CYTOKININY, ICH STRUKTURA, METABOLIZM I AKTYWNOŚĆ BIOLOGICZNA.pdf

Tom 52, 2003

Numer 2-3 (259-260)

Strony 203–215

R OMUALD C ZERPAK iA LICJA P IOTROWSKA

Zak³ad Biochemii Roœlin

Instytut Biologii

Uniwersytet w Bia³ymstoku

Œwierkowa 20 B, 15-950 Bia³ystok

e-mail: alicjap@uwb.edu.pl

CYTOKININY, ICH STRUKTURA, METABOLIZM I AKTYWNOŒÆ BIOLOGICZNA

WSTÊP

Cytokininy, poza podstawowymi w³aœciwo-

œciami stymulacji podzia³ów komórkowych i

opóŸniania procesów starzenia siê,

wspó³uczestnicz¹ z innymi fitohormonami w

regulacji i koordynacji wielu procesów bioche-

miczno–fizjologicznych i morfogenetycznych

podczas ca³ej ontogenezy, a najintensywniej w

m³odych szybko rosn¹cych roœlinach. Pierwsza

cytokinina tj. N 6 –furfuryloadenina (FA) zwana

potocznie kinetyn¹ zosta³a wyizolowana przez

M ILLERA i wspó³prac. (1955a, b) z komórek

zwierzêcych i dro¿d¿y jako artefakt powsta³y

podczas preparatyki kwasów nukleinowych.

Naturaln¹ cytokininê po raz pierwszy wyizolo-

wa³ L ETHAM w 1963 r. z niedojrza³ych ziaren

kukurydzy ( Zea mays ) i nazwa³ j¹ zeatyn¹. Jest

to N 6 -(

(L ETHAM 1963, S KOOG i wspó³aut. 1967,

L EONARD i wspó³aut. 1969, R OGOZIÑSKA 1969,

S KOOG iA RMSTRONG 1970, V AN S TADEN i

B RECH 1973, A UGIER 1974, B ORKOWSKA 1976,

K ENTZER i wspó³aut. 1980, M ILLER 1985). W

przyrodzie najczêœciej spotykane s¹ cytokininy

z alifatycznym podstawnikiem izopentenylo-

wym w ró¿nych modyfikacjach chemicznych,

zaœ rzadziej wystêpuj¹ z rodnikiem benzylo-

wym i jego hydroksylowymi pochodnymi

(H ORGAN i wspó³aut. 1975, E RNST i wspó³aut.

1983, S TRNAD 1997, B AROJA -F EMANDEZ i

wspó³aut. 2002). Równie¿ aktywnoœæ cytokini-

now¹ wykazuj¹ niektóre zwi¹zki syntetyczne

pochodne mocznika z podstawnikami: fenylo-

wym, pirydylowym, tiodiazolowym i ich ró¿ny-

mi modyfikacjami chemicznymi. Tego rodzaju

cytokininy próbuje siê zastosowaæ w praktyce

rolniczo–ogrodniczej i sadowniczej (B RUCE i

wspó³aut. 1965; T AKAHASHI i wspó³aut. 1978;

I WAMURA i wspó³aut. 1980; K UROSAKI i

wspó³aut. 1981; M OK i wspó³aut. 1982, 1987,

M OK iM OK 1985; T HOMAS iK ATTERMAN 1986;

K LYACHKO i wspó³aut. 1987; B ORKOWSKA i

L ITWIÑCZUK 1993; H EUTTEMAN iP REECE 1993).

