.gif)
ساخت نشاسته در آندوسپرم غلات
خلاصه:
طریقه سنتز نشاسته در آندوسپرم غلات منحصربه فرداست وایزوفرم هایی از آنزیم مورد نیاز است که در سایر بافتهای غلات یا دیگر گیاهان وجود ندارد. تحقیقات جدیدی که روی ایزوفرم های آنزیم صورت گرفته اطلاعات ما را درباره ساخت و تجزیه زنجیره خطی و انشعابات افزایش داده است. توسط آنالیزهای ژنتیکی مدل هایی برای نقش های آنزیم شاخه شکن در تولید نشاسته غلات ارائه شده است. با وجود ابزار آنالیز بیوسنتز نشاسته اطلاعات ما در مورد این روند در غلات افزایش یافته است. یکی از این موارد تعیین توالی ژنوم برنج است.
مقدمه
غلات نشاسته را به عنوان یک ذخیره انرژی انباشته می کنند. این نشاسته به عنوان ترکیب کربوهیدرات ابتدایی در رژیم های غذایی بشر ودام به کار می رود و همچنین دارای کاربردهای صنعتی زیادی می باشد. نشاسته دو همو موپلی مر D – گلوکز دارد شامل آمیلوز و آمیلوپکتین. آمیلوزیک مولکول خطی است که واحد های گلوکوزیلی از طریق پیوندالفا1و4 به هم متصل می شوند. آمیلو پکتین پلیمر فراوانتر نشاسته است که شامل زنجیرهای خطی با طولهای متفاوت می باشد. تقریباً 5% از واحد های گلوکوزیلی در آمیلوپکتین با پیوند های 1و6 به هم وصلند که همان شاخه های زنجیر می باشند. نحوه قرار گیری شاخه ها بدین صورت است که نواحی با شاخه های بلند و نواحی بدون شاخه یکی در میان قرار می گیرند. زنجیره های خطی می توانند آرایش مارپیچ دوگانه موازی ایجاد کنند این نوع آرایش پاسخی به طبیعت کریستالی دانه های نشاسته است که بسته بندی واحد های گلوکوز را باعث می شود. دو نوع ساختار کریستالی در آمیلوپکتین دیده می شود: نوع A و نوع B که تفاوت این دو در جهت چرخش زنجیره های کوتاه آمیلوپکتین است. نشاسته غلات وحشی 100% از نوع A می باشند که در این دابل هلیکس مقدار کمی باند های آبی وجود دارد. این مقاله شامل بررسی فعالیتهای آنزیمهای ADP– گلوکز پیروفسفریلاز، سازنده نشاسته ، آنزیم شاخه ساز و آنزیم شاخه شکن است وبر خصوصیات بیوشیمیایی و آنالیزهای بیان ژن آنها متمرکز شده است . وانگتهی به واسطه تعیین توالی ژنوم برنج ودر نتیجه دسترسی به توالی بازهای ژنوم بررسی طریقه سنتز نشاسته در غلات آمکان پذیر است.
حضور منحصر به فرد AGP خارج پلاستیدی در آندوسپرم غلات
عمل کاتالنزوری AGP یعنی ADP گلوکز پیروفسفریلاز اولین واکنش در سنتز نشاسته می باشد که ADP گلوکز یعنی بخشنده گلوکز فعال را تولید می کند. AGP شامل دو زیر واحد بزرگ و دوزیر واحد کوچک است که هر کدام باژنهای مشخص کد می شود. این آنزیم در آندوسپرم غلات بیشتر خارج پلاستیدی (%95-%85 سیتوزولی ) می باشد اما در سایر بافتهای غلات و در تمام بافتهای گیاهان دیگر درون پلاستیدی است. مطالعات جدید نشان می دهد که اشکال پلاستیدی و سیتوسولی AGP توسط ژنهای کد می شود کد در اندوسپرم های غلات وجود دارد. توالی ژن های کد کننده زیر واحد کوچک در تک لپه ای ها و دولپه ای های مختلف اصولاً در اگزون 1 تفاوت دارند. دراندوسپرم غلات ADP – گلوکز ساخته شده در سیتو سول از طریق یک پروتئین کوچک درونی به پلاستید انتقال می یابد.