گونه های اکسیژن واکنشگر (ROS) فرم هایی از اکسیژن اتمسفری(O[SUB]2[/SUB]) می باشند که تا حدودی احیا شده اند. از برانگیخته شدن اکسیژن، سینگلت اکسیژن بوجود می آید، یا با انتقال یک ، دو ویا سه الکترون به اکسیژن به ترتیب رادیکال های سوپر اکسید ، پر اکسید هیدروژن یا رادیکال هیدروکسیل تشکیل می شود.بر خلاف اکسیژن اتمسفری ، ROS دارای توانایی نامحدود در اکسیداسیون اجزای سلولی مختلف بوده و می تواند منجر به تخریب اکسیداتیو سلول گردد (Asada and takahashi,1987,Dat et al , 2000,Hammond and Jones,1996)
تولید ROS در سلول های گیاهی:
گونه های اکسیژن واکنشگر در سلول های گیاهی دارای منابع تولید زیادی می باشند. برخی از آنها در متابولیسم طبیعی سلول مانند فتوسنتزو تنفس نقش دارند. بر اساس دیدگاه های رایج، ROS یک محصول ثانویه اجتناب ناپذیر ار متابولیسم هوازی می باشد) ( Asada and takahashi,1987. دیگر منابع ROS متعلق به مسیر هایی هستند که در طی تنش های غیر زیستی بوجود می آیند مانندمسیر glycolate oxidase در پراکسیزوم ها طی تنفس نوری.
هر چند که در سال های اخیر منابع جدیدی از ROS در گیاهان معرفی شده اند، این منابع شامل NADPH oxidase ، amine oxidase و پراکسیداز های متصل به دیواره سلولی می باشند. این منابع در طی پروسه هایی مانند مرگ سلولی برنامه ریزی شده یاPCD) Programed Cell Death) و در تولید و تنظیم ROS نقش دارند( Dat et al , 2000,Grant and Loake,2000) . در حالیکه تحت شرایط طبیعی رشد مقدار تولید ROS در سلول ها کم می باشد( 240 میکرومول بر ثانیه و یا 0.5 میلی مولار پر اکسید هیدروژن که سطح پایدار آن در کلروپلاست است) (Polle,2000). بسیاری از تنش هایی که باعث شکسته شدن مکانیزم های خود تنظیمی در سلول می شوند ، تولید ROS را افزایش میدهند(270 میکرومول بر ثانیه و یا 5 تا 15 میلی مولار پر اکسید هیدروژن که سطح پایدار آن در کلروپلاست است) (Polle,2000). این تنش ها شامل تنش های خشکی ، شوری ، سرمازدگی ، درجه حرارت بالا ، فلزات سنگین ، اشعه ماوراء بنفش ، آلاینده های هوا مانند اوزون و دی اکسید گوگرد ، تنش های مکانیکی ، فقر عناصر غذایی ، حمله پاتوژن ها و تنش های نوری می باشند Dat et al , 2000,Boeler et) al,1992,Cazale et al,1999 (. تولید ROS ناشی از این تنش ها در نتیجه میسر هایی مانند تنفس نوری در دستگاه فتوسنتزی و تنفس میتوکنریایی می باشد. این تنش ها نقطه آغاز تولید فعال ROS توسط NADPH oxidase هستند (Pei et al,2000,Orozco and Ryan,1999). افزایش تولید ROS در طی تنش می تواند یک علامت تهدید برای سلول باشد، اما همچنین تصور می شود که ROS می تواند به عنوان یک سیگنال برای فعال سازی مکانیزم های دفاعی عمل نماید(Knight ,2001,Desikin et al,2001). بنا براین ROS می تواند به عنوان یک شاخص سلولی برای تنش در نظر گرفته شود و نقش یک پیام رسان ثانویه را در مسیر signal transduction بازی نماید. اگر چه می توان از ROS در سطح پایدار(steady state) برای دیده بانی تنش در سطح درون سلولی استفاده نمود ، این سطح می بایست تحت کنترل بازدارنده های نفوذ ROS قرار گیرد ، زیرا تجمع بیش از حد ROS می تواند باعث مرگ سلول گردد(Asada and Takashima,1987,Hammond and Jones,1996). مرگ سلولی ناشی از ROS میتواند در نتیجه واکنش های اکسیداتیو ی نظیر پراکسیداسیون لیپید های غشاء ، اکسیداسیون پروتئین ها ، ممانعت از فعالیت آنزیم ها و خسارت به DNA و RNA باشد. از طرف دیگر افزایش مقدار ROS میتواند باعث فعال شدن یک مسیر PCD گردد(Mitsuhara et al, 1999). گونه های اکسیژن فعال می توانند در رویداد های سیگنالینگ شرکت نماید، برای تنظیم غلظت ROS توسط مکانیزم های اسکاونجینگ حداقل دو مکانیزم مختلف در سلول های گیاهی می بایست وجود داشته باشد: اول اینکه بتواند سطوح پایین ROS را برای مقاصد سیگنالینگ حفظ نماید ، و دوم اینکه قادر به برطرف کردن اثرات سمی آن در طی تنش باشد. در مجوع انواع مختلفی از ROS در سلول تولید میشود و تعادل بین سطح پایدار آنها بسیار مهم است. البته این تعادل به وسیله مکانیزم های اسکاونجینگ حفظ شده و بستگی به شرایط فیزیولوژیکی گیاه و محرک های متفاوت محیطی، نموی و و بیوشیمیایی دارد.
اسکاونجینگ ROS در سلول های گیاهی
مکانیزم های اصلی اسکاونجینگ ROS در گیاهان شامل سوپر اکسید دیسموتاز(SOD )، آسکوربات پراکسیداز (APX) و کاتالاز (CAT) می باشند(Asada and Takahashi,1987,Willekens,1997).
