534 M. E. KENDZIOREK, B. M. ZAGDAÑSKA sensitivity response to virus attack and (iv) regulates the alternative oxidase activity in miotchondria. Activa

Transkrypt

1 POSTÊPY BIOLOGII KOMÓRKI TOM NR 3 ( ) AMINOTRANSFERAZA ALANINOWA W ROŒLINACH WY SZYCH 533 AMINOTRANSFERAZA ALANINOWA W ROŒLINACH WY SZYCH ALANINE AMINOTRANSFERASE IN HIGHER PLANTS Maria El bieta KENDZIOREK, Barbara Maria ZAGDAÑSKA Katedra Biochemii, Wydzia³ Rolnictwa i Biologii, Szko³a G³ówna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Streszczenie: Aminotransferaza L-alanina:2-oksoglutaran (EC ) nazywana alaninow¹ (AlaAT) katalizuje reakcjê transaminacji miêdzy L-alanin¹ a 2-oksoglutaranem oraz odwrotn¹, miêdzy L-glutaminianem a pirogronianem. Jest jednym z najwa niejszych enzymów uczestnicz¹cych syntezie i degradacji L- alaniny. U roœlin wykazano obecnoœæ kilku izoenzymów (2 do 6 w zale noœci od roœliny) tego enzymu. Lokalizacja subkomórkowa izoenzymów tej amniotransferazy w cytoplazme, mitochondriach i peroksysomach wydaje siê byæ œciœle powi¹zana z rol¹ metaboliczn¹: (i) u roœlin typu C 4 (Paniculum miliaceum) aminotransferaza alaninowa umo liwia transfer jednostek C 3 (pirogronian) z mezofilu do do pochwy oko³owi¹zkowej, (ii) peroksysomalna aminotransferaza alaninowa wykazuj¹ca aktywnoœæ transaminazy L-glutaminian : glioksalan zaanga owana jest w regulacjê aktywnoœci fotooddychania, (iii) aminotransferaza alaninowa niewykazuj¹ca aktywnoœci transaminazy L-glutaminian : glioksalan bierze udzia³ w odpowiedzi nadwra liwoœci na atak oraz (iv) enzym ten reguluje aktywnoœæ oksydazy alternatywnej w mitochondriach. Zaobserwowano tak e aktywacjê aminotransferazy alaninowej pod wp³ywem niedotlenienia i towarzysz¹c¹ jej akumulacjê L-alaniny. Na tej podstawie wysuniêto przypuszczenie, e enzym ten mo e byæ zaanga owany w reakcje umo liwiaj¹ce roœlinie tolerowanie ró nych niekorzystnych czynników, takich jak okresowe zalewanie pól czy zaleganie okrywy œniegu. Badania nad roœlinami transgenicznymi wykaza³y tak e jej kluczow¹ rolê w metabolizmie azotu. Ponadto peroksysomalna aminotransferaza alaninowa wspo³dzia³aj¹ca z glioksalanem jako akceptorem grupy aminowej jest zaanga owana w regulacjê stê enia seryny, cytruliny i glicyny w liœciach. S³owa kluczowe: aminotransferaza alaninowa, izoenzymy, hypoksja, deficyt azotu, fotooddychanie. Summary: Alanine:2-oxoglutarate aminotransferase (EC ), also called alanine aminotransferase (AlaAT), catalyses transamination reaction between L-alanine and 2-oxoglutarate and the reverse reaction between L-glutamate and pyruvate. It is one of the most important enzymes involved in the synthesis and degradation of L-alanine. There are multiple isoenzymes of this enzyme (2 to 6) present in plants. Subcellular location of these isoenzymes appears to be directly associated with their metabolic role: (i) in C 4 plants (Paniculum miliaceum) alanine aminotransferase participates in the transfer of C 3 units (pyruvate) from mesophyl to bundle sheath cells, (ii) peroxysomal alanine aminotransferase exhibiting L-glutamate : glyoxylate aminotransferase activity is involved in regulation of photorespiration, (iii) alanine aminotransferase lacking L-glutamate : glyoxylate aminotransferase activity participates in hyper-

2 534 M. E. KENDZIOREK, B. M. ZAGDAÑSKA sensitivity response to virus attack and (iv) regulates the alternative oxidase activity in miotchondria. Activation of alanine aminotransferase and simultaneous L-alanine acumulation was observed in plants subjected to hypoxia. On this base it was proposed, that this enzyme is involved in the response mechanisms that allow plants to survive under various adverse conditions such as periodic flooding of fields or lingering of snow cover. Research on transgenic plants also indicated its crutial role in nitrogen metabolism. Moreover peroxysomal alanin aminotransferase capable of using glyoxylate as amino group acceptor appeared to be involved in regulation of serine, citruline and glycine contents in leaves. Key words: alanine aminotransferase, isoenzymes, hypoxia, nitrogen deprivation, photorespiration. 