Skuteczność terapii wodorem H2 molekularnym – nowe spojrzenie mechanistyczne.

1. WSTĘP

Wodór cząsteczkowy (H ₂ ) to niepolarna cząsteczka ze stabilnym wiązaniem kowalencyjnym. Wiele mikroorganizmów są wyposażone hydrogenazy, enzymu, która w sposób odwracalny rozdziela H ₂ do protonów i elektronów. Większość hydrogenaz ma centrum katalityczne zawierające dwa atomy metalu, [NiFe] lub [FeFe], wraz z klastrami żelazo-siarka (Fe-S). Co ciekawe, nie konwersji energii, związanym z błoną [NiFe] -hydrogenases (MBH) o O ₂ tolerancji, których funkcją jest H ₂ wychwytu przez utlenienie go obecność pewnych akceptorów elektronów, w tym ubichinon i menachinon [ 1 , 2]. Ze względu na te cechy, enzymy typu MBH są uważane za bliskie przodkom kompleksu oddechowego I. Pomimo braku hydrogenaz w komórkach ssaków, H ₂ jest obecnie uznawany za gaz terapeutyczny, mający działanie terapeutyczne na wiele chorób, w tym choroby neurodegeneracyjne. , zaburzenia metaboliczne i choroby zapalne. Terapeutyczny H ₂ posiada właściwości obojętnych, które, jak się przyjmuje, aby ułatwić jego biernej dyfuzji przez ciało ludzkie bezpośrednio po podaniu leku i zapewnienie korzystny profil bezpieczeństwa w postaci stosunkowo obojętnego gazu, który nie ma wpływu na fizjologicznych reakcji enzymatycznych. Do tej pory skutki H ₂Zakłada się, że na komórkach ssaków są głównie związane z nieenzymatycznymi interakcjami z ekstremalnie reaktywnymi formami tlenu (RFT) przez przypadkowe zderzenia (zwane tutaj „teorią zmiataczy” i wyjaśnione poniżej). Oprócz tego spostrzeżenia, w niniejszym przeglądzie omówiono możliwy mechanizm aktywacji i zużycia H ₂ w komórkach ssaków, ze szczególnym uwzględnieniem mitochondrialnego kompleksu I i jego ścisłego ewolucyjnego związku z MBH.

Inhalacje Wodorem molekularnym H2

W doniesieniach od 1975 roku wykazano terapeutyczny potencjał H ₂ w niektórych schorzeniach przy użyciu wodoru zawierającego hel lub wody alkalicznej zawierającej H ₂ wytwarzanej w wyniku elektrolizy [ 3 , 4 ]. Teoria padlinożerców opiera się na raporcie z 2007 roku autorstwa Ohsawy i współpracowników. Wyjaśnili biologiczne skutki H ₂ in vivo jako reakcje chemiczne w fazie ciekłej H ₂ , który może działać jako donor elektronów dla cząsteczek ROS, takich jak skrajnie reaktywny rodnik hydroksylowy czy nadtlenoazotyn [ 5 ]. Amfipatyczne właściwości H ₂Uważa się, że przyczyniają się do tych efektów wymiatania w wewnętrznej błonie mitochondrialnej zbudowanej z dwuwarstwy lipidowej [ 6 ]. Autorzy wykazały potencjalną ochronną H ₂ przeciw niedokrwieniu i reperfuzji (l / R) uszkodzenie w modelu mysim, gdzie H ₂ zmniejszyć stres oksydacyjny i oczyszczane rodniki hydroksylowe. Po tej publikacji wiele badań wykazało skuteczność wodoru u gryzoni ze stresem oksydacyjnym wywołanym fizjologicznym leczeniem upośledzającym krążenie lub podawaniem związków chemicznych wywołujących stres oksydacyjny. Jednakże, większość z tych doświadczeń na zwierzętach zaprojektowano w celu zbadania profilaktycznej skuteczności H ₂ przez podawanie H ₂przed, jednocześnie lub natychmiast po indukcji stresu oksydacyjnego do opracowania leczenia zaburzeń patologicznych, a nie oceny skuteczności terapeutycznej H ₂ [ 6 ], u zwierząt, które rozwiniętych choroby przed eksperymentem.

W przeciwieństwie do tego, w badaniach na ludziach, włączeni pacjenci cierpieli na tę chorobę przez pewien okres, a stany patologiczne i / lub przystosowanie organizmu do kompensacji zaburzeń zostały ustalone, kiedy zostali zdiagnozowani i zakwalifikowani do badań klinicznych. Z powodu tej różnicy krytycznej w strategii doświadczalnego pomiędzy badania skuteczności na zwierzętach / hodowli komórkowych i badań klinicznych zastosowań terapeutycznych i dokładnego strategia pomocą H ₂ w chorobie ludzi powinny być rozwijane, zwłaszcza kiedy H ₂ stosuje się w kombinacji z lekami farmaceutyczne . Dlatego Wgląd mechanizmów działania H ₂ są decydujące dla oceny korzyści z H ₂terapia nawet po tym, jak zaburzenia stały się nieodwracalne, ponieważ decyzje dotyczące leczenia nie powinny opierać się wyłącznie na reakcjach wymiatających w zastosowaniu profilaktycznym. W niniejszym przeglądzie omówiono nowy możliwy mechanizm działania H ₂ , poza właściwościami wychwytywacza H ₂ przeciwko RFT.

Wodór molekularny H2 pomaga w rehabilitacji po zakażeniu wirusem i walce z długim Covid-19.

2. Skuteczność terapii wodorem – OGRANICZENIA TEORII SCAVENGERA H ₂

W najnowszym raportu klinicznego przez Yoritaka A. i współpracowników, skuteczność H ₂ w chorobie Parkinsona (PD), nie można potwierdzić, co wskazuje na potrzebę dalszych badań [ 7 ]. Jednakże, w badaniu klinicznym na wcześniej PD, w dawce dziennej wynoszącej 0,8 mm h ₂ (1,6 ppm), rozpuszczonego w 1 litrze wody, po spożyciu przez 48 tygodni w jednym z grup. Jako potencjalny efekt terapeutyczny, wyniki sugerowały, że neurodegeneracyjne objawy PD mogą ulec złagodzeniu dzięki tej dobowej dawce H ₂ nawet u pacjentów ze zmodyfikowanym stadium Hoena i Yahra 1-4 (przybliżona średnia 2,0) [ 8]. Początek PD wystąpił przed włączeniem do badania, co wskazuje, że czas trwania choroby w badaniu przekraczał średnio 4 lata. Fakt ten wskazuje raczej na poprawę niż zapobieganie. Zakłada się, że ROS promować patogenezy PD powodując śmierć komórkową komórek wytwarzających dopaminę, ale obserwuje się poprawę PD przez H ₂ terapii był mniejszy od nonergot terapii dopaminy; Jednakże, znaczenie tego odkrycia jest ograniczone z powodu małej liczby uczestników (placebo i H ₂ rozmiar grupy leczenia: n = 9 w każdej). Nawet jeśli H ₂tylko blokuje uszkodzenia oksydacyjne, poprawa ustalonej PD powinna wymagać regeneracji komórek dopaminergicznych w sieci neuronowej, w tym przywrócenia funkcji mitochondriów w uszkodzonych komórkach. Dlatego skuteczność H ₂ w leczeniu PD u ludzi nie mogłaby być w pełni wyjaśniona przez redukcję ROS, gdyby to wczesne badanie przeprowadzone przez Yoritaka A. i wsp. [ 8 ] wygenerowało reprezentatywne dane. Pozostaje możliwość, że H ₂nie wpływa konkretnie na utrwaloną PD, ale może kompensować skutki zaburzeń neurodegeneracyjnych inną ścieżką poboczną związaną z naprawą uszkodzonych lub zaburzonych tkanek poprzez regenerację mitochondriów w dotkniętych komórkach. W tym samym czasie poprawa krążenia wydaje się być wymagany do odbudowy tkanki, a zużycie H ₂ może poprawić czynność śródbłonka [ 9 ].