بین SOD ، APX یا CAT برای تعیین سطح رادیکال های سوپر اکسید و پر اکسید هیدروژن تعادل برقرار است( Bowler,1991). میل ترکیبی APX (با مقادیر میکرو مولار) و CAT( با مقادیر میلی مولار) با پراکسید هیدروژن ، نشان دهنده اینست که این دو در دو کلاس متفاوت از آنزیمهای اسکاونجر قرار دارند. APX مسئول تعدیل میزان ROS برای سیگنالینگ و CAT مسئول برطرف کردن زیادی ROS در طی تنش می باشد.
مسیر های اصلی اسکاونجینگ ROS در گیاهان شامل: SOD ،که تقریبا در تمام اجزای سلولی پیدا شده است ، چرخه Water-Water در کلروپلاست ها ، چرخه آسکوربات گلوتاتیون در کلروپلاست ، سیتوزول ، میتوکندری، آپوپلاست و پراکسیزوم گلوتاتیون پراکسیداز و کاتالاز در پراکسیزوم می باشند. چرخه آسکوربات گلوتاتیون تقریبا در تمام اجزای سلول های گیاهی یافت شده ، علاوه بر این میل ترکیبی بالای APX برای پراکسید هیدروژن ، نشانگر نقش بسیار مهم آن در کنترل سطح ROS می باشد. اما CAT فقط در پراکسیزوم حضور دارد ، اما بطور حتم برای زدودن اثرات سمی ROS در طی تنش ضروری است ( Lopez,2000). افزایش تعداد پراکسیزوم ها می تواند در اسکاونجینگ ROS( به ویژه H[SUB]2[/SUB]O[SUB]2[/SUB]) که از سیتوزول به درون پراکسیزوم منتشر می گردد، بسیار سودمند باشد. چرخه Water-Water می تواند انرژی مورد نیاز خود را مستقیما از دستگاه فتسنتزی تامین نماید اما منبع تامین انرژی چرخه آسکوربات –گلوتاتیون برای اسکاونجینگ ROS ، هنوز بطور کامل مشخص نشده. آنتی اکسیدان هایی مانند آسکوربیک اسید و گلوتاتیون که در غلظت های بالا ( به ترتیب 20-5 میلی مولار و 5-1 میلی مولار9) در کلروپلاست ها و دیگر اجزای سلولی یافت می شوند، در مکانیزم های دفاعی گیاهان طی تنش های اکسیداتیو بسار مهم هستند( Noctor and Foyer,1998). لذا نگهداری نسبتهای بالای آسکوربات و گلوتاتیون احیا شده در سلول ها برای اسکاونجینگ مناسب ROS بسیار ضروری می باشد.این نسبت به وسیله گلوتاتیون رداکتاز نگهداری می شود. مونو دی هیدرو آسکوربات رداکتاز(MDAR) و دی هیدرو آسکوربات رداکتاز (DHAR) از NADPH به عنوان نیروی احیا کننده استفاده می نماین (Noctor and Foyer,1998,Asada,1999).به طور کلی میتوان گفت بین آنتی اکسیدان های مختلف در گیاه تعادل وجود دارد. افزایش بیوسنتز گلوتاتیون در کلروپلاست ها نه تنها می تواند باعث خسارت اکسیداتیو به ساول ها گردد بلکه حفاظت آنها را نیز دچار مشکل می کند، که دلیل آن ایجاد تغییر در پتانسیل رداکس کلروپلاست ها می باشد(Creissen,1999).همچنین نسبت اکسید به احیا در آنتی اکسیدانهای مختلف می تواند به عنوان یک سیگنال برای تنظیم مکانیزم های اسکاونجینگ ROS انجام وظیفه نماید.
اجتناب از تولید ROS
اجتناب از تولید ROS میتواند به اندازه اسکاونجینگ آن مهم باشد. از آنجا که بسیاری از تنش های محیطی با سرعت زیاد تولید ROS همراه هستند، اجتناب یا کاهش اثرات تنش هایی مانند درجه حرارت پایین و یا خشکی ، خطر تولید ROS را کاهش خواهد داد. مکانیزم هایی که می توانند تولید ROS را در سلول های گیاهی کاهش دهند شامل : 1-سازگاری های آناتومیکی مانند حرکت برگها و پیچ خوردن برگها ، نمو یک اپیدرم منعکس کننده نور و مخفی کردن روزنه ها در ساختمان تخصصی شده ، 2 - سازگاری های فیزیولوژیکی نظیر متابولیسم C[SUB]4[/SUB] و CAM و 3- مکانیزم های مولکولی که باعث بهبود عملکرد دستگاه فتوسنتزی شده و آنتن های دریافت کننده نور آنها را دوباره سازی می کند . با ایجاد تعادل بین انژی نورانی جذب شده توسط گیاه و قابلیت استفاده از دی اکسید کربن ، این مکانیزم ها میتوانند از کاهش عملکرد دستگاه فتوسنتزی جلوگیری کرده و مانع از انتقال الکترون ها به اکسیژن و تولید ROS گردند.برخی سیستمهای جایگزین در زنجیره انتقال الکترون کلروپلاست و میتوکندری که توسط گروهی از آنزیم ها به نام Alternative oxidase( Aoxs) فعال می شوند ، می توانند تولید ROS را کاهش دهند.این آنزیم ها می توانند با برگرداندن جریان الکترون از طریق زنجیره های انتقال الکترون ، از جریان الکترون ها برای احیای O[SUB]2[/SUB] به H[SUB]2[/SUB]O استفاده نمایند( شکل 2) . این آنزیم ها تولید ROS را به وسیله دو مکانیسم کاهش می دهند: 1- آنها از احیای O[SUB]2[/SUB] به [SUP]_[/SUP]O[SUB]2[/SUB] توسط الکترون ها جلوگیری می کنند و 2- آنها تمامی سطوح اکسیژن را که سوبسترای تولید ROS در اندامک ها می باشد احیا می کنند. کاهش میزان AOX میتوکندریایی ، حساسیت گیاهان به تنش های اکسیداتیو را افزایش می دهد (,Rizhsky,2001 Maxwell,1999).