BUDOWA CHEMICZNA CYTOKININ POCHODNYCH ADENINY I MOCZNIKA

Naturalne cytokininy s¹ pochodnymi zasa-

dy purynowej adeniny, w której do grupy ami-

nowej zlokalizowanej przy atomie wêgla C-6

przy³¹czony jest najczêœciej piêciowêglowy

izoprenowy ³añcuch alifatyczny, a rzadziej aro-

matyczny podstawnik benzylowy, w ró¿nych

2 -4-hydroksyizopentenylo) adenina,

która powszechnie wystêpuje w œwiecie roœlin

i intensywnie stymuluje podzia³y komórkowe

tkanki twórczej. W nastêpnych latach, z roœlin

naczyniowych, glonów, bakterii i grzybów, wy-

odrêbniono sporo zwi¹zków o w³aœciwoœciach

cytokininowych, pochodnych adeniny, z pod-

stawnikami alifatycznymi przy azocie grupy

aminowej po³¹czonej z atomem wêgla C-6

204

R OMUALD C ZERPAK iA LICJA P IOTROWSKA

modyfikacjach chemicznych (Ryc. 1). Równie¿

znane s¹ syntetyczne analogi chemiczne cyto-

kinin, np. N 6 -farnezyloadenina, N 6 -geranyload-

enina, N 6 -cykloheksyloadenina i N 6 -furfurylo-

adenina, jako jedna z najbardziej aktywnych

biologicznie (S KOOG iA RMSTRONG 1970,

H ORGAN i wspó³aut. 1975, B ORKOWSKA 1976,

M ILLER 1985, M OORE 1989, K AMINEK i

wspó³aut. 1992, M OK iM OK 2001).

tocznie o -i m –topolinami, gdy¿ po raz pierw-

szy zosta³y wykryte w topoli ( Populus robusta )

i nieco póŸniej w any¿ku ( Pimpinella anisum

L.) (H ORGAN i wspó³aut. 1975, E RNST i

wspó³aut. 1983). Ostatnio coraz czêœciej po-

twierdza siê ich obecnoœæ w innych grupach

taksonomicznych roœlin (S TRNAD 1997,

B AROJA -F EMANDEZ i wspó³aut. 2002).

S KOOG ze wspó³pracownikami (1967)

jako pierwszy wykaza³, ¿e stymuluj¹ca aktyw-

noœæ cytokinin zale¿y przede wszystkim od

charakteru chemicznego podstawnika w po-

zycji N 6 . W przypadku cytokinin z podstawni-

kiem alifatycznym, ich aktywnoœæ stymuluj¹ca

uwarunkowana jest d³ugoœci¹ ³añcucha,

liczb¹ i rozmieszczeniem w nim wi¹zañ po-

dwójnych oraz dodatkowo przy³¹czon¹ grup¹

hydroksylow¹ b¹dŸ metylow¹. Spoœród takich

cytokinin najwiêksz¹ aktywnoœæ wykazuj¹ te,

które maj¹ przy³¹czony piêciowêglowy

³añcuch pochodny izoprenu z wi¹zaniem po-

dwójnym w œrodku cz¹steczki i przy³¹czon¹

do czwartego atomu wêgla grup¹ hydroksy-

low¹. Takim zwi¹zkiem jest zeatyna, która

mo¿e tworzyæ dwie formy izomeryczne: cis o

mniejszej aktywnoœci biologicznej i trans — o

wiêkszej (L ETHAM 1963, M ATSUBARA 1980,

M OORE 1989).

Okaza³o siê, ¿e wprowadzenie dodatko-

wych podstawników do cytokinin, np. do azo-

tu grupy aminowej lub bezpoœrednio do pierœ-

cienia purynowego, niekorzystnie wp³ywa na

stymuluj¹ce dzia³anie cytokinin na wzrost i

procesy fizjologiczno–metaboliczne roœlin. W

przypadku cytokinin zawieraj¹cych podstaw-

nik aromatyczny, np. BA, b¹dŸ heterocykliczny

jak FA, stwierdzono, ¿e tylko jednowêglowy

mostek alkilowy przy azocie N 6 grupy amino-

wej adeniny z w/w podstawnikami najkorzyst-

niej wp³ywa na ich stymuluj¹c¹ aktywnoœæ bio-

logiczn¹. Ka¿da modyfikacja chemiczna pole-

gaj¹ca na wprowadzeniu do grupy aminowej, a

szczególnie do pierœcienia zasady purynowej,

dodatkowych podstawników, zw³aszcza takich

jak: chlorowce, grupa sulfhydrylowa, azowa

b¹dŸ aminowa, przewa¿nie powoduje wytwo-

rzenie u nich silnych w³aœciwoœci antycytokini-

nowych hamuj¹cych podzia³y komórkowe, ich

wzrost i metabolizm. Niektóre z tego rodzaju

antycytokinin dzia³aj¹ mutagennie, gdy¿ mog¹

byæ wbudowywane do DNA genomu komórko-

wego (S KOOG i wspó³aut. 1967, B ORKOWSKA

1976, K UROSAKI i wspó³aut. 1981).

