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Publicada porEsteban Jiménez Navarro Modificado hace 8 años
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"Bioquímica del estrés oxidativo en Vegetales"
Curso Optativo para Lic. en Bioquímica Lic. en Biología Molecular
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TEMA 1 ESPECIES REACTIVAS DEL OXIGENO
TEMA 2: ENZIMAS ANTIOXIDANTES TEMA 3:SUSTANCIAS ANTIOXIDANTES
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En la naturaleza todo es oxidado por el oxígeno.
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La principal fuente de origen de los radicales libres es la respiración, ya que entre un 1 a 3% del oxígeno consumido se transforma en radicales libres.
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FORMAS QUIMICAS DE LAS ESPECIES REACTIVAS DEL OXIGENO
RADICAL LIBRE HO. ESPECIES REACTIVAS DEL OXIGENO (EROS) e- Desapareado NO RADICAL O2- Reducciones parciales H2O2 O2 e- Desapareado X
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PROPIEDADES GENERALES DE LAS EROS
HO. 10-3 ms ALTAMENTE REACTIVO Es la especie más fuertemente oxidante Afecta al ADN, proteínas, lípidos. Sustrae protones; Se une a dobles enlaces (por ej. Ac. Grasos insaturados) Radical hidroxilo O2.- 2-4 ms ACTUA COMO OXIDANTE O REDUCTOR DISMUTA A H2O2 No puede atravesar las membranas Reduce metales de transición Radical superóxido
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O2- H2O2 1 ms Transfiere su En de excitación a otras moléculas o
4 ms en agua 100 ms Transfiere su En de excitación a otras moléculas o Forma endoperóxidos ó hidroperóxidos Oxígeno singulete H2O2 ES MODERADAMENTE REACTIVO En presencia de metales forma el radical hidroxilo Oxida grupos tioles de proteínas 1 ms Peróxido de hidrógeno
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La alta inestabilidad electrónica de las EAO les hace colisionar con las biomoléculas, les sustraen un electrón y las oxidan. Esto provoca un cambio estructural en la molécula que la lleva a perder la función biológica específica que desempeñaba en la célula.
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GENERACIÓN DE RADICAL SUPERÓXIDO (O2.-)
ORIGEN No enzimático Enzimático Metales de transición Xantina y aldehído oxidasa Tioles, quinonas, flavinas Citocromo P-450 Hemo-, mioglobina NADPH oxidasa
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GENERACIÓN DE PERÓXIDO DE HIDRÓGENO (H2O2)
Origen: a) Dismutación del superóxido (espontánea o catalizada por SOD) b) Reducción enzimática de O2 2 O H H2O O2 O e- + 2 H H2O2
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GENERACIÓN DE RADICAL HIDROXILO (HO.)
- Reacción de Haber-Weiss - Reacción de Fenton O H2O HO. + HO- + O2 Fe2+ + H2O Fe3+ + HO. + HO- Fe3+ + O Fe2+ + O2 O2
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SITIOS DE PRODUCCION DE EROS EN PLANTAS
Cloroplastos: A nivel de los fotosistemas I (PSI) y II (PSII) Mitocondria: Durante el transporte electrónico Microsomas: Complejo citocromo P-450 Peroxisomas: Oxidación de glicolato en el carbono 2. Oxidación de ácidos grasos(Flavoproteína-AcilCoA Oxidasa) Glioxisomas: oxidación de ácidos grasos. (Flavoproteína-AcilCoA Oxidasa) Membrana: Peroxidación de lípidos y acción de la NADPH oxidasa. Pared celular: peroxidasas y oxidasas Apoplasto: aminooxidasas participan en la formación de H2O2 Espacio extracelular: Oxalato oxidasa (H2O2 + CO2)
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¿Dónde se producen las EAO?
Sitios de producción de EAO en el sistema de transporte electrónico del cloroplasto
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Sitios de formación de Superóxido en el sistema de transporte electrónico mitocondrial
Oxidasa alternativa
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RETICULO ENDOPLASMICO (Microsomas)
OXIGENASAS DE FUNCION MIXTA NADPH agente reductor RH + NADPH + H+ + O ROH + NADP+ + H2O RH-P R•-P450 R•-P O P450-RHOO ó P450-ROO• P450-ROO• O RH-P450 P450-ROO• P RHOO
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PARED CELULAR MEMBRANA
DIAMINOOXIDASAS (ROS) NAD/NADP-OXIDASAS (H2O2) Reacciones dependientes de H2O2 Defensa contra patógenos Degradación de xenobióticos Síntesis de lignina Aminas biógenas NH3 + H2O2 + Aldehídos MEMBRANA NADPH oxidasa (NOX)
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Glioxisomas y peroxisomas
Los glioxisomas son organelas con una membrana simple que compartimentalizan enzimas involucradas en la -oxidación de ácidos grasos y en el ciclo del ácido glioxílico. En los peroxisomas se encuentran catalasas, peroxidasas, xantina oxidasa y glicolato oxidasa. La glicolato oxidasa produce H2O2 en dos transferencias de electrones desde el glicolato al oxígeno. Xantino oxidasa, urato oxidasa y las NADH oxidasas generan superóxido como una consecuencia de la oxidación de sus sustratos.