تولید و اسکاونجینگ ROS در اجزای سلولی مختلف
مدتها تصور بر این بود که کلروپلاست منبع اصلی تولید ROS در سلول ها می باشدو در نتیجه یکی از اهداف اصلی خسارت ROS طی دوره تتنش به شمار می رفت. امروزه مشخص گردیده که کلروپلاست ها از آنچه قبلا تصور می شد نسبت به خسارت ROS حساس نیستند (Karpinska,2000). دیگر سایت تولید ROS میتوکندری می باشد. نتایج تحقیقات نشان داده که میتوکندری نقش یک کلید تنظیمی PCD را داشته و سطوح زیاد ROS در میتوکندری می تواند باعث شروع مرگ سلولی برنامه ریزی شده گردد(Lam,2001).هم میتو کندری و هم کلروپلاست حاوی مکانیزم های اسکاونجینگ ROS می باشند. از آنجا که H[SUB]2[/SUB]O[SUB]2[/SUB] می تواند از طریق منافذ آبی(Aquaporines) منتشر گردد ( Henzier and Steudle ,2000) ، ROS تولید شده در یک سایت سلولی تخصصی ( برای مثال کلروپلاست در طی تنش و آپوپلاست در طی حمله پاتوزن ها)می تواند سایر اجزای سلولی را نیز تحت تاثیر قرار دهد، بر اساس این فرضیه تنش هایی که باعث تولید مقدار زیاد ROS در کلروپلاست می شوند، مکانیزم های اسکاونجینگ ROS غیر کلروپلاستی و سیتوزولیک را القا می نمایند(Yoshimura,2000,Karpinsky,1997) و تولید ROS در آپوپلاست ، تولید پروتئین های مسئول واکنش در برابر پاتوژن ها را القا می نماید( Hammomd and Jones,1996 ). با توجه به اینکه میتوکندری های گیاهی و هسته ها در فعال کردن PCD نقش دارند، مقدار ROS تولید شده در این اجزا طی دوره تنش می بایست به شدت کنترل گردد.پراکسیزوم ها دارای نقش بسیار مهمی در کنترل ROS دارند(Corpas,2001) . این اندامک ها نه تنها جایگاهی برای سم زدایی اثرات ROS توسط کاتالاز می باشند بلکه مکانی برای تولید آن توسط Glycolate oxidase و بتا اکسیداسیون اسید های چرب می باشند.در مجموع پراکسیزوم ها یکی از سایت های بیوسنتز Nitric oxide(NO) می باشند (Corpas,2001) و NO در سلول های گیاهی باعث القای مرگ سلولی ناشی از ROS می شود(Delledonne,2001).
عملكرد اسيد آسكوربيك در گياهان
آسكوربات يك متابوليت مهم در گياهان است كه به عنوان يك آنتي اكسيدان به همراه اجزا ديگر سيستمهاي آنتي اكسيداني فعاليت ميكند و گياه را در مقابل صدمات اكسيداتيو كه از عوامل مختلفي از جمله متابوليسم هوازي, فتوسنتز و يك سري از آلودگيها ناشي ميشود، حمايت ميكند. تحقيقات اخير در زمينه گياهان ترانسژنيك و جهش يافته نشانگر نقش كليدي اسيد آسكوربيك در چرخه آسكوربات- گلوتاتيون است كه گياه را در مقابل تنشهاي اكسيداتيو حفاظت ميكند. همچنين آسكوربات به عنوان يك كوفاكتور براي فعال كردن بعضي از آنزيمهاي هيدروكسيلاز (مثلاًٍ پروليل هيدروكسيلاز) و ويولوزانتين دپوكسيداز عمل ميكند. آنزيم دوم, آسكوربات را به چرخه محافظت كننده نوري زانتوفيل ارتباط ميدهد. همچنين به نظر ميرسد كه آسكوربات تنظيمكننده انتقال الكترون فتوسنتزي است. مسير بيوسنتزي آسكوربات در گياهان هنوز كاملاً شناخته نشده است و بررسيها براي پيشنهاد مسير در حال انجام است. آسكوربات در ديواره سلول يافت ميشود كه اولين خط دفاعي سلول محسوب ميشود. همچنين نشان داده شده است كه آسكوربات ديواره سلولي و آسكوربات اكسيداز موجود در ديواره سلولي در كنترل رشد نيز دخيل هستند و فعاليت بالاي آسكوربات اكسيداز با توسعه سريع سلولها همراه است. آسكوربات تنظيمكننده تقسيم سلولي است كه پيشرفت را از مرحله G1 تاS تحت تاثير قرار ميدهد.
نقش آسكوربات در فتوسنتز بسيار مهم است و غلظت بالاي آن در كلروپلاست نشانگر اين مساله ميباشد.
عملكرد آسكوربات در سه جنبه مهم بيوشيميايي بررسي ميشود:
1- به عنوان آنتياكسيدان عمل ميكند كه اين كار را با برداشتن پراكسيد هيدروژن انجام ميدهد (چون كلروپلاست كاتالاز ندارد). پراكسيد هيدروژن از احیاء نوري اكسيژن در فتوسيستم يك به وجود ميآيد. كاتاليزور اين فرايند آسكوربات پراكسيداز است كه در تيكالوئيد, پراكسيد هيدروژن ايجادشده را به محض تشكيل به دام مياندازد.
