Οξειδωτική καταπόνηση

Transcript

1 Οξειδωτική καταπόνηση

2 Δημιουργία ενεργών μορφών οξυγόνου Ο ρόλος του μοριακού οξυγόνου ως τελικού αποδέκτη των ηλεκτρονίων στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων της αναπνευστικής λειτουργίας των αερόβιων οργανισμών, είναι συνυφασμένος με τον αναπόφευκτο σχηματισμό τοξικών ανηγμένων ενδιάμεσων μορφών οξυγόνου (ενεργές μορφές οξυγόνου, reactive oxygen species, ROS)

3 Δημιουργία ενεργών μορφών οξυγόνου Στην περίπτωση κατά την οποία το μοριακό οξυγόνο δέχεται μόνο ένα, δύο ή τρία ηλεκτρόνια, η αναγωγή είναι ατελής και σχηματίζονται ROS 1-5% του ολικού οξυγόνου που παίρνει μέρος σε βιοχημικές αντιδράσεις, παρεκκλίνει της ομαλής πορείας και μετατρέπεται σε ενδιάμεσες μορφές ROS

4 Τι είναι οι ενεργές μορφές οξυγόνου Eνεργές μορφές οξυγόνου, (Reactive Oxygen Species, ROS): τοξικές ανηγμένες ενδιάμεσες μορφές οξυγόνου που σχηματίζονται από την ατελή αναγωγή του οξυγόνου. Αποτελούν μια αναπόφευκτη παρενέργεια του αερόβιου μεταβολισμού, αλλά τα επίπεδά τους αυξάνονται δραματικά σε συνθήκες καταπόνησης

5 Τι είναι οι ενεργές μορφές οξυγόνου Eνεργές μορφές οξυγόνου, (Reactive Oxygen Species, ROS): Στις μορφές αυτές (ή χημικά είδη) περιλαμβάνονται ιόντα, ελεύθερες ρίζες και μόρια (μέσω των οποίων μπορούν εν δυνάμει να παραχθούν περισσότερο δραστήριες μορφές, όπως ορισμένες ρίζες)

6 Τι είναι οι ενεργές μορφές οξυγόνου Ως ελεύθερες ρίζες θεωρούνται τα χημικά είδη με ανεξάρτητη υπόσταση, τα οποία περιέχουν περιττό αριθμό ηλεκτρονίων σθένους και επομένως διαθέτουν ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο σε κάποιο τροχιακό

7 Ποιες είναι οι ενεργές μορφές οξυγόνου

8 Οι ενεργές μορφές οξυγόνου προκαλούν μεταβολικές παρενέργειες Οι ελεύθερες ρίζες οξυγόνου, και ιδιαίτερα η ρίζα υδροξυλίου (ΟΗ ), είναι βραχύβιες και εξαιρετικά δραστικές και προκαλούν αλλοιώσεις στη δομή λιπιδίων νουκλεϊνικών οξέων πρωτεϊνών

9 Οι ενεργές μορφές οξυγόνου προκαλούν μεταβολικές παρενέργειες Ακόρεστα λιπαρά οξέα + ROS σειρά αλυσιδωτών αντιδράσεων Οξειδωμένες μορφές λιπιδίων καταστροφή μεμβρανών πρόσδεση σε ενζυμικά μόρια και αδρανοποίηση αυτών προϊόντα διάσπασης λιπιδίων

10 Οι ενεργές μορφές οξυγόνου προκαλούν μεταβολικές παρενέργειες σουλφυδρυλικές ομάδες πρωτεϊνών + ROS οξείδωση σουλφυδρυλομάδων ενζύμων αδρανοποίησή τους ή παρεμπόδιση της δραστηριότητάς τους

11 Οι ενεργές μορφές οξυγόνου προκαλούν μεταβολικές παρενέργειες Σίδηρος ή άλλα μέταλλα που περιέχονται σε πρωτεϊνικά μόρια (π.χ. κυτοχρώματα κ.λπ.) + ROS παραγωγή δραστικότατων ελεύθερων ριζών, κυρίως ΟΗ (αντίδραση Fenton)

