Курстық жұмыс: Биология | Антиоксидантты ферменттер және ДНҚ-ның тотығу арқылы зақымдануы

МАЗМҰНЫ
РЕФЕРАТ ……………………………………………….. ……………………………………… … 3

КІРІСПЕ………………………………………………… ……………………………………… … …4

1 ӘДЕБИЕТКЕ ШОЛУ

1.1 Оттегінің белсенді түрлерінің химиясы………… ……………………………….. 5
1.2 Тотықтырушы қопарылыс және өсімдікке тән басқа да реакциялар……………………………………………………………………………………………..10
1.4 Супероксиддисмутаза изоферментінің функциясы………………………….13
1.3 ДНҚ-ның тотыға зақымдалу механизмінің негіздері………………………17
1.5 Тотыға зақымдалған ДНҚ-ның репарациясы………………………………….19 1.6 BERрепарациясының ферменттері……………………………………… …………20
ҚОРЫТЫНДЫ ……………………………………………….. ……………………………………23
ПАЙДАЛАНҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ………………………………………………24
ӘДЕБИЕТКЕ ШОЛУ

1. Оттегінің белсенді түрлерінің химиясы
Өсімдіктер өздерінің тіршілік кезеңі барысында қоршаған ортаның әртүрлі қолайсыз ықпалдарына қарсы тұруы тиіс. Осыған байланысты олардың бойында өсімдік организмін биотикалық және абиотикалық қолайсыз жағдайлардан қорғауға бағытталған кең ауқымды бағдарламалар пайда болып, дамыды. Өсімдіктердің потогенді (ауру тудырғыш) бактериялармен , саңырауқұлақтармен және вирустармен зақымдалуы олар үшін ең қауіпті жағдайлардың бірі болып табылады /1/.
Микроорганизмдерді өсімдіктерге ендіргеннен кейін олар, патогендердің көбеюін шектеу мен жою мақсатында бір немесе бірнеше қорғаныс механизмдерін іске қосуы мүмкін /2/. Клетка қабырғаларының қалыңдауы, фитоалексиндердің түзілуі және антимикробиотикалық белоктардың жиналуы сияқты жалпы қорғаныстық реакцияларды жүзеге асырады. Бұл реакциялардың уақыт пен кеңістік аралығында реттелуі ие организммен патоген арасындағы қарым-қатынастың нәтижесін қамтамасыз етуде шешуші фактор болып табылады (организм не микроорганизмнің ықпалына душар болып, беріледі, не оған қарсы әрекет етеді) /3/. Көп жағдайда, бұл реакциялар зақымдалған ошақта бірнеше клеткалардың өлімге ұшырауымен байланысты болады (гиперсезімталды жауап). Қорғаныстық реакциялардың жүре бастауы үшін не организмге енген патоген арқылы түзілген, не өсімдіктің клеткалық қабырғаларынан босап шыққан белгі бергіш молекулалардың қабылдануы қажет. Мұндай молекулалар «элиситерлер» (ағылш . elicit-қоздырып-шақыру, шығарып алу) деп аталады, олардың