Информация

7.7A: Регулаторни механизми за клетъчно дишане - Биология

7.7A: Регулаторни механизми за клетъчно дишане - Биология


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Клетъчното дишане може да се контролира на всеки етап от метаболизма на глюкозата чрез различни регулаторни механизми.

Цели на обучението

  • Обяснете механизмите, които регулират клетъчното дишане.

Ключови точки

  • Различни форми на протеина GLUT контролират преминаването на глюкоза в клетките на специфични тъкани, като по този начин регулират клетъчното дишане.
  • Реакциите, които се катализират само от един ензим, могат да стигнат до равновесие, което може да доведе до спиране на реакцията.
  • Ако два различни ензима са необходими за обратима реакция, има по-голяма възможност да се контролира скоростта на реакцията и в резултат на това равновесието се достига по-рядко.
  • Ензимите често се контролират чрез свързване на молекула към алостерично място на протеина.

Ключови условия

  • ензим: глобуларен протеин, който катализира биологична химична реакция
  • алостеричен: съединение, което се свързва с неактивно място, засягайки активността на ензима чрез промяна на конформацията на протеина (може да активира или деактивира)
  • метаболизъм: пълният набор от химични реакции, които протичат в живите клетки

Регулаторни механизми

Използват се различни механизми за контрол на клетъчното дишане. Като такъв съществува някакъв вид контрол на всеки етап от метаболизма на глюкозата. Достъпът на глюкоза до клетката може да се регулира с помощта на GLUT протеините, които транспортират глюкоза. В допълнение, различни форми на протеина GLUT контролират преминаването на глюкоза в клетките на специфични тъкани.

Някои реакции се контролират от два различни ензима: по един за двете посоки на обратима реакция. Реакциите, които се катализират само от един ензим, могат да стигнат до равновесие, спирайки реакцията. Обратно, ако два различни ензима (всеки специфичен за дадена посока) са необходими за обратима реакция, възможността да се контролира скоростта на реакцията се увеличава и равновесието не се достига.

Редица ензими, участващи във всеки от пътищата (по-специално, ензимът, катализиращ първата ангажирана реакция на пътя), се контролират чрез прикрепване на молекула към алостерично (неактивно) място на протеина. Това място има ефект върху активността на ензима, често чрез промяна на конформацията на протеина. Най-често използваните в това качество молекули са нуклеотидите ATP, ADP, AMP, NAD+и NADH. Тези регулатори, известни като алостерични ефектори, могат да увеличат или намалят ензимната активност, в зависимост от преобладаващите условия, променяйки пространствената структура на ензима, обикновено засягайки конфигурацията на активното място. Тази промяна в структурата на протеина (ензима) или увеличава, или намалява неговия афинитет към неговия субстрат, с ефект на увеличаване или намаляване на скоростта на реакцията. Прикрепването на молекула към алостеричното място служи за изпращане на сигнал към ензима, осигуряващ обратна връзка. Този тип контрол на обратна връзка е ефективен, докато химикалът, който го засяга, е свързан с ензима. След като общата концентрация на химикала намалее, той ще дифундира далеч от протеина и контролът е отпуснат.


Регулаторни механизми на клетъчното дишане

Използват се различни механизми за контрол на клетъчното дишане. На всеки етап от метаболизма на глюкозата съществува някакъв вид контрол. Достъпът на глюкоза до клетката може да се регулира с помощта на GLUT (глюкозен транспортер) протеини, които транспортират глюкоза. Различни форми на протеина GLUT контролират преминаването на глюкоза в клетките на специфични тъкани.

Някои реакции се контролират от два различни ензима - по един за двете посоки на обратима реакция. Реакциите, които се катализират само от един ензим, могат да стигнат до равновесие, спирайки реакцията. Обратно, ако два различни ензима (всеки специфичен за дадена посока) са необходими за обратима реакция, възможността да се контролира скоростта на реакцията се увеличава и равновесието не се достига.

Редица ензими, участващи във всеки от пътищата – по-специално ензимът, катализиращ първата ангажирана реакция на пътя – се контролират чрез прикрепване на молекула към алостерично място на протеина. Молекулите, които най-често се използват в това качество, са нуклеотидите ATP, ADP, AMP, NAD + и NADH. Тези регулатори - алостерични ефектори - могат да увеличат или намалят ензимната активност в зависимост от преобладаващите условия. Алостеричният ефектор променя пространствената структура на ензима, като обикновено засяга конфигурацията на активното място. Тази промяна в структурата на протеина (ензима) или увеличава, или намалява неговия афинитет към неговия субстрат, с ефект на увеличаване или намаляване на скоростта на реакцията. Прикрепването сигнализира на ензима. Това свързване може да увеличи или намали активността на ензима, осигурявайки механизъм за обратна връзка. Този тип контрол на обратна връзка е ефективен, докато химикалът, който го засяга, е прикрепен към ензима. След като общата концентрация на химикала намалее, той ще дифундира далеч от протеина и контролът е отпуснат.