Co więcej, w zakresie terapii przeciwzapalnej, aby poprawić utrwalone zaburzenie układu odpornościowego wywołane reumatoidalnym zapaleniem stawów (RZS), wydaje się, że nie wystarczy zmniejszyć stres oksydacyjny, który sprzyja szkodliwym efektom wzmacnianym przez NF- κB i cytokiny prozapalne, w tym TNF-α i IL-6. W naszym przeglądowej wyjaśnić mechanicznego wgląd anty-reumatoidalne efektu H ₂ , to omówiono że ciągłą stymulację przez ROS wydaje się być konieczny do utrzymania reumatycznych reakcje immunologiczne; dlatego H ₂ może poprawić RZS poprzez zamknięcie błędnego koła wyłącznie jako zmiatacz RFT [ 10 ]. Skuteczność H ₂ na RA częściowo tłumaczyło się zmniejszeniem zawartości rodników hydroksylowych.

W dziedzinie PD RA poprawy pewnych aspektów tych chorób H ₂ leczenia nie w pełni wyjaśnione właściwości wiążące o H ₂ z ROS, co wskazuje na ograniczenie teorii zmiatacza [ 3 ]. Z medycznego punktu widzenia logicznym wnioskiem wydaje się rozważenie regeneracji tkanek lub sieci biologicznych, której towarzyszy regeneracja mitochondriów, jako warunku poprawy w tych ustalonych chorobach. Ponadto stała szybkości dla rodnika hydroksylowego ( wartość k , L mol ^-1 s ^-1 ) w czystej wodzie wynosi 4,2 x 10 ^{7 w} stosunku do H ₂ , co jest znacznie niższe niż kwartości dla dwóch prekursorów rodnika hydroksylowego, H ₂ O ₂ i O ^• ₂ ^– (odpowiednio 1,2 x 10 ¹⁰ i 8 x 10 ⁹ ), które mają występować w pobliżu [ 11 ]. Ponadto, pozostaje podstawowym założeniem, że prawdopodobieństwo kolizji H ₂ i rodnik hydroksylowy może być ograniczona do okresu półtrwania mieści się w zakresie nanosekund przed rodnik ten napotyka otaczające biocząsteczek. Utworzony rodnik hydroksylowy reaguje z najbliższymi cząsteczkami, w tym z lipidami, białkami lub kwasami nukleinowymi upakowanymi i skoncentrowanymi w komórce [ 12 ]. kWartości rodnik hydroksylowy z innymi cząsteczkami, w tym aminokwasów proliny, kwasu glutaminowego i kwasu piroglutaminowego są 3,1 x 10 ⁸ , 2,3 x 10 ⁸ , i 1,05 x 10 ⁹ , odpowiednio, które są znacznie wyższe niż wartości stosunku H ₂ [ 13 ]. Tak więc, jak się wydaje, tym wyższy potencjał oksydacyjny ROS, tym niższa jest jego szansa zderzają się specyficznie z H ₂ .

Oprócz klinicznych i biochemicznych ograniczenia teorią zmiatacza H ₂ podawanie spowodował poprawę systemu metabolicznych w db / db myszy pozbawione funkcjonalnego receptora leptyny [ 14 ]. Zmniejszenie stresu oksydacyjnego i wzmocnienie metabolizmu energetycznego związane ze zwiększoną ekspresją FGF21 są przedstawione i omówione jako mechanizmy H ₂ dla poprawy otyłości i cukrzycy u tych myszy. Ciekawe, że H ₂może poprawić wrodzone zaburzenie metabolizmu energetycznego. Przypuszczalnie wydaje się, że istnieje duża luka między redukcją rodnika hydroksylowego a poprawą metabolizmu energetycznego. Patologii chronicznych chorób człowieka, w tym, że RA i PD ocenie w badaniach klinicznych wykazano kilka lat przed badaniem podawanie H ₂ . Wydaje się, że aby poprawić rokowanie w przypadku tych wrodzonych lub utrwalonych chorób związanych z chorobami przewlekłymi, wymagana jest funkcjonalna regeneracja mitochondriów z istniejących komórek w dotkniętych tkankach. W konsekwencji te komórki i tkanki mogą odgrywać ważną rolę w łagodzeniu długotrwałych stanów patologicznych; W związku z tym podano skuteczność H ₂powinny być związane z tymi procesami. Aby wypełnić lukę między właściwości zmiatania H ₂ i ulepszeń w metabolizmie i regeneracji komórkowej, naukowcy prowadzą badania nad transdukcji sygnału wyzwalane przez H ₂ [ 3 ]. Jednak, aby przywrócić ustalone zaburzenie i / lub częściową degenerację układu neuronalnego lub odpornościowego, wydaje się niewystarczające lub zbyt późne, aby tylko niektóre zmienione lub niespecyficzne transdukcje sygnału mogły przywrócić normalne funkcjonowanie po utworzeniu nieprawidłowej tkanki. Poprawa o H ₂ podaniu była szybka, tzn ., W ciągu 4 tygodni w RA [ 15 ], a następnie w ciągu 1 godziny dla funkcji śródbłonka tętnicy ramiennej w badaniach pilotażowych [9 ]. Wydaje się, że konieczna jest poprawa dysfunkcji komórkowej w kierunku radykalnej zmiany energetyki komórkowej, oprócz pośrednich zmian metabolicznych w odpowiedzi na sygnały spoza komórki. Kluczowych zdarzeń łączące rzeczywistych właściwości H ₂ w metabolizmie energetycznym gdzie powinno nastąpić przed wytwarzaniem RFT, w przeciwieństwie do funkcjonowania jako cząsteczki zmiatacza dalszego stresu oksydacyjnego. Przewiduje się, że te mechanizmy bezpośrednio związane z metabolizmem energii mają kluczowe znaczenie dla stosowania H ₂cząsteczki w celu ustalenia strategii leczenia dla długoterminowego podawania adiuwantów, ponieważ procesy metabolizmu energetycznego są zlokalizowane powyżej większości zdarzeń patologicznych. Centrum metabolizmu energetycznego to mitochondrium. Zgodnie z tym, możliwe zachowanie H ₂ w centrum katalitycznego przekształcania energii kompleksów oddechowych omówione dalej.

Wdychanie wodoru H2 (inhalacja) naprawia i leczy uszkodzenie płuc wywołane Covid-19 i respiratorem.

3. MITOCHONDRIALNY ŁAŃCUCH ODDECHOWY JAKO MOŻLIWY CEL DLA H ₂

Rozpatrując potencjalne cele dla H ₂ , procesy w górę od wytwarzania ponadtlenku koncentrowały oprócz zmniejszenia rodnik hydroksylowy. Omówiono tutaj możliwość, że H ₂ może hamować wyciek elektronów w łańcuchu transportu elektronów (ETC), zapobiegając w ten sposób nadprodukcji ponadtlenków, która jest pierwszym krokiem podczas mitochondrialnego stresu oksydacyjnego. Komórki ssaków zawierają około 1000 mitochondriów (z 100–10000 kopiami genomu na organelle) [ 16]. Przewiduje się, że mechanizm, który może regenerować dysfunkcję mitochondriów poprzez poprawę niekontrolowanego przepływu elektronów lub zapobieganie szkodliwemu wyciekowi elektronów z ETC, ma potencjał do regeneracji dysfunkcji komórek poprzez ratowanie nieuporządkowanej populacji mitochondriów. Oczekuje się również, że poprawa dysfunkcji mitochondriów poprawi zaburzone przewodzenie sygnału, które zależy od komórkowej równowagi redoks lub jest z nią związane.

Skuteczność terapii wodorem – Mitochondrialne kompleksy oddechowe I, III i IV to enzymy konwertujące energię, które są kluczem do powstania ETC, która przekształca energię redoks w potencjał elektrochemiczny między wewnętrzną błoną mitochondrialną a macierzą mitochondrialną [ 17 ]. Transfer elektronów, który zaczyna się od NADH (dinukleotyd nikotynamidoadeninowy), a kończy redukcją O ₂ do H ₂ O, generuje siłę napędową protonów przez wewnętrzną błonę mitochondrialną, w ten sposób napędzając kompleks V (mitochondrialna ATPaza) do syntezy prawie 90 % ATP z ADP [ 18]. W szczególności w mitochondrialnym kompleksie I, który przekształca około 40% energii ETC z energii redoks na potencjał błonowy, skomplikowane mechanizmy katalityczne wykorzystywane przez hydrogenazę są zachowywane poprzez ewolucję [ 19 ]. Chociaż organizmy żywe wybrały i ustanowiły tę skomplikowaną maszynę poprzez ewolucję, nie jest ona doskonała przynajmniej w organizmach wyższych, w których nieunikniony wyciek elektronów z ETC jest często przyczyną dysfunkcji organelli wytwarzających energię, mitochondrium. Zakłada się, że około 2% O ₂ jest redukowane przez wyciekające elektrony [ 20 ]. Wydaje się, że poziom ten mieści się w granicach tolerancji, a niektóre RFT są wykorzystywane w sygnalizacji redoks, zwłaszcza w śródbłonku [ 21]. Jednak wyższe poziomy wycieku elektronów zwiększają produkcję szkodliwych RFT i wywołują błędne koło dysfunkcji mitochondriów powodujących choroby zapalne, choroby neurodegeneracyjne, dysfunkcje śródbłonka i zaburzenia metaboliczne [ 10 , 22 ]. Optymalna wydajność transferu elektronów wzdłuż ETC ma kluczowe znaczenie dla zapobiegania nadmiernemu wyciekowi elektronów, który zakłóca odpowiednią konwersję energii w mitochondriach.

W ETC ssaków najważniejszym nośnikiem elektronów i protonów jest ubichinon (w skrócie chinon lub Q). W kompleksie I, pośrednie formy chinonu, w tym semichinony (SQ) między ubichinonem i ubichinolem (QH ₂ ), odgrywają kluczową rolę w przekształcaniu energii elektronów w siłę napędową protonów przez wciąż niezidentyfikowane mechanizmy sprzęgania łączące ramię obwodowe z katalizatorem ośrodek obejmujący klaster żelazo-siarka, N2 i domenę membranową z pompami protonowymi [ 23 , 24 ]. Transfery elektronów i protonów przez półprodukty SQ są również niezbędne dla cyklu Q w kompleksie III, podczas gdy uważa się, że SQ generowane nadmiernie lub niewłaściwie jest jednym z głównych źródeł nadtlenku [ 21, 25 ]. Wiele z wycieku elektronów, a następnie wytwarzanie ponadtlenku przez jedną redukcji elektronów O ₂ zakłada się, że odnosi się do związków pośrednich semiquinone w centrum katalityczne kompleksy a także w basenach Q w błonę mitochondrialną. Sam niestabilny SQ z niesparowanym elektronem może bezpośrednio oddać jeden elektron cząsteczce tlenu w celu wytworzenia ponadtlenku zgodnie z następującą reakcją [ 26 , 27 ].

Q ^{• –} + O ₂ → Q + O ^• ₂ ^–

Aby zapobiec wytwarzaniu nadmiernego nadtlenku przez przepływ elektronów w ETC i powodowaniu oksydacyjnego uszkodzenia kompleksów oddechowych, konieczne jest powstrzymanie wytwarzania szkodliwego lub niekontrolowanego SQ. Jeśli uda się zidentyfikować odpowiedni cel, stanie się on jedną z idealnych procedur poprawy lub zapobiegania licznym chorobom wywoływanym przez dysfunkcje mitochondriów. W tym przeglądzie, że koncentrują się na związków pośrednich chinonu tym semiquinones jako potencjalny cel H ₂ .

Wysoce reaktywne i niestabilne formy półchinonu obserwowano metodą spektroskopii elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR) zarówno w kompleksie I, jak i III [ 25 , 28 ]. Stała stabilności SQ (Q ^• H) w temperaturze fizjologicznej wynosi około ^10–10 [ 29 ]. Dlatego też, w kompleksu I, co najmniej 10 ⁵ razy stabilności wiążącego jest wymagane, aby utrzymać silnie reaktywne formy semiquinone (nazywane SQ _NF ) w miejscu wiązania Q podczas przemiany energii [ 30 ]. Wydaje się, że istnieje możliwość, że te pośrednie gatunki chinonu, w tym niestabilna SQ _Nf w kompleksie I i niestabilny półchinon (Q^{• –} ) przy P (O) -site na kompleks III, mogą reagować nieenzymatycznie przez H _2, ze względu na ich wysoką reaktywność. Należy jednak zauważyć, że wiadomo, że wiodący enzym w ETC, kompleks I, wyewoluował z przekształcającego energię MBH [ 2 , 19 ]. Aby rozważyć interakcję H ₂ z rodzajami chinonu, ważne jest, aby skupić się na możliwości, że H ₂ jest aktywowany w przestrzeni wiązania chinonu (komora Q) w katalitycznym centrum kompleksu I, gdzie półprodukty chinonu odgrywają ważną rolę. kluczowa rola w konwersji energii.

Gaz Browna – Wodór dla zdrowia: tło, obserwacje i dane medyczne

4. STRUKTURA WIĄŻĄCYCH MIEJSC GATUNKÓW CHINONOWYCH W KOMPLEKSIE I

Dysfunkcja kompleksu I bierze udział w wielu chorobach neurodegeneracyjnych, w tym PD, a także chorobach wrodzonych, które są spowodowane mutacją genów kodujących aminokwasy tworzące komorę Q [ 31 , 32 ]. Wiele doniesień dotyczących skuteczności H ₂ dotyczy chorób neurodegeneracyjnych, dlatego ważne jest omówienie miejsca w kompleksie I, w którym H ₂ może oddziaływać w celu regeneracji nieuporządkowanej ETC. W ssaczym kompleksie I dwa elektrony są przenoszone z NADH do 8 klastrów Fe-S poprzez niekowalencyjnie związany FMN (mononukleotyd flawiny) jako jon wodorkowy w hydrofilowym ramieniu matrycy kompleksu [ 23 , 33]. Elektrony z szeregu klastrów Fe-S kończących się na N2 są przenoszone jeden po drugim do chinonu z klastra N2, tworząc w ten sposób chinonowe związki pośrednie, w tym rodniki SQ. Klaster N2 jest umieszczony na najgłębszym końcu komory Q, utworzony przez podjednostki 49 kDa i PSST, które mają zależny od pH potencjał redoks w punkcie środkowym około -150 mV (60 mV na 1 pH), który jest wyższy niż tablice przed klastrami Fe-S (około -250 mV), które pełnią funkcję rezerwuaru elektronów w kompleksie I [ 34 , 35 ].

Aby wziąć pod uwagę możliwość, że H ₂ jest aktywowany w centrum katalitycznego kompleksu I, miejsce wiązania gatunków chinonu tym reaktywne związki pośrednie powinny być osią dyskusji. Jeśli aktywacja H ₂ jest możliwa, prawdopodobnie może wystąpić podczas przenoszenia elektronów i protonów w obecności niestabilnych chinonowych związków pośrednich, zwłaszcza gdy wyciek elektronów jest indukowany w komorze Q w katalitycznym centrum kompleksu I. Na tej podstawie model omówić ewentualne miejsce gdzie H ₂ może być aktywny jako donor elektronów i protonowej zgodnie z informacją strukturalną oraz mechanizmów redoks ostatnio proponowanych.

W pierwszym raporcie dotyczącym całej struktury wykrystalizowanego kompleksu bakteryjnego I (z Thermus thermophilus ), miejsce wiązania głowy chinonu jest związane wiązaniem wodorowym z grupą hydroksylową Tyr87, która znajduje się w pobliżu klastra N2 (9 Å ) i jest niezbędna do przeniesienia elektronu z N2 [ 24 , 36]. Chociaż endogenny chinon nie był związany z kompleksem w strukturze krystalicznej, zakłada się, że fałdowanie centrum katalitycznego kompleksu I jest podobne do fałdowania struktury rozdzielonej współkrystalizowanej z piericydyną i decylubichinonem w tym badaniu. Należy zauważyć, że decylubichinon, analog chinonu, działał na kompleks I i był związany wiązaniami wodorowymi z His38 oraz Tyr87. W konstrukcji chinonowa komora wiążąca ma długość 30 Å i średnicę 2-3 x 4-5 Å [ 36 ].

Skuteczność terapii wodorem – Ostatnio opisano struktury kompleksu mitochondrialnego I drożdży ( Yarrowia lipolytica ) [ 37 ], owczych ( Ovis aries ) [ 38 ] i bydlęcych ( Bos taurus ) [ 39 , 40 ]. 14 podjednostek rdzeniowych chronionych przed bakteriami jest otoczonych wieloma podjednostkami specyficznymi dla mitochondriów o łącznej masie prawie 1 MDa. Dodatkową cechą charakterystyczną dla kompleksu mitochondrialnego I jest elastyczność konformacyjna związana z ruchem związanym z przejściem aktywowanym (forma A) -dezaktywowana (forma D), która odgrywa ważną rolę w kontrolowaniu wytwarzania RFT, jak również w kataliza konwersji energii reakcji redoks poprzezgatunki chinonów podczas przemian enzymatycznych [ 37 , 41 ]. W postaci D ssaczego kompleksu I ( Ovis aries ), odległość między głową Q a klastrem N2 jest nie mniejsza niż 20 Å ze względu na rozszerzenie pętli β1-β2 podjednostki 49-kDa do centrum katalitycznego [ 38 ]. Ponieważ uzyskano tylko strukturę formy D, przyjmuje się, że forma A jest niestabilna. Chociaż dane strukturalne nie zostały zweryfikowane, zakłada się, że odległość między grupami głów chinonowych a klastrem N2 w postaci A jest podobna do stwierdzonej w przypadku bakterii; 12 Å został zidentyfikowany jako szybko relaksujący sygnał semichinonu, który był analizowany przy użyciu EPR i był wrażliwy na siłę napędową protonów (oznaczony jako SQ _Nf ) [42 ]. Podczas reakcji katalitycznych w A-from, zakłada się, że głowa Q ssaka wchodzi między His 59 i Tyr108 (co odpowiada His95 i Tyr144 w Y. lipolytica oraz His38 i Tyr87 w T. thermophilus ), podczas gdy te dwie reszty są przewiduje się, że będą zlokalizowane bliżej siebie w przypadku braku głowy Q w kształcie D [ 40]. Ponieważ zakłada się, że wiązanie NADH i chinonu reaktywuje miejsce Q do formy A, wymóg strukturalny tej zmiany konformacyjnej w formie A wydaje się odzwierciedlać elastyczność, która umożliwia dostępność i wiązanie różnych typów analogów chinonu w tym inhibitory z dużymi rozszerzeniami (takie jak rotenon). Ta elastyczna struktura komory Q w pobliżu klastra N2 ułatwia również mobilność autentycznych grup chinonowych głów i może odnosić się do braku endogennego ubichinonu w oczyszczonym kompleksie I. Dynamika wszystkich możliwych interakcji między gatunkami chinonów a centrum katalityczne His59 poproszony mi rozważyć możliwość wykorzystania H ₂jako donor elektronów i protonów podczas przejścia z formy D do formy A kompleksu I, zapobiegając w ten sposób szkodliwemu wyciekowi elektronów, który generuje nadtlenek, zwłaszcza w przypadku uszkodzenia I / R. Biorąc pod uwagę złożoną konformację I, w postaci (A-complex bakterii I) i D-formularz, zaproponować H ₂ znajduje się w komorze reakcyjnej chinonu / semiquinone, gdy jest on podawany. W tym scenariuszu pozyskany H ₂ mógłby być umieszczony między His 59 a grupami głów chinonowych, tworząc trójkąt z Tyr108. Jest to możliwe w tym konfiguracja H ₂ , chinon i zasadowymi resztami podobna do sytuacji w trakcie reakcji rozszczepiania H ₂w wodorazie [NiFe], wspierając założenie, że struktura centrum katalitycznego i mechanizmy konwersji energii są zachowane poprzez ewolucję, w tym w kompleksie I [ 43 ]. Chociaż kompleks I nie zawiera katalizatora metalicznego, należy zauważyć, że aktywacja i rozszczepienie H ₂ niekoniecznie wymaga metali, a mechanistyczne podstawy bezmetalowej aktywacji H ₂ pojawiły się w ostatniej dekadzie [ 44 ].

5. MOŻLIWE MECHANIZMY AKTYWACJI H ₂ W Q-KOMORZE KOMPLEKSU I

Uważa się, że oksydoreduktazy związane z kompleksem I wyewoluowały z MBH bez pozyskiwania nowych niezbędnych podjednostek lub składników z kompleksów powiązanych z hydrogenazami przekształcającymi energię (Ehr) [ 19 ]. Struktury tworzące podjednostki 49-kDa / PSST kompleksu I i duże / małe podjednostki w hydrogenazie są wysoce konserwatywne, w tym klaster N2, szlaki dostarczania protonów i podobne fałdowanie wokół centrum katalitycznego, które uważa się za ważne dla zmiany konformacyjnej sprzęgania energii w obu białkach [ 43 ]. Struktura tworząca metale katalityczne w hydrogenazie [NiFe] jest zachowana w kompleksie I z wyjątkiem przestrzeni zajmującej centrum metalu w hydrogenazie Themus thermophilusz aminokwasami 85-89, w tym Tyr87 (Tyr108 w białku ssaka), który funkcjonuje jako miejsce wiązania chinonu w kompleksie I [ 43 ]. Sugeruje się, że przodek złożonych oksydoreduktaz związane I, zaproponowano jako brakujące ogniwo ewolucji ze hydrogenazę do kompleksu I, może być wykorzystana zarówno H ₂ i ubichinon jako substrat elektronów / protonowej nośną [ 45 ]. W tym przeglądzie istnieje możliwość, że nawet kompleks mitochondrialny I może mieć rodowe właściwości przekształcania energii elektronu przy użyciu zarówno chinonu, jak i H ₂jest uważany. Wśród konserwatywna i niezbędna tablic reszt zasadowych blisko centrum katalitycznego w kompleksu I, His59 u ssaków Q komory (His38 w bakteriach) i powinna być najpierw jako możliwego kandydata, który może aktywować H ₂ .

Dokładne mechanizmy rozszczepiania wiązania kowalencyjnego H ₂ w [Ni-Fe] hydrogenaza nie został w pełni poznany. Jednak w niedawnych badaniach H ₂ związany z katalizatorem metalicznym zwiększył polarność i kwasowość poprzez oderwanie protonu do sąsiedniego aminokwasu zasadowego w reakcji, w której bierze udział arginina znajdująca się blisko atomu Ni [ 46 ]. Mechanizm ten jest oparty na teorii aktywacji wodoru bez metalu i jest do niej zbliżona, nazywanej mechanizmem sfrustrowanej pary Lewisa (FLP) [ 47 ]. W modelu tego mechanizmu, H ₂ jest aktywowany przez umieszczenie pomiędzy kwasem Lewisa i zasadą Lewisa, które są sterycznie chronione przed wzajemną reakcją [ 44]. Interpretacja i udział reszty zasadowej w mechanizmie FLP bez metalu, nawet w hydrogenazach [NiFe] sugeruje możliwość, że reakcja rozszczepienia H ₂ w kompleksie I zachodzi bez atomu Ni dostępnego jako katalizator kwasowy, ale z odpowiednim reagentem elektrofilowym . U ssaków kompleksu I, położenie podstawy protony abstrahując z His59 utleniony klastra N2 i elektrofilowym / protophilic gatunków chinonu może działać jako przyspieszacza dla reakcji, gdzie dwie elektrony i dwa protony są zasilane z aktywnym H ₂ do ETC podobna do typowej reakcji od Q do QH ₂ w kompleksie I. Tutaj zakłada się, że reakcja rozszczepienia H ₂ w kompleksie I przebiega przezstopniowy transfer elektronów; zastępuje powstawanie jonu wodorkowego (H ^– ) związanego z klastrem Ni-Fe w katalitycznym centrum hydrogenazy. W obecności H ₂ cząsteczki wprowadzonego środka katalitycznego kompleksu I, istnieje możliwość, że elektrofilowym / protophilic forma gatunku chinonu, w tym niestabilną pośrednich semiquinone, może wpłynąć na polaryzację H ₂ i zwiększają aktywność H ₂ przez przyciąganie elektronu / protonu do chinonowych grup głowy, ułatwiając w ten sposób rozszczepienie H ₂zgodnie z częściowo podobnym mechanizmem FLP przez skoordynowaną reakcję odpowiednio z pobliską zasadą i kwasem. W deprotonowaniu podstawy znajduje się w sąsiedztwie klastra N2 zakłada się, aby aktywować H _2, w sytuacji, gdy elektrofilowe gatunki chinonu zwiększenie kwasowości H ₂ . Utleniony N2 Tyr108 mogą indukować biegunowości H ₂ i streszczenie elektronu z H ₂ cząsteczki a protophilic gatunki chinonu może wchłonąć proton z H ₂ . Jednak nadal nie wiadomo, czy klaster N2 jest utleniony (N2 _ox ) czy zredukowany (N2 _red ) nawet w obecności gatunków semichinonu [ 24]. Ponieważ rodzaje chinonów nie są metalami i nie są związane z centrum katalitycznym, ruchliwość grup chinonowych główek jest związana z pewną prędkością, która wydaje się dostarczać energii zderzenia typowo wymaganej w tych reakcjach chemicznych. Co więcej, elastyczność strukturalną środka katalitycznego i gatunków chinonu ruchomej może tworzyć idealną międzycząsteczkowych, wymaganego do FLP, takimi jak reakcja z udziałem H ₂ , grupy głowy chinonu i w pobliżu podstawy, jak również do aktywacji klastra N2 H ₂. Wśród możliwych kombinacji czynników elektrofilowych (kwasowych) i protofilowych (zasadowych) opisanych tutaj, w scenariuszu z rodzajami chinonu lub semichinonu jako kwasu elektrofilowego, reszta His59 mogłaby funkcjonować jako odpowiednia zasada w mechanizmie podobnym do FLP. Histydyna działa jako zasada elementarna w katalitycznym centrum oksydazy aminowej lub oksydazy alkoholowej, gdzie proton jest usuwany z grupy hydroksylowej [ 48 , 49 ]. Mimo, że histydyna nie jest zaangażowany w mechanizmy związane Flp-, deprotonowanej imidazol wydaje się mieć potencjał do absorpcji protonów i polaryzacji H ₂ poprzez oddziaływanie na współpracy z elektrofilowym gatunków chinonu i / lub utlenioną klastra N2.

W [NiFe] hydrogenases, odległość pomiędzy podstawą guanidynowej argininy i atomu Ni, które są zaangażowani w Flp-podobnego mechanizmu, to w ciągu 4,5 A i zajmuje związanego H ₂ cząsteczki [ 50 ]. W przypadku centrum katalitycznego formy A ssaczego kompleksu I przewiduje się, że przewidywana odległość między gatunkami półchinonu a hydroksylem Tyr108 wyniesie ~ 3 Å, a reszta His59 jest umieszczona w pobliżu przeciwna strona tyrozyny [ 24 , 36 ]. Ponieważ chinonowe grupy głów są ruchome, zakłada się, że położenie H ₂ między chinonowymi grupami głów a podstawą His59 może mieć idealną odległość dla H ₂aktywacja przez interakcję podobną do FLP. His55 jest innym konserwowanym pozostałości w sąsiedztwie His59, które mogą także być zaangażowane w utlenianie H ₂ ; Mimo, że ta możliwość w zależności od tego, czy C1 C4 boczne grupy gatunków P łbem w stanie elektrofilowe są dostępne H ₂ podczas przechodzenia z D- do A-formy. Ponadto, inne zasady, który jest zbliżony do centrum katalitycznym może być uważany jako hipotetyczne kandydatów, które streszczenie protony z H ₂ cząsteczki o FLP-podobnego mechanizmu, który polaryzuje tej cząsteczki, gdy jest ona uchwycona pomiędzy grupami głównymi chinon. Reszty Arg63 i Arg53 (reszty Arg99 i Arg89 odpowiednio w Y. lipolytica [ 37]) są potencjalnymi kandydatami, które mogłyby funkcjonować jako zasady abstrakcji protonów, chociaż nie jest jasne, jak blisko zbliżają się do głowy Q podczas zmiany konformacyjnej do formy A [ 37 ]. Ponadto odległość między klastrem N2 a resztą His190, znaną jako grupa redoks-Bohr (His226 w Y. lipolytica i His169 w T. thermophilus ), mieści się w granicach 4 Å [ 51 – 53 ]; zatem ta para może mieć mechanizm podobny do mechanizmu podobnego do FLP, chociaż prawdopodobieństwo jest niskie bez asocjacji z gatunkami chinonowymi. Wiele inhibitorów kompleksu I jest analogami lub antagonistami chinonu. Badania z użyciem takich inhibitorów mogą wykazać udział gatunków chinonów w aktywacji H₂ w kompleksie I.

Chociaż dostępność H ₂ blisko His59 i Tyr108-N2 podczas formy D nie może być obecnie potwierdzona strukturą ssaka, jest to bardzo prawdopodobne, ponieważ kompleks I wyewoluował z [NiFe] hydrogenaz i ma wspólne wysoce konserwatywne reszty aminokwasowe z te hydrogenazy, które są krytyczne dla konformacji komory katalitycznej [ 43 , 54 ]. Co ważne, skuteczność H ₂ w uszkodzeniu I / R jest zgodna z faktem, że forma D zapobiegała powstawaniu nadtlenku podczas uszkodzenia I / R i zmniejszała ryzyko wycieku elektronów podczas przejścia DA [ 41]. Warto zauważyć, że poza strukturą miejsca wiązania chinonu, które jest silnie konserwowane przez hydrogenazę [NiFe], na powierzchni komory Q występuje również wiele polarnych i hydrofilowych aminokwasów, które dzielą oba kompleksy enzymów [ 43 ]. Powierzchnia w pobliżu klastra N2 komory Q jest naładowana dodatnio z powodu konserwatywnych reszt zasadowych, a część dystalna jest naładowana ujemnie, gdzie związany hydrofobowy ogon Q jest umieszczony tak, aby blokować wejście cząsteczek rozpuszczalnika [ 36]. Rozdzielenie komory Q na części kwaśne i zasadowe (poprzez przesunięcie ładunków z ujemnych na dodatnie w kierunku końca komory) może wpłynąć elektrostatycznie na biegunowość cząsteczki chinonu zajmującej całą długość komory Q, co może wpływają również na reaktywność redoks chinonowych grup główek, jak również na prędkość cząsteczek chinonu wchodzących do centrum katalitycznego. Nawet w obecności izoprenoidu Q ogona na wejściu do komory Q, nadal istnieje możliwość, że H ₂ mogą przesunąć się do wierzchołka komory na skutek amfipatycznością H ₂ . Jakakolwiek mutacja tych ściśle konserwowanych i naładowanych reszt na powierzchni jamy Q upośledza funkcję kompleksu I i jest związana z chorobami człowieka [ 36 ,55 ].