кейбі-реулері олигосахаридтер, белоктар және пептидогликандар ретінде иденти-фикацияланады /4/. Бұл элиситерлер ие организм –микроб түріндегі белгілі бір өсімдік жүйесі үшін арнайы түрдегі молекулалар болуы мүмкін, немесе арнайы емес сипаттағы молекулалар түріндегі, мысалы, өсімдіктердің клеткалық қабырғаларының бөліктері немесе өсімдік организміне енген патогеннің клеткалық бөлшектері ретінде болуы мүмкін.
Өсімдіктердің суспензия-культурасы ортасында қорғаныстық реакция-ларды тудыру үшін элиситер молекулаларының қоспасы қолданылған жағдайда , қорғаныс жауабының негізінен клетка қабырғасының бетінде жүзеге асатын , жылдам, тез жүруші процесстерден тұратын жаңа жақтары анықталады. Реакциялардың ішінде мынадай түрлері идентификцияланады : Оттегінің белсенді түрлерінің (ОБТ) босатылуы (тотыұтырушы қопарылыс, ТҚ) /5/; клеткадан тыс рН мәнінің, мембрандық потенциалдардың, иондар қозғалысының өзгеріске ұшырауы /4/; белоктарды фосфарлау моделінің өзгеруі /6/; клеткалық қабырғаның белоктық бөліктерінің тотыға иммобилизациялануы /3/.
Клеткалардың көпшілігі ОБТ-рін өндіруге және бейтараптауға қаблетті келеді. Қалыпты жағдайда ОБТ клеткада молекулалық оттегінің (О2) бір электрондық тотықсыздануы нәтижесінде міндетті түрде түзіліп отыратын қосымша өнім ретінде кездеседі. Сонымен қатар, клеткадағы ОБТ деңгейінің мүмкіндігінше ең төмен болуын қамтамассыз ету үшін көптеген клеткаларда арнайы қорғаныстық механизмдер болады.
Сүтқоректілерде ОБТ өндіру реакциясы жүретіні бізге 30 жылдан астам уақыттан бері белгілі (фагоциттердегі респираторлық жарылу) өсімдіктерде бұл құбылыс едәуір кеш анықталады /7/. Жуық арада жаряланған жұмыстардың нәтижесі бойынша ОБТ тек организмдерге енген патогенге қарсы қорғаныс құралы ретінде ғана қызмет атқарып қоймай, өсімдіктердің бұдан кейінгі қорғаныстық реакцияларын, сонымен бірге, зақымдалған клеткалардың гиперсезімталды жауабын белсендіруші сигнал болып табылады /8/.
ОБТ молекулалық оттегінің белгілі бір ретпен тотықсыздануы барысында түзелетін (1- cхема) : супероксид (О2*), сутегі пероксиді (Н2О2), және гидроксил радикалы (ОН*) өнімдері. Бұл қосылыстар стреске ұшырамаған клеткалардың митохондриялары мен хлоропластарындағы жүретін тотығу-тотықсыздану реакциялары нәтижесінде аз мөлшерде түзіледі.

