Oksygen er uunnværlig for livet, og bortsett fra visse anaerober
Sep 27, 2022
Vær så snill og kontaktoscar.xiao@wecistanche.comfor mer informasjon
Abstrakt:En av de rådende oppfatningene angående aldring av celler og organismer er den intracellulære gradvise akkumuleringen av oksidativt skadede makromolekyler, noe som fører til nedgang i celle- og organfunksjon (frie radikalteori om aldring). Dette kjemisk udefinerte materialet kjent som "lipofuscin," ceroid" eller "alderspigment" dannes hovedsakelig gjennom uregulerte og uspesifikke oksidative modifikasjoner av cellulære makromolekyler som induseres av svært reaktive frie radikaler. En nødvendig forutsetning for generering av reaktive frie radikaler og lipofuscindannelse er den intracellulære tilgjengeligheten av jernholdig jern (Fe2 pluss) ("labilt jern"), som katalyserer omdannelsen av svake oksidanter som peroksider, til ekstremt reaktive som hydroksyl (HO*) eller alkoksyl(RO)radikaler. Hvis de oksiderte materialene forblir ureparert i lengre perioder, kan de oksideres ytterligere for å generere ultimate overoksiderte produkter som ikke kan repareres, degraderes eller eksocyteres av de relevante cellulære systemene. I tillegg kan overoksiderte materialer inaktivere cellulær beskyttelse og reparasjonsmekanismer, dermed tillater meningsløse sykluser med stadig raskere lipofuscinakkumulering. I denne oversiktsartikkelen presenterer vi bevis på at modulering av den labile jernbassengfordelingen ved ernæringsmessige eller farmakologiske midler representerer et hittil ikke verdsatt mål for å hemme lipofuscinakkumulering og cellulær aldring.
Nøkkelord:aldringsmekanismer; bioaktive diettforbindelser; cellulær senescens; frie radikaler;jern-chelateringsmidler; labilt jern; middelhavskosthold; oksidativt stress
1. Introduksjon
Naturlig aldring representerer en prosess der flere degenerative molekylære mekanismer er involvert, noe som fører til den progressive generelle nedgangen av organfunksjoner. Aldring er ledsaget av fenotypiske endringer som er relatert til både genetiske og epigenetiske faktorer, som til slutt forårsaker strukturell uorganisering, funksjonsnedgang og økt sannsynlighet for sykdommer og død. Det er plausibelt å forestille seg at belysningen av de underliggende komplekse biokjemiske mekanismene som bestemmer hastigheten på biologisk aldring bør være av største klinisk betydning [1].
Den mest attraktive teorien for å forklare aldringsprosessen er den såkalte "frie radikalteorien om aldring" foreslått i 1956 av Denham Harman [2]. Denne teorien antydet at noen av de oksygenavledede reaktive frie radikalene som genereres i aerobe celler kan unnslippe overvåkingen av beskyttende forsvarsmekanismer, noe som fører til uspesifikk oksidasjon av alle grunnleggende cellebestanddeler (proteiner, lipider, nukleotider, karbohydrater, etc.) .
Celler har utviklet sofistikerte systemer som både raskt kan fjerne oksygenavledede oksidanter og oppdage og reparere deres oksidativt skadede komponenter. Imidlertid, i tilfeller med økte og langvarige oksidative stressforhold, kan cellenes kapasitet til å reparere de skadede delene nå metning, noe som muliggjør ytterligere oksidasjon av de allerede oksiderte komponentene og akkumulering av overoksidert ikke-reparerbart materiale inne i celler. Dette fenomenet forårsaker modifikasjoner av den generelle cellestrukturen og utfordrer normal cellefunksjon, noe som er tydelig ved aldring og senescens [3].
