Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Дыхательный взрыв (или окислительный взрыв ) - это быстрое высвобождение активных форм кислорода (АФК), супероксид-аниона ( O-
2) и перекись водорода ( H
2О
2), из разных типов клеток .

Обычно это используется для иммунологической защиты млекопитающих , но также играет роль в передаче сигналов клеток . Респираторный взрыв также связан с яйцеклеткой животных после оплодотворения . Это также может происходить в клетках растений .

Иммунитет [ править ]

Иммунные клетки можно разделить на миелоидные и лимфоидные клетки . Миелоидные клетки, включая макрофаги и нейтрофилы , особенно вовлечены в респираторный взрыв. [1] Они фагоцитируют , и респираторный взрыв жизненно важен для последующей деградации интернализованных бактерий или других патогенов . Это важный аспект врожденного иммунитета .

Респираторный взрыв требует 10-20-кратного увеличения потребления кислорода за счет активности НАДФН-оксидазы ( NOX2 у людей). НАДФН является ключевым субстратом NOX2 и обладает понижающей способностью . Распад гликогена жизненно важен для производства НАДФН. Это происходит через пентозофосфатный путь .

Фермент NOX2 связан с мембраной фаголизосомы . После бактериального фагоцитоза он активируется, вырабатывая супероксид через свой окислительно-восстановительный центр, который переносит электроны от цитозольного НАДФН к О 2 в фагосоме. [2]


2O 2 + НАДФН -> 2O 2 • - + НАДФ + + H +


Затем супероксид может спонтанно или ферментативно реагировать с другими молекулами с образованием других АФК. Фагоцитарная мембрана закрывается, чтобы ограничить воздействие на внеклеточную среду образующихся реактивных свободных радикалов .


Пути образования реактивных частиц [ править ]

Генерация реактивного кислорода и активных форм азота в фаголизосоме, участвующих в респираторном взрыве.

Существует 3 основных пути образования активных форм кислорода или активных форм азота (RNS) в эффекторных клетках : [3]

  1. Супероксиддисмутаза (или, альтернативно, миелопероксидаза ) генерирует перекись водорода из супероксида. Затем посредством реакции Габера-Вейсса или реакции Фентона образуются гидроксильные радикалы , обе из которых катализируются Fe 2+ .

    O 2 • - + H 2 O 2 -> • OH + OH - + O 2

  2. В присутствии галогенид- ионов, особенно хлорид-ионов, миелопероксидаза использует перекись водорода для производства хлорноватистой кислоты .

    H 2 O 2 + Cl - -> ClO - + H 2 O

  3. Синтаза оксида азота (индуцибельная изоформа, iNOS, при иммунитете) катализирует производство оксида азота из L-аргинина .

    2L-аргинин + 3НАДФН + 3Н + + 4O 2 -> 2 цитруллин + 2НО • + 4Н 2 О + 3НАДФ +

Оксид азота может реагировать с анионами супероксида с образованием аниона пероксинитрита .

O 2 • - + NO • → ONO 2 -


Защита от патогенов [ править ]

Воздействие этих реактивных частиц при респираторном взрыве приводит к патологии. Это происходит из-за окислительного повреждения попавших в организм бактерий.

Примечательно, что пероксинитрит является очень сильным окислителем, который может приводить к перекисному окислению липидов , окислению белков, нитрованию белков , которые ответственны за его бактерицидные эффекты. Он может напрямую реагировать с белками, которые содержат центры переходных металлов, таких как FeS , высвобождая Fe 2+ для реакции Фентона. Пероксинитрит может также реагировать с различными аминокислотами в пептидной цепи, тем самым изменяя структуру белка и, следовательно, функцию белка. Чаще всего он окисляет цистеин и может косвенно индуцировать тирозин.нитрование через другие генерируемые РНС. Измененная функция белка включает изменения каталитической активности фермента, 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. Первый приводит к образованию дисульфидных связей , вызывая 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, образуя сульфеновые кислоты, сульфиновые кислоты 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., производящие хлорамины, токсичные для бактерий. [8] [9] Также может происходить перекрестное связывание и агрегация белков, а также разрушение групп FeS.

