Kisik je nepogrešljiv za življenje in, razen za nekatere anaerobe

Prosim kontaktirajteoscar.xiao@wecistanche.comza več informacij

Povzetek:Ena izmed prevladujočih predstav o staranju celic in organizmov je znotrajcelično postopno kopičenje oksidativno poškodovanih makromolekul, kar vodi v upadanje delovanja celic in organov (teorija staranja prostih radikalov). Ta kemično nedefiniran material, znan kot "lipofuscin", ceroid" ali "starostni pigment", se v glavnem tvori z nereguliranimi in nespecifičnimi oksidativnimi modifikacijami celičnih makromolekul, ki jih inducirajo visoko reaktivni prosti radikali. Nujen predpogoj za reaktivno generiranje prostih radikalov in tvorbo lipofuscina je znotrajcelična razpoložljivost železovega železa (Fe2 plus) ("labilno železo"), ki katalizira pretvorbo šibkih oksidantov, kot so peroksidi, v izjemno reaktivne, kot so hidroksilni (HO*) ali alkoksil(RO) radikali. Če oksidirani materiali ostanejo nepopravljeni dlje časa, se lahko dodatno oksidirajo, da nastanejo končni prekomerno oksidirani produkti, ki jih ustrezni celični sistemi ne morejo popraviti, razgraditi ali eksocitozirati. Poleg tega lahko preveč oksidirani materiali onesposobijo celično zaščito in popravljalne mehanizme, kar omogoča jalove cikle vse hitrejšega kopičenja lipofuscina.V tem preglednem dokumentu predstavljamo dokaze, da modulacija porazdelitve labilnega bazena železa s prehranskimi ali farmakološkimi sredstvi predstavlja doslej necenjeno tarčo za oviranje kopičenja lipofuscina in staranja celic.

Ključne besede:mehanizmi staranja; Bioaktivne dietne spojine; celično staranje; prosti radikali;sredstva za kelatiranje železa; labilno železo; sredozemska prehrana; oksidativni stres

1. Uvod

Naravno staranje predstavlja proces, v katerega je vpletenih več degenerativnih molekularnih mehanizmov, ki vodijo v progresivno splošno upadanje funkcij organov. Staranje spremljajo fenotipske spremembe, ki so povezane z genetskimi in epigenetskimi dejavniki, kar na koncu povzroči strukturno dezorganizacijo, funkcionalni upad in povečano verjetnost bolezni in smrti. Verjetno si je predstavljati, da bi morala biti razjasnitev osnovnih kompleksnih biokemičnih mehanizmov, ki določajo stopnjo biološkega staranja, izjemnega kliničnega pomena [1].

Za več informacij kliknite tukaj

Najbolj privlačna teorija za razlago procesa staranja je tako imenovana "teorija staranja prostih radikalov", ki jo je leta 1956 predlagal Denham Harman [2]. Ta teorija je nakazovala, da lahko nekateri reaktivni prosti radikali, pridobljeni s kisikom, ki nastanejo v aerobnih celicah, uidejo nadzoru zaščitnih obrambnih mehanizmov, kar vodi do nespecifične oksidacije vseh osnovnih celičnih sestavin (proteinov, lipidov, nukleotidov, ogljikovih hidratov itd.) .

Celice so razvile sofisticirane sisteme, ki lahko hitro odstranijo oksidante, pridobljene iz kisika, ter zaznajo in popravijo njihove oksidativno poškodovane komponente. Vendar pa lahko v primerih povečanih in dolgotrajnih pogojev oksidativnega stresa zmožnost celic, da popravijo svoje poškodovane dele, doseže nasičenost, kar omogoči nadaljnjo oksidacijo že oksidiranih komponent in kopičenje preveč oksidiranega nepopravljivega materiala znotraj celice. celice. Ta pojav povzroča spremembe v celotni celični strukturi in ovira normalno celično delovanje, kot je očitno pri staranju in staranju [3].

