Реакция окисления

Окислительная реакция стимулируется нарушением баланса между выработкой активных форм кислорода и антиоксидантными реакциями, известными как окислительный стресс . Активные виды кислорода естественным образом встречаются в аэробных клетках и имеют как внутриклеточные, так и внеклеточные источники. Эти виды, если их не контролировать, повреждают все компоненты клетки, включая белки, липиды и ДНК. Следовательно, клеткам необходимо поддерживать сильную защиту от повреждений. Следующая таблица дает представление о системе антиоксидантной защиты бактериальной системы.

Линия защиты	Компоненты	Функция	Примеры
Первый	Хелаторы металлов	предотвращают образование свободных радикалов путем ингибирования реакций, катализируемых металлами	металлотионеин , церулоплазмин , ферритин , трансферрин и дефероксамин.
Второй	Низкомолекулярные соединения и антиоксидантные ферменты	деактивировать свободные радикалы (АФК) до того, как какая-либо биологическая молекула будет повреждена	аскорбат , глутатион , альфа-токоферол , супероксиддисмутаза (СОД) и каталаза
Третий	системы репарации ДНК система восстановления белка система восстановления липидов	восстанавливать биомолекулы после того, как они были повреждены АФК	метионинсульфоксидредуктаза глутатионпероксидаза

Стрессовая реакция

Небольшие изменения в статусе клеточных оксидантов могут быть обнаружены специфическими белками, которые регулируют набор генов, кодирующих антиоксидантные ферменты. Такой глобальный ответ вызывает адаптивный метаболизм, включая устранение АФК , обход поврежденных путей, репарацию окислительных повреждений и поддержание восстановительной способности.

Пероксид и супероксид являются двумя основными активными формами кислорода. Установлено, что у бактерий пероксидная и супероксидная реакции на стресс различны. Воздействие микроорганизмов низкими сублетальными концентрациями оксидантов приводит к приобретению клеточной устойчивости к последующему летальному окислительному стрессу.

Реакция на перекисный стресс

В ответ на повышенный поток перекиси водорода и других органических пероксидов, таких как гидропероксид трет-бутила и гидропероксид кумола перекиси стимулятор , активируется . Исследования реакции E. coli на H ₂ O ₂ показали, что воздействие H ₂ O ₂ повышает уровни мРНК OxyR 140 генов, из которых 30 генов являются членами регулона . В состав генов входит множество генов, кодирующих метаболические ферменты и антиоксидантные ферменты, что свидетельствует о роли этих ферментов в реорганизации обмена веществ в условиях стресса. ^{[ 1 ]}

Реакция на супероксидный стресс

При стрессе при повышенном уровне супероксидного аниона-радикала O ₂⁻Бактерии реагируют, вызывая супероксидный стимулятор. Соединения, генерирующие супероксид, активируют регулятор SoxR путем одноэлектронного окисления кластеров 2Fe-2S. Окисленный SoxR затем индуцирует экспрессию белка SoxS, который, в свою очередь, активирует транскрипцию структурных генов регулона SoxRS. ^{[ 2 ]}

Регулирование

Транскрипционный фактор OxyR регулирует экспрессию регулона OxyR. H ₂ O ₂ окисляет транскрипционный фактор, образуя внутримолекулярную дисульфидную связь. Окисленная форма этого фактора специфически связывается с промоторами составляющих генов регулона OxyR, включая katG (гидропероксидаза- каталаза HPІ), gorA ( глутатионредуктаза ), grxA ( глутаредоксин 1), trxC ( тиоредоксин 2), ahpCF ( алкилгидропероксидредуктаза). ), dps (неспецифический ДНК-связывающий белок) и oxyS (небольшой регуляторный РНК). Восстановленный OxyR обеспечивает ауторепрессию путем связывания только с промотором oxyR . ^{[ 1 ]}

Регуляция регулона soxRS происходит в два этапа: белок SoxR сначала преобразуется в окисленную форму, которая усиливает транскрипцию soxS , а повышенный уровень белка SoxS, в свою очередь, активирует экспрессию регулона. Структурные гены этого регулона включают sodA (Mn- супероксиддисмутаза (SOD)), zwf ( глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа ( G6PDH )), acnA ( аконитаза A), nfsA ( нитратредуктаза A), fumC ( фумараза C) и nfo ( эндонуклеаза IV) среди других. В E.coli негативная ауторегуляция белка SoxS служит механизмом подавления окислительно-восстановительной реакции на стресс soxRS . ^{[ 3 ]}

Гены регулона SoxRS могут регулироваться дополнительными факторами. ^{[ 2 ]}

По крайней мере три известных гена, включая xthA и katE, регулируются сигма-фактором KatF( RpoS ), синтез которого включается во время стационарной фазы . Известно, что XthA (экзонуклеаза III, фермент восстановления ДНК) и KatE (каталаза) играют важную роль в защите от окислительного стресса, но гены регулона KatF не индуцируются окислительным стрессом. ^{[ 2 ]}

Существует совпадение между реакцией на окислительный стресс и другими регуляторными сетями, такими как реакция на тепловой шок , реакция SOS .

Физиологическая роль реакции

Защиту от вредного воздействия активного кислорода можно логически разделить на два широких класса: профилактические и восстановительные.

Предотвращение окислительного повреждения

Клеточная защита от разрушительного воздействия окислительного стресса включает как ферментативные, так и неферментативные компоненты.

Ферментативные компоненты могут напрямую удалять активные формы кислорода или действовать путем образования неферментативных антиоксидантов. Есть четыре фермента, которые обеспечивают основную защиту от вредных реакций с участием активного кислорода в бактериях: СОД (супероксиддисмутазы, кодируемые sodA и sodB ), каталазы ( katE и katG ), глутатионсинтетаза ( gshAB ) и глутатионредуктаза ( gor ). Некоторые бактерии имеют НАДН-зависимые пероксидазы, специфичные к H ₂ O ₂ .