Cytokininy tworz¹ liczne po³¹czenia N -gliko-

zydowe przewa¿nie z azotem N -9, sporadycz-

Ryc. 1. Chemiczna struktura pospolitych wol-

nych form cytokinin pochodnych adeniny (M OK

iM OK 2001).

W roœlinach powszechnie wystêpuj¹ cyto-

kininy z podstawnikami alifatycznymi, g³ów-

nie zeatyna, dihydrozeatyna, N 6 - D 2 -izopenteny-

loadenina (2iP), 9- - D -rybofurnazylo-2iP (IPA) i

ich ró¿ne modyfikacje z dodatkowymi pod-

stawnikami: hydroksylowym lub metylowym

(B ORKOWSKA 1976, M ILLER 1985, N ANDI i

wspó³aut. 1989, M CGAW iB URCH 1995). Nato-

miast rzadziej spotykane s¹ cytokininy z aroma-

tycznym podstawnikiem benzylowym: jak

N 6 –benzyloadenina (BA) i jej hydroksylowe

pochodne: N 6 - orto- hydroksybenzyloadenina i

N 6 - meta - hydroksybenzyloadenina, zwane po-

Cytokininy, ich struktura, metabolizm i aktywnoœæ biologiczna

205

Ryc. 2. Struktura i nazewnictwo po³¹czeñ glikozydowych naturalnych cytokinin pochodnych adeni-

ny, zawieraj¹cych grupy cukrowe: - D -glukopiranozylow¹ i -D-rybofuranozylow¹ (B ORZOBOHATY i

wspó³aut. 1994).

nie N -7, najczêœciej z ryboz¹ b¹dŸ glukoz¹ a rza-

dziej z ksyloz¹ (Ryc. 2). Rzadziej spotykane s¹

po³¹czenia cytokinin O -glikozydowe z glukoz¹

b¹dŸ ksyloz¹ oraz estrowe kwasu fosforowego

lub octowego z grup¹ hydroksylow¹ ³añcucha

alifatycznego zlokalizowanego przy azocie N 6

grupy aminowej zeatyny i dihydrozeatyny

(Ryc. 2, 3). Wœród niektórych roœlin np. w

m³odych ³odygach i korzeniach ³ubinów ( Lupi-

nus sp. ), korzeniach kie³kuj¹cych nasion fasoli

( Phaseolus sp. ) i niedojrza³ych nasionach

jab³oni ( Malus sp. ) wykryto amidowe po³¹cze-

nie aminokwasu alaniny z azotem N -9 cytokini-

ny. Po³¹czenie to zosta³o nazwane kwasem lu-

pinowym, który nie wykazuje ju¿ stymuluj¹cej

aktywnoœci (L ETHAM 1963, M ATSUBARA 1980,

M CGAW iB URC H 1995).

Odrêbn¹ grupê zwi¹zków o w³aœciwo-

œciach cytokininowych stanowi¹ pochodne

mocznika z podstawnikami fenylowymi, b¹dŸ

nienasyconymi heterocyklicznymi, np. piry-

dylowym, tiodiazolowym i ich modyfikacjami

z przy³¹czon¹ dodatkowo grup¹: hydroksy-

low¹, chlorkow¹, metylow¹, metoksylow¹,

metylenodioksylow¹, itp. (Ryc. 4). W latach

60. B RUCE ze wspó³pracownikami (1965) jako

pierwsi wykazali stymuluj¹ce dzia³anie

N , N’ -difenylomocznika, a nastêpnie przebada-

li kilkaset pochodnych mocznika okreœlaj¹c

ich aktywnoœæ biologiczn¹. Aktualnie najczê-

œciej stosowanych jest kilkanaœcie cytokinin

mocznikowych, spoœród których szczególne

znaczenie, poza difenylomocznikiem (DPU),

maj¹ tidiazuron (TDZ), N -fenylo- N ’-2-chloro-

206

R OMUALD C ZERPAK iA LICJA P IOTROWSKA

Ryc. 3. Enzymy i geny uczestnicz¹ce w modyfikacjach N 6 -izoprenoidowego ³añcucha cytokinin adeni-

nowych (M OK iM OK 2001).

