Арсен и оксидационен стрес


Категория на документа: Медицина


Арсен

Арсенът е 33ят елемент от периодичната таблица на елементите с най-често употребявани оксидационни номера +5, +3 и -3. Арсенът има способността да формира неорганични и органични съединения в природната среда и в човешкото тяло. Един от най-честите източници на замърсяване с арсен е питейната вода където замърсяването може да е между 0.01 мг/л до 4мг/л. Има много географски места по света където високи нива на арсен в подпочвените води са причинили голямо безпокойство, особено в Индо-бангладешкия регион, където повече от милион хора се считат за пострадали от отравяне с арсен. Този вид бавно, нискостепенно, неизбежно отравяне е причина за тревога за здравето на всички живеещи видове в такива области. Неорганичен арсен съществува в две форми - арсенит (АsIII) и арсенат (AsV). Докато арсенитът има способността да реагира лесно със сулфхидрилните групи на протеините и това на свой ред инхибира биохимични пътища, арсенатът реагира като фосфатен аналог и се намесва в рекациите на фосфолириране. Повечето от абсорбирания арсенат е редуциран до арсенит в кръвта; токсичния ефект изразен от двете молекули е подобен. Тривалентната форма (арсенит) обаче се счита за биологично активната форма и основния източник на арсенна токсичност. Освен че притежава способността да причинява биологична токсичност, арсенът е също документиран да има канцерогенни ефекти. Излагане на арсен е свързано с риск за развитие на тумори на белите дробове, кожата, черния дроб, пикочния мехур и бъбреците. Арсенът обаче не е класифициран като инхибитор или промотор на канцерогенни агенти. Може би не играе типичната роля на канцероген, но по-скоро подсилва действието на други канцерогени. Излгането на арсен е още известно, че причинява промени в нивото на невротрансмитерите. Освен че е канцерогенен, съединения на арсена са използвани като лекарство за третиране на остра промиелоцитна левкемия. Неорганичните съединения на арсена могат също така да бъдат метилирани ин виво като монометиларсонична киселина (ММА) или диметиларсиник киселина (ДМА). Скорошни ин виво проучвания са показали, че метилирани форми на арсен могат също да служат като ко-канцерогени или туморни промотори.
Арсен и оксидационен стрес

Арсенът е един от най-изучаваните метали, който индуцира ROS поколението и довежда до оксидационен стрес. Ши и сътр. са осигурили доказателство, което показва че арсенът произвежда свободни радикали, които водят до повреда на клетката и смърт чрез активиране на пътища податливи на оксидационен стрес. За арсена е известно, че не произвежда само ROS, но и супероксид (O2-), единичен кислород (1O2), пероксил радикал (ROO•), нитритен оксид (NO•), водороден пероксид (H2O2), диметиларсиник пероксил радикали (CH3)2AsOO• и също диметиларсиник радикал (CH3)2As•. Въпреки това точният механизъм отговорен за образуването на тези реактивни видове не е все още ясен, но някои проучвания предполагат образуването на междинни видове арсен.

Ивама и сътр. показат, че когато U937 клетки са били изложени на концентрации на арсен от 1 до 10 µМ е имало образуване на доловими нива на супероксид. Подобни проучвания в други клетъчни култури, като човешко-хамстерски хибридни клетки и човешки васкуларни гладки мускулни клетки (VSMC), са показали образуване на О2 радикали по време на третиране с арсен. EPR спин трапинг с DMPO и EPR спектроскопия също за засякли супероксидни и водородно-пероксидни нива в човешки кератиноцитни клетъчни линии и васкуларни ендотелиални клетки.

Индуцирането на H2O2 също е било наблюдавано в HEL30 клетки, NB4 клетки и CHOK1 клетки. Кантони и сътр. са демонстрирали, че СНО клетки (които са били H2O2 резистентни) са проявили също резистентност към арсенит, осигуряващи по този начин доказателство, че арсеномедиираната токсичност е медиирана от H2O2. Споменато е също, че арсенитът промотира продуциране на ОН от H2O2 в СНОК1 клетки. Тези резултати показват, че О2 е може би първоначалният продукт индуциран от арсен в различни типове клетки, и че формирането на О2 води до каскада от други ROS видове, като H2O2 и ОН чрез О2 дизмутация и реакция на Фентон.

По-горният доклад демонстрира, че излагането на арсен довежда до образуване на ROS в различни клетъчни системи (фигура 4). Източникът на механизма за формиране на ROS остава за доизясняване. Голям брой хипотези и резултати предполагат, че митохондрият би могъл да е един от главните източници за образуване на ROS. Корсини и сътр. са показали, че добавянето на ротенон, един комплекс I инхибитор на митохондриалната дихателна верига, може напълно да отмени образуването на клетъчен ROS, индуциран от арсенит в НЕL 30 клетки. Освен това убиквинон е друго място, което е податливо на арсенитиндуцирано ROS производство. Самикану и сътр. наскоро показаха, че арсенитът може да инхибира активността на пируват дехидрогеназата (ПДГ) като се присъединява към съседни дитиоли, както в чисти ензими, така и в тъканни екстракти. Има още три други източника в митохондрия, които се считат за източници на ROS производство, като на първо място са междинните арсинови видове. Радикален анализ на тези видове с EPR техника е отбелязъл появата на (CH3)2AsOO• като продукт на реакциите между диметиларсин и молекулен кислород. Този диметиларсеник пероксил радикал се счита, че играе главна роля в увреждането на ДНК и може да произведе супероксидни аниони по време на процеса. На второ място, метилираните арсенични видове могат да отделят редоксактивно желязо от феритин. Това свободно желязо би могло да играе роля в образуването на реактивни кислородни видове като подпомага превръщането на О2 и Н2О във високо реактивен ОН радикал чрез реакцията на Хабер-Вайс. На трето място, ROS може също да бъде формиран по време на оксидирането на арсенит до арсенат.

За арсена се знае, че не произвежда само реактивни кислородни видове (ROS), но и реактивни азотни видове (RNS) чрез поврежане на липидните мембрани и ДНК. Арсенът е също и най-изучаваният тежък метал в областта на продукция на NO в биологичнте системи. Продукцията на NO от арсен обаче остава спорна. NO• е молекула-посредник, която играе важна роля в имунния отгвор, невротрансмисията и разширяването на кръвоносните съдове. Публикувани са няколко противоречащи си доклада, отнасящи се за индуцираното от арсен производство на NO•. Пи и сътр. са публикували, че продължително излагане на арсен уврежда продукцията на ендотелиален NO в човешката кръв. От друга страна, свински ендотелиални клетки на аортата не са показали някакви увеличения на NO продукция при излагане на арсенит. Подобни резултати са били получени с хепатоцити и човешки чернодробни клетки. Лин и сътр. са показали увеличение на нитрилните нива в CHO-K1 клетки. Това увеличение в нитрилните нива предполага NO продукция. Увеличено образуване на NO е наблюдавано също в C3H10T1/2 kлетки. Изглежда, че стимулирането на продукция на NO от арсенит е чрез активиране на ендогенна NO синтаза. Свободни радикали също могат да бъдат образувани чрез флавинови ензими, като NAD(P)H оксидази и NO синтаза, с излгане на арсен. В клетъчни култури арсенът е показал, че свръхрегулира NAD(P)H оксидазната генна експресия на p22 и транслокацията на Rac 1, като по този начин увеличава продуктивността на О2. Макар че арсенът е познат с това, че произвежда ROS, но някои доклади предполагат още, че монометиларсон, който е произведен от арсен, ковалентно се свързва с реактивни тиоли на ендотелиалната NO синтаза, което резултира в неговото ензимно действие (фиг.5).

Добре известно е, че ROS играе значитeлна роля в промяната на пътищата на предаване на сигнали и в регулирането на транскрипционни фактори. Много доклади са показали, че арсенът засяга транскрипционните фактори или чрез активация, или чрез дезактивация на различни сигнални трансдукционни каскади. На фигура 5 сме се опитали да покажем някои от ефектите на арсена (III) върху промяната на сигналните трансдукционни пътища. Арсенмедиираната активация на МАРК сигнализация, чрез EGFR/MEK, EGFR/Ras/MEK или Src/EGFR каскада, е била наблюдавана в много клетъчни линии.

Оксидационият стрес е нарушен баланс между производството на свободни радикали и антиоксидантната защитна система. Много доклади доказаха намаляване в нивата на антиоксидантите след излагане на арсен. Намалени нива на антиоксиданти в плазмата на индивиди, изложени на арсен в Тайван, са били докладвани от Ю и сътрудници. Те са показали, че има значително обратно съотношение между капацитета на антиоксиданта в плазмата и концентрацията на арсен в цялата кръв. Няколко статии са показали намалени нива на GSH след излагане на арсен. GSH, трипептид, който играе важна роля в поддържането на клетъчния редокс статус и неговото ниво, е считан за важен маркер за оксидативен стрес. Клетъчните нива на GSH могат да намалеят по следните три начина: (i) GSH вероятно действа като електронен донор за редукцията на арсенатите от петвалентни до тривалентни; (ii) арсенитът има висок афинитет към GSH & (iii) оксидация на GSH чрез арсенитиндуцирано производство от свободни радикали. Взето заедно, е много възможно излагането на арсен да доведе до изчерпване на GSH нивата. Ние също сме показали, че излагане на арсен не само намалява нивата на GSH, но също и нивата на глутатион редуктаза (GR). Ние също показахме, че намалени нива на GR довеждат до увеличаване на GSSG, което от своя страна допринася за увеличаване нивата на арсенната токсичност в морските свинчета.

Производството на реактивни кислородни видове, промяната на сигналните каскади и дисбаланса на антиоксидантните нива ускоряват клетъчната апоптоза.Механизмът на арсениндуцираната апоптоза е сложен. H2O2 очевидно е свързан с предизвикването на апоптоза от арсенит. H2O2 може да играе роля като медиатор, който предизвиква апоптоза чрез освобождаване на цитохром с в цитозола, активиране на СРР32 протеаза и деградация на РАRР. Доклади са показали, че образуването на свободни радикали ускорява апоптозата в различни видове клетъчни линии (като NB4 клетки и CHO-K1 келтки), когато са изложени на арсенит. Предизвиканият оксидационен стрес може да влияе на нивата и функциите на редоксчувствителните сигнализиращи молекули (като АР-1 , NF-kB и p53), да разбърка клетъчното сигнализиране и системите на генна експресия, и/или може да доведе до апоптоза. Двете, АР-1 и NF-kB молекули, се считат за транскрипторни фактори на стрес отговора, които управляват експресията на редица проинфламаторни и цитотоксични гени. p53 е важен туморсупресорен ген, чийто протеинен продукт играе важна роля в контрола на клетъчния цикъл, апоптозата и контрола на ДНК репарацията. АР-1 и NF-kB са променени в различни клетки изложени на арсен. Арсенитът е покзал, че променя АР-1 и NF-kB в BEAS-2B клетки, HEL30 клетки, в човешки гръдно-ракови MDA-MB-435 клетки и плъховски H4IIE хепатомни клетки.
От една страна арсенът причинява оксидационен стрес, обусловен от: формирането на 8-OHdG; продукцията на липиден пероксид чрез производство на реактивни кислородни видове; редуциране на глутатион (GSH); увеличените нива на антиоксидантни протеини като хемоксигеназа-1 (НО-1), А170, и пероксиредоксин 1 (Prx1). От друга страна се счита, че арсенмедиираната цитотоксичност се дължи на високото натрупване на този металоид в клетките. От тук следва, че бозайниците, а в това число и хората биха притежавали някакви транскрипционни фактори, които регулират протеините, играещи критична роля в клетъчната защита срещу оксидационен стрес и клетъчното натрупване на арсен. Ядреният свързан фактор 2 (еритроиден 2 / Nrf2) e основен левкоцитен циптранскрипционен фактор, който активира антиоксидантния отговорен елемент (ARE) и електофилния отговорен елемент (EpRE), и по такъв начин свръхрегулира експресията на различни даунстрийм гени. По начало Nrf2 е свързан с неактивния комплекс Kelch под формата на ECH асоцииран протеин (Keap 1). Веднага щом Кeap 1 е модифициран с радикали, Nrf2 се отделя от комплекса и се премества от цитозола към ядрото, свързва се с промоторен регион, и стимулира генната експресия на следните протеини - антиоксидантни протеини, Фаза II ксенобиотици (метаболизиращи ензими) и Фаза III Фиг.4 Диаграма, показваща връзката между количество на свободни радикали и време.
1.Показва нормалното ниво на свободните радикали с течение на времето.
2.Показва свръхпроизводството на свободни радикали, което води до оксидативно увреждане в биомолекулите.
3.Показва понижената концентрация на свободните радикали, която се поддържа или чрез диетично хранене или чрез антиоксидантната защитна система на тялото.

транспортни протеини.
Фиг.5 Арсениндуцирано ROS производство и неговото въздействие върху клетъчната патология.





Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
Арсен и оксидационен стрес 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.