1. WSTÊP Aminotransferazy (EC x) s¹ enzymami powszechnie wystêpuj¹cymi u roœlin, zwierz¹t i mikroorganizmów. Reakcje katalizowane przez nie odgrywaj¹ istotn¹ rolê w wielu szlakach metabolicznych, takich jak metabolizm aminokwasów i witamin, asymilacja azotu i wêgla, fotooddychanie, a tak e glukoneogeneza [14]. Enzymy te nale ¹ do klasy transferaz i katalizuj¹ przeniesienie grupy aminowej z aminokwasu, bêd¹cego dawc¹ tej grupy, na 2-oksokwas, s³u ¹cy jako jej biorca. Produktami reakcji s¹ 2-oksokwas (pochodny substratowi aminokwasowemu) i aminokwas (odpowiadaj¹cy substratowi 2-oksokwasowemu). Jak wiele enzymów wykorzystuj¹cych substraty aminokwasowe, aminotransferazy potrzebuj¹ do dzia³ania kofaktora, fosforanu pirydoksalu (PLP), który jest kowalencyjnie zwi¹zany z ich bia³kiem. Wiêkszoœæ reakcji transaminacji jest ³atwo odwracalna. Jednak e niektóre z nich uchodz¹ za nieodwracalne w warunkach fizjologicznych, jak te z udzia³em glioksalanu (substrat 2-oksokwasowy), gdy zachodz¹ ze znacznym spadkiem energii swobodnej, lub nie mog¹ zajœæ w odwrotnym kierunku z powodu niestabilnoœci produktów, czy niskiego powinowactwa enzymu do substratu [25]. Zazwyczaj jeden enzym jest zdolny katalizowaæ reakcje z wieloma parami substratów aminokwas : 2-oksokwas [35]. Z tego powodu jedno bia³ko enzymatyczne by³o czêsto znane pod kilkoma ró nymi nazwami i numerami klasyfikacyjnymi. Przez ostatnie kilkanaœcie lat poczyniono ogromne postêpy w identyfikacji i charakterystyce genów koduj¹cych aminotransferazy. Przeszukanie bazy danych genomu Arabidopsis thaliana ( doprowadzi³o do znalezienia 60 sekwencji pokrewnych im enzymów zale nych od PLP, z czego 16 nie pe³ni³o funkcji aminotransferaz. Zatem pozosta³e 44 bia³ka s¹ potencjalnie zaanga owane w katalizowanie reakcji transaminacji w komórce roœlinnej. Dalsza analiza tych sekwencji pozwoli³a stwierdziæ, e w niektórych przypadkach wystêpuje kilka spokrewnionych form enzymu (np. aminotransferaza asparaginianowa czy alaninowa), zlokalizowanych w ró nych przedzia³ach subkomórkowych, w innych przypadkach wystêpowa³a tylko jego jedna forma (np. aminotransferaza seryna : glioksalan). Z tych 44 potencjalnych aminotransferaz wystêpuj¹cych u rzodkiewnika oko³o 20 zosta³o przebadanych, a tak e odpowiedniki czterech enzymów pochodz¹cych z innych roœlin [14]. Zatem ponad 40% potencjalnych aminotransferaz pozostaje jeszcze niescharakteryzowane.

3 AMINOTRANSFERAZA ALANINOWA W ROŒLINACH WY SZYCH 535 Reakcjê przeniesienia grupy aminowej miêdzy L-glutaminianem a pirogronianem i odwrotn¹, miêdzy L-alanin¹ a 2-oksoglutaranem, katalizuj¹: aminotransferaza L-alanina : 2-oksoglutaran (EC ), nazywana alaninow¹ (AlaAT), oraz czêsto traktowana jako jej izoenzym wykazuj¹cy dodatkow¹ aktywnoœæ z glioksalanem jako akceptorem grupy aminowej aminotransferaza glutaminian : glioksalan (GGAT, EC ). Ze wzglêdu na du e znaczenie w diagnostyce chorób serca i w¹troby, aminotransferaza alaninowa cz³owieka i zwierz¹t. jest jednym z najlepiej przebadanych enzymów. Izoenzymy tej aminotransferazy uczestnicz¹ w metabolizmie aminokwasów w komórkach zwierzêcych. Izoformy cytoplazmatyczne tego enzymu przede wszystkim bior¹ udzia³ w syntezie L-alaniny z pirogronianu, podczas gdy miotchondrialna izoforma, wystêpuj¹ca w tkankach zdolnych prowadziæ glukoneogenezê, bierze udzia³ w przekszta³caniu alaniny do pirogronianu, wykorzystywanego do syntezy glukozy. Ponadto aminotransferaza alaninowa neuronów katalizuje syntezê L-glutaminianu z L-alaniny i 2-oksoglutaranu, co ma szczególne znaczenie przy regeneracji tkanki nerwowej po niedotlenieniu, gdy poziom L-alaniny znacznie wzrasta. Jednoczeœnie enzym ten odgrywa bardzo du ¹ rolê w degradacji L-glutaminianu neurotransmitera obficie wydzielanego w warunkach silnego pobudzenia, co chroni neurony przed uszkodzeniem spowodowanym jego toksycznym dzia³aniem w wysokim stê eniu [15]. Poziom aminotransferazy alaninowej we krwi, a tak e stosunek aktywnoœci aminotransferazy asparaginianowej do alaninowej jest wskaÿnikiem stosowanym w diagnostyce uszkodzeñ w¹troby spowodowanych ó³taczk¹ typu B i C, autoagresj¹, cukrzyc¹, alkoholizmem, lekami, a tak e choroby wieñcowej serca [4] czy uszkodzeñ miêœni szkieletowych [19] W organizmach roœlinnych stwierdzono obecnoœæ kilku (2 do 6) izoenzymów tej aminotransferazy w ró nych przedzia³ach komórkowych. W zielonych tkankach roœlin wystêpowa³y one g³ównie w peroksysomach, mitochondriach i cytoplazmie [13], natomiast nie wykryto ich obecnoœci w chloroplastach. W genomie rzodkiewnika pospolitego zidentyfikowano cztery geny koduj¹ce bia³ka enzymatyczne katalizuj¹ce reakcjê przeniesienia grupy aminowej miêdzy L-alanin¹ a 2-oksoglutaranem [8, 14]. Dwa z nich charakteryzuj¹ siê nisk¹ specyficznoœci¹ substratow¹ i dodatkowo katalizuj¹ reakcjê transaminacji L-glutaminian : glioksalan [13, 38]. Na C-koñcu bia³ka tych izoenzymów wystêpuje peptyd sygnalny (PTS1) kieruj¹cy je do przestrzeni peroksysomalnej, a ich sekwencje aminokwasowe odpowiadaj¹ aminotransferazom zidentyfikowanym jako GGAT1 i GGAT2 (numery akcesyjne NCBI odpowiednio: AAK25905 i AAL34156). Pozosta³e dwa bia³ka enzymatyczne (numery akcesyjne NCBI odpowiednio: AAF82781 i AAF82782) to AlaAT1 i AlaAT2 [8]. Zgodnie z tym, co podaj¹ Liepman i Olsen [14], AlaAT1 zlokalizowana jest w cytoplazmie, a AlaAT2 w mitochondriach. Podzia³ na 2 grupy w ramach izoenzymów aminotransferazy L-alanina : 2-oksoglutaran z rzodkiewnika (Arabidopsis thaliana) ma swoje uzasadnienie nie tylko w specyficznoœci substratowej, poniewa sekwencje aminokwasowe GGAT1 i GGAT2 oraz AlaAT1 i AlaAT2 wykazuj¹ odpowiednio: 93% i 85% podobieñstwa natomiast wskaÿnik identycznoœci sekwencji dla wszystkich czterech wynosi ok. 44%. U lucerny (Medicago truncatula) Ricoult i wsp. [27]

4 536 M. E. KENDZIOREK, B. M. ZAGDAÑSKA stwierdzili wystêpowanie dwóch genów koduj¹cych izoenzymy: mitochondrialnej (m-alaat) i cytoplazmatycznej (c-alaat) aminotransferazy alaninowej. Aminotransferaza L-alanina : 2-oksoglutaran pochodz¹ca z ró nych roœlin wykazywa³a najczêœciej budowê dimeryczn¹ i masê cz¹steczkow¹ oko³o 100 kda. Na szczególn¹ uwagê zas³uguj¹ wyniki uzyskane przez Wiœniewskiego i wsp. [38]. Za pomoc¹ s¹czenia molekularnego na kolumnie Zorbax SE-250 wyznaczyli oni masy izoenzymów aminotransferazy L-alanina : 2-oksoglutaran z liœci Arabidopsis thaliana. Wynosi³y one odpowiednio 61,8 kda i 62,9 kda, dla izoenzymów wykazuj¹cych obydwie aktywnoœci (L-alanina : 2-oksoglutaran, AlaAT i L-glutaminian : glioksalan, GGAT) oraz oko³o 54,7 kda i 55,3 kda dla izoform tylko z aktywnoœci¹ L-alanina : 2-oksoglutaran (AlaAT). Zatem wszystkie cztery izoenzymy okaza³y siê aktywne enzymatycznie w formie monomerów. Powszechnie przyjmuje siê, e reakcje katalizowane przez aminotransferazy przebiegaj¹ zgodnie z mechanizmem zwanym ping pong bi bi [11]. Reakcja przebiega w dwóch etapach. W pierwszym etapie substrat aminokwasowy przekszta³cany jest w pochodny do niego 2-oksokwas. Proces ten mo na podzieliæ na trzy kroki: utworzenie zasady Shiffa, tautomeryzacjê i hydrolizê. W pierwszym kroku substrat aminokwasowy tworzy zasadê Shiffa z fosforanem pirydoksalu, czemu towarzyszy przeniesienie grupy a-aminowej na enzym. Nastêpnie alodimina utworzona przez fosforan pirydoksalu i substrat aminokwasowy w wyniku szeregu reakcji tautomeryzacji zostaje przekszta³cona w ketoiminê, która w ostatnim kroku hydrolizuje do fosforanu pirydoksaminy (PMP) i produktu 2-oksokwasowego. Drugi etap tej reakcji stanowi odwrócenie pierwszego. Grupa aminowa zostaje przeniesiona z PMP na substrat 2-oksokwasowy z utworzeniem pochodnego mu aminokwasu i jedno-czesnym przekszta³ceniem PMP na powrót do wewnêtrznej aldoiminy na skutek odwrócenia reakcji tautomeryzacji z pierwszego etapu. W trakcie reakcji transaminacji katalizowanej przez aminotransferazê alaninow¹ L-alanina powoduje od³¹czenie koenzymu od lizyny w centrum aktywnym i uwolnienie go w postaci fosforanu pirydoksaminy, z kolei 2-oksoglutaran stabilizuje wewnêtrzn¹ aldoiminê utworzon¹ przez enzym i PLP [1]. Badania specyficznoœci substratowej AlaAT z ró nych Ÿróde³ pokaza³y, e enzym ten katalizuje reakcje transaminacji w szerokim zakresie kombinacji dawca : biorca grupy aminowej. Niektóre izoformy tej aminotransferazy dodatkowo zdolne by³y katalizowaæ reakcjê transaminacji miêdzy L-glutaminianem a glioksalanem. U wielu izoform roœlinnych AlaAT stwierdzano zdolnoœæ do katalizowania reakcji transaminacji pomiêdzy L-alanin¹ a glioksalanem. Jednak e ani izoforma AlaAT oczyszczona z liœci kukurydzy [21], ani indukowana niedotlenieniem AlaAT z korzeni jêczmienia [6] nie wspó³dzia³a³y z glioksalanem jako akceptorem grupy aminowej. Pewnych informacji na temat fizjologicznej roli izoenzymów AlaAT dostarcza powinowactwo enzymu do substratu, o którym œwiadczy wartoœæ sta³ej K m. Wartoœæ tej sta³ej dla substratu aminokwasowego jest zazwyczaj wy sza, ni dla 2-oksokwasowego zarówno w przypadku aminotransferazy alaninowej, jak i innych transaminaz. Dla wiêkszoœci przebadanych enzymów wartoœæ K m dla L-alaniny w reakcji z 2-oksoglutaranem by³a podobna do tej, jak¹ uzyskiwano dla L-glutaminianu w reakcji z pirogronianem.

