Biyologlar - Biyolojiye Gerçekçi Yaklaşım

BİTKİLERDE İÇTEN VE DIŞTAN GELEN SİNYALLERE VERİLEN YANITLAR

---

Bitki yaşamının her evresinde, çevreye duyarlılık ve yanıtlarında koordinasyon vardır. Bitkinin bir kısmından, diğer kısımlarına sinyaller gönderilebilmektedir. Örneğin; bir sürgün ucundaki tepe tomurcuğu birkaç metre uzaklıktaki yanal tomurcukların büyümesini baskı altına alabilir.
Bitkiler, zamanı günlük ve yıllık olarak izlemektedirler. Yer çekimini ve ışığın yönünü algılarlar. Bitkinin morfolojisi ve fizyolojisi, çevresindeki değişkenlere göre sürekli olarak ayarlanır; bu çevresel uyartılar ve içsel sinyaller arasındaki kompleks ilişkilerle sağlanır.

SİNYAL İLETİMİ VE BİTKİ YANITLARI

Bitkiler dahil tüm organizmalar, özgül çevresel sinyalleri ve içten gelen sinyalleri alma ve bu sinyallere yanıt verme yeteneğindedir; organizmaların bu sinyallere yanıt vermesi, bir bakıma , yaşama ve üreme başarılarını artırır.
Bitkiler de çevrelerindeki önemli değişiklikleri saptamak için hücresel reseptörlerini kullanırlar; bu değişiklik büyüme hormonunun konsantrasyonundaki bir artışı, yapraklar üzerinde beslenen bir çekirgenin verdiği zararı yada kış yaklaştıkça gün uzunluğunun azalmasını kapsayabilir.
İç yada dış kaynaklı uyartının bir fizyolojik yanıtı başlatabilmesi için, organizmadaki belirli hücrelerin, uygun bir reseptöre sahip olması gerekir. Bir reseptör, özel bir uyartıya duyarlı ve ondan etkilenen bir moleküldür. Reseptör, bir uyartıyı alır. Bundan sonra iletim, bir dizi özel biyokimyasal basamağı, yani; sinyal iletim yolunu başlatır. Sinyal iletim yolu, uyartının algılanmasını organizmanın yanıtıyla eşleştirir.

Sinyal iletimi, içten ve dıştan (çevreden) gelen sinyalleri hücresel yanıtlara bağlar
Bir sürgün, güneş ışığına ulaşınca çok önemli morfolojik ve biyokimyasal değişiklikler geçirir. Bu değişiklikler yeşillenme olarak adlandırılır. Yeşillenme sırasında gövdelerin uzama hızı yavaşlar, yapraklar genişler, kökler uzamaya ve toprak üstü kısımlar klorofil üretmeye başlar; kısaca sürgün tipik bir bitkiye benzemeye başlar.

Bu yeşillenme nasıl olur?
Bu soruya cevap ararken; bir sinyalin (örn, ışık) bir bitki hücresi tarafından nasıl alındığını ve bu algılamanın bir yanıta (yeşillenme) nasıl dönüştürüldüğünü göreceğiz. İncelemelerimiz sırasında, mutantlarla yapılan çalışmaların, hücrede sinyal oluşumunun üç farklı evresinde (algılama, iletme ve yanıt verme) çeşitli moleküllerin oynadığı rollere nasıl ışık tuttuklarını göreceğiz

Sinyal iletim yollarının genel bir modeli. Özel bir reseptöre bağlanan bir hormon (veya çevreden gelen diğer bir sinyal), sekonder mesajcılar üretmek için hücreyi uyarır. Sekonder mesajcılar, orijinal sinyale karşı hücrenin çeşitli tepkimeler üretmesini sağlar. Yukarıdaki şekilde reseptör, hedef hücrenin yüzeyinde görülmektedir. Diğer durumlarda, hormonlar hücreye girer ve hücre içinde özel reseptörlere bağlanır.

