Fitohormony

1)     Wstęp

Regulacja procesów fizjologicznych może zachodzić poprzez:

a)      regulację metaboliczną - regulację podstawowych przemian metabolicznych

b)     regulację troficzną - poprzez zapewnienie lub ograniczenie dostępu substancji odżywczych do komórek

c)      regulację z wykorzystaniem regulatorów wzrostu i rozwoju (zwanych także po prostu regulatorami wzrostu).

Regulatory wzrostu: przeważnie małocząsteczkowe, zróżnicowana budowa chemiczna, zdolne do przemieszczania się w roślinie. Należą do metabolitów wtórnych (nie uczestniczą w metabolizmie podstawowym. Regulują wzrost, podziały, różnicowanie się komórek, uczestniczą w odpowiedzi na czynniki środowiska np. stresy abiotyczne (światło, T, dostępność wody...) czy biotyczne (patogeny...)

Jak testuje się, czy dana substancja jest regulatorem wzrostu? Kryteria:

1)     występowanie zależności pomiędzy stężeniem tej substancji a natężeniem danego procesu.

2)     podanie substancji egzogennie inicjuje lub modyfikuje przebieg procesu

3)     wywołanie zmiany stężenia substancji w roślinie modyfikuje przebieg procesu.

Jakie procesy można badać: wzrost, morfogenezę, zmiany zawartości konkretnych związków chemicznych, zmiany aktywności enzymu/ów,

Najprostsze do przeprowadzenia są eksperymenty z egzogennym podawaniem, jednak wtedy nie ma pewności, czy obserwowany efekt jest rzeczywistym efektem fizjologicznym (czy odpowiada reakcjom rośliny na zmiany stężenia endogennej substancji). Kryterium 1 – zależność natężenia procesu od stężenia wymaga dokładnej analizy ilościowej (endogenne regulatory wzrostu często występują w bardzo niskich stężeniach) oraz często (ze względu właśnie na małą zawartość) dużej ilości materiału roślinnego. Ostatnio wprowadza się metody immunochemiczne. Z kolei badanie zmian endogennego stężenia (kryterium 3) można wywołać traktując roślinę inhibitorem biosyntezy, transportu, czy katabolizmu tego regulatora. Ostatnio często przeprowadza się badania na mutantach lub roślinach transgenicznych – mogą one mieć np. upośledzoną biosyntezę, degradację lub transport hormonu albo niezdolny do przekazania sygnału receptor tegoż hormonu czy nieaktywny inny element kaskady sygnałowej.

Hormony roślinne - podgrupa regulatorów wzrostu.

-          są aktywne w bardzo małych stężeniach (już rzędu 10-6 mola/dm3)

-          występują powszechnie w roślinach.

Nie będące hormonami – substancje wzrostowe – działają w wyższych stężeniach (10-4 mol/dm3. Ich występowania i działanie często bywa ograniczone do danej grupy taksonomicznej, czasem nawet tylko do kilku gatunków (np. niektóre fenole czy terpenoidy pełnią funkcje substancji wzrostowych). Niektóre substancje wzrostowe powstają w odpowiedzi na zadziałanie czynnika stresowego np. ataku patogenu. Do tej grupy należą też fitoaleksyny, czy wytwarzane przez bakterie Rhizobium flawonoidy wywołujące specyficzną odpowiedź roślin motylkowych. Najczęściej są to związki małocząsteczkowe o prostej budowie (np. kwas salicylowy), choć są także bardziej skomplikowane: oligosacharydy, glikozydy fenolowe, polipeptydy.

Hormony roślinne mogą działać w miejscu ich syntezy, jak również w miejscach od nich odległych.

Obecnie stworzono szereg syntetycznych analogów hormonów, które mogą być trwalsze, wywoływać intensywniejszą odpowiedź, lub działać antagonistycznie (niektóre herbicydy, które są właśnie analogami hormonów). Znane są także związki będące np. inhibitorami biosyntezy naturalnych hormonów.

Koniugaty hormonów

Grupy: karboksylowa, aminowa i hydroksylowa hormonów mogą być wykorzystywane do tworzenia połączeń z cukrami, aminokwasami lub krótkimi peptydami – takie połączenia nazywamy koniugatami hormonów. Poza nielicznymi wyjątkami (dla cytokinin) koniugaty są nieaktywne biologicznie, ale przyłączenie podstawnika nie jest nieodwracalne. Odłączenie podstawnika w wyniku hydrolizy całkowicie przywraca aktywność. Tworzenie koniugatów jest jednym ze sposobów zmniejszania stężenia aktywnego hormonu, ale ma tę przewagę nad procesami degradacji, że inaktywacja hormonu w ten sposób jest odwracalna. Komórka może gromadzić pulę nieaktywnego związku i uwalniać aktywny hormon z koniugatu w razie zajścia takiej potrzeby. Powstawanie koniugatów zaobserwowano też po dodaniu egzogennego hormonu. Koniugaty mogą też pełnić rolę formy transportowej hormonów.

2)     Hormony roślinne - fitohormony

Sześć klas – w każdej klasie związki o podobnej budowie i niemal identycznej aktywności.

Auksyny, gibereliny, cytokininy, kwas abscysynowy (ABA), kwas jasmonowy (JA), etylen,

Działanie plejotropowe – jeden hormon reguluje wiele procesów. Często też jeden hormon wywołuje odpowiedzi w różnych tkankach, czy organach, bywa, iż odpowiedź na ów hormon może być tkankowo/organospecyficzna. W większości przypadków jest też tak, że dany proces jest regulowany przez więcej niż jeden hormon. Hormony różnych klas działające na dany proces mogą działać synergistycznie lub antagonistycznie. Może być tak, że dla danego procesu jeden hormon odgrywa rolę dominującą, a pozostałe – są współdziałające.

Główny podział ze względu na funkcje:

Stymulatory wzrostu:

-          auksyny, gibereliny, cytokininy

Inhibitory wzrostu:

-          ABA, etylen, JA

Podział ze względu na biosyntezę:

Pochodne aminokwasów

-          auksyny, etylen

Pochodne zasad azotowych:

-          cytokininy

Pochodne izoprenu:

-          gibereliny, ABA, cytokininy (patrz biosynteza)

Pochodne kwasów tłuszczowych:

-          JA

I.                 Auksyny

Pochodne tryptofanu.

Przykłady: IAA (kwas indolilo-3-octowy, pierwszy odkryty hormon roślinny, najpowszechniej występujący), nitryl kwasu indolilo-3-octowego, kwas 4-chloro-3-indolilooctowy. Większość auksyn to pochodne indolu, ale są też auksyny nieindolowe np. kwas fenylooctowy.

Syntetyczny analog: kwas 2,4-dichlorofenoksyoctowy (2,4-D), aktywny a stężeniach 1000x mniejszych niż IAA.

Co regulują, bądź za co odpowiadają:

-          wzrost elongacyjny (stymulują)

-          ukorzenianie (stymulują)

-          stymulacja tworzenia korzeni przybyszowych i korzeni bocznych

-          ruchy roślin – kontrola ruchów wzrostowych (często w różnych tropizmach np. fototropizm, grawitotropizm)

-          zjawisko dominacji wierzchołkowej

-          generalnie uważane za stymulatory wzrostu, ale ich aktywność stymulująca tylko dla pewnych zakresów stężeń, zakresy te są specyficzne dla danych organów (i tak np. w niskich stężeniach IAA stymuluje wzrost korzenia, ale już w nieco wyższych – hamuje). Korzenie są niezwykle wrażliwe na działanie auksyn, stężenia zewnętrznie stosowanych auksyn, optymalne dla wydłużania się koleoptyli, czy łodyg wielu roślin (ok. 10-5 moli/dm3)wywołują prawie całkowite zahamowanie wydłużania się korzeni, hamująco nie wpływają tylko bardzo małe stężenia , natomiast stężenia auksyny w zakresie 10-9 – 10-11 mola/dm3 stymulują wzrost korzeni niektórych roślin

-          do silnego wydłużania pędów niezbędna zawartość auksyn, ale też giberelin

-          regulacja różnicowania komórek

-          syntetyzowane w wierzchołkowej części liścia stymulują wzrost i rozwój tkanek przewodzących

-          starzenie się (opóźniają- np. opóźniają starzenie liści roślin drzewiastych)

-          nadmiar auksyn w pędzie stymuluje syntezę etylenu

-          hamują tworzenie warstwy odcinającej poprzedzające opadanie liści i owoców

-          są w stanie indukować tkankę merystematyczną

-          u niektórych roślin małe stężenia egzogennej auksyny stymulują kwitnienie a większe hamują, odpowiedź na auksynę silnie zależy też od etapu rozwoju kwiatu, przypuszcza się, że hamują samą indukcję kwitnienia ale z kolei stymulują morfogenezę kwiatu, po przejściu rośliny w fazę generatywną

-          małe stężenia auksyn przyspieszają a duże opóźniają starzenie się kwiatów

-          rozwój kwiatów

-          razem z giberelinami i cytokininami regulują aktywność podziałową kambium i felogenu podczas przyrostu na grubość

-          dojrzewanie owoców – stymulują rozrost zalążni razem z giberelinami, ale opóźniają – razem z giberelinami i cytokininami dojrzewanie owoców

Miejsca syntezy (generalnie – rosnące tkanki)

-          merystemy wierzchołkowe pędu i korzenia

-          młode liście, pąki, kwiaty, owoce,

Biosynteza IAA:

W niektórych procesach fizjologicznych (np. kielowanie nasion, wzrost etiolowanych siewek) układ syntetyzujący IAA wykorzystuje Trp uwalniany w wyniku hydrolizy białek, natomiast zazwyczaj wykorzystywany jest Trp z puli wolnych aminokwasów. Trp – jest jednym z produktów szlaku kwasu szikimowego.

Deaminacja, dekarboksylacja i utlenienie tryptofanu – mogą przebiegać w różnej kolejności – powstają wtedy różne metabolity pośrednie. Udział poszczególnych szlaków może być różny w zależności od gatunku, organu czy stadium rozwoju. Najważniejsza z dróg: kolejno deaminacja, dekarboksylacja, utlenianie.

Przedostatni produkt pośredni – aldehyd indolilo-3-octowy może być gromadzony w niektórych roślinach w stosunkowo znacznych stężeniach (rzędu 10-5 mol/dm3)- być może u tych roślin ostatni krok biosyntezy reguluje produkcję hormonu, jednak u roślin testowych – i aldehyd i nitryl kwasu indolilo-3-octowego są aktywnymi stymulatorami wzrostu.

Degradacja: polega na modyfikacjach łańcucha bocznego lub układu indolowego prowadzących do utraty aktywności biologicznej. Najpowszechniej występuje oksydacyjna dekarboksylacja katalizowana przez kompleks enzymatyczny nazywany oksydazą IAA, w skład którego wchodzi peroksydaza zawierająca Mn (aktywność oksydazy IAA wymaga jonów Mg2+ oraz jest modulowana przez niektóre związki fenolowe). Są też inne drogi – niedekarboksylacyjne. IAA może też ulegać fotooksydacji z rozszczepieniem pierścienia indolowego od 3-metyleno-2-oksyindolu i indoliloaldehydu.

Koniugaty:

W ich powstawaniu bierze udział grupa karboksylowa IAA.

Powstają estry glikozylowe i amidy. Pochodne estrowe częściej w jednoliściennych (zboża), amidy – w dwuliściennych. Uwalnianie auksyn z koniugatów przez hydrolizę.

Powstawanie koniugatów poznano dokładnie dla kukurydzy:

UDP-glukoza + IAA -> glukozyd IAA

Potem – transestryfikacja do estru mezo-inozytolowego, który ulega kolejnym glikozylacjom.

II.            Etylen

Jego prekursorem jest metionina.             

