Кислородът е незаменим за живота и, с изключение на някои анаероби

Моля свържете сеoscar.xiao@wecistanche.comза повече информация

Резюме:Едно от преобладаващите схващания по отношение на стареенето на клетките и организмите е вътреклетъчното постепенно натрупване на окислително увредени макромолекули, което води до влошаване на функцията на клетките и органите (теория за стареенето на свободните радикали). Този химически недефиниран материал, известен като "липофусцин," цероид, или "възрастов пигмент", се образува главно чрез нерегулирани и неспецифични окислителни модификации на клетъчни макромолекули, които са индуцирани от силно реактивни свободни радикали. Необходима предпоставка за реактивно генериране на свободни радикали и образуване на липофусцин е вътреклетъчната наличност на двувалентно желязо (Fe2 плюс) ("лабилно желязо"), катализиращо превръщането на слаби окислители като пероксиди, в изключително реактивни като хидроксил (HO*) или алкоксил(RO) радикали. Ако окислените материали останат неремонтирани за продължителни периоди от време, те могат да бъдат допълнително окислени, за да генерират окончателни свръхокислени продукти, които не могат да бъдат поправени, разградени или екзоцитирани от съответните клетъчни системи.Освен това, свръхокислените материали могат да деактивират клетъчните механизми за защита и възстановяване, като по този начин позволява безполезни цикли на все по-бързо натрупване на липофусцин.В този обзорен документ ние представяме доказателства, че модулирането на разпределението на лабилния железен пул чрез хранителни или фармакологични средства представлява досега неоценена цел за възпрепятстване на натрупването на липофусцин и клетъчното стареене.

Ключови думи:механизми на стареене; биоактивни диетични съединения; клетъчно стареене; свободни радикали; желязо-хелиращи агенти; лабилно желязо; средиземноморска диета; оксидативен стрес

1. Въведение

Естественото стареене представлява процес, в който са замесени множество дегенеративни молекулярни механизми, водещи до прогресивно общо намаляване на функциите на органите. Стареенето е придружено от фенотипни промени, които са свързани както с генетични, така и с епигенетични фактори, като в крайна сметка причиняват структурна дезорганизация, функционален спад и повишена вероятност от заболявания и смърт. Правдоподобно е да си представим, че изясняването на лежащите в основата сложни биохимични механизми, които определят скоростта на биологичното стареене, трябва да бъде от изключително клинично значение [1].

Моля, щракнете тук, за да научите повече

Най-атрактивната теория за обяснение на процеса на стареене е така наречената „свободнорадикална теория за стареенето“, предложена през 1956 г. от Денхам Харман [2]. Тази теория предполага, че някои от получените от кислород реактивни свободни радикали, генерирани в аеробните клетки, могат да избягат от наблюдението на защитните защитни механизми, което води до неспецифично окисляване на всички основни клетъчни съставки (протеини, липиди, нуклеотиди, въглехидрати и др.) .

Клетките са разработили сложни системи, които могат както бързо да отстраняват получените от кислород окислители, така и да откриват и поправят техните окислително увредени компоненти. Въпреки това, в случаи на повишени и дълготрайни състояния на оксидативен стрес, капацитетът на клетките да възстановяват увредените си части може да достигне насищане, позволявайки по-нататъшно окисление на вече окислените компоненти и натрупването на свръхокислен непоправим материал вътре в клетки. Това явление причинява модификации на цялостната клетъчна структура и предизвиква нормалната клетъчна функция, както е очевидно при стареенето и стареенето [3].

Точните молекулярни механизми, лежащи в основата на генерирането на силно реактивни свободни радикали, които са в състояние да увредят клетъчните съставки и да насърчат натрупването на непоправим материал, остават слабо разбрани. Изясняването на тези механизми със сигурност трябва да предостави полезни идеи и молекулярни инструменти за намеса в процеса на стареене и вероятно предотвратяване на развитието на заболявания, свързани със стареенето [4].

Необходимо предварително условие за производството на силно реактивни свободни радикали вътре в клетките е наличието на йони на двувалентно желязо (Fe2 плюс), които могат да катализират превръщането на слаби оксиданти като пероксиди в изключително реактивни като хидроксил (HO) или алкоксил (RO) радикали.екстракт от Cistanche tubulosaТази част от клетъчното желязо представлява малък процент от общото клетъчно желязо и обикновено се нарича "лабилно желязо"5,6]. По този начин, изчерпването или преразпределението на вътреклетъчното лабилно желязо от екзогенни съединения може да намали образуването на увреждащи реактивни радикали в случай на повишен оксидативен стрес и да предотврати окисляването и свръхокислението на клетъчните компоненти. Интересното е, че е доказано, че множество хелатиращи желязо биоактивни съединения присъстват в средиземноморския тип диета |7-10. Освен това е доказано, че когато тези агенти могат да достигнат вътрешността на клетката, те предпазват клетките от увреждане в условия на оксидативен стрес [11,12].

