Дыхательный взрыв
Дыхательный взрыв (или окислительный взрыв ) — это быстрое высвобождение активных форм кислорода (АФК), супероксид-аниона ( O −
2 ) и перекись водорода ( H
22О
2 ) из разных типов клеток .
Это обычно используется для иммунологической защиты млекопитающих , но также играет роль в передаче сигналов клетками . Дыхательный взрыв также наблюдается в яйцеклетках животных после оплодотворения . Это может также произойти в растительных клетках .
Иммунитет
[ редактировать ]Иммунные клетки можно разделить на миелоидные клетки и лимфоидные клетки . Миелоидные клетки, включая макрофаги и нейтрофилы , особенно вовлечены в респираторный взрыв. [1] Они являются фагоцитами , и дыхательный взрыв жизненно важен для последующей деградации интернализованных бактерий или других патогенов . Это важный аспект врожденного иммунитета .
Дыхательный взрыв требует увеличения потребления кислорода в 10–20 раз за счет активности НАДФН-оксидазы ( NOX2 у человека). НАДФН является ключевым субстратом NOX2 и обладает восстанавливающей способностью . Распад гликогена жизненно важен для производства НАДФН. Это происходит по пентозофосфатному пути .
Фермент NOX2 связан с мембраной фаголизосомы . После бактериального фагоцитоза он активируется, производя супероксид через свой окислительно-восстановительный центр, который переносит электроны от цитозольного НАДФН к О 2 в фагосоме. [2]
2О 2 + НАДФН —> 2О 2 •– + НАДФ + + Ч +
Затем супероксид может спонтанно или ферментативно реагировать с другими молекулами, вызывая образование других АФК. Фагоцитарная мембрана закрывается повторно, чтобы ограничить воздействие на внеклеточную среду образующихся реактивных свободных радикалов .
Пути образования реактивных частиц
[ редактировать ]
Существует 3 основных пути образования активных форм кислорода или активных форм азота (РНС) в эффекторных клетках : [3]
- Супероксиддисмутаза (или, альтернативно, миелопероксидаза ) генерирует перекись водорода из супероксида. Затем гидроксильные радикалы генерируются посредством реакции Габера-Вейсса или реакции Фентона , обе из которых катализируются Fe. 2+ .
Около 2 •– + Н 2 О 2 —> • ОН + ОН – + Около 2 - В присутствии галогенид -ионов, особенно хлорид-ионов, миелопероксидаза использует перекись водорода для производства хлорноватистой кислоты .
Н 2 О 2 + Cl − -> ClO − + Н 2 О - Синтаза оксида азота (индуцируемая изоформа iNOS в иммунитете) катализирует выработку оксида азота из L-аргинина . 2L-аргинин + 3НАДФН + 3 Н + + 4O 2 —> 2 цитруллин + 2NO • + 4H2O + 3НАДФ +
Оксид азота может реагировать с супероксидными анионами с образованием пероксинитритного аниона.
Защита от патогенов
[ редактировать ]Воздействие этих реактивных частиц при респираторном взрыве приводит к патологии. Это происходит из-за окислительного повреждения попавших бактерий.
Примечательно, что пероксинитрит является очень сильным окислителем , который может приводить к перекисному окислению липидов , окислению белков, нитрованию белков , которые ответственны за его бактерицидное действие. Он может напрямую реагировать с белками, содержащими центры переходных металлов, такими как FeS , высвобождая Fe. 2+ для реакции Фентона. Пероксинитрит также может реагировать с различными аминокислотами в пептидной цепи, тем самым изменяя структуру белка и, следовательно, функцию белка. Чаще всего он окисляет цистеин и может косвенно вызывать нитрование тирозина через другие генерируемые РНС. Изменение функции белка включает изменения каталитической активности ферментов, организации цитоскелета и передачи клеточного сигнала. [4]
Хлорноватистая кислота реагирует с рядом биомолекул, включая ДНК, липиды и белки. HClO может окислять цистеины и метионины через их сульфгидрильные группы и группы серы соответственно. Первое приводит к образованию дисульфидных связей , индуцируя сшивание белков. Оба окисления приводят к агрегации белков и, в конечном итоге, к гибели клеток. [5] Сульфгидрильные группы могут окисляться до трех раз тремя молекулами HClO с образованием сульфеновых кислот, сульфиновых кислот и R–SO 3 H , которые становятся все более необратимыми и бактерицидными. [6] [7] Между тем окисление метионина обратимо. HOCl также может реагировать с первичными или вторичными аминами , образуя хлорамины, токсичные для бактерий. [8] [9] Также могут происходить сшивка и агрегация белков, а также разрушение групп FeS.
