biotechnologia


 
 

Inwertazy

Inwertazy (EC 3.2.1.26; beta-fruktozydazy;beta-fruktofuranozydazy; INW) katalizują nieodwracalną hydrolizę sacharozy do glukozy i fruktozy począwszy od reszty fruktozowej. Rośliny posiadają trzy rodzaje inwertaz, które ze względu na rozpuszczalność, optimum pH, punkt izoelektryczny i umiejscowienie podzielić można na kwaśne – związane ze ścianą komórkową i wakuolarne, oraz neutralne (alkaliczne) występujące w cytoplazmie. Lokalizację i główne funkcje inwertaz przedstawia rys.1.


Rys.1. Główne funkcje i lokalizacja inwertaz roślinnych [wg. 116, zmienione]. CWIN-inwertaza ściany komórkowej;CIN-inwertaza cytoplazmatyczna;VIN-inwertaza wakuolarna

* inwertazy kwaśne: - spokrewnione ewolucyjnie z inwertazami drożdży i bakterii;
- N-glikozylowane, o m.cz. 55-70 kDa;
- hamowane przez Hg2+ i Ag2+ blokującymi grupy sulfhydrylowe w miejscu katalitycznym enzymu, oraz przez glukozę i fruktozę;
- rozkładają też inne oligosacharydy zawierające fruktozę, np. stachiozę i rafinozę.

** związane ze ścianą komórkową – CWIN
- nierozpuszczalne;
- optimum pH 3,5-5,0;
- zasadowy punkt izoelektryczny u związanych jonowo ze ścianą; kwasowy u kilku niezwiązanych jonowo;
- regulują dystrybucję sacharozy; utrzymują gradient jej stężenia pomiędzy tkankami „source” a „sink”; są najważniejsze w rozładowywaniu floemu, czyli przejścia asymilatów z rurek sitowych do tkanek akceptora;
- regulują rozwój nasion i pyłku; ich represja w pyłku tytoniu dowiodła istnienia związku pomiędzy aktywnością tych enzymów a efektywnością kiełkowania pyłku; funkcją ich jest nie tylko zapewnienie dostawy węglowodanów w celu podtrzymania wzrostu, ale też utrzymanie równowagi pomiędzy sacharozą a heksozami będącymi sygnałami regulującymi rozwój pyłku;
- odpowiadają na zranienie i infekcję przez patogeny;
- regulowane przez wszystkie klasy fitohormonów, pośredniczą więc w roślinnej odpowiedzi hormonalnej;
- indukowane przez biotyczne i abiotyczne bodźce stresowe, są zatem nie tylko modulatorami rozdziału asymilatów, ale też ważnym składnikiem odpowiedzi na warunki stresowe.
** wakuolarne – VIN
- rozpuszczalne;
- optimum pH 5,0-5,5;
- obojętny punkt izoelektryczny;
- kontrolują skład cukrów w owocach i organach magazynujących;
- odpowiadają za osmoregulację i powiększanie komórek;
- odpowiadają na stres suszy, niedotlenienie, grawitropizm, zranienie
- ich ekspresja jest wrażliwa m.in. na cukry, hormony, bodźce środowiskowe, mogą więc modulować odpowiedzi na różne czynniki np. wpływ grawitacji i kwasu indolilo-3-octowego (IAA) na wzrost łodyg, cytokinin i IAA na rozrost tumorów, suszy i kwasu abscysynowego na poziomy heksoz w liściach, zimna na scukrzanie w bulwach i owocach;
- ważne w dostosowaniu rozrodczości do warunków stresu i ograniczenia zapasów, kiedy wczesny zanik pewnej ilości owoców lub nasion może pozwolić przetrwać innym.

* inwertazy alkaliczne/neutralne:
** cytoplazmatyczne – CIN
- rozpuszczalne, nieglikozylowane, homotetramery o m.cz. 54-65 kDa;
- optimum pH 6,8-8,0;
- obojętny punkt izoelektryczny;
- hydrolizują tylko sacharozę, nie są więc fruktofuranozydazami;
- hamowane przez glukozę, fruktozę, ale nie przez jony metali ciężkich;
- służą celom katabolicznym ,kontrolują poziom sacharozy i heksoz w cytoplazmie.