Sinyalin Alınması
Sinyaller ister içten ister dıştan gelsin, ilk olarak reseptörler tarafından saptanır. Reseptörler, özel bir uyartıya yanıt olarak yapısal değişiklikler geçiren proteinlerdir. Bitkilerde yeşillenmede yer alan reseptör fitokrom olarak adlandırılır. Fitokrom özel bir proteine bağlanmış, ışık absorblayan bir pigmentten oluşmuştur. Plazma zarındaki pek çok pigmentin aksine, yeşillenmede iş gören fitokrom sitoplazmada bulunur. Araştırmacılar, yeşillenme sürecinde fitokromun gerekli olduğunu, aurea isimli bir domates mutantıyla yaptıkları çalışmalarda ortaya çıkarmıştır. Normal düzeyden daha düşük miktarda fitokroma sahip olan bu mutant, ışığa maruz bırakılınca yabani tip domatesten daha az yeşillenmektedir. (Latince aurea altın-renkli anlamındadır. Klorofil yokluğunda, karetenoyit denilen sarı bitki pigmentleri, daha fazla belirginleşirler). Araştırmacılar, diğer bitkilerden elde ettikleri fitokromu mikro iğnelerle (mikro enjeksiyon yoluyla) aurea‟nın yaprak hücrelerine enjekte ettikten sonra bu bitkiyi ışığa maruz bırakarak normal bir yeşillenme yanıtının oluşmasını sağlamışlardır. Bu tür denemeler, yeşillenme sürecinde, ışığın algılanmasında fitokromun iş gördüğü varsayımını desteklemiştir.

Sinyal İletilmesi
Yeşillenme süreci, çok düşük düzeydeki ışık tarafından başlatılır. Örneğin; birkaç saniyelik ay ışığına eşdeğer ışık düzeyleri, karanlıkta büyüyen çavdar fidelerinin gövde uzamasının yavaşlatmaya yeter. Fitokrom gibi reseptörler, çok zayıf çevresel ve kimyasal sinyallere duyarlıdır. Bu çok zayıf çevresel ve kimyasal sinyallerden gelen bilgi nasıl çoğaltılmakta ve bitki tarafından bu algılama özel bir yanıta nasıl dönüştürülmektedir? Bu sorunun yanıtı, sekonder mesajcılardır (sekonder messenger veya ikincil mesajcılar). Bunlar bitkide üretilen küçük kimyasal maddeler olup sinyali çoğaltarak reseptörden proteine nakleder; bu proteinler özel bir yanıta neden olur.

Örneğin; yeşillenmenin ortaya çıkması sırasında etkileşen her bir fitokrom, yüzlerce sekonder mesaj taşıyıcı molekül oluşturabilir. Bunlar da yüzlerce özel enzim molekülünü aktifleştirebilir. Sinyal iletim yolundaki bir sekonder mesajcı, bu tür mekanizmalarla sinyalin hızlı bir şekilde çoğalmasını sağlar. Şimdi, özel olarak sekonder mesajcıların oluşumunu ve yeşillenmenin ortaya çıkmasındaki işlevlerini inceleyelim.

Bitkilerde sinyal iletimine bir örnek; yeşillenmede fitokromun rolü. Işık sinyali fitokrom reseptörü tarafından alınır. Daha sonra reseptör G-proteinlerini içeren iki sinyal iletim yolunu aktifleştirir. 1) yollardan biri, bir protein kinaz serisini aktifleştiren bir sekonder mesengera götürür. 2) diğer yol, özel bir protein kinazı aktifleştiren bir Ca+2 – kalmodulin kompleksinin oluşumuna götürür. 3) her iki yol yeşillenmede iş gören proteinlerle ilgili genlerin ifade (yeşillenmede iş görmek için dizilmesini) olmasını sağlar.

Pek çok reseptör guanin-bağlı proteinlerle (G-proteinleri) ilişkiye girer. Fitokrom böyle bir reseptördür. Işık fitokromda konformasyonal bir değişikliğe neden olur. Daha sonra fitokrom, özel G-proteini ile ilişkiye girer. Aktifleşme sırasında, inaktif G-proteinine bağlı olan guanozin difosfat (GDP), guanozin trifosfat (GTP) ile yer değiştirir. Böylelikle, aktif hale gelen G-proteini, yeşillenmeyi sağlayan sinyal iletim yolundaki diğer enzimleri aktifleştirir.

Örneğin; fitokromun aktifleştirdiği G-proteinleri, ikincil (sekonder) bir mesaj taşıyıcı olarak siklik-GMP‟ı (cGMP) oluşturan enzim olan guanil siklazı aktifleştirir. G-proteini inhibitöreleri, aurea domates hücrelerine, fitokromun mikroenjeksiyon yoluyla verilmesinden sonra yeşillenmeyi durdurur; buna karşılık G-proteini aktivatörleri, yanıtı uyarır.

