Biochemia stresu oksydacyjnego - biotka.mol.uj.edu.plbiotka.mol.uj.edu.pl/zbm/handouts/2013/AJ/wyklad_04.pdf · Biochemia stresu oksydacyjnego Patofizjologia NOSów. ... Argyropoulos
Post on 28-Feb-2019
228 Views
Preview:
Transcript
Biochemia stresu oksydacyjnego
Patofizjologia NOSów
Porównanie NOSów
Alderton et al. Biochem J. 2001
oxygenase domain reductase domain
Aktywność eNOS
Forstermann U. Eur J Physiol 2010
Wpływ NO na transdukcję sygnału
Otani H. Antioxid Redox Signal 2009
tissue injury
tissue protection
(Cys)
Huang PL. Trends Endocrin Metabol 2009
Regulacja aktywności eNOS
poziom ekspresji mRNA i białka
dostępność substratu
dostępnośćkofaktorów
lokalizacja komórkowa
fosforylacja
reakcja NO z O2'-
Huang PL. Trands Endorcrin Matabol 2009.
Regulacja aktywności eNOS przez kinazy
Regulacja aktywności eNOS przez Ca2+ i fosforylację
Forstermann U. Eur J Physiol 2010
PKG
AMPK
Czynniki ryzyka wywołujące dysfunkcję eNOS
Forstermann U. Eur J Physiol 2010
Stres oksydacyjny wywołuje dysfunkcję śródbłonka
Ding and Triggle. Uer J Physiol 2010.
- Wszystkie formy NOS wpływają na regulację ciśnienia krwi:* eNOS - bezpośrednia regulacja wazorelaksacji i funkcji mięśni gładkich (obniżanie
ciśnienia krwi)* nNOS - brak wpływu na ciśnienie krwi w warunkach kontrolnych, ale być może
kontrola baroreceptorów (nNOS jest produkowana w centrach wazomotorycznych i nerwach periwaskularnych). Być może nNOS może podnosić ciśnienie krwi, chroniąc zmniejszając eyzyko hipotencji np. podczas anestezji)
* iNOS - wywołuje hipotensję podczas szoku septycznego
- Jedną z głównych przyczyn dysfunkcji śródbłonka (niewłaściwa regulacja wazorelaksacji) jest niedobór NO produkowanego przez eNOS. Jest to element patogenezy:
* miażdżycy* nadciśnienia* cukrzycy* hipercholesterolemii* przedwczesnego starzenia
- Dysfunkcja pojawia się przed zmianami anatomicznymi (przed hiperplazjąmięśniówki lub tworzeniem złogów lipidowych w naczyniach).
NOS - regulacja ciśnienia krwi
Liu et al. Cardiovasc Res 2007
blaszka miażdżycowa
Tang and Vanhoutte. Eur J Physiol 2010.
Regulacja skurczu mięśni gładkich naczyń
Skurcz mięśni gładkich ściany naczynia regulowany jest przez śródbłonek
Tang and Vanhoutte. Eur J Physiol 2010.
Regulacja skurczu mięśni gładkich naczyń
Tang and Vanhoutte. Eur J Physiol 2010.
Regulacja skurczu mięśni gładkich naczyń
Ding and Triggle. Uer J Physiol 2010.
Regulacja skurczu mięśni gładkich naczyń
WT
db/db
Wpływ starzenia się na dysfunkcję naczyń
Wpływ starzenia na dysfunkcję naczyń
Herrera et al. Aging Res Rev 2010
- Starzenie się wpływa zarówno na komórki śródbłonka jak i mięśni gładkich (VSMC) oraz komunikację między tymi typami komórek.
