συμπυκνωμένες ταννίνες πολυμερή της γουαϊακόλης και της συρινγκόλης πολυμερή της κατεχίνης

15 Οι φαινολικές ενώσεις προέρχονται από την φαινυλαλανίνη Οι περισσότερες φαινολικές ενώσεις έχουν ως πρόδρομο μόριο την φαινυλαλανίνη, η οποία συντίθεται μέσω της βιοσυνθετικής οδού του σικιμικού οξέος.

16 Οι φαινολικές ενώσεις προέρχονται από την φαινυλαλανίνη Σε ορισμένες περιπτώσεις ο σκελετός άνθρακα πολυπλοκότερων φαινολικών μορίων συναρμολογείται από απλούστερες δομικές μονάδες που προέρχονται από διαφορετικές βιοσυνθετικές οδούς του πρωτογενούς μεταβολισμού. Π.χ. στη βιοσύνθεση των φλαβονοειδών και όλων των συναφών ή παραγώγων μορίων, συνεργάζονται οι βιοσυνθετικές οδοί του σικκιμικού και του μαλονικού οξέος.

17 Βιοσύνθεση φαινολικών ενώσεων

18 Βιοσύνθεση φαινολικών ενώσεων

19 Τερπένια (συνώνυμα: τερπενοειδή, ισοπρενοειδή) Όλες οι ενώσεις του τύπου αυτού προέρχονται από τη βασική μονάδα του ισοπεντανίου. Η ομάδα περιλαμβάνει πολυάριθμα μέλη, με εξαιρετική ποικιλότητα δομής. Ορισμένα μέλη αποτελούν αναπόσπαστα συστατικά θεμελιωδών λειτουργιών, όπως πχ τα καροτενοειδή, οι χλωροφύλλες, και οι φυτορμόνες γιββερελίνες και αμπσισικό οξύ. Με τη συνένωση βασικών μονάδων (2,4,6,8,...,n) δημιουργούνται μεγαλύτερα μόρια, διαφορετικά μεταξύ τους.

20 Χαρακτηριστικοί εκπρόσωποι της ομάδας των τερπενίων Άτομα C Τύπος σκελετού Κατηγορία ενώσεων Χαρακτηριστικοί εκπρόσωποι 5 C 5 H 8 ισοπρένιο (ημιτερπένια) ισοπεντενυλοφωσφορικό 10 C 10 H 16 μονοτερπένια γερανιόλες (μενθόλη, καμφορά, πινένιο) 15 C 15 H 24 σεσκιτερπένια 20 C 20 H 32 διτερπένια 30 C 30 H 48 τριτερπένια φαρνεζόλες (ουμπικινόνη, πλαστοκινόνη, αμπσισικό, ρισιτίνη) γερανυλγερανιόλες (φυτόλη, καουρένιο, γιββερελικό, φουσικοσίνη) σκουαλένια (στεροειδή, σαπωνίνες) 40 C 40 H 64 τετρατερπένια φυτοένιο, καροτενοειδή n (C 5 H 8 ) n πολυτερπένια κόμμεα, γουταπέρκα

21 Χαρακτηριστικοί εκπρόσωποι της ομάδας των τερπενίων H H H λιμονένιο μενθόλη καπσιδιόλη (σεσκιτερπένιο) ταξαδιένιο (διτερπένιο) n γιαμονίνη (σαπωνίνη, τριτερπένιο) καουτσούκ (πολυτερπένιο) n

22 Η βιοσύνθεση των τερπενίων πραγματοποιείται μέσω δύο διακριτών μεταβολικών οδών. Η βιοσυνθετική οδός του μεβαλονικού (το οποίο αποτελεί ένα σημαντικό ενδιάμεσο μεταβολίτη) οδηγεί στη σύνθεση της βασικής μονάδας με τα πέντε άτομα άνθρακα μέσω της σταδιακής συμπύκνωσης τριών μορίων ακετυλο-συνενζύμου Α. Τα τελικά προιόντα της οδού αυτής, το πυροφωσφορικό ισοπεντενύλιο και το ισομερές του πυροφωσφορικό διμεθυλαλλύλιο αποτελούν τις ενεργοποιημένες πρόδρομες μορφές μορίων οι οποίες συνδυαζόμενες παράγουν τα διάφορα μόρια των τερπενίων.

23 Η βιοσύνθεση των τερπενίων πραγματοποιείται μέσω δύο διακριτών μεταβολικών οδών. H οδός φωσφογλυκεριναλδεύδης/πυροσταφυλικού οδηγεί στη παραγωγή ισοπρενίου, μονοτερπενίων, διτερπενίων και τετρατερπενίων.

24 Βιοσύνθεση τερπενοειδών

27 Η συνένωση των βασικών προδρόμων μονάδων, ανεξάρτητα από την προέλευσή τους, μπορεί να πραγματοποιηθεί με τρεις διαφορετικούς τρόπους.