5 AMINOTRANSFERAZA ALANINOWA W ROŒLINACH WY SZYCH 537 TABELA 1. Wartoœci sta³ych Michaelisa-Ment e n (K M ) dla AlaAT TABLE 1. Michaelis-Menten constant ( K ) values for AlaAT M Materia³ Rzodkiewnik (AlaAT1) Proso (AlaAT2) Substrat o zmiennym stê eniu L-alanin a 2-oksoglutaran L-alanin a 2-oksoglutaran L-glutaminia n pirogronian Kukurydza L-alanin a 2-oksoglutaran L-glutaminia n pirogronian K m [m M] 1,53 0,18 6,67 0,15 5,00 0,33 1,50 0,50 1,90 0,90 Substrat o sta³ym stê eniu 2-oksoglutaran L-alanin a 2-oksoglutaran L-alanin a pirogronian L-glutaminia n 2-oksoglutaran L-alanin a pirogronian L-glutaminia n Literatura Wiœniewski i wsp. [2006] Son i wsp. [1991] wsp. i Orzechowski [1999] W przypadku aminotransferazy glutaminian:glioksalan wartoœci K m dla dwóch rekombinowanych izoenzymów GGAT1 i GGAT2 rzodkiewnika wobec L-alaniny, 2-oksoglutaranu oraz pirogronianu i L-glutaminianu, a tak e wobec L-glutaminianu i glioksalanu w reakcjach transaminacji miêdzy tymi parami substratów najwiêksze ró nice zanotowano dla L-alaniny i 2-oksoglutaranu [13]. K m(ala) by³a dwukrotnie ni sza dla GGAT2 (3,32 mm) ni dla GGAT1 (1,97 mm), natomiast w przypadku K m(2-oksoglu) sytuacja wygl¹da³a odwrotnie (dla GGAT1 0,21 mm, dla GGAT2 0,14 mm). Ponadto stwierdzono, e wartoœæ K m dla L-alaniny w reakcji z 2-oksoglutaranem jest wy sza od uzyskanej dla L-glutaminianu w reakcji z glioksalanem. Podobne wyniki dla enzymu oczyszczonego z siewek yta uzyskali [23] ci, którzy stwierdzili, e w przypadku wy ej wspomnianych reakcji K m(ala) (4,7 mm) by³a blisko dwukrotnie wy sza ni K m(glu) (2,6 mm). Bardzo istotnymi parametrami wskazuj¹cymi na wydajnoœæ i preferencje katalityczne enzymu jest liczba obrotów (k cat ) i k cat /K m. Wiœniewski z wspó³pracownikami [38] wyznaczyli k cat i k cat /K m w transaminacji pomiêdzy L-alanin¹ a 2-oksoglutaranem dla AlaAT1 uzyskuj¹c bardzo wysok¹ wartoœæ (dla k cat 124,6 s 1, a dla k cat /K m 81449,5 1/Ms). Tak wysoka wydajnoœæ katalityczna w po³¹czeniu z wysokim powinowactwem enzymu do obydwu substratów wskazuje, e cytoplazmatyczna AlaAT z rzodkiewnika odgrywa kluczow¹ rolê w syntezie i degradacji L-alaniny. 2. LOKALIZACJA SUBKOMÓRKOWA IZOENZYMÓW ALaAT A ICH ROLA METABOLICZNA Lokalizacja subkomórkowa izoform AlaAT wydaje siê byæ powi¹zana z ich rol¹ metaboliczn¹. Dlatego sugerowano, e niektóre z nich mog¹ braæ udzia³ w syntezie i degradacji L-alaniny i wzajemnych przemianach aminokwasów [22]. Inne z kolei mia³y pe³niæ bardziej specyficzne funkcje, takie jak uczestniczenie w miêdzykomórkowym przep³ywie wêgla pomiêdzy komórkami mezofilu a pochwy

6 538M. E. KENDZIOREK, B. M. ZAGDAÑSKA oko³owi¹zkowej u roœlin typu C4 [31], fotooddychaniu [20], odpowiedzi nadwra - liwoœci na atak wirusa [12], niedobór azotu [32] i adaptacji do warunków niedotlenienia [26, 27, 16]. Kluczow¹ spraw¹ pozostaje ustalenie funkcji pe³nionej przez poszczególne izoenzymy w roœlinie. Noguchi i Fujiwara [20] stwierdzili obecnoœæ aktywnoœci AlaAT zdolnej katalizowaæ transaminacjê pomiêdzy L-glutaminianem a glioksalanem zarówno u roœlin rosn¹cych w ciemnoœci, jak i na œwietle, jednak e obserwowali wzrost poziomu jej aktywnoœci pod wp³ywem œwiat³a. Ponadto stwierdzili, e w trakcie zielenienia aktywnoœæ ta zanika w cytozolu, a pojawia siê w peroksysomach. Wskazywa³o to na udzia³ tego enzymu w fotooddychaniu. Podobnie transkrypty genów koduj¹cych GGAT1 i GGAT2 znaleziono zarówno w siewkach rosn¹cych na œwietle, jak i w ciemnoœci [13]. Parametry kinetyczne rekombinowanych GGAT1 i GGAT2 by³y bardzo podobne, co doprowadzi³o do przypuszczeñ, e najprawdopodobniej odgrywaj¹ one w metabolizmie roœliny tê sam¹ rolê i obecnoœæ a dwu izoform GGAT u rzodkiewnika mo e byæ zbêdna [13]. Aby stwierdziæ, czy GGAT1 rzodkiewnika rzeczywiœcie dzia³a jako peroksysomalna aminotransferaza glutaminian : glioksalan, Igarashi i wsp. [8] wyizolowali liniê transgenicznych komórek tytoniu (BY-2) wytwarzaj¹c¹ fuzyjne zielone bia³ko fluoryzuj¹ce (GFP). W wektor ekspresyjny tego bia³ka wstawili cdna koduj¹ce ten izoenzym (GFP-AOAT1) oraz fragment cdna bez C-koñcowej sekwencji, która odpowiada za kierowanie bia³ek do peroksysomów (GFP-AOAT1DC). W komórkach, które wytwarza³y bia³ko GFP- AOAT1, jego fluorescencjê obserwowano w peroksysomach, natomiast w komórkach syntetyzuj¹cych bia³ko GFP-AOAT1DC wystêpowa³a na terenie cytoplazmy [8]. Drastyczny spadek aktywnoœci L-alanina : 2-oksoglutaran u mutantów linii alaat1-1 rzodkiewnika niewytwarzaj¹cych aminotransferazy alaninowej 1 wskazywa³, e jest ona g³ównym izoenzymem AlaAT w tej roœlinie [16]. Wyniki badañ na roœlinach typu dzikiego i mutantach OxAlaAT o zwiêkszonej ekspresji aminotransferaz