بخشی از مقاله
چکیده
پپتیدهای ضد میکروبی گیاهی جزئی از سیستم دفاعی گیاهان هستند که از تنوع گسترده گونه های ریشه، بذر، گل، ساقه، و برگ ها جدا شده و نسبت به آسیب های گیاهی و نیز در برابر باکتری های بیماری زای انسانی از خود واکنش نشان می دهند. بنابراین پپتیدهای ضد میکروبی گیاهی به عنوان ترکیبات پادزی مطمئن با کاربردهای بیوتکنولوژیکی مهم در نظر گرفته شده است. پتیدهای ضد میکروبی گیاهی به چندین گروه با ویژگی های مشترک کلی از قبیل بار مثبت، وجود پیوندهای دیسولفیدی - تثبیت کننده ساختار - ، و مکانیزم تاثیر بر ساختار غشاء بیرونی تقسیم شده اند.
.1مقدمه
به عنوان بخشی از واکنش تدافعی، گیاهان تعداد زیادی مولکول سمی شامل پپتیدهای ضد میکروبی تولید می کنند که از طریق میانکنش با فسفولیپیدها و نفوذپذیری غشائی قادر به از بین بردن میکروب های بیماری زا هستند. گروه دیگر متشکل از پپتیدهای نافذ سلولی با قابلیت وارد کردن محموله های گوناگون در غیاب گیرنده های خاص از طریق میانکنش با فسفولیپیدهای غشائی به درون سلول ها می باشد.
پپتیدهای ضد میکروبی گیاهی و پپتیدهای نافذ سلولی بخشی از سیستم دفاعی غیرخاص میزبان بوده و در مقابل انواع مختلف ریزجانداران واکنش نشان می دهند. پپتیدهای ضد میکروبی در گونه های بسیار متنوعی نظیر حشرات، دوزیستان، و پستانداران شرح داده شده اند و دارای دامنه عملکرد بسیار وسیعی از خواص ضد میکروبی تا اثرات تعدیل کننده ایمنی هستند. پپتیدهای ضد میکروبی برای غیرفعال نمودن سلول های پروکاریوزی با هدف قرار دادن تعدادی از فرآیندهای اصلی یا متابولیکی در خارج سلولی، غشاء پلاسمائی، و یا داخل سلولی نشان داده شده اند.
بیشتر پپتیدهای ضد میکروبی طبیعی دارای طولی معادل 10 تا 50 اسید آمینه و ابعاد 2 تا 9 کیلو دالتون - kDa - با بار مثبت و حاوی مقدار زیادی اسید آمینه آبگریز بوده که اغلب به صورت ساختار مارپیچی نمایان می شوند. پپتیدهای ضد میکروبی دارای کدهای ژنی هستند که یا بصورت اساسی بیان شده و یا سریعا با القاء در هوهسته ها از طریق هجوم به میکروب ها و محصولات آن ها، یا ترکیبات سلولی میزبان مانند سیتوکین ها، بوتیرات ها یا ویتامین ها نسخه برداری می شوند. این نوع پپتیدها اساسا طبق ترتیب اسیدهای آمینه، هویت، تعداد سیستئین های باقیمانده، و فواصل آن ها در گروه های مجزا قرار می گیرند. پپتیدهای ضد میکروبی گیاهی بر اساس بار الکتریکی به دو دسته آنیونی و کاتیونی تقسیم می شوند.
پپتیدهای ضد میکروبی گیاهی از تنوع گسترده گونه های ریشه، دانه، گل، ساقه، و برگ ها مجزا شده و نسبت به آسیب های گیاهی و نیز در برابر ریزجانداران بیماری زای انسانی، ویروس ها، باکتری ها، گیاهان قارچی، تک یاختگان، انگل ها، و سلول های نئوپلاسمائی از خود واکنش نشان می دهند. مجموعه پپتیدهای ضد میکروبی که توسط گیاهان سنتز می شوند با صدها پپتید ضد میکروبی در برخی گونه های گیاهی بسیار گسترده هستند. خانواده های اصلی پپتیدهای ضد میکروبی بر اساس تشابه ترتیب اسیدهای آمینه شامل دیفنسین ها، تیونین ها، پروتئین های ناقل لیپید، سیکلوتیدها، و پروتئین های شبه هیوئین می باشد.