نحوه این انتقال شبیه به جابجایی AMP می باشد. تمرکز بالای سیتوسولی AGP در آندوسپرم غلات نشان دهنده شرکت مقدار زیادی کربن در سنتزنشاسته است که البته وقتی که سوکروزفراوان می باشد. در گیاهانی که AGP پلاستیدی دارند راه تبدیل سوکروز به نشاسته شامل نفوذ هگزور فسفات به داخل پلاستید است که همچنین می تواند در راههای متابولیکی دیگر نیز استفاده شود. اما در غلات ADP – گلوکز ورودی به پلاستید فقط صرف ساخت نشاسته می شود و وارد سایر راههای متابولکی درون پلاستید نمی شود. در آندوسپرم غلات 3- فسفوگلیسرات اثر مثبت واورتوفسفات اثر منفی در تنظیم AGP دارد . در سایر بافتهای گیاهی نیز این نوع تنظیم وجود دارد. بررسی و آنالیز در تعداد کمی از گندم های ترانژنیک نشان می دهد تنظیم AGP در آندوسپرم غلات نسبت به سایر ارگان ها مثل برگ ها اهمیت کمتری دارد. چرا که اولا مشخص شدهAGP در آندوسپرم غلات حساسیت کمتری به 3 ففوگلیسرات و اورتوفسفات دارد. وثانیاً AGP درآندوسپرم غلات نسبت به واکنشهای اکسایش و کاهش تقریباً غیر حساس است بر خلاف AGP در غده های سیب زمینی که ماده اساسی واکنشهای ردوکس است.
ایزوفرم های آنزیم سازنده نشاسته نقش های منحصر به فردی در سنتز نشاسته دارند.
SSs یعنی آنزیم سازنده نشاسته AGP – گلوکز را برای طویل کردن زنجیره های خطی با ایجاد پیوند های 4و1 استفاده می کند. آندوسپرم غلات حداقل دارای پنج ایزوفرم از SSs می باشد که بر اساس توالی DNA کد کننده خود شناخته می شوند. نامگذاری چهار ایزوفرم آن به عنوان صورت می باشد: SSI ،b SSIIَ SSIIa ، SSIII که به نظر می رسد دارای نقش خاصی در سنتز آمیلوپلکتین می باشند . GBSSIایزوفرم با باندگرانوالی توسط ژن waxy ((wx در غلات کد می شود که نقش آن طویل کردن آمیلوز می باشد. در موتان های wx نشاسته فقط دارای آمیلوپکتن است وآمیلوز ندارد. آنالیزهای جدید در tritcum monococcum که یک گندم دیپلوئید است نشان می دهد محتوای آمیلوز ممکن است تحت تأثیر فاکتور های غیر از GBSSI باشد . مدارک جدید نشان می دهد که فاکتور های تنظیم کننده شامل مالتویا الیگوساکاریدهایی کوچک به عنوان آغازگر و یا ADP- گلوکز به عنوان سوبسترامی باشند. تعدادی موتان های WX در جو مقدار کمی آمیلوز آندوسپرمی را می سازند. مطالعه آندوسپرم جو نشان می دهد که مثل گندم دوGBSS دارد. ایزوفرم های جوI GBSS می باشد که 5/96% شبیه به GBSSIIگندم و 3/65% شبیه به GBSSI جو می باشد . در گندم این ایزوفرم دوم در آندوسپرم بیان نمی شوند ولی در بافتهایی مثل پریکارپ که نشاسته موقت تجمع می یابد حضور دارد. برای فهم سنتز نشاسته بررسی نقش های ایزوزیم های SS محصول لازم است. یک تحقیق جدید روی میل ترکیبی SSI سازنده گلوکان نشان می دهد که تمام ناحیه کربوکسی انتهای آنزیم برای سنتز نشاسته لازم است . با طویل شدن زنجیره خطی سوبسترا میل ترکیبی SSI افزایش می یابدو البته نسبت عکس با ظرفیت کاتالیتیکی آنزیم دارد.
با مطالعه آمیلو پکتین های تغییر یافته در موتان های SS ذرت مدلی براي تعيين نقشهاي SS ذرت در ايجاد طولهاي متنوع زنجيره آميلو پكتيي بدست آمد. بر طبق اين مدل SSI اصولاً مسئول سنتز كوتاه ترين زنجيره هاست يعني آنهاي كه درجه پليماسيون (DP) 10 گلوكزيل يا كمتر دارند.