1-схема

(а)
(б)

2 О2Н Н2О2 +О2
2 О2Н + О2- + Н+ Н2О2 + О2
2 О2-+2Н+ Н2О2+О2
О2* түзілу үшін энергия аз мөлшерде жұмсалады. Тірі клеткалардағы супероксидтің мөлшері оның протондалған түрі гидропероксил радикалдың (О2Н*) мөлшерімен бірдей болады. Гидропероксил радикалы супероксидке қарағанда анағұрлым гидрофобты келеді және мембраналардың липидті қабаттары арқылы оңай енеді. рН-мәні физиологиялық болған жағдайда супероксид клетканың макромолекулаларымен әлсіз түрде әрекеттеседі. рН мәні бейтарап немесе әлсіз сілтілі болған жағдайда супероксидте, гидропероксил радикалы да Н2О2 және О2 ыды-райды (2-cхема /1). Бұл реакция кенеттен жүруі мүмкін, сондай-ақ супероксиддисмутазаның (СОД) қатысуыменде жүреді.
Н2О2 салыстырмалы түрде алғанда тұрақты ОБТ болып табылады. Н2О2 реакцияға түсу қаблеті жоғары емес. Ол электрлік тұрғыдан алғанда бейтарап бола отырып, клеткалық мембраналар арқылы еніп, Н2О2 түзілген аймақтан алшақ жатқан жерлерге жетуге қаблетті келеді. Өсімдік клеткаларында жаңадан түзілген Н2О2 мынадай өзгерістерге ұшырауы мүмкі: 1) өздігінше кенеттен немесе каталазаның қатысуымен су және оттегіге ыдырайды (2-cхема /2); 2) әртүрлі пероксидазалар үшін субстрат ретінде болуы мүмкін, мысалы, лигниннің түзілуін құрлымдық тұрғыдан тежейтін феноксил радикалдарының түзілуі үшін субстрат болып келеді (2-cхема/3); 3) дегидроаскорбатредуктазамен және глутатион-редуктазамен бірлесіп әсер ететін аскорбат пероксидаза көмегімен зияндылығы жойылуы мүмкін (халливела –Асада жолы) (2- cхема /5). Белгілі бір жағдайда,тотықсыздандырғыш болған кезде, Н2О2 пероксидазалар арқылы Compound III (Fe11-О-О,2-cхема /4) түзілуін қамтамассыз ететін реакциялардың ретті тізбегіне айналуы мүмкін
Гидроксил радикалы бұл жұмыста аталған ОБТ ішінде реакцияға түсу қаблеті ең жоғары болып келетін түрін құрайды. Ол Н2О2 мен О2* өзара әрекеттесуі нәтижесінде пайда болуы мүмкін (2- cхема /6). Қалыпты клеткаларда бұл реакция баяу жүреді және ОН* көп мөлшерде өндірілуі үшін тиімсіз болып табылады /9/. Бірақ, Fe2+ немесе Cu+ сияқты транзиттік металлдардың тотығуынан (Фентон реакциясы) (2- cхема /7) және бұл тотыққан иондардың супероксидтің қатысуымен тотықсызданған түрлеріне дейін регенерациялануынан тұратын реакциялар циклы барысында ОН* айтарлықтай көп мөлшерде түзіледі (2- cхема /8). ОН* радикалдық тізбекті реакцияларды бастауға қаблетті болғандықтан, ол клеткалық макромолекулалардың қайтымсыз өзгерістерге (модификацияға) ұшырауына және органеллалардың зақымдалуына жауапты болып келетін негізгі ОБТ ретінде саналады /10/. ОН* бос күйінде болуы шамамен 0,000000002 сек тең болғандықтан оны көзбен көру және оның патоген-өсімдік қарым-қатынасындағы рөлін анықтау сәтсіз аяқталды. N-ацетилхит-олигосахаридті элиситермен өңделген күріштің (Oryza sativa) суспензиялық культура клеткаларына жақында ғана жүргізілген тәжірибелер нәтижесінде, бұл модельдік жүйеде ОН* түзілетіні анықталды /9/.
Өсімдік клеткаларының көптеген жануар жүйелерінен ерекшелігі , олар ОБТ негізінен алғанда Н2О2 түрі үнемі ,айтарлықтай көп мөлшерде өндіруге қаблетті келеді, бұл процесс әдетте клетканың экстрацеллюларлық компар-таментімен байланысты болады және ол гормондар жарық сәулесі, механикалық зақымданулар сияқты әртүрлі фактолар арқылы реттеледі. Н2О2 лигнификация процесіне ұшырайтын клеткаларда кездеседі, мысалы, трахеялық (түтікше) элементтерден және флоэма талшықтарынан көруге болады, ал тез ұзарушы клеткалардың клеткалық қабырғаларында әдетте болмайды; механикалық стреске шалдығып зақымдалған клеткаларда Н2О2 қарқынды түрде өндіріледі.

2-схема.

Каталаза (2)
H2O2+ Н2О2 2Н2О2+О2

Пероксидаза
(3)
Peroxidase (Fe3)+H2O Compound I
Compound I+RH2 Compound II + RH
Compound II + RH2 Peroxidase (Fe3+) + RH

Generation of H2O2 (4)
RH + O2 O2- +RH
Peroxidase + O2- Compound III
Compound III + RH2 Peroxidase (Fe3+) + RH
2 O2- 2H H2O2 +O2
RH2 + O2- RH +H2O

Halliwell-Asada циклы:

H2O2 Ascorbate GSSG NADPH

Ascorbate Dehydroascorbate Glutathione
Peroxidase reductase reductase (5)

H2O

Haber-Weiss реакциясы:
(6) H2O2+ .O2→.ОН+ОН-+О2

Fenton реакциясы:

(7) H2O2+Fe2+(Cu+)→ Fe3+(Cu2+)+ OH-+O2

(8) .O2+ Fe3+(Cu2+)→ Fe2+(Cu+)+ О2
Тотықтырушы қопарылыс дегеніміз, сырттан түрткі болған факторларға жауап ретінде ОБТ көп мөлшерде, жылдам өндірілуі болып табылады /7,12,16/. ОБТ өндірілу жайында алғашқы мәліметтер 1983 жылы пайда болды, бұл мәліметтер бойынша картоп түйіндеріне (Solanum tuberosum) өзімен сәйкес келмейтін Phytophthora infestans тұқымын өндіріп өсірген (инокуляциялаған) жағдайда картоп түйіндері супероксид түзе бастайды /12/. Бұл реакция сондай-ақ потогенді микроорганизмдермен зақымдалған өсімдіктерде және элиситерлік препараттармен, қоздырғыштың бөліктерімен өңделіп немесе механикалық стреске ұшыратылып өсірілген клеткаларда да байқалады. Көптеген мәліметтер бойынша, тотықтырушы қопарылысқа қатысатын негізгі ОБТ — Н2О2 болып табылады, О2* қатысуы да мүмкін. Н2О2
мен О2* түзілуі химиялық тұрғыдан алғанда ұқсас келеді, сондықтан тотықтырушы қопарылыстағы СОД (NN-диэтилдитиокарбамат) ингиби-
торының әсерінен бұзылатындықтан, Н2О2 СОД қатысуымен О2*-нен түзіледі деген болжам бар /13/.
ОБТ өнімдерінің кенеттен жоғарлауы әдетте жылдам түрде өтеді, сондай-ақ, әр-түрлі зиянды факторларды пайдаланған жағдайда зерттеліп жатқан түрлі жүйелерде өзгеше болады. Суспензиялық –культура клеткаларында реакция әдетте, ортаға элиситерлерді қосқаннан кейін 1-2 минут өткен соң басталып, бірнеше минуттан кейін ең жоғарғы шегіне жетеді де элиситер-леудің бсталғанына 30-60 минут болғанда аяқталады /16,12/. Тотық-тырушы қопарылысты зерттеу үшін өсімдіктің бөліктерін пайдаланған кезде реакция айтарлықтай кеш байқалды: элиситерлеуден кейін 8-12 сағатта басталып /37,45/, 2-4 сағаттан соң ОБТ түзілуінің айқын белгілері көрінді /14/ Мұны салат-латук өсімдігіне әйкес келмейтін Pseudomonas syringеae тұқымын инокуляциялағаннан кейін 5 сағат өткен соң салат-латук өсімдігі in-vivo жағдайында Н2О2 өндіретінінің анықталғандығы растай түседі /8/. Басқа мәліметтердің хабарлауынша, қиярдың (Cucumis sativus) кутикуласын алып тастап, гипокатиль аймағын не салицил қышқылымен (СҚ) не 2,6-дихлороизоникотин қышқылымен (ИНҚ) өңдеу арқылы қиярдың гипоко-тилінде жылдам жүретін реакцияны тудыруға болады, салицил қышқылы мен 2,6- дихлороизоникотин қышқылы тіршілік ету барысында пайда болатын жүйелі төзімділіктің индукторлары болып табылады /15/. Мұндай гипокотильдерде Н2О2 өндірілуі элиситерлеуден кейін 20 минут өткеннен соң аяқталады, бұл суспензиялық культура клеткаларында байқалатын өзгеріске ұқсас келеді.