4-pirydylomocznik (CPPU), N- 2,3- lub

N -3,4-dimetoksyfenylo- N’- fenylomocznik i

N- 2,3- lub N -3,4-metylenodioksyfenylo- N’ -fe-

nylomocznik (Ryc. 4) (T AKAHASHI i wspó³aut.

1978; I WAMURA i wspó³aut. 1980; M OK i

wspó³aut. 1982; 1987; M OK iM OK 1985;

T HOMAS iK ATTERMAN 1986; M OK iM OK 2001;

R ICCI i wspó³aut. 2001). W³aœciwoœci cytokini-

nopodobne wykazuj¹ tak¿e niektóre zwi¹zki o

ró¿nej strukturze chemicznej, np. alantoina

(5-ureidohydantoina), nitroguanidyna, kwas

traumatynowy (1-deceno-1,10-dikarboksy-

lowy) i inne (C ZERPAK 1979, M OORE 1989,

K AMINEK i wspó³aut. 1992, C ZERPAK iB AJGUZ

1997, J ANKIEWICZ 1997).

Badania B RUCE i wspó³aut. (1965) oraz

K UROSAKI i wspó³aut. (1981) wykaza³y, ¿e cyto-

kininy purynowe pochodne adeniny i cytokini-

ny mocznikowe maj¹ w cz¹steczce tak¹ sam¹

Ryc. 4. Chemiczna struktura bardziej znanych syn-

tetycznych cytokinin pochodnych mocznika

(M OK iM OK 2001, R ICCI i wspó³aut. 2001).

Cytokininy, ich struktura, metabolizm i aktywnoœæ biologiczna

207

domenê warunkuj¹c¹ ich aktywnoœæ biolo-

giczn¹. W przypadku cytokinin mocznikowych

jest to fragment cz¹steczki -HN-CO-NH-, zaœ w

cytokininach purynowych fragment pierœcie-

nia adeninowego -N=CH-NH-, odpowiadaj¹cy

pozycjom 7, 8, 9.

Cytokininy adeninowe w komórkach mog¹

wystêpowaæ w formie wolnych zasad oraz w

po³¹czeniach N -glikozydowych, najczêœciej

- D -rybozy, rzadziej - D -glukozy i sporadycznie

- D -ksylozy z azotem w pozycji N- 9 lub N- 7.

Przewa¿nie ³¹cz¹c siê z ryboz¹, tworz¹ rybo-

zyd, a po przy³¹czeniu do niego kwasu orto -fo-

sforowego przekszta³caj¹ siê w mononukle-

otyd zwany rybotydem. Obecnoœæ takich nu-

kleotydów stwierdzono w s¹siedztwie antyko-

donu i pêtli bocznej tRNA, fragmencie poliade-

nylowym mRNA, a nawet w rRNA, gdzie

spe³niaj¹ one istotn¹ rolê regulacyjn¹ o charak-

terze stymuluj¹cym w procesie translacji. Na-

jaktywniejsze biologicznie s¹ cytokininy w for-

mie wolnych zasad i po³¹czeñ rybozydowych

(M ATSUBARA 1980, K UBOWICZ 1982, S PYCHA£A

i wspó³aut. 1982, G WÓD iW ONY 1983,

T EYSSENDIER i wspó³aut. 1984, N ANDI i

wspó³aut. 1989, S UTY i wspó³aut. 1993,

B ORZOBOHATY i wspó³aut. 1994, M CGAW i

B URCH 1995, G AUDINO iP IKAARD 1997).

