Le superossido dismutas

Le superossido dismutasi (SOD, EC 1.15.1.1) sono enzimi che si trovano in tutte le cellule vegetali, con una localizzazione subcellulare che coinvolge il cloroplasto, il mitocondrio, il perossisoma e il citosol (Figura 43). La reazione catalizzata da questi enzimi è la dismutazione di due anioni superossido (O2•-) in ossigeno molecolare e perossido di

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Figura 42. Detossificazione dell’anione superossido nello stroma del cloroplasto (ciclo dell’acqua- acqua). Le SOD producono perossido di idrogeno che può venire neutralizzato mediante quattro possibili

reazioni enzimatiche. Nel cloroplasto è invece assente la CAT. sAPX, ascorbato perossidasi dello stroma; tAPX, ascorbato perossidasi associata ai tilacoidi; ETC, catena di trasporto degli elettroni; Fd,

ferredossina; FTR, Fd-Trx-reduttasi; GPX, glutatione perossidasi; GR, glutatione reduttasi; GSH, glutatione ridotto; GSSG, glutatione ossidato; MDA, monodeidroascorbato; MDAR, MDA reduttasi; PRX,

perossiredossina; PSI, fotosistema I; PSII, fotosistema II; TRX, tioredossina (Pilon et al., 2011).

Le SOD sono metallo-proteine multimeriche e in base al metallo contenuto nel loro sito attivo possono essere suddivise in contenenti rame e zinco (Cu/ZnSOD), manganese (MnSOD), ferro (FeSOD) e nichel (NiSOD). Queste ultime sono state osservate solo in specie del genere Streptomyces (Feng et al., 2006).

In riso sono state identificate diverse OsCu/ZnSOD: un’isoforma plastidiale (OsCu/ZnSODI) espressa in foglie fotosisteticamente attive (Kaminaka et al., 1997) e tre citosoliche (OsCu/ZnSOD II, III, IV), espresse nei tessuti eziolati e capaci di rispondere in maniera differenziale alla somministrazione esogena di ABA e ditiotreitolo (DTT) (Sakamoto

et al., 1995). Inoltre il riso ha due isoforme della MnSOD (I, II) espresse nei mitocondri

(Sakamoto et al., 1993), e una OsFeSOD (Kaminaka et al., 1999), caratterizzata da una bassissima attività. Lavori eseguiti con lo scopo di determinare gli induttori dell’espressione genica hanno però evidenziato la presenza di due isoforme tessuto e cultivar aspecifiche, denominate OsFeSODa e OsFeSODb. Sia OsFeSODa che OsFeSODb vengono espresse nelle foglie, nei tessuti riproduttivi e nei semi, con un picco nei tessuti meristematici. La quantità di trascritto dell’OsFeSODa è particolarmente elevata nei pannicoli durante la fioritura, mentre OsFeSODb viene espressa preferenzialmente nelle giovani foglie. Piante eziolate di riso non producono OsFeSOD, ma quando vengono esposte alla luce si attiva l’espressione di entrambe le isoforme, con un picco a 36 h dall’inizio del trattamento e una quantità di trascritto di OsFeSODa maggiore di tre volte rispetto a quello di OsFeSODb. Un trattamento a 4°C induce l’espressione di OsFeSODa già dopo un’ora, con picco a 2 h di

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esposizione, ma nel giro di 24 h ritorna a livelli basali; il medesimo trattamento comporta una drastica diminuzione nella quantità di trascritto dell’isoforma OsFeSODb, la cui espressione è quasi azzerata a 12 h dall’inizio del trattamento. Se la temperatura viene riportata ai livelli iniziali, la quantità di messaggero corrispondente a OsFeSODb aumenta, per poi tornare ai livelli di controllo in 12 h, mentre quella di OsFeSODa rimane più alta rispetto all’inizio del trattamento (Figura 44) (Feng et al., 2006).

Figura 43. Le diverse forme di SOD in Arabidopsis. In alto a sinistra: localizzazione

subcellulare delle diverse SOD. In alto a destra: espressione dei diversi geni in

relazione allo sviluppo. A fianco una schematizzazione della struttura primaria delle

SOD con evidenziati i peptidi di transito (cloroplastico cTP; mitocondriale mTP), i residui di istidina (H) e di acido aspartico (D) coinvolti nel legame con il metallo, le cisteine specifiche per il ponte disolfuro all’interno della

Cu/ZnSOD (Pilon et al., 2011).