.2روابط ساختاری و تابعی پپتیدهای ضد میکروبی گیاهی
علیرغم تفاوت های بارز در ترتیب اسیدهای آمینه بین خانواده های فوق الذکر، مقایسه ساختار اولیه و ثانویه پپتیدهای ضد میکروبی گیاهی در تجزیه و تحلیل های سیلیسیومی حاکی از وجود برخی شباهت ها در ساختارهای ثانویه پپتیدهای ضد میکروبی گیاهی بوده است - شکل . - 1 از ویژگی های اصلی پپتیدهای ضد میکروبی دارا بودن میزان بالایی از سیستئین و یا گلیسین و وجود پل های دیسولفیدی است که نقش مهمی در پایداری ساختار تحت شرایط تنش زا ایفا می کنند. تقریبا 17 درصد از اسیدهای آمینه موجود در پپتیدهای ضد میکروبی گیاهی باردار هستند - عمدتا آرژنین ها و یا لیسین ها و نیز اسیدهای آسپارتی و گلوتامیکی - که ظاهرا نقش اساسی در واکنش به باکتری های بیماری زا دارند.
.3مکانیزم عملکرد ضد باکتری و ضد قارچی پپتیدهای ضد میکروبی گیاهی
اغلب پپتیدهای ضد میکروبی شناخته شده از طریق ایجاد منفذهای غشائی منجر به نشت یونی و متابولیکی، قطب زدایی، توقف فرآیندهای تنفسی، و مرگ سلولی عمل می کنند. ساختار آمفی پاتیکی و بار مثبت در pH فیزیولوژیکی ویژگی های قابل توجهی هستند که باعث میانکنش با لیپیدهای غشائی می گردند. باقیمانده های کاتیونی، مولکول هایی را که دارای بار منفی هستند و باعث تجمع پپتیدها بر روی سطح غشاء می شوند را به صورت الکترواستاتیکی جذب می نمایند - برای مثال: فسفولیپیدهای آنیونی، لیپوپلی ساکاریدها، یا اسیدهای تئیکوییدی - . پس از این که تمرکز به حد آستانه رسید، فروپاشی آغاز می گردد.
سه مدل اصلی برای تشریح پدیده مذکور ارائه گردیده است - شکل - 2 که عبارتند از: مدل بشکه ای، مدل سوراخ کرم - منفذ چمبره ای - ، و مدل فرشی. در مکانیزم بشکه ای، پپتیدهای ضد میکروبی با باقیمانده های آبگریز پپتیدی مقابل جداره داخلی باقیمانده های لیپیدی دولایه و آب دوست متمایل به مجرای منفذی که به تازگی ایجاد شده است، اولیگومریز می شوند. در مکانیزم سوراخ کرم، مولکول های پپتیدی در حین کشش تجمعی لیپیدها با آن ها مجددا در غشاء متمرکز می گردند - از طریق میانکنش الکترواستاتیکی بین سرگروه های فسفولیپیدها و باقیمانده های آب دوست پپتیدهای ضد میکروبی - . در نتیجه، غشاء خمیده شده و لایه های متصل باعث ایجاد منفذ چنبره ای می گردند.
در مکانیزم فرشی، پپتیدها همانند مواد پاک کننده عمل کرده و به صورت الکترواستاتیکی غشاء را می پوشانند - به شکل مونومری یا اولیگومری - . فرش متشکل از مولکول های آمفی پاتیکی موجب جابجایی فسفولیپیدی، تغییر خواص غشایی، و اختلال در غشاء می گردد. مدل های دیگری مانند مدل قایق در حال غرق شدن، مدل تجمعی، یا الکتروپوراسیون مولکولی نیز وجود دارد اما توجه زیادی را در این زمینه به خود معطوف ننموده و از لحاظ تجربی چندان مورد تایید نمی باشند.
