tlenek azotu.pdf

co nowego w biologii?

Rola tlenku azotu

w biologii roślin

Gdy pada pytanie jakie gazy mają znaczenie dla rozwoju roślin

z reguły odpowiadamy tlen i dwutlenek węgla. Okazuje się,

że taka odpowiedź jest niepełna. Tlenek azotu ma również swoje miejsce

w życiu rośliny. Miejsce niepoślednie co dokumentuje poniższy artykuł.

ANNA MAJ, AGNIESZKA MOSTOWSKA

stępującą powszechnie w środowisku

naturalnym i uczestniczącą w wielu

procesach. Mają na to wpływ, między inny-

mi, jego właściwości a zwłaszcza to, że tle-

nek azotu jest związkiem bardzo reaktyw-

nym, dobrze rozpuszczalnym w wodzie

i swobodnie dyfundującym przez błony bio-

logiczne. Jednak również te same cechy

do niedawna uniemożliwiały dokładne

zmierzenie, w warunkach laboratoryjnych,

poziomu tlenku azotu i zbadanie jego roli

w systemach biologicznych. Po odkryciu ro-

li tlenku azotu w rozluźnianiu środbłonka,

dokładniej zaczęto badać jego udział w pro-

cesach komórek zwierzęcych. Efekty tych

badań nagrodzono Nagrodą Nobla w dzie-

dzinie Fizjologii i Medycyny w 1998 roku.

Badanie roli tlenku azotu w komórkach

roślinnych może wydawać się mniej istotne

i nie dające równie spektakularnych rezul-

tatów jak badania jego wpływu na metabo-

lizm komórek zwierzęcych. Tym niemniej,

badanie działania tlenku azotu w komór-

kach roślinnych ma nie tylko charakter po-

znawczy. Wiedza zdobyta na temat roli

tlenku azotu u roślin może zostać wykorzy-

stana w praktyce. Między innymi poznanie

roli tej cząsteczki w mechanizmach obron-

nych roślin, zwłaszcza w kontekście inte-

rakcji tlenku azotu z hormonami roślinny-

mi i reaktywnymi formami tlenu (ROS),

może dostarczyć użytecznych informacji,

które pozwolą stworzyć skuteczniejsze,

a nawet być może bardziej bezpieczne dla

środowiska, środki ochrony roślin. Także

wiedza o roli tlenku azotu w procesach ta-

kich jak starzenie lub dojrzewanie, może

zostać wykorzystana w praktyce.

Dotychczasowe badania dowodzą, że

tlenek azotu uczestniczy w wielu procesach

fizjologicznych roślin. Dzięki swoim właści-

wościom może nie tylko być zaangażowany

w ścieżki sygnałowe komórki, ale prawdo-

podobnie bierze też udział w komuni-

kowaniu się komórek. Ważne jest także, że

tlenek azotu, zarówno w komórkach roślin-

nych jak i zwierzęcych, angażuje podobne

mechanizmy z udziałem cyklazy guanyla-

nowej i akonitazy oraz wtórnych przekaźni-

ków, cyklicznego guanozynomonofosfora-

nu (cGMP), cyklicznej adenozynodi-

fosforybozy (cADPR) i jonów wapnia.

W ostatnich latach intensywnie bada się,

między innymi, rolę tlenku azotu w ścież-

kach sygnałowych związanych z mechani-

zmami obronnymi i rozwojem roślin, oraz

udział tlenku azotu w programowanej

śmierci komórki (PCD). Podobieństwa

między działaniem tej cząsteczki w komór-

kach roślinnych i zwierzęcych pozwala

przypuszczać, że tlenek azotu działa po-

dobnie na organizmy należące do obu tych

królestw.

biologia w szkole

T lenek azotu (NO) jest cząsteczką wy-

co nowego w biologii?

Rys. 1. Zestawienie procesów biologicznych, w których bierze udział tlenek azotu

Tlenek azotu uczestniczy w przemia-

nach biochemicznych i w różnych pro-

cesach fizjologicznych roślin (Ryc. 1).

