Informatie

4.3: Katalysemechanismen - Biologie


Een afdrukbare versie van deze sectie is hier: BiochemFFA_4_3.pdf. Het volledige leerboek is gratis verkrijgbaar bij de auteurs op http://biochem.science.oregonstate.edu/content/biochemistry-free-and-easy

De magie van enzymen ligt, zoals opgemerkt, in hun vermogen om elektronische omgevingen te creëren die bevorderlijk zijn voor het initiëren van een reactie. Er zijn meer reactiemechanismen dan we ooit zouden kunnen hopen te behandelen in een boek als dit, en een uitgebreide bespreking hiervan is niet ons doel. In plaats daarvan zullen we enkele voorbeelden aanhalen en in detail ingaan op een daarvan - het werkingsmechanisme van serineproteasen.

Chymotrypsine

We zullen beginnen met het werkingsmechanisme van één enzym - chymotrypsine. De katalytische activiteit van chymotrypsine, die in ons spijsverteringsstelsel wordt aangetroffen, is het splitsen van peptidebindingen in eiwitten en het gebruikt de zijketen van een serine in zijn katalysemechanisme. Veel andere eiwitsnijdende enzymen maken gebruik van een vergelijkbaar mechanisme en staan ​​gezamenlijk bekend als serineproteasen (Figuur 4.52).

Deze enzymen worden aangetroffen in prokaryote en eukaryote cellen en gebruiken allemaal een gemeenschappelijke set van drie aminozuren in de actieve plaats, een katalytische triade genaamd (Figuur 4.53). Het bestaat uit asparaginezuur, histidine en serine. De serine wordt geactiveerd in het reactiemechanisme om een ​​nucleofiel te vormen in deze enzymen en geeft de klasse hun naam. Met uitzondering van de herkenning die plaatsvindt op de substraatbindingsplaats, zou het hier getoonde mechanisme voor chymotrypsine van toepassing zijn op elk van de serineproteasen.

Specificiteit:

Als protease werkt chymotrypsine vrij specifiek en verbreekt het niet alle peptidebindingen, maar alleen die die grenzen aan relatief niet-polaire aminozuren in het eiwit. Een van de aminozuren waar het naast snijdt, is fenylalanine. De werking van het enzym vindt plaats in twee fasen: een snelle fase die eerst optreedt en een langzamere fase die volgt. Het enzym heeft een substraatbindingsplaats die een gebied van het enzym omvat dat bekend staat als de S1-pocket. Laten we het mechanisme doorlopen waarmee chymotrypsine naast fenylalanine snijdt.

Substraatbinding

Het proces begint met de binding van het substraat in de S1-pocket (Figuur 4.54). De S1-pocket in chymotrypsine heeft een hydrofoob gat waarin het substraat is gebonden. Voorkeurssubstraten zullen aminozuurzijketens omvatten die volumineus en hydrofoob zijn, zoals fenylalanine. Als een geïoniseerde zijketen, zoals die van glutaminezuur, bindt in de S1-pocket, zal deze snel naar buiten gaan, net zoals water een olieachtig interieur zou vermijden.

Vormverandering bij binding

Wanneer het juiste substraat in de S1-pocket bindt, veroorzaakt de aanwezigheid ervan een zeer kleine verandering in de vorm van het enzym. Deze subtiele vormverandering op de binding van het juiste substraat begint de stappen van de katalyse. Aangezien het katalytische proces pas begint wanneer het juiste substraat bindt, is dit de reden dat het enzym specificiteit vertoont voor het snijden op specifieke aminozuren in het doeleiwit. Alleen aminozuren met de zijketens die goed samenwerken met de S1-pocket, beginnen de katalysatorwielen te draaien.

De lichte vormveranderingen hebben betrekking op veranderingen in de positionering van drie aminozuren (asparaginezuur, histidine en serine) in de actieve plaats die bekend staat als de katalytische triade.

De verschuiving van het negatief geladen asparaginezuur naar de elektronenrijke histidinering bevordert de onttrekking van een proton door de histidine van de hydroxylgroep aan de zijketen van serine, wat resulteert in de productie van een zeer reactief alkoxide-ion in de actieve plaats (Figuur 4.55 ).

Aangezien de actieve plaats op dit punt ook de polypeptideketen bevat die is gepositioneerd met de fenylalanine-zijketen ingebed in de S1-pocket, voert het alkoxide-ion een nucleofiele aanval uit op de peptidebinding aan de carboxylkant van fenylalanine die in de S1-pocket zit (Figuur 4.56) . Deze reactie verbreekt de peptidebinding (Figuur 4.57) en zorgt ervoor dat er twee dingen gebeuren.

Eerst wordt één uiteinde van het oorspronkelijke polypeptide vrijgemaakt en verlaat het de actieve plaats (Figuur 4.58). De tweede is dat het uiteinde dat de fenylalanine bevat, covalent is gebonden aan de zuurstof van de serinezijketen. Op dit punt hebben we de eerste (snelle) fase van de katalyse afgerond.

Langzame tweede fase

De tweede fase van de katalyse door chymotrypsine is langzamer. Het vereist dat de covalente binding tussen fenylalanine en de zuurstof van serine wordt verbroken, zodat het peptide kan worden vrijgegeven en het enzym kan terugkeren naar zijn oorspronkelijke staat. Het proces begint met het binnendringen van water in de actieve site. Water wordt aangevallen op een manier die vergelijkbaar is met die van de serinezijketen in de eerste fase, waardoor een reactieve hydroxylgroep ontstaat (Figuur 4.59) die een nucleofiele aanval uitvoert op de fenylalanine-serinebinding (Figuur 4.60), deze vrijgeeft en het proton vervangt op serine. Het tweede peptide komt vrij tijdens het proces en de reactie is voltooid met het enzym terug in zijn oorspronkelijke staat (Figuur 4.61).

Serine proteasen

De lijst van serineproteasen is vrij lang. Ze zijn gegroepeerd in twee brede categorieën - 1) die die chymotrypsine-achtig zijn en 2) die die subtilisine-achtig zijn. Hoewel subtilisine-type en chymotrypsine-achtige enzymen hetzelfde werkingsmechanisme gebruiken, inclusief de katalytische triade, zijn de enzymen verder niet op volgorde van elkaar verwant en lijken ze onafhankelijk te zijn geëvolueerd. Ze zijn dus een voorbeeld van convergente evolutie - een proces waarbij evolutie van verschillende vormen samenkomt in een structuur om een ​​gemeenschappelijke functie te bieden.

De serineprotease-enzymen knippen naast specifieke aminozuren en de specificiteit wordt bepaald door de grootte/vorm/lading van de aminozuurzijketen die in de S1-bindingsholte van het enzym past (Figuur 4.62).

Voorbeelden van serineproteasen omvatten trypsine, chymotrypsine, elastase, subtilisine, signaalpeptidase I en nucleoporine. Serineproteasen nemen deel aan veel fysiologische processen, waaronder bloedstolling, spijsvertering, voortplanting en de immuunrespons.

Cysteïne proteasen

Cysteïneproteasen (ook bekend als thiolproteasen) katalyseren de afbraak van eiwitten door peptidebindingen te splitsen met behulp van een nucleofiel thiol van een cysteïne (Figuur 4.63). De cysteïne wordt typisch gevonden in een katalytische dyade of triade waarbij ook histidine en (soms) asparaginezuur betrokken zijn (heel erg zoals serineproteasen). De sulfhydrylgroep van cysteïneproteasen is zuurder dan de hydroxylgroep van serineproteasen, dus het asparaginezuur van de triade is niet altijd nodig.

Het werkingsmechanisme lijkt sterk op dat van serineproteasen. Binding van het juiste substraat resulteert in activering van de thiol (verwijdering van het proton door de histidinegroep). De geactiveerde thiol werkt als een nucleofiel, valt de peptidebinding aan en zorgt ervoor dat deze breekt. Eén peptide komt vrij en het andere peptide wordt covalent gebonden aan de zwavel. Hydrolyse door water maakt het tweede peptide vrij en voltooit de cyclus. Voorbeelden van cysteïneproteasen omvatten papaïne, caspases, hedgehog-eiwit, calpaïne en cathepsine K.

Caspases

Caspasen (Cysteine-ASPartic ProteASE's) zijn een familie van cysteïneproteasen die een belangrijke rol spelen in het lichaam. Op cellulair niveau werken ze bij apoptose en necrose en in het lichaam zijn ze betrokken bij ontstekingen en het immuunsysteem. Rijping van lymfocyten is zo'n rol. Ze zijn echter het best bekend vanwege hun rol bij apoptose, wat aanleiding heeft gegeven tot beschrijvingen van hen als "beul"-eiwitten of "zelfmoordproteasen" die cellen ontmantelen bij geprogrammeerde celdood.

Er zijn 12 bekende menselijke caspases. De enzymen worden gesynthetiseerd als pro-caspase-zymogenen met een prodomein en twee andere subeenheden. Het prodomein bevat gebieden die het mogelijk maken om te interageren met andere moleculen die de activiteit van het enzym reguleren. De caspases zijn er in twee vormen. De initiator caspases activeren, indien geactiveerd, de effector caspases. De effector caspases splitsen andere eiwitten in de cel. Doelen voor effector-caspase-splitsingsactie omvatten de nucleaire lamins (vezelachtige eiwitten die structurele integriteit aan de kern verschaffen), ICAD/DFF45 (een remmer van DNAse), PARP (markeert gebieden waar DNA-herstel nodig is) en PAK2 (apoptotische regulatie).

De caspase-activeringscascade kan zelf worden geactiveerd door granzyme B (een serineprotease uitgescheiden door natuurlijke killercellen en cytotoxische T-cellen), cellulaire doodsreceptoren en het apoptosoom (grote eiwitstructuur in apoptotische cellen gestimuleerd door afgifte van cytochroom C uit de mitochondriën ). Elk van deze activatoren is verantwoordelijk voor het activeren van verschillende groepen caspases.

Metalloproteasen

Metalloproteasen (Figuur 4.64) zijn enzymen waarvan het katalytische mechanisme voor het verbreken van peptidebindingen een metaal omvat. De meeste metalloproteasen gebruiken zink als hun metaal, maar een paar gebruiken kobalt, gecoördineerd aan het eiwit door drie aminozuurresiduen met een labiel water op de vierde positie. Er wordt een verscheidenheid aan zijketens gebruikt - histidine, aspartaat, glutamaat, arginine en lysine. Het water is het doelwit van de werking van het metaal dat, na binding van het juiste substraat, een proton abstraheert om een ​​nucleofiele hydroxylgroep te creëren die de peptidebinding aanvalt en deze splitst (Figuur 4.64). Omdat de nucleofiel hier niet covalent aan het enzym is gehecht, wordt geen van de gesplitste peptiden tijdens het katalytische proces aan het enzym gehecht. Voorbeelden van metalloproteasen omvatten carboxypeptidasen, aminopeptidasen, insulinesen en thermolysine.

Aspartyl proteasen

Zoals de naam al doet vermoeden, gebruiken aspartylproteasen asparaginezuur in hun katalytische mechanisme (Figuur 4.63 & 4.65). Net als de metalloproteasen activeren aspartylproteasen een water om een ​​nucleofiel voor katalyse te creëren (Figuur 4.65). Het geactiveerde water valt de peptidebinding van het gebonden substraat aan en maakt de twee stukken vrij zonder de noodzaak om een ​​gebonden tussenproduct vrij te maken, aangezien water niet covalent aan het enzym is gebonden. Gebruikelijke aspartylproteasen omvatten pepsine, signaalpeptidase II en HIV-1-protease.

Threonine proteasen

Hoewel threonine een R-groep heeft met een hydroxyl-achtige serine, verschilt het werkingsmechanisme van deze klasse van proteasen enigszins van de serineproteasen. Er zijn enkele overeenkomsten. Ten eerste speelt het hydroxyl van threonine een rol bij katalyse en dat is om als nucleofiel op te treden. De nucleofiel wordt echter niet gecreëerd door een katalytische triade, maar eerder als gevolg van de eigen α-aminegroep van threonine die een proton abstraheert.