РЕГУЛАТОРНИ МЕХАНИЗМИ НА КЛЕТЪЧНОТО ДИШАНЕ: I. СЪЩНОСТ НА КЛЕТЪЧНИТЕ МЕМБРАНИ: УРАН И ИНХИБИРАНЕ НА КЛЕТЪЧНОТО ДИШАНЕ

E. S. Guzman Barron, John A. Muntz, Betty Gasvoda РЕГУЛАТОРНИ МЕХАНИЗМИ НА КЛЕТЪЧНОТО ДИШАНЕ: I. СЪЩНОСТ НА КЛЕТЪЧНИТЕ МЕМБРАНИ: УРАН И ИНХИБИРАНЕ НА КЛЕТЪЧНОТО ДИШАНЕ. J Gen Physiol 20 ноември 1948 г. 32 (2): 163–178. doi: https://doi.org/10.1085/jgp.32.2.163

Уран като UO2(НЕ3)2 се комбинира обратимо с протеини. Степента на дисоциация на тази комбинация зависи, наред с други фактори, от концентрацията на Н +. При рН 7,3 U-албуминовият комплекс лесно се дисоциира при добавяне на цитрат, докато при рН 3,8 не. Уранът инхибира обратимо редица ензимни системи.

Инхибирането на урановите ензими може да бъде обърнато при добавяне на определени хидроксиполикарбоксилни киселини (лимонена киселина, α-хидроксиаспарагинова киселина, ябълчна киселина) в никакъв случай, но фосфатът не е имал никакъв ефект.

В безклетъчен дрожден сок, ферментацията на глюкоза-хексодифосфат се инхибира от UO2(НЕ3)2. Настъпва леко реактивиране при добавяне на фосфат.

В клетките на живите дрожди, ферментацията и окисляването на глюкозата се инхибира от малки количества UO2(НЕ3)2 (7,7 микрограма на mg сухо тегло), докато окисляването на оцетната киселина, етиловия алкохол, ябълчната и лимонената киселини изобщо не се повлиява. Инхибирането на U в живи дрождеви клетки при рН 7,3 се освобождава напълно при добавяне на малки количества фосфат, аденозинтрифосфат и цитрат, докато при рН 3,8 U инхибирането не се освобождава от фосфат и цитрат. При насищане една клетка от дрожди съдържа 7,06 x 10 6 молекули уран. Млечната дехидрогеназа не се инхибира от U, докато окисляването на млечната киселина от гонококите е инхибирано. Добавянето на фосфат освобождава това инхибиране. U инхибирането на чернодробната сукциноксидаза не се повлиява от фосфат, докато U инхибирането на окислението на сукцинат от Е. coli се освобождава от фосфат.

От тези експерименти се заключава, че U инхибирането на клетъчния метаболизъм се дължи на комбинацията на метала с протеиновата част на клетъчната мембрана. Уранът е представен като пример за повърхностно инхибиране.


Транспорт на глюкоза

GLUT4 е глюкозен транспортер, който се съхранява във везикули. Каскада от събития, която възниква при свързване на инсулин към рецептор в плазмената мембрана, кара съдържащите GLUT4 везикули да се слеят с плазмената мембрана, така че глюкозата да може да бъде транспортирана в клетката.

Някои реакции се контролират от два различни ензима: по един за двете посоки на обратима реакция. Реакциите, които се катализират само от един ензим, могат да стигнат до равновесие, спирайки реакцията. Обратно, ако два различни ензима (всеки специфичен за дадена посока) са необходими за обратима реакция, възможността да се контролира скоростта на реакцията се увеличава и равновесието не се достига.

Редица ензими, участващи във всеки от пътищата (по-специално, ензимът, катализиращ първата ангажирана реакция на пътя), се контролират чрез прикрепване на молекула към алостерично (неактивно) място на протеина. Това място има ефект върху активността на ензима, често чрез промяна на конформацията на протеина. Молекулите, които най-често се използват в това качество, са нуклеотидите ATP, ADP, AMP, NAD + и NADH. Тези регулатори, известни като алостерични ефектори, могат да увеличат или намалят ензимната активност, в зависимост от преобладаващите условия, променяйки пространствената структура на ензима, обикновено засягайки конфигурацията на активното място. Тази промяна в структурата на протеина (ензима) или увеличава, или намалява неговия афинитет към неговия субстрат, с ефект на увеличаване или намаляване на скоростта на реакцията. Прикрепването на молекула към алостеричното място служи за изпращане на сигнал към ензима, осигуряващ обратна връзка. Този тип контрол на обратна връзка е ефективен, докато химикалът, който го засяга, е свързан с ензима. След като общата концентрация на химикала намалее, той ще дифундира далеч от протеина и контролът е отпуснат.


