الصدمة الحرارية والشيخوخة. ما هي بروتينات الصدمة الحرارية؟الشذوذ والأعراف

تستجيب جميع الخلايا الحية لارتفاع درجة الحرارة وبعض الضغوطات الأخرى عن طريق تصنيع مجموعة محددة من البروتينات تسمى بروتينات الصدمة الحرارية (HSPs). تشمل HSPs البروتينات التي يتم تصنيعها بواسطة الخلايا استجابة لصدمة الحرارة، عندما يتم قمع التعبير عن المجموعة الرئيسية من البروتينات المشاركة في عملية التمثيل الغذائي الطبيعي. تشتمل عائلة 70 كيلو دالتون HSPs (HSP-70 في حقيقيات النوى وDnaK في بدائيات النوى) على بروتينات الصدمة الحرارية، والتي تلعب دورًا مهمًا في ضمان بقاء الخلية تحت ظروف الإجهاد وفي التمثيل الغذائي الطبيعي. يتجاوز مستوى التماثل بين البروتينات بدائية النواة وحقيقية النواة 50% مع الهوية الكاملة للمجالات الفردية. تعد 70 كيلو دالتون HSPs واحدة من أكثر مجموعات البروتينات المحفوظة في الطبيعة (Lindquist Craig، 1988؛ Yura et al.، 1993)، والذي ربما يرجع إلى وظائف المرافقة التي تؤديها هذه HSPs في الخلايا

يحدث تحفيز جينات بروتين الصدمة الحرارية (HSP) في حقيقيات النوى تحت تأثير عامل الصدمة الحرارية HSF. في الخلايا غير المجهدة، يوجد HSF في كل من السيتوبلازم والنواة كشكل أحادي مرتبط بـ Hsp70 وليس له نشاط ربط الحمض النووي. استجابة لصدمة الحرارة أو غيرها من الضغوط، ينفصل Hsp70 عن HSF ويبدأ في طي البروتينات المشوهة. يتجمع HSF في أدوات القطع، ويطور نشاط ربط الحمض النووي، ويتراكم في النواة، ويرتبط بالمروج. في هذه الحالة، نسخ المرافقين في الخلية يزيد عدة مرات. بعد انتهاء الضغط، يعود Hsp70 المتحرر إلى HSF، الذي يفقد نشاط ربط الحمض النووي ويعود كل شيء إلى طبيعته [Morimoto ea 1993] تظهر بروتينات الصدمة الحرارية على سطح الخلايا الزليلية أثناء الالتهابات البكتيرية.

يتم أيضًا إنتاج معظم بروتينات الصدمة الحرارية استجابةً لمحفزات ضارة أخرى. ربما تساعد الخلية على النجاة من المواقف العصيبة. هناك ثلاث عائلات رئيسية من بروتينات الصدمة الحرارية: مول. تزن 25 و70 و90 كيلو دالتون (hsp25 وhsp70 وhsp90. في الخلايا الطبيعية، تم العثور على العديد من البروتينات المتشابهة جدًا من كل عائلة. تساعد بروتينات الصدمة الحرارية على إذابة وإعادة طي البروتينات المشوهة أو المطوية بشكل غير صحيح. كما أن لها وظائف أخرى.

تعتبر بروتينات عائلة hsp70 هي الأفضل دراسة. ترتبط هذه البروتينات ببعض البروتينات الأخرى، بالإضافة إلى مجمعات وتجميعات البروتين غير الطبيعية، والتي يتم إطلاقها منها بعد ذلك عن طريق ربط ATP. إنها تساعد على إذابة وإعادة طي البروتينات المجمعة أو غير المطوية من خلال دورات متعددة من إضافة ATP والتحلل المائي. توجد البروتينات غير الطبيعية في أي خلية، ولكن تحت تأثيرات معينة، مثل الصدمة الحرارية، يزداد عددها في الخلية بشكل حاد، وبالتالي هناك حاجة إلى عدد كبير من بروتينات الصدمة الحرارية. ويتم ضمان ذلك عن طريق تنشيط نسخ بعض جينات الصدمة الحرارية.

تمنع بروتينات الصدمة الحرارية (Hsp - بروتينات الصدمة الحرارية)، التي تشكل مجمعًا مع سلسلة البوليببتيد المتنامية، تجميعها وتدهورها غير المحدد تحت تأثير البروتينات داخل الخلايا، مما يعزز طيها الصحيح، والذي يحدث بمشاركة مرافقين آخرين. يشارك Hsp70 في فتح سلاسل البولي ببتيد المعتمدة على ATP، مما يجعل المناطق غير القطبية من سلاسل البولي ببتيد متاحة لعمل الإنزيمات المحللة للبروتين.

انظر أيضًا عوامل النسخ: الفئة: عوامل الصدمة الحرارية TF 3.4 - http://humbio.ru/humbio/transcription/0002df25.htm

يمكن للمرضى الحصول على دواء معدل وراثيًا لجميع أنواع ومراحل الأورام الخبيثة خلال ثلاث إلى أربع سنوات

في معهد أبحاث الأدوية عالية النقاء التابع للوكالة الفيدرالية الطبية والبيولوجية في روسيا، يتم الانتهاء من التجارب قبل السريرية لبروتين الصدمة الحرارية، وهو الدواء الذي قد يحدث ثورة في علم الأورام. هذا دواء جديد بشكل أساسي لعلاج الأورام الخبيثة، تم الحصول عليه باستخدام التكنولوجيا الحيوية. يقترح العلماء أنه سيساعد الأشخاص الذين يعانون من أورام غير قابلة للشفاء حاليًا. تم تحقيق النجاح في صنع الدواء بمساعدة تجربة فضائية. أخبر نائب مدير معهد العمل العلمي، والعضو المراسل في الأكاديمية الروسية للعلوم، ودكتوراه في العلوم الطبية، البروفيسور أندريه سيمبيرتسيف، مراسلة إزفستيا فاليريا نودلمان عن هذا الأمر.

- ما هي المادة الفعالة الرئيسية في الدواء الجديد للأورام الخبيثة؟

دواءنا يحمل الاسم العملي "بروتين الصدمة الحرارية" - استنادًا إلى العنصر النشط الرئيسي. هذا جزيء يتم تصنيعه بواسطة أي خلايا في جسم الإنسان استجابةً لضغوطات مختلفة. لقد عرف العلماء عن وجودها لفترة طويلة. كان من المفترض في البداية أن البروتين يمكنه فقط حماية الخلية من التلف. لاحقًا اتضح أنه بالإضافة إلى ذلك، فهو يتمتع بخاصية فريدة - فهو يساعد الخلية على إظهار مستضدات الورم لجهاز المناعة وبالتالي يعزز الاستجابة المناعية المضادة للأورام.

- إذا كان الجسم ينتج مثل هذه الجزيئات، فلماذا لا يستطيع التغلب على السرطان نفسه؟

لأن كمية هذا البروتين في الجسم ضئيلة. لا يكفي لتحقيق تأثير علاجي. ومن المستحيل أيضًا أخذ هذه الجزيئات من الخلايا السليمة وإدخالها في الخلايا المريضة. ولذلك، تم تطوير تقنية حيوية خاصة لتجميع البروتين بالكمية اللازمة لتكوين الدواء. قمنا بعزل جين الخلية البشرية المسؤول عن إنتاج البروتين واستنساخه. ثم قاموا بإنشاء سلالة منتجة وأجبروا الخلية البكتيرية على تصنيع البروتين البشري. تتكاثر هذه الخلايا بشكل جيد، مما سمح لنا بالحصول على كمية غير محدودة من البروتين.

- اختراعك ​​هو ابتكار تقنية لإنتاج "بروتين الصدمة الحرارية"؟

ليس فقط. تمكنا أيضًا من دراسة بنيته وفك شفرة آلية العمل المضاد للأورام على المستوى الجزيئي. يتمتع FMBA بفرصة فريدة لإجراء البحوث الطبية باستخدام برامج الفضاء. والحقيقة هي أنه من أجل تحليل حيود الأشعة السينية لعمل البروتين، من الضروري تكوين بلورة فائقة النقاء منه. ومع ذلك، من المستحيل الحصول عليه في ظل ظروف الجاذبية - بلورات البروتين تنمو بشكل غير متساو. ولدت فكرة زراعة البلورات في الفضاء. تم إجراء مثل هذه التجربة في عام 2015. قمنا بتعبئة البروتين فائق النقاء في أنابيب شعرية وأرسلناها إلى محطة الفضاء الدولية. على مدى ستة أشهر من الرحلة، تشكلت بلورات مثالية في الأنابيب. لقد تم إنزالها إلى الأرض وتحليلها في روسيا واليابان (لديهم معدات ثقيلة لتحليل الأشعة السينية).

- هل تم بالفعل إثبات فعالية الدواء؟

أجرينا تجارب على الفئران والجرذان التي طورت الأورام الميلانينية والأورام اللحمية. أدت دورة إدارة الدواء في معظم الحالات إلى الشفاء التام حتى في المراحل المتأخرة. وهذا هو، يمكننا أن نقول بالفعل بثقة أن البروتين لديه النشاط البيولوجي اللازم لعلاج السرطان.

لماذا تعتقد أن بروتين الصدمة الحرارية لن يساعد فقط في علاج الساركوما، ولكن أيضًا في أنواع أخرى من الأورام الخبيثة؟

ويعتمد الدواء الجديد على جزيء يتم تصنيعه بواسطة جميع أنواع الخلايا. ليس لها خصوصية. سيعمل الدواء على أنواع أخرى من الأورام بسبب هذا التنوع.

- هل سيكون من الضروري إرسال بروتين إلى الفضاء في كل مرة لتصنيع الدواء؟

لا. كان إنشاء بلورة في حالة انعدام الجاذبية مطلوبًا فقط للمرحلة العلمية من تطوير الأدوية. لقد أكدت تجربة الفضاء أننا نسير على الطريق الصحيح. وسيكون الإنتاج أرضيًا حصريًا. في الواقع، نحن ننتج الدواء بالفعل في مواقع الإنتاج التابعة لمعهد الأبحاث. وهو محلول بروتيني يمكن إعطاؤه للمرضى. نقوم بحقنه عن طريق الوريد في الفئران. ولكن ربما سنجد خلال التجارب السريرية أساليب أكثر فعالية - على سبيل المثال، قد يتبين أن التوصيل المستهدف للبروتين إلى الورم هو الأمثل.

- هل للدواء الجديد أي آثار جانبية؟

حتى الآن لم يتم تحديد أي مشاكل. أثناء الاختبار، لم يُظهر بروتين الصدمة الحرارية أي سمية. لكننا لن نتمكن أخيرًا من التوصل إلى نتيجة حول السلامة الكاملة للدواء إلا بعد الانتهاء من الدراسات قبل السريرية. وهذا سوف يستغرق سنة أخرى.

- وبعد ذلك يمكنك البدء في التجارب السريرية؟

يعتمد الأمر كليًا على ما إذا كان بإمكاننا العثور على مصدر تمويل لهم. بالنسبة للمرحلة ما قبل السريرية، حصلنا على منحة من وزارة التعليم والعلوم. التجارب السريرية مكلفة للغاية - حوالي 100 مليون روبل. وعادة ما يتم تنفيذها بشروط التمويل المشترك: يوجد مستثمر خاص يستثمر الأموال، وتعود الدولة بنسبة 50٪ في حالة الانتهاء بنجاح. ونعول على دعم وزارة الصناعة والتجارة أو وزارة الصحة.

-هل تم بالفعل العثور على مستثمر خاص؟

لا. أمامنا الكثير من العمل للعثور عليه. سيكون من الممكن دعوة اليابانيين للعمل كمستثمرين، لكني أود أن أبدأ بروسيا، لأن هذا تطور محلي. سنطرق كل الأبواب، لأن الدواء فريد من نوعه. نحن على وشك اكتشاف علاج جديد تمامًا للسرطان. سوف يساعد الأشخاص الذين يعانون من أورام غير قابلة للشفاء.

- هل يتم تنفيذ تطورات مماثلة في الخارج؟

سمعنا عن محاولات للحصول على عقار "بروتين الصدمة الحرارية" في دول مختلفة. ويجري تنفيذ هذا العمل، على سبيل المثال، في الولايات المتحدة واليابان. لكن حتى الآن لم ينشر أحد نتائجهم. وآمل أن نكون الآن متقدمين على زملائنا الأجانب في هذا الشأن. الشيء الرئيسي هو عدم التوقف على هذا الطريق. وهذا لا يمكن أن يحدث إلا لسبب واحد - وهو نقص التمويل.

- متى ستتمكن البشرية من الناحية الواقعية، وفي ظل كل الظروف المواتية، من الحصول على علاج للسرطان؟

تستغرق التجارب السريرية الكاملة عادةً من سنتين إلى ثلاث سنوات. لسوء الحظ، لن يعمل بشكل أسرع - هذه دراسة جادة. وهذا يعني أنه مع الأخذ بعين الاعتبار المرحلة النهائية من الدراسات ما قبل السريرية، سيحصل المرضى على دواء جديد خلال ثلاث إلى أربع سنوات.

في عام 1962 في إيطاليا، عالم الوراثة الشاب فيروتشيو ريتوسااكتشف تورم (نفخة) في بعض مناطق الكروموسوماتذبابة الفاكهة مع زيادة عشوائية في درجة الحرارة في منظم الحرارة. وتبين أن هذا مظهر من مظاهر تنشيط الجينات وكان يسمى " الاستجابة للصدمة الحرارية (وصلة ), وتمت تسمية البروتينات المحفزة بروتينات الصدمة الحرارية، HSP (بروتينات الصدمة الحرارية , HSP). تم العثور على هذه الفئة من البروتينات لاحقًا في جميع خلايا جميع الكائنات الحية - من البكتيريا إلى الإنسان.ومن المعروف أن مثل هذه الاستجابة تتجلى، بالإضافة إلى الحرارة، تحت مختلف العوامل البيولوجية (العدوى والالتهابات) والفيزيائية (الإشعاع ونقص الأكسجة) والكيميائية (الكحول والمعادن) وغيرها. تأثيرات الإجهاد. لهذا وتسمى أيضًا بروتينات الصدمة الحرارية بروتينات الإجهاد. زيادة التعبير عن بروتينات HSP تحمي الخلية عن طريق تثبيت الببتيدات المشوهة أو غير المطوية. تتراكم تحت مختلف التأثيرات الضارة ، تساعد بروتينات الصدمة الحرارية الخلية على الحفاظ على التوازن تحت الضغط (سم ).لا تستجيب بروتينات HSP للمواقف العصيبة الخارجية فحسب، بل تظهر في العديد من الأمراض، مثل التنكس العصبي، والاضطرابات الأيضية، والإصابات الإقفارية، والسرطان،وهو ما يحدد الاهتمام المتزايد بهذه البروتينات والبحث عن أدوات علاجية تنظم تفاعلاتها ( 2006 , 2007 , 2007 أ ).
تخدم بروتينات الصدمة الحرارية العلامات البيولوجية للحالة غير المواتية للجسم.

الاستجابة الخلوية للتوترينظم في المقام الأول على المستوى النسخ(DNA إلى RNA) باستخدام عوامل الصدمة الحرارية (عامل الصدمة الحرارية (HSF).) (). تحتوي عائلة HSF على 4 أنواع، منها HSF1 وHSF2 وHSF4 يتم التعبير عنها في الثدييات والبشر، حيث يكون HSF1 منشطًا عالميًا مستجيبًا للإجهاد، بينما يرتبط HSF2 بشكل أكبر بعمليات التمايز. وفي غياب الإجهاد، توجد هذه العوامل في النواة والسيتوبلازم في شكل أحادي وغير قادرة على الارتباط بالحمض النووي.ردا على الإجهاد HSF شكل قاطعات(متجانسات متجانسة HSF1 محتملة أو متجانسات متغايرة HSF1-HSF2) (سم .) والانتقال إلى النواة،أين يتصلون عناصر الصدمة الحرارية (HSE) - تسلسلات الحمض النووي المحددة في المروجين لجينات الصدمة الحرارية.

تالي الفسفرة من أدوات القطع HSFمصحوبا ب تفعيل النسخ الجيني للصدمة الحراريةوزيادة مستويات HSP، مما يؤدي إلى تشكيل مجمعات HSF-HSP. عندما يتوقف الإجهاد، تنفصل الأشكال الثلاثية من HSF عن الحمض النووي، وتتحول مرة أخرى إلى مونومرات غير نشطة، وتختفي الخلية يعود إلى تخليق البروتين الطبيعي (رابط).
من المفترض أن بروتينات الصدمة الحرارية نفسها يمكنها تنظيم التعبير عن جيناتها من خلالها "حلقة التنظيم الذاتي".وفقًا لهذه الفرضية، فإن الزيادة في تركيز البروتينات غير المطوية الناتجة عن الإجهاد تؤدي إلى ربط بروتينات HSP محددة وتفعيل HSF.

بروتينات الصدمة الحرارية كمرافقات جزيئية

أظهرت دراسة إضافية لفئة HSP أن هذه البروتينات لا تنتج عن الإجهاد فحسب، بل عن الكثير منها تعمل بشكل دستوري كماالمرافقون الجزيئيون، المشاركة في تثبيت وحركة الببتيدات غير الناضجة أثناء النمو الطبيعي.على سبيل المثال، تتواجد البروتينات Hsp70، Hsp90 بتركيزات عالية في الخلايا غير المجهدة، حيث تمثل 1-1.5% من إجمالي البروتين الخلوي، مما يشير إلى الحاجة المستمرة للخلية للحفاظ على التوازن المطابق لبروتيناتها. تم العثور على هذه البروتينات في العصارة الخلوية والميتوكوندريا والشبكة الإندوبلازمية والنواة. تتراوح الكتلة الجزيئية للمركبات HSPs بين 15-110 كيلو دالتون. البروتينات الأكثر دراسة في الثدييات هي بروتينات 60 و70 و90 و110 كيلو دالتون HSP، والتي تلعب أدوارًا مهمة في العمليات الأساسية داخل الخلايا، بدءًا من التأثيرات المضادة للخلايا وحتى كشف البروتين والاتجار داخل الخلايا.
وظائف HSPs كمرافقين يمكن اختزالها إلى ما يلي:
1. تجلطسلاسل بولي ببتيد غير ناضجة.
2. الإغاثة الحركاتالبروتينات من خلال حجرات خلوية مختلفة؛
3. تعديل نشاط البروتينمن خلال الاستقرار و/أو النضج إلى تكوين مؤهل وظيفيًا؛
4. دعم تكوين/انقسام البروتينات المتعددة المجمعات;
5. التصحيح مطوية بشكل غير صحيحالبروتينات.
6. حماية البروتينات من التجميع;
7. الاتجاه البروتينات التالفة تمامًا للانهيار;
8. التنظيم وحداتمن البروتينات المدمرة.
9. إذابة مجاميع البروتينلمزيد من التدهور.

المرافقون

يتم تنظيم نشاط بروتينات الصدمة الحرارية بواسطة بروتينات أخرى - المرافقون، والتي تساهم في الوظائف الأساسية لـ HSP. على الرغم من أن العديد من المرافقين عبارة عن بروتينات عصارية خلوية قابلة للذوبان، إلا أن بعضها يتموضع في الأغشية داخل الخلايا أو العناصر الهيكلية الخلوية. هؤلاء مرافقون متخصصونتشمل أوكسيلين، Tom70، UNC-45، متجانسات Bag-1. قد يشارك المرافقون في الأنشطة المعتمدة على ATP لـ HSP70 وHSP90، بما في ذلك وظائف مثل الإفراز ونقل البروتين وتكوين/انقسام مركب البروتين (رابط).
المرافقون المشاركون هيب، هوب، هوب، تشيب تعديل تبادل النوكليوتيدات وربط الركيزةتقوم بروتينات HSP70، بتنسيق طي البروتينات المركبة حديثًا، وتصحيح الطي غير الصحيح للبروتينات التالفة والمشوهة، وتوجيه نقل البروتينات عبر أغشية الخلايا، وتمنع تراكم البروتين وتنفيذ التحلل على طول المسار البروتيزومي ().

وظائف بعض المرافقين

بروتينات HSP70 مع المساهموننفذ على الأقل 2 أنشطة بديلة: منع تراكم البروتينات غير الأصلية عند الارتباط بالمناطق الكارهة للماء من جزيئات الركيزة، وحمايتها من التفاعلات بين الجزيئات (نشاط "الأمن"، "المالك".) ، وتساهم أيضًا في طي الوسائط غير الأصلية إلى حالتها الأصلية (نشاط "الطي"، "المجلد".).

HSP ودورة ATPase

يتم تمثيل بروتينات الصدمة الحرارية في الثدييات بـ 6 عائلات اعتمادًا على الوزن الجزيئي: Hsp100، Hsp90، Hsp70، Hsp60، Hsp40 وHsps الصغيرة (15 إلى 30 كيلو دالتون)، بما في ذلك Hsp27. تعتمد HSPs ذات الوزن الجزيئي العالي على ATP، في حين أن نشاط HSPs الصغيرة مستقل عن ATP.
وقد أظهرت البيانات الجينية والكيميائية الحيوية ذلك التحلل المائي ATPهو عنصر أساسي في نشاط المرافقة HSP70.ترتبط بروتينات هذه العائلة بالببتيدات الوسيطة من خلال دورات ربط ATP والتحلل المائي، ويصاحب تبادل ADP/ATP اللاحق إطلاق الببتيدات. تحتوي جزيئات HSP70 على منطقتين محفوظتين - ربط ATP للمحطة N(45 كيلو دالتون) و محطة C (15 كيلو دالتون)، ربط الببتيدات الكارهة للماء. في المنتصف توجد منطقة الغطاء الحلزوني ألفا الأكثر تغيرًا.يتفاعل HSP70 المرتبط بـ ATP ("الغطاء" مفتوحًا) بحرية مع الببتيدات غير الناضجة أو غير المطوية، مما يتسبب في تغييرات تكوينية تؤدي إلى تنشيط ATPase ويعزز الارتباط مع مرافق HSP40 المشارك، الذي يشجع الانتقال إلى مرتبط بـ ADP ("الغطاء"). "مغلق) النموذج. من أجل الاقتران الفعال للتحلل المائي ATP مع الارتباط والإطلاق اللاحق للركائز الببتيدية، تم استخدام مرافقين مشاركين من عائلة JDP (بروتينات المجال J) (؛).

بروتينات الصدمة الحرارية أثناء نقص التروية

تم إثبات الخصائص الوقائية للخلايا لبروتينات فئة HSP70 في العديد من التجارب نماذج من الاضطرابات الدماغيةفي المختبر وفي الجسم الحي (،،،،،،). في البداية، تم تفسير هذه الحماية من خلال عمل HSPs كمرافقين (الحفاظ على الطي الصحيح للبروتينات ومنع تجمعها)، ولكن بعد ذلك اتضح أن HSP70 يمكن أن يتفاعل بشكل مباشر مع البروتينات. مسارات موت الخلايا - موت الخلايا المبرمج والنخر.
كما يتبين من الشكل، نقص التروية الدماغيةيحفز موت الخلايا المبرمج بطرق مختلفة، وHSP70 يقلل من تأثير كل منهم. يتكون المسار "الجوهري" لموت الخلايا المبرمج من إطلاق مواد الميتوكوندريا المؤيدة للاستماتة، وفتح مسام الميتوكوندريا، وتنشيط الكاسبيزات (انظر). يتضمن المسار ("الخارجي") الآخر تنشيط مستقبلات غشاء البلازما (Fas وTNFR)، التي تحفز موت الخلايا المبرمج من خلال كاسباس 8 باستخدام عامل TRAF. بالإضافة إلى ذلك، فإن آليات موت الخلايا المبرمج المستقل عن الكاسبيز معروفة (انظر).
يمكن لبروتينات HSP70 أن تمنع إطلاق السيتوكروم سي (cyt c) من الميتوكوندريا وانتقال العامل المسبب لموت الخلايا المبرمج AIF إلى النواة، مما يقلل من تلف الدماغ الإقفاري (انظر)، وكذلك يمنع إطلاق البروتين المؤيد للموت المبرمج Smac. / DIABLO من الميتوكوندريا في الخلايا العضلية.
يؤدي التعبير عن HSP72 في الخلايا النجمية إلى انخفاض إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) والحفاظ على إمكانات غشاء الميتوكوندريا، وكذلك مستويات الجلوتاثيون وزيادة نشاط ديسموتاز الفائق أكسيد أثناء الاضطرابات الإقفارية في خلايا القلب.
زيادة التعبير عن HSP72 قادر على تقليل موت الخلايا المبرمج مباشرة من خلال زيادة مستويات Bcl-2 وعن طريق تثبيط انتقال العامل المسبب للاستماتة Bax.
ثبت أن بروتينات فئة HSP70 تمنع نزع فسفرة كيناز JNK (كيناز c-Jun N-terminal)، والذي يلعب دورًا مهمًا في موت الخلايا المبرمج للخلايا العصبية وهو أحد أهداف علاج السكتة الدماغية.
بالإضافة إلى ذلك، تتفاعل بروتينات Hsp مع التوبويزوميراز 1 (منظم موت الخلايا المبرمج) وهي مؤثرات للكيناز المهم المضاد للخلايا Akt/PKB (انظر). يعد التنشيط الكبير لبيروكسيداز الجلوتاثيون واختزال الجلوتاثيون بواسطة بروتينات الصدمة الحرارية عنصرًا أساسيًا في آلية عمل الحماية الخلوية لـ HSP أثناء نقص التروية ().

التأثير المضاد للالتهابات لبروتينات الصدمة الحرارية

بروتينات الصدمة الحرارية لها تأثير قوي مضاد للالتهابات عن طريق منع استجابات الخلايا للسيتوكينات الالتهابية مثل TNF و IL-1.
من المعروف أن الالتهاب ينتج أنواع ROS من خلال تنشيط إنزيم NO سينسيز (iNOS) وأكسيداز NADPH، مع حدوث iNOS استجابةً لإطلاق السيتوكين. يتفاعل أكسيد النيتروز (NO) الذي تم تصنيعه بواسطة iNOS مع الأكسيد الفائق لتشكيل عامل مؤكسد شديد السمية بيروكسينيتريت: -O2− + -NO → ONOO−
و HSP72 يمنع تعبير iNOS عن طريق تقليل تنشيط NFkappaB (رابط). بالإضافة إلى ذلك، تقلل بروتينات الصدمة الحرارية من نشاط أوكسيديز NADPH في العدلات وتنشط ديسموتاز الفائق أكسيد في الخلايا البالعة، كما تنظم نشاط البروتينات المعدنية المصفوفة في الخلايا النجمية.
يرتبط جزء كبير من التأثيرات داخل الخلايا لبروتينات HSP أثناء الالتهاب بتنظيمها لمسار العامل النووي NFκB، نظرًا لأن عوامل النسخ لهذه العائلة هي المشاركين الرئيسيين في إثارة الاستجابة الالتهابية.يتم تثبيط انتقال الثنائيات التي تشكل NFkB إلى النواة، حيث تحفز التعبير عن العديد من الجينات الالتهابية، بواسطة بروتينات الصدمة الحرارية من خلال التفاعل المباشر أو من خلال التأثير على مسارات إشارات NFkB.
لقد ثبت أيضًا أن Hsp72 يتفاعل مع مجمع IKK كيناز، وهو أمر ضروري لإطلاق NFkB وانتقاله إلى النواة.
وهكذا، تستخدم بروتينات فئة HSP70 العديد من المسارات لمنع العمليات الالتهابية في الجسم (مراجعة).

