Powstawanie reaktywnych form tlenu w komórkach, Egzaminy z Transport

Pobierz Powstawanie reaktywnych form tlenu w komórkach i więcej Egzaminy w PDF z Transport tylko na Docsity! Biochemia stresu oksydacyjnego Dr hab. Agnieszka Łoboda Literatura: Grzegorz Bartosz „Druga twarz tlenu” Barry Halliwell & John Gutteridge „Free radicals in biology and medicine” Powstawanie reaktywnych form tlenu w komórkach Wykład 2 Literatura: Grzegorz Bartosz „Druga twarz tlenu” Barry Halliwell & John Gutteridge „Free radicals in biology and medicine” Woyda-Płoszczyca & Jarmuszkiewicz, Postępy Biochemii, 2008 Postępy Biochemii, 2006 Nadtlenek wodoru - Powstaje w wyniku spontanicznej lub katalizowanej przez SOD dysmutacji anionorodnika ponadtlenkowego. - Powstaje w wyniku: * jednoelektronowej redukcji nadtlenku wodoru (najważniejsze źródło rodnika hydroksylowego w komórkach) . H2O2 + e- + H+ H2O + OH Źródła ROS w komórce Enzymy generujące H2O2: np. * oksydaza aldehydowa * oksydaza D-aminokwasowa * okydaza a-hydroksykwasowa * oksydaza ksantynowa * oksydaza acetylokoenzymu A * oksydaza glutarylokoenzymu A * oksydaza galaktozowa * oksydaza glikolanowa Enzymy generujące O2 np. * oksydaza ksantynowa * oksydaza aldehydowa * oksydaza diaminowa * reduktaza cytochromu P450 * reduktaza glutationowa * oksydaza galaktozowa * mieloperoksydaza * oksydoreduktaza NADPH * hydroperoksydaza prostaglandynowa * tyrozynaza * syntaza tlenku azotu * reduktaza cytochromu b5 * lipooksygenaza * dioksygenaza tryptofanowa . - Reakcje enzymatyczne Wybuch oddechowy fagocytów Komórki fagocytujące organizmu (granulocyty, monocyty, makrofagi) reagują na „intruza” kilkudziesięciokrotnym wzrostem zużycia tlenu (wybuch oddechowy – wybuch tlenowy, ang. respiratory burst) Fagocyty wytwarzają i uwalniają na zewnątrz ogromne ilości anionorodnika ponadtlenkowego, który częściowo ulega dysmutacji do nadtlenku wodoru. http://macscience.wordpress.com/level-2-biology/cells/ Kwas podchlorawy powstaje w reakcji nadtlenku wodoru i chlorku, w reakcji katalizowanej przez mieloperoksydazę w fagocytach - Kwas podchlorawy jest silnym utleniaczem, reagującym z białkami, lipidami, kwasami nukleinowymi i węglowodanami. - Produkcja kwasu podchlorawego w czasie wybuchu tlenowego w fagocytach stanowi istotny mechanizm obrony przed patogenami. W warunkach chronicznego zapalenia (np. w miażdżycy) może prowadzić do uszkodzenia tkanek organizmu. - Inaktywacja kwasu podchlorawego zachodzi w wyniku reakcji z glutationem lub tauryną (obecną zwłaszcza w neutrofilach). Wiele gatunków bakterii zabijanych jest bezpośrednio przez układ mieloperoksydaza/nadtlenek wodoru/kwas podchlorawy. Celem dla tego systemu są przede wszystkim bakteryjne białka żelazowo- siarkowe, błonowe białka transportujące, systemy generujące ATP oraz miejsca startu replikacji DNA. Mitochondrium Stove and Camara. Antioxid Redox Signal 2009. - Zewnętrzna błona mitochondrialna: * stosunek wagowy białek do fosfolipidów: ~1:1 * duża zawartość poryn - Cząsteczki o masie do ~6 kDa mogą swobodnie dyfundować do przestrzeni międzybłonowej. Większe muszą mieć sekwencję sygnałową na N-końcu, pozwalającą na wiązanie do translokaz. - Przestrzeń międzykomórkowa: * stężenie małych cząsteczek podobne jak w cytozolu * skład białek jest odmienny niż w cytozolu - Wewnętrzna błona mitochondrialna: * stosunek wagowy białek do fosfolipidów: ~3:1 * duża zawartość kardiolipiny (zmniejszenie przepuszczalności błony) * brak poryn * transport wszystkich substancji wymaga transporterów * obecność białek odpowiedzialnych za fosforylację oksydacyjną, syntezę i hydrolizę ATP, transport białek regulatorowych. Mitochondrialny łańcuch transportu elektronów Kompleks I – dehydrogenaza NADH Kompleks II - dehydrogenaza bursztynianowa Kompleks III – kompleks cytochromów bc1 Kompleks IV – oksydaza cytochromowa  Jony Fe-S – centra żelazo-siarkowe  Koenzymy – mononukleotyd flawinowy (FMN), dinukleotyd flawinowy (FAD), ubichinon (Q) – centra oksydoredukcyjne Mitochondrialny łańcuch transportu elektronów Kompleks I – dehydrogenaza NADH Kompleks II - dehydrogenaza bursztynianowa Kompleks III – kompleks cytochromów bc1 Kompleks IV – oksydaza cytochromowa Mitochondrium L. Stryer. Biochemia; Stove and Camara. Antioxid Redox Signal 2009. Reakcje w matriks mitochondrialnej - Pirogronian produkowany podczas glikolizy jest transportowany do matriks, dekarboksylowany oksydacyjnie i przyłączany do Co-A (powstaje CO2, acetylo-CoA i NADH). - Grupa acetylowa przyłączana jest do szczawiooctanu (C4), tworząc cytrynian (C6). Izomer cytrynianu jest następnie dekarbokylowany oksydacyjnie do a-ketoglutaranu (C5) i bursztynianu (C4), z którego regenerowany jest szczawiooctan. Przy tym 3 jony wodorowe (6 e-) są przenoszone na NAD+, a para atomów wodoru (2 e-) na FAD. - W cyklu Krebsa powstają 2 cząsteczki CO2, czemu towarzy- szy produkcja 3 cząsteczek NADH i 1 cząsteczki FADH2. Powstaje też 1 wysokoener- getyczne wiązanie fosforanowe, a 9 kolejnych ATP może powstawać podczas utleniania NADH i FADH2 za pośrednictwem łańcucha oddechowego. Oddychanie komórkowe KIE „2 Dehydrogenaza 0 © węgiel >. kifosforan ©O,+NADH, H* © 1a SE Guanczyno R o łosłoran = Go meryno [EB UTPO 0. NADH Dinukleatyd rikotynamidoadzninowny Karboksyłaza - Karboksylaza pirogronianowa Enzym irgronianowa Pe Syntaza cytrynianowa Akonitaza Ge 6 e sły e e Dehydrogenaza NAD: jabłczanowa e G 4 a** 250 e? g* © Dehydrogenaza KyąDH, H* izocytrynianowa Dehydrogenaza a-ketoglutaranowa ZAKŁAD BIOTECHNOLOGII ME| - Przyjmuje elektrony z NADH, i przenosi je przez liczne kofaktory do pierwszego ruchliwego nośnika elektronów, utlenionego koenzymu Q. Uzyskana w ten sposób energia jest wykorzystywana do przeniesienia czterech protonów z macierzy mitochondrialnej do przestrzeni międzybłonowej. - Koenzym Q otrzymuje elektrony także z kompleksu II (dehydrogenazy bursztynianowej) oraz dehydrogenazy aldehydu 3-fosfoglicerolu. - Zredukowany koenzym Q przekazuje elektrony na kompleks III, skąd trafiają na cytochrom c, ulokowany w przestrzeni międzybłonowej. Uzyskana w ten sposób energia wykorzystywana jest do przeniesienia czterech protonów do przestrzeni międzybłonowej. - Z cytochromu c elektrony przenoszone są na kompleks IV (oksydazy cytochromu c), gdzie cząsteczkowy tlen redukowany jest do wody. Uzyskana w ten sposób energia wykorzystywana jest do przeniesienia dwóch protonów do przestrzeni międzybłonowej. Łańcuch oddechowy Źródła ROS w komórce VDAC Voltage dependent anion channel IMAC Inner mitochondrial membrane anion channel Mitochondria jako źródła RNS w komórce PTP Permeability transition pore Związki ułatwiające identyfikację miejsc tworzenia reaktywnych form tlenu Stove and Camara. Antioxid Redox Signal 2009 Dehydrogenaza bursztynianowa Rutter et al. Mitochondrion 2010. - Dehydrogenaza bursztynianowa (SDH) jest zarówno częścią łańcucha oddechowego jak i cyklu Krebsa, w którym utlenia bursztynian do fumaranu - SDH zbudowana jest z czterech jednostek, wszystkie kodowane są przez geny jądrowe - Jest jedynym kompleksem łańcucha oddechowego, który nie pompuje protonów przez wewnętrzną błonę mitochondrialną - Zaburzenia funkcji SDH są bardzo rzadkie (2-4% zaburzeń łańcucha oddechowego) i prowadzą do: * zespołu Leigha (choroba neuro- degeneracyjna rozwijająca się u niemowląt) * rodzinnej paragangliomy (przy- zwojaka, nowotworu układu współ- czulnego lub przywspółczulnego) Stove and Camara. Antioxid Redox Signal 2009 utlenianie pirogronianu utlenianie samego bursztynianu NAD O2 Odwrotny transport elektronów Odwrotny transport elektronów - Kiedy mitochondria utleniają pirogronian, elektrony są przekazywane z NADH do chinonu (Q) poprzez FMN i centra Fe-S. Powstający QH' jest redukowany do chinolu (QH2). - Kiedy mitochondria utleniają jedynie bursztynian (przy braku innych substratów) elektron przenoszony jest wbrew potencjałowi redoks ze zredukowanego chinonu (chinol, QH2) na NAD+, zamiast w stronę O2. Produkcja O2˙ - w kompleksie III łańcucha oddechowego Stove and Camara. Antioxid Redox Signal 2009 Kompleks III (oksydoreduktaza koenzym Q:cytochrom c) - Budowa kompleksu III: * zewnętrzne miejsce chinonowe (Qo) * wewnętrzne miejsce chinonowe (Qi) * cytochrom b566 (cyt b566) * cytochrom b562 (cyt 562) * białko Rieske (z kompleksami Fe-S) * cytochrom c1 * cytochrom c - Działanie kompleksu III: * Ubichinon jest redukowany do QH2 po stronie wewnętrznej (Qi) i migruje do strony zewnętrznej (Qo) uwalniając 2H+ i przenosząc 1 e- na cyt c1 za pośrednictwem białka Rieske. Powstaje przy tym QH' i Q. * Drugi e- redukuje cytochrom b, dzięki czemu elektrony są przenoszone na wewnętrzną stronę błony, gdzie redukują chinon do QH2. * cyt c i cyt c1 przyjmują tylko pojedynczy e-, dlatego pełna redukcja Q wymaga utlenienia dwóch cząsteczek QH2 w dwóch kolejnych cyklach. Intermembrane space Lipid Bax peroxidation Oute membrane © Cytochrome c 0 Cardiolipin I Bax |. ZAKŁAD BIOTECHNOLOGII MEDYCZNEJ iał Biochemii, Biofizyki i Biocechnologii Rozwój blaszki miażdżycowej Stove and Camara. Antioxid Redox Signal 2009. Endothelium Vessel Lumen LDL LDL Readily Enter the Artery Wall Where They May be Modified LDL Intima Modified LDL Modified LDL are Proinflammatory Hydrolysis of Phosphatidylcholine to Lysophosphatidylcholine Other Chemical Modifications Oxidation of Lipids and ApoB Aggregation Ross R. N Engl J Med 1999 Rozwój blaszki miażdżycowej LDL LDL Endothelium Vessel Lumen Monocyte Macrophage MCP-1 Adhesion Molecules Foam Cell Modified LDL Taken up by Macrophage Intima Rozwój blaszki miażdżycowej Ross R. N Engl J Med 1999 LDL LDL Endothelium Vessel Lumen Monocyte Modified LDL Macrophage MCP-1 Adhesion Molecules Cytokines Intima Rozwój blaszki miażdżycowej Ross R. N Engl J Med 1999 Cholesterol LDL Retencja w błonie wewnętrznej Modyfikacja ' Zmodyfikowana LDL 4 Aktywacja/Uszkodzenie śródbłonka z ——* Reakcja zapalna Proliferacja mięśni gładkich Powstawanie komórek ja mięśni gła piankowatych Włóknienie — Blaszka miażdżycowa Pozakomórkowe złogi lipidowe AKŁAD BIOTECHNOLOGII MEDYCZNEJ ydziat Biochemii, Biofizyki i Biorechnologii Obecnie uważa się, że pierwotną przyczyną uszkodzenia komórek w cukrzycy jest przewlekła hiperglikemia oraz oporność na insulinę. Oba czynniki wpływają na ostre zmiany w metabolizmie komórek oraz na długoterminowe zmiany w makrocząsteczkach. Procesy te są modyfikowane dodatkowo przez czynniki genetyczne podatności osobniczej oraz przez niezależne czynniki, jak nadciśnienie lub hiperlipidemia. Uszkodzenia tkanki zarówno w przypadku mikroangiopatii jak i makroangiopatii powstają na skutek wewnątrzkomórkowego stresu oksydacyjnego, indukowanego wzmożoną produkcją anionorodnika ponadtlenkowego w mitochondrialnym łańcuchu transportu elektronów, powodującego apoptozę dojrzałych komórek śródbłonka Cukrzyca W warunkach hiperglikemii, większa niż zwykle ilość glukozy wchodzi w cykl metaboliczny. W wyniku intensywniejszych przemian cyklu kwasów trójkarboksylowych do łańcucha mitochondrialnego dostarczana jest zbyt duża ilość NADH i FADH2. W konsekwencji gradient napięcia w poprzek błony mitochondrialnej rośnie aż do momentu krytycznego, w którym zablokowany jest transport elektronów w kompleksie III, co powoduje cofnięcie elektronów do koenzymu Q, gdzie są one przyłączane do cząsteczek tlenu. W ten sposób wygenerowane zostają anionorodniki ponadtlenkowe. Cukrzyca Mitochondrialny system antyoksydacyjny Mitochondria stanowiąc istotne źródło RFT posiadają rozbudowany system antyoksydacyjny składający się z  Białek enzymatycznych: dysmutazy ponadtlenkowe, katalaza, peroksydazy)  Związków niskocząsteczkowych czy białek nieenzymatycznych: glutation, askorbinian, tioredoksyna, białka rozprzęgające UCP w łańcuchu oddechowym Wolkow & Isner. Aging Res Rev. 2006. G. Valacchi and P.A. Davis (eds). Oxidants in Biology. 2008 - Białko UCP (UCP1) zostało po raz pierwszy opisane w brunatnych adipocytach, odpowiedzialnych za termogenezę bezdrżeniową. - UCP pozwala na powrót elektronów do matriks mitochondrialnej bez produkcji ATP (może więc zachodzić przy niedoborze ADP, zmniejszając ryzyko nadmiernej akumulacji H+ w przestrzeni między- błonowej). Towarzyszy temu produkcja ciepła. - UCP2 odgrywa rolę w regulacji wydzielania insuliny. - UCP3 ulega ekspresji głównie w mięśniach (szkieletowych, mięśniu sercowym) i ma działanie antyoksydacyjne. - UCP4 i UCP5 produkowane są głównie w układzie nerwowym i mają działanie antyoksydacyjne. Białka rozprzęgające (UCP) występowanie Białka rozprzęgające (UCP) BAT ochrona przed niską temperaturą zapobieganie powstawaniu większość tkanek działanie antyoksydacyjne zwiększone ryzyka cukrzycy typu II mięśnie szkieletowe i serce regulacja metabolizmu tłuszczów zapobieganie centralny układ nerwowy neuroprotekcja (?) neuromodulacja (7) otyłości (7) a powstawaniu mniejsza skuteczność cukrzycy typu II chemoterapii powiązanej z AR nowotworów (7. Ś A zwiększony Au m ołaścią O poziom 4 I 4 Y ść 1 (aktywność) i i ! / 4 lu pa ludr3 UGP4 ugpsj | Sj JJ 7 77 zmniejszony 1 ' N ” poziom w . s p (aktywność) przeciwdziałanie I 4 7 w rozwojowi v w , cukrzycy typu Il u [4 nietolerancja KE zimna wzmocnienie lipotoksyczność neurodecjeneracja (7) odporności ZAKŁAD BIOTECHNOLOGII ME| ryzyko pojawienia się otyłości (7) imrnunologicznej (?) inicjacja i wczesna progresja nowotworu (?) zwiększone ryzyko rozwoju zmian miażdżycowych (2) zwiększone ryzyko rozwoju cukrzycy typu II powiązanej z otyłością przyspieszony rozwój chorób Alzheimera i Parkinsona (?) UCP-1 - Kluczowym białkiem w termogenezie bezdrżeniowej jest UCP-1. Funkcja innych białek UCP jest mniej istotna. - Transport protonów przez UCP-1 zależy od pary histydyn, których nie ma w innych UCP. - Jest eksprymowany w brunatnej tkance tłuszczowej (BAT) - Ekspresja UCP-1 jest indukowana przez kwasy tłuszczowej (prawdopodobnie poprzez aktywację czynnika PPARd) Woyda-Płoszczyca & Jarmuszkiewicz, 2008 Produkcja insuliny w komórkach b Regulacja sekrecji insuliny z udziałem UCP2 w komórkach β trzustki. Glukoza jest transportowana do komórki na nośniku glukozowym. Utlenianie glukozy, na które składa się glikoliza, cykl kwasów trikarboksylowych (TCA) oraz transport elektronów w łańcuchu oddechowym (RC) mitochondrium, prowadzi do wytworzenia protonowego gradientu chemicznego (ΔμH+), który z kolei napędza syntezę ATP. Wzrastający poziom ATP w komórce β trzustki, jako konsekwencja podwyższonego poziomu cukru we krwi, przyczynia się do zamknięcia wrażliwych na ATP kanałów potasowych (KATP) błony plazmatycznej. Prowadzi to do depolaryzacji błony i otwarcia kanałów wapniowych bramkowanych napięciem. Napływ wapnia do komórki uruchamia proces wydzielania insuliny. Aktywność UCP2 rozprasza ΔμH+ i tym samym obniża wydajność syntezy ATP. UCP2 może więc pełnić funkcję negatywnego regulatora stymulowanego glukozą wydzielania glukozy w komórkach β wysepek trzustkowych UCP w łańcuchu oddechowym - Niedobór UCP może zwiększać produkcję ATP w mitochondriach. - W komórkach b trzustki: * pobieranie glukozy przyczynia się do wzrostu aktywności łańcucha oddechowego i zwiększenia produkcji ATP z ADP. To stymuluje fuzję pęcherzyków zawierających insulinę i prowadzi do wydzielania insuliny. * Wysoki stosunek ATP/ADP aktywuje UCP2, co zmniejsza gradient protonów i obniża produkcję ATP, obniżając tym samym wydzielanie insuliny. - Czynnikiem aktywującym UCP2 jest prawdopodobnie anionorodnik ponadtlenkowy.