Резултати

Общо 262 точки от данни от 45 уникални статии бяха събрани и нормализирани за включване в този мета-анализ. Таблица 1 показва разпределението на точките от експериментални данни и артикули към всяка от дефинираните категории и подкатегории мерки. Категорията, митохондриални механизми, която съдържа измервания на съставките, необходими за клетъчното дишане, включва 67 стойности от 10 уникални артикула. Клетъчното дишане, което включва оценената скорост на дишане и вътреклетъчните концентрации на ATP и ADP, включва 59 стойности от 12 уникални статии. Категорията на оксидативния стрес, която включва оксидативни маркери и антиоксидативни HSP, има общо 73 стойности от 14 уникални артикула. Вътреклетъчният калций, който съдържа мерки за изследване на вътреклетъчната калциева хомеостаза, съдържа 63 точки от данни от 15 уникални статии.

МАСА 1. Категоризация, разпространение и източници на включени експериментални данни.

Клетъчното дишане е депресирано за цял живот

Сред най-интересните тенденции, открити в това проучване за мета-анализ, е, че производството на АТФ, заедно с общата честота на дишане, е установено, че е депресирано за целия живот на мишката SOD1 G93A (Фигура 1). Въпреки че е добре документирано, че скоростта на дишане се понижава при ALS (Kawamata and Manfredi, 2010 Cozzolino и Carri, 2012 Peixoto et al., 2013) дори много преди да се развият физически патологии (Browne et al., 2006), този мета-анализ подкрепя твърдението, че това явление е тенденция, която, поне в трансгенния модел на мишка SOD1 G93A с голямо количество копия, присъства от раждането. Тоест, мишките SOD1 G93A имат забележима депресия на клетъчната енергетика много преди появата на симптомите и тази депресия остава през целия ход на прогресията на заболяването.

ФИГУРА 1. Клетъчното дишане е потиснато за целия живот на модела на трансгенна мишка SOD1 G93A. Съотношението на SOD1 G93A към див тип (SOD1 G93A/див тип) е начертано във времето за експериментални измервания на аденозин трифосфат (АТФ), аденозин дифосфат (ADP) и обща честота на дишане. Плътните линии илюстрират прогнозираните линии на тренда. За целите на визуализацията, инвитро данните се нанасят при -20 дни и in vivo времевите точки се нанасят в съответния им ден на оценка след раждането, 0� дни. Осигурена е сива пунктирана линия, за да покаже очаквания див тип или хомеостатична стойност. Трендовите линии се генерират на базата на гаусовата средна стойност на нормализираните точки от данни.

Фигура 1 илюстрира съотношението на трансгенна мишка към див тип мишка, експериментално измерени нива на вътреклетъчен ATP, ADP и скорост на дишане. Всички от инвитро клетъчните данни (изобразени като -20 дни на Фигура 1), събрани за вътреклетъчната концентрация на АТФ и скоростта на дишане, падат доста под техните аналози от див тип. Изследване на математическата средна стойност на инвитро измерванията на АТФ и скоростта на дишане разкриват, че нивата на SOD1 G93A са приблизително 70% от тези, наблюдавани при див тип, което е еквивалентно на 30% намаление.

След раждане in vivo оценката на вътреклетъчния АТФ и скоростта на дишане при SOD1 G93A мишки също показва значителна депресия в сравнение с дивия тип мишки. Докато АТФ и скоростта на дишане са понижени през целия живот на мишката SOD1 G93A, изглежда има малки колебания през целия ход на заболяването. Необходими са обаче повече данни, за да се определи дали тези малки флуктуации са статистически или механично значими. ATP е в най-ниската си точка в крайната точка на заболяването, където нивата на ATP достигат само 30% от дивия тип (Фигура 1). Интересното е, че времевата тенденция на ADP е малко по-различна от ATP и скоростта на дишане. През по-голямата част от протичането на заболяването ADP е депресиран по подобен начин като ATP и дишането. Въпреки това, нивата на ADP в SOD1 G93A мишки показват интересно покачване над контролните мишки от див тип, което се появява близо до крайната точка на заболяването. Това почти смъртоносно увеличение на ADP може да се дължи на неспособността на клетките да преобразуват ADP в ATP, което би оставило ADP в излишък. Всъщност същата тази тенденция в понижаване на съотношението ATP/ADP се наблюдава при клинични пациенти (Ghiasi et al., 2012).

Депресия на митохондриалните механизми

Освен това, мерките на митохондриалните механизми и сигнали, необходими за дишането и производството на АТФ, са по подобен начин потиснати по време на хода на заболяването. Фигура 2А илюстрира времевите тенденции на четири различни измервания на митохондриалния механизъм и сигнали, необходими за клетъчното дишане: комплекс I, COX, обща ензимна активност и цитохром С. Инвитро мерки са били получени само за ензимната активност, което показва депресия, подобна на тази, наблюдавана при нивата на АТФ. След раждане in vivo оценката на SOD1 G93A мишки разкрива, че и четирите измервания на митохондриалния механизъм обикновено са депресирани в сравнение с дивия тип. В in vivo депресията е налице при раждането и през цялата продължителност на заболяването. Въпреки че експерименталните мерки за митохондриалния механизъм остават под див тип, линиите на средната тенденция на Гаус идентифицират потенциално малко увеличение в активността на митохондриалния механизъм близо до началото на заболяването (около 80 дни), което може да представлява регулаторен компенсационен механизъм, необходим е по-голям размер на извадката, за да се определи дали тази малка подутина има възможни статистически или механистични последици в прогресията на заболяването. И накрая, когато способността на митохондриите да произвеждат АТФ е нарушена, има компенсаторно увеличение на митохондриалните ензимни комплекси, особено Комплекс II, III, IV (Nalbandian et al., 2015). Тази възходяща тенденция в митохондриалните ензими се вижда на Фигура 2А близо до след началото и крайната точка на заболяването.

