Введение

Иммунная система – химическое оружие. Респираторный взрыв (или окислительный всплеск) – это быстрое высвобождение реактивных форм кислорода (ROS), супероксид-аниона (O2⁻) и перекиси водорода из различных типов клеток. Обычно это используется для иммунологической защиты млекопитающих, но также играет роль в клеточной сигнализации. Респираторный взрыв также вовлечен в процесс, происходящий в яйцеклетках животных после оплодотворения. Он также может происходить в растительных клетках.

Защита от патогенов

Воздействие этих реактивных частиц в процессе дыхательной вспышки приводит к патологии. Это обусловлено окислительным повреждением поглощенных бактерий. В частности, пероксинитрит является очень сильным окислителем, который может вызывать пероксидацию липидов, окисление белков и нитрацию белков, что определяет его бактерицидное действие. Он может непосредственно взаимодействовать с белками, содержащими центры переходных металлов, такими как FeS, высвобождая Fe2+ для реакции Фентона. Пероксинитрит также может реагировать с различными аминокислотами в пептидной цепи, изменяя тем самым структуру белка и, как следствие, его функцию. Чаще всего он окисляет цистеин и может косвенно индуцировать нитрацию тирозина посредством других образующихся РНКС. Изменение функции белка включает в себя изменения каталитической активности ферментов, организации цитоскелета и трансдукции клеточного сигнала. Гипохлористая кислота реагирует с широким спектром биомолекул, включая ДНК, липиды и белки. HClO может окислять цистеины и метионины через их сульфгидрильные и серные группы соответственно. Первое приводит к образованию дисульфидных связей, вызывая сшивание белков. Оба окисления приводят к агрегации белков и, в конечном итоге, к гибели клеток. Сульфгидрильные группы могут окисляться до трех раз тремя молекулами HClO, образуя сульфеновую кислоту, сульфиновую кислоту и R–SO3H, которые становятся все более необратимыми и бактерицидными. В то же время окисление метионина обратимо. HOCl также может реагировать с первичными или вторичными аминами, образуя хлорамины, токсичные для бактерий. Также могут происходить сшивание и агрегация белков, а также нарушение FeS-групп. Миелопероксидаза играет ключевую роль в образовании гипохлористой кислоты. Миелопероксидаза наиболее обильна в нейтрофилах, где фагоцитоз сопровождается дегрануляцией – слиянием гранул с фаголизосомой, высвобождающим их содержимое, включая миелопероксидазу. Поскольку в ходе дыхательной вспышки образуется множество микробицидных продуктов, важность отдельных молекул в уничтожении вторгшихся патогенов изучена не полностью. Ввиду высокой токсичности образующихся антимикробных продуктов, включая АФК, нейтрофилы имеют короткий срок жизни, чтобы ограничить повреждение тканей хозяина во время воспаления.

Болезнь

Хроническая гранулематозная болезнь – это наследственное заболевание нейтрофилов человека, при котором NOX2 является дефектным. Фагоцитоз может происходить, но без надлежащего функционирования NOX2 не происходит продукции супероксида, а, следовательно, и респираторного взрыва. Бактериальная инфекция не устраняется.

Нефагоцитарные клетки

В нефагоцитарных клетках продукты окислительного всплеска используются во внутриклеточных сигнальных путях. Образующиеся ROS достигают этого, изменяя клеточное окислительно-восстановительное состояние. Это можно отслеживать по соотношению антиоксидантного фермента глутатиона к его окисленной форме, глутатиондисульфиду (GSH:GSSG). Антиоксидантные ферменты противодействуют редокс-сигнализации, устраняя участвующие в ней молекулы, в частности, супероксидный анион и оксид азота. Редокс-сигнализация критически важна для нормальных процессов, таких как пролиферация, дифференцировка, а также для функции сосудов и нейротрансмиссии. Она также вовлечена в патологические состояния, такие как рак. Изоформа NOX1 NADPH-оксидазы кратковременно производит всплеск супероксида в ответ на стимуляцию соответствующих рецепторов факторами роста (например, EGF). Супероксид дисмутируется в перекись водорода со скоростью, близкой к предельной скорости диффузии. Это пространственное ограничение дисмутации супероксида обеспечивает специфичность редокс-сигнализации. Специфичность также обеспечивается локализацией NOX1 в специфических микродоменах плазматической мембраны клетки. Перекись водорода проникает в цитозоль через каналы, такие как аквапорины, или посредством диффузии. Там она окисляет цистеиновые группы редокс-чувствительных белков, которые затем могут передавать сигналы.