Неотъемлемой частью образования хлорноватистой кислоты является миелопероксидаза. Миелопероксидаза наиболее распространена в нейтрофилах, при этом фагоцитоз сопровождается дегрануляцией . Это слияние гранул с фаголизосомами с высвобождением их содержимого, в том числе миелопероксидазы. [10] Поскольку многие микробицидные продукты образуются во время респираторного взрыва, важность отдельных молекул в уничтожении вторгающихся патогенов до конца не изучена.

Из-за высокой токсичности генерируемых антимикробных продуктов, включая ROS, нейтрофилы имеют короткую продолжительность жизни, что ограничивает повреждение тканей хозяина во время воспаления .

Болезнь [ править ]

Хроническая гранулематозная болезнь - это наследственное заболевание нейтрофилов человека , при котором NOX2 является дефектным. Фагоцитоз все еще может происходить, но без надлежащего функционирования NOX2 не происходит выработки супероксида и, следовательно, респираторного взрыва. Бактериальная инфекция не устранена. [11]

Сотовая сигнализация [ править ]

Нефагоцитарные клетки [ править ]

В нефагоцитарных клетках продукты окислительного взрыва используются во внутриклеточных сигнальных путях. Сгенерированные ROS достигают этого за счет сдвига окислительно-восстановительного состояния ячейки . Это можно контролировать по соотношению антиоксидантного фермента глутатиона к его окисленному продукту, дисульфиду глутатиона (GSH: GSSG). [12] Антиоксидантные ферменты уравновешивают окислительно-восстановительный сигнал, устраняя вовлеченные молекулы, особенно супероксид-анион и оксид азота. Передача сигналов окислительно-восстановительного потенциала имеет решающее значение для нормальных процессов, таких как пролиферация, дифференцировка, а также для сосудистой функции и нейротрансмиссии. Он также участвует в таких болезненных состояниях, как рак .

Изоформа NADPH-оксидазы NOX1 временно продуцирует выброс супероксида в ответ на стимуляцию соответствующих рецепторов фактором роста (например, EGF ). [13] Супероксид дизмутируется до перекиси водорода со скоростью, близкой к скорости, ограниченной диффузией. Это пространственное ограничение дисмутации супероксида учитывает специфичность передачи сигналов редокс. Специфичность также обеспечивается локализацией NOX1 в определенных микродоменах плазматической мембраны клетки. Через такие каналы, как аквапорин или диффузия, перекись водорода попадает в цитозоль. Там он окисляет цистеиновые группы окислительно-восстановительных белков, которые затем могут передавать сигналы. [14]

Макрофаги [ править ]

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 могут потребовать активации для их бактерицидных свойств. Вместо этого их кратковременный окислительный взрыв регулирует воспалительную реакцию, индуцируя синтез цитокинов для передачи окислительно-восстановительных сигналов, что приводит к притоку нейтрофилов и активированных макрофагов. [15]

Раковые клетки [ править ]

Раковые клетки могут манипулировать передачей клеточных сигналов, производя избыточные уровни АФК, тем самым постоянно активируя пути, способствующие их клеточному росту и пролиферации. [16] замешаны пути включают в себя NF-kB , PI3K , HIFs и МАРК . У людей митохондриальные АФК необходимы наряду с теми, которые высвобождаются в результате окислительного всплеска, для стимуляции митогенного пути в онкогенных клетках KRAS . Однако в онкогенных фибробластах мышей Kras было показано, что ингибиторов НАДФН-оксидазы достаточно, чтобы блокировать пути этих факторов роста. [17]Одновременно опухолевые клетки поддерживают высокий уровень антиоксидантов для защиты от гибели раковых клеток. [18]

Оплодотворение [ править ]

В частности, окислительный взрыв после оплодотворения можно увидеть в яйце морского ежа . Считается, что это эволюционно отличается от нейтрофилов.