2- از اكسايش آسكوربات، مالونيل دهيدرو اسكوربات تشكيل ميشود كه توسط آسكوربات پراكسيداز به عنوان يك گيرنده مستقيم الكترون به فتوسيستم يك عمل ميكند.
3- به عنوان يك كوفاكتور براي ويولوزانتين دپوكسيداز عمل ميكند.
آنچه مسلم است با افزايش دانستهها در مورد اين مولكول جالب توجه ميتوان گستره وسيعي از عملكرد آن را به صورت آنتياكسيدان در مكانيسم دفاعي و در فتوسنتز به عنوان تنظيمكننده رشد بررسي كرد.
نقش پراكسيد هيدروژن به عنوان اكسيدان در گياهان
در اثر تنشهاي زيستي و غير زيستي گونههاي فعال اكسيژن مانند H[SUB]2[/SUB]O[SUB]2[/SUB] ، O[SUB]2[/SUB][SUP].-[/SUP]، [SUP]-[/SUP]OH ايجاد ميشود. نشان داده شده است كه توليد گونههاي فعال اكسيژن در اثر تنشهاي مختلف منجر به تنشهاي اكسيداتيو ميشود كه به DNA ، پروتئين، پيگمنتها و همچنين پراكسيداسيون چربيها آسيب رسانده و در نهايت منجر به مرگ سلول ميگردد. گونههاي فعال اكسيژن از طريق واكنشهاي انتقال الكترون در ميتوكندري و كلروپلاست تشكيل ميشود و سريعاً به H[SUB]2[/SUB]O[SUB]2[/SUB] تبديل ميشود. همچنين در سلولها، H[SUB]2[/SUB]O[SUB]2[/SUB] از طريق واكنشهايي كه واسطه آنزيمي دارند مانند گليكولات اكسيداز در تنفس نوري ايجاد ميشود. اگسالات اكسيداز، اگسالات و اكسيژن را به H[SUB]2[/SUB]O[SUB]2[/SUB] و CO[SUB]2[/SUB] تبديل ميكند و NADPH اكسيداز كه الكترون را از NADPH به مولكول اكسيژن انتقال ميدهد ، O[SUB]2[/SUB][SUP].-[/SUP]توليد ميشود ( كه بعداٌ به H[SUB]2[/SUB]O[SUB]2[/SUB] تبديل ميگردد).
به نظر ميرسد در ميان گونههاي مختلف فعال اكسيژن، H[SUB]2[/SUB]O[SUB]2[/SUB] براي سيگنالينگ از بقيه فرمهاي فعال اكسيژن مناسب تر باشد چون پايداري و نيمه عمر بالاتري دارد. در واقع توليد چنين گونههايي يك پاسخ متداول به هر دو نوع تنش زيستي و غير زيستي ميباشد. اين تنشها شامل عوامل بيماريزا، اليسيتورها (تحريك كنندهها) ، گرما، سرما، نور UVو ازن است. مثلاً در برگ گندم زمستانه كه در سرماي C° 4 قرار گرفت، ميزان H[SUB]2[/SUB]O[SUB]2[/SUB] سه مرتبه بيشتر از شرايط كنترل است. از اين رو H[SUB]2[/SUB]O[SUB]2[/SUB] يك مولكول نشانه در گياهان محسوب ميشود.
به طور كلي تنشهاي اكسيداتيو از يك عدم تعادل در توليد و متابوليسم گونههاي فعال اكسيژن ناشي ميشود و براي بقاي سلول لازم است كه تعادل بين گونههاي فعال اكسيژن توليد شده و متابوليسم آن وجود داشته باشد.
خسارت اكسيداتيو به چربيها
پراكسيداسيون چربيها نمايانگر تنشهاي اكسيداتيو در گياهان است كه ميتواند تحت تاثير راديكالهاي آزاد يا گونههاي فعال اكسيژن ايجاد شود. پراكسيداسيون ليپيدها منجر به تخريب غشاهاي بيولوژيكي مي شود. غشاهاي ليپيدي دو لايهاي مخلوطي از فسفوليپيدها و گليكوليپيدها هستند كه زنجيرههاي اسيد چرب به وسيله يك پيوند استري به كربن 1 و2 ستون اصلي گليسرول متصل ميشود. واكنشهاي پراكسيداسيون در ميان اين اسيدهاي چرب بسته به تعداد و موقعيت پيوندهاي دوگانه روي زنجيره آسيل متفاوت است. در واقع اتمهاي هيدروژن پيوندهاي اولفيني غيراشباع شديداٌ به حملههاي اكسيداتيو حساس هستند و ليپيدهاي غير اشباع غشاهاي گياهان، هدف اوليه چنين واكنشهاي اكسيداتيوي ميباشد كه در نتيجه آن ليپيد هيدروپراكسيد ايجاد ميشود. اندازهگيري مقدار اين ماده به دليل ناپايداري و واكنش پذيري زياد آن مشكل ميباشد. بنابراين ميزان پراكسيداسيون ليپيدها را از روي محصولي كه از شكست ثانويه ليپيد هيدروپراكسيدهاي اوليه ناشي ميشود، تعيين ميكنند. در اثر تخريب پراكسيدهاي اسيدهاي چرب اشباع نشده مالون دي آلدييد (MDA) به وجود ميآيد كه به عنوان يك نشانگر (بیو مارکر) براي مشخصكردن مقدار صدمات اكسيداتيو ليپيدها بكار ميرود و مقدارش بسته به نوع تنش زيستي و غيرزيستي متفاوت مي باشد. برای مطالعه بیشتر می توانید به منابع زیر مراجعه کنید:
حسیبی، پیمان. ۱۳۸۶. بررسی فیزیولوژیکی اثر تنش سرما در مرحله گیاهچه ای ژنوتیپ های مختلف برنج. رساله دکتری تخصصی. دانشگاه شهید چمران اهواز. ۱۴۵ صفحه.