ФИГУРА 2. Временни тенденции на митохондриалните механизми, регулиране на оксидантите и регулиране на калция в модела на трансгенна мишка SOD1 G93A. Съотношението на SOD1 G93A към див тип (SOD1 G93A/див тип) се начертава във времето за всяка експериментална мярка. За целите на визуализацията, инвитро данните се начертават при -20 дни, ембрионалните данни се начертават при -5 дни и in vivo времевите точки се нанасят в съответния ден на оценка след раждането, 0� дни. Осигурена е сива пунктирана линия, за да покаже очаквания див тип или хомеостатична стойност. Трендовите линии се генерират на базата на гаусовата средна стойност на нормализираните точки от данни. (А) Митохондриални механизми (комплекс I, COX, ензимна активност и цитохром с). (Б) Окислителни маркери (8OH2𠌭G, MDA, H2О2) и защитни протеини от топлинен шок (HSPs). (° С) Регулиране на калция (влизане, чувствителност, поглъщане и цитозолна концентрация).

Повишаване на оксидантите близо до началото

Нивата на оксидант са документирани като повишени през различни етапи на ALS (Liu et al., 2002 Mattiazzi et al., 2002 Martin et al., 2007), включително преди началото (около 40 дни), началото (80 дни), и особено в краен етап (120+ дни). На фигура 2B начертаваме времевите тенденции на три често измервани оксиданта в SOD1 G93A мишки (8OH2𠌭G, MDA и H2О2). Данните, представени на фигура 2В, разкриват, че нивата на вътреклетъчния оксидант на SOD1 G93A първоначално са подобни на малко над дивия тип при раждането. Въпреки това, преди началото, нивата са леко повишени, а в началото и крайната точка нивата на оксидант са значително повишени в сравнение с дивия тип. Инвитро оценката на оксидантите не разкрива толкова изразена височина, колкото in vivo оценки. In vivo оценката на оксидантите разкрива увеличение на оксидантите с 1,5 фактора в сравнение с дивия тип около появата на симптомите (80 дни). In vivo оценка близо до крайната точка на заболяването SOD1 G93A (120+ дни) разкрива нива на оксидант, които са фактор 2𠄸 пъти по-високи, отколкото наблюдавани при див тип контролни мишки.

Протеините от топлинен шок, които имат антиоксидантен ефект, също са нанесени на фигура 2В. Установено е, че HSPs в SOD1 G93A мишки първоначално са значително по-високи от нивата на дивия тип, но те показват променлив спад с напредването на болестта. Въпреки това, изглежда има повтарящо се забавено покачване на HSP, тъй като заболяването навлиза в симптоматичен стадий (около 80 дни). Това колебание е описано по-рано. Предполага се, че нивата на HSP са недостатъчни, за да потискат повишаването на оксиданта. По този начин намалените нива на HSP всъщност предхождат загубата на моторни неврони при ALS (Maatkamp et al., 2004).

Флуктуации на вътреклетъчния калций

Калциевата хомеостаза е от решаващо значение както за функционалната нервна възбудимост, така и за нормалната клетъчна сигнализация. Има четири основни експериментални типа калциеви регулаторни измервания: въвеждане на калций (входящ калций през йонните канали), чувствителност към калций (измерване на скоростта на реакция на клетката към калция), поглъщане на калций (свързване и съхранение на вътреклетъчния калций, включително буфери, транспортери и вътреклетъчни депа) и действителната концентрация на калций (свободна вътреклетъчна концентрация). Всяка от тези мерки допринася за баланса или хомеостазата на вътреклетъчния калций.

Инвитро Данните, изследващи концентрацията на свободен вътреклетъчен калций, са противоречиви, като около половината от точките от данни показват повишен калций, а половината показват по-нисък вътреклетъчен калций в сравнение с дивия тип (точки, нанесени при -20 дни на Фигура 2C). Тези очевидни конфликти в инвитро вътреклетъчната концентрация на калций може да се обясни с използването на различни видове тъкани за инвитро оценка (вижте тъканни източници). Измервания на инвитро калциевите поглъщания са депресирани в сравнение с дивия тип, вариращи от 60 до 80% от това, наблюдавано при дивия тип мишки, а чувствителността към калций е около 30% от дивия тип. След раждане in vivo оценката на вътреклетъчния калций и навлизането на калций при раждането разкрива нива, които са значително над дивия тип. Въпреки това, свободният калций и навлизането на калций изглежда намалява до почти нормалните нива по време на преди началото. Има ограничени данни за въвеждането и концентрацията на калций при SOD1 G93A при мишки от началото до крайната точка, но наличните данни показват, че калцият изглежда рязко се повишава след началото, което води до вътреклетъчна концентрация на калций в крайната точка на заболяването, която е фактор 1,5 по-висока от див тип. In vivo оценката на поглъщането на калций и чувствителността към калций при SOD1 G93A мишки показват понижени нива в сравнение с дивия тип от раждането до крайната точка на заболяването. Интуитивно точката, в която трендовата линия на потъване на калций е най-висока, съвпада с моментите, когато концентрацията на калций, или свободно плаващият калций, е най-ниска.


Дискусия

Резултатите от нашия систематичен преглед и мета-анализ на 45 статии хвърлят нова светлина върху времевите тенденции на клетъчното дишане, оксидативните маркери, митохондриалните механизми и регулирането на калция в модела на трансгенна ALS мишка SOD1 G93A. Чрез агрегиране на данни, ние показваме, че клетъчното дишане и съответният митохондриален механизъм са нарушени за целия живот на мишката SOD1 G93A. Окислителните маркери първоначално са подобни на дивия тип, но са повече от два пъти по-големи от тези на дивия тип към момента на появата на симптомите, въпреки ранното постнатално повишаване на защитните HSPs. Всички аспекти на регулирането на калция показват ранни смущения, въпреки че забележимо и вероятно компенсаторно сближаване до нива, близки до див тип, настъпва между 40 и 80 дни, което е последвано от дивергенция след появата на симптомите.

Този систематичен преглед ясно показва, че SOD1 G93A мишките проявяват дългосрочен метаболитен дефицит, но тези симптоми присъстват и при други миши модели на ALS. Dupuis et al. (2004) извършват метаболитни експерименти както върху G93A, така и върху G86R мишки, за да демонстрират приликите в митохондриалната функция. G37R мишките също показват значително намаляване на производството на АТФ (Coussee et al., 2011). И накрая, значителни метаболитни нарушения също са документирани при не-SOD трансгенни мишки, включително мишки с мутации в TDP-43, FUS, VCP, наред с други (Carri et al., 2015).

Взаимодействия в рамките на триадата дишане-окисление-калций

Има множество вериги за обратна връзка между триадата от клетъчно дишане, регулиране на калций и окислително регулиране. Взаимовръзките между категориите и подкатегориите на измерванията, разгледани в този мета-анализ, са илюстрирани в Фигура ​ Фигура3 3 . Червените полета показват параметри, които са по-ниски при SOD1 G93A мишки в сравнение с дивия тип, а зеленото поле показва параметри, които са по-високи при SOD1 G93A мишки в сравнение с дивия тип. По същия начин цветът на стрелките показва или положителна връзка (зелена), или отрицателна връзка (червена), а техният размер показва относителната сила на връзката. Биологията на тези взаимодействия е обобщена по-долу.

Взаимоотношенията в митохондриалния механизъм - окислителна регулация - триада за регулиране на калций са центрирани около клетъчното дишане. Всеки квадрат е оцветен въз основа на това дали оценената категория е средно по-висока (зелена) или по-ниска (червена) при SOD1 G93A мишки в сравнение с дивия тип, както е определено от общата насоченост на линията на тренда от 0 до 150 дни. Цветът на стрелката показва знака на връзката, а размерът показва относителната величина.

Митохондриите имат силно интерактивна динамика с ендоплазмения ретикулум (ER), основният вътреклетъчен склад за калций. Митохондриите поемат калций чрез калций-чувствителния митохондриален унипортер. Въпреки това, устойчивият свободен цитозолен калций инактивира унипортера, предотвратявайки по-нататъшното усвояване на калций (Moreau et al., 2006). След това натрупаният калций в митохондриите може да бъде освободен обратно в цитозола чрез обменниците на натрий–калций и водород–калций (Fuchs et al., 2013). След като интрамитохондриалният калций се издигне над определено ниво, митохондриалната преходна пора се отваря, инициирайки апоптотични или некротични сигнални каскади (Leung and Halestrap, 2008). Смята се, че калцият, произтичащ от активиране на AMPA рецептори и/или патологично повишена мембранна пропускливост, води до това изместване на калция от ER към митохондриите. Рианодиновите рецептори на повърхността на ER допълнително усилват медиираното от калций освобождаване на калций от ER, което от своя страна може допълнително да влоши активирането на AMPA (Berridge, 2002). Втори рецептор, който изостря освобождаването на калций от ER, е активираният с калций IP3R.

Съвкупно, вътреклетъчното освобождаване на калций от ER, митохондриите и други вътреклетъчни депа може да обясни увеличаването на вътреклетъчната цитозолна концентрация на калций, наблюдавано близо до началото (

100 дни), което се отразява от парадоксално намаляване на извънклетъчното навлизане на калций (вж. Фигура ​ Фигура 2C 2C ). Друг принос за този очевиден парадокс може да бъде намаляването на експресията на калциеви свързващи вещества като калбиндин D28K и парвалбумин (Celio, 1990), за които се предполага, че водят до повишен цитозолен калций при ALS мишки (Appel et al., 2001). Chin et al. (2014) по подобен начин показва намаляване на парвалбумин при SOD1 G93A мишки, както и намаляване на саркоплазмените/ER калциеви ATPase протеини, включително SERCA1. По-специално, калциевите свързващи вещества, които попадат в категорията за поглъщане на калций в този мета-анализ, показват леко понижаване, което също съответства на времето на увеличение на вътреклетъчния калций (Фигура ​ Фигура 2C 2C ).

Освобождаването на калций има двупосочна връзка с производството на ROS, тъй като хомеостазата на ROS се поддържа чрез Ca 2+ сигнализиране и Ca 2+ зависими пътища. Калцият стимулира синтеза на NO и води до производство на ROS в Комплекс III (Feissner et al., 2009). Освен това, тъй като рианодин рецепторът образува тетрамер със саркоплазмата и ERs, обратимото окисление на ендогенните супероксидни групи може да доведе до освобождаване на допълнителен калций от саркоплазмения ретикулум (Fill and Copello, 2002). И накрая, окислителни агенти като пероксид директно предизвикват освобождаване на калций от ER чрез IP3R (Wesson and Elliott, 1995). В обобщение, свободните радикали предизвикват изтичане на калций в цитозола чрез рианодин рецептор, Ca 2+ -канали за изтичане и инозитол 1,4,5-трифосфат рецептори и обратно, вътреклетъчната концентрация на калций активира NOX и NOS, което след това произвежда допълнителен излишък ROS и RNS, съответно (Chin et al., 2014). В крайна сметка, повишеният вътрешен калций създава цикличен механизъм за предаване, който непрекъснато увеличава калция и оксидативния стрес до точката на апоптоза (Chin et al., 2014).

По-ниските скорости на дишане и следователно по-ниските вътреклетъчни концентрации на АТФ пряко допринасят за понижаването на митохондриалния потенциал, което в крайна сметка може да инициира апоптотични каскади. Въздействието на по-ниската концентрация на АТФ върху оксидативния и калциевия дисбаланс е двупосочно, като увеличаването на оксидантите и медиираното от калций освобождаване на калций допълнително нарушава митохондриалната функция, особено Комплекс 1, ключова съставка за производството на АТФ (Cassina et al., 2008 Cozzolino и Carri, 2012 Lautenschlager et al., 2013). Чрез по-малко директен път увеличаването на оксидативния стрес може също да доведе до подуване на митохондриите, което също допълнително инхибира производството на АТФ (Martin et al., 2007). И накрая, по-ниските концентрации на ATP възпрепятстват калциевата-АТФаза при отстраняването на свободния калций от цитозола или при транспортирането на калций обратно в ER за съхранение (Kaplan et al., 2003 Fuchs et al., 2013).

Дешифриране на времето: причина, следствие и нестабилност

Поради големия си размер и вродените им емерджентни свойства, мотоневроните са податливи на хомеостатични нестабилности. По-рано беше показано, че мотоневроните, дори във физиологично състояние, имат недостатъчен митохондриален капацитет за буфериране на големи калциеви потоци. Смята се, че недостатъчността на калциевия буфер се дължи на намалена митохондриална плътност на обем в сравнение с немотоневроните (Grosskreutz et al., 2007). Следователно се предполага, че митохондриалната дисфункция и нарушената калциева хомеостаза обясняват селективната уязвимост на мотоневроните (Jaiswal and Keller, 2009 Jaiswal et al., 2009). Друг фактор за селективната уязвимост на мотонеруоните е изискването за аксонален транспорт на митохондриите на много дълги разстояния, до 1 m (Mitchell and Lee, 2009, 2012a Lee and Mitchell, 2015). И накрая, динамиката на соматичната обработка на входа на мотоневроните може да обясни по-ранната смърт на бързите влакна при ALS (Mitchell and Lee, 2011).

Тъй като има толкова много взаимодействащи променливи, е трудно да се определи кой(и) параметър(и) инициират спрямо простото въздействие върху патофизиологичните циклични каскади на потиснато клетъчно дишане, дисбаланси в калциевата хомеостаза и вътреклетъчно повишаване на оксидантите при ALS. Представените данни разкриват, че повишените оксиданти се появяват по-късно в живота на SOD1 G93A, по-близо до началото на заболяването. Въпреки това, както калцият, така и клетъчното дишане/митохондриалните механизми показват ранен дефицит. Подобно на вековния въпрос, “Какво беше първо, пилето или яйцето?” Този мета-анализ повдига въпроса “Какво е първо—неправилна калциева хомеостаза или депресирано клетъчно дишане201“?

За двете позиции могат да бъдат направени научно обосновани аргументи. Повишената пропускливост на калций или изчерпването на АТФ от суб-партно клетъчно дишане, или комбинация от двете, може да инициира динамична нестабилност в мотоневрона, която води до фенотипа на ALS. Линиите на тенденцията, представени в този мета-анализ, разкриват наличието на потенциални компенсаторни механизми, които се опитват, но в крайна сметка не успяват, да се стабилизират отново до хомеостаза. Например, между 0 и 20 дни има повишаване на HSP и постепенно повишаване на чувствителността към калций. “sлекият удар” в митохондриалните механизми/клетъчното дишане преди началото също съвпада с най-ниските вътреклетъчни нива на калций. Опитите за повторно стабилизиране до хомеостаза биха могли потенциално да съответстват на малките флуктуации, видими в Фигури ​ Фигури1 1 и ​ 2 2 , въпреки че са необходими повече данни, за да се определи окончателно тяхната статистическа значимост.

Математическите нестабилности в рамките на патофизиологичните вериги за обратна връзка вече са идентифицирани в динамичен мета-анализ на модела на мишка SOD1 G93A (Mitchell and Lee, 2012b). Ако нестабилната динамика на патологията е действителният основен виновник, всъщност може да няма значение кой точно механизъм е инициирал каскадата (вижте Бъдещи направления). Както предклиничните, така и клиничните неуспехи за постигане на значим успех с помощта на лечение с един механизъм илюстрират потенциалната валидност на тази точка. Сред многото примери са: дихлороацетат (Miquel et al., 2012), който се опитва да възстанови митохондриалния дихателен капацитет в астроцитите, н-ацетил-глюкагон-подобен пептид-1 (Sun et al., 2013), който ендогенно регулира метаболизма чрез насърчаване на синтеза и секрецията на инсулин, и креатин (Groeneveld et al., 2003 Snow et al., 2003 Beal, 2011), който Известно е, че подобрява синтеза на АТФ. Въпреки това, нито едно лечение, насочено към клетъчната енергетика, не е достатъчно ефективно, за да се превърне в ефективно лечение за хора (Tadic et al., 2014).

В този мета-анализ ние разкриваме, че въпреки че има някои малки флуктуации, клетъчното дишане е потиснато за целия живот на мишката SOD1 G93A ALS. Интересно е, че пациентите с ALS преди началото на тяхната ALS са били по-здрави (например с по-малко предшестващо заболяване) от контролните субекти, съответстващи на възраст, пол и география (Mitchell et al., 2015). Въпреки това, такива пациенти все още могат да имат асимптоматични пре-АЛС вариации в основната им регулация на мотоневроните, което ги прави по-податливи на нестабилности. Свръхбдителната регулация е предложена като една от възможностите да се обясни как здравето на пациентите преди ALS над средното може да бъде свързано с по-късно, дестабилизиращо смущение на мотоневроните, което инициира ALS (Mitchell et al., 2015). “Хипербдително регулиране” се получава, когато основните регулаторни процеси агресивно реагират на коригиране на дисбаланси от хомеостазата, което ги прави ‘хипербдителни’ до смущения (в теорията на контрола, наричано твърде високо усилване на обратната връзка). Докато свръхбдителната регулация първоначално би била цялостна защитна, тя може да доведе и до по-голяма по-късна чувствителност към дестабилизация, особено при силно податливи мотоневрони (Mitchell et al., 2015). The temporal calcium, oxidant, and HSP fluctuations identified in this study, in combination with the oscillatory behavior of other previously identified parameters (Mitchell and Lee, 2012b) such as axonal transport (Mitchell and Lee, 2012a) and excitability (Delestree et al., 2014), are suggestive of the possible role of regulatory and homeostatic impairments as being the �use” of ALS.

Future Directions

Perhaps instead of focusing on mechanistic initiation, treatments should focus on treating the underlying instability, itself (Mitchell and Lee, 2008, 2012b). Whether in engineering process or in biology, treating instability typically requires impacting multiple targets or feedback loops, which may or may not have directly initiated the destabilizing perturbation or event. Combination treatments can leverage synergistic interactions to increase treatment effect size. Multiple experimentalists have attempted combinatory treatments on the SOD1 G93A mouse model (Waibel et al., 2004 Feng et al., 2008 Del Signore et al., 2009 Del Barco et al., 2011). For example, Waibel et al. (2004) experimented with rasagiline, an anti-apoptotic with neuroprotective properties, combined with riluzole, a sodium channel blocker, to reduce excitotoxicity. The combinatory treatment did exhibit a statistically significant improvement compared to control and compared to Riluzole alone.

In addition to exploiting synergistic interactions to increase effect size, combination treatments could potentially be used to re-stabilize the system to homeostasis. Theoretical SOD1 G93A ALS models of combination treatments have shown this exciting possibility (Mitchell and Lee, 2012b). In fact, of the several thousand computationally assessed combination treatment permutations, a few percent of 2 and 3-way treatment strategies were able to mathematically stabilize the ALS pathophysiology (Mitchell and Lee, 2012b). Interestingly, energetics was one of the pathophysiological categories that most frequently appeared in synergistic or stabilizing treatment combinations. Given the early and lasting depression of ATP and respiration rates identified in the present study, it is not surprising that energetics was previously predicted to have the greatest single-category effect size (Mitchell and Lee, 2012b).

Based on the results of the present study, it would appear that therapeutics leveraging the strong interactions within the calcium-respiration-oxidation triad could be promising. Както е показано в Figures ​ Figures1 1 и ​ 2 2 , prior to onset, it appears the SOD1 G93A physiology temporarily compensates toward decreasing intracellular calcium, increasing anti-oxidative HSPs, and slightly increasing respiration rate thus, treatment to amplify these existing compensatory mechanisms would seem intuitive. However, like spinal cord injury (Mitchell and Lee, 2008), such treatments would likely have to be initiated very early in the disease process to have a meaningful effect. In fact, in the case of instability, the timing of treatment may be the most important parameter, especially given human patients will not be treated until after ALS symptoms appear. Obtaining a finer point on the timing and statistical significance of fluctuations in intracellular calcium, ATP concentration, and free radicals, is critical to devising combination treatments that have clinically significant results. An additional essential research path is better assessment of homeostatic regulation. Modulation of regulatory pathways may prove more fruitful for re-stabilization than direct physical or chemical manipulation of cellular elements.


 Bruce Bochner Lab

The Bochner lab studies cells and siglec receptors (especially Siglec-8 and Siglec-F) involved in allergic inflammation, focusing mainly on eosinophils, mast cells and basophils in humans and mice.

Our primary research interests are in eosinophil- and mast cell-associated diseases, including asthma, hypereosinophilic syndromes and systemic mastocytosis. We have a particular interest and focus on understanding the function of Siglec-8, an inhibitory and sometimes pro-apoptotic receptor expressed on human eosinophils, basophils and mast cells and how it can be targeted for clinical benefit. Animal models are used to study its closest counterparts, such as Siglec-F. In studies involving carbohydrate biochemistry and glycoproteomics, the lab is isolating and characterizing potential glycan ligands for Siglec-F and Siglec-8. Finally, we are interested in food allergy and anaphylaxis and are exploring new ways to prevent allergic reactions in vitro and in vivo. 


Chapter 37 - Multiple Organ Dysfunction

A number of common clinical conditions are associated with severe inflammation, including sepsis and major surgery. The excessive inflammatory response results in shock states and ‘multiorgan dysfunction syndrome’ (MODS), which is often the final common pathway before death.

Обективен

To understand the mechanisms that underlie MODS and to identify potential therapeutic options

Evidence Review

A systematic literature search of MEDLINE was conducted to identify suitable studies and reviews. Date restrictions were not applied. The last search update was in August 2016. In addition to searching electronic databases, previous review articles on the subject were hand-searched for further references.

Намиране

MODS is a clinically heterogeneous condition with a number of common underlying pathophysiological processes. These include cellular hypoxia, dysoxia, and a dysregulated host metabolic response. The host immune system is non-specifically activated by pathogen-associated molecular patterns and damage-associated molecular patterns arising from the host. The prolonged inflammatory result can result in decreased mitochondrial activity resulting in cellular and eventually organ dysfunction. Following a period of MODS, improving organ functional parameters often identifies recovery.

Conclusion and Relevance

Critical illness represents a dynamic process where multiple pathways are simultaneously affected and marked fluctuations occur over time. MODS may represent an adaptive response early in critical illness. This response may, however, become maladaptive with inadequate cellular functionality to sustain life. Understanding the significance and timing of these changes may allow a personalized medicine approach where patients can be individually targeted by relevant biomarkers to receive appropriate therapies given at optimal dose and duration.


What are the best books for the IIT-JAM biological sciences exam? [closed]

Want to improve this question? Update the question so it focuses on one problem only by editing this post.

I'm from India and i'm preparing for a competitive exam called the Joint Admissions Test for a Masters admission.

I need help in finding books to read from for these chapters:

Обща биология: Taxonomy and physiology, Pro-and eukaryotic organism cell organelles and their function multicellular Organization energy transformations internal transport systems of plants respiration regulation of body fluids and excretory mechanisms cellular reproduction Mendelian genetics and heredity biology and populations and communities evolution genesis and diversity of organism animal behaviour, plant and animal diseases.

Basics of Biochemistry, Biophysics, Molecular Biology: Buffers trace elements in biological systems enzymes and proteins vitamins biological oxidations, carbohydrates and lipids and their metabolisms digestion and absorption detoxifying mechanisms plant and animal hormones and their action, nervous system, nucleic acids, nature of gene and its function, Genetic code, synthesis of nucleic acids and proteins. Enzyme mechanisms and kinetics, nucleic acid metabolism, photo synthesis.

Structure of Biomolecules: intra and intermolecular forces thermodynamics and kinetics of biological systems, principles of x-ray diffraction, IR and UV spectroscopy and hydrodynamic techniques.