A mitokondrium szerepe a növényi sejt aszkorbinsav koncentrációjának és redoxállapotának szabályozásában.
Title in English
The role of mitochondria in the regulation of ascorbate concentration and redox state in plant cells.
Keywords in Hungarian
aszkorbinsav, recirkuláció, dehidroaszkorbát, mitokondrium, transzport, elektron transzfer
Keywords in English
ascorbic acid, recirculation, dehydroascorbate, mitochondria, transport, electron transfer
Discipline
Biochemistry and Food Chemistry (Council of Physical Sciences)
65 %
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)
35 %
Panel
International cooperation panel
Department or equivalent
Department of Applied Biotechnology and Food Science (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date
2006-01-01
Closing date
2008-12-31
Funding (in million HUF)
2.112
FTE (full time equivalent)
3.28
state
closed project
Summary in Hungarian
Mind állati, mind heterotróf növényi sejtekben kizárólag a mitokondriális légzési elektrontranszport lánc biztosítja a sejt működéséhez szükséges energiát. A mitokondrium a növényi sejtek életében más létfontosságú, igaz kevésbé ismert szerepet is betölt, így a növényi C- vitamin (aszkorbát) bioszintézis központi szerve. Az aszkorbát (ASC) kulcsszerepet játszik a sejt fejlődésében, stressztűrő képességében. Az aszkorbinsav monodehidroaszkorbátból és dehidroaszkorbátból történő redukciója állati mitokondrium esetében már ismert folyamat. A redukcióhoz szükséges elektronok számos forrásból származhatnak: glutation, fehérje és nemfehérje eredetű tiolok, liponsav. Laborcsoportjaink már korábban leírták a dehidroaszkorbát növényi mitokondriumba történő transzportját. Ezen ismeretek alapján a pályázat során a következő tényezőket szeretnénk megvizsgálni:
1. Az intracelluláris transzport szerepét az aszkorbinsav koncentráció és redox státusz alakulásában 2. A DHA regenerációs mechanizmusának felderítése. Az ASC regenerációt a mitokondriumban jelenlévő különféle redukálószerek végezhetik. A redox viszonyok és ezen jelöltek fogyásának részletes analízise tisztázhatja az egyes redukálószerek szerepét az ASC regenerációban 3. Az ASC bioszintézisének és fogyásának vizsgálata. Az ASC regeneráció fontosságának meghatározása mellett megvizsgáljuk, milyen szerepet játszik az ASC bioszintézis és fogyás az intracelluláris ASC készlet fenntartásában. 4. Az elsődleges anyagcsere és az ASC/DHA transzportja, bioszintézise és regenerációja közti kölcsönhatás vizsgálata 5. A kvantitativ adatok metabolikus modellbe történő integrálása
Summary
Both in animal tissues and in heterotrophic plant tissues, only mitochondria, the location of the respiratory electron transport chain, provide the cell with its metabolic energy. Mitochondria, however, occupy also other crucial, but less generally known positions in plant cell. In plants, mitochondria are the central site for the synthesis of ascorbate (ASC), a high abundance soluble metabolite with key roles in development and stress tolerance. Ascorbate regeneration from monodehydroascorbate and dehydroascorbate (DHA) has also been suggested to take place in animal mitochondria. Different electron donors (glutathione, protein and non-protein thiols, lipoic acid,) have been proposed for this reduction. In addition, plant mitochondria take up dehydroascorbate by facilitated diffusion as proven by our teams. Based on these facts we are going to investigate the following problems: 1. The regulation of ASC concentration and redox status through intracellular transport 2. The identification of regenerative mechanisms for DHA: as mentioned in the above text, different reductants are available in mitochondria which might perform ASC regeneration. A detailed analysis of the redox status and consumption of these candidates can demonstrate the involvement of each of these reductants in ASC regeneration. 3. The assessment of ASC biosynthesis and consumption In addition to determining the importance of ASC regeneration, we will look at the contribution that ASC biosynthesis and consumption make to the maintenance of the intracellular ASC pool. 4. The assessment of the interaction between primary energy metabolism and ASC/DHA transport, biosynthesis and regeneration 5. Integrating quantitative data into a metabolic model
Final report
Results in Hungarian
Radioaktívan jelölt ligandok rapid filtrációja során specifikus glukóz és dehidroaszkorbát transzportot figyeltünk meg, növényi mitokondriumban. A mitokondriális légzés KCN-dal törtnő gátlása és a szétkapcsolószer 2,4-dinitrofenol nem befolyásolta a vizsgált transzportfolyamatokat. Az eredmények igazolják a mitokondriális dehidroaszkorbát és glukóz transzport meglétét, valamint azt valószínűsítik, hogy azonos, mindenesetre közeli rokonságban álló transzporterek (vagy transzportrendszerek) mediálják a két transzportfolyamatot.