28 Αζωτούχες ενώσεις Πρόκειται για μια ετερογενή ομάδα δευτερογενών μεταβολιτών, η οποία περιλαμβάνει I. Aλκαλοειδή. Οι ενώσεις αυτές συνήθως περιλαμβάνουν άζωτο σε έναν ετεροκυκλικό δακτύλιο ποικίλων μορφών. Έχουν αλκαλικές ιδιότητες. Ευδιάλυτα στο νερό. N N H κωνιίνη παπαβερίνη

29 Αζωτούχες ενώσεις ΙI. Μη πρωτεϊνικά αμινοξέα. H N H L-αζετιδίνο 2 καρβοξυλικό οξύ (δομή παραπλήσια της προλίνης)

30 Αζωτούχες ενώσεις ΙΙI. Μπεταλαΐνες. Πρόκειται για χρωστικές που δίδουν χαρακτηριστικούς χρωματισμούς σε όργανα και ιστούς οι οποίες έχουν περιορισμένη εξάπλωση, κυρίως σε οικογένειες της τάξης των Caryophyllales. Ο χαρακτηριστικότερος εκπρόσωπος είναι η μπετανίνη των κονδύλων των τεύτλων. H H N + H N H H H Μπετανίνη των τεύτλων

31 Αζωτούχες ενώσεις IV. Αμίνες. Ουσίες οι οποίες περιλαμβάνουν μία τουλάχιστον αμινομάδα στο μόριό τους. Χαρακτηριστικοί εκπρόσωποι η ισταμίνη, η πουτρεσκίνη, κ.ά. H 2 N NH 2 πουτρεσκίνη N H 2 NH NH NH 2 σπερμίνη

32 Αζωτούχες ενώσεις VI. Θειογλυκοζίτες (glucosinolates). Αζωτούχες ενώσεις που περιέχουν θείο στο μόριό τους, το οποίο κάτω από κατάλληλες συνθήκες μπορεί να απελευθερωθεί ως ισοθειοκυανικό ή θειοκυανικό ιόν. H S NH H N H H S H γλυκομπρασσισίνη

33 Αζωτούχες ενώσεις V. Κυανογόνα γλυκοσίδια. Αζωτούχες ενώσεις ενωμένες με ένα σάκχαρο. Υπό την επίδραση κατάλληλων ενζύμων απελευθερώνουν -CN. H H H H N H H H αμυγδαλίνη

34 Αζωτούχες ενώσεις VΙ. Αμυντικές πρωτεΐνες. Πρόκειται για πολυπεπτίδιαεξειδικευμένους αναστολείς με αμυντικό προορισμό.

35 Βιοσύνθεση αλκαλοειδών: Οι αζωτούχες ενώσεις προέρχονται κυρίως από αμινοξέα (η βιοσύνθεση του αλκαλοειδούς ρετικουλίνης).

38 Βιοσύνθεση αλκαλοειδών: Σε ορισμένες περιπτώσεις οι πρόδρομες ενώσεις είναι απλοί μεταβολίτες του πρωτογενούς μεταβολισμού (η βιοσύνθεση του αλκαλοειδούς κωνιίνη). 1x CH 3 C S CoA ακέτυλο-coa αλανίνη πυροσταφυλικό NADPH NADP + 3x HC CH 2 C S μα λονυλο-coa CoA H 5-κετο οκτανάλη N γ-κωνεισεϊνη NH κωνειϊνη

39 Κουτίνη-κηροί -σουβερίνη Kουτίνη: Ετερογενές πολυμερές το οποίο απαρτίζεται κυρίως από δύο ομάδες λιπαρών οξέων -με σκελετό 16 και 18 άτομα άνθρακα αντίστοιχα-, οι οποίες σχηματίζουν μίγματα διαφορετικών αναλογιών. Τα διαφορετικά αυτά λιπαρά οξέα πολυμερίζονται σχηματίζοντας εστερικούς δεσμούς μεταξύ τους, και δημιουργούν ένα τρισδιάστατο πλέγμα.

40 Κουτίνη-κηροί -σουβερίνη Κηροί: Μίγματα μη πολυμερισμένων υδρογονανθράκων των οποίων η αλυσίδα περιλαμβάνει μεγάλο αριθμό ατόμων άνθρακα. Το εξαιρετικά υδρόφοβο στρώμα των κηρών συνήθως περιλαμβάνει λιπόφιλα συστατικά με αμυντικό προορισμό, όπως στερόλες, μεθυλιωμένα φλαβονοειδή, κ.ά.

41 Κουτίνη-κηροί -σουβερίνη Η σουβερίνη παρουσιάζει παρόμοια χημική σύσταση με εκείνη της κουτίνης, ωστόσο εμφανίζει αυξημένη περιεκτικότητα σε συστατικά με μεγάλο αριθμό ατόμων άνθρακα στην αλυσίδα, σε δικαρβοξυλικά λιπαρά οξέα καθώς και σε φαινολικές ενώσεις

42 Ορισμένοι τυπικοί εκπρόσωποι των δομικών μονάδων οι οποίες πολυμερίζονται και δημιουργούν την κουτίνη και τη σουβερίνη καθώς και συστατικά των κηρών. Ομάδα με 16 άτομα C CH 3 (CH 2 ) 14 CH HCH 2 (CH 2 ) 14 CH Υμενίνη (κουτίνη) Φελλίνη (σουβερίνη) CH 3 (CH 2 ) m CH CH 3 (CH 2 ) m CH 2 H HCH 2 (CH 2 ) n CH HC(CH 2 ) n CH Διάφορες φαινολικές ενώσεις (m=18-30, n=14-20) Ομάδα με 18 άτομα C CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH(CH 2 ) 7 CH HCH 2 (CH 2 ) 7 CH=CH(CH 2 ) 7 CH

43 Ορισμένοι τυπικοί εκπρόσωποι των δομικών μονάδων οι οποίες πολυμερίζονται και δημιουργούν την κουτίνη και τη σουβερίνη καθώς και συστατικά των κηρών. Κηροί αλκάνια λιπαρό οξύ, αλκοόλη εστέρας CH 3 (CH 2 ) 27 CH 3 CH 3 (CH 2 ) 29 CH 3 CH 3 (CH 2 ) 22 CΟΟH CH 3 (CH 2 ) 24 CH 2 ΟΗ CH 3 (CH 2 ) 22 C(CH 2 ) 25 CH 3