STRES OKSIDATIF PADA TUMBUHAN Umi Kulsum Nur Qomariah Wening Tri Utami Fakultas Biologi UNIVERSITAS GADJAH MADA 2013 Presented at May 28 ‘13

ROS (Reactive Oxygen Species) Bentuk umum berupa ROS (Reactive Oxygen Species) Hidroksil radikal Oksigen singlet Superoksida Hidrogen peroksida OH. 1O2 O.-2 H2O2

Pembentukan oksigen singlet Fotolisis air menghasilkan H+ dan O2 Pada kondisi ini oksigen berada pada kondisi bentuk dasarnya yaitu Oksigen triplet Klorofil menyerap cahaya sehingga tereksitasi  tingkat energi rendah (CHL)  klorofil dengan tingkat energi tinggi (CHL*) Klorofil triplet Pada saat klorofil tereksitasi, 4 kemungkinan : Energi dilepaskan dalam bentuk panas Energi dimanfaatkan untuk fotokimia Energi dilepaskan secara perlahan (fluorescense) Energi disalurkan ke molekul lain seperti oksigen membentuk ROS yang bersifat destructive Presented at May 28 ‘13

Pembentukan Superoksida (O2-) Pengaturan aktivasi dari Siklus Calvin Benson dan kontrol aliran elektron merupakan factor yang penting dalam penentuan kondisi redoks dari kelompok feredoksin. Hal ini penting karena feredoksin dan pembawa electron pada PSI mempunyai potensial elektrokimia negatif yang cukup untuk mendonasikan electron ke oksigen yang mengakibatkan formasi radikal bebas dari superoksida Presented at May 28 ‘13

Pembentukan hidrogen peroksida (H2O2) SOD 2O2- + 2H H2O2 + O2 Hidrogen peroksida diproduksi oleh dismutasi radikal superoksida yang dikatalis oleh SOD (Superoxide dismutase) Hidrogen peroksida mempunyai toksisitas rendah tp dapat bekerja ditempat yang jauh dengan produksinya

Pembentukan radikal hidroksil (OH.) Fe2+/Fe3+ H2O2 + O2- OH. + OH- + O2 Radikal hidroksil dibentuk dari superoksida melalui dengan bantuan Fe atau Cu Radikal hidroksil lebih toksik daripada superoksida karena dapat bereaksi dengan makromolekul biologi yang tidak dapat dipulihkan oleh metabolisme sel Hanya dapat bereaksi dengan molekul yang ada didekatnya, karena dikendalikan secara difusi Presented at May 28 ‘13

Presented at May 28 ‘13

Penyebab ROS HERBISIDA Oksidasi Sulfit  Sulfat  meningkatkan O.-2 POLUTAN O3  Menyebabkan bleaching dan peroksidasi lipid SO2  Menyebabkan perubahan PH sitoplasma H2O + SO2  H2SO4 Oksidasi Sulfit  Sulfat  meningkatkan O.-2 HERBISIDA Beberapa herbisida dapat menghasilkan ROS  secara langsung ataupun penghambatan jalur biosintesis Presented at May 28 ‘13

PENYEBAB ROS Fe Cadmium (Cd) CU 2+ LOGAM BERAT Presented at May 28 ‘13 Mengkatalisis hidroksil radikal dan oksigen toksik CU 2+ Lipid Peroxidation Bleaching Penurunan kalase endogen Cadmium (Cd) Menurunkan klorofil Menginduksi lipoxygenase –I SOD dan CAT Presented at May 28 ‘13

KERUSAKAN OKSIDATIF SELULER Presented at May 28 ‘13

PEROKSIDASI LIPID Perubahan struktur membran Perubahan fluiditas membran dan komunikasi seluler Perubahan signaling protein di membran Peningkatan permeabilitas ion Oksidasi Lipid membran oleh lox (lipooksigenase)  ridgification membran Gangguan signaling membran Presented at May 28 ‘13

OKSIDATIVE SELULER H2O2 Semipermeabilitas hilang Campbell et al, 2011 Presented at May 28 ‘13

