Biochemia stresu oksydacyjnego -...

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


PKG

AMPK

Czynniki ryzyka wywołujące dysfunkcję eNOS


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.


Ding and Triggle. Uer J Physiol 2010.


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



TERT: telomerase reverse transcriptase.


Czynniki ryzyka wywołujące dysfunkcję eNOS

śródbłonek

metylotrasferaza

dimetyloarginaza


Stres oksydacyjny wywołuje miażdżycę

Powstawianie i inaktywacja ROS w śródbłonku


Zawał- ischemia - ischemia-reperfuzja

http://www.pathology.washington.edu/research/labs/murry/images/lvr_00.jpg

Tlenek azotu a zapalenie


- 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


- 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


- 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).


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


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


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).


Mobilizacja EPC ze szpiku

- EPC: komórki progenitorowe śródbłonka- VEGF: vascular endothelial growth factor- MMP-9: matrix metalloproteinase-9- eNOS: endothelial nitric oxide synthase


Regulacja mobilizacji EPC w hiperoksji i hipoksji


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

Biochemia stresu oksydacyjnego -...

Documents

Transcript of Biochemia stresu oksydacyjnego -...