Enzimatik Savunma Sistemi

Aerobik organizmalar çeşitli stres faktörlerinin etkisiyle meydana gelen reaktif oksijen türlerinin (ROS) etkisini minumuma indirmek için enzimatik savunma sistemlerine sahiptirler. Enzimatik savunma sisteminde süperoksit dismutaz, katalaz, peroksidaz, askorbat peroksidaz, glutatyon redüktaz, fenilalanin amonyum liyaz gibi enzimler yer alır.

1.6.2.1. Superoksit Dismutaz (SOD)

Superoksit dismutaz (SOD) (EC 1.15.1.1) enzimi, süperoksit radikallerine karşı hücrelerde enzimatik antioksidan savunmlardan biridir. Süperoksit radikalini (O2˙⁻), serbest oksijen (O2) ve daha az reaktif olan bileşik olan hidrojen peroksite ( H2O2)

dönüştürür. SOD aktivetesindeki artış oksidatif strese karşı geliştirilen dirençle ilişkilidir.

2 H+ + 2O2˙⁻ SOD H2O2 + O2 (1.25)

Bu reaksiyon aerobik tüm organizmalarda ve bazı anaerobik canlılarda da gerçekleşir. Bu enzim genelde aktif oksijen oluşturan hücre kompartmanlarında bulunur. Cu-Zn içeren SOD birçok ökaryotik canlıdan izole edilmiştir. SOD’un tüm formları çekirdek tarafından kodlanır ve amino ucunun işaretlenmesi ile de gideceği hücre kompartmanı belirlenir (Akgül, 2010).

SOD’un aktif metal iyonu merkezine, amino asit yapısına, alt ünitelerinin sayısına, kofaktörlerine ve diğer özelliklerine bağlı olarak farklı izoenzimleri bulunmaktadır. Fe - SOD kloroplastlarda, Mn-SOD mitokondri ve peroksizomlarda, Cu-Zn SOD sitosolde, kloroplastlarda ve hücre çeperi ile membran arasında bulunmaktadır. H2O2’ye karşı bu izoenzimlerin hasasiyetlei faklıdır (Blokhina ve ark., 2003).

1.6.2.2. Katalaz (CAT)

Hidroperoksidaz olarak da isimlendirilen katalaz (EC 1.11.1.6) bir sitokrom sistemine sahip tüm aerobik canlılarda bulunan ve H2O2’nin su ve oksijene parçalanmasını katalizleyen özel bir proteindir. Farklı formları (CAT-1, CAT-2, CAT-3) bulunan katalaz, hemen hemen tüm hücresel dokularda peroksizom, glioksizom, sitosol ve mitokondride lokolize olmuştur. Kloroplastlarda ise CAT ya çok az ya da hiç bulunmaz. Katalaz enzimi hücrelerin metabolik etkinlikleri sonucunda oluşan ve çevresel stres koşullarında miktarı artan hidrojen peroksit (H2O2)’in uzaklaştırılması sayesinde daha reaktif olan hidroksil radikallerinin oluşumu önlenmiş olur. Reaktif oksijen türlerinin uzaklaştırılması aerobik ortamda yaşamayı kolaylaştırır.

CAT hem elektron alıcısı hem de elektron vericisi olarak H2O2’yi kullanır. CAT inaktivasyonu H2O2 birikimine yol açar. H2O2 patojen ilgili genlerin uyarılmasında ikinci mesajcı olarak hareket eder (Breusegem ve ark., 2001).

Bitkiler pek çok katalaz izoformlarına sahiptir. Genel olarak H2O2 gidericisi olan CAT üç sınıfa ayrılır. Birinci sınıf katalazlar, fotosentetik dokularda çok fazladır ve fotosentez sürecinde üretilen H2O2’nin giderilmesini sağlarlar. Đkinci sınıf katalaz, vasküler dokularda aşırı üretilir ve lignifikasyonda önemli rol oynar. Üçüncü sınıf katalazlar ise tohum ve genç bitkilerde bol bulunur. Glioksizomlarda glioksilat döngüsünde yağ asitlerinin parçalanması sürecinde üretilen H2O2’nin ortadan kaldırılmasında rol oynar (Breusegem ve ark., 2001).

1.6.2.3. Peroksidaz (POD)

Peroksidaz (EC 1.11.1.7), H2O2’in etkisini yok ederek indirgeyen enzim grubunu ifade eder. POD, hidrojen peroksiti kullanarak çok sayıda organik ve inorganik substratın oksidasyonunu katalizleyen hem proteinleridir. Lignin sentezinde, IAA (indol asetik asit) sentezinde ve H2O2’in suya dönüştürülmesinde yer alır. POD, guaiacol’u e- vericisi olarak kullanır ve bu yüzden guaiacol peroksidaz olarak da isimlendirilir (Cicerali, 2004). Guaiakol peroksidaz izoenzimleri fenolik bileşikleri elektron vericisi olarak tercih eder. Vakuol önemli miktarlarda fenolik bileşik, guaikol peroksidaz ve askorbat içerir. Bunlar çeşitli stres koşullarında bitki hücrelerinde oluşan H2O2’yi yok etmek üzere bir çeşit detoksifikasyon mekanizması olarak iş görmektedir (Eryılmaz, 2007).

