НАДФН оксидазасы: құрамы, қызметтері және биологиялық ролі
NADPH oxidase
NADPH оксидаза – қабықша байланысқан фермент кешені. Аққан бұлшық жасушаларында, қан тамырларында және нейтрофильдерде кездеседі. Құрамы, қызметі туралы біліңіз.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Энзимдік кешен
Enzyme complex
NADPH оксидаза (никотинамид аденин динуклеотид фосфат оксидазасы) – клеткадан тыс кеңістікке қарайтын, мембранаға байланысқан фермент кешені. Ол плазмалық мембранада, сондай-ақ нейтрофилді ақ қан жасушаларының микроорганизмдерді қоректену үшін пайдаланатын фагосомалардың мембраналарында табылады. Кешеннің каталитикалық компонентінің адам изоформаларына NOX1, NOX2, NOX3, NOX4, NOX5, DUOX1 және DUOX2 жатады.
NADPH oxidase (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase) is a membrane bound enzyme complex that faces the extracellular space. It can be found in the plasma membrane as well as in the membranes of phagosomes used by neutrophil white blood cells to engulf microorganisms. Human isoforms of the catalytic component of the complex include NOX1, NOX2, NOX3, NOX4, NOX5, DUOX1, and DUOX2.
Түрлері
Сүтқоректілерде NADPH оксидаза екі түрде кездеседі: біреуі ақ қан жасушаларында (нейтрофилдік), екіншісі қан тамырлары жасушаларында, биохимиялық құрылымы және атқаратын қызметтері бойынша ерекшеленеді. Нейтрофилдік NADPH оксидаза супероксидті дерлік бірден өндіреді, ал қан тамырлары ферменті супероксидті минуттардан сағаттарға дейін өндіреді. Бұдан өзге, ақ қан жасушаларында супероксид электронды мембрана арқылы клетка сыртындағы оттегіге берсе, қан тамырлары жасушаларында радикал-анион негізінен клетка ішінде бөлінеді.
In mammals, NADPH oxidase is found in two types: one in white blood cells (neutrophilic) and the other in vascular cells, differing in biochemical structure and functions. Neutrophilic NADPH oxidase produces superoxide almost instantaneously, whereas the vascular enzyme produces superoxide in minutes to hours. Moreover, in white blood cells, superoxide has been found to transfer electrons across the membrane to extracellular oxygen, while in vascular cells, the radical anion appears to be released mainly intracellularly.
Құрылымы
Мембранаға байланған қан тамырлары ферментінің бүкіл құрылымы бес бөліктен тұрады: екі цитозольді кішібөлім (p47phox және p67phox), gp91phox, p22phox және кішкентай G белгісі Rac-тан құралған цитохром b558.
The whole structure of the membrane bound vascular enzyme is composed of five parts: two cytosolic subunits (p47phox and p67phox), a cytochrome b558 which consists of gp91phox, p22phox and a small G protein Rac.
Биологиялық қызметі
NADPH оксидазалары (NOX) – жасушалық реактивті оттегі түрлерінің (ROS) маңызды көздерінің бірі және қалыпты физиологиялық жағдайларда ROS өндірудегі ерекше рөліне байланысты олар әлі де кең зерттеулердің назар орталығында. NADPH оксидаза кешені қалыпты жағдайда белсенді емес күйде болады, бірақ тыныс алу кезінде мембраналарда жиналуға белсендіріледі. Белсенді NADPH оксидазасы жануарлардың иммундық жауабында және өсімдіктердің сигналдануында қатысатын супероксидті түзеді. Супероксид бактериялар мен саңырауқұлақтарды жұтқан фагосомаларда немесе жасушадан тыс кеңістікте де пайда болуы мүмкін. Макрофагтарда супероксид бактериялар мен саңырауқұлақтарды әлі толық түсінілмеген механизмдер арқылы өлтіреді. Супероксид спонтанды түрде дизмутацияланып пероксидке айналады, ол кейін сутек пероксидін өндіру үшін протондалады. Оксидазаның нейтрофилдерде микроорганизмдерді қалай өлтіретіні туралы пікірлер қарама-қайшы. Бір жағынан, сутек пероксиді миелопероксидаза үшін гипохлор қышқылын өндіруге қатысатын субстрат ретінде әрекет етеді деп есептеледі. Сонымен қатар, ол маңызды метаболикалық ферменттердің белсенділігін төмендетуі, липидтердің пероксидациясын бастауы, темір-күкірт кластерлеріне зақым келтіруі және тотығу-тотықсыздануға қабілетті темірді босатуы мүмкін, бұл гидроксил радикал сияқты таңдаусыз тотықтырғыштардың пайда болуына жағдай жасайды. Жәндіктерде NOX-тың кейбір функциялары анықталған. Артроподтарда үш NOX түрі бар (NOX4 арт, артроподтарға тән p22 фокс тәуелсіз NOX4 және екі кальцийге тәуелді фермент, DUOX). Ішекте Drosophila melanogaster-дің шырышты қабығынан бактериялардың ынталандыруымен DUOX-қа тәуелді ROS өндірісі патогендерді өлтірудің маңызды механизмі болып табылады және қорғаныс реакциясы ретінде дефекацияны күшейте алады. Aedes aegypti-де DUOX ішек микробиотасын реттеуге қатысады. Rhodnius prolixus-та жұмыртқа қабығының қатаюына қатысатын кальцийге белсендірілген DUOX және ішек қозғалысын және қанды қорытуды реттеуге қатысатын NOX5 бар.