Неотъемлемой частью образования хлорноватистой кислоты является миелопероксидаза. Миелопероксидаза наиболее распространена в нейтрофилах, фагоцитоз которых сопровождается дегрануляцией . Это слияние гранул с фаголизосомой с высвобождением их содержимого, в том числе миелопероксидазы. [10] Поскольку во время респираторного взрыва образуется множество микробицидных продуктов, важность отдельных молекул в уничтожении вторгшихся патогенов не до конца понятна.
Из-за высокой токсичности вырабатываемых противомикробных продуктов, включая АФК, нейтрофилы имеют короткую продолжительность жизни, что ограничивает повреждение тканей хозяина во время воспаления .
Болезнь
[ редактировать ]Хроническая гранулематозная болезнь — наследственное заболевание нейтрофилов человека , при котором NOX2 дефектен. Фагоцитоз все еще может происходить, но без правильного функционирования NOX2 не происходит выработка супероксида и, следовательно, не происходит дыхательного взрыва. Бактериальная инфекция не излечена. [11]
Сотовая сигнализация
[ редактировать ]Нефагоцитарные клетки
[ редактировать ]В нефагоцитарных клетках продукты окислительного взрыва используются во внутриклеточных сигнальных путях. Сгенерированные АФК достигают этого путем изменения окислительно-восстановительного состояния клетки. Это можно отслеживать по соотношению антиоксидантного фермента глутатиона и его окисленного продукта, дисульфида глутатиона (GSH:GSSG). [12] Антиоксидантные ферменты уравновешивают передачу окислительно-восстановительных сигналов, устраняя участвующие молекулы, особенно супероксид-анион и оксид азота. Передача окислительно-восстановительных сигналов имеет решающее значение для нормальных процессов, таких как пролиферация, дифференцировка, а также функция сосудов и нейротрансмиссия. Он также участвует в таких болезненных состояниях, как рак .
Изоформа НАДФН-оксидазы NOX1 временно производит выброс супероксида в ответ на фактором роста (например, EGF ). стимуляцию соответствующих рецепторов [13] Супероксид дисмутирует в пероксид водорода со скоростью, близкой к скорости, ограниченной диффузией. Это пространственное ограничение дисмутации супероксида обеспечивает специфичность передачи окислительно-восстановительных сигналов. Специфичность также обеспечивается локализацией NOX1 в определенных микродоменах плазматической мембраны клетки. По таким каналам, как аквапорин или диффузия, перекись водорода попадает в цитозоль. Там он окисляет цистеиновые группы редокс-чувствительных белков, которые затем могут передавать сигналы. [14]
Макрофаги
[ редактировать ]Окислительный взрыв в фагоцитах чаще всего связан с уничтожением бактерий. Однако макрофаги, особенно альвеолярные макрофаги , обычно производят гораздо более низкие уровни АФК, чем нейтрофилы, и для их бактерицидных свойств может потребоваться активация. Вместо этого их временный окислительный всплеск регулирует воспалительную реакцию, индуцируя синтез цитокинов для передачи окислительно-восстановительных сигналов, что приводит к притоку нейтрофилов и активированных макрофагов. [15]
Раковые клетки
[ редактировать ]Раковые клетки могут манипулировать клеточной сигнализацией, производя избыточные уровни АФК, тем самым конститутивно активируя пути, способствующие их клеточному росту и пролиферации. [16] Задействованные пути включают NF-κB , PI3K , HIF и MAPK . У людей митохондриальные АФК необходимы наряду с теми, которые высвобождаются при окислительном взрыве, для стимуляции митогенного пути в онкогенных KRAS клетках . Однако было показано, что в онкогенных фибробластах мышей Kras ингибиторов НАДФН-оксидазы достаточно, чтобы блокировать эти пути фактора роста. [17] Онкогенные клетки также одновременно поддерживают высокий уровень антиоксидантов для защиты от гибели раковых клеток. [18]
Оплодотворение
[ редактировать ]В частности, окислительный взрыв после оплодотворения можно увидеть в яйце морского ежа . Считается, что это эволюционно отличается от нейтрофилов.