Come riportato in Figura 42, le SOD sono i primi enzimi coinvolti nella risposta antiossidante, detossificando il singoletto dell’ossigeno. Vi sono numerosi lavori in cui è stata misurata l’attività delle SOD in piante di riso sottoposte a stress salino. Quello che si osserva è in genere un aumento dell’attività totale delle diverse isoforme. Questa informazione fornisce solo un’indicazione generale, perché non permette di identificare quali dei numerosi isoenzimi venga maggiormente coinvolto. Sono infatti pochissimi i lavori che discriminano il contributo delle varie forme di SOD nel detossificare i ROS. Un esempio recente è uno studio che analizza l’espressione dei diversi isoenzimi in relazione allo stress salino nella varietà japonica di riso Nipponbare, la stessa che è stata utilizzata per il sequenziamento del genoma. Quello che emerge è che la SOD maggiormente espressa a tempi sia brevi che lunghi durante lo stress salino è quella manganese-dipendente, seguita dalle due isoforme rame-zinco (D85239, plastidiale, e L19435, citosolica) la cui espressione non è così pronunciata soprattutto a breve termine, mentre la FeSOD non viene praticamente indotta (Figura 45). Nello stesso lavoro sono stati misurati i livelli di attività anche per enzimi come la APX, la GR e la CAT, confermando l’attivazione dei sistemi antiossidanti di riso in risposta allo stress salino (Kim et al., 2007).

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Figura 44. Livello di espressione dei messaggeri corrispondenti alle due isoforme di OsFeSOD in piante di riso. Piante eziolate poi esposte alla luce (C: 1= pianta eziolata; 2= 1h di luce; 3= 3 h; 4= 9

h; 5= 24 h; 6= 36 h; 7= 72 h) e in seguito a esposizione a 4°C per poi tornare a temperature di controllo (D: 1= 28°C; 2= 4°C*1 h; 3= 4°C*2 h; 4= 4°C*3h; 5= 4°C*6 h; 6= 4°C*12 h; 7= 4°C*24 h; 8= 28°C*6 h;

9= 28°C*9h; 10= 28°C*12 h) (Feng et al., 2006). A sinistra: concentrazione dei trascritti delle diverse forme di SOD (Cu/Zn plastidiale e citosolica e Mn) nei tessuti di riso. 1. Foglie eziolate di plantule; 2.

Foglie verdi; 3. Gambo; 4. Radici; 5. Calli (Kaminaka et al., 1997).

Figura 45. Espressione delle isoforme SOD in plantule di riso cresciute in condizioni di stress salino. Nel pannello a destra (B) sono schematizzati i

danni morfologici causati dallo stress salino (130 mM NaCl per 6 giorni). Sulla terza foglia sono state condotte le analisi per valutare l’espressione delle

diverse isoforme delle SOD (di fianco a sinistra) mediante l’impiego di RT-PCR. I vari isoenzimi sono messi in ordine dal più indotto (in alto) a quello meno

stimolato (Kim et al., 2007).

Il fatto che vengano indotte le SOD sia a manganese che a rame-zinco, citosoliche e plastidiali, indica che a tempi brevi lo stress ossidativo è diffuso in tutti i compartimenti

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cellulari e non limitato al solo cloroplasto. Anche in altre specie si assiste a un aumento specifico dell’attività delle SOD in risposta allo stress salino. In alcuni casi l’entità di tale stimolazione arriva a essere più del doppio rispetto alle condizioni di controllo (Chang-Quan

et al., 2008).

1.7.2.2. Catalasi

Le catalasi (CAT, EC 1.11.1.6) sono enzimi localizzati nel perossisoma e nel gliossisoma delle piante, responsabili della dismutazione del perossido di idrogeno in acqua e ossigeno. Esse sono costituite da dei tetrameri, e si pensa che questa struttura sia essenziale per l’attività catalitica poiché inibisce il rilascio dei reagenti prima che la reazione sia completa, evitando la liberazione del radicale idrossile dal gruppo prostetico eme esposto. Ogni catalasi contiene quattro gruppi eme che costituiscono il sito attivo, dove è posizionato un atomo di ferro (Fe2+_{) coordinato a quattro atomi di azoto di diversi anelli}

porfirinici; la quinta valenza del ferro è coniugata a una tirosina, mentre la sesta è libera di legare l’ossigeno dell’acqua ossigenata. Gli enzimi meglio caratterizzati sono quello umano degli eritrociti e quello di fegato bovino. Da studi condotti sull’enzima umano emerge che ogni subunità è in grado di legare una molecola di NADPH e altri dinucleotidi in base alla seguente affinità: NADPH > NADH > NADP+ _{> NAD}+_{: dal momento che tali molecole non}

sono necessarie per la catalisi enzimatica, il loro ruolo non è chiaro. Sono state avanzate varie ipotesi per giustificare la presenza di NADPH all’interno della catalasi, la prima delle quali vede il cofattore capace di mantenere attivo l’enzima anche a basse concentrazioni di perossido di idrogeno. In queste condizioni il ferro che è stato ridotto da una prima molecola di H2O2, entrando in un pericoloso stato eccitato, ossiderebbe preferenzialmente il NADPH.