12 Οι ενεργές μορφές οξυγόνου προκαλούν μεταβολικές παρενέργειες ανεξέλεγκτη δράση των ROS σχηματισμός ενδιάμεσων τοξικών προϊόντων διαταράσσουν την ομαλή λειτουργία ή προκαλούν αλλοιώσεις στα μόρια των νουκλεϊνικών οξέων

13 Ορισμένοι βιοχημικοί και μη μηχανισμοί ευθύνονται για το σχηματισμό των ROS Οι ενεργές μορφές οξυγόνου σχηματίζονται στην αναπνευστική και φωτοσυνθετική αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων σε μια σειρά οξειδαναγωγικές ενζυμικές αντιδράσεις, όπως π.χ. κατά τη λειτουργία της φωτοαναπνοής σε αντιδράσεις κατά τις οποίες το μοριακό οξυγόνο ανάγεται ατελώς λόγω της δράσης φωτονίων της υπεριώδους περιοχής του φάσματος

14 Ορισμένοι βιοχημικοί και μη μηχανισμοί ευθύνονται για το σχηματισμό των ROS Κατά τη μεταφορά ηλεκτρονίων μέσω των ενδιάμεσων φορέων στην αναπνευστική και φωτοσυνθετική αλυσίδα εφαρμογή ζιζανιοκτόνων, (π.χ. paraquat): παρεμποδίζει την ομαλή ροή των ηλεκτρονίων στη φωτοσυνθετική αλυσίδα χρωστικές και πολυακόρεστα λιπαρά οξέα μικροπεριβάλλον πλούσιο σε Ο 2 στις θέσεις φωτόλυσης του νερού στο φωτοσύστημα ΙΙ Χλωροπλάστης: ευάλωτος στα ROS

15 Ορισμένοι βιοχημικοί και μη μηχανισμοί ευθύνονται για το σχηματισμό των ROS σε αντιδράσεις κατά τις οποίες το μοριακό οξυγόνο ανάγεται ατελώς π.χ. η αναγωγή του μοριακού οξυγόνου από τη φερρεδοξίνη στην αναγωγική πλευρά του φωτοσυστήματος Ι έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό υπεροξειδικής ρίζας (αντίδραση Mehler) υπάρχει πάντα σε πολύ φως Η ταχύτητα της αντίδρασης αυξάνεται σε συνθήκες περιορισμένης διαθεσιμότητας NADP+

16 Φωτεινές αντιδράσεις φωτοσύνθεσης

17 Ορισμένοι βιοχημικοί και μη μηχανισμοί ευθύνονται για το σχηματισμό των ROS λόγω της δράσης φωτονίων της υπεριώδους περιοχής του φάσματος το ενεργειακό περιεχόμενο τους επαρκεί ώστε να προκαλέσει τη φωτοχημική διάσπαση του Η 2 Ο 2 προς δύο ελεύθερες ρίζες υδροξυλίου ή να διεγείρει το μόριο του οξυγόνου

18 Ορισμένοι βιοχημικοί και μη μηχανισμοί ευθύνονται για το σχηματισμό των ROS Γενικώς, ο σχηματισμός ROS ευνοείται από τις εξής δύο συνθήκες: 1) υψηλή τοπική συγκέντρωση οξυγόνου ή/και 2) παρεμπόδιση της ομαλής ροής ηλεκτρονίων

19 Αιτίες σχηματισμού των σημαντικότερων ROS στα φυτικά κύτταρα

20 Η εξουδετέρωση των ROS Οι αμυντικοί μηχανισμοί εξουδετέρωσης των ROS περιλαμβάνουν μια σειρά από ενζυμικές και μη ενζυμικές αντιδράσεις Οι σημαντικότερες αντιοξειδωτικές ουσίες: το ασκορβικό οξύ (βιταμίνη C) η ανηγμένη γλουταθειόνη (GSH) η α-τοκοφερόλη (βιταμίνη Ε) τα καροτενοειδή (και σε ορισμένες περιπτώσεις: πολυαμίνες, φαινολικά και ορισμένοι συμβατοί οσμολύτες)