Badania wpływu egzogennego tlenku

azotu na komórki roślinne, również w kultu-

rach zawiesinowych, potwierdziły, że tlenek

azotu uczestniczy w przemianach bio-

chemicznych i procesach fizjologicznych

roślin. Między innymi wykazano rolę tlenku

azotu jako pośrednika w hamowaniu aktyw-

ności katalazy, peroksydazy askorbinianowej

i akonitazy, regulacji kanałów jonowych

w komórkach aparatów szparkowych, funk-

cjonowaniu mitochondriów i chloroplastów,

lignifikacji ściany komórkowej, przebiegu

śmierci komórkowej, akumulacji ferrytyny,

starzeniu roślin i sygnalizowaniu zranienia.

Wymienione przykłady ukazują różnorod-

ność procesów biologicznych, w które zaan-

gażowany jest tlenek azotu. Są to zarówno

procesy związane z rozwojem jak i prawidło-

wym wzrostem (np. regulacja lignifikacji

ściany komórkowej), funkcjonowaniem (np.

regulacja rozwarcia aparatów szparkowych),

jak również zjawiskami degeneracyjnymi za-

chodzącymi w organizmach roślinnych (np.

śmierć komórki). Dawniej uważano, że tle-

nek azotu działa na roślinę wyłącznie de-

strukcyjnie. Takie przypuszczenie opierało

się na wiedzy, że tlenek azotu może reago-

wać z centrami redox białek i błon biologicz-

nych powodując bezpośrednio efekty tok-

syczne i uszkodzenia. Jednak późniejsze

badania organizmów zwierzęcych ujawniły

rolę tlenku azotu jako cząsteczki sygnałowej

w różnych ścieżkach sygnałowych.

1/2007

co nowego w biologii?

U roślin działanie tlenku azotu zależy

od jego stężenia i wykazuje pewną

analogię do działania nadtlenku wodo-

ru (H 2 O 2 ).

Według niektórych badaczy za regulację

poziomu tlenku azotu w mezofilu może od-

powiadać system fotosyntetyczny. Przypusz-

czają oni, że produkowany w trakcie fotosyn-

tezy tlen reaguje z rodnikiem tlenku azotu,

w wyniku czego powstaje dwutlenek azotu.

Zapobiega to nagromadzeniu się tlenku azo-

tu do poziomu, który hamowałby wzrost li-

ścia. Wydaje się, że działanie tlenku azotu

zależy od jego stężenia i wykazuje pewną

analogię do działania nadtlenku wodoru

(H 2 O 2 ) . Nadtlenek wodoru, podobnie jak

tlenek azotu, w niskim stężeniu pełni funkcję

ochronną, natomiast jego wysokie stężenie,

które obserwowane jest podczas nagłej pro-

dukcji reaktywnych form tlenu (ROS), po-

woduje szereg uszkodzeń komórki. Wiele

czynników indukuje w komórce roślinnej

stres oksydacyjny, który objawia się wzro-

stem poziomu ROS, co z kolei powoduje,

między innymi, peroksydację tłuszczy, mody-

fikacje białek, rozrywanie łańcuchów DNA,

utratę chlorofilu, wyciek jonów oraz śmierć

komórki. Taki scenariusz zdarzeń może do-

tyczyć zarówno stresu wywołanego czynnika-

mi abiotycznymi, np. stres suszy, jak i bio-

tycznymi, np. atak patogenu. Podobne

procesy, które zależne są od ROS i które

ostatecznie prowadzą do śmierci komórki, są

charakterystyczne dla procesów uczestniczą-

cych w rozwoju rośliny. Przykładem może

być starzenie się liści. Udowodniono, że

w wyżej wspomnianych procesach może brać

udział tlenek azotu.

ku azotu są naturalnym zjawiskiem to-

warzyszącym przemianom zachodzącym

w wyniku przystosowywania się roślin

do zmieniających się warunków otocze-

nia . Rośliny poddane działaniu egzogenne-

go tlenku azotu, również generują zmiany

adaptacyjne. Dowodzi to jednoznacznie, że

cząsteczka NO pełni istotną funkcję w szla-

kach sygnałowych pozwalających roślinom

odbierać, przetwarzać i odpowiednio reago-

wać na bodźce pochodzące ze środowiska.

Przykładem takiej roli tlenku azotu w orga-

nizmie roślinnym jest jego udział w przeciw-

działaniu negatywnym skutkom suszy.

Tlenek azotu stymuluje zamykanie

aparatów szparkowych (Ryc. 2.).