ساختار سه بعدی پپتیدهای مختلف انتخاب شده از خانواده های متفاوت
تفاوت هایی عمدتا مربوط به ترکیب غشاء هدف بین عملکرد ضد قارچی و ضد باکتری وجود دارد. برای مثال، تیونین های در غشاء قارچی به گلوکوسیل سرامیدها و اسفینگولیپیدها می چسبد - بجای فسفولیپیدها که نقش گیرنده را در باکتری دارند - . با این حال بسیاری از پپتیدهای ضد میکروبی - برای مثال، تیونین - ^/ 1 از سورگوم - هم نسبت به باکتری و هم نسبت به قارچ واکنش نشان می هند.
.4شرح تفصیلی خانواده های اصلی پپتیدهای ضد میکروبی گیاهی
.4-1دیفنسین ها - مولکول های دفاعی -
نخستین دیفنسین های گیاهی از گندم آئستیووم T و به ندرت از هوردئوم وولگر جدا شده اند، و اساسا" بنام تیونین های شناخته شده اند. دیفنسین های گیاهی، پپتیدهای کوچک - - ca. 5 kDaحاوی میزان بالایی از سیستئین و تعداد 45 تا 54 اسید آمینه بوده و دارای بار مثبت هستند. عملکردهای بیولوژیکی دیفنسین های گیاهی شامل فعالیت های ضد قارچی، ضد باکتری، تجزیه پروتئین، و بازدارنده آمیلاز حشرات می باشند - جدول . - 2 دیفنسین های گیاهی دارای ترکیبات نسبتا متنوعی از اسیدهای آمینه و ساختار سه بعدی محفوظی هستند که از یک ورق سه رشته ای به موازات یک مارپیچ که توسط پل های دیسولفیدی تثبیت شده است، تشکیل گردیده است.
دیفنسین های گیاهی بسیار شبیه به پپتیدهای دفاعی پستانداران و حشرات هستند. بطور کلی دیفنسین های گیاهی از یک زیر واحد به اشکال مونومری - تک پاره ای - تشکیل یافته است. از سوی دیگر، دیفنسین های پاکیزیروس اروسس و ویگنا آنگوئیکولاتا دارای قابلیت دوجزیی شدن بودند. شیوه عملکرد دیفنسین های گیاهی همچنان ناشناخته بوده و همه آن ها از روش عملکرد یکسانی برخوردار نیستند. دیفنسین های احتمالی از گلوکوسیل سرامیدها به عنوان گیرنده هایی برای ورود به غشاء سلولی قارچ استفاده می کردند. از این رو، دفع دیفنسین های درون غشاء سلولی توسط بار مثبت آن ها منجر به شکاف غشائی ، بی ثباتی غشائی و انتشار یونی می گردد.
دیفنسین های گیاهی را می توان به دو گروه تقسیم بندی نمود: - 1 - دیفنسین های گیاهی که از طریق پیچش های مورفولوژیکی نخینه قارچی از رشد قارچی جلوگیری می کنند - 2 - دیفنسین های گیاهی که بدون پیچش های مورفولوژیکی نخینه قارچی از رشد قارچی جلوگیری می کنند. اغلب دیفنسین های گیاهی از دانه ها جدا شدند. در گیاه تربچه، دیفنسین RS-AFPs حاوی 0 /5 درصد از کل پروتئین درون بذر است.
همچنین دیفنسین ها از برگ ها، غلاف ها، گره ها، ریشه ها، پوست درخت، و اندام های گیاهی گیاهانی نظیر هئوکرا سانگوئینئا - Hs-AFP1 - ، رافانوس ساتیووس - Rs-AFP1 - ، آئسکولوس هیپوکاستانوم - Ah-AMP1 - ، دالیا مرکی - Dm-AMP1 - و کلیتوریا ترناتئا جدا شدند. دیفنسین ها در زمان رشد و توسعه عادی گیاه شکل گرفته و تحت تاثیر عوامل محیطی و تنش جانداری و بی جانی ایجاد می شوند. ژن دیفنسین ها تحت تاثیر آلودگی میکروب بیماری زا در نخود، تنباکو، آرابیدوپسیس و صنوبر شناسایی شده است. دیفنسین های گیاهی دو گروه هستند، گروه اول شامل پروتئین پیشرو حاوی یک پپتید سیگنال آمینه که پپتیدها را بطرف فضای خارج سلولی هدف قرار می هد و گروه دوم از دیفنسین ها دارای پرودومین های ترمینال C هستند.