6. MODELE elektronu FLOW z aktywowanego H ₂ NA Q komora

Szacuje się, że potencjał punktu środkowego ( E _m ) wynosi około -420 mV dla H ₂ / 2H ⁺ , +90 mV dla Q / QH ₂ i (-150) – (- 250) mV dla klastra N2 (zależność od pH: -59 mV / pH) [ 2 , 43 ]. Ujemnie naładowany anion semichinonowy i anion chinolowy zapewniają energię, która jest konwertowana przez pompowanie protonów, poprzez stabilizację z przesunięciem potencjału punktu środkowego o około 200 mV zgodnie z dwustanowym modelem pompowania protonów [ 34 ]. Aktywowany H ₂ma potencjał termodynamiczny do dostarczania energii redoks do tych stabilizowanych anionowych produktów pośrednich. W tym scenariuszu potencjalny zamiennik do pompowania protonów zostanie ponownie naładowany. Ponadto H ₂ cząsteczki mają potencjał termodynamiczny na oddanie elektronów z chinonu nietrwałych półproduktów oraz ujemnie naładowane semiquinones o niskiej E _m wartości (~ (-200) – (- 300) mV) [ 34 ]. Stała dysocjacji odprotonowania anionu chinol szacuje się na 2 x 10 ^-13 M. chinol anion wydaje się mieć potencjał aktywacji H ₂jako podstawa przyciągająca protony, podczas gdy anion półchinonowy może działać jako cząsteczka elektrofilowa lub protofilowa. Ponadto podstawowe reszty (w tym His59) mogą absorbować protony, jak opisano w poprzedniej sekcji; Alternatywnie, elektrofilowy N2 klastra powiązany z Thy108 mogą polaryzacji i aktywować H ₂ do zderzenia z gatunku chinonu. Poniżej przedstawiono możliwy transfer elektronów i protonów z H ₂ do rodzajów chinonów (Q: chinon, Q ^{• –} : anion półchinonowy, Q ^• H: protonowany obojętny semichinon, QH ^– : anion chinolowy ). H ⁺ -base oznacza zasady absorbujące protony (w tym His59) i N2 _ox -e ^– wskazuje na utleniony klaster N2, który przyjmuje elektron.

Transfer elektronów z H ₂ do Q

Q + H ₂ → Q ^{• –} + H ⁺ -podstawa + H ^• → Q ^• H + H ⁺ -podstawa + e ^– → QH ^– + H ⁺ -podstawa → QH ₂ (1)

Transfer elektronów z H ₂ do Q ^{• –}

Q ^{• –} + H ₂ → Q ^2- + H ⁺ -baza + N2 _ox -e ^– + H ⁺ → QH ^– + H ⁺ -base + N2 _czerwony → QH ₂ + N2 _czerwony (2)

Transfer protonów z H ₂ do Q ^{• –}

Q ^{• –} + H ₂ → Q ^• H + N2 _ox -e ^– + H ⁺ -base + e ^– → QH ^– + N2 _czerwony + H ⁺ -base → QH ₂ + N2 _czerwony (3)

Transfer elektronów z H ₂ do Q ^• H

Q ^• H + H ₂ → QH ^– + H ⁺ -baza + N2 _ox -e ^– + H ⁺ → QH ₂ + N2 _czerwony + H ⁺ -baza (4)

Transfer protonów z H ₂ do QH ^–

QH ^– + H ₂ → QH ₂ + N2 _ox -e ^– + e ^– + H ⁺ -base → QH ₂ + N2 _czerwony + e ^– + H ⁺ -base (5)

Hipotetyczna reakcja (1) wymagałaby wcześniejszej aktywacji H ₂ przez sąsiednie zasady i elektrofilowy klaster N2, podczas gdy reakcje (2) do (5) zależałyby od rozwidlonego przepływu elektronów od N2 _ox do NAD ⁺ przez _czerwony N2 (odwrotny przepływ) i od chinonowych postaci pośrednich do QH ₂ (przepływ do przodu). Należy zauważyć, że w pierwszym etapie H ₂działałby jako reduktor w reakcjach (1), (2) i (4), ale jako utleniacz w reakcjach (3) i (5) przeciwko anionowym rodzajom chinonu. Mechanizm wieloetapowych reakcji (3) i (5) można nazwać „redukcją indukowaną utleniaczem (lub utlenianiem)”, która jest tradycyjnie stosowana w mechanizmie oksydoredukcji w kompleksie III (opisanym dalej). W obu reakcjach H ₂ początkowo zachowywałby się jako utleniacz dostarczający protony przeciwko anionowej postaci rodzajów chinonów. Następnie utleniony klastra N2 zostanie zmniejszona przez przyjęcie, że elektrony z H ₂ w odwrotnej fazie; ponadto w reakcji (3) protonowany obojętny półchinon również zostałby następnie zredukowany. W hipotetycznym opisie tutaj H ₂rektyfikowałby przepływ elektronów w obu kierunkach jako reduktor i utleniacz, oddając odpowiednio elektrony i protony do postaci ubichinonu, w tym reaktywnych związków pośrednich. Ta reakcja zapobiegłaby progresji do patologicznego ślepego zaułka ETC, który jest etapem poprzedzającym uraz I / R.

Potencjalny punkt środkowy H ₂ ma potencjał termodynamiczny w celu umożliwienia przepływu wstecznego do zredukowanego NADH z e _m 320 mV. Oczekuje się, że dwukierunkowy przepływ elektronów zmniejszy ryzyko wybuchu oksydacyjnego podczas uszkodzenia I / R poprzez redukcję chinonowych półproduktów do chinolu i oddanie elektronów utlenionemu N2, który z kolei może przenieść elektrony do Fe-S macierz klastrów w celu redukcji utlenionego FMN wolnymi rodnikami i / lub redukcji NAD ⁺ do NADH. Ponadto związków pośrednich chinonu są całkowicie zredukowane do ubichinolu przez przeniesienie elektronu z przodu H ₂, co zmniejsza ryzyko tworzenia się ponadtlenków związanych z rodnikami semichinonu w puli Q z korzyścią w postaci zwiększenia potencjału przeciwutleniającego puli Q. Ponadto, hipotetyczne odwrotnej przeniesienie elektronu z H ₂ do utlenionego N2 będzie ułatwione przez zależny od pH E _m klastra N2. W tym modelu zakłada się , że energia redoks H ₂ jest zużywana oddzielnie, aby zredukować niestabilne chinonowe produkty pośrednie energią aktywacji H ₂ ; w tym przypadku pozostała energia redoks będzie korzystna, jeśli E _m N2 będzie wyższa niż innych klastrów Fe-S o ~ 250 mV [ 34 , 43] zgodnie z efektem redoks-Bohra. W dół odwrotnej przeniesienie elektronu z ciętej H ₂ przejdzie łatwiej klastra N2 o wyższej e _m -150 mV [ 42 ]. W przeciwieństwie do tego, przy braku rodzajów chinonów i potencjału błonowego zapewniającego siłę napędową protonu, niższe E _m klastra N2 może przyczyniać się do prostych reakcji z H ₂ , N2 i pobliskimi zasadami ze względu na bliższe E _m N2 do H ₂ .

Skuteczność terapii wodorem – Oprócz katalitycznego centrum kompleksu I, innym hipotetycznym kandydatem miejsca, w którym H ₂ mógłby być aktywowany w komorze Q, jest wąskie gardło kanału, w którym podstawowe reszty Arg71, Arg274 i hydroksy-Arg77 otaczają szyjkę [ 38 , 40 ]. Hydroksylo-arginina jest znana jako utleniony produkt pośredni argininy, który jest wytwarzany podczas biosyntezy tlenku azotu w wyniku utleniania argininy, po wytworzeniu azotynu i cytruliny [ 56]. Przewiduje się, że najwęższa średnica będzie wynosić 1,9-2,2 A w postaci D, podczas gdy główka chinonu o szerokości 6 A będzie blokować głębszy dostęp do końcówki katalitycznej N2. Nawet w formie D lub w stanie, gdy stacja nie jest całkowicie otwarty, głowica chinonu musi przejść przez gardło, a zderzenie z H ₂ podczas przejścia może indukować aktywację przez FLP podobnego mechanizmu, co obejmują katalityczne chinonowe grupy głowy, zasady argininowe odrywające protony (Arg71 lub Arg274) oraz dające protony utlenione zasady argininowe (hydroksy-Arg77). Wydaje się, że wąskie gardło znajduje się blisko pozycji SQ _N , które zostało wykryte przez EPR jako sygnał o powolnej relaksacji w odległości 30 Å między SQ _Ns a miejscem N2 [ 25]. W związku z tym istnieje możliwość wystąpienia reakcji między SQ _N a otaczającymi zasadami. Hipotetyczny model przepływu elektronów z aktywnym H ₂ w komorze Q jest schematycznie przedstawiony na fig.Wcześniejsze11.

Rys. (1)

Hipotetyczny schemat aktywacji H ₂ w komorze Q.

Żółte strzałki skierowane w przeciwnych kierunkach oznaczają selerowaty przepływ elektronów oddawanych przez aktywowane H ₂ . Czerwone strzałki wskazują oddawania protonów z H ₂ . Bladopomarańczowe pudełko przedstawia komorę Q, a głowa „Q” z izoprenoidalnym ogonem reprezentuje gatunki chinonów, w tym półchinonowe półprodukty. Czerwone kółka reprezentują podstawowe aminokwasy uważane za niezbędne do katalitycznej funkcji kompleksu I. Otwarte kółko wskazuje konserwowaną resztę tyrozyny wymaganą do przeniesienia elektronów w klastrze N2. Duże niebieskie kółko w tle przedstawia część kompleksu I zaangażowaną w aktywację H ₂ tej hipotetycznej interakcji. Para niebieskich kółek symbolizuje H ₂. Niebieska strzałka Q komory wskazuje ruch gatunków chinonu z pewną siłą, aby kolidować z H ₂ .

7. PÓŁKINONOWE RADYKALI W KOMPLEKSIE III

Produkcja nadtlenku w kompleksie III (kompleks cytochromu bc ₁ ) jest dobrze zdefiniowana. Mechanizm tzw. Cyklu Q, który sprzęga przenoszenie elektronów z ubichinolu do cytochromu c poprzez pompowanie protonu przy stechiometrii 2e ^– / 2H ⁺ , został pierwotnie zaproponowany przez Michella, a później zmodyfikowany [ 57 , 58 ]. Podczas cyklu niestabilny semichinon jest generowany w miejscu Q (o) (zwanym również dodatnio naładowaną stroną P). Chociaż kompleks III nie ma ewolucyjnego związku z hydrogenazami i nie ma uzasadnienia, aby wyjaśnić potencjalne, że H ₂może interweniować Q cyklu elektronodonorowy i / lub donorem protonów, wydaje się, że istnieje możliwość, że niestabilność semiquinone rodnik (O) Lokalizacja Q, gdzie większość nadtlenku ma być wytworzone, mogą reagować z H ₂ i zahamować produkcję nadtlenków. Zakłada się, że nadtlenek w miejscu Q (o) jest generowany w obecności półproduktu półchinonowego podczas przenoszenia elektronów w przód z ubichinolu do hemu typu b (cytochrom b _L ), szczególnie w warunkach patologicznych, takich jak uszkodzenie I / R , gdy obserwuje się tzw. „redukcję wywołaną utleniaczem” ze względu na wysoki potencjał elektrochemiczny membrany przy zmniejszonej puli Q (1) [ 21 , 59]. Alternatywnie, odwrotny transfer elektronów ze zredukowanego cytochromu b _L do utlenionego chinonu wydaje się być bardziej prawdopodobnym mechanizmem wytwarzania ponadtlenku w miejscu Q (o) (2) [ 27 ]. W tym scenariuszu silnie utleniona pula Q jest krytycznym czynnikiem dla wyrzutu ponadtlenkowego. Dlatego w miejscu Q (o) ważne byłoby zredukowanie do przodu półchinonów puli Q w górę od kompleksu III, aby zapobiec odwrotnej redukcji utlenionego chinonu w warunkach fizjologicznych i / lub ponownej redukcji półchinonu, co została zmniejszona z przodu chinol przed semiquinone przekazał elektronu o ₂która byłaby nadmierna pod wpływem reperfuzji po wywołaniu stanu niedotlenienia. Wydaje się, że hipotetyczne bifurkatowe oddawanie elektronów z H ₂ do niestabilnego semichinonu i utlenionego klastra Rieske [2Fe2S] w miejscu Q (o) umożliwia zapobieżenie dwóm mechanizmom produkcji nadtlenków (1 i 2 powyżej) i może uratować Cykl Q w obu kierunkach. Semiquinone w Q (I), strony stabilizuje enzym oraz potencjału punktu środkowego cytochromu b _H jest stosunkowo wysoki. Jeśli H ₂ można poddać reakcji z semiquinone w tym miejscu sama redukcja pojawia energetycznie korzystnych, lecz aktywacja H ₂ wydaje się być trudna.

8. SUPERKOMPLEKS I DYNAMIKA GATUNKÓW CHINONÓW W ITP

Odpowiednia ilość i rozmieszczenie gatunków chinonów w wewnętrznej błonie mitochondrialnej nie są do końca określone. Niedawno badania na myszach z genetycznie zablokowaną lub częściowo zredukowaną biosyntezą chinonów dostarczyły nowych informacji na temat ogólnego zapotrzebowania na chinon i odpowiedniej zawartości chinonu w ETC, która stała się przedmiotem ostatnich badań. Te podejścia genetyczne sugerują, że zawiłe mechanizmy kontrolują zawartość chinonu w ETC. Co ciekawe, myszy heterozygotyczne Mclk1 ^+/- z częściowo obniżonym fenotypem chinonowym miały wydłużoną żywotność związaną z około 20% niższą zawartością chinonu w wewnętrznej błonie mitochondrialnej [ 60 ]. Co ciekawe, eksperymenty z Mclk1Myszy warunkowo nokautowane wskazywały, że najniższy wymagany poziom chinonu w ETC jest nieoczekiwanie niższy niż normalny [ 61 ]. Chociaż 90% redukcja chinonu poważnie wpłynęła na serce, nerki i mięśnie szkieletowe, na co wskazuje dysfunkcja oddychania mitochondrialnego (50% oddychania w stanie 3), tylko 10% normalnej zawartości chinonu może dostarczyć wystarczającą ilość energii do serca. zapewnić przetrwanie [ 62 ]. Najmniej funkcjonalne ETC z niską zawartością chinonu mogą wiązać się z tworzeniem się superkompleksu w mitochondrialnym układzie oddechowym. Ostatnio superkompleks zawierający wszystkie składniki (kompleks I-III-IV) potrzebne do oddychania mitochondrialnego, począwszy od NADH do O ₂jako terminalny akceptor elektronów został wyodrębniony [ 63 ]. Sugeruje się, że odpowiednie konformacje superkompleksu mogą odnosić się do wydajnego transferu elektronów, a także tłumić nadmierne wytwarzanie RFT [ 33 ]. Należy zauważyć, że odległość między miejscem wiązania Q kompleksu I i III w zespole bydlęcym wynosi około 13 nm, co umożliwia tunelowanie kwantowe [ 64 , 65 ]. Sugeruje to, że chinon nie musi koniecznie wyjść z komory Q kompleksu I, aby przenieść elektrony do kompleksu III. W hipotetycznym wykorzystania H ₂ cząsteczki w miejscu wiązania Q w kompleksu I lub III, jak to opisano w poprzedniej części, możliwe jest, że FLP jak aktywacja H₂ obejmuje to niedyfuzyjne oddziaływanie, w którym chinon może działać raczej jak katalizator niż prosty nośnik elektronów. Sugeruje się, że zawartość Q w superkompleksie koreluje z wielkością puli Q [ 66 ], a szybkość utlenionego chinonu w puli Q wpływa na wytwarzanie RFT w kompleksie III [ 27 ]. Albo w ETC przeprowadzonym przez ruchome gatunki chinonów z przypadkowym zderzeniem z kompleksem I-III-IV, albo w ETC zakończonym przez zatrzymane gatunki chinonów w superzłożonym złożeniu, niekorzystny poziom chinonowych półproduktów zatrzymanych zarówno w kierunku do przodu, jak i do tyłu powinien być całkowicie zredukowane, aby powstrzymać generowanie ROS. Hipotetyczny możliwość którym aktywny H ₂przekazuje elektron i proton z katalitycznymi rodzajami chinonów, może przyczyniać się do prostowania przepływu elektronów i protonów w nieuporządkowanym ETC opisanym powyżej. Chociaż wyizolowany superkompleks ssaków jest wyposażony w jeden lub kilka chinonów [ 64 ], dokładny stosunek zawartości Q do kompleksu I złożonego w superkompleksie ssaków nie jest jasny in vivo . Zakłada się, że sygnały SQ wykrywalne przez EPR są mniejsze niż jeden chinon na kompleks I w mitochondriach bydła, a także zawartość Q w całkowicie aktywnym kompleksie I drożdży była podstechiometryczna (0,2-0,4 na kompleks I) [ 53 , 67 ]. Te obserwacje mogą sugerować właściwości rodzajów chinonu jako katalizatora.

9. SKUTECZNE STĘŻENIE H ₂

Doświadczenia na zwierzętach na szczurach wykazały, że wdychanie H ₂ może tłumić uszkodzenie I / R mózgu przy skutecznym stężeniu H ₂ w tętnicy i żyle 1 godzinę po inhalacji 2% gazowego H ₂ o stężeniu prawie 20 μM oraz 10 μM, odpowiednio [ 5 ]. W raporcie klinicznym stężenie H ₂ we krwi 30 minut po inhalacji 3% gazowego H ₂ było zbliżone do odpowiednich wartości w powyższym badaniu [ 68 ]. W przypadkach, gdy H ₂ rozpuszczono w wodzie do podania ( szczurom podano 15 ml / kg 0,8 mM H ₂ wody), cząsteczkowy H ₂było skutecznie zmniejszyć nefrotoksyczności spowodowanej przez cisplatynę w stężeniu 5-6 uM H ₂ we krwi [ 69 ]. Zmierzone stężenia H ₂ we krwi mieściły się w przedziale 5–20 μM, co zazwyczaj oznacza, że ​​podobne stężenie osiągane jest w całym organizmie ze względu na pasywną właściwość dyfuzji H ₂ , która wydaje się być wystarczająca do aktywności enzymatycznej [ NiFe] hydrogenaza utleniać H ₂ . K _m wartość [NiFe] hydrogenaza mieści się w zakresie 1-10 um, a enzym może utleniać H ₂ , nawet przy ciśnieniu cząstkowym 0,01 bar (odpowiadającej do 8 uM rozpuszczonego H ₂ ) [ 70 , 71]. Mimo, że aktywność katalityczna kompleksu I utleniania H ₂ Zaproponowana jest hipotetyczne, dostępność i obecność H ₂ w chinonu katalitycznym jest bardzo pouczające, biorąc pod uwagę podobieństwa strukturalne w obrębie konserwowanych centrów katalitycznych złożonych enzymów związanych z i-i [NiFe] hydrogenazy [ 43 ]. Oprócz aktywności fizjologicznej kompleksu I, możliwość wykorzystania H ₂ wydaje się być ograniczona, nawet jeżeli istnieje. Hipoteza tutaj opiera się na patologicznym kompleksie I z nieszczelnymi elektronami z powodu zaburzeń wpływających na ETC i / lub wzrost wysoce reaktywnych półchinonowych półproduktów. Ostatnio korzystne działanie H ₂zostały omówione przez Ostojic z punktu widzenia bioenergetyki [ 72 ]. W komentarzu, autor sugeruje, że H ₂ wpływa na metabolizm energetyczny poprzez aktywację czynników związanych z metabolizmem tym greliny, GLUT1, GLUT4 i FGF21. Chociaż nie wiadomo, w jaki sposób H ₂ wyzwala te kaskady sygnałowe, hipotetyczny wgląd przedstawiony tutaj może skłonić przyszłe badania do rozważenia związku między mitochondrialnym metabolizmem energetycznym a H ₂ , który może być zaangażowany w aktywację kaskad. W Japonii woda zawierająca wyjątkowo wysokie stężenia H ₂(ostatnio osiągnięciu 8 ppm w wodzie) jest dostępna i nie obserwowano w ciągu 7 ostatnich latach wiele osób dostosowany zwyczaju picia H ₂ dziennie wzbogaconą wody. Ważne jest, aby zidentyfikować i opisać odpowiednich mechanizmów, które powinny wyjaśnić korzyści płynące z H ₂ spożycia. Ponadto, badania przyszłości należy skoncentrować się na skuteczności H ₂ , aby określić optymalny sposób podawania oraz dawki potrzebne o korzyści zdrowotne i działanie terapeutyczne w różnych chorobach.

WNIOSEK

Wiele raportów rozpatrywanie skuteczności terapeutycznej H ₂ są ograniczone w sugestii, że H ₂ wywiera działanie jak cząsteczki trawiącym przez rodniki hydroksylowe i nadtlenek azotu ( „scavenger”), teorii. Jednak ważne jest, aby wziąć pod uwagę inne mechanizmy potencjał, który może wyjaśnić skuteczność związanego z konsumpcją H ₂ , które zaobserwowano w badaniach klinicznych. Pomimo że dowody eksperymentalne dla aktywacji H ₂ w Q komory brakuje Niedawno opracowano teorię FLP i zachowane cechy strukturalne wspólne pomiędzy energią konwersji kompleksu I i hydrogenases zapewniają mocne argumenty dla biorąc pod uwagę znaczenie nowy omówiony tutaj możliwy mechanizm. H ₂proponuje się działać jako prostownik dla mitochondrialnego przepływu elektronów w stanie nieuporządkowanym lub patologicznym. Warto zauważyć, że istnieje możliwość, że H ₂ może działać zarówno jako reduktor, jak i utleniacz, oddając odpowiednio elektrony i protony cząsteczkom ubichinonu, w tym reaktywnym związkom pośrednim, zapobiegając w ten sposób przedwczesnemu wyciekowi elektronów z ETC i, w konsekwencji, generowaniu RFT. . Nasz grupa obecnie bada ten potencjalny mechanizm działania H ₂ leczenia. To wydaje się być ważne, badaczy zainteresowanych H ₂Terapia jest wprowadzana do tego możliwego mechanizmu oprócz konwencjonalnej teorii zmiataczy, która poszerzy naszą wiedzę o potencjalnych korzyściach zdrowotnych związanych ze spożywaniem H ₂ .

PODZIĘKOWANIE

LISTA SKRÓTÓW