Oxidationsrespons
Oxidationssvaret stimuleras av en störning i balansen mellan produktionen av reaktiva syrearter och antioxidantsvar, känd som oxidativ stress . Aktiva syrearter förekommer naturligt i aeroba celler och har både intracellulära och extracellulära källor. Dessa arter, om de inte kontrolleras, skadar alla komponenter i cellen, inklusive proteiner, lipider och DNA. Därför måste celler upprätthålla ett starkt försvar mot skadan. Följande tabell ger en uppfattning om antioxidantförsvarssystemet i bakteriesystemet.
| Försvarslinje | Komponenter | Fungera | Exempel |
|---|---|---|---|
Först |
Metallkelatorer |
förhindra bildning av fria radikaler genom att hämma metallkatalyserade reaktioner |
|
Andra |
Lågmolekylära föreningar och antioxidantenzymer |
avaktivera fria radikaler (ROS) innan någon biologisk molekyl skadas
|
superoxiddismutas (SOD) och katalas
|
|
Tredje
|
DNA-reparationssystem
proteinreparationssystem lipidreparationssystem |
reparera biomolekyler efter att de skadats av ROS
|
Stressrespons
Små förändringar i cellulär oxidantstatus kan kännas av specifika proteiner som reglerar en uppsättning gener som kodar för antioxidantenzymer. En sådan global respons inducerar en adaptiv metabolism inklusive av ROS , bypass av skadade vägar, reparation av oxidativa skador och upprätthållande av reducerande kraft.
Peroxid och superoxid är de två huvudsakliga aktiva syrearterna. Det har visat sig att peroxid- och superoxidstressreaktionerna är olika hos bakterier. Exponeringen av mikroorganismer för låga subletala koncentrationer av oxidanter leder till förvärv av cellulärt motstånd mot en efterföljande dödlig oxidativ stress.
Peroxidstressrespons
Som svar på ett ökat flöde av väteperoxid och andra organiska peroxider såsom tert-butylhydroperoxid och kumenhydroperoxid , aktiveras peroxidstimulering . Studier av E. coli-svar på H 2 O 2 har visat att exponering för H 2 O 2 förhöjda mRNA- nivåer av 140 gener, varav 30 gener är medlemmar av OxyR- regulonet . Generna inkluderar många gener som kodar för metaboliska enzymer och antioxidantenzymer som visar rollen av dessa enzymer i omorganisering av ämnesomsättningen under stressförhållanden.
Superoxidstressrespons
När de är stressade under förhöjda nivåer av superoxidradikalanjonen O 2 − svarar bakterier genom att anropa superoxidstimuleringen. Superoxidalstrande föreningar aktiverar SoxR- regulatorn genom en-elektronoxidation av 2Fe-2S-klustren. Oxiderad SoxR inducerar sedan uttrycket av SoxS-protein, vilket i sin tur aktiverar transkriptionen av strukturella gener i SoxRS-regulonet.
förordning
Transkriptionsfaktorn OxyR reglerar uttrycket av OxyR-regulon. H 2 O 2 oxiderar transkriptionsfaktorn genom att bilda en intramolekylär disulfidbindning. Den oxiderade formen av denna faktor binder specifikt till promotorerna för ingående gener i OxyR regulon, inklusive katG (hydroperoxidas -katalas HPІ), gorA ( glutationreduktas ), grxA ( glutaredoxin 1), trxC ( tioredoxin 2), ahpCF ( alkylhydroperoxidreduktas) . ), dps (icke-specifikt DNA-bindande protein) och oxyS (ett litet regulatoriskt RNA). Reducerad OxyR ger autorepression genom att endast binda till oxyR -promotorn.
Reglering av soxRS- regulonet sker genom en tvåstegsprocess: SoxR-proteinet omvandlas först till en oxiderad form som förbättrar soxS- transkriptionen, och den ökade nivån av SoxS-protein aktiverar i sin tur uttrycket av regulonet. De strukturella generna under detta regulon inkluderar sodA (Mn- superoxiddismutas (SOD)), zwf ( glukos-6-fosfatdehydrogenas ( G6PDH )), acnA ( akonitas A), nfsA ( nitratreduktas A), fumC ( fumaras C) och nfo ( endonukleas IV) bland annat. I E.coli fungerar negativ autoreglering av SoxS-protein som en dämpande mekanism för soxRS redoxstressrespons.
