NADPH Oxidase and Neurodegeneration

NADPH oxidase (Nox) is a unique, multi-protein, electron transport system that produces large amounts of superoxide via the reduction of molecular oxygen. Nox-derived reactive oxygen species (ROS) are known to be involved in a variety of physiological processes, including host defense and signal transduction. However, over the past decade, the involvement of (Nox)-dependent oxidative stress in the pathophysiology of several neurodegenerative diseases has been increasingly recognized. ROS produced by Nox proteins contribute to neurodegenerative diseases through distinct mechanisms, such as oxidation of DNA, proteins, lipids, amino acids and metals, in addition to activation of redox-sensitive signaling pathways. In this review, we discuss the recent literature on Nox involvement in neurodegeneration, focusing on Parkinson and Alzheimer diseases.

Increased vascular contractility and oxidative stress in beta(2)-adrenoceptor knockout mice: the role of NADPH oxidase

Background/Aims: beta(2)-adrenoceptor (beta(2)-AR) activation induces smooth muscle relaxation and endothelium-derived nitric oxide (NO) release. However, whether endogenous basal beta(2)-AR activity controls vascular redox status and NO bioavailability is unclear. Thus, we aimed to evaluate vascular reactivity in mice lacking functional beta(2)-AR (beta 2KO), focusing on the role of NO and superoxide anion. Methods and Results: Isolated thoracic aortas from beta 2KO and wild-type mice (WT) were studied. beta 2KO aortas exhibited an enhanced contractile response to phenylephrine compared to WT. Endothelial removal and L-NAME incubation increased phenylephrine-induced contraction, abolishing the differences between beta 2KO and WT mice. Basal NO availability was reduced in aortas from beta 2KO mice. Incubation of beta 2KO aortas with superoxide dismutase or NADPH inhibitor apocynin restored the enhanced contractile response to phenylephrine to WT levels. beta 2KO aortas exhibited oxidative stress detected by enhanced dihydroethidium fluorescence, which was normalized by apocynin. Protein expression of eNOS was reduced, while p47(phox) expression was enhanced in beta 2KO aortas. Conclusions: The present results demonstrate for the first time that enhanced NADPH-derived superoxide anion production is associated with reduced NO bioavailability in aortas of beta 2KO mice. This study extends the knowledge of the relevance of the endogenous activity of beta(2)-AR to the maintenance of the vascular physiology. Copyright (C) 2012 S. Karger AG, Basel

NADPH Phagocyte Oxidase Knockout Mice Control Trypanosoma cruzi Proliferation, but Develop Circulatory Collapse and Succumb to Infection

(NO)-N-center dot is considered to be a key macrophage-derived cytotoxic effector during Trypanosoma cruzi infection. On the other hand, the microbicidal properties of reactive oxygen species (ROS) are well recognized, but little importance has been attributed to them during in vivo infection with T. cruzi. In order to investigate the role of ROS in T. cruzi infection, mice deficient in NADPH phagocyte oxidase (gp91(phox-/-) or phox KO) were infected with Y strain of T. cruzi and the course of infection was followed. phox KO mice had similar parasitemia, similar tissue parasitism and similar levels of IFN-gamma and TNF in serum and spleen cell culture supernatants, when compared to wild-type controls. However, all phox KO mice succumbed to infection between day 15 and 21 after inoculation with the parasite, while 60% of wild-type mice were alive 50 days after infection. Further investigation demonstrated increased serum levels of nitrite and nitrate (NOx) at day 15 of infection in phox KO animals, associated with a drop in blood pressure. Treatment with a NOS2 inhibitor corrected the blood pressure, implicating NOS2 in this phenomenon. We postulate that superoxide reacts with (NO)-N-center dot in vivo, preventing blood pressure drops in wild type mice. Hence, whilst superoxide from phagocytes did not play a critical role in parasite control in the phox KO animals, its production would have an important protective effect against blood pressure decline during infection with T. cruzi.

Testosterone Induces Vascular Smooth Muscle Cell Migration by NADPH Oxidase and c-Src-Dependent Pathways

Testosterone has been implicated in vascular remodeling associated with hypertension. Molecular mechanisms underlying this are elusive, but oxidative stress may be important. We hypothesized that testosterone stimulates generation of reactive oxygen species (ROS) and migration of vascular smooth muscle cells (VSMCs), with enhanced effects in cells from spontaneously hypertensive rats (SHRs). The mechanisms (genomic and nongenomic) whereby testosterone induces ROS generation and the role of c-Src, a regulator of redox-sensitive migration, were determined. VSMCs from male Wistar-Kyoto rats and SHRs were stimulated with testosterone (10(-7) mol/L, 0-120 minutes). Testosterone increased ROS generation, assessed by dihydroethidium fluorescence and lucigenin-enhanced chemiluminescence (30 minutes [SHR] and 60 minutes [both strains]). Flutamide (androgen receptor antagonist) and actinomycin D (gene transcription inhibitor) diminished ROS production (60 minutes). Testosterone increased Nox1 and Nox4 mRNA levels and p47phox protein expression, determined by real-time PCR and immunoblotting, respectively. Flutamide, actinomycin D, and cycloheximide (protein synthesis inhibitor) diminished testosterone effects on p47phox. c-Src phosphorylation was observed at 30 minutes (SHR) and 120 minutes (Wistar-Kyoto rat). Testosterone-induced ROS generation was repressed by 3-(4-chlorophenyl) 1-(1,1-dimethylethyl)-1H-pyrazolo[3,4-day]pyrimidin-4-amine (c-Src inhibitor) in SHRs and reduced by apocynin (antioxidant/NADPH oxidase inhibitor) in both strains. Testosterone stimulated VSMCs migration, assessed by the wound healing technique, with greater effects in SHRs. Flutamide, apocynin, and 3-(4-chlorophenyl) 1-(1,1-dimethylethyl)-1H-pyrazolo[3,4-day] pyrimidin-4-amine blocked testosterone-induced VSMCs migration in both strains. Our study demonstrates that testosterone induces VSMCs migration via NADPH oxidase-derived ROS and c-Src-dependent pathways by genomic and nongenomic mechanisms, which are differentially regulated in VSMCs from Wistar-Kyoto rats and SHRs. (Hypertension. 2012; 59: 1263-1271.). Online Data Supplement

Probiotic yogurts manufactured with increased glucose oxidase levels: Postacidification, proteolytic patterns, survival of probiotic microorganisms, production of organic acid and aroma compounds

We investigated the effect of increased glucose oxidase concentration as a technological option to decrease oxidative stress during the processing of probiotic yogurts. Probiotic yogurts were produced with increased concentrations of glucose oxidase (0, 250, 500, 750, or 1,000 mg/kg) and submitted to physicochemical and microbiological analysis at 1, 15, and 30 d of refrigerated storage. Higher concentrations of glucose oxidase (750 and 1,000 mg/kg) and a longer storage time were found to have an influence on the characteristics of the probiotic yogurt, contributing to more extensive post-acidification, an increase in the dissolved oxygen level, and higher proteolysis. In addition, increased production of aroma compounds (diacetyl and acetaldehyde) and organic acids (mainly lactic acid) and a decrease in the probiotic bacteria count were reported. The use of glucose oxidase was a feasible option to minimize oxidative stress in probiotic yogurts. However, supplementation with excessive amounts of the enzyme may be ineffective, because insufficient substrate (glucose) is present for its action. Consumer tests should be performed to evaluate changes in the sensory attributes of the probiotic yogurts with increased supplementation of glucose oxidase. In addition, packaging systems with different permeability to oxygen should be evaluated.

Feasibility Study of a Solar Reactor for Phenol Treatment by the Photo-Fenton process in Aqueous Solution

Solar reactors can be attractive in photodegradation processes due to lower electrical energy demand. The performance of a solar reactor for two flow configurations, i.e., plug flow and mixed flow, is compared based on experimental results with a pilot-scale solar reactor. Aqueous solutions of phenol were used as a model for industrial wastewater containing organic contaminants. Batch experiments were carried out under clear sky, resulting in removal rates in the range of 96100?%. The dissolved organic carbon removal rate was simulated by an empirical model based on neural networks, which was adjusted to the experimental data, resulting in a correlation coefficient of 0.9856. This approach enabled to estimate effects of process variables which could not be evaluated from the experiments. Simulations with different reactor configurations indicated relevant aspects for the design of solar reactors.

Mechanistic implications of zinc(II) ions on the degradation of phenol by the fenton reaction

A study of the interference of Zn2+ ions on phenol degradation by Fenton reaction (Fe2+/Fe3+ + H2O2) is reported. One of the first intermediates formed in the reaction, catechol, can reduce Fe3+ to Fe2+ and, in the presence of H2O2 initiates an efficient catalytic redox cycle. In the initial stages of the reaction, this catechol-mediated cycle becomes the principal route of thermal degradation of phenol and its oxidation products. The Zn2+ ion addition enhances the persistence time of catechol, probably by stabilization of the corresponding semiquinone radical via complexation.

Interference of inorganic ions on phenol degradation by the Fenton reaction

The addition of Cu2+ ions to the classical Fenton reaction (Fe2+ plus H2O2 at pH 3) is found to accelerate the degradation of organic compounds. This synergic effect causes an approximately 15 % additional reduction of the total organic carbon (TOC), representing an overall improvement of the efficiency of the mineralization of phenol. Although Fe2+ exhibits a high initial rate of degradation, the degradation is not complete due to the formation of compounds refractory to the hydroxyl radical. The interference of copper ions on the degradation of phenol by the Fenton reaction was investigated. In the presence of Cu2+, the degradation is slower, but results in a greater reduction of TOC at the end of the reaction (t = 120 min). In the final stages of the reaction, when the Fe3+ in the solution is complexed in the form of ferrioxalate, the copper ions assume the role of the main catalyst of the degradation

Estimating reaction constants by ab initio molecular modeling: a study on the oxidation of phenol to catechol and hydroquinone in advanced oxidation processes

Molecular modeling is growing as a research tool in Chemical Engineering studies, as can be seen by a simple research on the latest publications in the field. Molecular investigations retrieve information on properties often accessible only by expensive and time-consuming experimental techniques, such as those involved in the study of radical-based chain reactions. In this work, different quantum chemical techniques were used to study phenol oxidation by hydroxyl radicals in Advanced Oxidation Processes used for wastewater treatment. The results obtained by applying a DFT-based model showed good agreement with experimental values available, as well as qualitative insights into the mechanism of the overall reaction chain. Solvation models were also tried, but were found to be limited for this reaction system within the considered theoretical level without further parameterization.

Microglial cells are involved in the susceptibility of NADPH oxidase knockout mice to 6-hydroxy-dopamine-induced neurodegeneration

We explored the impact of Nox-2 in modulating inflammatory-mediated microglial responses in the 6-hydroxydopamine (6-OHDA)-induced Parkinson’s disease (PD) model. Nox1 and Nox2 gene expression were found to increase in striatum, whereas a marked increase of Nox2 expression was observed in substantia nigra (SN) of wild-type (wt) mice after PD induction. Gp91phox-/- 6-OHDA-lesioned mice exhibited a significant reduction in the apomorphine-induced rotational behavior, when compared to wt mice. Immunolabeling assays indicated that striatal 6-OHDA injections reduced the number of dopaminergic (DA) neurons in the SN of wt mice. In gp91phox-/- 6-OHDA-lesioned mice the DA degeneration was negligible, suggesting an involvement of Nox in 6-OHDA-mediated SN degeneration. Gp91phox-/- 6-OHDA-lesioned mice treated with minocycline, a tetracycline derivative that exerts multiple anti-inflammatory effects, including microglial inhibition, exhibited increased apomorphine-induced rotational behavior and degeneration of DA neurons after 6-OHDA injections. The same treatment also increased TNF-α release and potentiated NF-κB activation in the SN of gp91phox-/--lesioned mice. Our results demonstrate for the first time that inhibition of microglial cells increases the susceptibility of gp91phox-/- 6-OHDA lesioned mice to develop PD. Blockade of microglia leads to NF-κB activation and TNF-α release into the SN of gp91phox-/- 6-OHDA lesioned mice, a likely mechanism whereby gp91phox-/- 6-OHDA lesioned mice may be more susceptible to develop PD after microglial cell inhibition. Nox2 adds an essential level of regulation to signaling pathways underlying the inflammatory response after PD induction

In-vitro synthesis and reconstitution of cytochrome bo 3 ubiquinol oxidase in artificial membranes

Forschung über Membranenproteine stellt strenge Hindernisse, seit ruhigem gerade wenige Beispiele der Membranenproteinsorten sind gekennzeichnet worden in den verwendbaren experimentellen Plattformen gegenüber. Die Hauptherausforderung ist, ihre ausgezeichnete entworfene strukturelle Vollständigkeit zu konservieren, während die Ausdruck-, Lokalisierungs- und Wiederherstellungprozesse auftreten. In-vitro übersetzungssysteme können Vorteile über auf Zellenbasisgenausdruck zum Beispiel haben, wenn das über-ausgedrückte Produkt zur Wirtszelle giftig ist oder wenn fehlende Pfosten-Übersetzungsänderung in den bakteriellen Ausdrucksystemen die Funktionalität der Säugetier- Proteine oder Mangel an vorhandenem Membranenraum verdirbt, Funktionsausdruck verbieten.rn Der Nachahmer von biologische Membranen wie feste gestützte Lipidmembranen sind als Plattform am meisten benutzt, Proteinmembraneninteraktionen nachzuforschen. Wir sind in der Lage, Membranenproteinsorte, da wir eine Plattform für Membranenproteinsynthese vorstellen, nämlich die in-vitrosynthese der Membranenproteine in ein Peptid gestütztes Membranensystem zu adressieren. Die Wiederherstellung der Membranenproteine in den Lipid bilayers resultiert im Allgemeinen mit verschiedenen Proteinanpassungen. Als Alternative erforschen wir dieses System zum ersten Mal, um genaueres Modell zu den zellularen Membranen zu verursachen und ihre Funktion, wie Proteineinfügung, Proteinfunktion und Ligandinteraktionen nachzuahmen.rn In dieser Arbeit ist unser Ziel, komplizierte Transmembraneproteine, wie des Cytochrome bo3-ubiquinol Oxydase (Cyt-bo3) direkt innerhalb der biomimetic vorbildlichen Membrane zu synthetisieren. In unserem System wird festes gestütztes tBLM wie, P19/DMPE/PC als Plattform benutzt. Dieses künstliche Membranensystem mimiks die amphiphile Architektur eines Zelle-abgeleiteten Membranensystems.rn

A biomimetic model membrane system on oxidic surfaces designed for the investigation of cytochrome c oxidase and other membrane proteins by fluorescence and waveguide spectroscopy

Die transmembrane Potenzialdifferenz Δφm ist direkt mit der katalytischen Aktivität der Cytochrom c Oxidase (CcO) verknüpft. Die CcO ist das terminale Enzym (Komplex IV) in der Atmungskette der Mitochondrien. Das Enzym katalysiert die Reduktion von O2 zu 2 H2O. Dabei werden Elektronen vom natürlichen Substrat Cytochrom c zur CcO übertragen. Der Eleltronentransfer innerhalb der CcO ist an die Protonentranslokation über die Membran gekoppelt. Folglich bildet sich über der inneren Membrane der Mitochondrien eine Differenz in der Protonenkonzentration. Zusätzlich wird eine Potenzialdifferenz Δφm generiert.rnrnDas Transmembranpotenzial Δφm kann mit Hilfe der Fluoreszenzspektroskopie unter Einsatz eines potenzialemfindlichen Farbstoffs gemessen werden. Um quantitative Aussagen aus solchen Untersuchungen ableiten zu können, müssen zuvor Kalibrierungsmessungen am Membransystem durchgeführt werden.rnrnIn dieser Arbeit werden Kalibrierungsmessungen von Δφm in einer Modellmembrane mit inkorporiertem CcO vorgestellt. Dazu wurde ein biomimetisches Membransystem, die Proteinverankerte Doppelschicht (protein-tethered Bilayer Lipid Membrane, ptBLM), auf einem transparenten, leitfähigem Substrat (Indiumzinnoxid, ITO) entwickelt. ITO ermöglicht den simultanen Einsatz von elektrochemischen und Fluoreszenz- oder optischen wellenleiterspektroskopischen Methoden. Das Δφm in der ptBLM wurde durch extern angelegte, definierte elektrische Spannungen induziert. rnrnEine dünne Hydrogelschicht wurde als "soft cushion" für die ptBLM auf ITO eingesetzt. Das Polymernetzwerk enthält die NTA Funktionsgruppen zur orientierten Immobilisierung der CcO auf der Oberfläche der Hydrogels mit Hilfe der Ni-NTA Technik. Die ptBLM wurde nach der Immobilisierung der CcO mittels in-situ Dialyse gebildet. Elektrochemische Impedanzmessungen zeigten einen hohen elektrischen Widerstand (≈ 1 MΩ) der ptBLM. Optische Wellenleiterspektren (SPR / OWS) zeigten eine erhöhte Anisotropie des Systems nach der Bildung der Doppellipidschicht. Cyklovoltammetriemessungen von reduziertem Cytochrom c bestätigten die Aktivität der CcO in der Hydrogel-gestützten ptBLM. Das Membranpotenzial in der Hydrogel-gestützten ptBLM, induziert durch definierte elektrische Spannungen, wurde mit Hilfe der ratiometrischen Fluoreszenzspektroskopie gemessen. Referenzmessungen mit einer einfach verankerten Dopplellipidschicht (tBLM) lieferten einen Umrechnungsfaktor zwischen dem ratiometrischen Parameter Rn und dem Membranpotenzial (0,05 / 100 mV). Die Nachweisgrenze für das Membranpotenzial in einer Hydrogel-gestützten ptBLM lag bei ≈ 80 mV. Diese Daten dienen als gute Grundlage für künftige Untersuchungen des selbstgenerierten Δφm der CcO in einer ptBLM.

Direct electron transfer to cytochrome c oxidase investigated by electrochemistry and time-resolved surface-enhanced infrared absorption spectroscopy

Cytochrom c Oxidase (CcO), der Komplex IV der Atmungskette, ist eine der Häm-Kupfer enthaltenden Oxidasen und hat eine wichtige Funktion im Zellmetabolismus. Das Enzym enthält vier prosthetische Gruppen und befindet sich in der inneren Membran von Mitochondrien und in der Zellmembran einiger aerober Bakterien. Die CcO katalysiert den Elektronentransfer (ET) von Cytochrom c zu O2, wobei die eigentliche Reaktion am binuklearen Zentrum (CuB-Häm a3) erfolgt. Bei der Reduktion von O2 zu zwei H2O werden vier Protonen verbraucht. Zudem werden vier Protonen über die Membran transportiert, wodurch eine elektrochemische Potentialdifferenz dieser Ionen zwischen Matrix und Intermembranphase entsteht. Trotz ihrer Wichtigkeit sind Membranproteine wie die CcO noch wenig untersucht, weshalb auch der Mechanismus der Atmungskette noch nicht vollständig aufgeklärt ist. Das Ziel dieser Arbeit ist, einen Beitrag zum Verständnis der Funktion der CcO zu leisten. Hierzu wurde die CcO aus Rhodobacter sphaeroides über einen His-Anker, der am C-Terminus der Untereinheit II angebracht wurde, an eine funktionalisierte Metallelektrode in definierter Orientierung gebunden. Der erste Elektronenakzeptor, das CuA, liegt dabei am nächsten zur Metalloberfläche. Dann wurde eine Doppelschicht aus Lipiden insitu zwischen die gebundenen Proteine eingefügt, was zur sog. proteingebundenen Lipid-Doppelschicht Membran (ptBLM) führt. Dabei musste die optimale Oberflächenkonzentration der gebundenen Proteine herausgefunden werden. Elektrochemische Impedanzspektroskopie(EIS), Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) und zyklische Voltammetrie (CV) wurden angewandt um die Aktivität der CcO als Funktion der Packungsdichte zu charakterisieren. Der Hauptteil der Arbeit betrifft die Untersuchung des direkten ET zur CcO unter anaeroben Bedingungen. Die Kombination aus zeitaufgelöster oberflächenverstärkter Infrarot-Absorptionsspektroskopie (tr-SEIRAS) und Elektrochemie hat sich dafür als besonders geeignet erwiesen. In einer ersten Studie wurde der ET mit Hilfe von fast scan CV untersucht, wobei CVs von nicht-aktivierter sowie aktivierter CcO mit verschiedenen Vorschubgeschwindigkeiten gemessen wurden. Die aktivierte Form wurde nach dem katalytischen Umsatz des Proteins in Anwesenheit von O2 erhalten. Ein vier-ET-modell wurde entwickelt um die CVs zu analysieren. Die Methode erlaubt zwischen dem Mechanismus des sequentiellen und des unabhängigen ET zu den vier Zentren CuA, Häm a, Häm a3 und CuB zu unterscheiden. Zudem lassen sich die Standardredoxpotentiale und die kinetischen Koeffizienten des ET bestimmen. In einer zweiten Studie wurde tr-SEIRAS im step scan Modus angewandt. Dafür wurden Rechteckpulse an die CcO angelegt und SEIRAS im ART-Modus verwendet um Spektren bei definierten Zeitscheiben aufzunehmen. Aus diesen Spektren wurden einzelne Banden isoliert, die Veränderungen von Vibrationsmoden der Aminosäuren und Peptidgruppen in Abhängigkeit des Redoxzustands der Zentren zeigen. Aufgrund von Zuordnungen aus der Literatur, die durch potentiometrische Titration der CcO ermittelt wurden, konnten die Banden versuchsweise den Redoxzentren zugeordnet werden. Die Bandenflächen gegen die Zeit aufgetragen geben dann die Redox-Kinetik der Zentren wieder und wurden wiederum mit dem vier-ET-Modell ausgewertet. Die Ergebnisse beider Studien erlauben die Schlussfolgerung, dass der ET zur CcO in einer ptBLM mit größter Wahrscheinlichkeit dem sequentiellen Mechanismus folgt, was dem natürlichen ET von Cytochrom c zur CcO entspricht.