Natančni molekularni mehanizmi, na katerih temelji nastajanje visoko reaktivnih prostih radikalov, ki lahko poškodujejo celične sestavine in spodbujajo kopičenje nepopravljivega materiala, ostajajo slabo razumljeni. Razjasnitev teh mehanizmov bi vsekakor morala zagotoviti uporabne ideje in molekularna orodja za poseganje v proces staranja in verjetno preprečevanje razvoja s staranjem povezanih bolezni [4].

Nujen predpogoj za proizvodnjo visoko reaktivnih prostih radikalov v celicah je razpoložljivost železovih ionov (Fe2 plus), ki lahko katalizirajo pretvorbo šibkih oksidantov, kot so peroksidi, v izjemno reaktivne, kot sta hidroksil (HO) ali alkoksil (RO). radikali.izvleček cistanche tubulosaTa del celičnega železa predstavlja majhen odstotek celotnega celičnega železa in se običajno imenuje "labilno železo"5,6]. Tako lahko izčrpavanje ali prerazporeditev intracelularnega labilnega železa z eksogenimi spojinami zmanjša nastajanje škodljivih reaktivnih radikalov v primeru povečanega oksidativnega stresa in prepreči oksidacijo in prekomerno oksidacijo celičnih komponent. Zanimivo je, da je bilo dokazano, da je v sredozemskem tipu prehrane prisotna množica bioaktivnih spojin, ki kelirajo železo |7-10. Poleg tega je bilo dokazano, da ko ta sredstva dosežejo notranjost celice, ščitijo celice pred poškodbami v pogojih oksidativnega stresa [11,12].

V tem preglednem članku se osredotočamo na opisovanje kemičnih interakcij, ki prispevajo k oksidaciji in prekomerni oksidaciji celičnih sestavin. Posebna pozornost je namenjena ključni vlogi labilnega železa (redoks-aktivnega železa) v teh procesih ter potencialni vpletenosti prehranskih naravnih bioaktivnih spojin, ki kelatirajo železo, pri nadzoru ravni in/ali prostorske porazdelitve intracelularnega labilnega železa.

2. Reaktivne kisikove vrste in koncept oksidativnega stresa

2.1 Paradoks kisik/gen

Kisik je nepogrešljiv za življenje in razen nekaterih anaerobov vse živali, rastline in bakterije potrebujejo kisik za rast. Glavna funkcija kisika v aerobih je, da služi kot končni akceptor elektronov v zadnji stopnji mitohondrijske transportne verige elektronov, ki predstavlja ključni proces v oksidativnem katabolizmu, ki proizvaja energijo. Kemične lastnosti kisika pa povzročajo nagnjenost k nastanku visoko reaktivnih kisikovih intermediatov, ki lahko oksidirajo bistvene celične komponente, kar ogrozi celično in posledično organsko homeostazo. Zato je nenavaden paradoks: kisik je nepogrešljiv za aerobe, hkrati pa so njegovi presnovni stranski produkti neizogibni in potencialno strupeni. Očitno je, da nastajanje in odstranjevanje teh vrst nenehno poteka znotraj celic, kar jih ohranja na bazalnih netoksičnih ravneh [5]. Vendar se lahko v določenih okoliščinah to natančno regulirano ravnovesje poruši. Če hitrost njihovega nastajanja presega hitrost njihove odstranitve, je treba koncentracije v stanju dinamičnega ravnovesja povišati, s čimer se poveča verjetnost za nastanek potencialno škodljivih reaktivnih prostih radikalov, stanje, znano kot "oksidativni stres" [13,14].

V tem delu podajamo kratek opis koncepta "oksidativnega stresa", ki temelji na biokemičnih mehanizmih znotrajcelične tvorbe in odstranitve reaktivno spremenjenih v vodikov peroksid (H, O,) s superoksidnimi dismutazami (SOD) (slika 1A). . Ustvarjeni H2O2 se lahko nadalje reducira, bodisi encimsko z dvema elektronoma v H2O ali neencimsko z enim elektronom, kar vodi do proizvodnje izjemno reaktivnih hidroksilnih radikalov (HO*). Slednja reakcija zahteva razpoložljivo železovo železo (Fe- plus) in je znana kot "Fentonova reakcija" [15].

Poleg H in O nastajajo tudi lipidni hidroperoksidi (LOOH) z delovanjem encima "lipoksigenaze" (LOX) (slika 1B). Posebna membransko vezana "glutation peroksidaza 4" (Gpx4) je odgovorna za odstranitev odvečnih LOOH [16]. Tako kot H2O2 lahko LOOH medsebojno delujejo z Fe7, kar povzroči nastanek visoko reaktivnih lipidnih alkoksilnih radikalov (LO*). Te vrste lahko nadalje spodbujajo verižne reakcije, ki okrepijo proces peroksidacije lipidov in proizvodnjo aldehidov kot končnih stabilnih produktov. Zanimivo je, da je bilo nedavno dokazano, da nepravilno delovanje Gpx4 v kombinaciji s povišanimi ravnmi razpoložljivega Fe2 plus vedno vodi do posebne vrste regulirane celične smrti, imenovane "feroptoza" [17].

Vsi zgoraj omenjeni intermediati redukcije O, se skupaj imenujejo reaktivne kisikove spojine (ROS). Vendar je treba poudariti, da sam izraz ROS vsebuje inherentno protislovje, ker obsega tako šibke oksidante, kot sta O,- in H, O, kot izjemno reaktivne, kot sta stopnja H O in RO·[5].pregledi cistanche tubulosa,Poleg tega zvišanje ROS v pogojih oksidativnega stresa ni istočasno za vse te vrste, ampak je nastajanje reaktivne stopnje H O in RO · odvisno od prisotnosti ali odsotnosti železovega železa. Iz zgornjih premislekov je očitno, da ima prisotnost razpoložljivega labilnega železa ključno vlogo pri nastajanju visoko reaktivnih prostih radikalov v pogojih povečane stopnje tvorbe hidroperoksida (oksidativni stres). Tako se je obvladovanje koncentracije razpoložljivega Fe2 plus pojavilo kot racionalna strategija za učinkovito zaščito celic v pogojih oksidativnega stresa[18]. Takšna strategija bi morala biti namenjena predvsem preprečevanju nastajanja H O in RO, namesto da bi jih očistila po nastanku, kar se zdi nemogoče zaradi njihovih reakcijskih konstant visoke hitrosti.

2.3. Mehanizmi generiranja in odstranjevanja ROS

Delno zmanjšanje O2 je mogoče olajšati z aktivacijo več mehanizmov v celicah sesalcev [14]. S kvantitativnega vidika je najpomembnejši encim NADPH oksidaza 2 (Nox2), ki se nahaja na plazemski membrani profesionalnih fagocitov. Ko je aktiviran, lahko Nox2 proizvede prekomerne količine O,"- in številne druge reaktivne vrste [19], ki želijo uničiti invazivne tuje mikroorganizme na mestih vnetij in okužb. Pod temi pogoji se poklicni fagociti pritegnejo in aktivirajo, kar vodi do dramatičnih poveča porabo O2 (približno 100-krat), dejstvo, ki se običajno imenuje "respiratorni" ali "oksidativni" izbruh. Proizvedeni O2*-lahko sproži začetek več kompleksnih biokemičnih poti, ki vodijo v nadaljnjo tvorbo močnih oksidantov, ki lahko pogasi potencialne mikrobne napadalce [20, 21]. Poleg Nox2 lahko več drugih članov družine NADPH oksidaz (Nox1, Nox3-5 in DUOX1-2) ustvari omejene količine O{{17} }, ko je aktiviran, predvsem za namene signalizacije [22].

Cistanche lahko upočasni staranje

Mitohondriji so tudi glavni znotrajcelični vir reaktivnih kisikovih intermediatov. Kompleksi za prenos elektronov – zlasti kompleks I in kompleks v dihalni verigi – lahko prepuščajo elektrone v O, ki se delno reducira v O,"- [23, 24]. Različne druge oksidaze, ki so izrazito prisotne v različnih celičnih predelih, lahko prav tako proizvajajo reaktivne kisikove intermediate. Poleg tega lahko reaktivni stranski produkti, pridobljeni iz kisika, nastanejo iz interakcij z eksogenimi viri, kot so onesnaževanje okolja, zdravila, ionizirajoče, sončno sevanje in hranila (slika 1A).

Med evolucijo so aerobne celice razvile sofisticirane antioksidativne obrambne mehanizme, da bi hitro odstranile nenehno ustvarjene šibke oksidante, pridobljene iz kisika, kot sta O,- in H na pogoje oksidativnega stresa[25]. Tako se O,- hitro pretvori v H, O, prek SOD, medtem ko se lahko H, O, odstrani z encimi, kot so katalaze (Cats), Gpx in peroksiredoksini (Prx) (slika 1A). Tako O,- kot H O, ki predstavljata eno- oziroma dvoelektronske redukcijske produkte kisika, sta zmerno reaktivna in lahko neposredno sodelujeta le z omejenim številom celičnih molekul, predvsem železo-žveplo (4F-4 S) proteini, ki vsebujejo grozde, kar vodi do sproščanja labilnega železa in modulacije aktivnosti ustreznih proteinov [26]. Nasprotno, HO in RO, ki nastanejo po interakciji H2O2 ali ROOH z Fe2 plus, kažejo izjemno visoko reaktivnost. Pravzaprav HO· velja za eno najbolj reaktivnih molekul, proizvedenih v živih celicah, saj lahko takoj in brez razlikovanja oksidira katero koli kemijsko skupino, ki se nahaja v bližini njenega nastanka (difuzijsko nadzorovana reaktivnost) [5]. Potreben parameter za nastanek HO*s in RO*s je sočasna prisotnost povišanih ravni H, O ali ROOH z Fe2 plus za ustrezno časovno obdobje [27].

2.4. Redox signalizacija

Zanimivo je, da je narava že izkoristila zgoraj obravnavana osnovna dejstva in med evolucijo razvila adaptivne mehanizme za zaščito celic v pogojih povečanega nastajanja peroksidov. Z uporabo skrbnih nadzornih sistemov za odkrivanje razpoložljivih ravni železa v citosolu s posebnima senzorjema IRP1 in IRP2 (proteina za uravnavanje železa 1 oziroma 2) in v sodelovanju s signali vnetja in okužbe lahko celice natančno prilagodijo obstoječe ravnovesje med tonusom peroksida in labilnostjo razpoložljivost železa [5,28]. Ko se ravni peroksida povečajo, npr. v primeru vnetja ali okužbe, hitra in robustna indukcija feritina odstrani razpoložljivo železo [10,11] in prepreči nastanek škodljivih HO ali RO*.cistanche UKVendar pa je lahko v primerih intenzivnega in dolgotrajnega oksidativnega stresa splošna zaščitna sposobnost celic preobremenjena, kar vodi do transdukcije številnih različnih signalov, vključno s tistimi o programirani celični smrti, bodisi z apoptozo ali nekrozo [10,29]. .

Očitno so posledice, ki nastanejo, ko so celice izpostavljene peroksidom, v veliki meri odvisne od vrste celic, pa tudi od ravni, narave, trajanja in lokacije nastalih oksidantov. Odzivi celic lahko segajo od prilagajanja do staranja in apoptotične ali nekrotične smrti [30-34]. Zanimivo je, da se je v več primerih prenosa signala, posredovanega z oksidativnim stresom (redoks signalizacija), pokazalo, da je labilno železo vpleteno v ustrezne mehanizme. Nedavno smo na primer pokazali, da je labilno železo potrebno za aktivacijo osi ASK1-JNK/p38 [10,29], kar je povzročilo apoptotično celično smrt v celicah Jurkat, izpostavljenih H, O. Prav tako je pomembno je omeniti, da HO2 prosto difundira skozi biološke membrane in lahko doseže okoliške zdrave celice in tkiva ter jim povzroči oksidativni stres. Po drugi strani pa ista lastnost omogoča H, O, da deluje kot signalna molekula na avtokrini in parakrini način.

2.5 Labilno železo in njegova osrednja vloga pri toksičnosti, ki jo povzroča oksidativni stres

Železo je bistven element za žive celice in organizme, ker sodeluje pri različnih biokemičnih funkcijah, vključno s transportom kisika, celičnim dihanjem, sintezo in popravljanjem DNK ter številnimi drugimi encimskimi reakcijami [28,35]. Kljub svojemu privilegiranemu položaju v živi snovi pa železo sodeluje pri škodljivih reakcijah generiranja prostih radikalov, znanih kot Fentonove reakcije, v katerih se H2O2 pretvori v visoko reaktivno stopnjo HO preko ferila/prednostnih intermediatov (reakcija 1).

Reakcija 1: Fe2 plus plus H2O2→ feril/perferil intermediati → Fe3 plus plus HO stopnja plus OH-Očitno je, da čeprav je zadosten vnos železa bistvenega pomena za zdravje, je presežek železa hkrati potencialno nevaren za celice in tkiva[36]. Zato je stroga regulacija homeostaze železa (pridobivanje, uporaba in razstrupljanje) ključnega pomena, da se izognemo tako pomanjkanju železa kot preobremenitvi. To potrebo izpolnjujejo sofisticirani mehanizmi, ki so jih sesalci razvili za opravljanje vitalnih funkcij in zadovoljevanje svojih presnovnih potreb po železu, hkrati pa zmanjšujejo njegovo toksičnost [37]. Dejansko se večina železa v telesu ohranja v redoks inertnem stanju. V obtoku je železo tesno vezano v nosilcu železa transferinu, medtem ko je večina znotrajceličnega železa bodisi dobro zaščitenega v aktivnih mestih encimov bodisi varno shranjenega v feritinu. Vendar pa je majhen delež nezaščitenega železa, ki se običajno imenuje "labilno" ali "kelatno" železo, redoks-aktiven, kar pomeni, da lahko katalizira nastajanje stopnje H O preko Fentonovih reakcij [6,38].

Artikulirati natančno definicijo labilnega železa je precej težko. Običajno ga imenujemo frakcija železa, ki je sposobna katalizirati nastajanje HO· in RO po interakciji s peroksidi, poleg tega pa ga lahko sekvestrirajo spojine s šibko kelatno sposobnostjo [6]. Očitno je lahko labilno železo, ki je prisotno v biološkem materialu, povezano z nizko afinitetnimi vezavnimi mesti v makromolekulah (kot so polinukleotidi, kot sta DNA in RNA, proteini in lipidi) in/ali s spojinami z nizko molekulsko maso, ki vsebujejo kisik, dušik in žvepla v njihovo strukturo [39-41].

Tako labilno železo, vezano na membranske fosfolipide, katalizira začetek in širjenje verižnih reakcij lipidne peroksidacije, ki lahko posredujejo nekrotične in feroptozne vrste celične smrti [5]. Po drugi strani pa lahko železo, povezano z DNK, inducira mutacije ali prekinitve enojne in dvojne verige [42], medtem ko lahko železo, ohlapno vezano na beljakovine, spodbuja H2O2-odvisno redoks signalizacijo [10,29,43].

Labilno železo ni enakomerno porazdeljeno v različnih celičnih predelih, pri čemer mitohondriji in lizosomi vsebujejo večje količine kot citosol in jedro [44,45]. Posledično sta ta dva organela posebej občutljiva v primerih povečane difuzije peroksidov v njuni notranjosti. Zdi se verjetno, da so specifični mehanizmi, ki zahtevajo energijo, odgovorni za nadzor pravilnih gradientov železa med različnimi deli celic.

Tu je treba poudariti, da lahko tudi druge prehodne kovine, kot sta baker in nikelj, še učinkoviteje kot železo katalizirajo tvorbo reaktivnih prostih radikalov iz ustreznih peroksidov. Vendar pa so te kovine najdene v zelo nizkih ravneh in varno kelirane v celicah, zato ne predstavljajo tveganja ali nevarnosti [42,46,47], razen v nekaj posebnih primerih patoloških stanj.