De nøyaktige molekylære mekanismene som ligger til grunn for dannelsen av svært reaktive frie radikaler som er i stand til å skade cellulære bestanddeler og fremme akkumulering av ikke-reparerbart materiale, er fortsatt dårlig forstått. Belysningen av disse mekanismene bør absolutt gi nyttige ideer og molekylære verktøy for å gripe inn i aldringsprosessen og sannsynligvis forhindre utvikling av aldringsrelaterte sykdommer [4].
En nødvendig forutsetning for produksjon av svært reaktive frie radikaler inne i cellene er tilgjengeligheten av jernholdige jernioner (Fe2 pluss), som kan katalysere omdannelsen av svake oksidanter som peroksider til ekstremt reaktive som hydroksyl(HO) eller alkoksyl (RO) radikaler.cistanche tubulosa ekstraktDenne delen av cellulært jern representerer en liten prosentandel av det totale cellejernet og kalles vanligvis "labilt jern"5,6]. Således kan utarming eller omfordeling av intracellulært labilt jern av eksogene forbindelser redusere dannelsen av skadelige reaktive radikaler i tilfelle økt oksidativt stress og forhindre oksidasjon og overoksidasjon av cellulære komponenter. Interessant nok har en mengde jernchelaterende bioaktive forbindelser vist seg å være tilstede i middelhavsdietten |7-10. Dessuten er det bevist at når disse midlene kan nå cellens indre, beskytter de cellene mot skade under forhold med oksidativt stress [11,12].
I denne oversiktsartikkelen fokuserer vi vår interesse på å beskrive de kjemiske interaksjonene som bidrar til oksidasjon og overoksidasjon av cellulære bestanddeler. Spesiell oppmerksomhet rettes mot nøkkelrollen til labilt jern (redoksaktivt jern) i disse prosessene, så vel som den potensielle involveringen av naturlige jernchelaterende bioaktive forbindelser i kosten for å kontrollere nivået og/eller den romlige fordelingen av intracellulært labilt jern.
2. Reaktive oksygenarter og begrepet oksidativt stress
2.1.Oxy/gen-paradokset
Oksygen er uunnværlig for livet, og bortsett fra visse anaerober trenger alle dyr, planter og bakterier oksygen for å vokse. Hovedfunksjonen til oksygen i aerober er å tjene som den terminale akseptoren av elektronene i det siste trinnet i den mitokondrielle elektrontransportkjeden, som representerer den sentrale prosessen i energiproduserende oksidativ katabolisme. Imidlertid disponerer oksygenets kjemiske egenskaper det for generering av svært reaktive oksygenmellomprodukter som kan oksidere essensielle cellekomponenter, og sette cellulær og i forlengelsen av organismens homeostase i fare. Derfor er det et merkelig paradoks: oksygen er uunnværlig for aerobe, mens på samme tid er dets metabolske biprodukter uunngåelige og potensielt giftige. Det er tydelig at produksjon og fjerning av disse artene hele tiden skjer i cellene, og holder dem på basale ikke-toksiske nivåer [5]. Men under visse omstendigheter kan denne fint regulerte balansen bli forstyrret. Hvis dannelseshastigheten overstiger hastigheten for fjerning, bør steady-state-konsentrasjonene økes, og dermed øke sannsynligheten for generering av potensielt skadelige reaktive frie radikaler, en tilstand kjent som "oksidativt stress"[13,14].
I denne delen gir vi en kort beskrivelse av konseptet "oksidativt stress" basert på de biokjemiske mekanismene for intracellulær dannelse og fjerning av reaktivt omdannet til hydrogenperoksid (H, O,) av superoksiddismutaser (SODs) (Figur 1A) . Den genererte H2O2 kan reduseres ytterligere, enten enzymatisk med to elektroner til H2O eller ikke-enzymatisk med ett elektron for å føre til produksjon av ekstremt reaktive hydroksylradikaler (HO*). Sistnevnte reaksjon krever tilgjengelig jernholdig jern (Fe-plus) og er kjent som "Fenton-reaksjonen"[15].