- Najważniejsze zmiany w VSMC to:* nasilona migracja* nasilona proliferacja* deregulacja odpowiedzi na na czynnikiwzrostowe bodźce proapoptotyczne(rozrost mięśniówki)
* deregulacja ekspresji kanałów wapniowych i potasowych (nasilona kurczliwość, reakcja zapalna i prozakrzepowa)
- Najważniejsze zmiany w śródbłonku to:* zmniejszona aktywność (ale nie ekspresja) eNOS, zwiększona aktywność arginazy
(zmniejszona produkcja i/lub dostępność NO)* zwiększona ekspresja i aktywność cyklooksygenaz (COX) i produkowanych przez
nie wazokonstryktorów* nasilona produkcja ROS
ECVSMC
Herrera et al. Aging Res Rev 2010
Wpływ starzenia na dysfunkcję naczyń
Herrera et al. Aging Res Rev 2010
Wpływ starzenia na dysfunkcję naczyń
Herrera et al. Aging Res Rev 2010
Wpływ starzenia na dysfunkcję naczyń
TERT: telomerase reverse transcriptase.
Forstermann U. Eur J Physiol 2010
Czynniki ryzyka wywołujące dysfunkcję eNOS
śródbłonek
metylotrasferaza
dimetyloarginaza
Forstermann U. Eur J Physiol 2010
Stres oksydacyjny wywołuje miażdżycę
Powstawianie i inaktywacja ROS w śródbłonku
Forstermann U. Eur J Physiol 2010
Zawał- ischemia - ischemia-reperfuzja
http://www.pathology.washington.edu/research/labs/murry/images/lvr_00.jpg
Tlenek azotu a zapalenie
Otani H. Antioxid Redox Signal 2009
- Zawał powoduje naciek komórek zapalnych, które produkują ROS, proteazy i cytokiny prozapalne. Prowadzi to do uszkodenia śródbłonka.
- W wyniku uszkodzenia śródbłonka dochodzi do wazokonstrykcji i ischemii w odległych od zawału miejscach mięśnia sercowego. Strefa uszkodzenia rozszerza się.
- Aktywacja eNOS (np. przez VEGF uwalniany przez niedotlenione tkanki, czy statyny podawane przez lekarza) łagodzi te objawy (pod warunkiem, że eNOS produkuje NO a nie anionorodnik ponadtlenkowy).
eNOS i iNOS a uszkodzenie po ischemii i reperfuzji
Otani H. Antioxid Redox Signal 2009
- Angiotensyna i cytokiny prozapalne indukują stres oksydacyjny. To prowadzi do indukcji NFB i ekspresji iNOS.
- iNOS może stanowić drugą linię obrony. Jeśli eNOS jest zablokowana, iNOS staje sięgłównym źródłem NO i może dzięki temu pełnić funkcje cytoprotekcyjne (pod warunkiem, że ekspresja nie jest zbyt silna, stężenia NO byt wysokie, gdyż wtedy mogądziałać toksycznie i prooksydacyjnie, np. poprzez wpływ na łańcuch oddechowy).
- Istotną rolę odgrywa również indukcja COX-2 i produkcja prze nią PGE2 i PGI2.
COX-2
PGE2, PGI2
Syntazy tlenku azotu, a przebudowa LV
Serce po zawale
Otani H. Antioxid Redox Signal 2009
- W wyniku zawału zwiększa się obciążenie pozostałej części serca. Prowadzi to do aktywacji receptorów angiotensyny i zwiększenia produkcji ROS.
- Indukcja iNOS przez pewien czas działa ochronnie.
- Szczególnie istotne w zapobieganiu przebudowie jest zwiększenie dostępności BH4 (np. kwas foliowy nasila produkcję BH4).
Otani H. Antioxid Redox Signal 2009
Tlenek azotu a neowaskularyzacja
- NO zwiększa produkcję VEGF oraz nasila jego aktywność w komórkach śródbłonka (zwłaszcza migrację i morfogenezę).
- VEGF chroni śródbłonek przed apoptozą, nasila angiogenezę i waskulogenezę, prowadząc do utworzenia nowych naczyńkrwionośnych.
- Niewystarczająca angiogenezaprowadzi do powstawania większej blizny pozawałowej i zwłóknienia.