Siklik adenozin monofosfat (cAMP, siklik AMP) ve siklik guanozin monofosfatın (cGMP) dahil olduğu siklik nükleotidler özel protein kinazları (diğer proteinleri fosforlayarak aktifleştiren proteinler) aktifleştirir. Denemeler cGMP‟nin yeşillenme sürecinde yer aldığını göstermektedir. cGMP‟nin aurea domates hücrelerine mikroenjeksiyonu, fitokrom ilavesi olmaksızın bile, yeşillenme işlemini kısmen teşvik etmektedir.

Sitoplazmadaki (sitosol) Ca+2 düzeyleri genel olarak çok düşüktür (yaklaşık 10-1M). Bununla bilikte, çok çeşitli hormonal ve çevresel uyartı, sitosoldeki Ca+2 düzeyinde küçük bir artışa sebep olabilir. Daha sonra, Ca+2, kalmodulin olarak isimlendirilen küçük bir proteine doğrudan bağlanır. Bundan sonra Ca+2-kalmodulin kompleksi birkaç enzime bağlanarak, onları aktifleştirir. Protein kinazlar, bu enzimlerin en belirginleridir. Şekilde yeşillenme mekanizması sırasında fitokromun aktifleşmesinin, sekonder mesenger olarak hem cGMP hem de Ca+2-kalmodulinle sonuçlandığına dikkat ediniz.
Yanıtın Oluşması
Sonuçta, sinyal-dönüştürme yolları, hücrede bir yada daha fazla aktivitenin düzenlenmesine yol açar. Çoğu durumda, özelliklede gelişimdeki değişiklikler söz konusu olduğu zaman, uyartıya (sinyale) karşı verilen bu yanıtlar belirli enzimlerin aktivitesini artırır. Sinyal oluşturan bir yol, bir enzimi iki ana mekanizma ile aktifleştirebilir.

Bu mekanizmalardan biri, o enzimle ilgili mRNA‟nın transkripsiyonunun uyarılmasıdır, diğeri ise mevcut enzim molekülünün aktifleştirilmesidir (yani translasyon sonrası modifikasyon).

Transkripsiyon: DNA kalıbı üzerinden RNA sentezlenmesi.
Translasyon: Bir mRNA molekülü üzerinde kodlanmış genetik bilgiyi kullanarak bir polipeptidin sentezlenmesi.

Transkripsiyon faktörü: DNA‟ya bağlanarak özgül genlerin transkripsiyonunu uyaran, düzenleyici protein.

Transkripsiyon başlatma kompleksi: Promotere bağlanan RNA polimeraz ve transkripsiyon faktörlerinin tümünün oluşturduğu birlik.

Gen: DNA‟daki (yada bazı virüslerde RNA‟daki) özgül bir nükleotit dizisinden (sekansından) meydana gelmiş kalıtsal bilgiyi taşıyan birim. Genler (DNA) ve bunların ürünleri (proteinler) bir organizmanın kalıtsal gelişimini belirler.

Genom: Bir organizmanın genlerinin tamamı; bir organizmanın genetik materyali.

Transkripsiyon Evresinde Düzenleme

Trankripsiyon faktörleri doğrudan özel DNA bölgesine bağlanır ve özel genlerin transkripsiyonunu kontrol eder. Fitokromun teşvik ettiği yeşillenmede, uygun ışık koşullarına yanıt olarak birkaç transkripsiyon faktörü, fosforilasyonla aktifleştirilir. Bu transkripsiyon faktörlerinin bazısı cGMP‟a, buna karşılık diğerlerinin aktifleşmesi ise Ca+2-kalmodulin‟e gereksinim duyar.

Bir sinyalin yeni bir gelişim sürecinin başlamasını sağladığı mekanizma, pozitif transkript faktörlerine (özel genlerin transkripsiyonunu artıran faktörler) yada negatif transkript faktörlerinin (transkripsiyonu azaltan proteinler) etkisizleşmesine yada her ikisine birden bağlıdır. Karanlıkta büyütüldüklerinde mat renkli olmalarının dışında, ışıkta büyütülmüş gibi morfolojik özelliklere (geniş yapraklar, kısa ve sağlam gövdeler) sahip Arabidopsis mutantları mevcuttur (bu mutantlar yeşil renkli değildir. Çünkü klorofil üretiminin son basmağında doğrudan ışığa gereksinim duyulur). Bu mutantların bir negatif transkripsiyon faktöründe bozukluklar bulunur. Bu transkripsiyon faktörü, normalde ışık tarafından aktifleştirilen diğer genlerin ifadesini engellemektedir. Negatif faktör, mutasyonla ortadan kalkınca, onu durduran yol aktifleşmektedir.