SoxRS regulon-gener kan regleras av ytterligare faktorer.
Minst tre kända gener inklusive xthA och katE regleras av en sigmafaktor, KatF( RpoS ), vars syntes aktiveras under den stationära fasen . XthA (exonukleas III, ett DNA-reparationsenzym) och KatE (katalas) är kända för att spela viktiga roller i försvaret mot oxidativ stress men KatF-regulongener induceras inte av oxidativ stress.
Det finns en överlappning mellan oxidativ stressrespons och andra regulatoriska nätverk som värmechockrespons , SOS-respons .
Svarets fysiologiska roll
Försvaret mot skadliga effekter av aktivt syre kan logiskt delas in i två breda klasser, preventivt och reparativt.
Förebyggande av oxidativ skada
Cellulära försvar mot de skadliga effekterna av oxidativ stress involverar både enzymatiska och icke-enzymatiska komponenter.
De enzymatiska komponenterna kan direkt avlägsna aktiva syreämnen eller kan verka genom att producera de icke-enzymatiska antioxidanterna. Det finns fyra enzymer som ger huvuddelen av skyddet mot skadliga reaktioner som involverar aktivt syre i bakterier: SODs (superoxiddismutaser kodade av sodA och sodB ), katalaser ( katE och katG ), glutationsyntetas ( gshAB ) och glutationreduktas ( gor ). Vissa bakterier har NADH-beroende peroxidaser specifika för H 2 O 2 .
De huvudsakliga icke-enzymatiska antioxidanterna i E. coli är GSH och tioredoxin (kodas av trxA ). Ubiquinon och menaquinon kan också fungera som membranassocierade antioxidanter.
Reparation av oxidativ skada
Sekundära försvar inkluderar DNA-reparationssystem, proteolytiska och lipolytiska enzymer . DNA-reparationsenzymer inkluderar endonukleas IV, inducerat av oxidativ stress, och exonukleas III, inducerat i den stationära fasen och i svältande celler. Dessa enzymer verkar på duplex-DNA och renar upp DNA 3'-terminala ändar.
Prokaryota celler innehåller katalysatorer som modifierar den primära strukturen hos proteiner ofta genom att reducera disulfidbindningar. Detta sker i följande steg:
(i) tioredoxinreduktas överför elektroner från NADPH till tioredoxin via en flavinbärare
(ii) glutaredoxin kan också minska disulfidbindningar, men använder GSH som en elektrondonator
) proteindisulfid -isomeras underlättar disulfidutbytesreaktioner med stora inaktiva proteinsubstrat, förutom att ha chaperonaktivitet
Oxidation av ytexponerade metioninrester som omger ingången till den aktiva platsen kan fungera som ett "sista chans" antioxidantförsvarssystem för proteiner.
Eukaryot analog
Komplexiteten i bakteriesvar verkar ligga i antalet proteiner som induceras av oxidativ stress. I däggdjursceller är antalet inducerade proteiner litet men de regulatoriska vägarna är mycket komplexa.
Inducerarna av oxidativ stressrespons hos bakterier verkar vara antingen själva oxidanten eller interaktionen mellan oxidanten och en cellkomponent. De flesta däggdjursceller existerar i en miljö där syrekoncentrationen är konstant, varför reaktioner inte direkt stimuleras av oxidanter. Snarare cytokiner såsom tumörnekrosfaktor , interleukin-1 eller bakteriella polysackarider SOD-syntes och multigensvar. Nyligen arbete visar att superoxid är en stark tumörpromotor som verkar genom aktivering och induktion av tillväxtkompetensrelaterade genprodukter. Andra faktorer involverade i antioxidantgenuttrycket inkluderar en induktion av kalmodulinkinas genom ökning av Ca2 + -koncentrationer.
E. coli-celler har avslöjat likheter med åldrandeprocessen hos högre organismer. Likheterna inkluderar ökad oxidation av cellulära beståndsdelar och dess målspecificitet, antioxidanternas och syrespänningens roll för att bestämma livslängden och en uppenbar avvägning mellan aktiviteter relaterade till reproduktion och överlevnad.