La completa reazione di dismutazione infatti richiede due molecole di perossido per rilasciare il prodotto e riportare allo stato basale il sito attivo; quando vi è scarsa disponibilità di perossido di idrogeno l’atomo di ferro potrebbe dunque andare incontro a una pericolosa parziale riduzione, che verrebbe risolta dal NADPH. La seconda ipotesi vede il NADPH come una fonte di potere riducente per l’enzima che durante l’evoluzione è stata sostituita da altre molecole più adatte allo scopo. Quest’ultima spiegazione vede la CAT come una proteina capace di regolare lo stato redox della cellula mediante il rilascio di NADP+ _{in condizioni di}

stress perossidativo, stimolando l’attività di altri enzimi come la glutatione reduttasi e perossidasi, per catalizzare maggiormente la rimozione di H2O2 (Goyal et al., 2010).

Le CAT sono gli unici enzimi in grado di reagire con l’acqua ossigenata in assenza di agenti riducenti e sono indispensabili nel ciclo fotorespiratorio in cui si produce H2O2 nei

perossisomi. In foglie di Nicotiana plumbaginifolia la riduzione dell’attività della catalasi perossisomale (CAT1) mediante un costrutto antisenso determina un fenotipo normale in condizioni di bassa luce, che se esposto a luce intensa sviluppa lesioni necrotiche (Willekens

et al., 1997). Le diverse isoforme di CAT presenti nelle piante evidenziano un’attivazione/

inattivazione circadiana (Feierabend, 2005). In plantule di mais l’esposizione all’ozono induce l’espressione di CAT1 e CAT3, mentre inibisce CAT2. Inoltre è stato proposto un modello per l’attivazione stress-dipendente delle CAT: in condizioni normali la loro espressione viene inibita dall’acido salicilico, mentre quando subentra lo stress la concentrazione di perossido di idrogeno aumenta attivando la trascrizione dei geni delle CAT. Nonostante siano in tessuti diversi, si pensa che le CAT preservino l’attività delle SOD dall’inibizione mediata dal perossido di idrogeno, e le SOD quella delle CAT dall’anione superossido (Bartosz, 2005).

In riso alcuni autori hanno osservato che le varietà di tipo indica più sensibili allo stress salino hanno una maggiore attività degli enzimi detossificanti (ascorbato perossidasi, perossidasi) fra cui la CAT. Tale osservazione viene giustificata suggerendo che la maggior resistenza al sale di una varietà rispetto a un’altra sia data dall’attività basale di enzimi con attività scavenger dei ROS; il loro aumento in genotipi suscettibili avverrebbe in risposta a un danno ossidativo già avviato, causato dal danneggiamento dei sistemi antiossidanti (Lee et

al., 2013). Studi precedenti su piante di riso esposte col sale non hanno osservato un

64 1997; Dionisio-Sese et al., 1998; Tsai et al., 2004).

Utilizzando trattamenti più spinti (200 mM NaCl), si osserva un aumento dell’attività enzimatica detossificante i ROS nelle radici di varietà di riso resistenti alla siccità. In queste condizioni nelle varietà tolleranti si riscontra infatti un minore accumulo di perossido di idrogeno e un incremento dell’attività della CAT maggiore rispetto a quello che avviene nella cultivar sensibile. Questo sembrerebbe confermare l’importanza dei sistemi antiossidanti nel meccanismo di adattamento della pianta allo stress salino. Inoltre l’attività della CAT viene influenzata dai livelli di perossido di idrogeno presenti: basse e più realistiche concentrazioni (1 mM) ne stimolano l’attività, mentre a concentrazioni più elevate (5-10 mM) gli enzimi di entrambe le varietà vengono inibiti in maniera paragonabile (Wang et al., 2013). Un altro lavoro prende in esame quattro varietà di riso con differenti capacità di tollerare lo stress salino. L’aumento della concentrazione di sale nel mezzo di coltura porta a un aumento della concentrazione di perossido di idrogeno, che causa un incremento dell’attività della CAT in maniera proporzionale alla resistenza (Figura 46) (Kong-ngern et al., 2012).

Figura 46. Catalasi e tolleranza allo stress salino in riso. In alto: quantità di perossido di idrogeno (sinistra) e

attività della CAT (destra) in funzione della salinità in quattro cultivar di riso (PK =tollerante; LA =moderata- mente tollerante; KDML105 & PT60 =sensibili) (Kong- ngern et al., 2012). In basso a sinistra: meccanismo d’azione della catalasi. Il Fe(III) reagisce con il perossido

di idrogeno, per formare un radicale cationico porfirinico contenente il Fe(IV). Un protone del perossido di idrogeno viene trasferito da un estremità all’altra da un residuo di istidina, polarizzando e rompendo il legame O-

O. Nel passaggio successivo un’altra molecola di perossido di idrogeno è usata come riducente per ridurre il Fe(IV) a Fe(III) e rigenerare l’enzima, liberando acqua e

idrogeno (Goyal et al., 2010).