Insulino-oporność i cukrzyca typu 2
http://www.pathology.washington.edu/research/labs/murry/images/lvr_00.jpg
Gao & Mann. Cardiovasc Res 2009.
Rola oksydazy NAD(P)H w indukcji stresu oksydacyjnego w cukrzycy
Tseng et al. Nat Rev Drug Discov 2010.
BAT i UCP-1
- BAT u gryzoni:* odpowiada za termogenezę
bezdrżeniową* zwiększa wydatki energe-
tyczne* zmniejsza otyłość* zmniejsza tworzenie białych
adipocytów
- Kluczowym białkiem w termogenezie bezdrżeniowej jest UCP-1, eksprymowane w BAT
- Ekspresja UCP-1 jest indukowana przez kwasy tłuszczowej
UCP3
Argyropoulos & Harper. J Appl Physiol 2002.
- Ulega ekspresji głównie w mięśniach szkieletowych
UCP-2 w łańcuchu oddechowym
- W komórkach 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.
- UCP-2 jest eksprymowane w różnych tkankach, w tym w komórkach b-trzustki
Bugger & Abel. Cardiovasc Res 2010; Tabit et al. Rev Endocr Metab Disord 2010
Synteza insuliny
Freeman & COX: Hum Mol Genet 2006.
- Zmiany w metaboliźmiekomórek prowadzą do zmian w wydzielaniu insuliny:
* Wzrost poziomu glukozy zwiększa poziom metabolizmu komórek i podnosi poziom komórkowego ATP.
* To prowadzi do zamknięcia kanałów KATP, depolaryzacji błony, aktywacji zależnych od potencjału kanałów Ca2+, napływu Ca2+ do cytoplazmy.
* Wzrost poziomu Ca2+ jest bezpośrednim sygnałem uwalnia-nia insuliny.
Stres oksydacyjny w cukrzycy
Transdukcja sygnału od insuliny
Huang PL. Trands Endorcrin Matabol 2009.
Stres oksydacyjny indukuje insulinooporność
Newsholme et al. J Physiol 2007.
Długotrwała hiperglikemia i hiperlipidemiaprowadzi do:- wzrostu produkcji ROS i RNS- aktywacji kinaz (np. JNK, p38, IKK)
* kinazy te fosforylują IRS-1* IKK aktywuje NFB
NFB indukuje ekspresję iNOS co prowadzi do:- wzrostu NO- nitrozylacji IRS-1
Fosforylacja seryny i S-nitrozylacja IRS-1 prowadzi do:- degradacji proteosomalnej IRS-1- zmniejszenia transdukcji sygnału- braku właściwej odpowiedzi na insulinę
IRS-1: insulin receptor substrate-1
Dysfunkcja śródbłonka w cukrzycy
http://www.pathology.washington.edu/research/labs/murry/images/lvr_00.jpg
Gojenie ran u myszy z cukrzycą
Days after wounding
0
20
40
60
80
100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 13 15
Surf
ace
of t
hew
ound
[%]
WT
db/db**
*****
***
*** *** *** ****** ***
***
Grochot-Przeczek et al. PLoS ONE, 2009
db/db WT
Day 1
Day 3
Day 8
Day 17
Day 0
Liu & Velazquez. Antioxid Redox Signal 2008
Fazy gojenia ranFaza zapalenia (kilka dni)
- Natychmiast po utworzeniu skrzepu w ranie dochodzi do wazodylatacji i nacieku leukocytarnego. Bardzo nasila sięaktywność fagocytarna neutrofili.
Faza proliferacji (2 dni - kilka tygodni)
- Fibroblasty proliferują wypełniając ubytki i tworząc tkankę ziarninową. Nasila się angiogeneza. Keratynocyty migrują i proliferują zamykając ranę.
Faza przebudowy (miesiące)
- Dochodzi do wzmożonej syntezy kolage-nu wzmacniającego tkankę, oraz do przekształcenia tkanki ziarninowej w typowe tkanki (lub utworzenia blizny).