طويل شدن زنجيره هاي بين خوشه ها توسط SSIIَ ، SSIII انجام مي گيرد كه مي تواند مقدمه اي براي شاخه سازي باشد . نقشه ژني صفات كمي واريته هاي برنج japonica و همچنين indica كه نشاسته آنها در خصوصيات ساختاري و عملي تفاوت دارد اين مدل را تأييد مي كنند . آمپلوپكتين واريته japonica زنجيره هايي با درجه پليمراسيون 10 يا كمتر را خيلي بيشتر از زنجيره هايي با درجه پليمراسيون 13 تا 22 دارد . ثابت شده كه ژن مسئول كد كردن SSIIa روي كروموزوم 6 قرار دارد و عامل اختلاف بين واريته ها مي باشد . SSIIa يك نقش مهم در طويل كردن زنجيره هاي كوتاه با درجه پليمراسيون كمتر از 10 بازي مي كند و در نتيجه توليد زنجيره هاي واسطه اي صورت مي گيرد و فعاليت SSIIa در japonica ممانعت مي شود . در japonica زنجيره هايي با درجه پليمراسيون 22 – 13 به فرم دابل هليكس مي باشد و كاهش مكرر اين زنجيره ها در japonica ناشي از تفاوت نشاسته بين اين دو واريته مي باشد .
توزيع ايزوزيم هاي آنزيم شاخه ساز در تعيين ساخار نشاسته
آنزيم شاخه ساز يا BES پيوندهاي 6 و 1 –الفا را با شكستن پيوندهاي 4 و 1 –الفادروني و تحويل دادن انتهاي احيائ كننده آزاد به هيدروكسيل كربن 6 ايجاد مي كنند . دو سري BE داريم ( BEII و BEI ) كد تفاوت آنها به خاطر طول زنجيره هايي است كه در شرايط In vitroمي سازند . طو.ل زنجيره هاي حاصل از BEII كوتاهتر از زنجيره هاي BEI مي باشد . در غلات دو فرم نزديك به هم از BEII وجود دارد (BEIIb و BEIIa ) كه اينها نيز در طول زنجيره خود درIn vitro با هم متفاوتند . BEIIb زنجيره هاي كوتاهتر از BEIIa توليد مي كند . الگوهاي بيان ايزوزيم هاي BE متفاوتند . BEI و BEIIa در اندوسپرم و چند بافت ديگر غلات بيان مي شوند . BEIIb فقط در اندوسپرم و بافتهاي توليد مثلي ايجاد مي شود . در برنج بيان BEIIa در 3 روز بعد از گلدهي تشخيص داده مي شود و يا حداكثر 5 تا 7 روز پس از گلدهي مي باشد . BEIIa در اواسط نمو دانه هاي گندم در حد ماكزيم است و ليكن نسخه برداري BEIIa و BEI ديرتر است چنانچه در برنج7 تا 10 روز بعد از گلدهي اتفاق مي افتد . مدارك خوبي وجود دارد كه نقش هاي ايزوزيم هاي مختلف BE را در سنتز نشاسته آْندوسپرم مشخص مي كند . چنانچه در موتان هاي BEI در ايجاد زنجيره ها اشكالاتي مشاهده مي شود كه نشان مي دهد BEIIa و BEIIb نمي توانند كمبود فعاليت BEI را جبران كنند . ثانياً ساختار اكپلوپكتيز تغيير يافته درموتان هايي كه BEIIb را ندارند نقش منحصر به فرد اين ايزويم را نشان مي دهد . موتان هاي BEIIb در ذرت و برنج به عنوان (ae) extender - ‘amylose شناخته مي شوند . كه در اندوسپرم خود افزايش نسبت امیلوز به امیلوپکتین دارند داراي امیلوپكتين با زنجيره هاي طويل مي باشند كه سابقاً با آمیلوز اشتباه مي شده . به علاوه موتان ae در ذرت باعث كاهش 50 درصدي در SSI و حذف فعاليت BEIIb شده است كه اين نشان مي دهد اين دو پروتئين احتمالاً در اين ويوو داراي اثر متقابل هستند . آناليزهاي موتاسيوني ژنهاي BEIIa در ذرت و برنج نشان مي دهد كه كمبود اين ايزويم اثري بر موقعيت نشاسته اند وسپرمي يا ساختار نهايي آمیلوپكتين ندارند بنابراين BEIIa در سنتز آمپلوپكتين آندوسپرم نقش بحراني نداشته و ساير ايزوزيم هاي BE مي توانند غيبت آنرا جبران كنند . يك مدل براي نحوه ترتيب عمل ايزوزيم هاي BE در سه نوعBES ذرت ارائه شده كه نحوه بيان هترولوكوس دارند اين بررسي آنزيم ها به تنهايي يا در حالت تركيبي مي باشد ، اين مدل نشان مي دهد BEII ممكن است قبل از BEI عمل كند . دو ايزوزيم BEII تكميل ن و گلوكان را انجام مي دهند و همچنين ايجاد شاخه . ولي BEI در اين مورد بي اثر است مگر اينكه BEIIa و BEIIa هر دو حاضر باشند .