Гипокотильдерді алдын-ала өңдеудің әсері циклогексимидті немесе пуромицинді қосқан жағдайда толық тежеледі, яғни бұл процесте белоктың түзілуі қатар жүріп отыруы қажет /16/. Гипокотильдерді олиго-1,4-Д-галактуронидтермен өңдеген жағдайда да нақ осындай өзгеріс байқалады /49/. Осыған ұқсас басқа да зерттеу жұмыстарының нәтижесі бойынша соя өсімдігінде қорғаныс реакцияларын тудыруға қажетті болып табылатын, «элиситерлеуге ықпал етуші факторлар» болады. Суспензиялық культура клеткаларында араластыру нәтижесінде олар механикалық түрткіге үнемі ұшырап отыратындықтан, «алдын-ала өңдеуден туатын жер» бұл жүйелерге онсыз да тән қасиет болуы мүмкін. Суспензиялық культура клеткаларын алдын-ала салицил қышқылымен өңдеген жағдайда тотықтырушы қопарылыстың ұзақтығы өзгермейтіні, ал ОБТ түзілуі күшейе түсетіні назар аударарлық. Әртүрлі өсімдіктер жүйесінде әртүрлі элиситерлердің тотық-тырушы қопарылыс тудыру қаблетіне қарай отырып, өсімдік жүйелерін салыстырған кезде ОБТ өндірілуінің қарқындылығында және көріну уақы-тында айтарлықтай айырмашылық байқалады. Соя өсімдігінің суспензиялық культура клеткаларында олиго-1,4-Д-галактуронид ықпалынан туған тотықтырушы қопарылыс Verticillum dahliae құрамынан алынған таза емес элиситерлермен ө нуден туатын тотықтырушы қопарылысқа өте ұқсас болып шықты. Аталған элиситердің белоктық бөлігі емес көмірсутектік бөлігі. Н2О2 өндірілуін тудыруға жауап беретіні анықталды /10/. Темекі (Nicotiana tabacum) клеткаларында өзгеше құбылыс байқалады, бұл өсімдіктерде Phytoptora parasitica құрамынан алынған таза емес күйдегі элиситер әсеріне тотықтырушы қопарылыс пайда болмайды, ал криптогеин (темекі үшін патогенді емес Phytoptora parasitica культуралық ортасынан алынған белок) ол өсімдіктерде ОБТ генерациясын тиімді түрде индукциялайды /12/.Барлық тұқымдас өсімдіктердің суспензиялық культура клеткаларына әртүрлі төрт элиситердің әсер етуі сыннан өткізілді. Уақытқа байланысты көрсеткіштері жуық шамамен алғанда бірдей болғанына қарамастан, реакциялардың қарқындылығында үлкен айырмашылықтар байқалады.Colletotrichum lindemuthianum клеткалық қабырғасынан алынған тазаланбаған күйдегі элиситерлі препарат тотықтырушы қопарылысты ен күшті индукциялайды. Бұл элиситерлерді бидайдың ұрықтық агглютинімен өңдеген жағдайда, оның белсенділігі төрт есе төмендеді, бұл жағдай индукция процессінде N-ацетил-глюкозогендік қалдықтардың маңызды екенін білдіреді. Бірақ элиситерлеу үшін хотинді немесе хитозанды олигомерлерді қолданған жағдайда тотықтырушы қопарылыстың қарқындылығы тек 10 % -ға жетті, және таза-ланбаған күйдегі элиситердің әсерінен туатын тотықтырушы қопарылыстың қарқындылығынан төмен болып шықты, яғни мұндай реакцияларды индукциялауға қажет болып табылатын басқада компаненттер бар /17/.
Барлық жағдайларда егер, сырттан келіп отыратын тотықсыздандырғыш болмаса ОБТ өндіруші ешқандайда байқалмайды. Сәбіз протопластына тотықсыздандырғыш қоспай, оны Pythium aphanidermatum културасынан алынған элиситермен өңдеген жағдайда тотықтырушы қопарылыс байқалмайды, бірақ иондардың қозғалысы және 4-гидробензой қышқылының түзілуі сияқты элиситер әсерінен туатын басқа реакциялар байқалады /16/.