21 Η εξουδετέρωση των ROS Οι συγκεντρώσεις των αντιοξειδωτικών ουσιών εμφανίζονται υψηλότερες σε φωτοσυνθετικά κύτταρα και μεριστωματικούς ιστούς μελλοντική απόδοση?? κυρίως στους χλωροπλάστες

22 Το παράδειγμα της α-τοκοφερόλης Χαρακτηριστικά: λιπόφιλο μόριο, στις μεμβράνες και στα θυλακοειδή των χλωροπλαστών Ρόλος: απόσβεση 1 Ο 2 που σχηματίζεται μέσω της διέγερσης των φωτοσυνθετικών χρωστικών αποτρέπει την οξείδωση των λιπιδίων και σταθεροποιεί τη δομή των μεμβρανών Επάρκεια: ένα μόριο α-τοκοφερόλης μπορεί να αποσβέσει έως 120 μόρια 1 Ο 2 πριν τελικά οξειδωθεί

23 Το παράδειγμα του κύκλου ασκορβικού οξέος-γλουταθειόνης αποτελεί τη σημαντικότερη βιοχημική οδό εξουδετέρωσης των ROS στα πλαστίδια λειτουργεί σε συνεργασία με τον κύκλο των ξανθοφυλλών Ρόλος: προστασία των φωτοσυστημάτων από την υπερβολική παροχή ενέργειας

24 Το παράδειγμα του κύκλου ασκορβικού οξέος-γλουταθειόνης Βιοχημικοί μηχανισμοί εξουδετέρωσης ROS (οι ROS αναγράφονται με κόκκινη γραμματοσειρά)

25 Η εξουδετέρωση των ROS Οι αντιοξειδωτικοί μηχανισμοί ενεργοποιούνται από τη δημιουργία ακόμη και χαμηλών συγκεντρώσεων ROS στα φυτικά κύτταρα Επακόλουθο βήμα η ενεργοποίηση μηχανισμών επιδιόρθωσης των οξειδωτικών ζημιών

26 Ο συνεργισμός εξωτερικών παραγόντων καταπόνησης και οξειδωτικής καταπόνησης τα κύτταρα όλων των αερόβιων οργανισμών έχουν προσαρμοστεί ή διαθέτουν την ικανότητα εγκλιματισμού, ώστε να αντιμετωπίζουν τις συνήθεις οξειδωτικές παρενέργειες «οξειδωτική καταπόνηση» κατάσταση κατά την οποία ο ρυθμός σχηματισμού ROS υπερβαίνει τον ρυθμό εξουδετέρωσής τους από τους υπάρχοντες αντιοξειδωτικούς μηχανισμούς των κυττάρων

27 Ο συνεργισμός εξωτερικών παραγόντων καταπόνησης και οξειδωτικής καταπόνησης επικράτηση αντίξοων συνθηκών στο περιβάλλον ύπαρξη έντονης οξειδωτικής καταπόνησης παρενέργεια σε ορισμένες περιπτώσεις εξαιτίας της ο κυτταρικός θάνατος και όχι λόγω του παράγοντα καταπόνησης αυτού καθεαυτού

28 Ο συνεργισμός εξωτερικών παραγόντων καταπόνησης και οξειδωτικής καταπόνησης Δύο είναι κυρίως οι λόγοι για τους οποίους παρατηρείται ο ιδιόμορφος αυτός συνεργισμός μεταξύ των δυσμενών παραγόντων του περιβάλλοντος και πρόκλησης οξειδωτικών παρενεργειών: Παράγοντες καταπόνησης ανεξέλεγκτη διαρροή e - Παράγοντες καταπόνησης διαταραχές στους μηχανισμούς απόσβεσης ενέργειας

29 Ο συνεργισμός εξωτερικών παραγόντων καταπόνησης και οξειδωτικής καταπόνησης Παράγοντες καταπόνησης ανεξέλεγκτη διαρροή e - Οι παράγοντες καταπόνησης (π.χ. οι ακραίες θερμοκρασίες), προκαλούν αλλοιώσεις της δομής των μεμβρανών δια μέσου των οποίων μεταφέρονται ηλεκτρόνια ανεξέλεγκτη διαρροή e - σημαντική αύξηση στο ρυθμό σχηματισμού των ROS