BIOSYNTEZA I PRZEMIANY METABOLICZNE CYTOKININ ADENINOWYCH

Cytokininy s¹ syntezowanie w ró¿nych ro-

dzajach tkanki twórczej, ale g³ównym miej-

scem ich biosyntezy s¹ merystemy wierz-

cho³kowe systemu korzeniowego, tkanka kalu -

sowa oraz m³ode intensywnie rosn¹ce owoce i

nasiona. W obrêbie roœlin cytokininy charakte-

ryzuj¹ siê s³ab¹ ruchliwoœci¹. Dotychczas bio-

synteza cytokinin nie jest w szczegó³ach ca³ko-

wicie wyjaœniona. Wed³ug aktualnych

pogl¹dów istniej¹ dwa niezale¿ne szlaki pro-

wadz¹ce do wytworzenia wolnych form cyto-

kinin. Jeden z nich mo¿e polegaæ na uwalnia-

niu cytokin adeninowych w trakcie degradacji

kwasów rybonukleinowych, g³ównie tRNA,

który jest w nie najbogatszy. Ten szlak powsta-

wania cytokinin nie ma wystarczaj¹cych dowo-

dów eksperymentalnych w pe³ni potwier-

dzaj¹cych prawdziwoœæ jego istnienia (L ETHAM

iP ALNI 1983, N OODEN iL ETHAM 1993, M CGAW i

B URCH 1995, G RAY i wspó³aut. 1996, C HEN

1997).

Równie¿ ostatnie badania B ARCISZEWS-

KIEGO i wspó³aut. (2000) sugeruj¹ ¿e istnieje

du¿e prawdopodobieñstwo wytwarzania kine-

tyny ( N 6 -furfuryloaminopuryny) i byæ mo¿e in-

nych cytokinin u roœlin, bakterii symbiotycz-

nych, a nawet w komórkach zwierzêcych z

DNA, zw³aszcza w warunkach stresowych.

Wed³ug tej hipotezy podczas oksydacyjnej de-

gradacji nie tylko RNA, ale tak¿e DNA, poprzez

reakcje hydrolizy i hydroksylacji mog¹ powsta-

waæ zwi¹zki cytokininowe jako wtórne, nietok-

syczne produkty reakcji, bêd¹ce efektem neu-

tralizacji szkodliwych grup w nukleotydach,

buduj¹cych kwasy nukleinowe (A KIYOSHI i

wspó³aut. 1984, N IETO iF RANKENBERGER 1990,

G RAY i wspó³aut. 1996).

2 -izopentenylo-AMP (rybotyd 2iP), który

mo¿e ulegaæ wielu przemianom metabolicz-

nym i modyfikacyjnym tworz¹c ró¿ne formy

cytokinin, tj. rybotydy, rybozydy i wolne zasa-

dy g³ównie zeatynê, dihydrozeatynê, izopente-

nyloadeninê (2iP) i N 9 -rybozyd 2iP (IPA)

(C HEN iM ELITZ 1979, A KIYOSHI i wspó³aut.

1984, N IETO i RANKENBERGER 1990,

B LACKWELL iH ORGAN 1994, M CGAW iB URCH

1995, K AKIMOTO 2001).

W cytoplazmie i wakuolach komórek ro-

œlinnych, cytokininy endo- i egzogenne, ule-

gaj¹ ró¿norodnym przemianom i modyfika-

cjom biochemicznym (Ryc. 6). W efekcie tych

przemian najczêœciej powstaj¹ formy nieak-

tywne biologicznie o funkcji transportowej,

b¹dŸ zapasowej w celu zwiêkszenia ich puli,

aby mog³y byæ wykorzystane do regulacji w

poszczególnych fazach wzrostu i rozwoju

ca³ych roœlin i ich pojedynczych komórek. Do-

tychczas najlepiej zosta³y poznane przemiany

metaboliczne dotycz¹ce konwersji miêdzy

Ca³y szereg dotychczasowych doœwiadczeñ

wskazuje na to, ¿e cytokininy syntezowane s¹

przede wszystkim de novo z zasady purynowej

adeniny i kwasu mewalonowego jako donora

alifatycznego ³añcucha bocznego przy azocie

grupy aminowej N 6 . Biosynteza cytokinin de

novo , których szlaki mog¹ byæ inicjowane

przez przy³¹czenie ³añcucha izopentenylowe-

go, pochodz¹cego z aktywnego -dimetyloa-

llilo-pirofosforanu do azotu N 6 grupy amino-

wej mononukleotydów adeninowych: AMP

lub ADP b¹dŸ ATP, w reakcji katalizowanej

przez enzym transferazê izopentenylow¹ s¹

przedstawione w szczegó³ach na Ryc. 5. W ten

sposób powstaje miêdzy innymi rybotyd

N 6 -

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: