Κυτταρική οξειδοαναγωγή – Ζώσα χημεία Understand article

Μετάφραση από: Αναστασία Χριστινάκη (Anastasia Christinaki) – Φοιτήτρια Βιολογίας, ΕΚΠΑ και Παναγιώτη Κ. Στασινάκη (Panagiotis K. Stasinakis) - Εκπαιδευτικός, Βιολόγος, MEd, PhD, Πανελλήνια…

Έχουμε μάθει να σκεφτόμαστε τις αναγωγικές και τις οξειδωτικές (οξειδοαναγωγικές) αντιδράσεις, ως καθαρή χημεία. Στα ζωντανά κύτταρα ωστόσο, η αναγωγή είναι απλά η πρόσληψη ηλεκτρονίων και η οξείδωση είναι η απώλεια ηλεκτρονίων. Οι οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις έχουν σημαντικούς ρόλους σε ευρύ φάσμα βιοχημικών διεργασιών. Η απώλεια της ισορροπίας των κυτταρικών οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων εμπλέκεται σε διάφορες ασθένειες, έτσι η διατήρηση της ισορροπίας αυτών των αντιδράσεων είναι ζωτικής σημασίας για την υγεία μας.

Θεωρείστε τις ακόλουθες δύο ημιαντιδράσεις:

C ⇌ C4+ +4e

O2+4e ⇌ 2O2-

Στην πρώτη ο άνθρακας οξειδώνεται, ενώ στην δεύτερη το οξυγόνο ανάγεται. Μαζί, οι δύο εξισώσεις περιγράφουν μία οξειδοαναγωγική αντίδραση η οποία φαίνεται ως απλή χημεία. Ωστόσο, αυτή η αντίδραση γίνεται συνέχεια στο σώμα μας.

Η κρυσταλλική δομή του
άγριου τύπου φθορίζουσας
πρωτεΐνης GFP (green
fluorescent protein),
τηςμέδουσας Aequorea
victoria
.

Ευγενική χορηγία εικόνας από
Protein Data Bank (PDB ID:
1GFL)

Μία τυπική οξειδοαναγωγική αντίδραση

Στις οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις, τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται μεταξύ των χημικών μορίων. Για παράδειγμα, στην εκρηκτική αντίδραση του θερμίτη, η οποία μερικές φορές χρησιμοποιείται για την σύνδεση σιδηροδρομικών γραμμών, τα ηλεκτρόνια διέρχονται από το μέταλλο του αργιλίου στο οξείδιο του τρισθενούς σιδήρου.

Fe2O3(s) + 2Al(s) → Al2O3(s) + 2Fe(l)                                                        

Αυτή η μεταφορά γίνεται πιο κατανοητή, αν αφαιρέσουμε τα άτομα οξυγόνου από την εξίσωση.

2Fe3+ + 2Al → 2Al3+ + 2Fe                                                  

Βλέπουμε ότι τα άτομα του αργιλίου χάνουν ηλεκτρόνια (οξειδώνονται) και ότι τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται προς τα ιόντα σιδήρου του οξείδιου του σιδήρου, ανάγωντάς τα. Κάθε οξειδοαναγωγική αντίδραση αποτελείται από δύο ημιαντιδράσεις: μία οξείδωση (σε αυτήν την περίπτωση το ζεύγος Al/Al3+) και μία αναγωγή (εδώ το ζεύγος Fe3+/Fe).

Βιολογική οξειδοαναγωγή

Μεταβολισμός

Η αντίδραση του θερμίτη αποδεικνύει ότι αυθόρμητες οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις απελευθερώνουν ενέργεια, η οποία μπορεί να φανεί χρήσιμη στο σώμα. Οι δύο ημιαντιδράσεις στην αρχή του άρθρου είναι στην πραγματικότητα απλώς ένας διαφορετικός τρόπος περιγραφής του κυτταρικού μεταβολισμού. Με την κατανάλωση της τροφής, τα τρόφιμα διασπούνται σε σάκχαρα, όπως η γλυκόζη. Στο εσωτερικό του κυττάρου, αυτά τα σάκχαρα οξειδώνονται, μεταφέροντας ηλεκτρόνια στο Ο2. Ένας εναλλακτικός τρόπος γραφής της εξίσωσης είναι:

C6H12O6(s) + 6O2(g) → 6CO2(g) + 6H2O(l) + energy

Σε αυτή την εξίσωση, 48 ηλεκτρόνια κινούνται από τα άτομα άνθρακα του σακχάρου στα άτομα οξυγόνου, απελευθερώνοντας ενέργεια που οδηγεί σε πραγματοποίηση ακόμα περισσότερων αντιδράσεων οξειδοαναγωγής κατά μήκος της μεταβολικής οδού. Η διατήρηση της ισορροπίας αυτών των αντιδράσεων είναι ζωτικής σημασίας για τη φυσιολογική κυτταρική λειτουργία: εάν η ισορροπία μετακινηθεί πολύ προς κάποια κατεύθυνση, μπορεί να υπάρχουν ανεπιθύμητες συνέπειες, όπως εμφάνιση νοσήματος.

Εικόνα 1. Άγριου τύπου (πάνω) και κύτταρα που περιέχουν ανιχνευτή (κάτω). Ο ανιχνευτής στοχεύει στο κυτοσόλιο των ζυμομυκήτων και φθορίζει με πράσινο χρώμα όταν διεγείρεται από φως στα 488 nm.
Χορηγία εικόνας: Prince S Amponsah (DKFZ Heidelberg)

Κυτταρική επικοινωνία

Για μεγάλο χρονικό διάστημα τα δραστικά μόρια που περιέχουν οξυγόνο, γνωστά ως ενεργές ρίζες οξυγόνου (ROS), που μπορούν να αλλάξουν την οξειδοαναγωγική κατάσταση του κυττάρου, είχαν θεωρηθεί ως ανεπιθύμητα και επιβλαβή υποπροϊόντα του κυτταρικού μεταβολισμού. Υπό κανονικές συνθήκες το κυτταρόπλασμα βρίσκεται σε αναγωγικές συνθήκες, ενώ η μεταβολή του σε πιο οξειδωτικές συνθήκες σχετίζεται με διάφορες ασθένειες, συμπεριλαμβανομένου του καρκίνουw1.

Ωστόσο, ορισμένες ROS έχουν επίσης σημαντικό και ωφέλιμο ρόλο ως μόρια σηματοδότησης και έτσι είναι θεμελιώδεις για την υγεία του οργανισμού. Χιλιάδες διαφορετικά μόρια των ROS χρησιμοποιούνται ως αγγελιοφόρα σήματα για να επιτρέψουν διακυτταρική επικοινωνία. Παραδείγματα περιλαμβάνουν το σουπεροξειδίο (Ο2-), το υπεροξείδιο του υδρογόνου (H2O2) και το μονοξειδίου του αζώτου (ΝΟ.), τα οποία κανονικά παράγονται με ελεγχόμενο τρόπο και παίζουν ρόλο σε διεργασίες όπως η επούλωση των πληγών, η γήρανση, η δημιουργία φλεγμονής και ο προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος (απόπτωση).

Οξειδοαναγωγή και καρκίνος

Στον καρκίνο, τα κύτταρα διαιρούνται ανεξέλεγκτα και οι πρωτεΐνες συμπεριφέρονται παράξενα, όπως το να εμφανίζονται ή να εξαφανίζονται απροσδόκητα. Οι οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις εμπλέκονται στον σχηματισμό του καρκίνου, παραδείγματος χάρην καταστρέφοντας το DNA μας. Οι ROS έχουν αναφερθεί ότι είτε ενεργοποιούν την έκφραση των γονιδίων των οποίων οι πρωτεΐνες επάγουν τον καρκίνο (ογκογονίδια) ή απενεργοποιούν τα ογκοκατασταλτικά γονίδια, των οποίων οι πρωτεΐνες κάνουν το αντίθετο. Επιπλέον οι ROS μπορούν να οξειδώσουν πρωτεΐνες, αλλάζοντας άμεσα τη δομή τους και ως εκ τούτου τη λειτουργία τους. Αν αυτές οι πρωτεΐνες είναι σημαντικές για τη διαίρεση ή την κίνηση των κυττάρων, τότε μπορεί να εμφανιστεί καρκίνος.

Όταν αναπτυχθεί ένας όγκος, οι οξειδοαναγωγικοί μηχανισμοί μπορούν επίσης να αξιοποιηθούν ως θεραπεία. Πολλά αντικαρκινικά φάρμακα επιτίθενται στους όγκους αυξάνοντας την παραγωγή των ROS εντός των κακοήθων κυττάρων, που εν τέλει τα σκοτώνει. Ωστόσο, τα καρκινικά κύτταρα συνήθως αυξάνουν την παραγωγή των αντι-οξειδωτικών αμυντικών συστημάτων τους, καταπολεμόντας ένα τέτοιο αποτέλεσμα.

Οι μηχανισμοί οξειδοαναγωγής μπορεί επίσης να είναι υπεύθυνοι για την αντίσταση στη θεραπεία, όταν η διαθέσιμη φαρμακευτική αγωγή δεν λειτουργεί. Για να επιτεθούν αποτελεσματικά στους όγκους, αυτά τα φάρμακα χρησιμοποιούν τις πρωτεΐνες μεταφοράς του σώματος, για να φθάσουν την θέση-στόχο τους (για παράδειγμα, τη θέση των κακοήθων κύτταρων). Ωστόσο, οι αντιδράσεις οξειδοαναγωγής θα μπορούσαν να τροποποιήσουν αυτές τις πρωτεΐνες, καθιστώντας τες μη-λειτουργικές και αλληλεπιδρώντας έτσι με τη θεραπεία.

Αυτοί είναι μόνο μερικοί από τους λόγους για τους οποίους η κατανόηση των βιολογικών αντιδράσεων οξειδοαναγωγής και το πώς τα κύτταρα επιτυγχάνουν την οξειδοαναγωγική ισορροπία, ίσως να βοηθήσει στην καταπολέμηση του καρκίνου.

Εικόνα 2. Μηχανισμός αντίδρασης του ανιχνευτή Orp1-roGFP2, καθώς οξειδώνεται.
Χορηγία εικόνας: Prince S. Amponsah (DKFZ Heidelberg)

Ένα φως λάμπει στις οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις

Για να καταλάβουμε πώς διάφοροι παράγοντες αλληλεπιδρούν σε υγιή και νοσούντα κύτταρα, οπτικοποιούμε τις οξειδοαναγωγικές διεργασίες σε κύτταρα χρησιμοποιώντας διάφορες εκδοχές μιας φθορίζουσας πρωτεΐνης που παράγεται από μέδουσες, γνωστή ως πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη (GFP). Στις δεκαετίες των 1960 και 1970, οι ερευνητές ανακάλυψαν την GFP στη μέδουσα Aequorea victoria και την τροποποίησαν ώστε να παράγει διαφορετικά χρώματα. Αυτή η δουλειά αργότερα τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ Χημείαςw2.

Χρησιμοποιώντας λίγη γενετική, μπορούμε πια να κάνουμε τα κύτταρα να παράγουν βιοαισθητήρες φθορισμού με βάση την GFP, χρησιμοποιώντας την για την παρακολούθηση της οξειδοαναγωγικής κατάστασης των κυττάρων. Ένας τέτοιος βιοαισθητήρας είναι μια παραλλαγή του GFP που ονομάζεται roGFP2, ο οποίος μπορεί να τροποποιηθεί με διαφορετικά πρωτεϊνικά τμήματα, για την επίτευξη συγκεκριμένων στόχων. Για παράδειγμα, μπορεί να στοχεύσει σε συγκεκριμένες θέσεις στο κύτταρο (π.χ. κυτοσόλιο ή μιτοχόνδρια) προσθέτοντας κατάλληλες ακολουθίες διακίνησης (εικόνα 1). Εναλλακτικά, ένας εξειδικευμένος βιοαισθητήρας για ένα συγκεκριμένο οξειδοαναγωγικό μόριο μπορεί να παραχθεί με την προσθήκη ενός συγκεκριμένου πρωτεϊνικού τμήματος που αντιδρά με αυτό το είδος οξειδοαναγωγής.

Εικόνα 3. Η απόκριση φθορισμού στην ανηγμένη (κίτρινο) και στην οξειδωμένη (μπλε) μορφή του ανιχνευτή.
 

Για τη μέτρηση των επιπέδων Η2Ο2 σε κύτταρα, χρησιμοποιούμε τον αισθητήρα Orp1-roGFP2 (εικόνα 2). Το θείο που βρίσκεται στο τμήμα του βιοαισθητήρα Orp1 αντιδρά με το υπεροξείδιο και η πρωτεΐνη οξειδώνεται, δημιουργώντας δισουλφιδικές γέφυρες που αλλάζουν το σχήμα της πρωτεΐνης και έτσι μειώνεται ο φθορισμός του στο μετρούμενο εύρος (εικόνα 3).

Με τη χρήση αυτών των τροποποιημένων GFP πρωτεϊνών, μπορούμε να δούμε σε πραγματικό χρόνο το που ταξιδεύουν τα οξειδοαναγωγικά μόρια στα κύτταρα, και πώς επηρεάζουν ή διατηρούν την κατάσταση οξειδοαναγωγής, τόσο σε υγιή άτομα όσο και σε ασθενείς με καρκίνο. Αυτό μπορεί να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε τη δυναμική των κυττάρων μας, όταν είμαστε υγιείς όσο και όταν αναπτύσουμε καρκίνο. Ίσως μια μέρα θα μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τα αποτελέσματα μας ώστε να προτείνουμε νέες θεραπείες για τη νόσο.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Η ομάδα του καθηγητή Tobias Dick στο Γερμανικό Ερευνητικό Κέντρο Καρκίνου (DKFZ) ερευνά την οξειδοαναγωγική ρύθμιση σε φυσιολογικά και καρκινικά κύτταρα. Για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με την έρευνά τους, δείτε: www.dkfz.de/en/redoxregulation/index.php
  • w2 – Περισσότερες πληροφορίες για το Βραβείο Νόμπελ Χημείας το 2008 σχετικά με την ανακάλυψη και ανάπτυξη της GFP, είναι διαθέσιμες από την ιστοσελίδα των Βραβείων Νόμπελ. Δείτε:  http://tinyurl.com/7y8df4s

Resources

Author(s)

Ο Prince S Amponsah είναι μεταπτυχιακός φοιτητής του Πανεπιστημίου της Χαϊδελβέργης, στη Γερμανία. Αποφοίτησε με πτυχίο στη βιοχημεία από το Πανεπιστήμιο της Γκάνα και εντάχθηκε στο πρόγραμμα Μοριακές Βιοεπιστήμες του Πανεπιστημίου της Χαϊδελβέργης και του γερμανικού Κέντρου Ερευνών Καρκίνου (DKFZ) στη Χαϊδελβέργη τον Οκτώβριο του 2013, με ειδίκευση στη βιολογία του καρκίνου. Ο Prince εργάστηκε επίσης ως βοηθός για το Science in School μεταξύ Φεβρουαρίου και Αυγούστου 2014.


Review

Η γνώση των οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα σε ζωντανά κύτταρα είναι σημαντική για να κατανοήσουμε πολλούς κυτταρικούς μηχανισμούς όπως η γήρανση, η φλεγμονή, η απόπτωση και ο καρκίνος.

Το άρθρο περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο οι βιοαισθητήρες, μερικοί από τους οποίους βασίζονται σε GFP, μπορεί να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση του επιπέδου των χημικών μορίων που συμμετέχουν σε μια αντίδραση οξειδοαναγωγής και ως εκ τούτου να κατανοήσουμε τη δυναμική των κυττάρων μας.

Το άρθρο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να εξηγήσει τις εργαστηριακές τεχνικές  που χρησιμοποιούνται στη μοριακή βιολογία, καθώς και να αποτελέσει τη βάση για τις συζητήσεις γύρω από το ρόλο των αντιοξειδωτικών και τη χρήση της GFP στη βιολογία. Ερωτήσεις κατανόησης γύρω από το άρθρο θα μπορούσαν να είναι:

  • Στην κυτταρική αναπνοή, πιο στοιχείο είναι οξειδωμένο και ποιο στοιχείο είναι ανηγμένο;
  • Δείξτε πως 48 ηλεκτρόνια ανταλλάσσονται στην κυτταρική αναπνοή.
  • Τι είναι οι ενεργές ρίζες οξυγόνου;
  • Περιγράψτε τους ρόλους τους στο κύτταρο των υπεροξείδιο, υπεροξειδίο του υδρογόνου και μονοξειδίο του αζώτου.
  • Περιγράψτε πως οι ενεργές ρίζες οξυγόνου μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη θεραπεία του καρκίνου.

Monica Menesini, Liceo Scientifico A Vallisneri, Ιταλία




License

CC-BY
CC BY