دیفنسین های گیاهی به خاطر واکنش ضد میکروبی در برابر طیف وسیعی از میکروب های بیماری زای گیاهی مانند باکتری، مخمر، اومیست ها، و میکروب های بیماری زای نتروتروفی بسیار مشهور هستند. همچنین نقش مهمی در زمینه پزشکی به عنوان ضد سرطان و ضد ویروس دارند. دیفنسین های گیاهی با گلوکوسیل سرامیدها در غشاء مخمر آماده و مستعد و قارچ میانکنش داشته و باعث نفوذپذیری و مرگ سلولی قارچ می گردد.
.4-2تیونین ها
تیونین ها خانواده ای از پپتیدهای ضد میکروبی هستند که دارای وزن مولکولی پایین - تقریبا 5 کیلو دالتون - و حاوی باقیمانده های آرژنین، لیسین، و سیستئین زیاد می باشند. ساختار آن ها از دو مارپیچ موازی ناهمسو و یک ورق دو لایی موازی ناهمسو به همراه سه یا چهار پیوند دی سولفیدی محافظت شده تشکیل شده است، و در pH طبیعی به صورت مثبت باردار شده اند. شیار بین مارپیچ و ورق های باقیمانده Tyr 13، میانکنش های غشایی احتمالا مربوط به نشت سلولی که مکانیزم رایجی از انحلال و تجزیه سلولی تیونین ها است را دربر می گیرد.
تیونین ها در واکنش با باکتری، قارچ و مخمر سمی می شوند - جدول . - 1 در حدود 100 رشته تیونین مجزا در بیش از 15 گونه گیاهی مختلف شناسایی شده است - در مونوکات ها، دیکوتیلدونوس، و روسیدها - . نخستین تیونین در سال 1942 میلادی توسط بالس و همکارانش از اندوسپرم - قوت گیاهک - تری تیکام آئستیوم جدا گردید که بعدا پوروتیونین نامیده شد. نام تیونین برای دو گروه مجزا از پپتیدهای گیاهی شامل تیونین های -/ و مورد استفاده قرار می گیرد. گروه آخر - تیونین های - وجه اشتراک بیشتری با خانواده بزرگ پپتیدهای فعال غشایی بنام دیفنسین ها که در گیاهان و حیوانات یافت شده است، دارند. تیونین ها دارای ساختار ژنی مشترک با یک پپتید پیشرو به طول تقریبی 20 و یک پپتید اسید دنباله رو به طول تقریبا 60 می باشند که سم اصلی را خنثی می نماید.
گسستگی - کلیواژ - پپتید پیشرو برای فعال سازی سم ضروری است. انواع تیونین ها تقریبا در هر بافت مهم گیاهی از قوت گیاهک گرفته تا برگ ها وجود دارند، و تاثیر سمی آن ها لازمه تجزیه و انحلال غشاء سلول های پیوسته می باشد. مکانیزم دقیق منشاء مسمومیت ناشناخته است. عملکرد ضد قارچی تیونین ها حاصل میانکنش مستقیم پروتئین و غشاء از طریق میانکنش الکترواستاتیکی تیونین دارای بار مثبت با فسفولیپیدهای دارای بار منفی در غشاء های قارچی است که این امر باعث ایجاد منفذ یا میانکنش خاص با محیط لیپیدی معین می گردد. تیونین های -/ به پنج دسته تقسم می گردند اما با این وجود همگی در میزان اسید آمینه بسیار شبیه به هم هستند.