حسیبی، پ.، ف.، مرادی و م. نبی پور. 1387 . اثر دماي پايين بر سازوكار آنتي اکسیدانهای ژنوتیپ های حساس و متحمل برنج در مرحلهگیاهچه ای. مجله علوم زراعی ایران. جلد دهم. شماره 3 (39). پاییز 1387. صفحات 280-262.
Ron Mittler. 2002. Oxidative stress, antioxidants and stress tolerance. TRENDS in Plant Science Vol.7 No.9: 405-410.
تولید ROS در سلول های گیاهی:
گونه های اکسیژن واکنشگر در سلول های گیاهی دارای منابع تولید زیادی می باشند. برخی از آنها در متابولیسم طبیعی سلول مانند فتوسنتزو تنفس نقش دارند. بر اساس دیدگاه های رایج، ROS یک محصول ثانویه اجتناب ناپذیر ار متابولیسم هوازی می باشد) ( Asada and takahashi,1987. دیگر منابع ROS متعلق به مسیر هایی هستند که در طی تنش های غیر زیستی بوجود می آیند مانندمسیر glycolate oxidase در پراکسیزوم ها طی تنفس نوری.
هر چند که در سال های اخیر منابع جدیدی از ROS در گیاهان معرفی شده اند، این منابع شامل NADPH oxidase ، amine oxidase و پراکسیداز های متصل به دیواره سلولی می باشند. این منابع در طی پروسه هایی مانند مرگ سلولی برنامه ریزی شده یاPCD) Programed Cell Death) و در تولید و تنظیم ROS نقش دارند( Dat et al , 2000,Grant and Loake,2000) . در حالیکه تحت شرایط طبیعی رشد مقدار تولید ROS در سلول ها کم می باشد( 240 میکرومول بر ثانیه و یا 0.5 میلی مولار پر اکسید هیدروژن که سطح پایدار آن در کلروپلاست است) (Polle,2000). بسیاری از تنش هایی که باعث شکسته شدن مکانیزم های خود تنظیمی در سلول می شوند ، تولید ROS را افزایش میدهند(270 میکرومول بر ثانیه و یا 5 تا 15 میلی مولار پر اکسید هیدروژن که سطح پایدار آن در کلروپلاست است) (Polle,2000). این تنش ها شامل تنش های خشکی ، شوری ، سرمازدگی ، درجه حرارت بالا ، فلزات سنگین ، اشعه ماوراء بنفش ، آلاینده های هوا مانند اوزون و دی اکسید گوگرد ، تنش های مکانیکی ، فقر عناصر غذایی ، حمله پاتوژن ها و تنش های نوری می باشند Dat et al , 2000,Boeler et) al,1992,Cazale et al,1999 (. تولید ROS ناشی از این تنش ها در نتیجه میسر هایی مانند تنفس نوری در دستگاه فتوسنتزی و تنفس میتوکنریایی می باشد. این تنش ها نقطه آغاز تولید فعال ROS توسط NADPH oxidase هستند (Pei et al,2000,Orozco and Ryan,1999). افزایش تولید ROS در طی تنش می تواند یک علامت تهدید برای سلول باشد، اما همچنین تصور می شود که ROS می تواند به عنوان یک سیگنال برای فعال سازی مکانیزم های دفاعی عمل نماید(Knight ,2001,Desikin et al,2001). بنا براین ROS می تواند به عنوان یک شاخص سلولی برای تنش در نظر گرفته شود و نقش یک پیام رسان ثانویه را در مسیر signal transduction بازی نماید. اگر چه می توان از ROS در سطح پایدار(steady state) برای دیده بانی تنش در سطح درون سلولی استفاده نمود ، این سطح می بایست تحت کنترل بازدارنده های نفوذ ROS قرار گیرد ، زیرا تجمع بیش از حد ROS می تواند باعث مرگ سلول گردد(Asada and Takashima,1987,Hammond and Jones,1996). مرگ سلولی ناشی از ROS میتواند در نتیجه واکنش های اکسیداتیو ی نظیر پراکسیداسیون لیپید های غشاء ، اکسیداسیون پروتئین ها ، ممانعت از فعالیت آنزیم ها و خسارت به DNA و RNA باشد. از طرف دیگر افزایش مقدار ROS میتواند باعث فعال شدن یک مسیر PCD گردد(Mitsuhara et al, 1999). گونه های اکسیژن فعال می توانند در رویداد های سیگنالینگ شرکت نماید، برای تنظیم غلظت ROS توسط مکانیزم های اسکاونجینگ حداقل دو مکانیزم مختلف در سلول های گیاهی می بایست وجود داشته باشد: اول اینکه بتواند سطوح پایین ROS را برای مقاصد سیگنالینگ حفظ نماید ، و دوم اینکه قادر به برطرف کردن اثرات سمی آن در طی تنش باشد. در مجوع انواع مختلفی از ROS در سلول تولید میشود و تعادل بین سطح پایدار آنها بسیار مهم است. البته این تعادل به وسیله مکانیزم های اسکاونجینگ حفظ شده و بستگی به شرایط فیزیولوژیکی گیاه و محرک های متفاوت محیطی، نموی و و بیوشیمیایی دارد.
اسکاونجینگ ROS در سلول های گیاهی
مکانیزم های اصلی اسکاونجینگ ROS در گیاهان شامل سوپر اکسید دیسموتاز(SOD )، آسکوربات پراکسیداز (APX) و کاتالاز (CAT) می باشند(Asada and Takahashi,1987,Willekens,1997).
| |
مسیر های اصلی اسکاونجینگ ROS در گیاهان شامل: SOD ،که تقریبا در تمام اجزای سلولی پیدا شده است ، چرخه Water-Water در کلروپلاست ها ، چرخه آسکوربات گلوتاتیون در کلروپلاست ، سیتوزول ، میتوکندری، آپوپلاست و پراکسیزوم گلوتاتیون پراکسیداز و کاتالاز در پراکسیزوم می باشند. چرخه آسکوربات گلوتاتیون تقریبا در تمام اجزای سلول های گیاهی یافت شده ، علاوه بر این میل ترکیبی بالای APX برای پراکسید هیدروژن ، نشانگر نقش بسیار مهم آن در کنترل سطح ROS می باشد. اما CAT فقط در پراکسیزوم حضور دارد ، اما بطور حتم برای زدودن اثرات سمی ROS در طی تنش ضروری است ( Lopez,2000). افزایش تعداد پراکسیزوم ها می تواند در اسکاونجینگ ROS( به ویژه H[SUB]2[/SUB]O[SUB]2[/SUB]) که از سیتوزول به درون پراکسیزوم منتشر می گردد، بسیار سودمند باشد. چرخه Water-Water می تواند انرژی مورد نیاز خود را مستقیما از دستگاه فتسنتزی تامین نماید اما منبع تامین انرژی چرخه آسکوربات –گلوتاتیون برای اسکاونجینگ ROS ، هنوز بطور کامل مشخص نشده. آنتی اکسیدان هایی مانند آسکوربیک اسید و گلوتاتیون که در غلظت های بالا ( به ترتیب 20-5 میلی مولار و 5-1 میلی مولار9) در کلروپلاست ها و دیگر اجزای سلولی یافت می شوند، در مکانیزم های دفاعی گیاهان طی تنش های اکسیداتیو بسار مهم هستند( Noctor and Foyer,1998). لذا نگهداری نسبتهای بالای آسکوربات و گلوتاتیون احیا شده در سلول ها برای اسکاونجینگ مناسب ROS بسیار ضروری می باشد.این نسبت به وسیله گلوتاتیون رداکتاز نگهداری می شود. مونو دی هیدرو آسکوربات رداکتاز(MDAR) و دی هیدرو آسکوربات رداکتاز (DHAR) از NADPH به عنوان نیروی احیا کننده استفاده می نماین (Noctor and Foyer,1998,Asada,1999).به طور کلی میتوان گفت بین آنتی اکسیدان های مختلف در گیاه تعادل وجود دارد. افزایش بیوسنتز گلوتاتیون در کلروپلاست ها نه تنها می تواند باعث خسارت اکسیداتیو به ساول ها گردد بلکه حفاظت آنها را نیز دچار مشکل می کند، که دلیل آن ایجاد تغییر در پتانسیل رداکس کلروپلاست ها می باشد(Creissen,1999).همچنین نسبت اکسید به احیا در آنتی اکسیدانهای مختلف می تواند به عنوان یک سیگنال برای تنظیم مکانیزم های اسکاونجینگ ROS انجام وظیفه نماید.
اجتناب از تولید ROS
اجتناب از تولید ROS میتواند به اندازه اسکاونجینگ آن مهم باشد. از آنجا که بسیاری از تنش های محیطی با سرعت زیاد تولید ROS همراه هستند، اجتناب یا کاهش اثرات تنش هایی مانند درجه حرارت پایین و یا خشکی ، خطر تولید ROS را کاهش خواهد داد. مکانیزم هایی که می توانند تولید ROS را در سلول های گیاهی کاهش دهند شامل : 1-سازگاری های آناتومیکی مانند حرکت برگها و پیچ خوردن برگها ، نمو یک اپیدرم منعکس کننده نور و مخفی کردن روزنه ها در ساختمان تخصصی شده ، 2 - سازگاری های فیزیولوژیکی نظیر متابولیسم C[SUB]4[/SUB] و CAM و 3- مکانیزم های مولکولی که باعث بهبود عملکرد دستگاه فتوسنتزی شده و آنتن های دریافت کننده نور آنها را دوباره سازی می کند . با ایجاد تعادل بین انژی نورانی جذب شده توسط گیاه و قابلیت استفاده از دی اکسید کربن ، این مکانیزم ها میتوانند از کاهش عملکرد دستگاه فتوسنتزی جلوگیری کرده و مانع از انتقال الکترون ها به اکسیژن و تولید ROS گردند.برخی سیستمهای جایگزین در زنجیره انتقال الکترون کلروپلاست و میتوکندری که توسط گروهی از آنزیم ها به نام Alternative oxidase( Aoxs) فعال می شوند ، می توانند تولید ROS را کاهش دهند.این آنزیم ها می توانند با برگرداندن جریان الکترون از طریق زنجیره های انتقال الکترون ، از جریان الکترون ها برای احیای O[SUB]2[/SUB] به H[SUB]2[/SUB]O استفاده نمایند( شکل 2) . این آنزیم ها تولید ROS را به وسیله دو مکانیسم کاهش می دهند: 1- آنها از احیای O[SUB]2[/SUB] به [SUP]_[/SUP]O[SUB]2[/SUB] توسط الکترون ها جلوگیری می کنند و 2- آنها تمامی سطوح اکسیژن را که سوبسترای تولید ROS در اندامک ها می باشد احیا می کنند. کاهش میزان AOX میتوکندریایی ، حساسیت گیاهان به تنش های اکسیداتیو را افزایش می دهد (,Rizhsky,2001 Maxwell,1999).