Перекись водорода вырабатывается за счет активности яичной оксидазы после увеличения потребления кислорода. [19] Это важно для сшивания белков яйцеклетки, чтобы предотвратить летальную полиспермию . Сама перекись водорода также обладает спермицидным действием. Однако генерируемые реактивные виды поддерживаются на более низком уровне, чем иммунитет, чтобы защитить само оплодотворенное яйцо от окислительного повреждения. Это достигается за счет удаления перекиси водорода, в первую очередь за счет двойной функции одной и той же яичной оксидазы, а во вторую - за счет цитоплазматических поглотителей АФК, таких как каталаза и глутатион . [20]

В растениях [ править ]

Окислительный взрыв действует как механизм защиты растений от патогенной инфекции. Это наблюдается после обнаружения PAMP рецепторами, расположенными на поверхности клетки (например, FLS2 или EFR ). [21] [22] [23] Как и у животных, производство активных форм кислорода в растениях опосредуется НАДФН-оксидазой . В иммунитете растений субъединицы НАДФН-оксидазы RbohD и RbohF имеют перекрывающиеся функции, экспрессируются в разных тканях и на разных уровнях. [24] [25] Однако, в отличие от фагоцитов животных, в которых генерируемые АФК содержатся в запечатанных фаголизосомах, окислительный взрыв в растениях не сдерживается. Следовательно, генерируемые АФК несут дополнительные эффекты наряду с токсичностью патогенов. Перекись водорода индуцирует окислительное сшивание гликопротеинов клеточной стенки растений. [26] [27] Это снижает восприимчивость к ферментативной деградации патогенами. [28] Системная приобретенная резистентность , аналогичная врожденному иммунитету у животных, также индуцируется в экспонированных растительных клетках. [29] Воздействие перекиси водорода также может вызвать гиперчувствительность., что представляет собой гибель небольшого количества клеток-хозяев в месте заражения с целью ограничения патогенной инфекции. [30] [31] Производство РОС в растениях может быть использован в качестве отсчета для успешного распознавания патогена через люминол - пероксидаза анализа на основе. [32]

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Herb M, Schramm M (февраль 2021 г.). «Функции АФК в макрофагах и противомикробный иммунитет» . Антиоксиданты . 10 (2): 313. DOI : 10,3390 / antiox10020313 .
  2. ^ Leto TL, Geiszt M (сентябрь 2006). «Роль NADPH оксидаз семейства Nox в защите хозяина». Антиоксиданты и редокс-сигналы . 8 (9–10): 1549–61. DOI : 10.1089 / ars.2006.8.1549 . PMID 16987010 . 
  3. ^ Imlay JA (2003). «Пути окислительного повреждения». Ежегодный обзор микробиологии . 57 : 395–418. DOI : 10.1146 / annurev.micro.57.030502.090938 . PMID 14527285 . 
  4. ^ Пачер P, Beckman JS, Liaudet L (январь 2007). «Оксид азота и пероксинитрит в здоровье и болезни» . Физиологические обзоры . 87 (1): 315–424. DOI : 10.1152 / Physrev.00029.2006 . PMC 2248324 . PMID 17237348 .  
  5. ^ Pereira WE, Hoyano Y, призываются RE, Бэкон В.А., Duffield AM (июнь 1973). «Исследования хлорирования. II. Реакция водной хлорноватистой кислоты с альфа-аминокислотами и дипептидами». Biochimica et Biophysica Acta . 313 (1): 170–80. DOI : 10.1016 / 0304-4165 (73) 90198-0 . PMID 4745674 . 
  6. ↑ Winterbourn CC (июнь 1985 г.). «Сравнительная реакционная способность различных биологических соединений с миелопероксидазой-перекисью водорода-хлоридом и сходство окислителя с гипохлоритом». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - общие предметы . 840 (2): 204–10. DOI : 10.1016 / 0304-4165 (85) 90120-5 . PMID 2986713 . 
  7. ^ Prutz WA (январь 1998). «Взаимодействие хлорноватистой кислоты с пиримидиновыми нуклеотидами и вторичные реакции хлорированных пиримидинов с GSH, NADH и другими субстратами». Архивы биохимии и биофизики . 349 (1): 183–91. DOI : 10.1006 / abbi.1997.0440 . PMID 9439597 . 
  8. ↑ Fang FC (6 сентября 2011 г.). «Антимикробное действие активных форм кислорода» . mBio . 2 (5). DOI : 10,1128 / mBio.00141-11 . PMC 3171981 . PMID 21896680 .  
  9. Перейти ↑ Hampton MB, Kettle AJ, Winterbourn CC (ноябрь 1998 г.). «Внутри фагосомы нейтрофилов: оксиданты, миелопероксидаза и уничтожение бактерий». Кровь . 92 (9): 3007–17. DOI : 10.1182 / blood.V92.9.3007.421k47_3007_3017 . PMID 9787133 . 
  10. ^ Витко-Сарсат В, Р Rieu, Деки-Latscha В, Р Lesavre, Хальбвакс-Mecarelli л (май 2000 г.). «Нейтрофилы: молекулы, функции и патофизиологические аспекты» . Лабораторные исследования; Журнал технических методов и патологии . 80 (5): 617–53. DOI : 10.1038 / labinvest.3780067 . PMID 10830774 . 
  11. ^ Фернандес Дж. «Хроническая гранулематозная болезнь (ХГБ) - иммунология; аллергические расстройства» . Руководство MSD Professional Edition . Проверено 12 марта 2020 .
  12. ↑ Schafer FQ, Buettner GR (июнь 2001 г.). «Редокс-среда клетки с точки зрения окислительно-восстановительного состояния пары глутатион дисульфид / глутатион». Свободная радикальная биология и медицина . 30 (11): 1191–212. DOI : 10.1016 / S0891-5849 (01) 00480-4 . PMID 11368918 . 
  13. ↑ Forman HJ, Torres M (декабрь 2002 г.). «Реактивные формы кислорода и клеточная передача сигналов: респираторный взрыв в передаче сигналов макрофагами». Американский журнал респираторной медицины и реанимации . 166 (12, часть 2): S4-8. DOI : 10.1164 / rccm.2206007 . PMID 12471082 . 
  14. ^ Di Marzo N, Chisci E, Giovannoni R (октябрь 2018). «Роль перекиси водорода в редокс-зависимой передаче сигналов: гомеостатические и патологические реакции в клетках млекопитающих» . Ячейки . 7 (10): 156. DOI : 10,3390 / cells7100156 . PMC 6211135 . PMID 30287799 .  
  15. ↑ Forman HJ, Torres M (декабрь 2002 г.). «Реактивные формы кислорода и клеточная передача сигналов: респираторный взрыв в передаче сигналов макрофагами». Американский журнал респираторной медицины и реанимации . 166 (12, часть 2): S4-8. DOI : 10.1164 / rccm.2206007 . PMID 12471082 . 
  16. ^ Szatrowski TP, Nathan CF (февраль 1991). «Производство больших количеств перекиси водорода опухолевыми клетками человека». Исследования рака . 51 (3): 794–8. PMID 1846317 . 
  17. ^ Irani K, Xia Y, Zweier JL, Sollott SJ, Der CJ, Fearon ER и др. (Март 1997 г.). «Митогенная передача сигналов, опосредованная оксидантами в Ras-трансформированных фибробластах». Наука . 275 (5306): 1649–52. DOI : 10.1126 / science.275.5306.1649 . PMID 9054359 . S2CID 19733670 .  
  18. ^ Gorrini C, Харрис, Mak TW (декабрь 2013). «Модуляция окислительного стресса как противораковая стратегия». Обзоры природы. Открытие наркотиков . 12 (12): 931–47. DOI : 10.1038 / nrd4002 . PMID 24287781 . S2CID 20604657 .  
  19. ↑ Варбург O (январь 1908 г.). "Beobachtungen über die Oxydationsprozesse im Seeigelei". Hoppe-Seyler's Zeitschrift für Physiologische Chemie . 57 (1–2): 1–16. DOI : 10,1515 / bchm2.1908.57.1-2.1 .
  20. ^ Wong JL, Кретон R, Вессель GM (декабрь 2004). «Окислительный всплеск при оплодотворении зависит от активации двойной оксидазы Udx1». Клетка развития . 7 (6): 801–14. DOI : 10.1016 / j.devcel.2004.10.014 . PMID 15572124 . 
  21. ^ Doke N (1985-11-01). «НАДФН-зависимое образование O2- в мембранных фракциях, выделенных из поврежденных клубней картофеля, инокулированных Phytophthora infestans». Физиологическая патология растений . 27 (3): 311–322. DOI : 10.1016 / 0048-4059 (85) 90044-X .
  22. ^ Bradley DJ, Kjellbom P, Lamb CJ (июль 1992). «Вызванное элиситором и вызванное раной окислительное сшивание белка клеточной стенки, богатого пролином: новый быстрый защитный ответ». Cell . 70 (1): 21–30. DOI : 10.1016 / 0092-8674 (92) 90530-P . PMID 1623521 . S2CID 12312001 .  
  23. ^ Jabs Т, Tschope М, Colling С, Hahlbrock К, Шеель D (апрель 1997 г.). «Стимулируемые элиситором потоки ионов и O2- от окислительного всплеска являются важными компонентами в запуске активации защитных генов и синтеза фитоалексина в петрушке» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 94 (9): 4800–5. Bibcode : 1997PNAS ... 94.4800J . DOI : 10.1073 / pnas.94.9.4800 . PMC 20805 . PMID 9114072 .  
  24. ^ Torres М.А., Dangl JL, Jones JD (январь 2002). «Гомологи Arabidopsis gp91phox AtrbohD и AtrbohF необходимы для накопления активных кислородных промежуточных соединений в ответной реакции растений» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (1): 517–22. Bibcode : 2002PNAS ... 99..517T . DOI : 10.1073 / pnas.012452499 . PMC 117592 . PMID 11756663 .  
  25. ^ Моралес - J, Кадот Y, Zipfel С, Молин А, Торрес МА (март 2016). «НАДФН-оксидазы арабидопсиса RbohD и RbohF демонстрируют различные паттерны экспрессии и вклад в иммунитет растений» . Журнал экспериментальной ботаники . 67 (6): 1663–76. DOI : 10.1093 / JXB / erv558 . PMID 26798024 . 
  26. ^ Bradley DJ, Kjellbom P, Lamb CJ (июль 1992). «Вызванное элиситором и вызванное раной окислительное сшивание белка клеточной стенки, богатого пролином: новый быстрый защитный ответ». Cell . 70 (1): 21–30. DOI : 10.1016 / 0092-8674 (92) 90530-р . PMID 1623521 . S2CID 12312001 .  
  27. ^ Wojtaszek P, Trethowan J, Bolwell GP (сентябрь 1995). «Специфичность иммобилизации белков клеточной стенки в ответ на различные молекулы-элиситоры в культивируемых в суспензии клетках фасоли фасоли (Phaseolus vulgaris L.)». Молекулярная биология растений . 28 (6): 1075–87. DOI : 10.1007 / BF00032668 . PMID 7548825 . S2CID 23319754 .  
  28. ^ Brisson LF, Tenhaken R, Lamb C (декабрь 1994). «Функция окислительного сшивания структурных белков клеточной стенки при устойчивости растений к болезням» . Растительная клетка . 6 (12): 1703–1712. DOI : 10.1105 / tpc.6.12.1703 . PMC 160556 . PMID 12244231 .  
  29. ^ Chen Z, Silva H, Klessig DF (декабрь 1993). «Активные формы кислорода в индукции системной приобретенной устойчивости растений салициловой кислотой». Наука . 262 (5141): 1883–6. Bibcode : 1993Sci ... 262.1883C . DOI : 10.1126 / science.8266079 . PMID 8266079 . 
  30. ^ Tenhaken R, Levine A, Brisson LF, Dixon RA, Lamb C (май 1995). «Функция окислительного взрыва при устойчивости к гиперчувствительным заболеваниям» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 92 (10): 4158–63. Bibcode : 1995PNAS ... 92.4158T . DOI : 10.1073 / pnas.92.10.4158 . PMC 41903 . PMID 11607542 .  
  31. ^ Левин А, Tenhaken R, R Диксона, Агнец С (ноябрь 1994 года). «H2O2 от окислительного всплеска управляет реакцией устойчивости растений к гиперчувствительным болезням». Cell . 79 (4): 583–93. DOI : 10.1016 / 0092-8674 (94) 90544-4 . PMID 7954825 . S2CID 1488844 .  
  32. ^ Кеплер LD (1989). «Активное производство кислорода во время реакции гиперчувствительности, вызванной бактериями в клетках суспензии табака». Фитопатология . 79 (9): 974. DOI : 10,1094 / фито-79-974 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Респираторный + взрыв по медицинским предметным рубрикам Национальной медицинской библиотеки США (MeSH)