NADPH oxidases (NOXes) are one of the major sources of cellular reactive oxygen species (ROS), and they still are the focus of extensive research interest due to their exclusive function in producing ROS under normal physiological conditions. The NADPH oxidase complex is dormant under normal circumstances but is activated to assemble in the membranes during respiratory burst. The activated NADPH oxidase generates superoxide which has roles in animal immune response and plant signalling. Superoxide can be produced in phagosomes which have ingested bacteria and fungi, or it can be produced outside of the cell. In macrophages, superoxide kills bacteria and fungi by mechanisms that are not yet fully understood. Superoxide spontaneously dismutates to form peroxide which is then protonated to produce hydrogen peroxide. Opinions are polarised as to how the oxidase kills microbes in neutrophils. On the one hand it is thought that hydrogen peroxide acts as substrate for myeloperoxidase to produce hypochlorous acid. It may also inactivate critical metabolic enzymes, initiate lipid peroxidation, damage iron sulphur clusters, and liberate redox active iron, which allows the generation of indiscriminate oxidants such as the hydroxyl radical. In insects, NOXes had some functions clarified. Arthropods have three NOX types (NOX4 art, an arthropod specific p22 phox independent NOX4, and two calcium dependent enzymes, DUOX). In the gut, DUOX dependent ROS production from bacteria stimulated Drosophila melanogaster mucosa is an important pathogen killing mechanism and can increase defecation as a defense response. In Aedes aegypti, DUOX is involved in the control of the gut indigenous microbiota. Rhodnius prolixus has calcium activated DUOX, which is involved in eggshell hardening, and NOX5, which is involved in the control of gut motility and blood digestion.
Реттеу
Организмдегі реактивті оттегі түзілімдерінің (ROS) қалыпты деңгейін сақтау үшін NADPH оксидазасының белсенділігін мұқият реттеу өте маңызды. Фермент тыныш жасушаларда инертті күйде болады, бірақ бактериялық өнімдер және цитокиндер сияқты бірнеше стимулдардың әсерінен тез белсендіріледі. Қан тамырларындағы NADPH оксидазалары, қан тамырларының қайта құрылуы мен ауруларында маңызды роль атқаратын гормондар мен факторлардың әртүрлілігімен реттеледі. Оларға тромбин, тромбоциттен туындаған өсу факторы (PDGF), ісік некрозы факторы (TNFa), лактозилцерамид, интерлейкин 1 және тотыққан ТЖЛП (LDL) жатады. Сондай-ақ, оны агонисттер мен арахидон қышқылы да стимулдайды. Ang 1, NOX2, NOX4 және митохондрияларды ROS бөлуге итермелейді, ал осы көздерден алынған ROS, Ang 1/Tie 2 сигналдық жолы мен проангиогендік жауаптарды реттеуде ерекше рөл атқарады.
Careful regulation of NADPH oxidase activity is crucial to maintain a healthy level of ROS in the body. The enzyme is dormant in resting cells but becomes rapidly activated by several stimuli, including bacterial products and cytokines. Vascular NADPH oxidases are regulated by a variety of hormones and factors known to be important players in vascular remodeling and disease. These include thrombin, platelet derived growth factor (PDGF), tumor necrosis factor (TNFa), lactosylceramide, interleukin 1, and oxidized LDL. It is also stimulated by agonists and arachidonic acid. Ang 1 triggers NOX2, NOX4, and the mitochondria to release ROS and that ROS derived from these sources play distinct roles in the regulation of the Ang 1/Tie 2 signaling pathway and pro angiogenic responses.