Перекись водорода вырабатывается в результате активности яичной оксидазы в результате увеличения потребления кислорода. [19] Это важно для перекрестного связывания белков яйцеклетки и предотвращения летальной полиспермии . Перекись водорода сама по себе также обладает спермицидным действием. Однако генерируемые реактивные виды поддерживаются на более низких уровнях, чем при иммунитете, чтобы защитить саму оплодотворенную яйцеклетку от окислительного повреждения. Это достигается за счет устранения перекиси водорода, прежде всего, за счет двойной функции одной и той же яичной оксидазы и, во вторую очередь, за счет цитоплазматических поглотителей АФК, таких как каталаза и глутатион . [20]
В растениях
[ редактировать ]Окислительный взрыв действует как защитный механизм от заражения патогенами в растениях. Это наблюдается после обнаружения PAMP с помощью рецепторов, расположенных на клеточной поверхности (например, FLS2 или EFR ). [21] [22] [23] Как и у животных, производство активных форм кислорода у растений опосредовано НАДФН-оксидазой . В иммунитете растений субъединицы НАДФН-оксидазы RbohD и RbohF имеют перекрывающиеся функции и экспрессируются в разных тканях и на разных уровнях. [24] [25] Однако в отличие от фагоцитов животных, в которых генерируемые АФК содержатся в запечатанной фаголизосоме, окислительный взрыв у растений не сдерживается. Следовательно, образующиеся АФК несут дополнительные эффекты наряду с токсичностью патогенов. Перекись водорода вызывает окислительное сшивание гликопротеинов клеточной стенки растения. [26] [27] Это снижает восприимчивость к ферментативному разложению патогенами. [28] Системная приобретенная устойчивость , аналогичная врожденному иммунитету у животных, также индуцируется в подвергшихся воздействию растительных клетках. [29] Воздействие перекиси водорода также может привести к реакции гиперчувствительности , которая представляет собой гибель небольшого количества клеток-хозяев в месте заражения с целью ограничения патогенной инфекции. [30] [31] Производство АФК в растениях можно использовать в качестве показателя успешного распознавания патогенов с помощью анализа на основе люминол - пероксидазы . [32]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Херб М., Шрамм М. (февраль 2021 г.). «Функции АФК в макрофагах и антимикробном иммунитете» . Антиоксиданты . 10 (2): 313. doi : 10.3390/antiox10020313 . ПМЦ 7923022 . PMID 33669824 .
- ^ Лето Т.Л., Гейст М. (сентябрь 2006 г.). «Роль НАДФН-оксидаз семейства Nox в защите хозяина». Антиоксиданты и окислительно-восстановительная сигнализация . 8 (9–10): 1549–61. дои : 10.1089/ars.2006.8.1549 . ПМИД 16987010 .
- ^ Имлай Дж.А. (2003). «Пути окислительного повреждения». Ежегодный обзор микробиологии . 57 : 395–418. дои : 10.1146/annurev.micro.57.030502.090938 . ПМИД 14527285 .
- ^ Пэчер П., Бекман Дж. С., Лиодет Л. (январь 2007 г.). «Оксид азота и пероксинитрит в здоровье и болезни» . Физиологические обзоры . 87 (1): 315–424. doi : 10.1152/physrev.00029.2006 . ПМК 2248324 . ПМИД 17237348 .
- ^ Перейра В.Е., Хойано Ю., Саммонс Р.Э., Бэкон В.А., Даффилд А.М. (июнь 1973 г.). «Исследование хлорирования. II. Реакция водного раствора хлорноватистой кислоты с альфа-аминокислотами и дипептидами». Биохимика и биофизика Acta . 313 (1): 170–80. дои : 10.1016/0304-4165(73)90198-0 . ПМИД 4745674 .
- ^ Уинтерборн CC (июнь 1985 г.). «Сравнительная реакционная способность различных биологических соединений с миелопероксидазой-пероксидом водорода-хлоридом и сходство окислителя с гипохлоритом». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Общие предметы . 840 (2): 204–10. дои : 10.1016/0304-4165(85)90120-5 . ПМИД 2986713 .
- ^ Прютц В.А. (январь 1998 г.). «Взаимодействие хлорноватистой кислоты с пиримидиннуклеотидами и вторичные реакции хлорированных пиримидинов с GSH, НАДН и другими субстратами». Архив биохимии и биофизики . 349 (1): 183–91. дои : 10.1006/abbi.1997.0440 . ПМИД 9439597 .
- ^ Фанг ФК (6 сентября 2011 г.). «Противомикробное действие активных форм кислорода» . мБио . 2 (5). дои : 10.1128/mBio.00141-11 . ПМК 3171981 . ПМИД 21896680 .