3. Oksidativni stres in staranje: vloga labilnega železa

Podaljšanje pričakovane življenjske dobe v sodobnih družbah je s seboj prineslo težave staranja, povezane s posledično večanjem celotnega bremena obolevnosti. Zaradi naraščajočega vpliva staranja na prebivalstvo so v zadnjih nekaj desetletjih potekala intenzivna raziskovalna prizadevanja, da bi razjasnili temeljne biokemične mehanizme tega procesa [4]. Smiselno je pričakovati, da bo dejanski napredek v tej smeri odprl nove možnosti za razvoj novih strategij za preprečevanje ali celo zdravljenje bolezni, povezanih s staranjem.

3.1. Teorija prostih radikalov o staranju

Najbolj priljubljena razlaga molekularne osnove staranja je tako imenovana »teorija staranja prostih radikalov«. To teorijo je v petdesetih letih 20. stoletja prvi predlagal ameriški gerontolog Denham Harman [2], ki je izjavil, da »staranje in degenerativne bolezni povezane z njim, se v bistvu pripisujejo škodljivim stranskim napadom prostih radikalov na celične sestavine in vezivna tkiva." Po tej teoriji se reaktivni prosti radikali pojavijo in vivo kot stranski produkti encimskih reakcij, ki jih katalizirajo sledovi prehodnih kovin, kot je železo.cistanche wirkungTakrat je bilo nastajanje prostih radikalov in vivo sprejeto s skepticizmom, ker so te vrste veljale za enotno škodljive in nezdružljive z življenjem. Vendar pa je odkritje dejanske reakcije, katalizirane z encimom SOD, ki sta ga leta 1969 opravila McCord in Fridovich [48], razkrilo obstoj znotrajceličnega encima, ki kot svoj substrat uporablja O2*-, prosti radikal, pridobljen iz kisika, kar zagotavlja prepričljiv dokaz za nastanek prostih radikalov v aerobnih celicah prvič. To odkritje je teorijo staranja o prostih radikalih pripeljalo v novo obdobje. Nekaj ​​let pozneje se je fokus na primarno mesto nastanka endogenih oksidantov premaknil na mitohondrije 49], Harmanova teorija pa se je razširila na "mitohondrijsko teorijo staranja prostih radikalov" [50].

V podporo tej teoriji so dokazi, ki so se nabrali v naslednjih desetletjih, pokazali, da imajo visoko reaktivni oksidanti, ki nastanejo z redoks reakcijami, sposobnost nespecifične oksidacije vseh celičnih makromolekul, kar povzroči strukturne spremembe, ki vodijo do izpostavljenosti hidrofobnih površin in kasnejše tvorbe agregatov [ 34]. Poleg tega interakcije radikal-radikal, kot tudi tvorba vezi Schiffove baze in Michaelovi dodatki prispevajo h kumulativni fiksni makromolekularni poškodbi skozi čas |51,52|.

Dejansko so analize različnih vzorcev človeških leč in človeških možganov, dobljenih z obdukcijo/biopsijo, človeških dermalnih fibroblastov v tkivnih kulturah ter podganjih jeter in celih muh, pokazale, da so bile karbonilirane beljakovine, označevalci hudega in kroničnega oksidativnega stresa, dramatično povišane v zadnji tretjini življenja [53,54].bioflavonoidi citrusovOksidativna poškodba celičnih sestavin je tudi skladna z drugimi značilnostmi staranja, vključno z izgubo regenerativne celične populacije predvsem zaradi celične smrti in staranja, pa tudi spremenjene celične komunikacije in genomske nestabilnosti [55].

Skupaj je splošno sprejeto, da kopičenje oksidativne poškodbe celičnih makromolekul predstavlja glavni vzrok staranja in s starostjo povezanih kroničnih bolezni. Tako je verjetno predlagati, da lahko spremembe, ki lahko modulirajo hitrost nastajanja visoko reaktivnih oksidantov, igrajo odločilno vlogo pri moduliranju spodbujanja procesa staranja.

Ta članek je izvleček iz Antioxidants 2021, 10, 491. https://doi.org/10.3390/antiox10030491 https://www.mdpi.com/journal/antioxidants