Możliwość pobierania wody z podłoża

może być ograniczona przede wszystkim

przez nadmierne zasolenie gleby lub niskie

temperatury. Rośliny przystosowują się

do przetrwania okresu suszy przez szereg

specyficznych adaptacji. Mogą być one cha-

rakterystyczne tylko dla wybranej grupy ro-

ślin (np. gromadzące wodę sukulenty) lub

dla wszystkich roślin. Najważniejszym i po-

wszechnie znanym mechanizmem kontroli

gospodarki wodnej roślin jest, zależne

od warunków środowiskowych, otwieranie

i zamykanie aparatów szparkowych. W cza-

sie suszy rozwarcie aparatów szparkowych

jest redukowane, co jest adaptacją rośliny

do zaistniałego deficytu wody, o którego ist-

nieniu informuje sygnał pochodzący z korze-

nia. W odpowiedzi na ten sygnał produko-

wany jest kwas abscysynowy (ABA), będący

hormonem inicjującym wzrost poziomu jo-

nów wapnia (Ca 2+ ) w cytozolu komórek

aparatów szparkowych. Wysokie stężenie cy-

tozolowego wapnia jest sygnałem do zamy-

kania aparatów szparkowych. Według ostat-

nich badań procesie w tym bierze udział

także tlenek azotu. W doświadczeniach pro-

wadzonych na kilku gatunkach roślin w wa-

runkach suszy wykazano, że tlenek azotu

stymuluje zamykanie aparatów szparko-

wych , przez co ogranicza transpirację i utra-

tę wody. Wyniki innych eksperymentów wy-

kazują obecność endogennego tlenku azotu,

Zmiany stężenia tlenku azotu są na-

turalnym zjawiskiem towarzyszącym

przemianom zachodzącym w wyniku

przystosowywania się roślin do zmie-

niających się warunków otoczenia.

Bardzo ciekawym aspektem działania

tlenku azotu w roślinach jest istotna rola ja-

ką wydaje się odgrywać w wielu procesach

adaptacyjnych. Wyniki, szeregu prac badaw-

czych, wykazują, że zmiany stężenia tlen-

biologia w szkole

co nowego w biologii?

Rys. 2. Udział tlenku azotu w zamykaniu aparatów szparkowych

uczestniczącego w zamykaniu aparatów

szparkowych w ciemności.

mu bezpośredniego udziału w tym procesie.

Nie wiadomo czy jest on wytwarzany endo-

gennie w nasionach, co jest raczej wątpliwe,

gdyż traktowane roztworem wodny nasiona

nie wykiełkowały w ciemności. Wątpliwe

jest też pierwszorzędne znaczenie tlenku

azotu w procesie kiełkowania, ponieważ

traktowane nim nasiona wykiełkowały

na świetle. W nasionach fitochrom jest pod-

stawowym detektorem światła odpowie-

dzialnym za kiełkowanie nasion znajdują-

cych się przy powierzchni gleby. Jednak

w normalnych warunkach nasiona nie za-

wsze są tuż przy powierzchni gleby. Jest za-

tem prawdopodobne, że istnieje jakiś inny

mechanizm umożliwiający kiełkowanie na-

sionom nie mają dostępu do światła. W tym

przypadku induktorem kiełkowania mógłby

Tlenek azotu wpływa na różne proce-

sy wzbudzane przez światło.

Jednym z ciekawszych aspektów działa-

nia tlenku azotu jako cząsteczki sygnałowej

jest jego wpływ na reagowanie roślin

na bodźce świetlne. Dowiedziono, że tlenek

azotu wpływa na różne procesy wzbu-

dzane przez światło . Stwierdzono między

innymi, że stymuluje on kiełkowanie, de-

etiolację i hamuje wydłużanie hypokotyla

i międzywęźli. Dowiedziono, że tlenek azo-

tu indukuje kiełkowanie niektórych nasion.

Mimo, że wynik doświadczenia wyraźnie

wskazuje, że tlenek azotu stymuluje kiełko-

wanie, to nie można definitywnie przypisać

1/2007

co nowego w biologii?

być powstający w glebie tlenek azotu. Nadal

bada się, czy obecny w glebie tlenek azotu

jest jedynie sztucznym induktorem, imitują-

cym efekt działania fitochromu.

Gdy brak bodźca świetlnego lub jest on

niewystarczająco silny, większość roślin

podlega etiolacji, co wyraża się utratą chlo-

rofilu. Siewki pszenicy traktowane tlenkiem

azotu wykazują częściową deetiolację, co

objawia się wzrostem zawartości chlorofilu.

Od percepcji światła zależy także długość

hypokotyla i międzywęźli. Ciemność powo-

duje powstawanie roślin z charakterystycz-

nie wydłużonymi hypokotylamii i między-

węźlami. Światło indukuje proces odwrotny.

Eksperymentalnie dowiedziono, że tlenek

azotu również ma takie działanie.

Nie są to, przypuszczalnie, wszystkie moż-

liwe procesy, zależne od światła, w których

tlenek azotu bierze udział. Wiele procesów

fizjologicznych, takich jak kiełkowanie, inhi-

bicja wzrostu hypokotyla, różnicowanie

chloroplastów, ekspresja wielu jądrowych

i chloroplastowych genów, zależy od światła.

Zbadanie, jaka jest rola tlenku azotu w tych

procesach może być niezwykle istotne w zro-

zumieniu szeroko pojmowanych procesów

rozwojowych roślin. Przyszłość zapewne

przyniesie nowe odkrycia w tej dziedzinie.

W świeżo ściętych kwiatach poziom tlenku

azotu był znacznie wyższy od tego zmierzo-

nego w kwiatach więdnących. Powyższe

przykłady pokazują jednoznacznie, że doj-

rzewaniu i starzeniu towarzyszy malejący

poziom tlenku azotu w tkankach podlega-

jących tym procesom. Wysunięto hipotezę,

że tlenek azotu odgrywa w tych zjawiskach

jakąś ważną rolę. Zbadano również wpływ

egzogennego tlenku azotu na dojrzewanie

i starzenie, zarówno organów generatyw-

nych (kwiatów i owoców) jak i organów we-

getatywnych (liści warzyw liściastych). Mię-

dzy innymi badano kwiaty goździka, które

traktowano prekursorami etylenu, aby spo-

wodować ich więdnięcie. Działanie na goź-

dziki tlenkiem azotu powodowało opóźnie-

nie więdnięcia tym większe im wyższego

stężenia tlenku azotu użyto. Podobny efekt

hamowania zmian degeneracyjnych osią-

gnięto w przypadku brokułów. Przechowy-

wanie brokułów w atmosferze z tlenkiem

azotu skutkowało wydłużeniem czasu utra-

ty wody i chlorofilu. Analogiczne wyniki

osiągnięto badając wpływ tlenku azotu

na inne warzywa i owoce, które w trakcie

przechowywania tracą jędrność co jest jed-

noznaczne ze spadkiem ich wartości rynko-

wej. Jednoznacznie udowodniono, że at-

mosfera z kontrolowaną zawartością

tlenku azotu przedłuża żywotność owoców

i warzyw. Dane te pozwalają sądzić, że tle-

nek azotu spowalnia dojrzewanie i starze-

nie się roślin. Nie wiadomo, w jaki sposób

działa endogenny tlenek azotu. W do-

świadczeniu, w którym goździki poddawa-

no działaniu prekursora etylenu, związku

o powszechnie znanej roli w procesie doj-

rzewania i starzenia, tlenek azotu zwięk-

szał trwałość kwiatów. W eksperymencie

z kwiatami goździka tlenek azotu hamował

wpływ etylenu. Nie można jednak stwier-

dzić, że wpływał on na opóźnienie zmian

degeneracyjnych bezpośrednio czy też po-

przez działanie na etylen, ponieważ, mimo

podania donora tlenku azotu w odpowied-

nio wysokim stężeniu, spadek emitowane-

go etylenu nie był tak znaczący jak oczeki-

wano.

Tlenek azotu występuje w komór-

kach wielu roślin, a jego stężenie za-

leży od rodzaju organu i fazy rozwo-

jowej rośliny.

Udowodniono także, że NO uczestniczy

w procesach rozwojowych roślin. Przypisu-

je się mu rolę, między innymi, w procesie

dojrzewania i starzenia. Dowiedziono, że

tlenek azotu jest w komórkach wielu

gatunków roślin cząsteczką endogenną,

a jego stężenie zależy od rodzaju orga-

nu i fazy rozwojowej rośliny . Taką zależ-

ność wykazano eksperymentalnie w owo-

cach. Stwierdzono, że w dojrzałym miąższu

owoców jest znacznie mniej endogennego

tlenku azotu niż w miąższu owoców dojrze-

wających. Podobne znaczne różnice w po-

ziomie endogennego tlenku azotu stwier-

dzono w świeżych i więdnących kwiatach.

biologia w szkole

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: