by

Aplikasi Reaksi Redoks Dalam Sel Hidup

Aplikasi Reaksi Redoks Dalam Sel Hidup

Mempelajari Proses bagaimana biosensor berfluoresens dapat memantau kimia di dalam sel hidup.

Kita cenderung berpikir tentang reaksi reduksi dan oksidasi sebagai kimia murni. Namun, dalam sel-sel hidup, reduksi merupakan penambahan dalam elektron dan oksidasi adalah hilangnya elektron. Reaksi redoks memiliki peran penting dalam berbagai proses biokimia. Reaksi redoks seluler yang tidak seimbang terlibat dalam beberapa penyakit, sehingga menjaga keseimbangan dalam reaksi ini sangat penting bagi kesehatan kita.

Kita lihat reaksi berikut

C ⇌ C4+ +4e

O2+4e ⇌ 2O2-

Dalam reaksi tersebut, karbon dioksidasi, dan yang lain, oksigen berkurang. Bersama-sama, kedua persamaan menggambarkan reaksi redoks yang terlihat seperti kimia sederhana. Namun, reaksi ini terjadi di tubuh kita setiap saat.

Aplikasi Reaksi Redoks Dalam Sel Hidup
Struktur kristal wildtype
Protein fluoresen hijau
(GFP) dari ubur-ubur
Aequorea victoria.

Reaksi redoks yang khas
Dalam reaksi redoks, elektron ditransfer antar spesies kimia. Misalnya, dalam reaksi termit peledak, yang kadang-kadang digunakan untuk mengelas rel kereta api, elektron dilewatkan dari logam aluminium ke oksida besi:

Fe2O3(s) + 2Al(s) → Al2O3(s) + 2Fe(l)

Perubahan ini menjadi lebih jelas jika kita menghilangkan atom oksigen dari persamaan:
2Fe3+ + 2Al → 2Al3+ + 2Fe
Kita dapat melihat bahwa atom-atom aluminium kehilangan elektron (menjadi teroksidasi) dan elektron-elektron melewati ion-ion besi dalam oksida besi, mereduksi mereka. Pada prinsipnya, setiap reaksi redoks terdiri dari dua bagian: setengah oksidasi (dalam hal ini, pasangan Al / Al3+) dan setengah reduksi (di sini pasangan Fe3+ / Fe).
Redoks biologis
Metabolisme
Reaksi termit menunjukkan bahwa reaksi redoks spontan melepaskan energi, yang dapat berguna dalam tubuh. Dua persamaan setengah pada awal artikel sebenarnya hanya cara yang berbeda untuk menggambarkan metabolisme sel. Saat kita makan, makanan dipecah menjadi gula seperti glukosa. Di dalam sel, gula ini dioksidasi, mentransfer elektron ke O2. Cara alternatif menulis persamaan adalah:
C6H12O6(s) + 6O2(g) → 6CO2(g) + 6H2O(l) + energi
Aplikasi Reaksi Redoks Dalam Sel Hidup
Wild type (atas) dan sel yang mengandung probe (bawah). Probe ditargetkan ke sitosol dalam ragi dan berfluoresensi hijau ketika tereksitasi oleh cahaya pada 488 nm.

Komunikasi seluler
Sudah lama molekul-molekul reaktif kimia yang mengandung oksigen, yang dikenal sebagai spesies oksigen reaktif (ROS), yang dapat mengubah keadaan redoks sel, telah dianggap sebagai produk sampingan metabolisme sel yang tidak diinginkan dan merusak. Biasanya, sitoplasma dalam sel disimpan dalam keadaan berkurang; pergeseran ke keadaan yang lebih teroksidasi telah terlibat dalam beberapa penyakit, termasuk kanker.

Namun, beberapa ROS juga memiliki peran bermanfaat yang penting sebagai molekul pemberi sinyal dan karenanya penting bagi kesehatan organisme. Ribuan molekul ROS yang berbeda digunakan sebagai sinyal messenger untuk memungkinkan sel berkomunikasi. Contohnya termasuk superoksida (O2), hidrogen peroksida (H2O2) dan nitrat oksida (NO.), Yang biasanya diproduksi secara terkendali dan memiliki peran dalam proses seperti penyembuhan luka, penuaan, peradangan dan kematian sel terprogram (apoptosis).

Redoks dan kanker
Pada kanker, sel membelah tidak terkendali dan protein berperilaku aneh, seperti muncul atau menghilang secara tak terduga. Reaksi redoks telah terlibat dalam pembentukan kanker, misalnya dengan merusak DNA kita, dan ROS telah dilaporkan untuk mengaktifkan ekspresi gen yang proteinnya mendorong kanker (onkogen) atau menonaktifkan gen penekan tumor, yang proteinnya melakukan sebaliknya. ROS juga dapat mengoksidasi protein, secara langsung mengubah strukturnya dan karenanya berfungsi. Jika protein ini penting untuk pembelahan atau pergerakan sel, maka kanker mungkin muncul.
Setelah tumor berkembang, mekanisme redoks juga dapat dieksploitasi dalam pengobatan. Banyak obat anti kanker menyerang tumor dengan meningkatkan produksi ROS di dalam sel-sel ganas, yang akhirnya membunuh mereka. Namun, sel-sel kanker biasanya meningkatkan produksi sistem pertahanan anti-oksidan mereka, menangkal efek seperti itu.

Mekanisme redoks mungkin juga bertanggung jawab untuk resistensi terhadap terapi, ketika perawatan obat yang tersedia tidak bekerja. Untuk menyerang tumor secara efisien, obat-obatan ini menggunakan protein pengangkut tubuh untuk mencapai lokasi target mereka (misalnya, di mana sel-sel ganas berada). Namun, reaksi redoks dapat mengubah protein ini, menjadikannya non-fungsional dan mengganggu terapi.

Ini hanya beberapa alasan mengapa memahami reaksi redoks biologis dan bagaimana sel mencapai keseimbangan redoks dapat membantu dalam memerangi kanker.

Mekanisme reaksi probe Orp1-roGFP2 saat teroksidasi.

Menyinari reaksi redoks
Untuk memahami bagaimana berbagai faktor berinteraksi dalam sel sehat dan berpenyakit, disini akan divisualisasikan proses redoks dalam sel menggunakan versi protein ubur-ubur fluoresen yang dikenal sebagai protein fluoresen hijau (GFP). Pada 1960-an dan 1970-an, para peneliti menemukan GFP di ubur-ubur Aequorea victoria dan memodifikasinya untuk menghasilkan warna yang berbeda. Karya ini kemudian dianugerahi Hadiah Nobel di Kimia.

Dengan menggunakan beberapa genetika, sekarang kita dapat membuat sel memproduksi biosensor fluoresen berdasarkan GFP untuk digunakan dalam memantau keadaan redoks sel. Salah satu biosensor tersebut adalah varian GFP yang disebut roGFP2, yang dapat dimodifikasi dengan segmen protein yang berbeda untuk mencapai tujuan spesifik. Misalnya, dapat ditargetkan ke lokasi tertentu dalam sel (mis. Sitosol atau mitokondria) dengan menambahkan urutan atau, biosensor khusus untuk molekul redoks tertentu dapat dihasilkan dengan menambahkan segmen protein tertentu yang bereaksi dengan spesies redoks tersebut.

Respon fluoresensi dari probe tereduksi (kuning) dan teroksidasi (biru).

Untuk mengukur kadar H2O2 dalam sel, kami menggunakan sensor Orp1-roGFP. Sulfur bagian Orp1 dari biosensor bereaksi dengan peroksida dan protein menjadi teroksidasi, menciptakan jembatan disulfida yang mengubah bentuk protein dan dengan demikian mengurangi fluoresensi dalam rentang yang diukur

Dengan menggunakan protein GFP yang dimodifikasi ini, kita dapat melihat secara real time di mana spesies redoks bergerak dalam sel dan bagaimana mereka mempengaruhi atau mempertahankan keadaan redoks, baik pada individu yang sehat dan pada pasien kanker. Ini dapat membantu kita memahami dinamika sel kita ketika kita sehat dan jika kita mengembangkan kanker. Mungkin suatu hari kita dapat menggunakan temuan kami untuk menyarankan perawatan baru untuk penyakit ini.

Comment

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.