Макрофаги

Окислительный всплеск в фагоцитах чаще всего ассоциируется с уничтожением бактерий. Однако макрофаги, особенно альвеолярные, обычно производят значительно более низкие уровни ROS, чем нейтрофилы, и могут нуждаться в активации для проявления бактерицидной активности. Вместо этого, их кратковременный окислительный всплеск регулирует воспалительный ответ, индуцируя синтез цитокинов для редокс-сигналинга, что приводит к притоку нейтрофилов и активированных макрофагов.

Раковые клетки

Раковые клетки могут манипулировать клеточной сигнализацией, производя избыточные уровни ROS, тем самым конститутивно активируя пути, способствующие их клеточному росту и пролиферации. К вовлеченным путям относятся NF κB, PI3K, HIFs и MAPKs. У человека митохондриальные ROS необходимы наряду с теми, которые высвобождаются при окислительном взрыве, для стимуляции митогенных путей в онкогенных клеттах KRAS. Однако в онкогенных фибробластах мышей Kras ингибиторы NADPH оксидазы оказались достаточными для блокирования этих путей факторов роста. Опухолевые клетки также одновременно поддерживают высокий уровень антиоксидантов для защиты от гибели раковых клеток.

Оплодотворение

Наиболее ярко окислительный всплеск после оплодотворения проявляется в яйце морского ежа. Считается, что он эволюционно отличается от всплеска в нейтрофилах. Перекись водорода образуется в результате активности яичного оксидазы после увеличения потребления кислорода. Это необходимо для сшивания белков яйцеклетки, предотвращающего летальную полиспермию. Сама перекись водорода также обладает спермицидным действием. Однако, концентрация образующихся реактивных видов поддерживается на более низком уровне, чем в иммунной системе, для защиты оплодотворенной яйцеклетки от окислительного повреждения. Это достигается путем элиминации перекиси водорода, прежде всего, за счет двойной функции той же яичной оксидазы, и вторично – за счет цитоплазматических поглотителей свободных радикалов, таких как каталаза и глутатион.

В растениях

Окислительный всплеск выступает в качестве защитного механизма при инфекции растений патогенами. Это наблюдается после обнаружения ПАМП рецепторами, расположенными на поверхности клеток (например, FLS2 или EFR). Как и у животных, образование реактивных видов кислорода у растений опосредовано NADPH-оксидазой. В растительном иммунитете субъединицы NADPH-оксидазы RbohD и RbohF имеют частично совпадающие функции и экспрессируются в различных тканях и на разных уровнях. Однако, в отличие от фагоцитов животных, где образующиеся ROS содержатся в герметичной фаголизосоме, окислительный всплеск у растений не локализован. Следовательно, образующиеся ROS оказывают дополнительные эффекты наряду с токсичностью для патогенов. Перекись водорода индуцирует окислительное сшивание гликопротеинов клеточной стенки растений, что снижает их восприимчивость к ферментативному разрушению патогенами. Системная приобретенная устойчивость, аналогичная врожденному иммунитету у животных, также индуцируется в инфицированных растительных клетках. Воздействие перекиси водорода может также вызывать гиперчувствительную реакцию – гибель небольшого числа клеток хозяина в месте инфекции с целью ограничения распространения патогена. Образование ROS в растениях может использоваться для оценки успешного распознавания патогена с помощью анализа на основе люминол-пероксидазы.