Основными неферментативными антиоксидантами E. coli являются GSH и тиоредоксин (кодируемый trxA ). Убихинон и менахинон также могут служить мембраносвязанными антиоксидантами.

Ремонт окислительных повреждений

Вторичная защита включает системы восстановления ДНК, протеолитические и липолитические ферменты . Ферменты репарации ДНК включают эндонуклеазу IV, индуцируемую окислительным стрессом, и экзонуклеазу III, индуцируемую в стационарной фазе и в голодающих клетках. Эти ферменты действуют на дуплексную ДНК и очищают 3'-концы ДНК.

Прокариотические клетки содержат катализаторы, которые часто модифицируют первичную структуру белков за счет восстановления дисульфидных связей. Это происходит на следующих этапах:

(i) тиоредоксинредуктаза переносит электроны от НАДФН к тиоредоксину через флавиновый переносчик

(ii) глутаредоксин также способен восстанавливать дисульфидные связи, но с использованием GSH в качестве донора электронов.

протеиндисульфидизомераза (iii ) облегчает реакции дисульфидного обмена с большими неактивными белковыми субстратами, помимо обладания шаперонной активностью

Окисление открытых на поверхности остатков метионина, окружающих вход в активный центр, может функционировать как система антиоксидантной защиты «последнего шанса» для белков. ^{[ 4 ]}

Эукариотический аналог

Сложность бактериальных реакций, по-видимому, заключается в количестве белков, индуцируемых окислительным стрессом. В клетках млекопитающих количество индуцируемых белков невелико, но пути регуляции очень сложны.

Индукторами реакций окислительного стресса у бактерий, по-видимому, является либо сам окислитель, либо взаимодействие окислителя с клеточным компонентом. Большинство клеток млекопитающих существуют в среде, где концентрация кислорода постоянна, поэтому реакции не стимулируются напрямую окислителями. Скорее, цитокины, такие как фактор некроза опухоли , интерлейкин-1 или бактериальные полисахариды, индуцируют синтез СОД и мультигенные реакции. Недавние исследования показывают, что супероксид является сильным промотором опухоли, который действует путем активации и индукции продуктов генов, связанных с ростом компетентности. Другие факторы, участвующие в экспрессии антиоксидантных генов, включают индукцию кальмодулинкиназы за счет увеличения Са. ²⁺ концентрации.

Клетки E. coli обнаружили сходство с процессом старения высших организмов. Сходства включают повышенное окисление клеточных компонентов и его целевую специфичность, роль антиоксидантов и напряжения кислорода в определении продолжительности жизни, а также очевидный компромисс. между деятельностью, связанной с воспроизводством и выживанием. ^{[ 5 ]}

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Семчишин, Галина (2009). «Реакция, индуцированная перекисью водорода, у E. coli и S. cerevisiae: разные стадии потока генетической информации» . Открытые науки о жизни . 4 (2): 142–153. дои : 10.2478/s11535-009-0005-5 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Фарр, С.Б.; Когома, Т. (1991). «Реакция на окислительный стресс у Escherichia coli и Salmonella typhimurium» . Микробиол Рев . 55 (4): 561–85. дои : 10.1128/мр.55.4.561-585.1991 . ПМЦ 372838 . ПМИД 1779927 .
^ Нуношиба, Т; Идальго, Э; Ли, З; Демпл, Б. (1993). «Негативная ауторегуляция белком SoxS Escherichia coli: механизм подавления окислительно-восстановительной реакции на стресс soxRS» . J Бактериол . 175 (22): 7492–4. дои : 10.1128/jb.175.22.7492-7494.1993 . ПМК 206898 . ПМИД 8226698 .
^ Кабискол, Э; Тамарит, Дж; Рос, Дж (2000). «Окислительный стресс у бактерий и повреждение белков активными формами кислорода». Инт микробиол . 3 (1): 3–8. ПМИД 10963327 .
^ Томас Нистром, ФИЗИОЛОГИЯ СТАЦИОНАРНОЙ ФАЗЫ , Annu. Преподобный Микробиол. 2004. 58:161–81.

[test-1] Перейти обратно: ^а ^б Семчишин, Галина (2009). «Реакция, индуцированная перекисью водорода, у E. coli и S. cerevisiae: разные стадии потока генетической информации» . Открытые науки о жизни . 4 (2): 142–153. дои : 10.2478/s11535-009-0005-5 .

[test1-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с Фарр, С.Б.; Когома, Т. (1991). «Реакция на окислительный стресс у Escherichia coli и Salmonella typhimurium» . Микробиол Рев . 55 (4): 561–85. дои : 10.1128/мр.55.4.561-585.1991 . ПМЦ 372838 . ПМИД 1779927 .

[test2-3] Нуношиба, Т; Идальго, Э; Ли, З; Демпл, Б. (1993). «Негативная ауторегуляция белком SoxS Escherichia coli: механизм подавления окислительно-восстановительной реакции на стресс soxRS» . J Бактериол . 175 (22): 7492–4. дои : 10.1128/jb.175.22.7492-7494.1993 . ПМК 206898 . ПМИД 8226698 .

[test3-4] Кабискол, Э; Тамарит, Дж; Рос, Дж (2000). «Окислительный стресс у бактерий и повреждение белков активными формами кислорода». Инт микробиол . 3 (1): 3–8. ПМИД 10963327 .

[test4-5] Томас Нистром, ФИЗИОЛОГИЯ СТАЦИОНАРНОЙ ФАЗЫ , Annu. Преподобный Микробиол. 2004. 58:161–81.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]