Реакция окисления - Oxidation response - Wikipedia

Реакция окисления стимулируется нарушением баланса между производством активные формы кислорода и антиоксидантные реакции, известные 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, клетки должны поддерживать сильную защиту от повреждений. Следующая таблица дает представление о системе антиоксидантной защиты в бактериальной системе.

Линия защитыСоставные частиФункцияПримеры
Первый
Хелаторы металлов
предотвращение образования свободных радикалов путем ингибирования реакций, катализируемых металлами
металлотионеин, церулоплазмин, ферритин, трансферрин и дефероксамин
Второй
Низкомолекулярные соединения и антиоксидантные ферменты
дезактивировать свободные радикалы (ROS) до того, как какая-либо биологическая молекула будет повреждена
аскорбат, глутатион, альфа-токоферол,
супероксиддисмутаза (SOD) и каталаза
В третьих
Системы репарации ДНК

система восстановления белков

система восстановления липидов
восстанавливают биомолекулы после того, как они были повреждены АФК
метионин сульфоксид редуктаза
глутатионпероксидаза

Реакция на стресс

Небольшие изменения в клеточном оксидантном статусе могут быть обнаружены специфическими белками, которые регулируют набор генов, кодирующих антиоксидантные ферменты. Такой глобальный ответ вызывает адаптивный метаболизм, в том числе: ROS устранение, обход поврежденных путей, восстановление окислительных повреждений и поддержание восстановительной силы.

Перекись и супероксид являются двумя основными видами активного кислорода. Установлено, что перекись и супероксидный стресс ответы различны у бактерий. Воздействие на микроорганизмы низких сублетальных концентраций оксидантов приводит к приобретению клеточной устойчивости к последующему летальному окислительному стрессу.

Реакция на перекисный стресс

В ответ на повышенный поток пероксид водорода и другие органические пероксиды, такие как трет-бутилгидропероксид и гидропероксид кумола, перекись стимул активируется. Исследования ответа E. coli на H2О2 показали, что воздействие H2О2 повышенный мРНК уровней 140 генов, 30 из которых являются членами OxyR регулон. Гены включают множество генов, кодирующих метаболические ферменты и антиоксидантные ферменты, демонстрируя роль этих ферментов в реорганизации метаболизма в стрессовых условиях.[1]

Реакция на супероксидный стресс

При стрессе при повышенных уровнях супероксид-анион-радикала O2−, бактерии реагируют, вызывая стимул супероксид. Соединения, образующие супероксид, активируют SoxR регулятор одноэлектронным окислением кластеров 2Fe-2S. Затем окисленный SoxR индуцирует экспрессию белка SoxS, который, в свою очередь, активирует транскрипцию структурных генов регулона SoxRS.[2]

Регулирование

Регуляция реакции окисления бактерий с участием регулонов OxyR и SoxRS

Фактор транскрипции OxyR регулирует экспрессию регулона OxyR. ЧАС2О2 окисляет фактор транскрипции, образуя внутримолекулярную дисульфидную связь. Окисленная форма этого фактора специфически связывается с промоторами генов, составляющих OxyR-регулон, включая katG (гидропероксидаза-каталаза HPІ), ГорА (глутатионредуктаза ), grxA (глутаредоксин 1), trxC(тиоредоксин 2), ahpCF (алкилгидропероксидредуктаза ), дпс (неспецифический ДНК-связывающий белок) и OxyS (малая регуляторная РНК). Уменьшенный OxyR обеспечивает авторепрессию путем привязки только к oxyR промоутер.[1]

Регулирование soxRS регулон происходит в два этапа: белок SoxR сначала превращается в окисленную форму, которая усиливает soxS транскрипция, а повышенный уровень белка SoxS, в свою очередь, активирует экспрессию регулона. Структурные гены этого регулона включают: газировка (Mn-супероксиддисмутаза (SOD)), ZWF (глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа (G6PDH )), угри (аконитаза А), nfsA (нитратредуктаза А), fumC (фумараза C) и нфо (эндонуклеаза IV) среди других. У E.coli отрицательная ауторегуляция белка SoxS служит механизмом подавления soxRS окислительно-восстановительный стресс-реакция.[3]

Гены регулона SoxRS могут регулироваться дополнительными факторами.[2]

По крайней мере, три известных гена, включая xthA и Катя регулируются сигма-фактором KatF (RpoS ), синтез которой включается во время стационарная фаза. Известно, что XthA (экзонуклеаза III, фермент репарации ДНК) и KatE (каталаза) играют важную роль в защите от окислительного стресса, но гены регулона KatF не индуцируются окислительным стрессом.[2]

Реакция на окислительный стресс частично пересекается с другими регуляторными сетями, такими как тепловой удар отклик, SOS ответ.

Физиологическая роль ответа

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

Механизм предотвращения окислительного повреждения ферментными антиоксидантами

Предотвращение окислительного повреждения

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

Ферментные компоненты могут непосредственно поглощать активные формы кислорода или могут действовать, продуцируя неферментативные антиоксиданты. Существует четыре фермента, которые обеспечивают основную защиту от вредных реакций с участием активного кислорода в бактериях: SOD (супероксиддисмутазы, кодируемые газировка и дерьмоB), каталазы (Катя и katG), глутатионсинтетаза (gshAB) и глутатионредуктазы (Гор). Некоторые бактерии обладают НАДН-зависимыми пероксидазами, специфичными для H2О2.

Основными неферментативными антиоксидантами E. coli являются: GSH и тиоредоксин (кодируется trxA). Убихинон и менахинон могут также служить мембранно-ассоциированными антиоксидантами.

Ремонт окислительных повреждений

Вторичная защита включает системы репарации ДНК, протеолитический и липолитические ферменты. Ферменты репарации ДНК включают эндонуклеазу IV, вызванную окислительным стрессом, и экзонуклеаза III, индуцированный в стационарной фазе и в голодных клетках. Эти ферменты действуют на дуплекс ДНК и очищают 3'-концы ДНК.

Прокариотические клетки содержат катализаторы, которые часто изменяют первичную структуру белков за счет уменьшения дисульфидных связей. Это происходит в следующих шагах:

(i) тиоредоксинредуктаза переносит электроны от НАДФН к тиоредоксину через флавин перевозчик

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

(iii) дисульфид протеина изомераза облегчает реакции дисульфидного обмена с крупными неактивными белковыми субстратами, кроме того, сопровождающий Мероприятия

Окисление открытой поверхности метионин Остатки, окружающие вход в активный сайт, могут действовать как система антиоксидантной защиты «последнего шанса» для белков.[4]

Эукариотический аналог

Сложность бактериальных ответов, по-видимому, связана с количеством белков, вызванных окислительным стрессом. В клетках млекопитающих количество индуцируемых белков невелико, но регуляторные пути очень сложны.

Индукторами реакции на окислительный стресс у бактерий, по-видимому, являются либо сам оксидант, либо взаимодействие оксиданта с компонентом клетки. Большинство клеток млекопитающих существуют в среде, где концентрация кислорода постоянна, поэтому реакции напрямую не стимулируются окислителями. Скорее, цитокины Такие как фактор некроза опухоли, интерлейкин-1 или бактериальные полисахариды вызывают синтез СОД и мультигенные ответы. Недавняя работа показывает, что супероксид является сильным промотором опухоли, который работает путем активации и индукции продуктов генов, связанных с компетенцией роста. Другие факторы, участвующие в экспрессии антиоксидантного гена, включают индукцию кальмодулинкиназа за счет увеличения Ca2+ концентрации.

Клетки E. coli обнаруживают 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]

Рекомендации

  1. ^ а б Семчишин, Галина (2009). «Реакция, вызванная перекисью водорода у E. coli и S. cerevisiae: разные стадии потока генетической информации». Открытые науки о жизни. 4. Дои:10.2478 / с11535-009-0005-5.
  2. ^ а б c Фарр, SB; Когома, Т. «Реакции на окислительный стресс у Escherichia coli и Salmonella typhimurium». Microbiol Rev. 55: 561–85. ЧВК  372838. PMID  1779927.
  3. ^ Nunoshiba, T; Идальго, E; Ли, Z; Демпл, Б. «Отрицательная ауторегуляция со стороны белка SoxS Escherichia coli: механизм подавления окислительно-восстановительного стрессового ответа soxRS». J Бактериол. 175: 7492–4. Дои:10.1128 / jb.175.22.7492-7494.1993. ЧВК  206898. PMID  8226698.
  4. ^ Cabiscol, E; Тамарит, Дж; Рос, Дж. "Окислительный стресс у бактерий и повреждение белков активными формами кислорода". Int Microbiol. 3: 3–8. PMID  10963327.
  5. ^ Томас Нистром, СТАЦИОНАРНО-ФАЗНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ, Анну. Rev. Microbiol. 2004. 58: 161–81.