1.7.1 Тотықтырушы қопарылыс және өсімдікке тән басқа да реакциялар
Сүтқоректілердегі нитрофилдер, эозинофилдер және макрофактар бактерияларды қармап алып оларды жояды, бұл процесс «респираторлық қопарылыс» деп аталатын оттегінің қарқынды пайдалану кезеңімен қатар жүреді.NADPH- тәуелді О2* -тудыратын мембраналық оксидаза фагацит-тердің бактерицидтік қаблетін қамтамассыз ететін негізгі компанент ретінде идентификацияланып алынды. Фермент мембранамен байланысқан цито-зольды белоктардан тұратын мультикомпанентті комплекс болып табылады. NADPH–оксидазаның ядросы гетеродимерлік NADPH байланыстырушы флавоцитохром в558 болып келеді, ол гликозилденген gp91phoх –трансмембраналық блогынан және гликозилденбеген р221phoх суббірлігінен тұрады. Флавоцитохромның құрамында NADPH-тан оттегіге электрондарды толық тасымалдаушы тізбек блады, демек бұл жүйенің басқа компаненттері реттеуші қызмет атқарады. Ол цитозольдік белоктарға : 1) р47phoх және р67phoх фосфопротеиндері (клетка қаңқасымен байланысқан болса керек); 2) phoх (қызметі белгісіз белок); 3) gтp байланыстырушы екі белок (rho-gDI және Rap1A реттеуші бөлігімен комплекс түрінде болатын р21rac ,[25,51,52]). Белсендірілген жағдайда р47 phoх және р67 phoх фосфороилденеді де р40 және р21 rac белоктарымен бірге мембранаға жылжыйды, және осы мембранада белсенді NADPH окси-дазалық кешен құрайды. Сонымен қатар , супероксид түзіледі, ал суперок-сидтің дисмуттатциялануы нәтижесінде пайда болатын Н2О2 өнімі сіңірілген бактерияларды жоюға қолданылса керек /9,17/. Содан соң р21 rac цитозольге қайта оралады, ал phoх –белоктары мембранада қалады. Өсімдіктермен жануарлардағы ОБТ генерациялаушы жүйелер бір-біріне өте ұқсас, бірақ қорғаныс реакцияларының әдістері жағынан бұл екі патшалық аралығында айтарлықтай айырмашылықтар бар. Сүтқоректілерде ОБТ таралуы фагосомамен шектелген, яғни организмге енген бактериялар жойылады, ал фагоциттер әдетте тіршілігін жалғастырады. Өсімдіктерде патогендердің таралуы тиімді түрде шектеу көбнесе, зақымдалған аймақтағы клеткалардың гиперсезімталды жауап беріп өлуі түрінде жүзеге асады,бұл ОБТ түзілуінің ықпалынан болуы мүмкін .Н2О2 микроорганизмдер үшін улы болып табылады /21, ол клеткалық қабырғада гликопротеиндердің тотыға дәнекерленуін тудыра отырып, клетка қабырғасының ферметтік ыдырауға төзімділігін жоғарлатады /18/, тіршілік барысында пайда болатын жүйелі төзімділікті тудырады /19/ және клеткалардың гипер сезімталды жауап беруін басқарады /8,12/.
Элиситерлеудің 1-лік зат алмасуға метоболизмге тигізетін әсерін зерттеумен қатар, оның өсімдік клеткасына тән, арнайы 2-лік метаболизмге тигізетін ықпалы да зерттелуде. Екіншілік метаболизмге микропқа қарсы белсенділігі бар төмен молекулалық қосылыстар фитоалексиндердің өндірілуі жатады /19/. ОБТ түзілуі мен фитоалексиндердің өндірілуін индукциялау аралығында өзара байланыс болады деген болжам ұсынылды. Бұл болжамды тексеру үшін Н2О2 арқылы тікелей әсер ету әдісі қолданылды.
Соя өсімдігінің ұрық түбіршегі мен гипокотиліне Н2О2 тигізетін ықпалы, май қышқылдарының гидропероксиді тигізетін әсері секілді, глицеолиннің жиналуын тудырады. Нақ осындай жағдай суспензиялық культура клеткаларында байқалады, бұл клеткаларда фитоалексиндердің өндірілуі каталаза ферментін қосқан жағдайда тежеліп отырады /17/. Ақ жонышқы және темекі өсімдіктерінің қорғаныстық реакцияларына жасалған тәжірибелердің көрсетулері бойынша, клеткалар инфекцияға жауап ретінде ОБТ өндіргенмен, фитоалексиндердің түзілуі немесе гиперсезімталды жауапты индукциялау үшін бұл процесстің міндетті түрде болуы шарт емес. Нақ осы жүйедегі клеткаларды HgCL2 арқылы абиотикалық түрде элиситерлеу фитоалексиндердің өндірілуін тудырады, ал тотықтырушы қопарылысты тудырған жоқ /20/. Сәбіздің элиситерленген протопластары 4-гидробензой қышқылын жинақтауға қаблетті болып шықты, бірақ олар Н2О2 ешқандай мөлшерде өндірген жоқ /17/. Тіршілік барысында пайда болатын жүйелі төзімділік өсімдіктерге тән қорғаныстық реакциялардың бір салдары болыа табылады. Инфекциялар әдетте жергілікті сипатта (белгілі бір аймақта) болатындықтан зақымдалған жерден шығатын қандайда бір жүйелі сигналдар болады деген болжамдар бар /21/. Солардың бірі ретінде бастапқыда салицил қышқылы идентификацияланған болатын, бірақ ол әлі дәлелденген жоқ, дегенмен салицил қышқылының жинақталуы қорғаныстық реакциялардың көптеген әдістерінің экспрессиялануы үшін қажет болып табылатын маңызд…..