1.6.2.4. Askorbat Peroksidaz (APX)

Askorbat peroksidaz (EC 1.11.1.11) tüm ökaryotik canlılarda bulunan peroksidaz ailesinin bir üyesidir. APX indirgeyici askorbik asit varlığında H2O2’yi su ve monodehidroaskorbat (MDHA) radikali katalizler. Enzimin fizyolojik substratı olan askorbatı elektron vericisi olarak kullanır (Shigeoka ve ark., 2002). Askorbatın dışında bazı aromatik subsratların (AH2)’da oksidasyonunu katalizler.

2Askorbat + H2O2 APX 2 MDHA + 2H2O (1.27)

H2O2 + 2AH2 Peroksidaz 2H2O + 2AH (1.28)

Fizyolojik koşullar altında reaksiyonun ara ürünü monodehidroaskorbat radikali olup başka bir enzimce tekrar askorbata indirgenir. Askorbat hücrede peroksidaz sitozolde, kloroplastlarda, peroksizomlarda bulunur. Bütün askorbat peroksidaz enzimleri elektron vericisi olarak askorbatı kullanmaktadırlar. (Toprak, 2007).

1.6.2.5. Glutatyon Redüktaz (GR)

Glutatyon redüktaz (EC 1.6.4.2), bitki, hayvan ve bakterilerde yaygın şekilde bulunur. NADPH varlığında Glutatyonun (GSH) rejenerasyonunu sağlamak için askorbat- glutatyon döngüsünde anahtar bir enzimdir. Genç yapraklarda yaşlı yapraklardan daha fazla bulunur (Hou ve ark., 2004). NADPH varlığında okside glutatyonu (GSSG) indirgenmiş glutatyona (GSH) dönüştürerek antioksidan etki gösterir. GSH antioksidan olarak görev yapar ve serbest radikal ve organik peroksitlerle reaksiyona girer, amino asit taşınımında görev alır, glutatyon peroksidaz ve glutatyon S-transferaz enzimlerinin substratıdır. GR bitki dokularında kloroplast, mitokondri ve sitosolde bulunur (Cicerali, 2004).

H2O2 + 2GSH GPX GSSG + 2 H2O (1.29) GSSG + NADPH + H+ GR 2GSH + NADP+ (1.30)

Hücrelerde GSSG olmadığı durumlarda NADPH’ın hücre içi seviyesinin düşmesi glutatyon redüktazı inaktive eder. Oksidatif bir stres sonucu GSSG’nin hücre içi seviyesi artınca da glutatyon redüktaz yeniden aktive olur (Demirci, 2006).

1.6.2.6. Fenilalanin Amonyum Liyaz (PAL)

Fenilalanin amonyum liyaz (PAL; EC 4.3.1.5), fenilpropanoid biyosentez yolunda yer alan kilit enzimdir. PAL bitkilerde fenolik bileşiklerin hücrelerdeki yapısal ve

savunmaya bağlı işlevlerinden sorumludur (MacDonald ve D’Cuncha, 2007). PAL enzimi, L-fenilalanin amino asidinin deaminasyonla trans-sinnamik asidin oluşumunu katalize etmektedir (El Shora, 2002). Çeşitli çevresel stres koşullarında PAL aktivitesinin artması bu enzimin bitkilerin savunma mekanizmasındaki önemini ortaya koymaktadır. Abiyotik ve biyotik çevresel stres etmenlerinde peroksidaz ve fenilalanin amonyum liyaz enzimlerinin aktivitelerindeki artış da bitkilerdeki savunma sisteminin önemli göstergelerinden biri olarak kabul edilmektedir (Eryılmaz, 2007). PAL stres koşullarında bitkilerde biriken sinyal molekülü olarak bilinen salisilik asidin biyosentezinde rol alan anahtar enzimdir. Bu enzim bitkilerde, mantarlarda yaygın şekilde bulunurken bakteri ve hayvansal dokularda bulunmaz (El Shora, 2002).

Çeşitli enzimatik ve enzimatik olmayan sistemler bitkilerde oksidatif hasarın ortadan kaldırılmasında rol aoynarlar. Süperoksit dismutaz, katalaz, peroksidaz, askorbat peroksidaz ve glutatyon redüktaz enzimleri aktifleşmiş oksijen türlerinin ortadan kaldırılmasında rol alırlar. Peroksizom, mitokondri, sitoplazma ve kloroplastta yer alan enzim döngüsü askorbik asitin, indirgenmiş glutatyonun ve α-tokoferolün rejenerasyonuna katılırlar. Bu döngüyle ilgili temel mekanizma şekil 1.9.’da gösterilmiştir.

Şekil 1.9. Bitkilerde reaktif oksijen türlerini zararsız hale dönüştüren hücresel ana metabolik yol ( Bailly, 2004)