تولید و اسکاونجینگ ROS در اجزای سلولی مختلف
مدتها تصور بر این بود که کلروپلاست منبع اصلی تولید ROS در سلول ها می باشدو در نتیجه یکی از اهداف اصلی خسارت ROS طی دوره تتنش به شمار می رفت. امروزه مشخص گردیده که کلروپلاست ها از آنچه قبلا تصور می شد نسبت به خسارت ROS حساس نیستند (Karpinska,2000). دیگر سایت تولید ROS میتوکندری می باشد. نتایج تحقیقات نشان داده که میتوکندری نقش یک کلید تنظیمی PCD را داشته و سطوح زیاد ROS در میتوکندری می تواند باعث شروع مرگ سلولی برنامه ریزی شده گردد(Lam,2001).هم میتو کندری و هم کلروپلاست حاوی مکانیزم های اسکاونجینگ ROS می باشند. از آنجا که H[SUB]2[/SUB]O[SUB]2[/SUB] می تواند از طریق منافذ آبی(Aquaporines) منتشر گردد ( Henzier and Steudle ,2000) ، ROS تولید شده در یک سایت سلولی تخصصی ( برای مثال کلروپلاست در طی تنش و آپوپلاست در طی حمله پاتوزن ها)می تواند سایر اجزای سلولی را نیز تحت تاثیر قرار دهد، بر اساس این فرضیه تنش هایی که باعث تولید مقدار زیاد ROS در کلروپلاست می شوند، مکانیزم های اسکاونجینگ ROS غیر کلروپلاستی و سیتوزولیک را القا می نمایند(Yoshimura,2000,Karpinsky,1997) و تولید ROS در آپوپلاست ، تولید پروتئین های مسئول واکنش در برابر پاتوژن ها را القا می نماید( Hammomd and Jones,1996 ). با توجه به اینکه میتوکندری های گیاهی و هسته ها در فعال کردن PCD نقش دارند، مقدار ROS تولید شده در این اجزا طی دوره تنش می بایست به شدت کنترل گردد.پراکسیزوم ها دارای نقش بسیار مهمی در کنترل ROS دارند(Corpas,2001) . این اندامک ها نه تنها جایگاهی برای سم زدایی اثرات ROS توسط کاتالاز می باشند بلکه مکانی برای تولید آن توسط Glycolate oxidase و بتا اکسیداسیون اسید های چرب می باشند.در مجموع پراکسیزوم ها یکی از سایت های بیوسنتز Nitric oxide(NO) می باشند (Corpas,2001) و NO در سلول های گیاهی باعث القای مرگ سلولی ناشی از ROS می شود(Delledonne,2001).
عملكرد اسيد آسكوربيك در گياهان
آسكوربات يك متابوليت مهم در گياهان است كه به عنوان يك آنتي اكسيدان به همراه اجزا ديگر سيستمهاي آنتي اكسيداني فعاليت ميكند و گياه را در مقابل صدمات اكسيداتيو كه از عوامل مختلفي از جمله متابوليسم هوازي, فتوسنتز و يك سري از آلودگيها ناشي ميشود، حمايت ميكند. تحقيقات اخير در زمينه گياهان ترانسژنيك و جهش يافته نشانگر نقش كليدي اسيد آسكوربيك در چرخه آسكوربات- گلوتاتيون است كه گياه را در مقابل تنشهاي اكسيداتيو حفاظت ميكند. همچنين آسكوربات به عنوان يك كوفاكتور براي فعال كردن بعضي از آنزيمهاي هيدروكسيلاز (مثلاًٍ پروليل هيدروكسيلاز) و ويولوزانتين دپوكسيداز عمل ميكند. آنزيم دوم, آسكوربات را به چرخه محافظت كننده نوري زانتوفيل ارتباط ميدهد. همچنين به نظر ميرسد كه آسكوربات تنظيمكننده انتقال الكترون فتوسنتزي است. مسير بيوسنتزي آسكوربات در گياهان هنوز كاملاً شناخته نشده است و بررسيها براي پيشنهاد مسير در حال انجام است. آسكوربات در ديواره سلول يافت ميشود كه اولين خط دفاعي سلول محسوب ميشود. همچنين نشان داده شده است كه آسكوربات ديواره سلولي و آسكوربات اكسيداز موجود در ديواره سلولي در كنترل رشد نيز دخيل هستند و فعاليت بالاي آسكوربات اكسيداز با توسعه سريع سلولها همراه است. آسكوربات تنظيمكننده تقسيم سلولي است كه پيشرفت را از مرحله G1 تاS تحت تاثير قرار ميدهد.
نقش آسكوربات در فتوسنتز بسيار مهم است و غلظت بالاي آن در كلروپلاست نشانگر اين مساله ميباشد.
عملكرد آسكوربات در سه جنبه مهم بيوشيميايي بررسي ميشود:
1- به عنوان آنتياكسيدان عمل ميكند كه اين كار را با برداشتن پراكسيد هيدروژن انجام ميدهد (چون كلروپلاست كاتالاز ندارد). پراكسيد هيدروژن از احیاء نوري اكسيژن در فتوسيستم يك به وجود ميآيد. كاتاليزور اين فرايند آسكوربات پراكسيداز است كه در تيكالوئيد, پراكسيد هيدروژن ايجادشده را به محض تشكيل به دام مياندازد.
2- از اكسايش آسكوربات، مالونيل دهيدرو اسكوربات تشكيل ميشود كه توسط آسكوربات پراكسيداز به عنوان يك گيرنده مستقيم الكترون به فتوسيستم يك عمل ميكند.
3- به عنوان يك كوفاكتور براي ويولوزانتين دپوكسيداز عمل ميكند.
آنچه مسلم است با افزايش دانستهها در مورد اين مولكول جالب توجه ميتوان گستره وسيعي از عملكرد آن را به صورت آنتياكسيدان در مكانيسم دفاعي و در فتوسنتز به عنوان تنظيمكننده رشد بررسي كرد.