Патология
Супероксидтер адам ағзасындағы шетел бактерияларын өлтіруде маңызды рөл атқарады. Осының салдарынан, олардың жеткіліксіз активтігі каталаза-оң микроорганизмдерге сезімталдықты арттыруы мүмкін, ал артық активтігі тотығу стресіне және жасушалардың зақымдануына әкелуі мүмкін. Қан тамырлары жасушаларындағы РОС-тың (еркін радикалдардың) шамадан тыс өндірілуі гипертония, атеросклероз, миокард инфарктісі және ишемиялық инсульт сияқты жүрек-қан тамырлары ауруларының көптеген түрлеріне себеп болады. Атеросклероз артерия қабырғаларында (интимада) холестеринмен қабаттасқан макрофагтардың (көпіршік жасушалардың) жиналуынан туындайды. NADPH оксидазамен өндірілген РОС макрофагтарды артерия қабырғасына жабысуға мәжбүрлейтін ферментті белсендіреді (актин талшықтарын полимерлеу арқылы). Бұл процеске NADPH оксидаза ингибиторлары және антиоксиданттар қарсы әрекет етеді. РОС-тың тепе-теңдігі бұзылғанда атеросклероз дамиды. In vitro зерттеулер көрсеткендей, NADPH оксидаза ингибиторлары – апоцинин және дифенилеиодоний, сондай-ақ антиоксиданттар – N-ацетилцистеин және ресвератрол актинді деполимерлендіріп, жабысуларды бұзып, көпіршік жасушаларының интимадан шығуына көмектеседі. Бір зерттеу кетаминмен шақырылған мидағы парвальбуминнің жоғалуы мен GAD67 экспрессиясында NADPH оксидазаның қатысу мүмкіндігін көрсетеді. Ұқсас жоғалу скхизофренияда да байқалады, нәтижелер NADPH оксидазаның аурудың патофизиологиясындағы рөлін көрсетеді. Нитрокөк тетразолий диагностикалық тесттерде, әсіресе созылмалы грануломатоз ауруында қолданылады, бұл ауру NADPH оксидазаның кемістігімен сипатталады; сондықтан фагоцит бактерияларды өлтіру үшін қажетті реактивті оттегі түрлерін немесе радикалдарды өндіре алмайды, нәтижесінде бактериялар фагоцитте көбейеді. Көк түстің көрсеткіші жоғары болған сайын, жасуша реактивті оттегі түрлерін өндіруге дағдылы. Сондай-ақ, NADPH оксидазасы sFlt1 ақуызының түзілуін ынталандыратын механизмде қатысады, бұл ақуыз плацентаның дамуына қатысатын белгілі бір проангиогендік факторларды деактивациялайды, ал sFlt1 түзілуіне реактивті оттегі түрлерінің аралық ролі күдік тудырады. Бұл әсерлер жүкті әйелдерде преэклампсияның дамуына жауапты.
Superoxides are crucial in killing foreign bacteria in the human body. Consequently, under activity can lead to an increased susceptibility to organisms such as catalase positive microbes, and over activity can lead to oxidative stress and cell damage. Excessive production of ROS in vascular cells causes many forms of cardiovascular disease including hypertension, atherosclerosis, myocardial infarction, and ischemic stroke. Atherosclerosis is caused by the accumulation of macrophages containing cholesterol (foam cells) in artery walls (in the intima). ROS produced by NADPH oxidase activate an enzyme that makes the macrophages adhere to the artery wall (by polymerizing actin fibers). This process is counterbalanced by NADPH oxidase inhibitors, and by antioxidants. An imbalance in favor of ROS produces atherosclerosis. In vitro studies have found that the NADPH oxidase inhibitors apocynin and diphenyleneiodonium, along with the antioxidants N acetyl cysteine and resveratrol, depolymerized the actin, broke the adhesions, and allowed foam cells to migrate out of the intima. One study suggests a role for NADPH oxidase in ketamine induced loss of neuronal parvalbumin and GAD67 expression. Similar loss is observed in schizophrenia, and the results may point at the NADPH oxidase as a possible player in the pathophysiology of the disease. Nitro blue tetrazolium is used in a diagnostic test, in particular, for chronic granulomatous disease, a disease in which there is a defect in NADPH oxidase; therefore, the phagocyte is unable to make the reactive oxygen species or radicals required for bacterial killing, resulting in bacteria thriving within the phagocyte. The higher the blue score the better the cell is at producing reactive oxygen species. It has also been shown that NADPH oxidase plays a role in the mechanism that induces the formation of sFlt 1, a protein that deactivates certain proangiogenic factors that play a role in the development of the placenta, by facilitating the formation of reactive oxygen species, which are suspected intermediaries in sFlt 1 formation. These effects are in part responsible for inducing pre eclampsia in pregnant women
Мутация
NADPH оксидазаның кіші бірлігі гендеріндегі мутациялар бірнеше созылмалы грануломатоздық ауруларды (CGD) тудырады, олар инфекцияға ерекше осалдықпен сипатталады. Бұл 2007 жылы патенттелген. Алғашқыда препарат идиопатиялық өкпе фиброзы үшін әзірленген және 2010 жылдың соңында FDA және EMA тарапынан сирек кездесетін ауруға арналған препарат ретінде тағайындалған.
Mutations in the NADPH oxidase subunit genes cause several Chronic Granulomatous Diseases (CGD), characterized by extreme susceptibility to infection. which was patented in 2007. The compound was initially developed for Idiopathic pulmonary fibrosis and obtained orphan drug designation by the FDA and EMA at end of 2010.