Glutation

1
Glutation és a kapcsolódó mechanizmusokFitokelat
inok, metallotioneinek
2
A nehézfémfelesleg hatásai

• Más elemek gyökér általi felvételének
  befolyásolása (Cd, Cu, Zn)
• Szabad oxigéngyökök generálása
• Cu O2 ? Cu2 O2.-
• Cu H2O2 ? Cu2 OH- OH.
• lipidperoxidáció iniciálása
• Cu LOOH ? Cu2 OH- LO.
• Cu2 LOOH ? Cu H LOO.
• Enzimek muködésének gátlása (pl. NR-t az Pb)
• Klorofill bioszintézis gátlása
• (d-aminolevulinsav DH, protoklorofillid
  reduktáz)

3
A nehézfémfelesleg hatásai

• A nehézfém-toxicitás általános tünetei
• gyökér- (hajtás-) növekedésének gátlása
• vízfelvétel- és belso vízmozgás gátlása
• Különösen magasabb koncentrációban a legtöbb
  nehézfém
• gátolja sztómák nyitódását és a transzspirációt
• CO2-fixáció, a fotoszintézis egyes folyamatainak
  gátlása
• károsítja a plazmamembránt

4
A nehézfémrezisztencia lehetséges mechanizmusai

• Elkerülés
• (baktériumban P-típusú ATPázok kipumpálják)
• Detoxifikálás a sejten belül (kelatálás,
  transzport)
• - fehérjék indukciója
• hosokk (Heat-shock) proteinek,
  metallotioneinek, fitokelatinok, ferritin,
  transzferrin
• - antioxidáns enzimek indukciója és aktiválása
• szuperoxid dizmutáz, kataláz, glutation
  peroxidáz
• - szerves savak magasabb turnover-e
• malát, citrát, oxalát, fitát, szukcinát stb.
• A nehézfémtolerancia fontos a nehézfém
  hiperakkumuláláshoz !

5
A Cd kelatálásában és vakuólumba juttatásában
központi szerepe van a glutationnak
6
Antioxidáns védo mechanizmusok
7
Az aszkorbinsav-glutation ciklus szerepe a H2O2
eltávolítása
8
A glutation
9
A glutation szerepe a növényekben

• Elofordulása kloroplasztiszban,citoszólban,
  mitokondriumban
• mM-os nagyságrendben (500 µM - 5 mM)
• Redukált/oxidált glutation aránya
• normál körülmények között 90-99
• stresszhatásra 30-80

10
Redukált glutation oxidált glutation
2 GSH ? GSSG
Oxidált glutation glutation diszulfid
11
A glutation szerepe a növényekben

• Oxidatív stressz elleni védelem (GR, GSPX)
• Szubsztrátja a glutation S-transzferáznak
• Redox puffer, redox szabályozás (fehérjék -SH
  csoportja, sejtciklus)
• Génexpresszió szabályozása
• Fitokelatinok prekurzora
• Fo raktározott formája a redukált kénnek
• A szervek közötti kénmegoszlás szabályozása

12
A glutation bioszintézise
13
A glutation szintetáz, GS (GSase)

• Transzgénikus nyárfa
• Citoszolban, 100-szoros GS-növekedés, GSH
  tartalom nem nott
• Transzgénikus Brassica j. 2-3-szoros növekedés
  a Cd-toleranciában

14
(No Transcript)
15
g-glutamil cisztein szintetáz, g-ECS

• Szerepe bizonyított a GSH szint emelkedésben
  stresszhatásra
• Transzgénikus nyárfa
• citoszolban enzim mennyiségben 5-10-szeres
  növekedés,
• 2-3-szoros GSH- és GSSG- szint növekedés (a
  redox állapot nem különbözött a kontrolltól !)
• Kloroplasztiszban hasonló eredmény
• Transzgénikus Brassica j. 2-3-szoros növekedés
  a Cd-toleranciában
• Transzgénikus dohány nekrózis, csökkent növekedés

16
A bioszintézis génjének túltermeltetésével a
glutation mennyisége megemelheto növényekben
17
Glutation reduktáz, GR

• Transzgénikus nyárfa
• kloroplasztiszban 1000-szeres GR-növekedés
• 2-szeres növekedés a glutationban (aszkorbát
  mennyisége is nott stresszhatásra)
• citoszolban5-10- szeres GR növekedés
• glutation mennyisége nem nott
• GR overexpresszió a kloroplasztiszban növeli a
• GSH/GSSG arányt és a totál glutation mennyiséget
  is
• Transzgénikus dohány
• 1-3,5-szörös GR növekedés

18
Glutation bioszintézis és homeosztázis összetett
szabályozása
19
A glutation szintézise, felhasználása és
lebontása a növényi sejtben GSH redukált
glutation, Glu glutaminsav g-ECS
g-glutamil cisztein szintetáz, GSase glutation
szintetáz, GSSG glutation diszulfid, GRase
glutation reduktáz, GST glutation
S-transzferáz, PCS fitokelatin szintetáz,
CPase karboxipeptidáz, g-GTase g-glutamil
transzpeptidáz, DPase dipeptidáz
20
A glutation S-transferáz (GST) szerepe