30 Ο συνεργισμός εξωτερικών παραγόντων καταπόνησης και οξειδωτικής καταπόνησης Παράγοντες καταπόνησης διαταραχές στους μηχανισμούς απόσβεσης ενέργειας Οι παράγοντες καταπόνησης προκαλούν διαταραχές στους μηχανισμούς απόσβεσης της ενέργειας (π.χ. η υψηλή ένταση φωτεινής ακτινοβολίας) η ροή ηλεκτρονίων στις αλυσίδες μεταφοράς υπερβαίνει κατά πολύ τις δυνατότητες απόσβεσης της ενέργειας μέσω των κανονικών αποδεκτών

31 Παράγοντες που συμβάλλουν στην εμφάνιση έντονης οξειδωτικής καταπόνησης στους φυτικούς ιστούς.

32 Παράγοντες καταπόνησης οι οποίοι προκαλούν αύξηση των επιπέδων αντιοξειδωτικών ενζύμων ή ουσιών

33 Μέσω της εξέλιξης οι ROS αξιοποιήθηκαν και προς όφελος των φυτικών οργανισμών Ενδείξεις ότι οι ROS αποτελούν ένα κεντρικό ρυθμιστή του δικτύου διαβίβασης σημάτων στα φυτικά κύτταρα γιατί τα επίπεδα των ROS αντανακλούν την ομαλή πορεία των μεταβολικών δικτύων και την ομοιόσταση των κυττάρων άρα κάθε διαταραχή στα επίπεδα των ROS μπορεί να συνδέεται και με αποκλίσεις από τη μεταβολική ισορροπία και ομαλή ανάπτυξη

34 Τα πλεονεκτήματα της χρήσης των ROS ως δικτύου διαβίβασης σήματος Η δημιουργία τους είναι ταχεία και εντοπισμένη, ακόμη και σε επίπεδο συγκεκριμένων υποκυτταρικών οργανιδίων τα συστήματα μέσω των οποίων παράγονται οι ROS αλληλεπιδρούν με άλλα γνωστά δίκτυα διαβίβασης σήματος δυνατότητα διακυτταρικής μεταφοράς σημάτων κύμα ROS, ταχύτητα έως και 8.4 cm/min (Arabidopsis)

35 άρα στη διάρκεια της εξέλιξης Α) η παραγωγή ROS αξιοποιήθηκε προς όφελος των κυττάρων ως ένας δείκτης μεταβολικών ή άλλων διαταραχών Β) η μεταλλαξιγόνος δράση την οποία επιδεικνύουν οι ROS, κάτω από ορισμένες συνθήκες μπορεί να δρα ως ένας βασικός κινητήριος εξελικτικός μηχανισμός μέσω του οποίου προωθείται η επιλογή των ειδών

36 άρα στη διάρκεια της εξέλιξης τα γονίδια αυτά που βρίσκονται στη διαδικασία της ενεργούς μεταγραφής και επομένως δεν προστατεύονται επαρκώς από τις ιστόνες έναντι των ROS, είναι επιρρεπή σε οξειδωτικές αλλοιώσεις ή καταστροφές

37 Πολύπλοκα δίκτυα διαβίβασης σήματος και η εμπλοκή των ROS Τα οργανίδια που παράγουν ή διαχειρίζονται την ενέργεια (χλωροπλάστες, μιτοχόνδρια) αποτελούν ευαίσθητους στόχους οξειδωτικής καταπόνησης, λόγω της έντονης ροής ενέργειας σε συνδυασμό με την παραγωγή ή χρήση του οξυγόνου

38 Πολύπλοκα δίκτυα διαβίβασης σήματος και η εμπλοκή των ROS λειτουργούν μηχανισμοί διαβίβασης σήματος που μεταφέρουν πληροφορίες για την ενεργειακή και οξειδοαναγωγική κατάσταση των οργανιδίων αυτών, σε συνδυασμό με την πιθανή επίδραση παραγόντων καταπόνησης μέσω ROS χλωροπλάστης «αναφορά» για ύπαρξη καταπόνησης πυρήνα