alaninowych sugeruj¹ ich udzia³ w odpowiedzi roœlin Arabidopsis na niedotlenienie, bowiem wzrostowi poziomu transkrypcji genów koduj¹cych te izoenzymy w obu typach roœlin poddanych warunkom hypoksji towarzyszy³a gwa³towna produkcja L-alaniny (ibid). Wiadomo te, e transkrypcja genów koduj¹cych AlaAT jest indukowana przez dostarczenie azotu do pod³o a [33, 17], a drastyczne zahamowanie pobierania NO 3 przez roœliny poddane wysokim stê eniom metali ciê kich, takich jak: Cd 2+ czy Ni 2+, powodowa³o spadek aktywnoœci tego enzymu [3]. Wyniki badañ na transgenicznych roœlinach o zwiêkszonej aktywnoœci AlaAT potwierdzi³y znaczenie tego enzymu dla metabolizmu azotu w warunkach jego niedoboru [5, 30]. Roœliny rzepaku (Brassica napus L.) z wprowadzonym fragmentem cdna koduj¹cym AlaAT wyizolowanej z jêczmienia przez Muench i Good [18] poddano niedoborowi azotu [5]. U roœlin tych obserwowano zwiêkszone pobieranie azotanów w stosunku do roœlin kontrolnych. Charakteryzowa³a je te zwiêkszona produkcja L-alaniny, ³atwo transportowanej z korzeni do czêœci nadziemnych, co mog³o poprawiæ wydajnoœæ gospodarki azotem [5].

7 AMINOTRANSFERAZA ALANINOWA W ROŒLINACH WY SZYCH ROLA ALaAT W WARUNKACH NIEDOTLENIENIA Niedobór tlenu, spowodowany zazwyczaj okresowym zalewaniem terenu, prowadzi do stopniowej nekrozy tkanek korzenia i tworzenia skupisk miêkiszu powietrznego (aerenchymy), pocz¹tkowo obejmuj¹cej sto ek wzrostu i postêpuj¹cej do walca osiowego [34]. Hypoksja jest zjawiskiem groÿnym zw³aszcza dla kie³kuj¹cych roœlin, gdy mo e redukowaæ ich liczbê lub zaburzaæ wzrost, a w przypadku roœlin u ytkowanych rolniczo przyczynia siê do spadku plonu i strat ekonomicznych [34]. W warunkach niedoboru tlenu nastêpuje zahamowanie oksydacyjnej fosforylacji przy jednoczesnym wzmo eniu glikolizy i szlaków fermentacyjnych, co prowadzi do akumulacji ró nych produktów tych szlaków, jak etanol, mleczan, bursztynian czy jab³czan. Obserwowano równie znaczny wzrost stê enia dwóch aminokwasów: L-alaniny i kwasu g-aminomas³owego (GABA) [24]. Poniewa L-alanina powstaje z pirogronianu, g³ównego produktu glikolizy, jej wzmo ona produkcja w odpowiedzi na niedotlenienie by³a szczególnie interesuj¹ca jako konkurencyjny szlak w stosunku do fermentacji alkoholowej, czy mlekowej. Synteza alaniny pozwala na zachowanie wêgla, który by³by zu yty w tych procesach do produkcji etanolu lub mleczanu z pirogronianu (ryc. 1). Ponadto jest procesem bardzo istotnym dla regulacji poziomu pirogronianu w komórce, gdy jego podwy szone stê enie prowadzi do aktywacji RYCINA 1. Metabolizm pirogronianu w warunkach niedoboru tlenu: GS syntetaza glutaminowa, GOGAT syntaza glutaminianowa, 2-OG 2-oksoglutaran, AspAT aminotransferaza asparaginianowa, OAA szczawiooctan, OAA-DC dekarboksylaza szczawiooctanowa, MDH dehydrogenaza jab³czanowa FIGURE 1. Pyruvate metabolism in oxygen deficiency conditions: GS glutamine syntetase, GOGAT glutamate syntase, 2-OG 2-oxoglutarate, AspAT aspartate aminotransferase, OAA oxaloacetic acid, OAA-DC oxaloacetate decarboxylase, MDH malate decarboxylase

8 540 M. E. KENDZIOREK, B. M. ZAGDAÑSKA alternatywnej oksydazy w mitochondriach przyczyniaj¹c siê do zwiêkszonego zu ycia tlenu [7]. Akumulacja L-alaniny wydaje siê byæ kluczow¹ dla przetrwania hypoksji, gdy nastêpuje niezale nie od dostêpnoœci azotu dla roœlin [28, 29]. St¹d te du ym zainteresowaniem cieszy³y siê badania nad rol¹ aminotransferazy alaninowej w metabolizmie alaniny w warunkach niedotlenienia. Znaczny wzrost aktywnoœci aminotransferazy alaninowej i poziomu transkryptu j¹ koduj¹cego [26, 27, 28, 29] obserwowany u roœlin poddanych niedotlenieniu sugerowa³, i enzym ten odgrywa bardzo istotn¹ rolê we wzmo onej syntezie L-alaniny. Hipotezê tê potwierdza³ fakt wzmo onej syntezy enzymów cyklu syntetazy glutaminowej syntazy glutaminianowej (GS-GOGAT), bêd¹cego Ÿród³em L-glutaminianu bior¹cego udzia³ w produkcji L-alaniny z pirogronianu. Ponadto wyniki badañ z u yciem L-glutaminianu znakowanego 15 N wskazywa³y, e powstawa³a ona w wyniku przenoszenia grupy aminowej z tego aminokwasu na pirogronian [26, 27]. Syntezie L-alaniny z pirogronianu wskutek transaminacji towarzyszy przekszta³canie L-glutaminianu w 2-oksoglutaran, który mo e braæ udzia³ w produkcji bursztynianu w mitochondriach w trakcie cyklu kwasów trójkarboksylowych. Katalizuj¹ca t¹ reakcjê aminotransferaza alaninowa ³¹czy zatem glikolizê z cyklem kwasów trójkarboksylowych podczas niedoboru tlenu [28]. Nowe spojrzenie na rolê aminotransferazy alaninowej w niedoborze tlenu przynios³y badania, które przeprowadzili de Sousa i Sodek [2]. Stwierdzili oni, e znaczny wzrost stê enia L-alaniny nastêpuje wczeœniej ni