العمل خارج الخلية لبروتينات الصدمة الحرارية

لطالما اعتبرت بروتينات HSP السيتوبلازمية، مع وظائف تقتصر على الحيز داخل الخلايا. ومع ذلك، في الآونة الأخيرة كان هناك عدد متزايد من الملاحظات التي يمكن لهذه البروتينات يتم إطلاقها في البيئة خارج الخلية ويكون لها تأثير على الخلايا الأخرى. وقد ظهر هذا لأول مرة في الخلايا الدبقية للمحور العصبي العملاق للحبار، والتي انتقلت منها بروتينات HSP70 المنطلقة إلى المحور العصبي. قام العمل في العديد من المختبرات بدراسة تأثيرات HSP72 المشتقة من الخلايا النجمية أو خلايا شوان على الخلايا العصبية والمحاور المجاورة. تم أيضًا الحصول على تأثيرات خارج الخلية لـ HSP على الخلايا الظهارية، والخلايا الجنينية الجرذية، والخلايا الليمفاوية البائية، والخلايا الجذعية والورمية.
لقد ثبت أن HSP72 خارج الخلية يمكن أن يحفز إطلاق السيتوكينات (TNF، IL-6، IL-1beta) من الخلايا الوحيدة، والتي توفرها مستقبلات TLR2 وTLR4 وتفعيل NFkB.
يمكن أن تتفاعل HSPs خارج الخلية مع دهون غشاء الخلية وتندمج في الأغشية، وتشكل قنوات كاتيونية ذات بوابات ATP (انظر). بالإضافة إلى ذلك، فإن HSP72، من خلال التفاعل مع الفوسفاتيديل سيرين على سطح الخلايا المبرمج، يسرع موت هذه الخلايا.
هناك علاقة ذات دلالة إحصائية بين زيادة مستويات HSP70 في المصل وانخفاض تطور تصلب الشرايين كما تم قياسه بسمك الطبقة الداخلية السباتية ().
حقيقة أن المرضى الذين يعانون من قصور الشريان التاجي لديهم علاقة عكسية بين مستويات HSP70 في الدم وخطر الإصابة بهذا المرض، يظهر من خلال تصوير الأوعية الدموية للشريان التاجي (انظر).

دور بروتينات الصدمة الحرارية في الاستجابات المناعية

HSP والعلاج المضاد للسرطان

بروتينات الصدمة الحراريةيتم التعبير عنها بشكل كبير في العديد من أنواع السرطان البشري وتشارك في تكاثر الخلايا السرطانية وتمايزها وانتشارها والتعرف عليها بواسطة الجهاز المناعي. هم هي مؤشرات حيوية مفيدة للتسرطنفي بعض الأنسجة و تشير إلى درجة التمايز والعدوانية لأنواع معينة من السرطان. بالإضافة إلى ذلك، قد تكون مستويات الأجسام المضادة لـ HSP والأجسام المضادة لـ HSP موجودة مفيد لتشخيص السرطان. زيادة تعبير HSP قد يحدث أيضًا في بعض الأحيان التنبؤ بالاستجابة للعلاج المضاد للسرطان. على سبيل المثال، تورط HSP27 وHSP70 في مقاومة العلاج الكيميائي في سرطان الثدي، وتتنبأ مستويات HSP27 المرتفعة بضعف الاستجابة للعلاج الكيميائي في سرطان الدم. في الوقت نفسه، يشير تعبير HSP70 إلى تأثيرات علاجية كيميائية جيدة في الساركوما العظمية ( انظر المراجعة).
دورهم في تطوير العلاج المضاد للسرطان بمشاركة HSP وظيفة مزدوجة في الجسم: من جهة - داخل الخلايا مضاد للخلايا / مضاد لموت الخلايا المبرمج، ومن جهة أخرى - خارج الخلية / المناعية.
هذا سمح لنا بالتطور 2 استراتيجيات رئيسية في العلاج المضاد للسرطان:
1) التعديل الدوائي للتعبير HSP ونشاطها كمرافقين جزيئيين؛
2) استخدام HSPs في لقاحات السرطان بناءً على قدرتها على العمل كمواد مساعدة مناعية.

معظم واعدة كهدف دوائي مضاد للسرطانتبين أنه بروتين HSP90. مستواه 1-2٪ من إجمالي محتوى البروتين في حالة عدم وجود إجهاد وكميته البروتينات العميلةيتجاوز 100، ويرتبط الكثير منها بتكوين الأورام. تم العثور على زيادة في التعبير عن HSP90 في أورام الثدي وسرطان الرئة وسرطان الدم ومرض هودجكين والأورام اللمفاوية وغيرها من أنواع السرطان. ولذلك، فإن تثبيط HSP90 يمكن أن يعطل عددًا كبيرًا من مسارات الإشارات الجينية في وقت واحد. تعمل العديد من المختبرات على تطوير مثبطات HSP90 (، ، 2007a، 2007b، وما إلى ذلك).

مثبطات HSP90 الطبيعية - جيلداناميسين (GA) و17-أليلامينو-17-ديميثوكسيجيلداناميسين (17-AAG)- يتفاعل مع موقع ربط ATP لجزيء HSP90 بألفة أعلى من النيوكليوتيدات الطبيعية ويتداخل مع تحولات بروتين ATP-ADP، مما يعطل نشاط HSP90 كمرافق، وتتحلل بروتيناته العميلة بواسطة البروتيزوم. فمن الضروري أن مثبطات HSP90، أثناء إزالة البروتينات العميلة في الخلايا السرطانية، لا تؤثر على نفس البروتينات الموجودة في الأنسجة الطبيعية، نظرًا لأن تقاربها لـ HSP90 المعزول من الأورام أعلى بمقدار 20-200 مرة (انظر).
تعرف على المزيد حول مثبطات بروتين الصدمة الحرارية الطبيعية والاصطناعية وآليات عملها يمكن قراءتها في المراجعات , .

شكلت قدرة بروتينات الصدمة الحرارية على ربط ببتيدات المستضد الأساس النهج العلاجي المناعي لعلاج السرطان.يتم استخدام مجمعات الببتيد Hsp70 وGrp96 المعزولة من أورام مرضى السرطان اللقاحات المضادة للسرطانلعلاج السرطان والوقاية منه. تعمل بروتينات الصدمة الحرارية، بالإضافة إلى إظهار نشاط مرافق تجاه مستضدات الببتيد الورمي، على تسهيل دخول مجمعات الببتيد HSP إلى الخلايا بسبب الالتقام الخلوي للمستقبل. وقد أتاح هذا نقل اللقاحات المستندة إلى HSP بسرعة من الدراسات على النماذج الحيوانية إلى علاج السرطان في العيادة. يتم الحصول على أشكال محسنة من لقاحات HSP عن طريق عزل مجمعات الببتيد HSP70 من الخلايا الجذعية المندمجة مع الخلايا السرطانية.

برامود ك. سريفاستافا ( برامود ك. سريفاستافا، أستاذ الطب ومدير مركز العلاج المناعي للسرطان والأمراض المعدية في كلية الطب بجامعة كونيتيكت)- من أوائل الباحثين الذين درسوا دور بروتينات الصدمة الحرارية في جهاز المناعة. وبمشاركته، تم إنشاء شركة Antigenics، التي نجحت في تطوير لقاحات مضادة للسرطان تعتمد على HSPs المعزولة من أورام المرضى الفردية.

هذه الأدوية، المبنية على بروتينات الصدمة الحرارية المختلفة، تخضع حاليًا للتجارب السريرية.

بروتينات الصدمة الحرارية أثناء الشيخوخة

مع تقدم عمر الكائنات الحية، فإنها تفقد القدرة على الاستجابة بشكل مناسب للضغوط الخارجية والحفاظ على التوازن. تكون الخلايا القديمة أكثر عرضة للإصابة بالاضطرابات والأمراض، لذا فإن القابلية لهذه العوامل تزداد مع التقدم في السن.
خلال حياة البروتين المستقر، تحدث تغييرات مختلفة بعد الترجمة. ضعف استقرار البروتينبسبب العديد من التأثيرات الضارة - أكسدة السلاسل الجانبية، والتسكر، وتمييع بقايا الأسباراجينيل والجلوتامينيل، مما يؤدي إلى تكوين روابط إيزوبيبتيد. تزداد الحساسية للضرر السمي البروتيني بسبب أخطاء في النسخ والترجمة وتتجلى في شكل عيوب في طي البروتين. تتميز الشيخوخة بزيادة في تعديلات البروتين المرتبطة توازن التخثر (سم. ) . يتم تعطيل وظائف المرافقين، وتزداد الحاجة إلى تحلل البروتين، ولكن نشاط الجهاز البروتيني الرئيسي، البروتيزوم، يتناقص أيضًا مع تقدم العمرمما يؤدي إلى خطر التسكر. ويرافق التجميع أيضًا تثبيط البروتيزوم وتوقف دورة الخلية. مع العمر يتم أيضًا انتهاك تحلل البروتين الليزوزومي(ربما بسبب القمع بواسطة الليبوفوسين). يؤدي تراكم البروتينات غير المطوية وإضعاف آليات الحماية إلى ذلك

لا يتفق ألكسندر سابوزنيكوف مع هذا التبرير النظري لآلية عمل الدواء. ووفقا له، قد يعمل HSP70 بطريقة مختلفة، وهو ما لا يزال يتعين دراسته، ولكن تظل الحقيقة أنه في مزارع الخلايا وعدد من الأورام في سطرين من الفئران التي تم فيها تلقيح الخلايا السرطانية "البشرية"، يظهر البروتين بالفعل نشاط.

وفقًا لمؤلفي العمل، فإن درجة الحرارة التي يعملون بها مع HSP70 في مزارع الخلايا هي 43 درجة مئوية، وهي مرتفعة جدًا بالنسبة للكائنات الحية، ومع ذلك، يبدو أن هناك آليات أخرى متورطة، والتي لا تزال غير مفهومة أيضًا. وينطبق هذا أيضًا على عمل بروتين الصدمة الحرارية غير الخلوية الخارجي داخل الجسم. "كل واحد منا لديه مستويات عالية إلى حد ما من HSP70 في مجرى الدم - ما يصل إلى 900 نانوجرام لكل ملليلتر. قمنا بحقنه في الحيوان وحاولنا رؤية ما حدث للبروتين بعد ذلك. وفي غضون 40 دقيقة رأينا آثار HSP70 في الدم، ثم اختفت. هناك رأي مفاده أن البروتين يتحلل، لكننا لا نعتقد ذلك”.

نتائج مبهرة في انتظار التحقق

وتحدثت إيرينا جوزوفا أيضًا عن مزيد من الاختبارات للدواء: "لقد اختبرنا هذه الآلية على سرطان الجلد B16 في الفئران، والذي ينمو تحت الجلد، واستخدمناه على شكل هلام يوضع على سطح الجلد. وكانت النتيجة مبهرة: كان معدل بقاء الفئران على قيد الحياة أعلى بكثير من معدل بقاء الفئران في المجموعة الضابطة، التي عولجت بالهلام دون المادة الفعالة أو لم تعالج على الإطلاق. وكان الفارق حوالي عشرة أيام. بالنسبة للفئران وهذا النوع من الأورام، يعد هذا تأخيرًا جيدًا جدًا. وقد ظهرت نتائج مماثلة في الورم الدبقي C6 للفئران (وهو ورم ينمو مباشرة في الدماغ).

تم منح الحيوانات التي عولجت بحقنة واحدة في الدماغ عشرة أيام إضافية للعيش، في حين تم تمديد هذه المدة للحيوانات التي أعطيت البروتين بشكل مستمر لمدة ثلاثة أيام عبر مضخة لمدة عشرة أيام إضافية مع نمو الورم بشكل أبطأ. لقد أظهرنا أنه إذا استنزفت مجموعة الخلايا التائية من فأر مصاب بورم، وقمت بإزالة الخلايا القاتلة الطبيعية "المكتسبة" بالفعل أو الخلايا الليمفاوية الإيجابية لـ CD8، فإنها لن تتعرف على الورم أيضًا. يمكننا أن نستنتج أن الوظيفة الرئيسية لـ HSP70 في هذه العملية هي تنشيط مناعة محددة."

دفعت هذه البيانات العلماء إلى إجراء دراسة محدودة في عيادة بولينوف (معهد أبحاث جراحة الأعصاب في سانت بطرسبرغ). "في هذا الوقت، كان فريقنا يضم جراح الأعصاب مكسيم شيفتسوف، الذي، بالتزامن مع الدراسات العليا لبوريس ألكساندروفيتش، (مارجوليس، - ملاحظة الموقع)أكمل إقامته في معهد الأبحاث هذا. أقنع مشرفه البروفيسور خاتشاتوريان باختبار هذا الدواء. ووفقاً للتشريعات السائدة في ذلك الوقت، كان قرار المجلس العلمي والموافقة المستنيرة للمرضى كافيين، وتم تخصيص 25 مريضاً لنا. كان لديهم جميعًا أورام دماغية مختلفة، وحصلوا جميعًا على ما يحق لهم الحصول عليه بموجب التأمين، ولكن بالإضافة إلى ذلك، بعد الاستئصال الجراحي للورم، قام مكسيم بحقن محلول HSP70 في سرير العمليات.

المشكلة هي أن أورام المخ يصعب إزالتها بالكامل. هناك دائمًا قطع صغيرة متبقية من الخطر إزالتها، لأنه يمكن معها إزالة الشخصية، وهذه القطع تؤدي إلى الانتكاسات. لكن النتائج كانت مذهلة للغاية: بعد العملية، زاد عدد الخلايا المناعية المحددة لدى المرضى، وانخفض عدد الخلايا الليمفاوية التائية المؤيدة للورم ("التحول إلى جانب الورم")، كما انخفضت كمية الإنترلوكين- 10 (جزيء المعلومات في الجهاز المناعي) انخفض.

كانت الدراسة تجريبية فقط، وليست عشوائية، ولم تكن هناك مجموعة مراقبة، وتم إجراؤها في عام 2011. وفي العام نفسه، صدر قانون يحظر مثل هذه الاختبارات، وكان لا بد من وقفها بمجرد أن تبدأ. لدينا 12 مريضا غادروا. أي شخص مطلع على الجزء السريري من البحث لديه فكرة عن مدى صعوبة تتبع مصير المرضى بعد مغادرة كل منهم العيادة. لذلك، لا نعرف سوى ثمانية ممن ظلوا قابلين للاتصال، وجميعهم ما زالوا على قيد الحياة. في بداية خريف العام الماضي، كانوا يتمتعون بصحة جيدة، وأولئك الذين واصلوا الدراسة ذهبوا إلى المدرسة في الخريف، على الرغم من أن متوسط ​​توقعات العمر المتوقع مع اكتشاف الورم الدبقي هو 14 شهرًا.

الآن، وفقًا للمتحدثين، تقترب التجارب ما قبل السريرية من نهايتها، ويتطلب الدواء اختبارًا متعدد المراحل على المرضى، الأمر الذي سيستغرق عدة سنوات (ولهذا السبب تضمنت مقالة إزفستيا مثل هذه الفترة القصيرة جدًا من الوقت قبل دخول الدواء إلى السوق). السوق - 3-4 سنوات).

وشدد ألكسندر سابوزنيكوف أيضًا على أهمية التجارب السريرية: «الورم المطعم في الفئران والورم البشري هما السماء والأرض. قد يعمل الدواء على هذا الورم، لكنه يكون غير فعال سواء على ورم فأر عادي أو ورم بشري. طمئن زملائك، لا يوجد علاج لجميع الأمراض في وقت واحد”.

الباحثون أنفسهم يعتقدون ذلك. تقول إيرينا جوزوفا: "في هذه المراحل، كل شيء يعمل (وجيد جدًا)، ولكن بالطبع، هذا ليس الدواء الذي يثير لعازر، ومع ذلك، فهو فعال للغاية ويستحق الخضوع للتجارب السريرية. ونأمل أن يحدث هذا".

ببساطة الفضاء

قد يكون لدى القارئ سؤال معقول: من أين أتى الفضاء؟ توضح إيرينا جوزوفا: “الحقيقة أن الاختبارات تمت على أساس معهد المستحضرات عالية النقاء، الذي يتمتع موظفوه بخبرة جيدة في تسجيل براءات الاختراع وكتابة الأوراق، لذلك قدمنا ​​لهم هذا الأمر. وفي الوقت نفسه، بدأوا في إنتاج هذا البروتين، وقمنا بإجراء تجارب على الحيوانات. لكن في هذه العملية، اقترب منهم ممثل روسكوزموس وسألهم عما إذا كان لدينا نوع من البروتين غير المتبلور الذي يمكن بلورته في الفضاء، في المدار. وقد تم إعطاؤهم HSP70، وحاولوا زراعة بلورات في المدار، لكن لم ينجح أي شيء.

وتبين أن المشكلة تكمن في بنية البروتين. لقد تداخل جزء متحرك جدًا في بنية البروتين مع التبلور، لذلك بدأوا في محاولة بلورته إلى قطع، وربط الجزء المتحرك بجزيء خاص بحيث "يحتفظ به". ما زالوا يحاولون. "هذا هو المكان الذي نشأت فيه هذه القصة عن الخلايا التي تنمو في الفضاء وتشفي الجميع من السرطان"، تعلق إيرينا جوزوفا.

وقالت أيضًا إنه عند اختباره في الفضاء وعلى الفئران، تم إخضاع البروتين لدرجة عالية جدًا من التنقية - حوالي 99٪. أما بالنسبة للشكوك القائلة بأن ليس المحفز هو الذي ينشط الجهاز المناعي، بل عديد السكاريد الدهني (LPS) - وهو أحد مكونات جدار الخلية للبكتيريا التي يتم إنتاج هذا البروتين فيها - فإن هذا الاحتمال ضئيل. على الرغم من أن LPS "يلتصق" بـ HSP بقوة، فمن الصعب جدًا تنقية البروتين من شوائبه الدقيقة. ووضع العلماء ضوابط إضافية لإظهار أنه ليس هو، بل المرافق، هو سبب تأثير الدواء. على سبيل المثال، يمكن غلي الدواء، وهو ما لا يؤثر على LPS، ولكنه يدمر بنية البروتين. ثم يتم فقدان خصائص HSP الخاصة به ويتوقف الدواء عن العمل، وهو ما لم يكن ليحدث إذا كان LPS البكتيري بشكل أساسي هو الذي يعمل فيه.

بالإضافة إلى ذلك، قارن الباحثون تأثير إدخال مكونات جدار الخلية البكتيرية مع تأثير HSP70، ومن الواضح أن هذه المقارنات رجحت الأخير.

"لم نقول أي شيء غبي. و ماذا؟ "صفر عواطف!"

وتشير إيرينا إلى أن العلماء لم يكتشفوا بعد أي ردود فعل سلبية أثناء الاختبارات، لكنها قد تتأخر. "أعتقد أن الباحثة يجب عليها أولاً أن تجرب كل شيء بنفسها، وقد أكملت دورتين من العلاج المرافق. لم تكن هناك أي آثار جانبية، بل على العكس، كان يبدو أن القروح البسيطة قد اختفت والأجنحة تنمو خلف ظهري”.

ويشير الباحث إلى أنه “من ناحية أخرى، فإن كل ما ورد في وسائل الإعلام كان وصمة عار حقيقية”. - ولكن، كما يقولون، لن تكون هناك سعادة، لكن سوء الحظ سيساعد: يتلقى معهد الاستعدادات عالية النقاء بالفعل مكالمات مع عروض للمساعدة في التجارب السريرية. لقد تحدثنا في المؤتمرات وفي مختلف وسائل الإعلام المتواضعة، نتحدث عن نفس الشيء، ولكن نتحقق من كلامنا ولا نقول أي شيء غبي. و ماذا؟ - صفر العواطف! وبعد ذلك تومض هذا النوع من الثمالة عبر الشاشات، ومن فضلك! مثل هذا المجتمع المثير للاهتمام، مثل هذا البلد المثير للاهتمام.

ومع ذلك، وفقا لمصادر على الموقع، اضطر سيمبيرتسيف إلى إجراء المقابلة التي بدأت كل شيء. عرضت إجراء مقابلة لتحفيز الاهتمام بمشاكل المعهد وجذب تمويل إضافي للتجارب السريرية. بالإضافة إلى ذلك، هناك شائعات حول احتمال فقدان المعهد لكيانه القانوني بسبب عمليات اندماج المنظمات العلمية التي تحدث في جميع أنحاء البلاد. على ما يبدو، لم يكن العالم مستعدا لإخبار الصحيفة بالتفصيل وبشكل شعبي عما كان يحدث. ويشير المصدر إلى أن "هذه المرة، كل ما كان يمكن أن يساء فهمه، قد أسيء فهمه".

ونتيجة لذلك، أصبح الوضع أشبه بحكاية خرافية معروفة أكثر فأكثر، عندما تندفع روسكوزموس والوكالات الحكومية التي توزع المنح إلى السحاب، وتتوقع نتائج فورية من العلوم الأساسية، ويتحرك السرطان إلى الوراء، ويسكب الصحفيون المياه المنظمة. ومرة أخرى يجد العلم الروسي نفسه في موقف لا يحسد عليه، فيضطر إلى تبرير جرائم لم يرتكبها.

10.11.2018

التغيرات الهيكلية والوظيفية تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة.يؤثر التعرض لدرجات الحرارة المرتفعة في المقام الأول على سيولة الأغشية، مما يؤدي إلى زيادة نفاذيتها وإطلاق المواد القابلة للذوبان في الماء من الخلية. ونتيجة لذلك، يحدث اضطراب في العديد من وظائف الخلايا، وخاصة انقسامها. لذلك، إذا كانت جميع الخلايا تخضع لعملية الانقسام الانقسامي عند درجة حرارة 20 درجة مئوية، عند 38 درجة مئوية - كل خلية سابعة، وعند 42 درجة مئوية - فقط كل خمسمائة خلية.

زيادة سيولة الدهون الغشائية، الناجمة عن التغيرات في تكوين وبنية الغشاء أثناء ارتفاع درجة الحرارة، تؤدي إلى فقدان نشاط الإنزيمات المرتبطة بالغشاء وتعطيل نشاط ETC. من بين العمليات الرئيسية لإنتاج الطاقة - التمثيل الضوئي والتنفس، فإن عملية التمثيل الضوئي ETC هي الأكثر حساسية، وخاصة النظام الضوئي II (PSII). أما بالنسبة لإنزيمات التمثيل الضوئي، فإن الإنزيم الرئيسي لدورة التمثيل الضوئي C3، RuBP carboxylase، مقاوم تمامًا لارتفاع درجة الحرارة.

ارتفاع درجة الحرارة له تأثير ملحوظ على النظام المائي للنبات، مما يزيد من معدل النتح بسرعة وبشكل ملحوظ. ونتيجة لذلك، يعاني النبات من نقص المياه. إن الجمع بين الجفاف والحرارة والتعرض لأشعة الشمس العالية له أقصى تأثير سلبي على المحاصيل، حيث يعطل، إلى جانب عملية التمثيل الضوئي والتنفس ونظام الماء، امتصاص عناصر التغذية المعدنية.

الجوانب الجزيئية لأضرار الصدمة الحرارية.تؤدي الحرارة في المقام الأول إلى إتلاف البروتينات الموجودة في الخلية، وخاصة الإنزيمات، مما يعطل عملية التخليق الحيوي لبروتين دي نوفو، ويمنع نشاط الإنزيم، ويؤدي إلى تحلل البروتينات الموجودة. ونتيجة لذلك، قد تختفي مجموعات من الإنزيمات المهمة لعمل الخلايا أثناء فترات التوتر والإصلاح اللاحق. معظم الإنزيمات النباتية الرئيسية قابلة للتغير بالحرارة، بما في ذلك الروبيسكو والكاتالاز والهيئة العامة للسدود. تثبيط روبيسكو هو السبب الرئيسي لانخفاض IF عند درجة حرارة عالية. كما تمنع الحرارة أيضًا القدرة على تحويل السكروز إلى نشا في الشعير والقمح والبطاطس، مما يشير إلى أن واحدًا أو أكثر من الإنزيمات في سلسلة التحويل يتم تثبيطه بشدة بواسطة الحرارة. إن التأثير المباشر للحرارة على نشاط سينسيز النشا القابل للذوبان في السويداء القمح، سواء في المختبر أو في الجسم الحي، يؤدي إلى قمع تراكم النشا.

أعاقت درجات الحرارة المرتفعة نشاط الكاتالاز في العديد من أنواع النباتات، في حين لم يتم تثبيط نشاط الإنزيمات المضادة للأكسدة الأخرى. في الجاودار، كانت التغيرات في نشاط الكاتالاز قابلة للعكس ولم تترك أي ضرر واضح بعد توقف الحرارة، بينما في الخيار، تم تباطؤ (تثبيط) استعادة نشاط الكاتلاز ورافقه تغير لون الكلوروفيل، مما يشير إلى ضرر مؤكسد أكثر أهمية. في شتلات الذرة المزروعة في درجات حرارة مرتفعة (35 درجة مئوية)، كان نشاط SOD أقل منه في درجات حرارة منخفضة نسبيًا (10 درجات مئوية).

أدت الحرارة إلى تعطيل سلامة الأغشية، مما أدى إلى زيادة نفاذيتها للأيونات والمحاليل. وفي الوقت نفسه، تم تعطيل نشاط الإنزيمات المرتبطة بالغشاء في عملية التمثيل الضوئي والتنفس والاستيعاب. أدت الحرارة إلى زيادة درجة تشبع الأحماض الدهنية في الدهون الفوسفاتية الغشائية في الشبكة الإندوبلازمية. في ظل ظروف الحرارة الشديدة، تتضرر أغشيتها بشكل انتقائي، مما يتسبب في تحلل الرنا المرسال (3-الأميلاز). وفي الوقت نفسه، يؤثر تسرب المواد الناجم عن الحرارة عبر الأغشية على إمكانية الأكسدة والاختزال في الأجزاء الخلوية الرئيسية، والتي بدورها، يعطل مسار العمليات الأيضية حتى موت الخلايا.

تم التعرف مؤخرًا على الإجهاد التأكسدي باعتباره أحد أهم التأثيرات السلبية للحرارة على النباتات. تسبب الحرارة خللاً في التوازن بين كمية الإشعاع الشمسي التي تمتصها الأصباغ ونقل الإلكترونات من خلال السيتوكروم، وهي عملية تسمى التثبيط الضوئي. يمكن نقل الطاقة الزائدة إلى الأكسجين، مما يؤدي إلى تكوين ROS. المناطق الرئيسية للضرر التأكسدي في الخلايا هي الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء، حيث يتم تعطيل نقل الإلكترون. في البلاستيدات الخضراء، يؤدي الإجهاد الناتج عن درجات الحرارة المرتفعة إلى تثبيط ضوئي لعملية التمثيل الضوئي وتثبيط الكاتالاز، مما يؤدي إلى تراكم أنواع الأكسجين التفاعلية وتبييض الكلوروفيل. يُعرف النظام الضوئي II بأنه الأكثر حساسية للحرارة، مما يؤدي إلى تفكك المكونات الوظيفية لمجمع PS II، وبالتالي تعطيل نقل الإلكترون بين PS I وPS II، وزيادة في تدفق الإلكترونات إلى الأكسجين الجزيئي و تشكيل روس. ونتيجة لذلك، ينخفض ​​​​FI، وهو السبب الرئيسي لفقدان المحاصيل بسبب الحرارة.

بروتينات الصدمة الحرارية.تم اكتشاف تخليق بروتينات الصدمة الحرارية (HSPs) استجابة لارتفاع درجة الحرارة في عام 1974. وهي سمة مميزة لجميع أنواع الكائنات الحية، بما في ذلك النباتات العليا والدنيا. يتم تمثيل HSP في جميع الكائنات الحية بواسطة مجموعة كبيرة من الببتيدات، والتي يتم تسميتها عادةً وفقًا لوزنها الجزيئي، معبرًا عنه بالكيلودالتون (kDa). على سبيل المثال، يُطلق على HSP ذو الوزن الجزيئي 70 كيلو دالتون اسم HSP 70. ويُشار إلى الدور الهام لـ HSP في حياة الخلايا من خلال الحفاظ العالي على تطورها. وهكذا، فإن المناطق الفردية في تطور HSP 70 تحتفظ بأكثر من 90% من التماثل في البكتيريا والبشر. يتم تمثيل HSPs النباتية بواسطة مجموعة من البروتينات ذات الوزن الجزيئي العالي (110-60 كيلو دالتون) والبروتينات ذات الوزن الجزيئي المنخفض (35-15 كيلو دالتون). السمات المميزة للنباتات هي تعدد HSPs منخفض الوزن الجزيئي والكثافة العالية لتخليقها أثناء الصدمة الحرارية (HS).

اصطناع HSP هو برنامج إجهاد ينجم عن الصدمة الحرارية ويحدث عندما ترتفع درجة الحرارة بمقدار 8-10 درجات مئوية فوق المعدل الطبيعي. وهكذا، في أوراق الشعير، يتم تحقيق الحد الأقصى لتوليف HSPs عند 40 درجة مئوية، وفي أوراق الأرز - عند 45 درجة مئوية. يتضمن تحويل الحياة الطبيعية للخلية إلى برنامج الإجهاد إعادة برمجة الجينوم المرتبطة بتثبيط التعبير عن الجينات التي يكون نشاطها مميزًا للحياة في الظروف العادية وتفعيل جينات TS. في الخلايا النباتية، يتم الكشف عن مرنا ترميز HSPs بعد 5 دقائق من بداية الإجهاد. بالإضافة إلى ذلك، يحدث تفكك الجسيمات المتعددة التي تصنع البروتينات النموذجية للظروف الطبيعية، وتكوين الجسيمات المتعددة التي تصنع البروتينات HSPs. يتم تحقيق التنشيط السريع لتوليف HSP على مستوى ليس فقط النسخ (توليف الحمض النووي الريبي على الحمض النووي)، ولكن أيضًا الترجمة (تخليق البروتين على الرنا المرسال) نتيجة لتنسيق العديد من الأحداث. تسبب الصدمة الحرارية تغيرات في الرنا المرسال الذي تم تصنيعه في الخلية قبل الصدمة، ويرتبط ذلك بتعديل عوامل ترجمة البروتين وبروتينات الريبوسوم. بالإضافة إلى ذلك، تختلف جزيئات HSP mRNA عن جزيئات mRNA الخاصة بالبروتينات العادية. نتيجة لـ HS، يضعف تخليق البروتينات التقليدية ثم يتوقف ويتحول جهاز تخليق البروتين إلى تخليق HSPs، والتي تم اكتشافها في الخلية بالفعل بعد 15 دقيقة من بدء HS. ويلاحظ الحد الأقصى للتوليف بعد 2-4 ساعات، ثم ينخفض.

يحدث تخليق مختلف HSPs في درجات حرارة مختلفة. في البلاستيدات الخضراء، تم تنشيط تخليق HSPs عالي الوزن الجزيئي في نطاق 34-42 درجة مئوية، وضعفت عند 44 درجة مئوية، وانخفضت بشكل حاد عند 46 درجة مئوية. كان تحفيز تخليق HSPs منخفض الوزن الجزيئي ملحوظًا بشكل خاص عند 40-42 درجة مئوية. حدث تثبيط كبير لتخليق روبيسكو فقط عند درجات حرارة أعلى من 44 درجة مئوية. يتم تشفير جميع البلاستيدات الخضراء HSPs المكتشفة تقريبًا في النواة، ويتم تصنيعها في السيتوبلازم، ثم يتم نقلها إلى البلاستيدات الخضراء، حيث تؤدي وظيفة وقائية أثناء HS. بعد انتهاء الصدمة الحرارية، يتوقف تخليق HSPs ويستأنف تخليق البروتينات المميزة للخلية في ظل ظروف درجة الحرارة العادية. في هذه الحالة، يتم تدمير HSP mRNA بسرعة في الخلايا عند درجات الحرارة العادية، في حين أن البروتينات نفسها يمكن أن تستمر لفترة أطول بكثير، مما يوفر على ما يبدو زيادة في مقاومة الخلايا للحرارة. عادةً ما يؤدي تعرض الخلايا لفترات طويلة لظروف HSP أيضًا إلى إضعاف وتوقف تخليق HSP. في هذه الحالة، يتم تنشيط آليات تنظيم التعبير الجيني لـ HSP وفقًا لمبدأ التغذية الراجعة. يؤدي تراكم HSPs في الخلايا إلى تقليل نشاط جيناتها. ربما بهذه الطريقة تحافظ الخلية على كمية HSP عند المستوى المطلوب، مما يمنع الإفراط في إنتاجها.

كقاعدة عامة، استجابة لارتفاع درجة الحرارة، يتم تصنيع البروتينات المقابلة، مما يساعد على زيادة المقاومة الحرارية للجسم. يتم وصف الدور الوقائي لـ HSP من خلال نموذج المرافقة الجزيئية (مترجم من الإنجليزية - دليل ومرشد لشاب). في ظل الظروف القاسية، تقوم HSPs "بحماية" عمل جزيئات كبيرة محددة وهياكل خلوية، وتحرير الخلايا من المكونات التالفة، مما يسمح بالحفاظ على التوازن الخلوي. يعتمد تفاعل HSP 70 مع البروتينات الأخرى على نسبة ATP/ADP. من المعتقد أن HSP 70، في مجمع مع ADP، يحتفظ بالبروتين غير المنسوج، واستبدال ADP بـ ATP يؤدي إلى إطلاق هذا البروتين من المجمع مع HSP 70.

وفقًا لهذا النموذج، تعمل HSPs على زيادة الاستقرار الحراري للخلايا، مما يوفر العمليات التالية: التثبيت المعتمد على الطاقة للبنية الأصلية للبروتينات؛ التجميع الصحيح للهياكل قليلة القسيمات في ظل ظروف ارتفاع الحرارة. نقل المواد عبر الأغشية العضوية. تصنيف المجمعات الجزيئية المجمعة بشكل غير صحيح؛ تحرير الخلية من الجزيئات الكبيرة المشوهة وإعادة تدوير المونومرات الموجودة فيها بمساعدة اليوبيكويتين. اليوبيكويتين عبارة عن بروتينات صدمة حرارية ذات وزن جزيئي منخفض، وارتباطها بالبولي ببتيد يجعلها هدفًا للبروتياز. هذا نوع من "علامة الموت" للبروتينات. وبمساعدتهم، يتم التخلص من البروتينات التالفة وغير المكتملة نتيجة لعمل HS.

هناك عدد من الحقائق تدعم الوظيفة الوقائية لـ HSP في HS. على وجه الخصوص، فقد ثبت أن إيقاف تخليق البروتين باستخدام مثبطات معينة أثناء HS، عندما يحدث تخليق HSP، يؤدي إلى موت الخلايا. يمكن تقوية الخلايا، مما يزيد من ثباتها الحراري عن طريق تعريضها لفترة وجيزة لدرجات حرارة مرتفعة. تتزامن شروط هذا التصلب مع ظروف تحفيز تخليق HSP. ومن المثير للاهتمام أن تخليق HSPs في النباتات لا يتم تحفيزه بواسطة HSPs فحسب، بل أيضًا، على سبيل المثال، عن طريق أملاح الكادميوم والزرنيخ، والتي تؤدي معالجتها إلى زيادة مقاومة الخلايا للحرارة. من المهم أيضًا التأكيد على أن التغييرات في بنية الجينات (الطفرات) التي تعطل تخليق HSPs تؤدي إلى فقدان مقاومة الخلايا للتدفئة. إن الدراسات الإضافية للوظيفة المحددة لكل HSP تحت الضغط ستجعل من الممكن توضيح الآليات الجزيئية لتشكيل وعمل الخصائص الوقائية أثناء HSP.

تحتوي معظم بروتينات HS على بروتينات مرتبطة في الخلايا، والتي يتم تصنيعها في درجات حرارة طبيعية باستمرار أو خلال مراحل معينة من تكوين الجنين. وتبين أن هذه البروتينات، وخاصة HSP 70، ترتبط ببروتينات أخرى، مما يؤدي إلى انتشارها ومنع تراكمها. هذا الأخير يمكن أن يمنع البروتين من الحصول على التشكل الأصلي اللازم لنشاطه الوظيفي. يعد كشف البروتينات بواسطة HSPs ضروريًا لاختراقها عبر غشاء البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا والشبكة الإندوبلازمية. نظرًا لأن تراكم البروتين يزداد بشكل حاد مع زيادة درجة الحرارة، فإن تنشيط تخليق HSP 70 في ظل هذه الظروف من شأنه أن يحمي البروتينات من التلف الذي لا رجعة فيه. توجد HSPs في جميع حجرات الخلايا، وخاصة النواة والنواة، حيث تتراكم خلال HS. يعزز HSP 70 مرور سلائف البلاستيدات الخضراء وبروتينات الميتوكوندريا المصنعة في السيتوبلازم عبر الغشاء، مما يلعب دورًا في التكاثر الحيوي لهذه العضيات. HSP 60، المرتبط أيضًا بالمرافقين، يُسمى أيضًا بالمرافقين. تضمن هذه البروتينات التجميع الصحيح للبنية الرباعية للبروتينات الخلوية، مثل إنزيم التمثيل الضوئي الرئيسي روبيسكو، والذي يتكون من ثماني وحدات فرعية كبيرة وثماني وحدات فرعية صغيرة. تضم مجموعة المرافقين أيضًا HSP 90، الذي يلعب دورًا مهمًا في تكوين مجموعة معقدة من الهرمونات الستيرويدية مع مستقبلاتها. بالإضافة إلى ذلك، يشكل HSP 90 مجمعات تحتوي على بعض كينازات البروتين، مما يتحكم في نشاطها. من المعروف أن كينازات البروتين تعمل على فسفرة مجموعة متنوعة من البروتينات الخلوية، وتنظيم نشاطها.

تم العثور على أكثر من 30 من HSPs ذات الوزن الجزيئي المنخفض (15-35 كيلو دالتون) في النباتات، متمركزة بشكل رئيسي في حبيبات الصدمة الحرارية السيتوبلازمية التي تظهر أثناء HS وتختفي بعد ذلك. وتتمثل وظيفتها الرئيسية في حماية mRNAs "ما قبل الصدمة"، مما يسمح باستخدام الأخير لتخليق البروتين بعد نهاية الصدمة. تم العثور على HSPs ذات الوزن الجزيئي المنخفض أيضًا في حجيرات أخرى، خاصة في البلاستيدات الخضراء. ويعتقد أنها تحمي أغشية الثايلاكويد، حيث تتم ترجمة عمليات المرحلة الضوئية من عملية التمثيل الضوئي، من H2S.

في بعض النباتات، تم الكشف عن التوليف التأسيسي (غير المستحث) للمركبات HSPs أثناء تكوين حبوب اللقاح، على وجه الخصوص. من الممكن أن تضمن HSPs قبل الصدمة ثباتها الحراري أثناء HS. بالإضافة إلى HSPs، فإن الحرارة تحفز التعبير عن فئات أخرى من البروتينات، وخاصة الكالموديولين.

التمثيل الغذائي في ظل ظروف الصدمة الحرارية.هناك عدد قليل جدًا من الدراسات المستهدفة لاستقلاب النبات تحت تأثير H2S، وفي هذه التجارب غالبًا ما يعمل كل من H2S والجفاف في وقت واحد. هذه نقطة مهمة جدًا، نظرًا لأن استجابة النباتات لمزيج من الجفاف وH2S تختلف عن الاستجابة للضغوطات الفردية. وهكذا، تحت مجموعة من الضغوط، تراكمت لدى النباتات العديد من السكريات القابلة للذوبان، بما في ذلك السكروز والمالتوز والتريكالوز والفركتوز والجلوكوز. تحت تأثير الجفاف، يتراكم البرولين، ولكن تحت تأثير H2S، بالإضافة إلى مزيج من H2S والجفاف، لم يتراكم البرولين في النباتات. في ظل ظروف HS، يكون البرولين أو وسيطه (البيرولين -5-كربوكسيلات) سامًا، لذا فإن البرولين غير مناسب كأوسموليت متوافق. مع العمل المتزامن لـ H2S والجفاف، يزداد محتوى الجلوتامين بشكل حاد. على ما يبدو، عندما يتم تثبيط التخليق الحيوي للبرولين، يتحول الغلوتامات إلى الجلوتامين. في الوقت نفسه، يتم تنشيط الجينات التي تشفر تكسير النشا والتخليق الحيوي للدهون، ويزداد أيضًا التعبير عن الجينات التي تشفر الهيكسوكيناز، ونازعة هيدروجين الجلوكوز 6 فوسفات، والفركتوكيناز، والسكروز-UDP-ناقلة الجلوكوزيل. إن التغيرات في التعبير الجيني على مستوى النسخ هي التي تمثل العامل الرئيسي في إعادة برمجة استقلاب الكربوهيدرات.

تحت تأثير H2S على شتلات الأرابيدوبسيس، تم إنشاء زيادة متزامنة في حجم مجموعات عدد من الأحماض الأمينية والأميدات (الأسباراجين، الليوسين، الأيزوليوسين، الثريونين، الألانين والفالين) التي تم الحصول عليها من AP وPVA. بالإضافة إلى ذلك، زاد محتوى الكربوهيدرات: المالتوز، السكروز، الجالاكتينول، الميوينوسيتول، الرافينوز والسكريات الأحادية، سلائف جدار الخلية. بالفعل بعد 6 ساعات، زادت تركيزات ب-ألانين، والجلسرين، والمالتوز، والسكروز، والتريكالوز.

التمثيل الضوئي والنتح والتنفس.المؤشر الذي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بتنظيم استقلاب ثاني أكسيد الكربون والماء في النباتات هو توصيل الثغور. تشير الأدلة الشاملة إلى أن درجات الحرارة المرتفعة تؤدي إلى إغلاق الثغور، وهو ما يمكن اعتباره استجابة غير مباشرة لاعتماد درجة الحرارة على عجز ضغط بخار الماء وتنفس الأوراق. وبالتالي، فإن الإغلاق الجزئي للثغور هو نتيجة لزيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون داخل الخلايا. ومع ذلك، فإن الإغلاق المطلوب للثغور لا يؤدي إلى انخفاض في عملية التمثيل الضوئي، لأن الاعتماد على درجة حرارة توصيل الثغور وIF لا يتطابقان. وبالتالي، تزداد توصيلية الثغور عند درجات الحرارة التي يتم فيها تثبيط عملية التمثيل الضوئي بشكل لا رجعة فيه.

على الرغم من أن توصيل الثغور لا يبدو أنه يؤثر بشكل مباشر على IF، إلا أنه يساعد في تنظيم النتح، والذي، من خلال التحكم في درجة حرارة الورقة، يؤثر على تحمل الحرارة لعملية التمثيل الضوئي. في محاصيل بعض المحاصيل، مع وجود إمدادات كافية من الرطوبة، يمكن أن تكون درجة حرارة الهواء بسبب التنظيم الحراري أقل بحوالي 8 درجات مئوية من درجة حرارة الهواء فوق المحصول. وفي الوقت نفسه، عندما يكون هناك نقص في الرطوبة في التربة، يمكن ملاحظة الصورة المعاكسة - درجة حرارة الأوراق في المحصول تتجاوز درجة حرارة الهواء المحيط بحوالي 15 درجة مئوية، مما يعزز التأثير السلبي لنقص الماء على لو.

معدل التمثيل الضوئي الصافي للقمح ومعظم محاصيل C3 مستقر تمامًا في حدود 15-30 درجة مئوية. أقل من نطاق درجة الحرارة هذا وفوقه، ينخفض ​​IF بنسبة 5-10% لكل درجة (الشكل 3.1). إن التغير الطفيف نسبيًا في صافي التمثيل الضوئي في حدود 15-30 درجة مئوية لا ينبغي أن يخفي حقيقة أن التمثيل الضوئي الإجمالي يزداد فعليًا مع زيادة درجة الحرارة. ومع ذلك، نظرًا للزيادة المتزامنة في معرف النبات بأكمله وخاصة التنفس الضوئي، فإن شدة التمثيل الضوئي الصافي تتغير قليلاً.

هناك اختلافات ملحوظة بين المحاصيل C3 وC4 في هذا الصدد، مع ملاحظة الكثافة المثلى لعملية التمثيل الضوئي الصافي في الأنواع C4 عند درجات حرارة أعلى (30-40 درجة مئوية). التنفس الضوئي الخاص بهم غير مهم، ونتيجة لذلك فإن الزيادة في تثبيت ثاني أكسيد الكربون مع زيادة درجة الحرارة لا يتم حجبها بتكاليف التنفس الضوئي. في الواقع، فإن ارتفاع درجة الحرارة المثلى لعملية التمثيل الضوئي الصافي في الأنواع C4 مقارنة بالأنواع C3 يتم تفسيرها بانخفاض تكاليف الجهاز التنفسي عند درجات حرارة مرتفعة في السابق. يتم ملاحظة التغيرات التي لا رجعة فيها في جهاز التمثيل الضوئي الخاص بهم فقط عندما تتجاوز درجة الحرارة 40 درجة مئوية، ويرجع ذلك أساسًا إلى تلف PS II الذي يحدث في غضون دقائق قليلة بعد بداية عمل H2S، والذي له تأثير حاسم على المحصول.