پتانسیل عمل DBE (آنزیم شاخه شكن)
موتاسیون در بسیاری گونه ها نشان می دهد که آنزیم سنتز کننده شامل DBES علاوه بر SSs و BEs می باشد . دو خانواده ی DBE در گیاهان وجود دارد : نوع ايزوآميلاز و نوع پولولاناز که هر دو پیوند های 6و1الفا را هيدروليز می کنند . ولی در نوع سوبسترا با هم تفاوت دارند .
موتاسیون های ذرت و برنج ([su1 ]Sugary1 ) و موتاسیون جو (isa-1) روی ژن های کد کننده ی DBE نوع ايزو آميلاز اثر می گذارد در نتیجه تجمع یک پلی ساکارید محلول در آب (WSP) کد فيتوگليكوژن نام دارد را باعث می شود و در نتیجه محتوای نشاسته را کاهش می دهد . موتان های SU1 فعالیت نوع پولولانازرا نیز کاهش می دهند . خیلی الل هايsu به خاطر فنوتيپ خود شناخته می شوند . اثرات پلیوتر و پي پپتيد su1 روی سایز آنزیمها مشاهده می شود مخصوصا BEIIa . حضور یک su1 غیر فعال تعدادی از این اثرات حذف می کند . این موضوع نشان می دهد که پلی بيوسنتز su1 دارای دو اثر آنزیمی و غیر آنزیمی است و دیگر اینکه بعضی آنزیمها ی بيوسنتز نشاسته ممکن است در یک کمپلک عمل کنند .
همچنین یافت شده کد مقدار کمی از فعالیت su1 کافی است تا مقدار تقریبا نرمال آميلو پكتين ساخته شود .
جدیداً در جو موتاسیون های DBE نوع ايزوآميلاز اللي (isa1) توضیح داده شده است . موتان های isa1 فيتوگليكوژن و ساختارهای گرانولي ناقص و ابتدایی را می سازند . این گرانولهای موتاسیونی شکل نا منظم و کوچکی دارند و اغلب به صورت ترکیبی در طی یک مرحله ساخته می شوند در صورتیکه در حالت معمول در طی دو مرحله ساخته می شوند . مدارک برای شناخت نقش بيوسنتزي ایزوآمیلاز از الگو یا بیان iso1 بدست می آید ، در ارتولوگ گندم این CDNA در بالاترین حد در دانه های گندم در حال رشد وجود دارد ولی در دانه های بالغ ابداً وجود ندارد . آنزیم پولولاناز که zpu1 در ذرت نام دارد در تجزیه نشاسته ی آندوسپرم شرکت می کند و این همپوشانی فعالیتش را با DBE نشان می دهد . خصوصیات بیوشیمیایی zpu1 نشان می دهد که این آنزیم بر انتها عمل می کند و فقط شاخه های کوچک زنجیر را می شکند و این کار را با واکنش های اكسايش و کاهش انجام می دهد و بدین ترتیب از تجمع غلظت بالای قند جلوگیری می کند . در اثر موتاسیون های su1 تجمع قند اتفاق می افتد و این به خاطر کاهش ثانویه پولولاناز در موتاسیون می باشد .
اگر چه موتاسیون هایی که نقص های DBE نوع ایزومیلاز را باعث می شوند اثراتی روی سنتز نشاسته دارند ولی نقش دقیق ایزوآمیلار و پولولاناز (دو نوع DBES) در سنتز نشاسته شناخته نشده اند .