Obecność szeregu izoform inwertaz jest fizjologicznie korzystna, ponieważ optymalizują one metabolizm sacharozy, kontrolują jej dystrybucję (ang. partitioning) i magazynowanie wewnątrz różnych komórek rośliny, będącej na różnych etapach rozwoju i poddanej działaniu zróżnicowanych warunków środowiska.


Inwertazy a hormony roślinne

Aktywność inwertaz regulowana jest przez fitohormony, co wiąże się z podwyższonym zapotrzebowaniem na węglowodany konieczne do wzrostu rośliny. Ich aktywność regulują też inne czynniki np. grawitacja, światło, temperatura, zranienie, infekcja przez organizmy patogenne, stres wodny.

Redystrybucja auksyn w zawartych w amyloplastach kukurydzy, komórkach odbierających bodźce grawitacyjne (ang. pulvinal cells) wywołuje asymetryczny wzrost aktywności kwaśnej inwertazy. Ma to zasadniczą rolę w wytwarzaniu asymetrycznej akumulacji heksoz, doprowadzając do różnicowego wzrostu komórek charakterystycznego dla odpowiedzi na grawitację. Podobnie, stymulowana grawitacją redystrybucja auksyn wiąże się z asymetryczną indukcją mRNA inwertaz owsa.

Indukowany przez cytokininy wzrost komórek może być „dostrajany” względem dostępności węglowodanów poprzez „wyczuwanie” (ang. sensing) poziomu cukrów. Cykliny typu D, niezbędne do przejścia pomiędzy fazą G1 a S cyklu komórkowego, regulowane są przez cukry i cytokininy. Wskazuje to na powiązanie cytokinin, poziomu cukrów i inicjacji podziałów komórkowych podczas wzrostu tkanek.


Rys.2. Udział inwertazy ściany komórkowej (CWIN) w regulacji cyklu komórkowego

Cytokininy indukują też ekspresję inwertaz ściany komórkowej (CWIN). Tkanki z podniesioną aktywnością CWIN zawierają wyższe stężenia cytokinin. Enzymy te rozkładają sacharozę, a powstająca glukoza, jak i sama sacharoza poza tym, że są metabolizowane w komórkach "sink", indukują dwie cykliny przyczyniając się do proliferacji komórki. Doprowadza to zatem do wzrostu i jednocześnie opóźnia starzenie się komórek. Gdy aktywność CWIN jest zahamowana, cytokininy nie spełniają swojej roli najlepiej, czyli uruchomienie przez inwertazy substancji odżywczych jest niezbędne do prawidłowego przebiegu tego mechanizmu. Ekspresja CWIN może zastępować działanie cytokinin. Wykazano, że te enzymy metaboliczne wpływają równorzędnie na procesy regulowane przez fitohormony.
Badania nasion roślin strączkowych wykazały związek wysokiej aktywności CWIN i wynikającego stąd wysokiego poziomu heksoz z aktywnością mitotyczną zarodków. Wskazuje to, że cukry funkcjonują nie tylko jako składniki odżywcze, ale są również w obrębie danych tkanek, sygnałami do podtrzymania ich aktywności mitotycznej w fazie różnicowania.
Zwiększanie aktywności CWIN przez cytokininy, ma zatem podwójną funkcję - dostarcza węglowodanów do aktywnego wzrostu tkanek, oraz generuje sygnały stymulujące cykl komórkowy. Zapewnia to, że proliferacja komórek jest inicjowana tylko wtedy, gdy ilość węglowodanów pokrywa zapotrzebowanie aktywnie dzielących się komórek na substancje odżywcze.
Cytokininy regulują też przejście z fazy G2 do fazy M cyklu komórkowego. Komórki Nicotiana plumbaginifolia pozbawione egzogennych cytokinin pozostają w fazie G2 i zawierają nieaktywną kinazę CDK (zależna od cyklin, uwalnia czynniki transkrypcyjne). Inicjacja podziałów komórkowych wymaga posttranslacyjnej aktywacji CDK, polegającej na defosforylacji tyrozyny. Jest to główny mechanizm działania cytokinin na tym etapie. U Chenopodium rubrum, hormony te wywołują skoordynowaną indukcję CWIN i transporterów heksoz, co doprowadza do zwiększonego poboru tych cukrów.