Mechanisms of blood vessels formation
Formation of bloodvessels de novo
Incorporation to pre-existingvessels
paracrine stimulationof endothelial cells(VEGF, bFGF, IL-8…)
Carmeliet P. Nat Med, 2000
Brem & Tomic-Canic. J Clin Invest 2007.
Upośledzenie gojenia ran w cukrzycy- EPC: komórki progenitorowe śródbłonka
- VEGF: vascular endothelial growth factor- SDF-1: stromal cell derived growth factor
- eNOS: endothelial nitric oxide synthase
Jarajapu & Grant. Circ Res 2010.
Upośledzenie funkcji EPC w cukrzycy
EPC: komórki progenitorowe śródbłonka
- U zdrowych osobników czynniki uwalniane przez ischemiczne lub zranione tkanki mobilizują komórki progenitorowe (w tym EPC) ze szpiku, a te po dotarciu do miejsc zranienia lub niedotlenienia uwalniajączynniki proangenne (w tym niewielkie ilości NO i ROS) oraz biorą udział w neowaskularyzacji i naprawie naczyń.
- W cukrzycy sygnały wysyłane przez niedotlenione lub zranione tkanki są słabsze, przez co mobilizacja komórek progenitoro-wych jest mniejsza. Komórki progenitorowektóre docierają do zranionych tkanek uwalniają niewiele czynników proangiogen-nych, natomiast dużo prozapalnych i antyangiogennych (w tym duże ilości NO i ROS).
Liu & Velazquez. Antioxid Redox Signal 2008
Mobilizacja EPC ze szpiku
- EPC: komórki progenitorowe śródbłonka- VEGF: vascular endothelial growth factor- MMP-9: matrix metalloproteinase-9- eNOS: endothelial nitric oxide synthase
Liu & Velazquez. Antioxid Redox Signal 2008
Regulacja mobilizacji EPC w hiperoksji i hipoksji
Liu & Velazquez. Antioxid Redox Signal 2008
Regulacja mobilizacji EPC w hipoksji
- W cukrzycy zmniejszony jest poziom fosforylacji eNOS przez kinazy PI3K/Akt, przez co zmniejsza się produkcja NO.
- Nasilony stres oksydacyjny i zwiększona produkcja anionorodnika ponadtlenkowego prowadzi do nasilonej syntezy nadtlenoazotynu (ONOO-) i zmniejszenia dostępności NO.
- W ranach cukrzycowych osłabiona jest synteza SDF-1, co zmniejsza napływ komórek progenitorowych do uszkodzonych tkanek. To przyczynia się do upośledzenia angiogenezy i opóźnia gojenie.
- Cukrzyca powoduje również zmniejszenie liczby EPC w szpiku.
WT db/db
Wpływ cukrzycy na EPC
Kotlinowski et al., in preparation
Percentage of EPC in bone marrow
0.0000
0.0002
0.0004
0.0006
0.0008
0.0010
0.0012
healthy diabetic
% C
D45
-/KD
R+/S
ca-1
+/le
ctin
+
*
0
200
400
600
800
0
10
20
30
40
50
0
2
4
6
8
10
num
ber
of c
ells
*
Migration to SDF-1
healthy diabetic
num
ber
of c
onne
ctio
ns
*
healthy diabetic
Morphogenesis
cum
ulat
ive
keng
thof
spr
outs
*
healthy diabetic
Capillary sprouting
Kotlinowski et al., in preparation
Wpływ cukrzycy na komórki śródbłonkaKrążki aorty zatopione w matriżelu - 5 dni inkubacji. Widoczne tworzące siękapilary.
Myszy WT
Myszy db/db
Odtwarzanie krążenia w mięśniu myszy z cukrzycą
Ebrahimian et al. Am J Pathol 2006
diabetes diabetes + NAC
diabetes + NACdiabetes
NAC - N-acetylocyteina
Dziękuję
Slajdy dostępne na stronie Zakładu Biotechnologii Medycznej
top related