Daarom moet het nucleofiele threonine in een threonineprotease zich aan het n-uiteinde van het enzym bevinden. Nucleofiele aanval van de peptidebinding in het doelprotease resulteert in breuk van de binding om één peptide vrij te maken en de andere is covalent gebonden aan serine, zoals de serineproteasen. Ook moet, net als bij de serineproteasen, water binnenkomen om het covalent gekoppelde tweede peptide vrij te maken om het katalytische mechanisme af te sluiten.

Voorbeelden

Voorbeelden van threonineproteasen omvatten de katalytische subeenheden van het proteasoom. Sommige acyltransferasen (zoals ornithine-acyltransferase) hebben hetzelfde katalytische mechanisme ontwikkeld door convergente evolutie. Deze laatste enzymen gebruiken ornithine in plaats van water om de enzym-substraat covalente binding te verbreken, waardoor de acylgroep aan ornithine gaat hechten in plaats van aan water.

Proteaseremmers

Moleculen die de katalytische werking van proteasen remmen, staan ​​bekend als proteaseremmers. Deze zijn er in verschillende vormen en hebben biologische en medicinale toepassingen. Veel biologische remmers zijn zelf eiwitten. Proteaseremmers kunnen op verschillende manieren werken, waaronder als een zelfmoordremmer, een overgangstoestandremmer, een denatureringsmiddel en als een chelaatvormer. Sommige werken alleen op specifieke klassen van enzymen. De meeste bekende aspartylproteasen worden bijvoorbeeld geremd door pepstatine. Metalloproteasen zijn gevoelig voor alles dat het metaal verwijdert dat ze nodig hebben voor katalyse. Zinkbevattende metalloproteasen zijn bijvoorbeeld erg gevoelig voor EDTA, dat het zinkion cheleert.

Eén categorie eiwitachtige proteaseremmers staat bekend als de serpins. Serpins remmen serineproteasen die werken als chymotrypsine. 36 van hen zijn bekend bij mensen.

Serpins zijn ongebruikelijk in hun optreden door onomkeerbaar te binden aan een doelprotease en een conformationele verandering te ondergaan om de actieve plaats van zijn doel te veranderen. Andere proteaseremmers werken als competitieve remmers die de actieve plaats blokkeren.

Serpins kunnen breed zijn in hun specificiteit. Sommige kunnen bijvoorbeeld de activiteit van cysteïneproteasen blokkeren. Een van de bekendste biologische serpins is α-1-anti-trypsine (A1AT - Figuur 4.66) vanwege zijn rol in de longen, waar het functioneert om het elastase-protease te remmen. Een tekort aan A1AT leidt tot emfyseem. Dit kan ontstaan ​​door een genetische afwijking of door het roken van sigaretten. Reactieve zuurstofsoorten die door het roken van sigaretten worden geproduceerd, kunnen een kritisch methionineresidu (#358 van de verwerkte vorm) in A1AT oxideren, waardoor het elastase niet kan remmen. Ongeremd kan elastase longweefsel aantasten en emfyseem veroorzaken. De meeste serpins werken extracellulair. In bloed kunnen serpins zoals antitrombine bijvoorbeeld helpen om het stollingsproces te reguleren.

Figuur 4.67 - Incidentie van α-1-antitrypsine (PiMZ)-deficiëntie in Europa in procenten. Wikipedia

Antivirale middelen

Proteaseremmers worden gebruikt als antivirale middelen om de rijping van virale eiwitten - gewoonlijk virale manteleiwitten - te voorkomen.

Ze maken deel uit van "drugscocktails" die worden gebruikt om de verspreiding van hiv in het lichaam te remmen en worden ook gebruikt om andere virale infecties te behandelen, waaronder hepatitis C. Ze zijn ook onderzocht voor gebruik bij de behandeling van malaria en kunnen enige toepassing hebben bij -kanker therapieën ook.


Technische materialen en biologie om de prestaties van microbiële brandstofcellen te verbeteren: een kritische beoordeling

Antonio Rinaldi† a , Barbara Mecheri† a , Virgilio Garavaglia b , Silvia Licoccia a , Paolo Di Nardo c en Enrico Traversa * a
een NAST Center & Department of Chemical Science and Technology, Universiteit van Rome "Tor Vergata", Via della Ricerca Scientifica, 00133, Rome, Italië. E-mail: [email protected] Fax: +39-06-72594328 Tel: +39-06-72594492
b Alintec Scarl, Via Garofalo 39, 20133, Milaan, Italië
c NAST Center & Department of Internal Medicine, Universiteit van Rome "Tor Vergata", Via della Ricerca Scientifica, 00133, Rome, Italië

Voor het eerst gepubliceerd op 4 augustus 2008

In minder dan een decennium zijn de prestatieniveaus van microbiële brandstofcellen (MFC's) in termen van stroomoutput, spanning en vermogensdichtheid enorm gegroeid volgens gestage exponentiële trends. De prestaties van de afgelopen 2-3 jaar waren bijzonder indrukwekkend. Dit is deels te danken aan een beter begrip van de biologische aspecten van deze multidisciplinaire technologie, maar ook aan het systematische werk van verschillende onderzoeksgroepen wereldwijd gericht op het verbeteren en optimaliseren van aspecten met betrekking tot materialen en systeemconfiguratie. Het doel van deze review is om het huidige perspectief over MFC's te schetsen door te focussen op de recente grote vorderingen op het gebied van materialen en engineering. MFC's zijn veelbelovende apparaten om duurzaamheidsproblemen aan te pakken, zowel in terrestrische als in de ruimtevaart.

Vanaf linksboven met de klok mee. Enrico Traversa is een hoogleraar materiaalwetenschap en technologie, Silvia Licoccia is een hoogleraar scheikunde, Antonio Rinaldi en Barbara Mecheri zijn postdoctorale onderzoekers bij de afdeling Chemische Wetenschappen en Technologie van de Universiteit van Rome "Tor Vergata". Hun belangrijkste onderzoeksactiviteiten zijn de ontwikkeling van nanogestructureerde materialen voor energie-, milieu- en biomedische toepassingen, met de nadruk op polymere en vaste oxidebrandstofcellen en gassensoren voor milieumonitoring. Paolo Di Nardo is onderzoeker bij de afdeling Interne Geneeskunde van de Universiteit van Rome "Tor Vergata", waar hij cardiovasculaire fysiopathologie, cardiale weefseltechnologie en ruimtebiogeneeskunde bestudeert. Virgilio Garavaglia (afwezig op de foto) is een microbioloog met een gezamenlijke aanstelling bij Alintec Scarl, LTD en de Universiteit van Milaan bij de afdeling Plantenwetenschappen.


Mechanisme van enzymkatalyse

Het enzym bevordert de gegeven reactie, maar blijft onveranderd. In 1913 stelden Leonar Michael en Maud Menten voor dat tijdens enzymactiviteit een intermediair enzym-substraatcomplex wordt gevormd. Dit kan schematisch worden weergegeven als-

Enzym (E) + Substraat(S) <—> Enzym-Substraat Complex (ES) —» Enzym (E) + Product (P)

Enzym doet zijn werk door de activeringsenergie te verlagen (de energie die nodig is om een ​​stof in zijn reactieve toestand te brengen. Of de energie die de reactanten nodig hebben om een ​​product te ondergaan). De verlaging van de activeringsenergie zorgt ervoor dat de reactie bij een lagere temperatuur verloopt.

Het enzym combineert met het substraat om een ​​overgangstoestand te produceren die weinig energie vereist. Met andere woorden, de combinatie van het substraat met het enzym creëert een nieuwe reactieroute die een overgangstoestand heeft met een lagere energie dan in de afwezigheid van het enzym. Ook verandert het enzym de evenwichtsconstante niet, ze verhogen alleen de snelheid van de reactie.

Voorbeeld - Ontleding van waterstofperoxide zonder enzym vereist 765 KJmol, terwijl in aanwezigheid van enzym de benodigde energie < 8 KJmol is.

Het mechanisme van een reactie tussen enzym en substraat kan worden verklaard door de volgende twee theorieën-

Een). Slot en sleutel model

Het is het eerste model dat wordt voorgesteld om de werking van enzymen te verklaren. Het werd voorgesteld door Emil Fischer, vandaar dat het ook wel een 'Fischer-model' wordt genoemd

Volgens dit model is de structuur of conformatie van het enzym rigide. Het substraat bindt zich aan de actieve site, net als een sleutel die in het juiste slot past.

Dus volgens dit concept zal een structureel goed gedefinieerde katalytische plaats alleen die substraatmoleculen accepteren die een overeenkomende vorm hebben en andere afstoten die structureel verschillen. Deze hypothese is nogal aantrekkelijk omdat ze een eenvoudige verklaring biedt voor de specificiteit van enzymatische werking.

  • Dit model geeft geen verklaring over het flexibele karakter van het enzym.
  • Dit model kan veel feiten van enzymatische reacties zoals allosterische modulaties niet verklaren.

B). Induced fit theorie

Het wordt ook wel een 'Koshland-model' genoemd met als essentieel kenmerk 'flexibiliteit'. Volgens dit model is de actieve plaats van een enzym niet rigide en voorgevormd, in plaats daarvan is het flexibel.

In dit model met geïnduceerde fit induceert het substraat een conformationele verandering in het enzym, wat resulteert in de vorming van een sterke substraatbindingsplaats. Door de geïnduceerde fit worden de juiste aminozuren van het enzym geherpositioneerd om een ​​actieve plaats te vormen en katalyse teweeg te brengen. Dit model heeft voldoende experimenteel bewijs en verklaart ook de allosterische modulaties en competitieve remming van het enzym.


Covalente katalyse

Covalente katalyse is een van de vier strategieën die een enzym zal gebruiken om een ​​specifieke reactie te katalyseren, waarbij een tijdelijke covalente binding wordt gevormd tussen een substraat en een residu in de actieve plaats van het enzym of met een cofactor. Bij covalente katalyse wordt een extra covalent tussenproduct aan de reactie toegevoegd, wat helpt om de energie van overgangstoestanden in de latere stadia van de reactie te verminderen. De meest voorkomende covalente bindingen worden gevormd als gevolg van de aanval door een nucleofiele groep van een enzym op een elektrofiele rest van het substraat dat op de actieve plaats is gebonden.

Bij een enzymatische reactie vindt covalente katalyse plaats wanneer het substraat tijdens de katalytische reactie tijdelijk covalent aan het enzym wordt gehecht. Bij deze reactie bevat het enzym een ​​reactieve groep, meestal een nucleofiel residu of een elektrofiel residu, dat reageert met het substraat via een nucleofiele of elektrofiele aanval. De nucleofiele groepen kunnen RCOO-, RNH, ROH zijn die aanwezig zijn op de zijketens van aminozuurresiduen, of de stikstofatomen van de imidazoolring van histidineresiduen. De elektrofiele delen van substraten kunnen acyl-, fosforyl- of glycosylgroepen zijn, dus de covalente tussenproducten zouden acyl-, fosforyl- en glycosyl-enzymcomplexen zijn. Enzymmoleculen zijn arm aan elektrofiele groepen, maar elektrofiele katalyse komt voor bij die enzymen die metalen of prosthetische groepen bevatten die tijdens katalyse fungeren als elektronenputten. Het ladingsverlies in de reactie tijdens de overgangstoestand zal dan de hydrolyse versnellen.

Figuur 1. Mechanisme van covalente katalyse.

In plaats van de activeringsenergie voor een reactieroute te verlagen, biedt covalente katalyse een alternatieve route voor de reactie (via naar het covalente tussenproduct) en verschilt dus van echte katalyse. Een echt voorstel van een covalente katalyse zou bijvoorbeeld een gedeeltelijke covalente binding aan de overgangstoestand door een enzymgroep vereisen, en dergelijke effecten dragen niet significant bij aan katalyse.