نقش پراكسيد هيدروژن به عنوان اكسيدان در گياهان
در اثر تنشهاي زيستي و غير زيستي گونههاي فعال اكسيژن مانند H[SUB]2[/SUB]O[SUB]2[/SUB] ، O[SUB]2[/SUB][SUP].-[/SUP]، [SUP]-[/SUP]OH ايجاد ميشود. نشان داده شده است كه توليد گونههاي فعال اكسيژن در اثر تنشهاي مختلف منجر به تنشهاي اكسيداتيو ميشود كه به DNA ، پروتئين، پيگمنتها و همچنين پراكسيداسيون چربيها آسيب رسانده و در نهايت منجر به مرگ سلول ميگردد. گونههاي فعال اكسيژن از طريق واكنشهاي انتقال الكترون در ميتوكندري و كلروپلاست تشكيل ميشود و سريعاً به H[SUB]2[/SUB]O[SUB]2[/SUB] تبديل ميشود. همچنين در سلولها، H[SUB]2[/SUB]O[SUB]2[/SUB] از طريق واكنشهايي كه واسطه آنزيمي دارند مانند گليكولات اكسيداز در تنفس نوري ايجاد ميشود. اگسالات اكسيداز، اگسالات و اكسيژن را به H[SUB]2[/SUB]O[SUB]2[/SUB] و CO[SUB]2[/SUB] تبديل ميكند و NADPH اكسيداز كه الكترون را از NADPH به مولكول اكسيژن انتقال ميدهد ، O[SUB]2[/SUB][SUP].-[/SUP]توليد ميشود ( كه بعداٌ به H[SUB]2[/SUB]O[SUB]2[/SUB] تبديل ميگردد).
به نظر ميرسد در ميان گونههاي مختلف فعال اكسيژن، H[SUB]2[/SUB]O[SUB]2[/SUB] براي سيگنالينگ از بقيه فرمهاي فعال اكسيژن مناسب تر باشد چون پايداري و نيمه عمر بالاتري دارد. در واقع توليد چنين گونههايي يك پاسخ متداول به هر دو نوع تنش زيستي و غير زيستي ميباشد. اين تنشها شامل عوامل بيماريزا، اليسيتورها (تحريك كنندهها) ، گرما، سرما، نور UVو ازن است. مثلاً در برگ گندم زمستانه كه در سرماي C° 4 قرار گرفت، ميزان H[SUB]2[/SUB]O[SUB]2[/SUB] سه مرتبه بيشتر از شرايط كنترل است. از اين رو H[SUB]2[/SUB]O[SUB]2[/SUB] يك مولكول نشانه در گياهان محسوب ميشود.
به طور كلي تنشهاي اكسيداتيو از يك عدم تعادل در توليد و متابوليسم گونههاي فعال اكسيژن ناشي ميشود و براي بقاي سلول لازم است كه تعادل بين گونههاي فعال اكسيژن توليد شده و متابوليسم آن وجود داشته باشد.
خسارت اكسيداتيو به چربيها
پراكسيداسيون چربيها نمايانگر تنشهاي اكسيداتيو در گياهان است كه ميتواند تحت تاثير راديكالهاي آزاد يا گونههاي فعال اكسيژن ايجاد شود. پراكسيداسيون ليپيدها منجر به تخريب غشاهاي بيولوژيكي مي شود. غشاهاي ليپيدي دو لايهاي مخلوطي از فسفوليپيدها و گليكوليپيدها هستند كه زنجيرههاي اسيد چرب به وسيله يك پيوند استري به كربن 1 و2 ستون اصلي گليسرول متصل ميشود. واكنشهاي پراكسيداسيون در ميان اين اسيدهاي چرب بسته به تعداد و موقعيت پيوندهاي دوگانه روي زنجيره آسيل متفاوت است. در واقع اتمهاي هيدروژن پيوندهاي اولفيني غيراشباع شديداٌ به حملههاي اكسيداتيو حساس هستند و ليپيدهاي غير اشباع غشاهاي گياهان، هدف اوليه چنين واكنشهاي اكسيداتيوي ميباشد كه در نتيجه آن ليپيد هيدروپراكسيد ايجاد ميشود. اندازهگيري مقدار اين ماده به دليل ناپايداري و واكنش پذيري زياد آن مشكل ميباشد. بنابراين ميزان پراكسيداسيون ليپيدها را از روي محصولي كه از شكست ثانويه ليپيد هيدروپراكسيدهاي اوليه ناشي ميشود، تعيين ميكنند. در اثر تخريب پراكسيدهاي اسيدهاي چرب اشباع نشده مالون دي آلدييد (MDA) به وجود ميآيد كه به عنوان يك نشانگر (بیو مارکر) براي مشخصكردن مقدار صدمات اكسيداتيو ليپيدها بكار ميرود و مقدارش بسته به نوع تنش زيستي و غيرزيستي متفاوت مي باشد. برای مطالعه بیشتر می توانید به منابع زیر مراجعه کنید:
حسیبی، پیمان. ۱۳۸۶. بررسی فیزیولوژیکی اثر تنش سرما در مرحله گیاهچه ای ژنوتیپ های مختلف برنج. رساله دکتری تخصصی. دانشگاه شهید چمران اهواز. ۱۴۵ صفحه.
حسیبی، پ.، ف.، مرادی و م. نبی پور. 1387 . اثر دماي پايين بر سازوكار آنتي اکسیدانهای ژنوتیپ های حساس و متحمل برنج در مرحلهگیاهچه ای. مجله علوم زراعی ایران. جلد دهم. شماره 3 (39). پاییز 1387. صفحات 280-262.
Ron Mittler. 2002. Oxidative stress, antioxidants and stress tolerance. TRENDS in Plant Science Vol.7 No.9: 405-410.