szczyt wzrostu aktywnoœci AlaAT w korzeniach soi poddanej niedotlenieniu. Natomiast stê enie L-alaniny gwa³townie spada³o po powrocie do normalnych warunków dostêpnoœci tlenu. Obserwacja ta sugeruje, e aminotransferaza alaninowa odgrywa ograniczon¹ rolê w syntezie tego aminokwasu, który mo e powstawaæ na innych szlakach, natomiast odgrywa znacz¹ca rolê w jej degradacji po ust¹pieniu stresu (ibid). Przypuszczenie to potwierdzi³y wyniki badañ na mutantach rzodkiewnika pozbawionych aminotransferazy alaninowej 1 (alaat1-1) i o zwiêkszonej ekspresji aminotransferaz alaninowych (OxAlaAT). Stwierdzili oni, e roœliny linii alaat1-1 szybko akumulowa³y L-alaninê w warunkach niedotlenienia i znacznie d³u ej utrzymywa³y jej wysok¹ zawartoœæ po przeniesieniu do warunków normalnych ni roœliny typu dzikiego [16]. 4. FOTOODDYCHANIE Fotooddychanie jest bardzo kosztownym energetycznie procesem, powoduj¹cym obni enie wydajnoœci fotosyntezy przez spore zu ycie wêgla. Dlatego by³o postrzegane jako niekorzystne dla produktywnoœci roœlin [37]. Jednak e fotooddychanie jest procesem istotnym dla rozproszenia nadmiaru energii, przez co stanowi swego rodzaju mechanizm ochronny roœliny przed fotoutlenieniem pod wp³ywem zbytniej intensywnoœci œwiat³a, a tak e w warunkach suszy, czy wysokiego zasolenia [37]. Szlak ten wykorzystuje 2-fosfoglikolan powsta³y w obecnoœci œwiat³a, jako produkt utleniania rybulozo-1,5-bisfosforanu. Najpierw 2-fosfoglikolan jest hydrolizowany do glikolanu przez chloroplastow¹ fosfatazê fosfoglikolanow¹ i zostaje przetransportowany do peroksy-

9 AMINOTRANSFERAZA ALANINOWA W ROŒLINACH WY SZYCH 541 somów, w których zostaje utleniony do glioksalanu przez oksydazê glikolanow¹. Mo e on dalej zostaæ przekszta³cony w glicynê przez aminotransferazê seryna : glioksalan (SGAT) lub glutaminian : glioksalan, która w tym procesie wykorzystuje glutaminian powsta³y w cyklu GS/GOGAT jako dawcê grupy aminowej. Glicyna bierze udzia³ w syntezie seryny, która w peroksysomach zostaje przekszta³cona przez SGAT do hydroksypirogronianu, który ulega redukcji do glicerynianu, który ufosforylowany jest zu yty do syntezy rybulozo-1,5-bisfosforanu w cyklu Calvina [37]. Aby stwierdziæ, czy GGAT1 rzeczywiœcie bierze udzia³ w fotooddychaniu, wyizolowano liniê mutantów rzodkiewnika niewytwarzaj¹cych tego enzymu nazwan¹ aoat1-1 [8]. W region odpowiedzialny za jego kodowanie wstawili oni T DNA z jednoczesn¹ delecj¹ 14 par zasad. W normalnych warunkach stê enia CO 2 i oœwietlania mutant ten wykazywa³ zmiany typowe dla mutantów o ograniczonej zdolnoœci do prowadzenia fotooddychania: zahamowany wzrost i jasno zielone liœcie. W warunkach wysokiego natê enia œwiat³a roœliny te rozwija³y siê gorzej od roœlin typu dzikiego, natomiast podwy szone stê enie CO 2 w œrodowisku sprzyja³o lepszemu rozwojowi tych roœlin. U mutantów tych mrna dla GGAT1 by³o niewykrywalne. Ponadto aktywnoœci aminotransferazowe: L-alanina : 2-oksoglutaran, L-alanina : glioksalan, L-glutaminian : pirogronian i L-glutaminian : glioksalan by³y ni sze, ni u typu dzikiego. Otrzymane wyniki pozwoli³y wnioskowaæ, e GGAT1 faktycznie funkcjonuje jako peroksysomalna aminotransferaza glutaminian : glioksalan, a niewielka aktywnoœæ L-glutaminian : glioksalan u mutanta aoat1-1 oraz jego zdolnoœæ do prze ycia w normalnych warunkach jest wynikiem obecnoœci GGAT2 [8]. Na to, e GGAT1 jest peroksysomaln¹ aminotransferaz¹ glutaminian : glioksalan wskazuje fakt, e stê enie H 2 O 2 w komórkach mutantów z utracon¹ zdolnoœci¹ do syntezy tego izoenzymu wystawionych na dzia³anie œwiat³a jest zdecydowanie wy sze ni u roœlin typu dzikiego [36]. 5. UDZIA W SYNTEZIE AMINOKWASÓW Badania ostatnich lat dostarczy³y bardzo interesuj¹cych wyników korelacji aktywnoœci GGAT oraz stê enia wybranych aminokwasów w liœciach mutanta rzodkiewnika z utracon¹ zdolnoœci¹ do biosyntezy GGAT1 (ggat1-1), wytwarzaj¹cego zwiêkszon¹ iloœæ tego izoenzymu (GTox) i roœliny typu dzikiego [9]. Stwierdzono, e w Arabidopsis najwiêksza korelacja wystêpuje miêdzy aktywnoœci¹ GGAT a zawartoœci¹ seryny, cytruliny i glicyny. Sugerowa³o to, e aminotransferaza glutaminian : glioksalan mo e braæ bezpoœredni udzia³ w regulacji poziomu tych trzech aminokwasów. Ponadto istotne ró nice w zawartoœci dziewiêciu wybranych aminokwasów miêdzy trzema wymienionymi liniami roœlin wskazywa³y, e badany izoenzym uczestniczy w metabolizmie tych zwi¹zków [9]. Wyniki doœwiadczeñ z u yciem L-alaniny i L-glutaminianu znakowanych 15 N wskazywa³y na udzia³ GGAT z lucerny w syntezie glicyny. W warunkach niedoboru tlenu aktywnoœæ tego enzymu by³a hamowana i jednoczeœnie obserwowano znaczny spadek szybkoœci biosyntezy glicyny [27].

10 542 M. E. KENDZIOREK, B. M. ZAGDAÑSKA 6. PODSUMOWANIE Aminotransferaza alaninowa jest enzymem zaanga owanym w reakcje biochemiczne o podstawowym znaczeniu dla roœliny. Katalizuj¹c odwracaln¹ reakcjê transaminacji pomiêdzy L-glutaminianem a pirogronianem i odwrotn¹ miêdzy L-alanin¹ a 2-oksoglutaranem wi¹ e pierwotny metabolizm wêgla z syntez¹ ró nych aminokwasów. Badania ostatnich lat potwierdzaj¹, e szczególn¹ rolê odgrywa ona w tolerancji hypoksji przez roœliny, niezale nie czy obni ona dostêpnoœæ tlenu wywo³ana zosta³a przez zatopienie roœlin, np. przez powodzie, czy przez gwa³towne tajanie œniegu lub zaleganie skorupy œniegu [29]. Tworzenie L-alaniny z pirogronianu jest niezwykle wa ne dla regulacji poziomu pirogronianu w komórce, gdy reguluje aktywnoœæ alternatywnej oksydazy w mitochondriach [7], która obok szlaku fotooddychania odgrywa podstawow¹ rolê w tolerancji przez roœliny innych niekorzystnych czynników œrodowiska, takich jak: mróz, wysoka temperatura czy susza [10]. Przeprowadzone do tej pory badania nad charakterystyk¹ izoenzymów aminotransferazy alaninowej z ró nych roœlin pozwoli³y nie tylko na próbê okreœlenia znaczenia poszczególnych izoenzymów w funkcjonowaniu roœliny w ró nych warunkach œrodowiska, ale otwieraj¹ nowe perspektywy badawcze. Jak dot¹d bowiem brak jest w literaturze danych o roli tego enzymu w odpowiedzi roœlin na tak wa ne dla jej funkcjonowania warunki, jak: stres termiczny (ch³ód, mróz, przegrzanie) czy susza. Wiele tak e pozostaje do wyjaœnienia w kwestii jego udzia³u w odpowiedzi na atak patogenów i szkodników. LITERATURA [1] BERÁNEK M, DRŠATA J, PALIÈKA V. Inhibitory effect of glycation on catalytic activity of alanine aminotransferase. Mol Cell Biochem 2001; 218: [2] de SOUSA CAF, SODEK L. Alanine metabolism and alanine aminotransferase activity in soybean (Glycine max) during hypoxia of the root system and subsequent return to normoxia. Env Exp Bot 2003; 50: 1 8. [3] EL-SHINTINAWY F, EL-ANSARY A. Differential effect of Cd 2+ and Ni 2+ on amino acid metabolism in soybean seedlings. Biol Plant 2000; 43: [4] GIBONEY PT. Mildly elevated liver transaminase levels in the asymptomatic patient. Am Fam Physician 2005; 71(6): [5] GOOD AG, JOHNSON SJ, DePAUW M, CARROL RT, SAVIDOV N, VIDMAR J, LU Z, TAYLOR G, STROEHER V. Engennering nitrogen use efficiency with alanine aminotransferase. Can J Bot 2007; 85: [6] GOOD AG, MUENCH DG. Purification and characterization of an anaerobically induced alanine aminotransferase from barley roots. Plant Physiol 1992; 99: [7] GUPTA KJ, ZABALZA A, van DONGEN JT. Regulation of respiration when the oxygen availability changes. Physiol Plant 2009; 137: [8] IGARASHI D, MIWA T, SEKI M, KOBAYASHI M, KATO T, TABATA S, SHINOZAKI K, OHSUMI C. Identification of photorespiratory glutamate:glyoxylate aminotransferase (GGAT) gene in Arabidopsis. Plant J 2003; 33: [9] IGARASHI D. TSUCHIDA H, MIYAO M, OHSUMI C. Glutamate:glyoxylate aminotransferase modulates amino acid content during photorespiration. Plant Physiol 2006; 142: [10] JUSZCZUK IM, RYCHTER AM. Alternative oxidase in higher plants. Acta Biochim Polon 2003; 4(50):

11 AMINOTRANSFERAZA ALANINOWA W ROŒLINACH WY SZYCH 543 [11] KARSTEN WE, OSHIRO T, IZUMI Y, COOK P. Initial velocity, spectral and ph studies of the serine:glyoxylate aminotransferase from Hypomicrobium metylovorum. Arch Biochem Biophys 2001; 338(2): [12] KIM KJ, PARK CJ, AN JM, HAM BK, LEE BJ, PAEK KH. CaAlaAT1 catalyzes the alanine : 2- oxoglutarate aminotransferase reaction during the resistance response against Tobacco mosaic virus in hot pepper. Planta 2005; 221: [13] LIEPMAN AH, OLSEN LJ. Alanine aminotransferase homologs catalyse the glutamate:glyoxylate aminotransferase reaction in peroxisomes of Arabidopsis. Plant Physiol 2003; 131: [14] LIEPMAN AH, OLSEN LJ. Genomic analysis of aminotransferases in Arabidopsis thaliana. Crit Rev Plant Sci 2004; 23: [15] MATTHEWS CC, ZIELKE HR, PARKS DA, FISHMAN PS. Glutamate-pyruvate transaminase protects against glutamate toxicity in hippocampal slices. Brain Res : [16] MIYASHITA Y, DOLFERUS R, ISMIND KP, GOOD AG. Alanine aminotransferase catalyses the breakdown of alanine after hypoxia in Arabidopsis thaliana. Plant J 2007; 49: [17] MUENCH D, CHRISTOPHER ME, GOOD AG. Cloning and expression of a hypoxic and nitrogen inducible maize alanine aminotransferase gene. Physiol Plant 1998; 103: [18] MUENCH D, GOOD AG. Hypoxically inducible barley alanine aminotransferase : cdna cloning and expression analysis. Plant Mol Biol 1994; 24: [19] NATHWANI RA, PAIS S, REYNOLDS TB, KAPLOWITZ N. Serum alanine aminotransferase in skeletal muscle diseases. Hepatology 2005; 41: [20] NOGUCHI T. FUJIWARA S. Development of glutamate:glyoxylate aminotransferase in the cotyledons of cucumber (Cucumis sativus) seedlings. Biochem J 1982; 201: [21] ORZECHOWSKI S, SOCHA-HANC J, PASZKOWSKI A. Purification and properties of alanine aminotransferase from maize (Zea mays L.) leaves. Acta Physiol Plant 1999; 21: [22] OTTER T, PENTHER JM, MOHR H. Control of the appearance of alanine aminotransferase in the Scots pine (Pinus silvestris L.) seedling. Planta 1992; 188: [23] PASZKOWSKI A, NIEDZIELSKA A. Glutamate:glyoxylate aminotransferase from the seedlings of rye (Secale cereale L.). Acta Biochim Polon 1989; 36: [24] REGGIANI R, NEBULONI M, MATTANA M, BRAMBILLA I. Anaerobic accumulation of amino acids in rice roots: role of the glutamine synthetase/glutamate synthase cycle. Amino Acids 2000; 18(3): [25] REUMANN S. The structural properties of plant peroxisomes and their metabolic significance. Biol Chem 2000; 381: [26] RICOULT C, CLIQUET JB, LIAMMI AM. Stimulation of alanine aminotransferase (AlaAT) gene expression and alanine accumulation in embryo axis of the model legume Medicago truncatula contribute to anoxia stress tolerance. Physiol Plant 2005; 123: [27] RICOULT C, ECHEVERRIA LO, CLIQUET JB, LIAMMI AM. Characterisation of alanine aminotransferase (AlaAT) multigene family and hypoxic response in young seedlings of the model legume Medicago truncatula. J Exp Bot 2006; 57(12): [28] ROCHA M, SODEK L, LICAUSI F, HAMEED MW, DORNELAS MC, van DONGEN JT. Analysis of alanine aminotransferase in various organs of soybean (Glycine max) and in dependence of different nitrogen fertilisers during hypoxic stress. Amino Acids 2010; 39: [29] ROCHA M, LICAUSI F, ARAÚJO WL, NUNES-NESI A, SODEK L, FERNIE A, van DONGEN JT. Glycolysis and the tricarboxylic acid cycle are linked by alanine aminotransferase during hypoxia induced by waterlogging of Lotus japonicus. Plant Physiol 2010; 152: [30] SHRAWAT AK, CARROLL RT, DePAUW M, TAYLOR GJ, GOOD AG. Genetic engineering of improved nitrogen use efficiency in rice by the tissue-specific expression of alanine aminotransferase. Plant Biotech J 2008, 6: [31] SON D, SUGIYAMA T. Molecular cloning of an alanine aminotransferase from NAD-malic enzyme type C 4 plant Paniculum miliaceum. Plant Mol Biol 1992; 20: [32] SON D, JO J, SUGIYAMA T. Purification and characterization of alanine aminotransferase from Paniculum miliaceum leaves. Arch Biochem Biophys 1991; 289: [33] SON D, KOBE A, SUGIYAMA T. Nitrogen dependent regulation of the gene for alanine aminotransferase which is involved in the C 4 pathway of Paniculum miliaceum. Plant Cell Physiol 1992; 33(4):

12 544 M. E. KENDZIOREK, B. M. ZAGDAÑSKA [34] SUBBAIAH C, SACHS M. Molecular and cellular adaptations of maize to flooding stress. Ann Bot 2003; 90: [35] TRUSZKIEWICZ W, PASZKOWSKI A. Serine:glyoxylate aminotransferases from maize and wheat leaves: purification amd properties. Photosynth Res 2004; 87: [36] VERSLUES PE, KIM Y-S, ZHU J-K. Altered ABA, proline and hydrogen peroxide in an Arabidopsis glutamate:glyoxylate aminotransferase mutant. Plant Mol Biol 2007; 64: [37] WINGLER A, LEA PJ, QUICK WP, LEEGOOD RC. Photorespiration: metabolic pathways and their role in stress protection. Phil Trans R Soc Lond B 2000; 355: [38] WIŒNIEWSKI P, SZKLARCZYK J, MACI GA M, PASZKOWSKI A. L-Alanine: 2-oxoglutarate aminotransferase isoenzymes from Arabidopsis thaliana leaves. Acta Physiol Plant 2006; 28(6): Redaktor prowadz¹cy Janusz Maszewski Otrzymano: r. Przyjêto: r. Barbara Zagdañska Katedra Biochemii, Wydzia³ Rolnictwa i Biologii, SGGW Nowoursynowska 159, Warszawa barbara_zagdanska@sggw.pl