Covalente tussenproducten gevormd door substraten en cofactoren

Sommige enzymen gebruiken niet-aminozuurcofactoren zoals pyridoxalfosfaat (PLP) of thiaminepyrofosfaat (TPP) om covalente tussenproducten te vormen met reactantmoleculen. Dergelijke covalente tussenproducten werken om de energie van latere overgangstoestanden te verminderen, vergelijkbaar met hoe covalente tussenproducten gevormd met aminozuurresiduen op de actieve plaats stabilisatie mogelijk maken, maar de mogelijkheden van cofactoren stellen enzymen in staat reacties uit te voeren die aminozuurzijresiduen alleen niet zouden kunnen. Enzymen die dergelijke cofactoren gebruiken, omvatten het PLP-afhankelijke enzym aspartaattransaminase en het TPP-afhankelijke enzym pyruvaatdehydrogenase.

Katalytische triade van enzymen

In een later stadium van covalente katalyse moet de covalente binding worden verbroken om het enzym te regenereren. Dit mechanisme wordt gebruikt door de katalytische triade van enzymen zoals proteasen zoals chymotrypsine en trypsine, waar een acyl-enzymtussenproduct wordt gevormd. Chymotrypsine is een afbraakprotease van het spijsverteringsstelsel. Het katalyseert de splitsing van peptidebindingen die grenzen aan grote aromatische of niet-polaire residuen. Het splitst de peptidebinding aan de carboxylterminuszijde van het eiwit. De chymotrypsine heeft drie belangrijke katalytische residuen die de katalytische triade worden genoemd. Dit zijn His57, Asp102 en Ser195. De nucleofiel is de hydroxylgroep op de serine. Na deprotonering wordt het serine-residu een krachtig nucleofiel vanwege zijn alkoxide dat de relatief niet-reactieve koolstof van de carbonyl in het eiwit zal aanvallen.

Gerelateerde diensten

Wij bieden uitgebreide enzymdiensten en kijken ernaar uit om met u samen te werken. Neem gerust contact met ons op voor gedetailleerde informatie..


Het mechanisme van peptideoverdrachtskatalyse door het ribosoom

Het ribosoom katalyseert twee fundamentele biologische reacties: peptidyloverdracht, de vorming van een peptidebinding tijdens de eiwitsynthese, en peptidylhydrolyse, de afgifte van het volledige eiwit uit het peptidyl-tRNA na voltooiing van de translatie. Het ribosoom kan de twee verschillende nucleofielen voor elke reactie gebruiken en onderscheiden, het α-amine van het binnenkomende aminoacyl-tRNA versus het watermolecuul. De juiste binding van substraten induceert structurele herschikkingen van ribosomale residuen van de actieve plaats en de substraten zelf, wat resulteert in een oriëntatie die geschikt is voor katalyse. Bovendien lijken actieve-siteresiduen verdere hulp te bieden door actieve-site watermoleculen te bestellen en een elektrostatische omgeving te bieden via een waterstofnetwerk dat de reactietussenproducten stabiliseert en mogelijk protonen pendelt. Er blijven belangrijke vragen over de timing, componenten en het mechanisme van de protonenoverdrachtsstappen. Deze review vat de recente vooruitgang in structurele, biochemische en computationele vooruitgang samen en presenteert de huidige mechanistische modellen voor deze twee reacties.


Kenmerken van katalyse

De volgende zijn de kenmerken die gemeenschappelijk zijn voor most van katalytische reacties.

(1) Een katalysator blijft aan het einde van de reactie onveranderd in massa en chemische samenstelling.

(2) Een kleine hoeveelheid van de katalysator is over het algemeen voldoende om bijna onbeperkte reacties te katalyseren

(i) Bij de ontleding van waterstofperoxide kan bijvoorbeeld één gram colloïdaal platina liters waterstofperoxide katalyseren.

(ii) In de reactie van Friedel Craft is watervrij aluminiumchloride vereist in relatief grote hoeveelheden tot 30% van de massa van benzeen,

(3) De katalysator kan de reactie niet initiëren: De functie van de katalysator is om de snelheid van de reactie te veranderen in plaats van deze te starten.

(4) De katalysator is over het algemeen specifiek van aard: Een stof, die als katalysator voor een bepaalde reactie werkt, kan de andere reactie niet katalyseren, verschillende katalysatoren voor dezelfde reactant kunnen voor verschillende producten.

(5) De katalysator kan de evenwichtsstand niet veranderen: De katalysator katalyseert zowel voorwaartse als achterwaartse reacties in dezelfde mate in een omkeerbare reactie en heeft dus geen effect op de evenwichtsconstante.


Het endocannabinoïdesysteem, onze universele regulator

Het endocannabinoïdesysteem (ECS) speelt een zeer belangrijke rol in het menselijk lichaam voor onze overleving. Dit komt door het vermogen om een ​​cruciale rol te spelen bij het handhaven van de homeostase van het menselijk lichaam, dat de hersenen, het endocriene en het immuunsysteem omvat, om er maar een paar te noemen. ECS is een uniek systeem in meerdere dimensies. Om te beginnen is het een retrograde systeem dat functioneert van post- tot pre-synaps, waardoor het een "hoofdregulator" in het lichaam kan zijn. Ten tweede heeft het een zeer brede invloedssfeer vanwege een overvloed aan cannabinoïde-receptoren die zich overal bevinden, van immuuncellen tot neuronen. Ten slotte worden cannabinoïden snel gesynthetiseerd en afgebroken, zodat ze niet lang in grote hoeveelheden in het lichaam blijven, waardoor cannabinoïdentherapie mogelijk een veiliger alternatief is voor opioïden of benzodiazepinen. Dit artikel zal bespreken hoe ECS functioneert door de regulatie van de neurotransmitterfunctie, apoptose, mitochondriale functie en ion-gated kanalen. De praktische toepassingen van het ECS, evenals de wegen voor ziekten zoals epilepsie, kanker, amyotrofische laterale sclerose (ALS) en autisme, waarvan op dit moment geen genezing bekend is, zullen worden onderzocht.

Ondanks verschillende medische vooruitgang, zijn er nog veel meer functies van het menselijk lichaam om te ontdekken. Sommige van de minder effectieve behandelingen liggen op het gebied van geestelijke gezondheid, vanwege het gebrek aan nauwkeurigheid en beschikbaarheid van tests voor de neurotransmitterfunctie en apoptotische activiteit. De bestaande neurotransmittertests maken gebruik van metabolieten in urine (Hinz, Stein, Trachte, & Ucini 2010), maar hun toepasbaarheid is momenteel zeer beperkt. We hebben niet kunnen aantonen dat de gemeten neurotransmitterniveaus in de urine zo nauwkeurig zijn als de werkelijke niveaus in het centrale zenuwstelsel (CZS) of het perifere zenuwstelsel (PNS).

Apoptotische ziekten zoals kanker, verworven immuundeficiëntiesyndroom (AIDS), ALS en autisme zijn momenteel allemaal niet effectief te genezen, en ze lijken een vergelijkbare pathologie te hebben die neurotransmitter-, mitochondriale en apoptotische disfunctie omvat (Favaloro, Allocati, Graziano, Di Lio, & De Laurenzi 2012).

Het ECS is, in tegenstelling tot het CZS, het PNS en de bloedsomloop, een van de meest onderbelichte systemen in het menselijk lichaam. Er is gedocumenteerd dat ECS direct betrokken is bij verschillende rollen in apoptose, neurotransmitterniveaus en homeostase (Basavarajappa, Nixon, & Arancio, 2009). ECS lijkt een stigma te dragen vanwege het woord 'cannabis'. In dit artikel worden de functies en mogelijke voordelen van ECS besproken.

De structuur en functie van het endocanbinoïde systeem

Met alle complexe celsignalen, genetische mutaties en invloeden van buitenaf, hoe slagen we erin om in homeostase te blijven? Het antwoord is het endocannabinoïde systeem. Het is bijna overal in het menselijk lichaam aanwezig en functioneert door de homeostase van het menselijk lichaam te handhaven (Alger, 2013). Dit wordt bereikt door een negatieve feedbacklus die werkt door de activering van een postsynaptisch neuron dat de endocannabinoïden synthetiseert en vrijgeeft terwijl ze zich richten op verschillende cannabinoïde (CB)-receptoren.

Deze CB-receptoren zijn G-eiwit-gekoppelde receptoren (Gambi et al., 2005), waardoor ze de binnenkomende signalen direct kunnen beïnvloeden. Dit functioneert als een "override"-signaal, dat verschilt van de meeste andere cellen. Omdat andere cellen signaalmodificatoren hebben die alles kunnen doen, van het versterken tot het divergeren van signalen, "overschrijft" het neuron die cellen. Een breuk in de teen zou bijvoorbeeld leiden tot celdood. De resulterende lymfatische respons zou de bloedstroom en de migratie van witte bloedcellen naar de omliggende gebieden verhogen. De ECS zou dan de overtollige lymfatische signalen herkennen, en na te hebben besloten dat er niet langer een toename van ontsteking nodig is, zullen de CB-receptoren in de omringende immuuncellen en weefsels beginnen te binden met cannabinoïden en deze ontstekingsreacties langzaam beginnen te verminderen. .

Een soortgelijk proces vindt plaats bij pijnsignalen in de hersenen. De binding en stimulatie van CB1-receptoren zal de gamma-aminoboterzuur (GABA) neurotransmitters opreguleren, waardoor pijnsignalen in de hersenen worden verminderd. Er zijn twee hoofdreceptoren in het ECS: de CB1- en CB2-receptoren. CB1-receptoren bevinden zich voornamelijk in hersencellen (inclusief maar niet beperkt tot de hippocampus, amygdala en hypothalamus), en worden niet zo dicht tot expressie gebracht in het CZS, PNS en het immuunsysteem. Aan de andere kant bevinden de CB2-receptoren zich voornamelijk in het CNS, PNS, het immuunsysteem en in witte bloedcellen. Bovendien wordt ook het bestaan ​​van CB3-receptoren verondersteld (Iqbal, 2007). Deze receptoren zullen hoogstwaarschijnlijk enorm zijn, met elk een unieke specialisatie, ondanks dat ze op meerdere locaties in het lichaam worden aangetroffen (Mazarnes, & Carracosa 2006).

De endocannibinoïden

Er zijn meerdere bekende endocannabinoïden die een rol spelen bij het ECS. Ze lijken allemaal een rol te spelen bij anti-proliferatieve, ontstekingsremmende en anti-metastatische effecten (Madia & Daeninck, 2016). Bovendien lijkt het erop dat ze een rol spelen in de neurotransmitter, het immuunsysteem en de mitochondriale functie. Er zijn twee belangrijke endocannabinoïden: anandamide en 2-archidonylglycerol (2-AG).

Anandamide is een endocannabinoïde in het menselijk lichaam. Met de chemische formule C22H37NO2 wordt het het "geluksmolecuul" genoemd. Het kan vrijkomen wanneer men chocolade eet na een trek (Mackie, 2008). Anandamide kan een zeer belangrijke cannabinoïde zijn om te manipuleren voor het beheersen van pijnstimuli. Dit komt door een interessante kwaliteit van anandamide, waarbij de concentratie van anandamide het type en aantal geactiveerde receptoren dicteert. Anandamide heeft ook het vermogen om kortetermijnverbindingen te maken of te verbreken tussen zenuwcellen die het geheugen direct beïnvloeden. Er wordt gespeculeerd of anandamide dof maakt en niet alleen fysieke pijn maar ook psychisch ongemak wegneemt. Als dat zo is, kan dit worden gebruikt om mensen met een posttraumatische stressstoornis (PTSS) te helpen. Dit argument heeft bijzondere waarde omdat repressie een bekend copingmechanisme is (De Petrocellis et al., 1998). Bovendien is aangetoond dat anandamide antiproliferatieve effecten heeft bij borstkanker. Het is ook aangetoond dat het met een sterke affiniteit bindt aan de CB1-receptoren, die mogelijk een grotere rol spelen bij de analgetische effecten van de endocannabinoïden.

2-Arachidonylglycerol is de meest voorkomende endocannabinoïde in het menselijk lichaam. De chemische structuur lijkt veel op die van anandamide, met dezelfde koolstofruggengraat maar een andere R-groep, C23H38O4 (Gonsiorek, 2000). Het wordt beschouwd als een volledige agonist van zowel de CB1- als CB2-receptoren en speelt een belangrijke rol bij ECS. Vanwege zijn hoge expressie in perifere immuuncellen, lijkt het een grote rol te spelen bij het tegengaan van ontstekingen door middel van immuunsuppressie. Desalniettemin functioneert het ook als een psychoactieve endocannabinoïde wanneer het zich bindt aan CB1-receptoren in hersencellen.

Gertsch, Pertwee en DiMarzo (2010) laten zien dat cannabis twee veel voorkomende fyto-cannabinoïden bevat die zich op elke CB-receptor richten: tetrahydrocannabinol (THC), de actieve fyto-cannabinoïde in cannabis die zich voornamelijk richt op de CB1-receptor, en β-caryofylleen (een terpeen), die zich selectief op de CB2-receptor richt (Prakash, Pandey, Amcaoglu, Venkatesh, & Nagarkatti, 2009). Deze fyto-cannabinoïden kunnen de werking van endocannabinoïden nabootsen. Het is echter moeilijk om precies te meten hoeveel van elk van de CB2-receptoren worden gestimuleerd en hoeveel van elke fyto-cannabinoïde in de bloedbaan terechtkomt. Omdat de cannabisplant echter in wezen kan functioneren als een massale stimulatie van het ECS, herkent het lichaam deze fyto-cannabinoïden als endocannabinoïden.

Lipidemetabolisme

Het ECS loopt door vetweefsel, wat zijn rol in adipogenese, lipogenese en glucoseopname aantoont, die allemaal worden gestimuleerd door de CB1-receptor. Cannabinoïden zijn uniek omdat ze snel worden gesynthetiseerd en snel na gebruik worden afgebroken, waardoor er minder bijwerkingen op de lange termijn ontstaan. De twee belangrijkste enzymen die deze endocannabinoïden afbreken zijn vetzuuramidezuurhydrolase (FAAH) en monoacylglycerollipase (MAGL) (Petrosino & Dimarzo, 2010). Het endogene cannabinoïdesysteem is extreem alomtegenwoordig vanwege het feit dat cannabinoïden zowel snel worden gesynthetiseerd als afgebroken, waardoor er minder bijwerkingen op de lange termijn ontstaan.

Vanwege de eerder genoemde alomtegenwoordige aard, is het effect van het constant veranderen van de cannabinoïdeniveaus gedurende een langere periode niet goed bekend (Long et al., 2009). Wel is bekend dat FAAH het voorkeursenzym is voor de afbraak van anandamide, terwijl MAGL het voorkeursenzym is voor de afbraak van 2-AG. Remmers van deze enzymen hebben aangetoond succes te hebben bij het stimuleren van de ECS. Het is mogelijk dat door remming van een of beide van deze enzymen, de niveaus van verschillende neurotransmitters kunnen worden aangepast en gedurende een langere periode in een stabiele toestand kunnen worden gehouden. Dit kan worden bereikt door de hydrolyse te voorkomen van bepaalde endo/fyto-cannabinoïden die de afgifte van verschillende neurotransmitters stimuleren.

Apoptotische weg

Apoptose, de geprogrammeerde dood van cellen, is een essentieel onderdeel van de celcyclus. Dit heeft meerdere implicaties voor het menselijk lichaam, zoals het handhaven van de homeostase of het uitroeien van potentieel gevaarlijke kankercellen. Hoewel veel van de betrokken eiwitten bekend zijn, moeten de exacte mechanismen van apoptose nog worden opgehelderd. Apoptose is niet de enige manier waarop celdood optreedt, de andere grote bijdrage aan celdood is necrose (Elmore, 2007). In tegenstelling tot apoptose is necrose echter zeer toxisch voor cellen en resulteert in ontsteking als gevolg van cellulaire lysis, die voortgaat met celdood.

Apoptose wordt over het algemeen veroorzaakt door de activering van verschillende caspasen, een familie van enzymen die een essentiële rol spelen bij apoptose. Caspase-2, 8, 9 en 10 worden beschouwd als initiatiefnemers, terwijl caspase-3, 6 en 7 beulen zijn. De drie belangrijkste routes waarin apoptose kan optreden zijn extrinsieke, intrinsieke en de perforine/granzyme route.

In de extrinsieke route is er een clustering van receptoren evenals de binding met hun homologe ligand. Fas-ligand aan receptorbinding resulteert bijvoorbeeld in de adapter Fas-geassocieerd via doodsdomein (FAA) en de binding van tumornecrosefactor (TNF) aan zijn overeenkomstige receptor. Dit bindt vervolgens met TNF-receptor-geassocieerd doodsdomein (TRADD-adaptereiwit) dat associeert met procaspase-8 door dimerisatie van het dood-effectordomein. Dit resulteert in een dood-inducerend signaleringscomplex (DISC) dat de caspase-8 katalyseert. Caspase-8 fungeert als initiator die vervolgens de uitvoeringsfase in gang zet.

Aan de andere kant vereist de intrinsieke route geen externe stimuli. In plaats daarvan vertrouwt het op intracellulaire stimuli die negatieve of positieve signalen produceren. De signalen kunnen variëren van verlies van apoptotische onderdrukking tot verlies van onder andere groeifactoren en toxines. Deze stimuli veroorzaken veranderingen in de mitochondriën, wat resulteert in mitochondriale permeabiliteitstransitie (MPT), verlies van transmembraanpotentieel en de afgifte van twee hoofdgroepen van apoptotische eiwitten, die vervolgens verschillende caspasen activeren, zoals caspase-3 en 9.

De granzyme-route is uniek vanwege het vermogen van granzyme B om eiwitten op aspartaatresiduen te splitsen, wat resulteert in directe activering van caspase-3, een beul, waardoor de initiatiefase van apoptose wordt overgeslagen. Bovendien speelt deze route een grote rol bij door T-cellen geactiveerde apoptose. In een onderzoek uitgevoerd door Amcaoglu, Ashok, Ugra, Mitzi en Prakash (2010), is aangetoond dat THC ervoor zorgt dat cellen verhoogde en spontane apoptose ondergaan, zowel in vitro en in vivo. Interessant is dat muizen die alleen met THC werden behandeld een hogere mate van apoptose hadden dan muizen die werden behandeld met zowel THC als mitogeen (een stof die mitose of celdeling beïnvloedt). Bovendien werd opgemerkt dat actieve lymfocyten de expressie van CB2-receptoren neerwaarts reguleerden. CB1-agonisten hadden echter geen significant effect bij het verminderen van door THC geactiveerde apoptose, terwijl CB2-agonisten de door THC geïnduceerde apoptose blokkeerden. Dit toont de rol van ECS aan bij het beheersen van verschillende ziektetoestanden en ontstekingen.

Mitochondriale functie

De mitochondriën zijn verantwoordelijk voor het omzetten van koolhydraten en vetzuren in adenosinetrifosfaat (ATP) en voor het leveren van energie aan cellen (Cooper, 2000). Uniek is dat de mitochondriën hun eigen DNA bevatten. Net als bij nucleaire genomen kunnen mutaties optreden in mitochondriale genomen en stoornissen veroorzaken.

Een van de belangrijkste functies van ECS is het moduleren van de mitochondriale functie. Dit kan via verschillende gemeenschappelijke trajecten.Een op calcium gebaseerde route laat bijvoorbeeld zien hoe anandamide en 2-AG intracellulair vrij calcium kunnen moduleren (Nunn, Guy, & Bell, 2012). Bij lage doses produceert anandamide het verwachte resultaat met anxiolytische (anti-angst) effecten. Bij hoge doses kan anandamide echter tijdelijk receptorpotentieel kationkanaal-subfamilie V-lid 1 (TRPV1) activeren, wat het tegenovergestelde effect zou hebben door de mitochondriale functie te verhogen, waardoor de angst toeneemt. Anandamide heeft het vermogen om dergelijke effecten te induceren vanwege het vermogen om zich te binden aan CB1-receptoren op postsynaptische knooppunten, waardoor de opening van spanningsafhankelijke Ca2+-kanalen wordt gecontroleerd. Dit toont aan dat de modulatie van calcium ingewikkelder is dan aanvankelijk werd gedacht.

De ECS kan ook mitochondriën moduleren door middel van redoxreacties. Nogmaals, dit is weer een voorbeeld van hoe ECS CB1- en CB2-receptoren gebruikt als een systeem van checks and balances in zichzelf. Dit is duidelijk vanwege het vermogen van CB1-receptoren om reactieve zuurstofsoorten (ROS) te verhogen, wat resulteert in een inflammatoire cascade en mitochondriale stress. CB2 verlaagt echter de ROS, wat resulteert in het tegenovergestelde effect. Een persoon met de diagnose kanker kan bijvoorbeeld een toename van mitochondriale stress nodig hebben om de eetlust te stimuleren, en modulatie van beide receptoren door verschillende agonisten/antagonisten kan helpen de activiteit van de mitochondriën te beheersen. Er zijn veel andere routes, waaronder de ceramide-link en het mechanistische doelwit van rapamycine (mTOR) -routes die een rol spelen bij de mitochondriale functie, die later in het artikel zal worden besproken.

Een interessant feit met betrekking tot de mitochondriën en hun structuur is de locatie van FAAH op de mitochondriën, het primaire vetzuur dat anandamide afbreekt. Dit lijkt een strategische plaatsing te zijn, aangezien anandamide een rol speelt bij het onderdrukken van de mitochondriale functie. Door deze plaatsing kunnen de mitochondriën altijd anandamide afbreken als er een overmaat aan anandamide in de mitochondriën is. Het zou niet verwonderlijk zijn om te ontdekken dat FAAH en MAGL (vetzuren) zich op verschillende delen van de cellulaire infrastructuur bevinden waarin het ECS een belangrijke rol speelt bij het reguleren. Het kan niet genoeg worden benadrukt hoe belangrijk de concentratie is, omdat het betrekking heeft op hun effect op de mitochondriale functie. Lage concentraties cannabinoïden lijken de mitochondriale levensduur, functie, ROS en permeabiliteit ten goede te komen, terwijl het bij hogere concentraties ernstige schade aan de mitochondriën kan veroorzaken.

Metabolische functie en eetlust hebben een directe associatie met mitochondriale functie (Lipina, Irving, & Hundal, 2014). Het selectief blokkeren van de CB1-receptor bleek een diepgaand effect te hebben op de eetlust en metabolische functie, wat van pas kan komen bij zwaarlijvige personen. Het veroorzaakt echter ook ongelooflijke stemmingswisselingen, waaronder angst en depressie. Dit illustreert een van de belangrijkste punten van ECS, namelijk de onderlinge verbondenheid. ECS speelt een rol bij de modulatie van zoveel functies dat we in een poging om er een te veranderen uiteindelijk zoveel andere functies kunnen veranderen dat we meer kwaad dan goed doen. Het is medisch gezien niet verantwoord om een ​​volledig cannabinoïde-receptortype te blokkeren, misschien moet de nadruk liggen op de individuele routes die worden gemoduleerd door cannabinoïde-receptorbinding. Het verhogen van FAAH rond de mitochondriën kan bijvoorbeeld leiden tot de afbraak van anandamide, wat een negatief effect heeft op de mitochondriën, terwijl de rest van anandamide afzonderlijk kan functioneren en zijn taken door het hele lichaam kan uitvoeren.

ECS en psychische aandoeningen

ECS is intrigerend en relatief onontgonnen in termen van de rol die het speelt in de geestelijke gezondheid. Manipulatie van ECS kan gunstig zijn bij de behandeling van schizofrene patiënten. In een klinische studie met schizofrene patiënten waren de anandamidespiegels bijvoorbeeld significant hoger in het bloed van patiënten met acute schizofrenie in vergelijking met gezonde vrijwilligers (7,79 ± 0,50 vs. 2,58 ± 0,28 pmol/ml, De Marchi et al., 2003 )

Anandamide is de op één na meest voorkomende endocannabinoïde en is uiterst belangrijk in het menselijk lichaam. Het niveau van anandamide is een indicator van de ernst van de disfunctie van ECS in verband met psychische aandoeningen. Schizofrenie, zoals samengevat door het National Institute for Mental Health (National Institute of Mental Health [NIMH], 2016b), is "een chronische en ernstige psychische stoornis die van invloed is op hoe iemand denkt, voelt en zich gedraagt." Mensen met schizofrenie lijken misschien het contact met de realiteit verloren te hebben. Hoewel schizofrenie niet zo vaak voorkomt als andere psychische stoornissen, kunnen de symptomen zeer invaliderend zijn.

Men kan concluderen dat hoe ernstiger de geestesziekte, hoe groter de disfunctie in de ECS. Als we geestesziekten als een continuüm zien in plaats van afzonderlijke entiteiten, zou dit een nauwkeuriger beeld geven van geestesziekten. Enkele van de meest voorkomende psychische aandoeningen, zoals depressie, angst en schizofrenie, vertonen overeenkomsten en vertonen over het algemeen overlappende symptomen wanneer de diagnose wordt gesteld. Verdriet, zelfmoordgedachten, lichaamsdysmorfie en paniekaanvallen zijn de algemene symptomen van deze aandoeningen. Het grootste verschil is niet hoe iemand zich voelt, maar de intensiteit van hun gevoelens.

Op basis van deze informatie zou het logisch zijn om aan te nemen dat psychische aandoeningen verband kunnen houden door een reeks vergelijkbare neurochemische onevenwichtigheden en de resulterende symptomen. Het is belangrijk op te merken dat sommige symptomen kunnen verergeren als gevolg van de positieve of negatieve feedbacklussen als gevolg van de onevenwichtigheden in verschillende neurotransmitters, die het uiterlijk van een "nieuwe ziekte" geven. Schizofrene patiënten kunnen bijvoorbeeld alleen depressief of angstig lijken te zijn vanwege de massale disfunctie van neurotransmitters. Deze kunnen vervolgens worden versterkt en kunnen nieuwe symptomen veroorzaken, zoals hallucinaties of extreme manie. Dat betekent echter niet dat de chemische onevenwichtigheden die depressie of angst veroorzaken verdwenen zijn, ze worden gewoon versterkt of in sommige gevallen verminderd. Het lijkt erop dat de verschillende psychische aandoeningen met elkaar verbonden kunnen zijn in een web of netwerk, dat in stand wordt gehouden door de neurotransmitterfunctie. Door de neurotransmitterfunctie te testen en te observeren, zou men coördinaten kunnen verkrijgen om te zien waar in het web of netwerk de problemen met neurotransmitters optreden. Fouten in het ECS, die de stemming en perceptie beïnvloeden, zouden deze fouten en storingen helpen verklaren. Daarom kunnen psychische aandoeningen worden beïnvloed door fouten in het ECS als gevolg van miscommunicatie van de neurotransmitters. Omdat het ECS functioneert als een retrograde systeem, kan het een directe invloed hebben op de bijbehorende neurotransmitters. Daarom kan het richten op ECS een effectievere behandelmethode zijn dan alleen de neurotransmitters zelf aan te pakken. De huidige aanpak van psychische aandoeningen is gericht op het manipuleren van de afgifte van neurotransmitters, maar dit lijkt meer op een pleisterbehandeling dan op een daadwerkelijke genezing. Het behandelen van de onderliggende homeostatische problemen via het ECS, waardoor de neurotransmitterfunctie wordt hersteld, lijkt een meer permanente oplossing te zijn.

Huidige behandelingen

Voor de behandeling van depressie zijn de meest voorkomende antidepressiva selectieve serotonineheropnameremmers (SSRI's) en andere heropnameremmers (NIMH, 2016a). Verschillende heropnameremmers werken door de heropname van hun specifieke neurotransmitters in de hersenen te voorkomen, waardoor ze langer in de synapsen kunnen blijven en hun concentraties verhogen. Dit is echter slechts een tijdelijke oplossing die de onderliggende oorzaak van meerdere onevenwichtigheden in de neurotransmitter niet aanpakt. Bovendien richten SSRI's zich alleen op serotonine, maar de meeste gevallen van depressie zijn te wijten aan meerdere onevenwichtigheden in de neurotransmitter. Alleen focussen op één neurotransmitter leidt waarschijnlijk niet tot verbetering en kan de ziekte gemakkelijk verergeren. Het feit dat SSRI's bij sommige patiënten depressie en zelfmoordgedachten kunnen verhogen, suggereert dat het misschien niet de beste behandelingsoptie is.

Voor angst zijn SSRI's een veel voorkomende behandeling, maar benzodiazepinen worden de meest voorkomende vorm van behandeling. De primaire werking van benzodiazepinen is om te binden aan een pocket gevormd door GABA's alfa- en gamma-subeenheden (Griffin III, Kaye, Bueno, & Kaye, 2013). Dit resulteert in de conformationele verandering in de GABA-A-receptor, die het remmende effect van GABA induceert. GABA is sterk geconcentreerd in het limbische systeem, het systeem dat het meest geassocieerd is met verslaving. Dit is een van de meest voorkomende problemen met benzodiazepinen, omdat alleen focussen op GABA de kans op verslaving vergroot. De korte halfwaardetijd van benzodiazepine draagt ​​bij aan de extreem verslavende aard van het medicijn. Benzodiazepinen worden vermeld als een schema IV-medicijn (United States Drug Enforcement Administration, n.d.), wat inhoudt dat het, naast het vermogen om ziekten te behandelen, een relatief laag potentieel voor misbruik heeft. Dit is echter niet het geval. Volgens het National Institute on Drug Abuse (2017) waren er in 2015 ongeveer 8.700 sterfgevallen als gevolg van een overdosis, een 4,3-voudige toename ten opzichte van 2002.

Nieuwe richtingen

Zoals hierboven vermeld, zijn er duidelijke zorgen over de manier waarop psychische aandoeningen worden behandeld. Een van de grootste zorgen houdt verband met een gebrek aan testen op neurotransmitters om de bijdragen van verschillende neurotransmitters aan geestesziekten te bepalen. Van daaruit moeten toekomstige behandelingen de onderliggende oorzaken aanpakken zonder het gebruik van verslavende middelen.

GABA heeft een unieke relatie met het ECS (Sigel et al., 2011). Wanneer 2-AG wordt geactiveerd, versterkt het de effecten van GABA door een toename van de GABA-neurotransmitters in het menselijk lichaam te veroorzaken (Manzanares & Carracosa, 2006). Wanneer de CB1-receptor echter wordt geactiveerd door endocannabinoïden of fyto-cannabinoïden, remt het GABA. Dit is niet verrassend, aangezien het ECS verantwoordelijk is voor de meeste homeostatische functies van het lichaam. Als iemand de ECS van het lichaam zou activeren door een instroom van endocannabinoïden of fyto-cannabinoïden te introduceren, en vooraf zou bepalen welke receptoren werden geactiveerd, zou dit ons bidirectionele controle kunnen geven over GABA dat de huidige medicijnen niet bieden.

Om bijvoorbeeld de GABA-spiegels van een persoon te verhogen, zou men een CB1-remmer kunnen nemen, zoals rimonabant, die activering van CB1 voorkomt. Dit zou ertoe leiden dat 2-AG de primaire endocannabinoïde wordt die wordt gesynthetiseerd vanwege de affiniteit van 2-AG met de CB2-receptor, en vervolgens de GABA-concentratie verhoogt. Om GABA te verlagen, zou men een agonist van MAGL kunnen gebruiken om de afbraak van 2-AG te verhogen. Dit zou resulteren in een stabiel niveau van anandamideconcentratie met een veel lagere 2-AG-concentratie.

Behandelingen die rechtstreeks van invloed zijn op het ECS, kunnen gunstiger zijn dan medicijnen die momenteel worden gebruikt om psychische aandoeningen te behandelen. Dit komt door het vermogen van cannabinoïden om de neurochemische onevenwichtigheden te corrigeren door de bron van het probleem aan te pakken, in plaats van alleen te proberen de symptomen te verlichten.

Apoptotische functies en mogelijke behandelingen voor HIV, kanker, autisme, ALS en epilepsie

HIV wordt over het algemeen veroorzaakt door verhoogde apoptose van voornamelijk CD4+ en CD8+ T-cellen. Aanvankelijk stimuleert HIV verschillende cellulaire cascades die uiteindelijk leiden tot permanente conformatieveranderingen (Simon, Ho, & Karim, 2006). Niet alleen neemt apoptose toe in HIV-glycoproteïnen, maar ook de cellulaire activering wordt verhoogd, wat resulteert in een toename van de omzet van T-cellen. Dit lijkt eerder op een toename van T-celvernietiging dan op een gebrek aan T-celproductie te wijzen.

T-cellen zijn erg belangrijk voor de immuunrespons tegen pathogenen, extracellulaire parasieten en andere mogelijke virale of bacteriële organismen (Zhu & William, 2008). In tegenstelling tot kanker wordt apoptose niet onderdrukt, maar eerder opgewekt in aanwezigheid van HIV. Een van de ongelooflijke mechanismen met betrekking tot ECS is echter dat hoewel het als een "negatieve feedbacklus" wordt beschouwd als gevolg van verschillende receptoren en cannabinoïden, het mogelijk is om apoptose zowel te verminderen als te verhogen. Hypothetisch, als men in staat zou zijn om de apoptose van T-cellen te verminderen die optreedt in het vroege stadium van HIV, zou men in staat kunnen zijn om het proces volledig om te keren en het virus uit te roeien.

Kanker is het resultaat van meerdere genetische mutaties waardoor cellen zich ongecontroleerd kunnen vermenigvuldigen, apoptose kunnen ontwijken, onsterfelijk kunnen worden en metastase kunnen ondergaan. Sommige van de genen zijn proto-oncogenen, zoals Ras (Lodish, Berk, & Zipursky, 2000), terwijl andere tumorsuppressorgenen (TSG) zijn (Zhu, et al, 2015), zoals BRCA1 en BRCA2 (Lowe & Lin , 2000). p53 is een andere TSG, die ook een uiterst belangrijke rol speelt als een celcycluscontrolepunteiwit waarbij cyclusstilstand betrokken is.

Veel voorkomende vormen van kankerbehandeling zijn radiotherapie, waarbij kankercellen worden bestraald met straling in de hoop alle kankercellen uit te roeien, is geen duurzame behandeling. Er zijn andere farmacologische interventies. Gleevec (imatinibmesylaat) is bijvoorbeeld bijzonder effectief gebleken (RX-lijst, 2017) als een behandeling tegen kanker. Gleevec functioneert als een kleinmoleculige kinaseremmer. Omdat de actie van Gleevec gericht is, is het een veel veiligere aanpak. Dit maakt het gebruik ervan echter zeer selectief, zodat het alleen een hoog slagingspercentage heeft als de Philadelphia-chromosomale afwijking aanwezig is (Pray, 2008). Een bijkomend probleem met geneesmiddelen zoals Gleevec is hun effect op het p-glycoproteïne (Schinkel, 1999), dat functioneert als een "selectieve pomp" in de bloed-hersenbarrière en andere verschillende heiligdommen in het lichaam. Deze functie werkt echter averechts bij verschillende geneesmiddelen tegen kanker, omdat ze de neiging hebben om ze eruit te pompen in een poging het lichaam te ontgiften.

Het ECS moet worden geëvalueerd als een mogelijk alternatief voor de behandeling van kanker. Een van de sleutels tot het uitroeien van kanker is de selectieve inductie van apoptose. Van THC is aangetoond dat het apoptose veroorzaakt, zoals eerder vermeld. Als we de juiste cannabinoïden (THC, THCA, CBD, 2-AG, enz.) zouden kunnen bepalen die verband houden met kanker, zouden we een stapsgewijze benadering kunnen volgen om specifieke kankers te neutraliseren. Dit zou worden bereikt door de specifieke cannabinoïden via een virus of vector in de kankergezwel te injecteren. Omdat CB2 het grootste effect heeft op apoptose, zouden we de CB2-binding kunnen verbeteren door een antagonist van MAGL te gebruiken. Dit zou voorkomen dat de cannabinoïden die zich in het algemeen aan de CB2-receptor binden, worden afgebroken, wat resulteert in een verhoogde en langdurige concentratie van cannabinoïden in de bloedbaan.

De specifieke vetzuren die moeten worden geblokkeerd of versterkt, kunnen van kanker tot kanker verschillen, evenals de cannabinoïden die bij de behandeling worden gebruikt. Dit kan een effectieve manier zijn om apoptose in de cel te induceren, wat kanker zou uitroeien terwijl de bijwerkingen die gewoonlijk worden geassocieerd met conventionele chemotherapie worden geminimaliseerd. Dit zou zeer succesvol kunnen blijken te zijn vanwege het feit dat zodra bepaalde mutaties in de cel kanker hebben veroorzaakt, het vermogen om een ​​normaal signaal van p53 en andere TSG/oncogenen te verwerken verloren gaat. Door gebruik te maken van de ECS om deze kankercellen op te heffen, kunnen deze cellen ertoe worden aangezet om aandacht te besteden aan de nieuwe apoptotische signalen.

Autisme, of autismespectrumstoornis (ASS), is een ziekte die zowel lichamelijke als gedragsveranderingen met zich meebrengt. De cellen in het CZS die het meest worden aangetast, zijn de GABAergic Purkinje-neuronen (Goodenowe & Pastural, 2011). Deze neuronen zijn de enige output van de cerebellaire cortex en spelen een vitale rol in de functie en het ontwerp van de cerebellumcircuits. Het verlies van deze specifieke GABAerge neuronen is een van de belangrijkste oorzaken van autisme. Hoewel misgelopen apoptose de oorzaak kan zijn van het verdwijnen van deze Purkinje-neuronen, is dit meestal niet het geval. De meest voorkomende katalysatoren die verantwoordelijk zijn voor hun vernietiging zijn alcohol en andere toxines (Sudarov, 2013). Omdat de neuronen echter GABA-erge zijn, zou het ECS deze specifieke neuronen niet kunnen repliceren, maar manipulatie van het systeem zou ons in staat kunnen stellen de GABA-signalen te moduleren die zouden moeten optreden in de overleden Purkinje-neuronen.

Een andere indicator van autisme is massale mitochondriale disfunctie, die op verschillende manieren kan worden gedetecteerd, inclusief maar niet beperkt tot: plasmalactaatniveaus, carnitineniveaus en glutathionniveaus (Goodenowe & Pastural, 2011). Interessant is dat het Purkinje-neuron in verband is gebracht met bepaalde mitochondriale aandoeningen die wijzen op autisme. Overmatige hoeveelheden glutamaat gevormd door microglia kunnen zich vormen rond Purkinje-neuronen. Dit kan worden veroorzaakt door presynaptische depolarisatie van neuronen van klimmende vezels, die een rol spelen bij massale actiepotentiaalpieken (Ohtsuki, Piochon, & Hansel, 2009) en synaptische spillover, wat kan leiden tot glutamaattoxiciteit.

Bovendien is er een interessant gendervooroordeel bij autisme, met een prevalentie van bijna vier keer zoveel bij prepuberale mannen dan bij prepuberale vrouwen. Dit komt door een viervoudige toename van oestrogeen bij vrouwen, dat lijkt te functioneren als een beschermend mechanisme voor mitochondriën, vooral B-estradiol. Het is daarom niet verwonderlijk dat de mitochondriale storingen die het best worden beschermd door B-estradiol, verband houden met glutamaattoxiciteit.

Naast hun rol bij de GABA / glutamaat-neurotransmitters, is ook aangetoond dat de ECS een directe rol speelt bij het beheersen van mitochondriale storing. Zoals eerder vermeld, is het bekend dat de ECS vele routes moduleert, waaronder Ca2+-kanalen, Kir, MAPK, e/iNOS, mTor en de productie van ceramide. Dit toont aan dat de ECS een stevige "greep" heeft op de mitochondriale productie (Nunn, Guy, & Bell, 2012). Via deze verschillende routes komen verschillende endocannabinoïden tot expressie, met een systeem van verschillende reacties binnen deze routes. Deze variëren van toenemende/afnemende apoptose, toenemende nNOD in neuronen en afnemende iNOS in astrocyten.

Er is ook een overvloed aan andere controles binnen deze routes die net zo belangrijk zijn met betrekking tot mitochondriale productie. Een van de belangrijkste routes is echter mTOR, dat de mitochondriale functie en levensduur regelt. Hoewel het ECS over het algemeen als anti-proliferatief wordt beschouwd, is gedurende de hele mTOR-route (met name CB2-activering) aangetoond dat het ECS proliferatief kan worden, alleen door activering op laag niveau. Deze activering kan een behandeling bieden voor mitochondriale disfunctie bij autisme als gevolg van de massale controle van de ECS over de mitochondriale routes.

Een sleutel tot het veranderen van de mitochondriale functie bij patiënten met autisme zou FAAH kunnen zijn, het primaire enzym dat verantwoordelijk is voor het afbreken van anandamide en THC (National Institute of Neurological Disorders and Stroke, 2013). Van FAAH-remmers is bekend dat ze pijnstillende, ontstekingsremmende en antidepressieve eigenschappen vertonen bij muizen.Dit is logisch, aangezien met FAAH verlaagd of verwijderd, de endogene cannabinoïde anandamide vaker voorkomt in de bloedbaan, en het is bekend dat het de bovengenoemde effecten produceert door interacties met verschillende delen van de hersenen en immuuncellen. Dit kan een mogelijke behandelingskuur zijn bij personen met autisme, omdat hun mitochondriën mogelijk gedownreguleerd zijn. Het remmen van FAAH zou een langdurige interactie met anandamide mogelijk maken, die bij de juiste concentratie de mitochondriale functie opreguleert.

Amyotrofische Laterale Sclerose (ALS)

ALS is een neurodegeneratieve ziekte die zenuwcellen in de hersenen en het ruggenmerg (met name motorneuronen) kan aantasten, met de dood tot gevolg. Dientengevolge verliezen de hersenen het vermogen om spieren te controleren, inclusief die van de longen en het hart (Ahn, Johnson, & Benjamin, 2009). ALS wordt slechts tot op zekere hoogte begrepen, met meerdere theorieën die het erover eens zijn dat celdood bijdraagt ​​aan dit proces. Een van de meest opvallende theorieën is dat apoptose een grote rol speelt bij ALS en verantwoordelijk is voor de dood van motorneuronen (Sathasivam, Ince, & Shaw, 2001). Er is gemeld dat er bij ALS veranderingen zijn in p53-eiwitten en de Bcl-2-familie.

Kanker is een andere ziekte die mutaties vertoont die vergelijkbaar zijn met deze eiwitten, maar er treden tegengestelde effecten op. Bij kanker is er ongecontroleerde celgroei, wat in contrast staat met de ongecontroleerde celdood die bij ALS wordt gevonden. De celdood bij ALS richt zich echter specifiek op de motorneuronen. In een studie uitgevoerd door Ranganathan en Bowser (2010), werden p53-niveaus significant verhoogd gevonden in het ruggenmerg, maar niet zo in de motorneuronen. Deze bevinding zou de dood van motorneuronen bij ALS gedeeltelijk kunnen verklaren en suggereert dat ALS een ziekte met twee niveaus kan zijn.

Een ander belangrijk probleem bij de meeste ALS-patiënten is hun glutamaatgehalte (Foran & Trotti, 2009). Excitotoxiciteit van glutamaat komt veel voor bij neurodegeneratieve ziekten zoals ALS. Verschillende glutamaattransporters, bekend als de excitatory amino acid transporter (EAAT)-familie, spelen een grote rol bij de regulatie van glutamaat, hoewel er structurele verschillen bestaan. EEAT-2 lijkt belangrijk te zijn bij het transport van glutamaat vanwege de overvloed in de hersenen en in het CZS. In postmortale studies van ALS-patiënten is er een duidelijke neerwaartse regulatie van EEAT-2 aanwezig in de ventrale hoorn van het ruggenmerg, wat de aanwezigheid van glutamaat-excitotoxiciteit aantoont.

Excitotoxiciteit wordt voornamelijk gemoduleerd via de Ca2+-routes, die werden besproken in de sectie over autisme, en wordt beïnvloed door de ECS. Het is dus geen verrassing dat glutamaat een van de neurotransmitters is die het ECS beïnvloedt. ALS blijkt het gevolg te zijn van apoptose en afwijkingen bij glutamaattransport. Het lijkt erop dat de een een katalysator kan zijn voor de ander. Het is mogelijk dat de toename van apoptotische activiteit in caspases-8 (initiator) en 3 (beul) kan leiden tot verhoogde apoptose van motorneuronen. Dit fenomeen resulteert dan in een ontregeling van het glutamaattransport, wat vervolgens excitotoxiciteit veroorzaakt, wat de belangrijkste factor kan zijn bij het veranderen van ALS in een dodelijke ziekte.

Onze hypothese is dat onbehandelde ALS een exponentiële groeicurve heeft, ondanks dat dit niet duidelijk was in de uitgevoerde review. Zodra een bepaald percentage motorneuronen is afgestorven, is er een toename van ontregeling van eiwitten (zoals EEAT-2), wat resulteert in de onvermijdelijke dood van de ALS-patiënten. Wij geloven dat downregulatie van apoptose door het ECS op een gegeven moment zal leiden tot een uiteindelijke genezing. Een andere hypothese is dat sommige andere mogelijke routes de afgifte van glutamaat kunnen verminderen, zelfs na de neerwaartse regulatie van verschillende eiwitten.

Epilepsie is een complexe ziekte waarbij er meerdere theoretische oorzaken zijn, zoals epigenetica, onbalans van neurotransmitters, ion-gated kanaaldisfunctie, enz. We zullen ons echter concentreren op de eerder genoemde variabelen en hun effect op epilepsie.

Epileptische aanvallen zijn niet allemaal hetzelfde (Bromfield, Cavazos, & Sirven, 2006) er zijn partiële aanvallen en gegeneraliseerde aanvallen. De belangrijkste oorzaak van epilepsie is het falen van het membraan om zijn evenwicht na de actiepotentiaal te bereiken (Bromfield et al., 2006). Actiepotentialen worden gevormd als gevolg van depolarisatie van het neuronale membraan, wat de afgifte van neurotransmitters aan het axon-uiteinde veroorzaakt. Deze worden veroorzaakt door netto positieve veranderingen in verschillende ionenfluxen zoals de ligand of spanningsafhankelijke kanalen, of veranderingen in intracellulaire ioncompartimentering. Er zijn acht soorten neurotransmitters in de hersenen, maar we zullen ons voornamelijk concentreren op de belangrijkste prikkelende en remmende neurotransmitters, respectievelijk glutamaat en GABA.

Neuronale prikkelbaarheid heeft veel variabelen die kunnen bepalen hoe groot het prikkelende en remmende effect kan zijn, waaronder de modulatie van genexpressie, type of aantal gated kanalen en veranderingen in extracellulaire ionenconcentraties. We merken echter dat veel hiervan worden gemoduleerd door de homeostatische functies van het ECS (Rosenberg, Tsien, Whalley, & Devinsky, 2015). Er is een duidelijk verband tussen cannabis en zijn anticonvulsieve eigenschappen, maar het is belangrijk om het verschil op te merken tussen de exogene cannabinoïden in cannabis en de endogene cannabinoïden die het lichaam aanmaakt (Alger, 2014). Het is bijvoorbeeld logisch dat de exogene/fyto-cannabinoïden een veel breder effect hebben op ons lichaam. Dit effect kan worden aangeduid als de 'gegeneraliseerde cannabinoïde boog'. Bij het roken van marihuana, ongeacht de soort, zijn er een aantal effecten die over het algemeen optreden. Dit kan te wijten zijn aan het feit dat, hoewel ze de endogene cannabinoïden in ons lichaam nabootsen, ze niet zijn ontworpen om onze verschillende systemen te moduleren.

Aangezien de cannabinoïden endogeen van aard zijn, zouden we stellen dat elke endocannabinoïde en CB2-receptor een specifieke rol spelen in de homeostatische functie van de spier, het organel of de cascade die ze aansturen. Dus, ondanks het succes dat tot dusver is behaald door epilepsie met cannabis te behandelen, zou een meer optimale behandelingsroute misschien zijn om het ECS rechtstreeks te gebruiken. Ondanks de uitdagingen zijn we van mening dat het een effectievere behandeling voor epilepsie zou bieden. Dit roept de vraag op hoe we de ingewikkelde paden van ECS gebruiken om de neurotransmitters en actiepotentialen te manipuleren. Interessant is dat de meest efficiënte manier om de mobilisatie van endotheliale CB (eCB) op korte termijn te stimuleren, gebruik zou maken van depolarisaties van postsynaptische membranen die van 1s tot 10s duren. Actiepotentialen zijn ook depolarisaties, waarbij specifiek het neuronale membraan betrokken is. Als kunstmatige stimulatie van eCB een soortgelijk proces is als deze actiepotentialen, zou het logisch zijn dat de natuurlijke reactie van het lichaam op deze actiepotentialen is om ze te controleren met ECS vanwege de homeostatische functie van de systemen.

Men zou kunnen veronderstellen dat een fout binnen ECS zou kunnen leiden tot epilepsie. De meest veelbelovende behandeling voor epilepsie is mogelijk het gebruik van de CB1-receptoren die zich in de hersenen bevinden, met name vanwege hun reactie op actiepotentialen en hun vermogen om GABA bij epilepsie te manipuleren. Ongeacht of de miscommunicatie in het ECS de oorzaak of gewoon een bijwerking van epilepsie is, een mogelijke manier om het te genezen is door het ECS te manipuleren met een langdurige cannabinoïdetherapie. Om dit te bereiken, moeten we onderzoek doen naar de specificiteit van elke endocannabinoïde en hun respectievelijke receptoren. Als we eenmaal het ECS en zijn rol met betrekking tot epilepsie volledig hebben gedecodeerd, zouden we niet alleen in staat zijn om aanvallen te stoppen, maar ook, door middel van uitgebreide therapie, de fouten te corrigeren die het langdurig afvuren van actiepotentialen veroorzaken die het optreden van aanvallen veroorzaken.

Het ECS is een van de, zo niet de belangrijkste systemen in ons lichaam. Zijn rol in de homeostatische functie van ons lichaam is onmiskenbaar en zijn invloedssfeer is ongelooflijk. Bovendien speelt het ook een belangrijke rol bij apoptotische ziekten, mitochondriale functie en hersenfunctie.

Zijn bijdrage is meer dan het handhaven van de homeostase, het heeft ook een diepgaand regulatievermogen. ECS werkt op een retrograde manier en met een over het algemeen remmend karakter, en kan fungeren als een "kill-switch". Het is echter aangetoond dat het een remmende of stimulerende rol speelt op basis van de grootte van de instroom van cannabinoïden, wat resulteert in een bimodale regulering. Bovendien heeft het vanwege de aard van de afbraaksnelheid van cannabinoïden niet zoveel bijwerkingen op de lange termijn als de meeste van de huidige medicijnen op de markt.

Het ECS kan niet alleen antwoorden bieden op ziekten waarvoor geen genezing bekend is, maar het kan ook de manier veranderen waarop we de geneeskunde benaderen. Dit systeem zou ons in staat stellen onze focus te verleggen van invasieve farmacologische interventies (d.w.z. SSRI's voor depressie, benzodiazepinen voor angst, chemotherapieën voor kanker) naar het ontrafelen van het mysterie waarom het lichaam er niet in slaagt om homeostase te handhaven. Het begrijpen van de rol van ECS bij deze ziekten geeft een nieuwe richting aan de geneeskunde die het gebruik van enkele van de minder verdraagbare therapieën kan uitroeien.

Ahn, K., Johnson, D., & Cravatt, B. (2009). Vetzuuramidehydrolase als een potentieel therapeutisch doelwit voor de behandeling van pijn en aandoeningen van het centraal zenuwstelsel. Meningen van deskundigen over het ontdekken van geneesmiddelen, 4(7), 763-764. doi: 10,1517 %2F17460440903018857

Alger, B. (2013). High worden op het endocannabinoïde systeem. Cerebrum: het Dana-forum over hersenwetenschappene, 14.

Alger, BE (2014). Een kans grijpen voor het endocannabinoïdesysteem. Epilepsie stromingen, 14(5), 272-276. doi: 10.5698/1535-7597-14.5.272

Amcaoglu, R., Ashok, C., Ugra, S., Mitzi, N., & Prakash, N. (2010). Door cannabinoïde geïnduceerde apoptose in immuuncellen als een weg naar immunosuppressie. Immunobiologie, 215(8), 598-605. doi:10.1016/j.imbio.2009.04.001

Basavarajappa, B., Nixon, R., & Arancio, O. (2009). Endocannabinoïdesysteem: opkomende rol van neurologische ontwikkeling tot neurodegeneratie. Mini-reviews in medicinale chemie. 9 (4). doi:10.2174/138955709787847921

Bromfield, E.B., Cavazos, J.E., & Sirven, J.I. (2006). Basismechanismen die ten grondslag liggen aan aanvallen en epilepsie. Een inleiding tot epilepsie. West Hartford (CT): American Epilepsy Society.

Bromfield, E.B., Cavazos, J.E., & Sirven, J.I. (2006). Klinische epilepsie. Een inleiding tot epilepsie. West Hartford (CT): American Epilepsy Society.

Cooper, G.M. (2000). De cel: een moleculaire benadering. Sunderland (Massa), Sinauer Associates.

De Marchi, N., De Petrocellis, L., Pierangelo, O., Fabiana, D., Filomena, F., & Di Marzo, V. (2003). Endocannabinoïde signalering in het bloed van patiënten met schizofrenie. Lipiden bij gezondheid en ziekte, 2(5). doi:10.1186/1476-511X-2-5

De Petrocellis, L., Palmisano, A., Melck, D., Bissogno, T., Laezza, C., Bifuclo, M., & Di Marzo, V. (1998). De endogene cannabinoïde anadamide remt de proliferatie van menselijke borstkankercellen. Proceedings National Academy of Science VS, 95(14), 8375-8380

Elmore, S. (2007). Apoptose: een overzicht van geprogrammeerde celdood. Toxicologische Pathologie, 35(4), 495-516. doi:10.1080/01926230701320337

Favaloro, B., Allocati, N., Graziano V., Di lio, C., & De Laurenzi. (2012). De rol van apoptose bij ziekte. Veroudering, 4(5), 330-349. doi:10.18632/aging.100459

Foran, E., & Trotti, D. (2009). Glutamaattransporters en het excitotoxische pad naar motorneurondegeneratie bij amyotrofische laterale sclerose. Antioxidanten en Redox-signalering, 11(7), 1587-1602. doi:10.1089/ars.2009.2444

Gambi, F., De Beradis, D., Sepede, G., Quartesan, R., Calcagni, E., Salerno, R.M., . Ferro, FM (2005). Cannabinoïde-receptoren en hun relaties met neuropsychiatrische stoornissen. Internationaal tijdschrift Immunopathologie Farmacologie, 18(1), 15-9. doi:10.1177/039463200501800103

Gertsch, J., Pertwee, R., & DiMarzo, V. (2010). Fyto-cannabinoïden buiten de cannabisplant - bestaan ​​ze? British Journal of Pharmacology, 160(3), 523-529. doi:10.1111/j.1476-5381.2010.00745.x

Gonsiorek, W., Lunn, C., Fan, X., Narula, S., Lundell, D., & Hipkin, RW (2000). Endocannabinoïde 2-arachidonylglycerol is een volledige agonist via de menselijke type 2 cannabinoïdereceptor: antagonisme door anandamide. Moleculaire farmacologie, 57(5), 1045-50.

Goodenowe, D., &. Pastural, E. (2011). De biochemische basis van autistisch gedrag en pathologie. Autisme - Een neurologische reis van genen naar gedrag. Rijeka: Intech. doi: 10.5772/18571

Griffin III, C., Kaye, A., Bueno, F., & Kaye, A. (2013). Benzodiazeprine Farmacologie en door het centrale zenuwstelsel gemedieerde effecten. Ochsner Journaal, 13(2), 214-223.

Hinz, M., Stein, A., Trachte G., & Uncini, T. (2010). Neurotransmitter testen van de urine: een uitgebreide analyse. Dove Press, 2010(2), 177-183. doi:10.2147/RRU.S13370

Lipina, C., Irving, A., & Hundal, H. (2014). Mitochondriën: een mogelijk verband voor de regulatie van energiehomeostase door het endocannabinoïdesysteem? American Journal of Physiology-Endocrinology and Metabolism, 307(1), 1-13. doi: 10.1152/ajpendo.00100.2014

Lodish, H., Berk, A., & Zipursky, S.L. (2000). Proto-onco-genen en tumor-suppressorgenen. Moleculaire celbiologie. New York: W. H. vrijman.

Long, J., Normura, D., Vann, R., Walentiny, M., Booker, L., Jin X., … Cravatt, B. (2009). Dubbele blokkade van FAAh en MAGL identificeert gedragsprocessen die in vivo worden gereguleerd door endocannabinoïde overspraak. Proceedings van de National Academy of Sciences van de Verenigde Staten van Amerika, 106(48). doi:10.1073/pnas.0909411106

Lowe, S., & Lin, A. (2000). Apoptose bij kanker. Carcinogenese. Oxford Academisch Tijdschrift, 21(3), 485-495.

Mackie, K. (2008). Cannabinoïde-receptoren: waar ze zijn en wat ze doen. Journal of Neuroendocrinology, 20, 10-14. doi:10.1111/j.1365-2826.2008.01671.x

Maida, V., & Daeninck, P.J. (2016). Een gebruikershandleiding voor cannabinoïdetherapieën in de oncologie. Huidige oncologie. 23 (6), 398–406. doi: 10.3747/co.23.3487

Manzanares, J., & Carrascosa, A. (2006). De rol van het cannabinoïdesysteem bij pijnbeheersing en therapeutische implicaties voor de behandeling van acute en chronische pijnepisodes. Huidige neurofarmacologie, 4(3), 239-257.

Manzanares, J., Julian, M., & Carracosa, A. (2006). De rol van het cannabinoïdesysteem bij pijnbeheersing en therapeutische implicaties voor de behandeling van acute en chronische pijnepisodes. Huidige neurofarmacologie. 4(3), 239-257.

Nationaal Instituut voor Drugsmisbruik. (2017). Overdosis sterftecijfers. Opgehaald van https://www.drugabuse.gov/related-topics/trends-statistics/overdose-death-rates

Nationaal Instituut voor Geestelijke Gezondheid. (2016a). Medicijnen voor geestelijke gezondheid. Opgehaald van: https://www.nimh.nih.gov/health/topics/mental-health-medications/index.shtml

Nationaal Instituut voor Geestelijke Gezondheid. (2016b). Schizofrenie. Opgehaald van: https://www.nimh.nih.gov/health/topics/schizophrenia/index.shtml

Nationaal Instituut voor Neurologische Aandoeningen en Beroerte. (2013). Amyotrofische laterale sclerose (ALS) factsheet. Opgehaald van: https://www.ninds.nih.gov/-Disorders/Patient-Caregiver-Education/Fact-Sheets/Amyotrofische-Lateral-Sclerosis-ALS-Fact-Sheet

Nunn, A., Guy, G., & Bell, J. (2012). Endocannabinoïden in neuro-endopsychologie: multifasische controle van de mitochondriale functie. Filosofische transacties B, 367 (1607), 3342-3352. doi:10.1098/rstb.2011.0393

Ohtsuki, G., Piochon, C., & Hans, C. (2009). Klimmende vezelsignalering en cerebellaire versterkingsregeling. Grenzen in cellulaire neurowetenschap, 3, 4. doi:10.3389/neuro.03.004.2009

Omar, I. (2007). Endocannabinoïde systeempathofysiologie van apidogenese: huidig ​​beheer van obesitas. Gepersonaliseerde geneeskunde, 4(3), 307-319.

Petrosino, S., & Di Marzo, V. (2010). FAAH- en MAGL-remmers: therapeutische mogelijkheden door het reguleren van endocannabinoïdeniveaus. Huidige mening over onderzoeksgeneesmiddelen, 11(1), 51-62.

Prakash, N., Pandey, R., Amcaoglu, R., Venkatesh, H., & Nagarkatti, M. (2009). Cannabinoïden als nieuwe ontstekingsremmende medicijnen. Toekomstige medicinale chemie, 1(7), 1333-1349. doi: 10.4155/fmc.09.93

Bid, L. (2008). Gleevec: de doorbraak in de behandeling van kanker. Natuureducatie, 1(1), 37.

Ranganathan, S., & Bowser, R. (2010). p53 en celcyclus-eiwitten nemen deel aan spinale motorneuronceldood bij ALS. Het Open Pathologie Journal, 4, 11-22. doi:10.2174/1874375701004010011

Rosenberg, E.C., Tsien, R.W., Whalley, B.J., & Devinsky, O. (2015). Cannabinoïden en epilepsie. Neurotherapie, 12(4), 747-768. doi:10.1007/s13311-015-0375-5

RX-lijst. (2017). Gleevec. Opgehaald van: http://www.rxlist.com/gleevec-drug.htm

Sathasivam, S., Ince, P.G., & Shaw, P.J. (2001). Apoptose bij amyotrofische laterale sclerose: een overzicht van het bewijsmateriaal. Neuropathologie en toegepaste neurobiologie, 27(4), 257-74.

Schinkel, A.H. (1999). P-Glycoprotien, een poortwachter in de bloed-hersenbarrière. Geavanceerde beoordelingen van medicijnafgifte, 36(2-3), 179-194.

Sigel, E., Baur, R., Racz, I., Smart, T.G., Zimmer, A., & Gertsch, J. (2011). De belangrijkste centrale endocannabinoïde werkt direct op GABA(A)-receptoren. Proceedings van de National Academy of Science, 108(44), 18150-18155. doi:10.1073/pnas.1113444108

Simon, V., Ho, D., & Karim, Q. (2006). HIV/AIDS-epidomologie pathogenese, preventie en behandeling. Lancet, 368(9534), 489-504.

Soedarov, A. (2013). De rol van cerebellaire Purkinje-cellen bij autismespectrumstoornissen definiëren. Cerebellum. 12 (6), 950-95. doi:10.1007/s12311-013-0490-y

Amerikaanse Drug Enforcement Administration. (n.d.). Geneesmiddelenplanning. Opgehaald van https://www.dea.gov/druginfo/ds.shtml

Zhu, J., & William, P. (2008). CD4 T-cellen: lot, functies en fouten. Bloed, 112 (5), 1557-1569. doi:10.1182/bloed-2008-05-078154

Zhu, K., Liu, Q., Zhou, Y., Tao, C., Zhongming, Z., Sun, J., & Xu, H. (2015). Oncogenen en tumorsuppressorgenen: vergelijkende genomica en netwerkperspectieven. BMC Genomics, 6(7). doi: 10.1186/1471-2164-16-S7-S8


Microbiële elektrokatalytische kinetiek stimuleren voor hoge vermogensdichtheid: inzichten in synthetische biologie en geavanceerde nanowetenschap

Microbiële elektrochemische systemen zijn in staat om elektriciteit te oogsten of waardevolle chemicaliën uit organische stoffen te synthetiseren en tegelijkertijd milieugevaarlijke afvalstoffen te reinigen. De trage extracellulaire elektronenoverdracht (EET) tussen "niet- of slecht geleidende" microben en elektrode omvat zowel bio- als elektrokatalytische processen, maar is een van de belangrijkste belemmeringen voor snelle microbiële elektrodekinetiek.Om EET te stimuleren, zijn onderzoeken gericht op het engineeren van elektrochemisch actieve microben, het construeren van een unieke nanogestructureerde elektrode die is begiftigd met een grote hoeveelheid microben en het verbeteren van biotisch-abiotische interacties voor snelle elektrodekinetiek. Na onderzoek van de fundamenten van microbiële elektrokatalyse, met name de diverse EET-mechanismen met discussies over wetenschappelijke inzichten, vat en bespreekt deze review de recente vorderingen in de bio-engineering van zeer actieve biokatalytische microben en nano-engineering van unieke elektrode-nanostructuren voor aanzienlijk verbeterde microbiële EET-processen. In het bijzonder analyseert deze review in verband met onze onderzoeken in meer detail de EET-routes, die directe en gemedieerde elektronenoverdracht bevatten. De verwarring tussen de energie-efficiëntie en de elektronenoverdrachtsnelheid wordt verduidelijkt en de benaderingen om de EET-snelheid te verhogen worden verder besproken. Deze discussies werpen zowel theoretisch als praktisch licht op verder onderzoek en ontwikkeling van meer hoogwaardige microbiële katalysatoren door gebruik te maken van synthetische biologie in combinatie met nano-engineeringbenadering voor een hoge energieconversie-efficiëntie terwijl een hoge vermogensdichtheid wordt bereikt voor praktische toepassingen. De uitdagingen en perspectieven worden gepresenteerd. Er wordt aangenomen dat een volgende golf van onderzoek naar microbiële elektrochemische systemen een nieuwe generatie duurzame groene energietechnologieën zal opleveren en veelbelovend zal zijn in hun brede toepassingen en industrialisaties.


4.3: Katalysemechanismen - Biologie

Afdeling Fysische Chemie, Graduate School of Pharmaceutical Sciences, Chiba University

Integrated Database-team, Japan Biological Information Research Center, Japan Biological Information Consortium, Advanced Institute of Science and Technology

Afdeling Fysische Chemie, Graduate School of Pharmaceutical Sciences, Chiba University

Afdeling Fysische Chemie, Graduate School of Pharmaceutical Sciences, Chiba University

Afdeling Fysische Chemie, Graduate School of Pharmaceutical Sciences, Chiba University

Afdeling Fysische Chemie, Graduate School of Pharmaceutical Sciences, Chiba University

2004 Volume 4 Issue 3 Pagina's 73-92

  • Gepubliceerd: 2004 Ontvangen: - Beschikbaar op J-STAGE: 11 november 2004 Geaccepteerd: - Voorafgaande online publicatie: - Herzien: -

(compatibel met EndNote, Reference Manager, ProCite, RefWorks)

(compatibel met BibDesk, LaTeX)

Humaan 8-oxoguanine DNA-glycosylase 1 (hOGG1) speelt een belangrijke rol bij het repareren van geoxideerde genomische DNA's. Het herstelproces omvat de splitsingsreactie van de N-glycosidische koppeling tussen 8-oxoguanine (8-oxoG) en de deoxyribose. Om het reactiemechanisme op atomaire schaal van de splitsing van de N-glycosidebinding te verduidelijken, werd een kwantumchemische (QM) berekening bij B3LYP/6-31G(d,p) uitgevoerd met een reactiemodel dat bestaat uit het katalytische Lys249 en guanosine dat de 8-oxoG. Uit de QM-berekening is gebleken dat het splitsingsmechanisme verloopt via drie elementaire reacties. In de eerste elementaire reactie wordt een proton in de ammoniumgroep van Lys249 verwijderd door het zuurstofatoom van 8-oxoG (8O) samen met de vorming van een nieuwe waterstofbinding tussen 8O en O4' van deoxyribose. In de tweede elementaire reactie valt het N-atoom in de Lys249 zijketen (N&zeta) nucleofiel aan op C1' van de deoxyribose samen met de spontane protonmigratie van 8O naar O4'. De protonmigratie induceert de dissociatie van de etherbinding tussen O4' en C1'. Tenslotte migreert een proton van N&zeta naar N9 in 8-oxoG via 8O. N-glycosidische koppeling tussen C1' en N9 is volledig gesplitst in de laatste elementaire reactie. Er werd bevestigd dat Schiffse base in producten van de uiteindelijke reactie verscheen. Volgens het verkregen base-excisiemechanisme neemt 8O deel aan de eerste en tweede elementaire reacties. Daarom is deze enzymatische reactie een door substraat ondersteunde katalyse. Er werd ook gevonden dat het reactiepad grote activeringsenergie vereist (<42kcal/mol). Dit resultaat weerspiegelt de experimentele bevinding dat de enzymatische activiteit van hOGG1 niet zo hoog is.


4.3: Katalysemechanismen - Biologie

Hoe werken enzymen?

Enzymen zijn "biologische katalysatoren". "Biologisch" betekent dat de stof in kwestie wordt geproduceerd of afgeleid van een levend organisme. "Katalysator" verwijst naar een stof die het vermogen heeft om de snelheid van een chemische reactie te verhogen, en niet wordt veranderd of vernietigd door de chemische reactie die het versnelt.

Over het algemeen zijn katalysatoren specifiek van aard wat betreft het type reactie dat ze kunnen katalyseren. Enzymen, als een subklasse van katalysatoren, zijn zeer specifiek van aard. Elk enzym kan alleen zeer geselecteerde chemische reacties katalyseren en alleen met zeer geselecteerde stoffen. Een enzym is beschreven als een "sleutel" die complexe verbindingen kan "ontsluiten". Een enzym, als de sleutel, moet een bepaalde structuur of multidimensionale vorm hebben die past bij een specifiek gedeelte van het "substraat" (een substraat is de verbinding of stof die de verandering ondergaat). Als deze twee componenten eenmaal samenkomen, veranderen bepaalde chemische bindingen in het substraatmolecuul veel als een slot wordt losgelaten, en net als de sleutel in deze illustratie, is het enzym vrij om zijn taak opnieuw uit te voeren.

Veel chemische reacties gaan wel door, maar met zo'n langzaam tempo dat hun voortgang niet waarneembaar lijkt te zijn bij de normale omgevingstemperatuur. Denk bijvoorbeeld aan de oxidatie van glucose of andere suikers tot bruikbare energie door dieren en planten. Om een ​​levend organisme warmte en andere energie uit suiker te laten halen, moet de suiker worden geoxideerd (gecombineerd met zuurstof) of metabolisch "verbrand"

In een levend systeem moet de oxidatie van suiker echter voldoen aan een aanvullende voorwaarde dat de oxidatie van suiker in wezen bij normale lichaamstemperatuur moet plaatsvinden. Het is duidelijk dat suiker omgeven door voldoende zuurstof niet erg snel oxideert bij deze temperatuur. In combinatie met een reeks enzymen die door het levende organisme worden aangemaakt, verloopt deze reactie echter vrij snel bij temperaturen tot 100°F (38°C). Daarom stellen enzymen het levende organisme in staat gebruik te maken van de potentiële energie in suiker en andere voedingssubstanties.

Enzymen of biologische katalysatoren zorgen ervoor dat reacties die nodig zijn om het leven in stand te houden relatief snel verlopen bij normale omgevingstemperaturen. Enzymen vaak
de snelheid van een chemische reactie verhogen met 10 tot 20 miljoen keer de reactiesnelheid wanneer deze niet gekatalyseerd zou worden (bij een bepaalde temperatuur).

Voedingsstoffen opgesloten in bepaalde organische stoffen zijn complexe macromoleculen, of in moeilijk verteerbare matrices kunnen worden vrijgegeven of voorverteerd door een hoge mate van hitte of geconcentreerde zuurbehandeling. Op een alternatieve manier kunnen specifieke enzymen de voorvertering van bepaalde complexe voedingsstoffen bevorderen en de afgifte van goed verteerbare voedingsstoffen in organische stoffen tijdens de verwerking vergemakkelijken zonder de noodzaak van overmatige hitte of rigoureuze chemische behandeling.