Dodanie brasinosteroidów do hodowli komórek Lycopersicon peruvianum, podnosi aktywność jednej z czterech izoform inwertazy ściany komórkowej - Lin6. Nie wpływa natomiast na pozostałe izoformy tego enzymu, ani na inwertazy wakuolarne, czy też cytoplazmatyczne. Indukowany przez brasinosteroidy wzrost strefy elongacyjnej hipokotylu tych roślin wiąże się z tkankowo-specyficzną akumulacją mRNA Lin6 - kluczowego enzymu apoplastycznego szlaku rozładunku floemu, warunkującego zwiększony dopływ asymilatów do rosnących komórek "sink". Brasinosteroidy nie tylko indukują wzrost komórek, ale również podnoszą dostawę cukrów poprzez indukowanie CWIN Lin6. Inwertaza ta indukowana jest również przez cytokininy, elicytory, zranienie i glukozę. Kodujący ją gen odpowiada zatem za modulowanie relacji "sink"-"suorce" w odpowiedzi na bodźce egzo i endogenne. Analogiczne czynniki regulują aktywność izoformy inwertazy ściany komórkowej Cin1 Chenopodium rubrum.
Stres wodny powoduje silną indukcję aktywności wakuolarnej inwertazy liści kukurydzy, oraz wzrost stężenia glukozy i fruktozy. Jest to wynikiem wzmocnionej ekspresji genu Inv2. Nie dotyczy to genu żadnej innej inwertazy. Nie wzrasta też aktywność syntazy sacharozy ani stężenie sacharozy. W soku z ksylemu tych roślin podwyższona jest zawartość kwasu abscysynowego (ABA). Hormon ten przekazuje informację z odbierających bodziec stresowy korzeni do liści, stymulując ekspresję i aktywność IVR2 w tych dwóch organach. Jest to odpowiedź organo-specyficzna, ponieważ nie wykryto podobnych zależności w przypadku np. zalążni. ABA podnosi też aktywność Inv-CW w tkankach nasion awokado.

Kwas giberelinowy (GA3) podnosi aktywność inwertazy w wielu organach np. w łodygach trzciny cukrowej, czy w korzeniach buraka. Ekspresja CWIN łodygi Pisum sativum indukowana jest przez GA3 na poziomie transkrypcyjnym i/lub translacyjnym.

Etylen obniża aktywność enzymów związanych z aktywnym wzrostem rośliny np. CWIN, faworyzując te, które są niezbędne do dojrzewania owoców. Obniża też poziom mRNA CWIN CIN1 Chenopodium rubrum, redukując jednocześnie jej aktywność.


Inwertazy ściany komórkowej jako białka PR, związane z patogenezą

Jedną z reakcji rośliny na atak patogena, poza aktywacją odpowiedzi obronnych takich jak synteza białek związanych z patogenezą (ang. pathogenesis-related proteins; PR), jest wzmożona aktywność inwertaz ściany komórkowej (CWIN). Nadekspresja drożdżowej inwertazy w apoplaście rośliny, powoduje wzrost odporności na infekcję wirusową i zwiększa ekspresję białek PR.
Wiele genów związanych z patogenezą, jak np. kodujących białka PR, indukowanych jest także przez cukry. W interakcjach roślina - patogen uczestniczą również fitohormony. Wpływają one na ekspresję wielu genów związanych z obroną rośliny. Z tego względu, regulacyjny wpływ fitohormonów na inwertazy, może przyczyniać się do odpowiedzi rośliny na patogena. Fakt, że CWIN indukowane są przez cukry, stanowi pozytywne sprzężenie zwrotne, w którym up-regulacja CWIN może zwiększać zapotrzebowanie struktur sink na węglowodany i tym samym stężenie cukrów, co w dalszej kolejności indukować będzie geny białek PR, a hamować geny zaangażowane w fotosyntezę.
Aktywacja kaskady reakcji obronnych wymaga dodatkowej energii. Dlatego zlokalizowany wzrost zapotrzebowania struktur „sink” na węglowodany, wywołany zwiększoną aktywnością inwertaz, może zaspokajać zapotrzebowanie na cukry jako źródło energii dla tkanek zaatakowanych przez patogena. Poza wzrostem poziomu cukrów może to również generować sygnały metaboliczne, indukujące ekspresję genów związanych z obroną i hamować fotosyntezę. W związku z przedstawionymi powyżej zależnościami, Roitsch stwierdza, że CWIN należy traktować nie tylko jako enzymy metaboliczne, ale również jako białka PR.


Rys.3. Udział inwertazy ściany komórkowej (CWIN) w interakcjach roślina-patogen


Marta Muszyńska


Literatura:
1. Liu C-C., Huang L-C., Chang C-T., Sung H-Y. (2006) „Purification and characterization of soluble invertases from suspension-cultured bamboo (Bambusa edulis) cells” Food Chemistry 96:621-631
2. Roitsch T., Balibrea M.E., Hofmann M., Proels R., Sinha A.K. (2003) „Extracellular invertase: key metabolic enzyme and PR protein” Journal of Experimental Botany 54/382:513-524
3. Roitsch T., González M-C. (2004) „Function and regulation of plant invertases: sweet sensations” Trends in Plant Science 9/12:1360-1385
4. Trouverie J., Chateau-Joubert S., Thévenot C., Jacquemont M-P., Prioul J-L. (2004) „Regulation of vacuolar invertase by abscisic acid or glucose in leaves and roots from maize plantlets” Planta 219:984-905
5. Trouverie J., Thévenot C., Rocher J-P., Sotta B., Prioul J-L. (2003) „The role of abscisic acid in the response of a specific vacuolar invertase to water stress in the adult maize leaf” Journal of Experimental Botany 54/390:2177-2186
6. Vargas W., Cumino A., Salerno G.L. (2003) „Cyanobacterial alkaline/neutral invertases. Origin of sucrose hydrolysis in the plant cytosol?” Planta 216:951-960
7. Rolland F., Moore B., Sheen J. (2002) „Sugar Sensing and Signaling in Plants” The Plant Cell S185-S205
8. Sturm A. (1999) „Invertases. Primary Structures, Functions, and Roles in Plant Development and Sucrose Partitioning” Plant Physiology 121:1-7
9. Koch K. (2004) „Sucrose metabolism: regulatory mechanisms and pivotal roles in sugar sensing and plant development” Current Opinion in Plant Biology 7:235-246
10. Kerong Z., Diederich L., John P.C.L. (2005) „The Cytokinin Requirement for Cell Division in Cultured Nicotiana plumbaginifolia Cells Can Be Satisfed by Yeast Cdc25 Protein Tyrosine Phosphatase. Implications for Mechanisms of Cytokinin Response and Plant Development” Plant Physiology 137:308-316
11. Hashizume H., Tanase K., Shiratake K., Mori H., Yamaki S. (2003) „Purification and characterization of two soluble acid invertase isozymes from Japanese pear fruit” Phytochemistry 63:125-129
12. Goetz M., Godt D.E., Roitsch T. (2000) „Tissue – specific induction of mRNA for an extracellular invertase isoenzyme of tomato by brassinosteroids suggests a role for steroid hormones in assimilate partitioning” The Plant Journal 22(6):515-522
13. González M-C., Roitsch T., Cejudo F.J. (2005) „Circadian and developmental regulation of vacuolar invertase expression in petioles of sugar beet plants” Planta 222: 386-395


Komentarze

Widok Uszereguj
Tylko zarejestrowani mogą dodawać komentarze. Zarejestruj się/Zaloguj

Podręcznik biotechnologii

Kto jest online

217 gości oraz 0 użytkowników online.

Jesteś niezarejestrowanym lub niezalogowanym użytkownikiem.


 

Facebook

Gadżety

Sklep e-biotechnologia.pl
Tematyczne kubki, koszulki, bluzy etc.


Zapraszamy do sklepu

Na skróty

Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego Narodowe Centrum Nauki Narodowe Centrum Badań i Rozwoju Ośrodek Przetwarzania Informacji PAP - Nauka w Polsce Forum Akademickie Fundacja na rzecz Nauki Polskiej Wirtualna Biblioteka Nauki Scopus NCBI PubMed Nature Science Cell

 
 
Partnerzy:

laboratoria.net Nauka w Polsce Academio Fundacja NanoNet BioCen - BioCentrum Edukacji Naukowej Notatek.pl cebioforum.com materialyinzynierskie.pl Wspieram.to - POLSKI KICKSTARTER - Polska platforma finansowania społecznoœciowego.Tu zrealizujš się Twoje pomysły. VitaInSilica Portal popularnonaukowy

Portal: Redakcja . Współpraca . Kontakt . Polecamy



Wszystkie prawa zastrzeżone 2006-2016 e-biotechnologia.pl
stat4u