چندانا ليز مدل عمل DBE را در سنتز نشاسته و تجمع فیتوگليكوژن نشان می دهد . مدل آرایش گلوكان نشان می دهد کد DBEs مستقیماً در سنتز آمیلوپکتیز شرکت می کندشاخه های منتخب حذف می شوند. بنابراین DBE در نگهداری ساختار خوشه ای آمیلوپکتیز ، پيچش زنجیره های خطی و زنجیره های در حال رشد و کریستالی کردن سطح گرانولها نقش دارد . مشاهدات جدید در مورد حضور تعدادی زنجیره های کوتاه روی سطح گرانولهای پیش رس کد یک ساختار واسط می باشد این مدل را تائید می کند . ولی نقش مستقیم در ایجاد استحکام ندارد .
یک مدل نیز متناوباً نشان می دهد DBEs محلول را از استروما حذف می کند و بدین طریق سوستراي کد با باند های SS و BE رقابت می کند را کنار می زندئ . نقص DBE تجمع WSP را ایجاد می کند . مشاهده افزایش تعداد گرانول در موتان های DBE نوع ایزوآمیلاز با تولید گرانولهای در حال تشکیل از WSP توضیح داده می شود با صرفنظر از منشاء گلوکان محلول متناوباً اين اطلاعات عمل DBES را در تخریب یک آغازگر خاص برای پیش سازی گرانول تائید می کنند .
تعدیل پروتئین هایی كيناز پتانسیل تنظیم بیوسنتز نشاسته را دارند .
اطلاعات كمي در مورد فاکتورهایی كه بیوسنتز نشاسته را تنظیم می کنند وجود دارد . مطالعات جدید نشان می دهد تنظیم و تعدیل در رابطه با پروتئین ها صورت می گیری . با کاهش فعالیت SPK كد یک كيناز پروتئینی وابسته به کلسیم است در اندوسپرم برنج در حال نمو محتوای نشاسته کاهش می یابد و محتوای سوکروز دانه ها افزایش می یابد . SPK یعنی فسفريلازسوكروز سنتتاز آنزیمی است که سوستبرارا برای AGP مهیا می کند و بنا بر اين ممکن است SS را تنظیم کند .
برای بعضی آنزیمها تنظیم فعالیت دو مرحله ای است . شامل فسفر يلاسيون پروتئین و به دنبال آن شکل گرفتن و ایجاد کمپلکس با پروتئین های 3-3-14 . کاهش تجمع پروتئین های مربوط به گرانول یک افزایش در تجمع نشاسته را ایجاد می کند . احتمال می دهند که این SSIII است که باندهای 3-3-14 دارد و فسفر يلاسيون و باند های 3-3-14 برای SSIII غیر فعال به کار می روند .
نحوه تنظیم آنزیمهای بيوسنتزي نشاسته با اندازه گیری عکس العمل پروتئین با پروتئین خاص شناسایی شده است . بعضی از این عکس العمل ها در هنگام افزایش فنوتیپ های جدا گانه در موتان های دابل نسبت به موتان های تکی در ذرت مشاهده شده است . علاوه بر این آنالیز بیوشیمایی اثر موتاسیون های آنزیمهای پليوتروپيك مثل مشاهده ی کاهش در فعالیت SSI در دانه های برنج این فرضيه را تائید می کند .
آنالیزهای جدید در آرایش فعالیتهای آنزیم های موثر در متابوسیم نشاسته اثر موتان های su1 و zpu1 را روی فعالیت BEIIa در مغز دانه ی ذرت در حال نمو نشان می دهد کاهش کامل فعالیت BEIIa مشاهده می شود ولی تغییری در اندازه و پیوندهای آن دیده نمی شود پس این تغییر در عماکرد ناشی از عکس العمل با DBEs می باشد .
دوست عزیز، به سایت علمی نخبگان جوان خوش آمدید
مشاهده این پیام به این معنی است که شما در سایت عضو نیستید، لطفا در صورت تمایل جهت عضویت در سایت علمی نخبگان جوان اینجا کلیک کنید.
توجه داشته باشید، در صورتی که عضو سایت نباشید نمی توانید از تمامی امکانات و خدمات سایت استفاده کنید.
پاسخ با نقل قول
علاقه مندی ها (Bookmarks)