Bortsett fra H, og O, genereres lipidhydroperoksider (LOOHs) også normalt gjennom virkningen av enzymet "lipoksygenase" (LOX) (Figur 1B). En spesifikk membranbundet "glutathione peroxidase 4" (Gpx4) er ansvarlig for fjerning av overflødig LOOH [16]. I likhet med H2O2 kan LOOH-er interagere med Fe7, og dermed føre til generering av svært reaktive lipidalkoksylradikaler (LO*s). Disse artene kan ytterligere fremme kjedereaksjoner som intensiverer prosessen med lipidperoksidasjon og produksjonen av aldehyder som endelige stabile produkter. Interessant nok ble det nylig vist at den feilaktige funksjonen til Gpx4 i kombinasjon med forhøyede nivåer av tilgjengelig Fe2 pluss alltid fører til en distinkt type regulert celledød kalt "ferroptosis"[17].
Alle de nevnte mellomproduktene av O, reduksjon kalles samlet reaktive oksygenarter (ROS). Det må imidlertid understrekes at begrepet ROS i seg selv inneholder en iboende motsetning fordi det omfatter både svake oksidanter som O,- og H, O, og ekstremt reaktive som HO-grad og RO·[5].cistanche tubulosa anmeldelser,I tillegg er økningen av ROS under forhold med oksidativt stress ikke samtidig for alle disse artene, men genereringen av reaktiv HO-grad og RO· avhenger av tilstedeværelsen eller fraværet av jernholdig jern. Det er åpenbart fra betraktningene ovenfor at tilstedeværelsen av tilgjengelig labilt jern spiller en sentral rolle i dannelsen av svært reaktive frie radikaler under forhold med økte hydroperoksiddannelser (oksidativt stress). Dermed har kontroll av konsentrasjonen av tilgjengelig Fe2 pluss oppstått som en rasjonell strategi for effektiv beskyttelse av celler under forhold med oksidativt stress[18]. En slik strategi bør først og fremst ta sikte på å forhindre generering av HO-er og RO-er i stedet for å rense dem etter at de er dannet, noe som virker umulig på grunn av deres høyhastighets reaksjonskonstanter.
2.3. Mekanismer for ROS generering og fjerning
Den delvise reduksjonen av O2 kan forenkles ved aktivering av flere mekanismer i pattedyrceller [14]. Den viktigste faktoren fra et kvantitativt synspunkt er enzymet NADPH oksidase 2 (Nox2), som befinner seg på plasmamembranen til profesjonelle fagocytter. Når aktivert, kan Nox2 produsere for store mengder O," - og mange andre nedstrøms reaktive arter [19] som tar sikte på å drepe invaderende fremmede mikroorganismer på steder med betennelse og infeksjoner. Under disse forholdene tiltrekkes og aktiveres profesjonelle fagocytter, noe som fører til dramatiske økning i O2-forbruk (ca. 100 ganger), et faktum som vanligvis kalles "respiratorisk" eller "oksidativt" utbrudd. Den produserte O2*-kan utløse initiering av flere komplekse biokjemiske veier som fører til videre dannelse av sterke oksidanter som er i stand til å slukke potensielle mikrobielle inntrengere [20,21]. Bortsett fra Nox2 kan flere andre medlemmer av NADPH-oksidasefamilien (Nox1, Nox3-5 og DUOX1-2) generere begrensede mengder O{{17} } når aktivert, hovedsakelig for signalformål [22].
Mitokondrier er også en viktig intracellulær kilde til reaktive oksygenmellomprodukter. Elektronoverføringskomplekser – spesielt kompleks I og kompleks i respirasjonskjeden – kan lekke elektroner til O, som er delvis redusert til O,"-[23,24]. En rekke andre oksidaser som er fremtredende tilstede i forskjellige cellulære rom er også i stand til å produsere reaktive oksygenmellomprodukter. I tillegg kan oksygenavledede reaktive biprodukter genereres fra interaksjoner med eksogene kilder som miljøforurensning, medikamenter, ionisering, solstråling og næringsstoffer (Figur 1A).
Under evolusjonen utviklet aerobe celler sofistikerte antioksidantforsvarsmekanismer for raskt å eliminere de kontinuerlig genererte svake oksygenavledede oksidantene som O,- og HO. De rensende enzymene som metaboliserer disse mellomproduktene blir sett på som den første forsvarslinjen for å beskytte eksponerte celler. til forhold med oksidativt stress[25]. Dermed omdannes O,- raskt til H, O, via SODs, mens H, O, kan elimineres av enzymer som katalaser (Cats), Gpx og peroksiredoksiner (Prx) (Figur 1A). Både O, - og HO, som representerer henholdsvis en- og to-elektronreduksjonsproduktene av oksygen, er moderat reaktive og kan bare samhandle direkte med et begrenset antall cellulære molekyler, hovedsakelig jern-svovel(4F-4 S) klyngeholdige proteiner, som fører til frigjøring av labilt jern og modulering av aktiviteten til de tilsvarende proteinene [26]. Tvert imot, HOer og ROer som genereres etter interaksjonen av H2O2 eller ROOH med Fe2 pluss viser en ekstremt høy reaktivitet. Faktisk regnes HO· som et av de mest reaktive molekylene som produseres i levende celler, ettersom det er i stand til øyeblikkelig og vilkårlig å oksidere hvilken som helst kjemisk gruppe som måtte være i nærheten av generasjonen (diffusjonskontrollert reaktivitet)[5]. Den nødvendige parameteren for generering av HO*s og RO*s er den samtidige tilstedeværelsen av forhøyede nivåer av H, O eller ROOH med Fe2 pluss i en tilstrekkelig tidsperiode [27].
2.4. Redokssignalering
Interessant nok har naturen allerede utnyttet de ovenfor diskuterte elementære fakta, og utviklet under evolusjonen adaptive mekanismer for å beskytte celler under forhold med økt generasjon av peroksider. Ved å bruke nøye overvåkingssystemer for påvisning av tilgjengelige cytosoliske jernnivåer av de spesifikke sensorene IRP1 og IRP2 (henholdsvis jernregulerende proteiner 1 og 2) og i samarbeid med betennelses- og infeksjonssignaler, kan cellene finjustere den eksisterende balansen mellom peroksidtone og labilitet jerntilgjengelighet [5,28]. Når peroksidnivåer øker, f.eks. i tilfelle betennelse eller infeksjon, eliminerer en rask og robust induksjon av ferritin det tilgjengelige jernet [10,11] og forhindrer dannelsen av skadelige HO-er eller RO*-er.cistanche StorbritanniaMen i tilfeller av intenst og langvarig oksidativt stress, kan den generelle beskyttelseskapasiteten til cellene overveldes, og dermed føre til transduksjon av en rekke forskjellige signaler, inkludert de av programmert celledød, enten ved apoptose eller nekrose [10,29] .
Tilsynelatende er konsekvensene indusert når celler eksponeres for peroksider i stor grad avhengig av celletypen, så vel som nivået, naturen, varigheten og plasseringen av genererte oksidanter. Celleresponser kan variere fra tilpasning til senescens og apoptotisk eller nekrotisk død [30-34]. Interessant nok, i flere tilfeller av oksidativ stress-mediert signaltransduksjon (redokssignalering), har labilt jern vist seg å være involvert i de tilsvarende mekanismene. For eksempel viste vi nylig at labilt jern var nødvendig for aktivering av ASK1-JNK/p38-aksen [10,29], noe som førte til apoptotisk celledød i Jurkat-celler utsatt for H, O. Det er også viktig å merke seg at HO2 diffunderer fritt gjennom biologiske membraner og kan nå omkringliggende friske celler og vev, og påføre dem oksidativt stress. På den annen side gjør den samme egenskapen at H, O, kan fungere som et signalmolekyl på autokrine og parakrine måter.
2.5. Labilt jern og dets sentrale rolle i oksidativ stress-indusert toksisitet
Jern er et essensielt element for levende celler og organismer fordi det deltar i forskjellige biokjemiske funksjoner, inkludert oksygentransport, cellulær respirasjon, DNA-syntese og reparasjon, og flere andre enzymatiske reaksjoner [28,35]. Til tross for sin privilegerte posisjon i levende materie, deltar jern i skadelige friradikalgenererende reaksjoner kjent som Fenton-type reaksjoner, der H2O2 omdannes til den svært reaktive HO-graden via ferryl/foretrukne mellomprodukter (reaksjon 1).
Reaksjon 1: Fe2 pluss pluss H2O2→ ferryl/per ferryl mellomprodukter → Fe3 pluss pluss HO grad pluss OH-Det er åpenbart at selv om tilstrekkelig jerninntak er avgjørende for helsen, er jernoverskudd samtidig potensielt farlig for celler og vev[36]. Derfor er den tette reguleringen av jernhomeostase (erverv, bruk og avgiftning) avgjørende for å unngå både jernmangel og overbelastning. Dette behovet blir oppfylt av sofistikerte mekanismer som pattedyr utviklet for å utføre vitale funksjoner og tilfredsstille deres metabolske behov for jern, samtidig som de minimerer toksisiteten [37]. Faktisk holdes det meste av kroppens jern i en redoksinert tilstand. I sirkulasjon er jern tett bundet i jernbæreren transferrin, mens det meste av det intracellulære jernet enten er godt beskyttet på de aktive stedene til enzymer eller trygt lagret i ferritin. Imidlertid er en liten del av uskjermet jern vanligvis referert til som "labilt" eller "chelat" jern redoksaktivt, noe som betyr at det kan katalysere dannelsen av HO-grad via Fenton-type reaksjoner [6,38].
Å artikulere en nøyaktig definisjon av labilt jern er ganske vanskelig. Vanligvis refereres det til som fraksjonen av jern som er i stand til å katalysere dannelsen av HO· og RO etter interaksjon med peroksider, og i tillegg kan den sekvestreres av forbindelser med svak chelateringsevne [6]. Tilsynelatende kan det labile jernet som finnes i biologisk materiale assosieres med lavaffinitetsbindingssteder i makromolekyler (som polynukleotider som DNA og RNA, proteiner og lipider) og/eller med lavmolekylære forbindelser som inneholder oksygen, nitrogen og svovel inn i deres struktur [39-41].
Dermed katalyserer det labile jernet festet til membranfosfolipider initiering og forplantning av lipidperoksidasjonskjedereaksjoner, som kan mediere nekrotisk og ferroptose typer celledød [5]. På den annen side kan jern assosiert med DNA indusere mutasjoner eller enkelt- og dobbelttrådsbrudd [42], mens jern som er løst festet til proteiner kan fremme H2O2-avhengig redokssignalering [10,29,43].
Labilt jern er ikke jevnt fordelt i ulike cellerom, med mitokondrier og lysosomer som inneholder høyere mengder enn cytosolen og kjernen [44,45] Følgelig er disse to organellene ekstra følsomme i tilfeller med økt diffusjon av peroksider i deres indre. Det virker sannsynlig at spesifikke, energikrevende mekanismer er ansvarlige for å kontrollere de riktige jerngradientene mellom forskjellige cellerom.
Det må her fremheves at andre overgangsmetaller som kobber og nikkel også kan katalysere dannelsen av reaktive frie radikaler fra de tilsvarende peroksidene enda mer effektivt enn jern. Imidlertid finnes disse metallene i svært lave nivåer og sikkert chelatert i cellene, og utgjør dermed ingen risiko eller fare [42,46,47], bortsett fra i noen få spesielle tilfeller av patologiske tilstander.
3. Oksidativt stress og aldring: Rollen til labilt jern
Økningen i forventet levealder i moderne samfunn førte med seg problemer med aldring, assosiert med den påfølgende økningen i den totale byrden av sykelighetstilfeller. På grunn av den økende virkningen av aldring på befolkningen, har det blitt gjort intensive forskningsinnsatser for å belyse de understrekende biokjemiske mekanismene til denne prosessen de siste tiårene [4]. Det er rimelig å forvente at faktisk fremgang i denne retningen vil åpne nye muligheter for å utvikle nye strategier for forebygging eller til og med behandling av aldersrelaterte sykdommer.
3.1. Den frie radikale teorien om aldring
Den mest populære forklaringen på det molekylære grunnlaget for aldring er den såkalte "frie radikalteorien om aldring." Denne teorien ble først foreslått på 1950-tallet av den amerikanske gerontologen Denham Harman [2], som uttalte at "aldring og degenerative sykdommer assosiert med det tilskrives i utgangspunktet de skadelige sideangrepene fra frie radikaler på cellebestanddeler og på bindevevet." I følge denne teorien oppstår reaktive frie radikaler in vivo som biprodukter av enzymatiske reaksjoner, katalysert av sporovergangsmetaller som jern.cistanche wirkungPå den tiden ble genereringen av frie radikaler in vivo møtt med skepsis fordi disse artene ble ansett som jevnt skadelige og uforenlige med livet. Oppdagelsen av selve reaksjonen katalysert av SOD-enzymet av McCord og Fridovich i 1969 [48], avslørte imidlertid eksistensen av et intracellulært enzym som bruker O2*-, et oksygenavledet fri radikal som sitt substrat, og ga overbevisende bevis for generering av frie radikaler i aerobe celler for første gang. Denne oppdagelsen brakte teorien om aldring av frie radikaler inn i en ny æra. Noen år senere ble fokuset på det primære stedet for generering av endogene oksidanter flyttet til mitokondrier 49], og Harmans teori utvidet til "mitokondriell fri radikalteori om aldring"[50].
Til støtte for denne teorien, viste bevis som akkumulert i løpet av de neste tiårene at svært reaktive oksidanter generert av redoksreaksjoner har kapasitet til å ikke-spesifikt oksidere alle cellulære makromolekyler, og indusere strukturelle modifikasjoner som fører til eksponering av hydrofobe overflater og påfølgende aggregatdannelse [ 34]. I tillegg bidrar radikal-radikale interaksjoner, så vel som Schiff-basebindingsdannelse og Michael-tilføyelser, til kumulativ fiksert makromolekylær skade over tid |51,52|.
Faktisk avslørte analyser av forskjellige prøver av den menneskelige linsen og den menneskelige hjernen oppnådd fra obduksjoner/biopsier, humane dermale fibroblaster i vevskulturer, og rottelever og hele fluer at karbonylerte proteiner, markører for alvorlig og kronisk oksidativt stress, var dramatisk forhøyet i siste tredjedel av livet [53,54].sitrus bioflavonoiderDen oksidative skaden av cellebestanddeler er også i samsvar med andre kjennetegn ved aldring, inkludert tap av regenerative cellepopulasjoner hovedsakelig på grunn av celledød og senescens, samt endret cellulær kommunikasjon og genomisk ustabilitet [55].
Samlet er det generelt akseptert at akkumulering av oksidativ skade på cellulære makromolekyler representerer en hovedårsak til aldring og aldersrelaterte kroniske sykdommer. Dermed er det plausibelt å foreslå at endringer som er i stand til å modulere dannelseshastigheten av svært reaktive oksidanter kan spille avgjørende roller for å modulere fremme av aldringsprosessen.
Denne artikkelen er hentet fra Antioxidants 2021, 10, 491. https://doi.org/10.3390/antiox10030491 https://www.mdpi.com/journal/antioxidants