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PRODUCCION DE EROS FACTORES ABIOTICOS FACTORES BIOTICOS Sequía
Altas temperaturas Fuentes de Radiacion Concentración salina Condiciones pH extremas FACTORES AMBIENTALES PATOGENOS Insectos Virus Bacterias
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EROS FUENTES EXOGENAS BIOTICOS O ABIOTICOS PRODUCCIÓN DE ROS
FUENTES ENDOGENAS METABOLISMO CELULAR ESTRÉS OXIDATIVO EROS
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MECANISMOS DE DEFENSA ENZIMATICOS
PEROXIDOS Ascorbato peroxidasa Superóxido dismutasa Glutatión peroxidasa Catalasa RADICAL SUPEROXIDO PEROXIDOS PEROXIDO DE HIDROGENO
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Ascorbato peroxidasa EC 1.6.5.4
H2O2 Sustratos ACIDO ASCORBICO H2O2 + AsA H2O + MDHA MDHA MDHA reductasa NADPH NADP+ AsA + DHA AC. ASCORBICO DHA reductasa GSSG 2 GSH
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ISOENZIMAS DE APX Estroma (sAPX) Tilacoides (tAPX) Microcuerpos (mAPX)
Citosol (cAPX) Mitocondria (mitAPX) Cloroplastos (chlAPX) TIENEN ALTA ESPECIFICIDAD POR EL ACIDO ASCORBICO (-) Cianuro, azida, reactivo con grupos tioles (p-cloromercuribenzoato) (-) inhibidores suicidas: hidroxilamina, p-aminofenol e hidroxiurea. Son sensibles al estrés fotooxidativo Regulación de actividad, síntesis y post-transcripcional
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Superóxido dismutasa Son metaloenzimas que eliminan los radicales superóxidos (O2.-) RADICAL SUPEROXIDO SUSTRATO 2 O H O H2O2 Enz-Cu O Enz-Cu O2 Enz-Cu O H3O Enz-Cu H2O2
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ISOENZIMAS DE LA SOD Isoenzima I: FeSOD Cloroplastos
Isoenzima II: MnSOD Mitocondrias y peroxisomas Isoenzima III: Cu-Zn SOD Cloroplastos, citosol y espacio extracelular. ( - ) H2O2 homodímero /tetrámero homodímero /tetrámero homodímero /tetrámero Los genes SOD se regulan diferencialmente a través del desarrollo y en respuesta a varias condiciones de estrés.
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Catalasa Es una hemoproteína
Tetrámero con cuatro subunidades idénticas Se encuentran en peroxisomas y glioxisomas. No requieren de un sustrato reductor 2 H2O H2O + O2 H2O2 + Fe (III)-E H2O O=Fe(IV)-E H2O2 + O=Fe(IV)-E H2O O Fe (III)-E
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PAPEL BIFUNCIONAL DE LA CATALASA
Elimina el peróxido de hidrógeno Forma peróxidos a partir de una molécula orgánica Reacción de dismutación Reacción de Peroxidación
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CLASIFICACION Subgrupo I: Catalasa verdadera ó típica.
Subgrupo II: Catalasa-peroxidasa (eucariotas de hongos) Subgrupo III: Catalasa atípica. (no hemínica, Mn)
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REGULACION DE LA ACTIVIDAD DE CATALASA
El Acido salicílico o sustancias similares regulan la actividad de catalasa Tejidos sanos [H2O2] AS CATALASA Tejidos cercanos a celulas necróticas [H2O2] AS Donor de e- En tabaco el óxido nítrico inhibe la enzima
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FUNCION DE LA CATALASA EN EL ESTRÉS
Nicotiana plumbaginifolia (C3) Sistema fotorespiratorio Estrés oxidativo b-oxidación de los ácidos grasos en los glioxisomas gen Cat1 gen Cat2 gen Cat3 Plantas de tabaco Exposición luz lesiones necróticas en las hojas. CATALASA
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GLUTATION REDUCTASA FLAVOPROTEÍNA HOMODIMÉRICA
G-S-S-G NADPH H+ 2 GSH NADP+ Glutatión Glutatión Oxidado reducido FLAVOPROTEÍNA HOMODIMÉRICA
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ISOENZIMAS DE GLUTATION REDUCTASA
CLOROPLASTOS CITOSOL PRODUCTO DE DIFERENTES GENES MITOCONDRIA Secuencias Regulación Respuestas a señales ambientales diferentes.
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Glutatión peroxidasa No es una enzima constitutiva.