39 Πολύπλοκα δίκτυα διαβίβασης σήματος και η εμπλοκή των ROS

40 Βαρέα Μέταλλα Ως βαρέα μέταλλα αναφέρεται μια ομάδα μετάλλων με ατομικό αριθμό μεγαλύτερο του 20 (δεν περιλαμβάνονται τα αλκάλια και οι αλκαλικές γαίες) μόλυβδος υδράργυρος κάδμιο χρώμιο ψευδάργυρος χαλκός νικέλιο κ.α. απαραίτητα ιχνοστοιχεία τοξικά εάν η συγκέντρωσή τους υπερβεί ορισμένα -χαμηλά συνήθως- όρια

41 Βαρέα Μέταλλα: το πρόβλημα Η είσοδος βαρέων μετάλλων στο κύτταρο προκαλεί σοβαρές μεταβολικές παρενέργειες και επηρεάζει την ανάπτυξη, αλλά και την επιβίωση των φυτικών οργανισμών 1) Δυσλειτουργίες στην είσοδο και έξοδο ιόντων όπως Ca 2+, Mg 2+, NΟ 3- και K + μέσω των μεμβρανών + διαταραχές στα συστήματα διαβίβασης σήματος που συμμετέχει

42 Βαρέα Μέταλλα: το πρόβλημα 2) Παρεμπόδιση της λειτουργίας της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων (φωτοσύνθεση + αναπνοή) πτώση παραγωγής ενέργειας 3) Μη αντιστρεπτή παρεμπόδιση της δραστηριότητας ενζύμων-κλειδιών 4) Λόγω δυσλειτουργιών στη ροή ηλεκτρονίων δημιουργία ROS στα κύτταρα

43 Με ποιους τρόπους δημιουργούν τις μεταβολικές δυσλειτουργίες Α) Αντικατάσταση του απαραίτητου μετάλλου στο ενεργό κέντρο του ενζύμου ή σε άλλο κυτταρικό συστατικό Β) Δέσμευση σε θέσεις κυτταρικών συστατικών και αδρανοποίησή τους

44 Βαρέα Μέταλλα: πρόβλημα νο2 Τα βαρέα μέταλλα έχουν την ικανότητα να συσσωρεύονται στους οργανισμούς και να εισέρχονται στην τροφική αλυσίδα Συγκέντρωση και συσσώρευση (ως λόγος της συγκέντρωσης του μετάλλου σε φυτά ανεπτυγμένα σε επιβαρυμένα εδάφη προς τη συγκέντρωση σε φυτά ανεπτυγμένα σε κανονικά εδάφη) ορισμένων μετάλλων σε χαρακτηριστικά φυτά συσσωρευτές

45 Βαρέα Μέταλλα: πρόβλημα νο3 παραμένουν σε τοξικές συγκεντρώσεις στο έδαφος για μεγάλα χρονικά διαστήματα

46 Ποια εδάφη επιβαρύνονται με βαρέα μέταλλα Λόγω φυσικών γεωχημικών διαδικασιών στο φυσικό περιβάλλον: π.χ. σερπεντινικά εδάφη αφιλόξενα για τα περισσότερα φυτικά είδη, διότι: χαμηλή υγρασία χαμηλές συγκεντρώσεις μακροστοιχείων αυξημένα επίπεδα βαρέων μετάλλων, κυρίως νικελίου

47 Ποια εδάφη επιβαρύνονται με βαρέα μέταλλα παρενέργεια της βιομηχανικής δραστηριότητας που οφείλεται σε απόβλητα μεταλλείων, διαφόρων βιομηχανιών και σε κατακρημνίσματα αέριων ρύπων Αφορά καλλιεργούμενες και μη εκτάσεις

48 Το παράδειγμα του χαλκού σε αμπελώνες Η συγκέντρωση Cu σε μη ρυπασμένα εδάφη κυμαίνεται μεταξύ 20 και 50 mg kg -1 εδάφους, ωστόσο η συγκέντρωσή του σε εντατικά καλλιεργούμενα εδάφη, όπως π.χ. σε αμπελώνες, μπορεί να φθάσει ή να ξεπεράσει τα 300 mg kg -1 εδάφους, λόγω των ψεκασμών με μυκητοκτόνα που περιέχουν Cu ή λόγω της άρδευσης με επεξεργασμένα λύματα

49 Στρατηγικές αντιμετώπισης Η παρουσία βαρέων μετάλλων στο συμπλάστη και ιδιαίτερα στο κυτταρόπλασμα και τα οργανίδια δεν είναι συμβατή με την ομαλή πορεία του μεταβολισμού και για το λόγο αυτό κανένα φυτικό είδος δεν έχει αναπτύξει τη στρατηγική της ανθεκτικότητας ΜΟΝΟ Αποφυγή

50 Αποφυγή τα πολυάριθμα φυτικά είδη που μπορούν να αναπτυχθούν σε εδάφη με αυξημένες συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων ονομάζονται μεταλλόφυτα αποκλείουν την είσοδο των βαρέων μετάλλων στα κύτταρα τα εξουδετερώνουν στο χυμοτόπιο

51 Μηχανισμοί αποκλεισμού των τοξικών μετάλλων από τον πρωτοπλάστη Ι Σε ορισμένα είδη υπάρχει η δυνατότητα καθήλωσης των μεταλλικών ιόντων στα κυτταρικά τοιχώματα των κυττάρων της ρίζας

52 Μηχανισμοί αποκλεισμού των τοξικών μετάλλων από τον πρωτοπλάστη ΙΙ δεσμεύονται και εξουδετερώνονται στο περιβάλλον της ριζόσφαιρας από χηλικές ενώσεις (κυρίως οργανικά οξέα, όπως μηλικό) οι οποίες απεκκρίνονται από τα κύτταρα της ρίζας

53 Μηχανισμοί αποκλεισμού των τοξικών μετάλλων από τον πρωτοπλάστη ΙΙΙ αποκλείονται στο εξωτερικό περιβάλλον λόγω της υψηλής εκλεκτικότητας που παρουσιάζουν οι μεμβράνες των κυττάρων της ρίζας

54 Μηχανισμοί αποκλεισμού των τοξικών μετάλλων από τον πρωτοπλάστη IV Είσοδος και δέσμευση των μεταλλικών ιόντων υπό μορφή χηλικών συμπλόκων στο κυτταρόπλασμα, μεταφορά του συμπλόκου στο χυμοτόπιο και εκ νέου σχηματισμός συμπλόκου με οργανικά οξέα

55 Μηχανισμοί αποκλεισμού των τοξικών μετάλλων από τον πρωτοπλάστη V δέσμευση με τη μορφή χηλικών συμπλόκων από πεπτίδια: δεσμεύουν τα μέταλλα στο κυτταρόπλασμα και στη συνέχεια τα μεταφέρουν στο χυμοτόπιο, όπου λόγω του όξινου ph τα απελευθερώνουν, επιτρέποντας στο πεπτίδιο να επιστρέψει εκ νέου στο κυτταρόπλασμα

56 Παραδείγματα ακραίας προσαρμογής Υπερσυσσωρευτές μετάλλων προσλαμβάνουν τα τοξικά μέταλλα από το περιβάλλον και έχουν την ικανότητα να τα συσσωρεύουν στους ιστούς τους (και του υπέργειου τμήματος) σε εξαιρετικά υψηλές συγκεντρώσεις, οι οποίες προκαλούν τον κυτταρικό θάνατο στα ευαίσθητα είδη

57 Παραδείγματα ακραίας προσαρμογής Γενετικά καθοριζόμενο εγκλιματισμός Υπερσυσσωρευτές μετάλλων συσσώρευση μέχρι και το 10% του ξηρού τους βάρους ενδημικά είδη μεταλλοφόρων εδαφών και κυρίως σερπεντινικών 450 είδη αγγειοσπέρμων οικότυποι με διαφορετική ικανότητα συσσώρευσης ενός τοξικού μετάλλου