Proteinlerde Translasyon Sonrası Oluşan Değişimler
Transkripsiyon ve translasyonla yeni proteinlerin sentezi, yeşillenme ile ilgili önemli moleküler olaylar olmalarına karşın, mevcut proteinlerin translasyon sonrası değişimleri de önemlidir. Bu mevcut proteinlerin çoğu sıklıkla fosforilasyonla, yani proteine bir fosfat grubunun katılmasıyla, değişime uğramaktadır. Protein kinazlar olarak isimlendirilen belirli proteinler hedef proteinlerin fosforilasyonunu katalizlemektedir. cGMP ve bazı fitokrom formları dahil, bazı reseptörlerin kendileri doğrudan protein kinazları aktifleştirir. Tüm bitki genlerinin yaklaşık % 2-3‟ü protein kinazları kodlayabilir.

Çoğunlukla bir protein kinaz başka bir protein kinaza, daha sonra diğerine, o da başkalarına fosfor kazandırır. Böylece kinazların ard arda harekete geçirilmesi, sonuçta başlangıçtaki uyartıya gen ifadesi düzeyinde yanıt verilmesini sağlar. Bu, genellikle transkripsiyon faktörlerinin fosforlanmasıyla gerçekleşir. Pek çok sinyal iletim yolu, bu tür mekanizmalarla yeni proteinlerin sentezini düzenler. Bunu, çoğunlukla özgül genlerin açılıp kapanmasını sağlayarak yapar.

Fosforilasyon şelalesi. Bir fosforilasyon şelalesinde yer alan farklı moleküller, bu yolda sırasıyla fosforile edilirler. Dizideki her molekül, kendinden sonraki moleküle bir fosfat grubu ekler. Burada gösterilen fosforilasyon şelalesi, protein kinaz 1 olarak adlandırdığımız bir enzimin bir aktarım molekülü tarafından aktive edilmesinden sonra başlar.

1) Aktif protein kinaz 1 bir fosfat grubunu ATP‟den inaktif protein kinaz 2‟ye aktarır. Böylece ikinci kinaz aktifleşir. 2) Aktif protein kinaz 2 daha sonra protein kinaz 3‟ün fosforilasyonunu (ve aktivasyonunu) katalizler. 3) Sonuçta, aktif protein kinaz 3, sinyale verilecek hücresel cevabı ortaya çıkaracak olan proteini (pembe) fosforile eder. Kesikli çizgi ile gösterilen oklar fosforile olmuş proteinlerin inaktivasyonunu temsil etmektedirler. Fosfotaz enzimleri fosfat gruplarının proteinlerden uzaklaştırılmasını katalizler. Böylece bu proteinler yeniden kullanılamazlar. Aktif ve inaktif proteinler farklı yapılarda temsil edilmektedirler. Bunun nedeni, aktivasyonun genellikle molekülün biçim değiştirmesiyle birlikte cereyan ettiğini hatırlatmaktır.

Sinyal iletim yolları, başlangıç sinyali ortadan kalkınca kapanma mekanizmasına da sahip olmalıdır. Özgül proteinlerin fosfor yitirmelerini sağlayan fosfataz enzimleri, bu kapama sürecinde yer alır. Herhangi bir anda bir hücrenin aktivitesi, pek çok proteinkinaz ve protein fosfataz enziminin aktivitesindeki dengeye bağlıdır.
Yeşillenmeyi Sağlayan Proteinler
Yeşillenme sürecinde hangi proteinlerin transkripsiyonu gerçekleşmekte yada fosforilasyonla aktifleştirilmektedir? Bu proteinlerin çoğu doğrudan fotosentezde iş gören enzimlerdir; diğerleri ise klorofil üretimi için gerekli kimyasal öncüllerin temin edilmesinde yer alır; bunların dışındaki enzimler ise, büyümeyi düzenleyen bitkisel hormonların düzeylerini etkiler. Örneğin gövde uzamasını artıran iki hormonun düzeyi sitokromun aktifleşmesinden sonra azalır. Bu nedenle, yeşillenmeyle birlikte gövde uzaması azalır.
Yeşillenme gibi yalnızca bir tek sürecin altında yatan biyokimyasal değişikliklerin bile ne denli karmaşık olduğunu açıklamak için bitki yeşillenmesinde yer alan sinyal iletimini ele aldık. Her bitki hormonu ve her bir çevresel uyartı, karmaşık, bir yada daha fazla sinyal iletim yolunu başlatır.

---