• Különbözo elektrofil komponensek konjugálása
  GSH-val
• (endogén metabolitok, gyomirtószerek
  detoxifikálása )
• GSH-PX funkció? lipid peroxidok detoxifikálása
• GST/GS-PX gént túltermelo transzgénikus dohány
  növények megemelkedett stressz toleranciával
  rendelkeznek
• izomerizációs reakciók katalizátora (pl. aromás
  aminosavak lebontásában)
• nem-enzimatikus szállító (ligandin-funkció)
  endogén molekulák kötése nem-katalitikus helyen
  (kötés és transzport)
• - auxin- és citokinin-köto fehérjék
• - cianidin-3-glukozid vakuolumba történo
  transzportja
• - intracelluláris hormon transzport?
• Apoptózis szabályozása - véd a letális hatástól
• (Bax-inhibitor GST)

21
A fitokelatinok

• Fémköto polipeptidek
• (?-Glu-Cys)2-11-Gly
• a felesleges, toxikus fémionok megkötése,
  kizárása, elkülönítése

22
A fitokelatinok
23
(No Transcript)
24
A fitokelatin szintáz (PCS)

• Nehézfémek és tiolátjaik aktiválják
• (Cd2, Zn2 ,Cd.GS2, Zn.GS2)
• C-terminális részen Cys-csoportok fontosak az
  aktiválásban
• cad1 mutánsok (Arabidopsis, S. pombe)
• mutáció a PC szintázban
• - Cd2 -ra, Cu2-ra hiperszenzitívek
• - fitokelatin-deficiensek
• PCS-expresszáló transzgénikus sejtek
  Cd2-toleranciája és -akkumulációja, nagyobb,
  mint a kontrollé
• (S. pombe, S. cerevisiae, dohány, Arabidopsis)

25
(No Transcript)
26
A fitokelatinok
Cd2 kapcsolódása két fitokelatin molekulával
27
A fitokelatinok
28
(No Transcript)
29
A fitokelatinok

• A Cd2-ot jól toleráló sejtekben a Cd2 min.
  90-a Cd-fitokelatin komplex formájában található
• A Cd-fitokelatin komplexek általában a növényi
  sejtek vakuólumában találhatóak
• Transzporterük ABC-transzporter
• (HMT1 heavy metal tolerance factor 1)

30
A vakuólum a növényi sejtek 90-át is kitöltheti
31
Fitokelatin-közvetített Cd-transzport és Cd-S
komplexek kialakulásának modellje
32
(No Transcript)
33
A kén csökkenti a Cd toxicitását
34
A metallotioneinek

• Kis molekulasúlyú, ciszteinben gazdag fémköto
  proteinek
• (8-14 kDa, 50-70 aminosav, gt30 Cys)
• fitokelatin aggregátumok ?
• Fitokelatinokhoz hasonló szerep a fémek
  komplexálásában
• (nagyobb affinitás a Cu-hez)
• Antioxidáns funkciójuk is lehet (membránok
  védelme)
• Génexpressziójukat befolyásolják pl. nehézfémek
  (Cu, Zn, Cd), sebzés, öregedés, patogén fertozés.

35
S. cerevisie metallotionein
A metallotionein molekula szerkezete, kiemelve a
Cys csoportok S atomjait (világosabb gömbök )
és a kötött Cu atomokat (sötétebb gömbök)
36
A metallotioneinek csoportosításaaminosav
sorrend és összetétel alapján

• I. típus 20 Cys-t tartalmaznak (6 Cys-X-Cys
• két fo doménban, köztük kb. 40 aminosav)
• II. típus N- és C-terminális részen más,
  konzervált elrendezésben vannak az aminosavak
  (pl. Cys-Cys, Cys-Glu-Glu-Cys, MSCCGGNCGCS)
• tipikusan növényi MT
• III. típus N-terminális részen csak 4 Cys,
  C-terminálison 6
• enzimatikusan, nem transzlációsan
  szintetizálódnak!
• IV. típus 3 Cys-gazdag domént tartalmaznak (5-6
  Cys), köztük 10-15 aminosav)

37
Egy metallotionein feltételezett szerkezete
Az N- ás C-terminális részen lévo Cd- (kék
gömbök) köto fém-centrumokat hosszabb
fehérjelánc köti össze.
38
A metallotioneinek

• Génexpressziójuk különbözhet szövettol függoen
  is
• I. típus gyökérben jobban expresszálódik, mint
  hajtásban, II. típus ellenkezoleg
• III. típus expressziója magas levelekben és
  éretlen termésekben
• IV. típus fejlodo magvakban expresszálódik.
• Nyárfában 6 MT expresszióját vizsgálták, eltéro
  mintázat

39
A nehézfémrezisztencia lehetséges mechanizmusai

• Fémionok immobilizálása a sejtfalban (pektinek)
• PM permeabilitás változása, kompartmentizáció a
  vakuólumban
• Aktív kijuttatás
• Kelátképzés a citoplazmában, vakuoláris
  transzport

40
Lehetoségek a növények nehézfém
rezisztenciájának, akkumulációjának,
transzportjának növelésére