Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Иммундық жүйе химиялық қаруы. Тыныс алу (немесе тотығу) күркіреуі – әртүрлі жасушалардан реактивті оттегі түрлерінің (ROS), супероксид анионының (O2⁻) және сутек пероксидінің жылдам шығарылуы. Бұл көбінесе сүтқоректілердің иммундық қорғанысы үшін пайдаланылады, сонымен қатар жасушалық сигнал беруде де маңызды рөл атқарады. Тыныс алу күркіреуі жануарлардың жұмыртқасы ұрықтанғаннан кейін де байқалады. Ол өсімдік жасушаларында да кездесуі мүмкін.
Immune system chemical weapon
Respiratory burst (or oxidative burst) is the rapid release of the reactive oxygen species (ROS), superoxide anion (O2 ) and hydrogen peroxide , from different cell types. This is usually utilised for mammalian immunological defence, but also plays a role in cell signalling. Respiratory burst is also implicated in the ovum of animals following fertilization. It may also occur in plant cells.
Патогендерге қарсы қорғаныс
Бұл реактивті түрлерге ұшырау тыныс алу кезінде патологияға алып келеді. Бұл қоршалып алынған бактериялардың тотығу зақымдануынан туындайды. Маңыздысы, пероксинитрит – өте күшті тотықтырғыш агент, ол липидтердің пероксидтелуіне, белоктың тотығуына, белоктың нитрациялануына әкелуі мүмкін, және олардың бактерицидтік әсері үшін жауапты. Ол тікелей FeS сияқты өтпелі металл орталықтарын қамтитын белоктармен әрекеттесіп, Фентон реакциясы үшін Fe2+ босатады. Пероксинитрит пептидтік тізбектегі әртүрлі аминқышқылдарымен әрекеттесіп, белок құрылымын, содан кейін оның функциясын өзгерте алады. Ол көбінесе цистеинды тотықтырады және басқа да туындаған RNS арқылы тирозиннің нитрациясын жанама түрде тудыруы мүмкін. Өзгерген белок функциясы ферменттердің катализдік белсенділігінің, цитоскелеттік ұйымдастырудың және жасушалық сигналдардың өзгеруін қамтиды. Гипохлор қышқылы ДНК, липидтер және белоктарды қоса алғанда, көптеген биомолекулалармен әрекеттеседі. HClO цистеиндер мен метиониндерді тиісінше олардың сульфгидрил тобы мен күкірт тобы арқылы тотықтыра алады. Біріншісі дисульфидтік байланыстардың пайда болуына әкеледі, бұл белоктың өзара байланысуына себеп болады. Екі тотығудың да нәтижесі белоктың агрегациясына және, әрі қарай, жасушаның өліміне алып келеді. Сульфгидрил тобы үш HClO молекуласымен үш есеге дейін тотықтырылып, сульфен қышқылдары, сульфин қышқылдары және R–SO3H түзеді, олардың барлығы кері қайтарылмайтын және бактерицидтік қасиеттері күшейеді. Ал метиониннің тотығуы кері процеске ие. HOCl сондай-ақ біріншілік немесе екіншілік аминдермен реакцияға түсіп, бактериялар үшін улы хлороаминдерді құрайды. Белоктың өзара байланысуы мен агрегациясы, сондай-ақ FeS топтарының бұзылуы да болуы мүмкін. Гипохлор қышқылының түзілуіне миелопероксидазаның маңызды рөлі бар. Миелопероксидаза нейтрофилдерде ең көп кездеседі, онда фагоцитоз дегрануляциямен бірге жүреді. Бұл гранулдардың фаголизосомамен бірігуі, олардың құрамының, соның ішінде миелопероксидазаның босатылуына әкеледі. Тыныс алу кезінде көптеген микробқа қарсы өнімдер пайда болғандықтан, жеке молекулалардың шабуылдаушы патогендерді өлтірудегі рөлі толыққанды түсініксіз. Құрамындағы микробқа қарсы өнімдердің, соның ішінде ROS-тың жоғары уыттылығына байланысты нейтрофилдердің өмір сүру ұзақтығы қысқа, бұл қабыну кезінде тіндік зақымдануды шектеуге мүмкіндік береді.
The exposure to these reactive species in the respiratory burst results in pathology. This is due to oxidative damage to the engulfed bacteria. Notably, peroxynitrite is a very strong oxidising agent that can lead to lipid peroxidation, protein oxidation, protein nitration, which are responsible for its bactericidal effects. It may react directly with proteins that contain transition metal centers, such as FeS, releasing Fe2+ for the Fenton reaction. Peroxynitrite may also react with various amino acids in the peptide chain, thereby altering protein structure and subsequently, protein function. It most commonly oxidises cysteine, and may indirectly induce tyrosine nitration through other generated RNS. Altered protein function includes changes in enzyme catalytic activity, cytoskeletal organisation and cell signal transduction. Hypochlorous acid reacts with a range of biomolecules, including DNA, lipids and proteins. HClO may oxidise cysteines and methionines via their sulfhydryl groups and sulfur groups respectively. The former leads to the formation of disulfide bonds, inducing protein crosslinking. Both oxidations result in protein aggregation, and ultimately, cell death. Sulfhydryl groups can be oxidised up to three times by three HClO molecules, forming sulfenic acids, sulfinic acids and R–SO3H, which are increasingly irreversible and bactericidal. Meanwhile, methionine oxidation is reversible. HOCl can also react with primary or secondary amines, producing chloroamines which are toxic to bacteria. Protein cross linking and aggregation may also occur, as well as disruption of FeS groups. Integral to hypochlorous acid formation is myeloperoxidase. Myeloperoxidase is most abundant in neutrophils, wherein phagocytosis is accompanied by degranulation. This is the fusion of granules with the phagolysosome, releasing their contents, including myeloperoxidase. As many microbicidal products are formed during respiratory burst, the importance of individual molecules in killing invading pathogens is not wholly understood. Due to the high toxicity of generated antimicrobial products including ROS, neutrophils have a short life span to limit host tissue damage during inflammation.
Ауру
Созылмалы грануломатоздық ауру – адам нейтрофильдерінің тұқым қуалайтын ауруы, онда NOX2 бұзылған. Фагоцитоз жүруі мүмкін, бірақ NOX2 қалыпты жұмыс істемесе, супероксид өндірілмейді, демек, жасушалық тыныс алу күшеюі болмайды. Бактериялық инфекция жойылмайды.
Chronic Granulomatous Disease is an inherited disease of human neutrophils, wherein NOX2 is defective. Phagocytosis may still occur, but without proper functioning NOX2, there is no superoxide production, and therefore no respiratory burst. The bacterial infection is not cleared.
Фагоциттік емес жасушалар
Фагоциттік емес жасушаларда окистендіру шарының өнімдері жасушаішілік сигналдық жолдарда қолданылады. Пайда болған ROS клетканың тотығу-тотығу күйін өзгерту арқылы мұны іске асырады. Бұл антиоксидантты фермент – глютатионның тотыққан түрі, глютатион дисульфидіне (GSH:GSSG) қатынасы арқылы бақыланады. Антиоксидантты ферменттер қатысқан молекулаларды, әсіресе супероксид анионы мен азот оксидін жою арқылы тотығу-тотығу сигналдауын теңестіреді. Тотығу-тотығу сигналдауы көбею, дифференциация сияқты қалыпты процестерге, сондай-ақ қан тамырларының жұмысына және нейротрансмиссияға өте қажетті. Ол қатерлі ісік сияқты ауруларда да қатысады. NADPH оксидазаның NOX1 изоформасы тиісті рецепторлардың өсу факторымен (мысалы, EGF) стимуляциясына жауап ретінде супероксидтің қысқа мерзімді шарын тудырады. Супероксид диффузиялық шектеу жылдамдығына жуық жылдамдықпен сутек пероксидіне айналады. Супероксидтің айналуының кеңістіктік шектеуі тотығу-тотығу сигналдауының ерекшелігіне мүмкіндік береді. NOX1-дің жасушаның плазмалық мембранасындағы белгілі бір микродомендерге орналасуы арқылы да ерекшелік қамтамасыз етіледі. Сутек пероксиді аквапорин немесе диффузия арқылы цитозолға енеді. Онда ол тотығу-тотығуға сезімтал ақуыздардың цистеин топтарын тотықтырады, олар сигналдарды жіберуге қабілетті.
In non phagocytic cells, oxidative burst products are used in intracellular signalling pathways. The generated ROS achieve this via shifting the cell redox state. This may be monitored by the ratio of the antioxidant enzyme glutathione to its oxidised product, glutathione disulphide (GSH:GSSG). Antioxidant enzymes counterbalance redox signalling by eliminating the involved molecules, importantly superoxide anion and nitric oxide. Redox signalling is critical for normal processes such as proliferation, differentiation, as well as vascular function and neurotransmission. It is also involved in disease states such as cancer. The NADPH oxidase isoform NOX1 transiently produces a burst of superoxide in response to growth factor (e. g. EGF) stimulation of respective receptors. Superoxide is dismutated to hydrogen peroxide at a rate close to the diffusion limited rate. This spatial restriction for superoxide‘s dismutation allows for specificity of redox signalling. Specificity is also ensured by NOX1 localisation in specific microdomains in the cell’s plasma membrane. Through channels such as aquaporin or diffusion, hydrogen peroxide enters the cytosol. There, it oxidises the cysteine groups of redox sensitive proteins, which can then transduce signals.
Макрофагтар
Фагоциттердегі тотықтырғыш жарылыс көбінесе бактерияларды өлтірумен байланысты. Дегенмен, макрофагтар, әсіресе альвеолалық макрофагтар, нейтрофильдерге қарағанда әдетте өте төмен деңгейдегі реактивті оттегі түзіледі және олардың бактерияға қарсы қасиеттерін іске қосу үшін белсендіру қажет болуы мүмкін. Оның орнына, олардың уақытша тотықтырғыш жарылысы цитокиндердің синтезін редокс сигнализациясы үшін ынталандырады, осы арқылы қабыну жауабын реттейді, нәтижесінде нейтрофильдер мен белсенді макрофагтардың жиналуына себеп болады.
Oxidative burst in phagocytes is most commonly associated with bacterial killing. However, macrophages, especially alveolar macrophages, usually produce far lower levels of ROS than neutrophils, and may require activation for their bactericidal properties. Instead, their transient oxidative burst regulates the inflammatory response by inducing cytokine synthesis for redox signalling, resulting in an influx of neutrophils and activated macrophages.
Қатерлі ісік жасушалары
Қатерлі ісік жасушалары ROS-тың артық мөлшерін өндіру арқылы жасушалық сигналдауды манипуляциялай алады, соның салдарынан жасушалық өсім мен көбеюді ынталандыру үшін жолдарды тұрақты түрде белсендіреді. Бұл жолдарға NF κB, PI3K, HIF және MAPK жатады. Адамдарда, онкогенді KRAS жасушаларында митогендік жолды стимуляциялау үшін митохондриялық ROS, сондай-ақ окистелген жарылыс кезінде босатылатын ROS қатар қажет. Дегенмен, онкогенді Kras егеуқұйрықтарының фибробластарында NADPH оксидаза ингибиторлары осы өсу факторларының жолдарын тоқтатуға жеткілікті екені көрсетілді. Ісік тудыратын жасушалар қатерлі ісік жасушаларының өлімінен қорғану үшін антиоксиданттардың жоғары деңгейін бір уақытта сақтайды.
Cancer cells can manipulate cell signalling by producing excess levels of ROS, thereby constitutively activating pathways to promote their cellular growth and proliferation. Implicated pathways include NF κB, PI3K, HIFs and MAPKs. In humans, mitochondrial ROS is required alongside those released in the oxidative burst for mitogenic pathway stimulation in oncogenic KRAS cells. However, in oncogenic Kras mice fibroblasts, NADPH oxidase inhibitors have been shown to be sufficient to block these growth factor pathways. Tumorigenic cells also simultaneously maintain high levels of antioxidants to protect against cancer cell death.
Ұрықтандыру
Ең айқын мысалы, теңіз кірпісі жұмыртқасында ұрықтанғаннан кейін тотығу күштілігі байқалады. Бұл нейтрофильдердегіге қарағанда эволюциялық жағынан ерекшеленеді деп саналады. Сутек пероксиді жұмыртқа оксидазасының әрекетінен, оттегі тұтынудың артуынан кейін түзіледі. Бұл өлімге алып келетін көп спермамен ұрықтанудың (полиспермияның) алдын алу үшін жұмыртқа ақуыздарының байланысуы үшін маңызды. Сутек пероксидінің өзі де спермаға зиянды. Дегенмен, пайда болған реактивті бөлшектер ұрықтанған жұмыртқаны окистену зақымдарынан қорғау үшін иммунитетке қарағанда төмен деңгейде ұсталады. Бұл, негізінен, сол жұмыртқа оксидазасының екі функциясын орындауы арқылы, ал екіншілік ретте каталаза және глутатион сияқты цитоплазмалық активті оттегі түрлерін (ROS) залалсыздандыру арқылы жүзеге асырылады.
Most notably, oxidative burst post fertilisation can be seen in the sea urchin egg. This is believed to be evolutionally divergent from that in neutrophils. Hydrogen peroxide is produced by egg oxidase activity following an increase in oxygen consumption. This is essential for the cross linking of the ovum proteins to prevent lethal polyspermy. Hydrogen peroxide itself is also spermicidal. However, the generated reactive species are maintained at lower levels than in immunity to protect the fertilised egg itself from oxidative damage. This is achieved by the elimination of hydrogen peroxide primarily through the dual function of the same egg oxidase, and secondarily through cytoplasmic ROS scavengers, such as catalase and glutathione.
Өсімдіктерде
Окистендіру жарылысы өсімдіктерде патогендік инфекцияға қарсы қорғаныс механизмі ретінде әрекет етеді. Бұл жасуша бетінде орналасқан рецепторлар (мысалы, FLS2 немесе EFR) арқылы PAMP-тарды анықтағаннан кейін байқалады. Жануарлардағыдай, өсімдіктерде реактивті оттегі түрлерінің өндірісі NADPH оксидаза арқылы жүзеге асады. Өсімдік иммунитетінде NADPH оксидазаның RbohD және RbohF суббірліктерінің функциялары үлестірілген, олар әртүрлі тіндерде және әртүрлі деңгейде экспрессияланады. Дегенмен, жануарлардың фагоциттерінен айырмашылығы, онда пайда болған ROS мөрленген фаголизосомада сақталады, өсімдіктердегі окистендіру жарылысы шектелмейді. Сәйкесінше, пайда болған ROS патогендік уыттылықпен қатар қосымша әсерлерге ие болады. Сутек пероксиді өсімдік жасуша қабырғасының гликопротеиндерінің окистендіру арқылы байланысуын тудырады. Бұл патогендердің ферменттік ыдырауына сезімталдықты азайтады. Жануарлардың туа біткен иммунитетіне ұқсас жүйелік қорғаныс резистенттілігі де зардап шеккен өсімдік жасушаларында шақырылады. Сутек пероксидінің әсерінен инфекция ошағындағы аз ғана жасушалардың өлімі – гиперсезімталдық реакциясы, патогендік инфекцияны шектеу мақсатында пайда болуы мүмкін. Өсімдіктердегі ROS өндірісі люминол-пероксидазаға негізделген талдау арқылы патогенді сәтті тануды бағалау үшін қолданылуы мүмкін.
Oxidative burst acts as a defence mechanism to pathogen infection in plants. This is seen post PAMPs detection by cell surface located receptors (e. g. FLS2 or EFR). As in animals, the production of reactive oxygen species in plants is mediated by NADPH oxidase. In plant immunity, the NADPH oxidase subunits RbohD and RbohF have overlapping functions are expressed in different tissues and at different levels. However, in contrast to animal phagocytes, wherein generated ROS are contained in the sealed phagolysosome, oxidative burst in plants is not contained. Consequently, generated ROS bear additional effects alongside pathogen toxicity. Hydrogen peroxide induces oxidative cross linking of the plant’s cell wall glycoproteins. This reduces susceptibility to enzymatic degradation by pathogens. Systemic acquired resistance, which is analogous to innate immunity in animals, is also induced in the exposed plant cells. Hydrogen peroxide exposure may also result in hypersensitive response, which is the death of a small number of host cells at the site of infection, for the purpose of limiting pathogenic infection. ROS production in plants can be used as a readout for successful pathogen recognition via a luminol peroxidase based assay.