- ^ Хэмптон М.Б., Кеттл Эй.Дж., Уинтерборн CC (ноябрь 1998 г.). «Внутри нейтрофильной фагосомы: оксиданты, миелопероксидаза и уничтожение бактерий». Кровь . 92 (9): 3007–17. дои : 10.1182/blood.V92.9.3007.421k47_3007_3017 . ПМИД 9787133 . S2CID 45991444 .
- ^ Витко-Сарсат В., Рье П., Декамп-Лача Б., Лесавр П., Хальбвакс-Мекарелли Л. (май 2000 г.). «Нейтрофилы: молекулы, функции и патофизиологические аспекты» . Лабораторные исследования; Журнал технических методов и патологии . 80 (5): 617–53. дои : 10.1038/labinvest.3780067 . ПМИД 10830774 .
- ^ Фернандес Дж. «Хроническая гранулематозная болезнь (ХГБ) - иммунология; аллергические заболевания» . Руководство MSD Профессиональная версия . Проверено 12 марта 2020 г.
- ^ Шафер FQ, Бюттнер GR (июнь 2001 г.). «Окислительно-восстановительная среда клетки, если смотреть через окислительно-восстановительное состояние пары дисульфид глутатиона/глутатион». Свободно-радикальная биология и медицина . 30 (11): 1191–212. дои : 10.1016/S0891-5849(01)00480-4 . ПМИД 11368918 .
- ^ Форман Х.Дж., Торрес М. (декабрь 2002 г.). «Активные формы кислорода и передача сигналов в клетках: респираторный взрыв в передаче сигналов макрофагов». Американский журнал респираторной медицины и медицины интенсивной терапии . 166 (12, часть 2): С4-8. дои : 10.1164/rccm.2206007 . ПМИД 12471082 .
- ^ Ди Марцо Н., Киши Э., Джованнони Р. (октябрь 2018 г.). «Роль перекиси водорода в окислительно-восстановительной передаче сигналов: гомеостатические и патологические реакции в клетках млекопитающих» . Клетки . 7 (10): 156. дои : 10.3390/cells7100156 . ПМК 6211135 . ПМИД 30287799 .
- ^ Форман Х.Дж., Торрес М. (декабрь 2002 г.). «Активные формы кислорода и передача сигналов в клетках: респираторный взрыв в передаче сигналов макрофагов». Американский журнал респираторной медицины и медицины интенсивной терапии . 166 (12, часть 2): С4-8. дои : 10.1164/rccm.2206007 . ПМИД 12471082 .
- ^ Шатровский Т.П., Натан К.Ф. (февраль 1991 г.). «Производство большого количества перекиси водорода опухолевыми клетками человека». Исследования рака . 51 (3): 794–8. ПМИД 1846317 .
- ^ Ирани К., Ся Ю., Цвайер Дж.Л., Соллотт С.Дж., Дер С.Дж., Фирон Э.Р. и др. (март 1997 г.). «Митогенная передача сигналов, опосредованная оксидантами в Ras-трансформированных фибробластах». Наука . 275 (5306): 1649–52. дои : 10.1126/science.275.5306.1649 . ПМИД 9054359 . S2CID 19733670 .
- ^ Горрини С., Харрис И.С., Мак Т.В. (декабрь 2013 г.). «Модуляция окислительного стресса как противораковая стратегия». Обзоры природы. Открытие наркотиков . 12 (12): 931–47. дои : 10.1038/nrd4002 . ПМИД 24287781 . S2CID 20604657 .
- ^ Варбург О. (январь 1908 г.). «Наблюдения за процессами окисления в яйце морского ежа». Журнал физиологической химии Хоппе-Зейлера . 57 (1–2): 1–16. дои : 10.1515/bchm2.1908.57.1-2.1 .
- ^ Вонг Дж.Л., Кретон Р., Вессель ГМ (декабрь 2004 г.). «Окислительный взрыв при оплодотворении зависит от активации двойной оксидазы Udx1» . Развивающая клетка . 7 (6): 801–14. дои : 10.1016/j.devcel.2004.10.014 . ПМИД 15572124 .
- ^ Док Н. (1 ноября 1985 г.). «НАДФН-зависимая генерация O2- во фракциях мембран, выделенных из поврежденных клубней картофеля, инокулированных Phytophthora infestans». Физиологическая патология растений . 27 (3): 311–322. дои : 10.1016/0048-4059(85)90044-X .