2 GSH R-OOH GSSG H2O ROH No es una enzima constitutiva. Inducida en respuesta al estrés. Es mas importante en la remoción de peróxidos de lípidos y alquilos.
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MECANISMOS DE DEFENSA NO ENZIMATICOS
ACIDO ASCORBICO GLUTATION TOCOFEROL CAROTENOIDES FITOQUELATINAS POLIAMINAS FLAVONOIDES
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Propiedades del Acido ascórbico
Antioxidante (citoplasma, cloroplastos, vacuolas) Muy reactivo (recolector de radicales libres: O2.-, H2O2). Estabiliza el radical hidroxilo Evita la peroxidación lipídica Regenera la vitamina E Importante para el crecimiento, diferenciación celular y el metabolismo. FUENTES DE ACIDO ASCORBICO: Grosella, pimiento verde, kiwi, limón, coliflor, naranja, tomate y melón
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BIOSINTESIS DE ACIDO ASCORBICO (CITOSOL)
D-GLUCOSA D-MANOSA D-GALACTOSA L.GALACTOSA L-GALACTO-1,4-LACTONA Membrana Interna Mitocondrial L-galacto-1,4 deshidrogenasa (EC ) ACIDO ASCORBICO Transportador específico (Km AA 90 uM y Km DHA = 20 uM)
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Determinación VIT C (Acido Ascórbico)
1)Por la oxidación de acido ascórbico con el reactivo 2,6-diclorofenol indofenol 2) Acido ascórbico: Formación del complejo entre Fe2+ y bipiridil después de una reducción de Fe3+; l 525 nm. Acido Ascórbico total: Reducción de ascorbato oxidado, l 500 nm
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MONODEHIDROASCORBATO
ACIDO ASCORBICO Superóxido Peróxido de hidrógeno Radical tocoferilo Reductasa MONODEHIDROASCORBATO GSSG Reductasa 2GSH DEHIDROASCORBATO Tartrato + oxalato
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EL GLUTATION ES EL MAYOR RESERVORIO DE AZUFRE NO PROTEICO
NH3 O O -OOC-CH-CH2-CH2-C-NH-CH-C-NH-CH2-COO CH2 SH g-Glutamato Glicina Cisteína GLUTATION REDUCIDO + ו װ GLUTATION Oxidado Glu-Cys-Gli │ EL GLUTATION ES EL MAYOR RESERVORIO DE AZUFRE NO PROTEICO
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PROPIEDADES DEL GLUTATION
Protege las proteínas de la oxidación del grupo tiol. Detoxificador por conjugación con algunos herbicidas. Está presente en la mayoría de los células y compartimentos subcelulares. Mayor nivel en cloroplastos. Reduce el DHA a ascorbato. Es recolector de radicales libres. Estabiliza las membranas (remueve peróxidos).
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TOCOFEROL (Vit E) Hidrofóbico (unido a membranas)
Posee un anillo benzoquinona y una cadena fitilo Secuestrante de O2 y peróxidos Evita la propagación de las reacciones de peroxidación Maíz tolerante al frío: >> tocoferoles y glutatión. El Ascorbato regenera tocoferol
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MODO DE ACCION DEL a-TOCOFEROL
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CAROTENOIDES Flia. de Isoprenoides y tetraterpenos (Carotenos y Xantófilas) Unidos a membranas (Oxígeno singulete) Cloroplastos (ROS) Plastidios (tejidos fotosin. y no fotosintéticos) Clorofila Triplete: Caroteno evita formación ´O2 singulete Zeaxantina Disipa la energía de la clorofila excitada
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En término de sus propiedades antioxidantes, los carotenoides, pueden proteger los fotosistemas por 4 vías: Por reacción con productos de lipoperoxidación al terminar las reacciones en cadena. Por el reclutamiento de oxígeno singulete y disipación de la energía como calor. Por reacción con moléculas de clorofila triplete o excitadas para prevenir la formación de oxígeno singulete. - Por la disipación de exceso de energía de excitación a través del ciclo de las xantofilas.
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POLIAMINAS Son pequeñas aminas alifáticas y se clasifican como diaminas y poliaminas propiamente dichas. Son moléculas básicas cargadas positivamente al pH fisiológico. Se unen a moléculas con cargas negativas, como por ejemplo ácidos nucleicos, fosfolípidos y varias proteínas. Las poliaminas aparecen en las plantas de manera libre o conjugada a pequeñas moléculas. Están implicadas en la regulación de la senescencia y morfogénesis y quizás su principal función es responder a diferentes estreses en plantas. La oxidación de las diaminas o poliaminas por las diamino- y poliaminoxidasas respectivamente, producen altos niveles de H2O2 que causan la muerte de la célula vegetal, o crean un halo que limita la entrada del hongo o virus y por otro lado ataca directamente al virus u hongo.
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