A mitokondrium dehidroaszkorbát redukciós képessége egyértelműnek bizonyult, továbbá jelentős aszkorbát szintet tudott fenntartani. Az inkubációs közeghez adott légzési szubsztrát szukcinát fokozta az aszkorbinsav keletkezését. A komplex I szubsztrát malát, valamint a komplex I inhibitor rotenon nem befolyásolta az aszkorbát képződést. Eredményeink összeségében arra utalnak, hogy a növényi mitokondrium légzési elektron transzfer lánca - közelebbről a II-es légzési komplex - fontos szerepet játszik a dehidroaszkorbát mitokondriális redukciójában.
Kísérleteink során inveráz aktivitást találtunk frissen izolált csicsóka mitokondrium mátrix alfrakciójában. Az enzimaktivitás pH optimuma, kinetikai paraméterei, valamint inhibitor profilja alapján az újonnan leírásra került enzim a neutrális invertázok családjába sorolható. Az enzimaktivitáson felül kimutattuk szubsztrátjának, valamint termékeinek mitokondriális belső membránon keresztüli transzportját.
Results in English
Ascorbate, dehydroascorbate (DHA), and glucose transport was investigated in plant mitochondria prepared from cultured BY2 tobacco cells. Using a rapid filtration method, we observed a specific glucose and dehydroascorbate transport, which was temperature and time dependent and saturable. Inhibition of mitochondrial respiration by KCN and the uncoupler 2,4-DNP did not influence the transport of the investigated compounds. The results demonstrate the presence of dehydroascorbate and glucose transport in plant mitochondria and suggest that it is mediated by the same or closely related transporter(s).
Mitochondria showed clear ability to reduce DHA and to maintain a significant level of ascorbate. Ascorbate generation could be stimulated by the respiratory substrate succinate. The complex I substrate malate and the complex I inhibitor rotenone had no effect on the ascorbate generation from DHA. These results together suggest that the mitochondrial respiratory chain of plant cells – presumably complex II – plays important role in the regeneration of ascorbate from its oxidized form, DHA.
Invertase activity in the mitochondrial matrix of Helianthus tuberosus tubers was demonstrated. The pH optimum, the kinetic parameters and the inhibitor profile of the invertase activity indicated that it belongs to the neutral invertases. In accordance with this topology, transport activities responsible for the mediation of influx/efflux of substrate/products were shown and characterized.
Szarka A., Bánhegyi G, Mayer M.:: A mitokondrium szerepe a növényi sejt C-vitamin bioszintézisében és redox állapotának szabályozásában., BIOKÉMIA 30: 33–38., 2006
Szarka A., Horemans N., Kovács Z., Gróf P., Mayer M., Bánhegyi G.:: Dehydroascorbate reduction is coupled to the respiratory electron transfer chain., Physiol Plant, 2007
András Szarka, Nele Horemans, Salvatore Passarella, Ákos Tarcsay, Ferenc Örsi, András Salgó, Gábor Bánhegyi:: Demonstration of an intramitochondrial invertase activity and the corresponding sugar transporters of the inner mitochondrial membrane in Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) tubers, Biochemical Journal (submitted), 2008
Szarka A, Bánhegyi G, Kovács Z, Mayer M, Horemans N:: The reduction of dehydroascorbate in plant mitochondria: possible electron sources., 8th International Conference on Membrane Systems Szeged, Hungary, 2006
Szarka A, Horemans N, Kovacs Z, Mayer M, Bánhegyi G:: The recycling of ascorbate is coupled to respiration electron transfer chain.,, HU/FL Mini-Symposium: Interplay between the primary and ascorbic acid metabolism in plant mitochondria. Antwerp, Belgium, 2006
Szarka A, Bánhegyi G, Horemans N:: The recycling of ascorbate in plant mitochondria., Plant Oxygen Group meeting 2007 September 12, 13 & 14, Ghent, Belgium, 2007
Szarka A.: THE CONSEQUENCES OF MITOCHONDRIAL DEHYDROASCORBATE AND GLUCOSE TRANSPORT., HU/FL Mini-Symposium: Interplay between the primary and ascorbic acid metabolism in plant mitochondria. Antwerp, Belgium 2007. October 27-29., 2007