Co reguluje, bądź za co odpowiada:

-          wzrost elongacyjny (hamują, sprzyjają natomiast wzrostowi na grubość) (czynniki hamujące wydłużanie pędu – etylen, ABA, światło, kinetyna – stymulują jednocześnie jego grubienie)

-          dojrzewanie owoców – przyspiesza procesy dojrzewania, zwłaszcza owoce klimakteryczne wykazują zdolność do indukowanego przez sam etylen wytwarzania tego hormonu

-          starzenie się (przyspieszają) (starzejące się liście wydzielają zwiększone ilości etylenu)

-          regulacja odpowiedzi na stres

-          udział w stymulowaniu opadania liści (razem z ABA)

-          regulacja kiełkowania

-          regulacja etiolacji

-          przejście w stan spoczynku

-          stymulacja wzrostu korzenia na grubość

-          udział w tworzeniu aerenchymy

-          hamuje kwitnienie wielu roślin dnia krótkiego

-          przyspiesza więdnięcie kwiatów (wrażliwość na etylen zależy także od stadium rozwojowego kwiatu i zazwyczaj zwiększa się w miarę dojrzewania i starzenia się kwiatów)

Miejsce syntezy:

-          prawdopodobnie we wszystkich żywych komórkach

Biosynteza:

Metionina nie pochodzi z białek komórkowej tylko z puli wolnej metioniny.

Kluczowy produkt pośredni to S-adenozylometionina (SAM)

Powstawaniu etylenu towarzyszy powstawanie równomolowej ilości cyjanowodoru.

Bezpośredni prekursor etylenu – ACC (kwas 1-amino-cyklopropano-1-karboksylowy)

Aktywność kluczowego enzymu szlaku biosyntezy etylenu – syntazy ACC jest pod kontrolą innych hormonów: IAA indukuje syntezę tego enzymu - stymulacja produkcji etylenu, ABA – przeciwdziała. Zatem – mamy tutaj swego rodzaju ujemne sprzężenie zwrotne. Sygnał stymulujący (auksyna) indukuje wzrost syntezy sygnału hamującego. Inny sygnał hamujący hamuje syntezę etylenu.

Droga biosyntezy etylenu zawiera wspólny odcinek ze szlakiem biosyntezy grupy substancji wzrostowych – mianowicie z SAM mogą powstawać aminy biogenne (są to poliaminy – związki alifatyczne zawierające kilka grup aminowych) np. putrescyna, spermina, spermidyna. Poliaminy wykazują wielokierunkową aktywność biologiczną, występują i są aktywne w stężeniach znacznie większych niż hormony.

Oksydaza ACC związana z tonoplastem.

Ujemne sprzężenie zwrotne – etylen hamuje oksydazę ACC a stymuluje malonylotransferazę ACC.

Degradacja: utlenienie do tlenku etylenu, a potem glikolu etylenowego.

Nie tworzy koniugatów. Ale może je tworzyć jego prekursor – ACC – amid z kwasem malonowym – (malonylo-ACC, MACC). Powstawaniu MACC sprzyja zahamowanie syntezy etylenu. Hydrolizę MACC do ACCC stwierdzano sporadycznie, stąd nie uważa się MACC za „rezerwuar” etylenu.

III.       Gibereliny

Pochodne izoprenu.

Liczna rodzina – do tej pory poznano ponad 80. Pierwszą giberelinę (kwas giberelowy) obecnie nazywaną GA3 odkryto... u grzyba Gibberella fujikuroi, który wywoływał powstawanie narośli na zakażonych roślinach – dlatego właśnie, że syntetyzował substancję będącą hormonem roślinnym, która stymulowała wzrost tkanek.

Pochodne diterpenu ent-giberelanu. Zawierają trójpierścieniowy układ gibanu. Różnią się między sobą: stopniem utlenienia, obecnością lub brakiem pierścienia laktonowego, podstawnikami itp. Mają podobną aktywność biologiczną.

Za główne gibereliny roślin wyższych uważa się: GA1...