- ^ Брэдли DJ, Кьеллбом П., Лэмб CJ (июль 1992 г.). «Окислительное перекрестное сшивание богатого пролином белка клеточной стенки растений, индуцированное элиситором и раной: новый быстрый защитный ответ». Клетка . 70 (1): 21–30. дои : 10.1016/0092-8674(92)90530-П . ПМИД 1623521 . S2CID 12312001 .
- ^ Джабс Т., Чопе М., Коллинг С., Халброк К., Шил Д. (апрель 1997 г.). «Стимулированные элиситором потоки ионов и O2- от окислительного взрыва являются важными компонентами запуска активации защитных генов и синтеза фитоалексина в петрушке» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 94 (9): 4800–5. Бибкод : 1997PNAS...94.4800J . дои : 10.1073/pnas.94.9.4800 . ПМК 20805 . ПМИД 9114072 .
- ^ Торрес М.А., Дангл Дж.Л., Джонс Дж.Д. (январь 2002 г.). «Гомологи арабидопсиса gp91phox AtrbohD и AtrbohF необходимы для накопления активных кислородных промежуточных продуктов в защитной реакции растений» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (1): 517–22. Бибкод : 2002PNAS...99..517T . дои : 10.1073/pnas.012452499 . ПМЦ 117592 . ПМИД 11756663 .
- ^ Моралес Дж., Кадота Ю., Зипфель С., Молина А., Торрес М.А. (март 2016 г.). «НАДФН-оксидазы арабидопсиса RbohD и RbohF демонстрируют дифференциальные закономерности экспрессии и вклад в развитие иммунитета растений» . Журнал экспериментальной ботаники . 67 (6): 1663–76. дои : 10.1093/jxb/erv558 . ПМИД 26798024 .
- ^ Брэдли DJ, Кьеллбом П., Лэмб CJ (июль 1992 г.). «Окислительное перекрестное сшивание богатого пролином белка клеточной стенки растений, индуцированное элиситором и раной: новый быстрый защитный ответ». Клетка . 70 (1): 21–30. дои : 10.1016/0092-8674(92)90530-п . ПМИД 1623521 . S2CID 12312001 .
- ^ Войташек П., Третован Дж., Болвелл Г.П. (сентябрь 1995 г.). «Специфичность иммобилизации белков клеточной стенки в ответ на различные элиситорные молекулы в суспензионно культивируемых клетках французской фасоли (Phaseolus vulgaris L.)». Молекулярная биология растений . 28 (6): 1075–87. дои : 10.1007/BF00032668 . PMID 7548825 . S2CID 23319754 .
- ^ Бриссон Л.Ф., Тенхакен Р., Лэмб К. (декабрь 1994 г.). «Функция окислительного сшивания структурных белков клеточной стенки в устойчивости растений к болезням» . Растительная клетка . 6 (12): 1703–1712. дои : 10.1105/tpc.6.12.1703 . ПМК 160556 . ПМИД 12244231 .
- ^ Чен З., Сильва Х., Клессиг Д.Ф. (декабрь 1993 г.). «Активные формы кислорода в индукции системной приобретенной устойчивости растений салициловой кислотой». Наука . 262 (5141): 1883–6. Бибкод : 1993Sci...262.1883C . дои : 10.1126/science.8266079 . ПМИД 8266079 .
- ^ Тенхакен Р., Левин А., Бриссон Л.Ф., Диксон Р.А., Лэмб С. (май 1995 г.). «Функция окислительного взрыва в устойчивости к сверхчувствительным заболеваниям» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 92 (10): 4158–63. Бибкод : 1995PNAS...92.4158T . дои : 10.1073/pnas.92.10.4158 . ПМК 41903 . ПМИД 11607542 .
- ^ Левин А., Тенхакен Р., Диксон Р., Лэмб С. (ноябрь 1994 г.). «H2O2 в результате окислительного взрыва управляет реакцией растений на устойчивость к сверхчувствительным болезням». Клетка . 79 (4): 583–93. дои : 10.1016/0092-8674(94)90544-4 . ПМИД 7954825 . S2CID 1488844 .
- ^ Кепплер Л.Д. (1989). «Производство активного кислорода во время реакции гиперчувствительности, вызванной бактериями, в клетках табачной суспензии». Фитопатология . 79 (9): 974. doi : 10.1094/phyto-79-974 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Респираторный+взрыв в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)