Oksidasi Produk DNA Mutasi produk DNA 8-hydroxyadenine Wiseman & Halliwell, 1996

Stress Oksidatif Bunga Pasca Polinasi Polinasi memicu sintesis ROS Terjadi perubahan biokimia dari membran sel (ex;kebocoran elektrolit) Sel kehilangan air Polinasi Attri et al, 2008 Senescen lebih cepat

Signaling oleh ROS Perubahan konsentrasi H2O2 mensignaling perubahan transkripsi gen Eliminasi lapisan aleuron Penutupan stomata Reaksi hipersensitif & SAR melawan patogen Pemanjangan sel akar gravitropism akar Sintesis allelopathy Laloi et al, 2004 Presented at May 28 ‘13

Penutupan Stomata Sintesis H2O2 Induksi ABA Kondisi Stress kekeringan/banjir Sintesis H2O2 Induksi ABA Phosphatidyl inositol 3-phosphate (PI3P) Laloi et al, 2004

Ekspresi genetic stress program ROS dalam Transkripsi Stress Increase ROS ROS Molekul target oxidation of components of signalling pathways activate transcription factors Ex: mitogen activated protein kinase (MAPK) Ekspresi genetic stress program Laloi et al, 2004 Presented at May 28 ‘13

Ekspresi genetic stress program Enhanced tolerant stress Hipersensitif Enhanced tolerant stress SAR Lokal Presented at May 28 ‘13

Laloi et al, 2004 Presented at May 28 ‘13

KESIMPULAN ROS secara alami terdapat pada tumbuhan dari hasil samping proses metabolisme ROS ada 4 macam yaitu superoksida, oksigen singlet, hidrogen peroksida dan hidroksil radikal Cekaman stress biotik dan abiotik memicu sintesis ROS berlebih ROS berperan dalam signaling aktivasi faktor transkripsi genetik stress program Presented at May 28 ‘13

DISKUSI 1 Bagaimana mekanisme unsur cd memberikan cekaman pada tumbuhan? Apakah sama dengan kondisi cekaman logam berat? (Muh sofi/1088 Jawaban: Cekaman tumbuhan pada Unsur cd akan menggeser unsur yang memiliki valensi atom sama pada gugus fungsional suatu senyawa. Adanya cd akan akan menghasilkan lox (enzim lipoxigenase) yang akan menjadi inhibitor bagi CAT dan SOD. Presented at May 28 ‘13

DISKUSI (lanjutan) 2 Pada mekanisme penutupan stomata, bagaimana Hidrogen peroksida mensignaling sintesis ABA, padahal beberapa literatur menyebutkan bahwa ABA yang akan memicu sintesis hidrogen peroksida (Yuanita rachmawati/ 1091) jawaban: kondisi stress (cekaman biotik atau abiotik) akan memicu sintesis hidrogen peroksida. hidrogen peroksida akan menginduksi sintesis ABA. ABA memberikan signal balik sehingga konsentrasi hidrogen peroksida menjadi lebih tinggi dari sebelumnya. Akumulasi hidrogen peroksida yang tinggi akan memicu sintesis antioksidan untuk menetralisir H2O2, sehingga terjadi kesetimbangan antara konsentrasi H2O2 dengan antioksidan. Presented at May 28 ‘13

DISKUSI (lanjutan) 3 Bagaimana gugus hidroksil radikal dapat merusak tumbuhan? (Yuanita Rachmawati/1091) Jawaban: Gugus hidroksil radikal dapat berikatan pada beberapa struktur seperti DNA, asam amino, protein dan lipid. Salah satu contoh adalah terjadinya ikatan antara adenin dengan gugus hidroksil radikal. Gugus hidroksil radikal yang berikatan pada atom no 2 struktur adenin, akan menghasilkan 2-hidroksiadenin. Perubahan struktur basa nitrogen akan merusak struktur DNA. Perubahan struktur DNA yang terjadi pada gen-gen fungsional dapat mengakibatkan silent mutation, missent mutation atau nonsen mutation sehingga mempengaruhi produk transkripsi dan translasi yang berperan untuk pertumbuhan dan perkembangan tumbuhan. Presented at May 28 ‘13

Presented at May 28 ‘13