В настоящата обзорна статия ние съсредоточаваме интереса си върху описанието на химичните взаимодействия, които допринасят за окисляването и свръхокисляването на клетъчните съставки. Специално внимание се обръща на ключовата роля на лабилното желязо (редокс-активно желязо) в тези процеси, както и на потенциалното участие на диетични естествени желязохелиращи биоактивни съединения в контролирането на нивото и/или пространственото разпределение на вътреклетъчното лабилно желязо.

2. Реактивни кислородни видове и концепцията за оксидативен стрес

2.1.Парадоксът Oxy/gen

Кислородът е незаменим за живота и, с изключение на някои анаероби, всички животни, растения и бактерии се нуждаят от кислород, за да растат. Основната функция на кислорода в аеробите е да служи като краен акцептор на електроните в последния етап от митохондриалната електротранспортна верига, която представлява основния процес в произвеждащия енергия оксидативен катаболизъм. Химичните свойства на кислорода обаче го предразполагат към генерирането на силно реактивни междинни кислородни съединения, които могат да окислят основните клетъчни компоненти, застрашавайки клетъчната и, като цяло, хомеостазата на организма. Следователно има любопитен парадокс: кислородът е незаменим за аеробите, докато в същото време неговите метаболитни странични продукти са неизбежни и потенциално токсични. Очевидно е, че производството и отстраняването на тези видове постоянно се случва в клетките, поддържайки ги на базални нетоксични нива [5]. При определени обстоятелства обаче този фино регулиран баланс може да бъде нарушен. Ако скоростта на образуването им надвишава тази на отстраняването им, концентрациите в стационарно състояние трябва да бъдат повишени, като по този начин се увеличава вероятността за генериране на потенциално увреждащи реактивни свободни радикали, състояние, известно като "оксидативен стрес" [13,14].

В тази част предоставяме кратко описание на концепцията за "оксидативен стрес", базирана на биохимичните механизми на вътреклетъчното образуване и отстраняване на реактивни, превърнати във водороден пероксид (Н, О,) от супероксид дисмутази (СОД) (Фигура 1А) . Генерираният H2O2 може да бъде допълнително редуциран, или ензимно с два електрона до H2O, или неензимно с един електрон, за да доведе до производството на изключително реактивни хидроксилни радикали (HO*). Последната реакция изисква налично двувалентно желязо (Fe-плюс) и е известна като "реакция на Фентън"[15].

Освен H и O, липидните хидропероксиди (LOOH) също обикновено се генерират чрез действието на ензима "липоксигеназа" (LOX) (Фигура 1B). Специфична свързана с мембрана "глутатион пероксидаза 4" (Gpx4) е отговорна за отстраняването на излишните LOOH [16]. Подобно на H2O2, LOOH могат да взаимодействат с Fe7, като по този начин водят до генериране на силно реактивни липидни алкоксилни радикали (LO*s). Тези видове могат допълнително да стимулират верижни реакции, които засилват процеса на липидна пероксидация и производството на алдехиди като крайни стабилни продукти. Интересното е, че наскоро беше показано, че неправилната функция на Gpx4 в комбинация с повишени нива на наличен Fe2 плюс неизменно води до различен тип регулирана клетъчна смърт, наречена "фероптоза" [17].

Всички гореспоменати междинни продукти на редукцията на O, се наричат ​​общо реактивни кислородни видове (ROS). Трябва да се подчертае обаче, че самият термин ROS съдържа присъщо противоречие, тъй като включва както слаби окислители, като O,- и H, O, така и изключително реактивни, като HO степен и RO·[5].прегледи на cistanche tubulosa,В допълнение, повишаването на ROS в условия на оксидативен стрес не е едновременно за всички тези видове, но генерирането на реактивна степен H O и RO · зависи от наличието или отсъствието на двувалентно желязо. От горните съображения е очевидно, че наличието на налично лабилно желязо играе ключова роля в генерирането на силно реактивни свободни радикали по време на условия на повишени скорости на образуване на хидропероксид (оксидативен стрес). По този начин, контролирането на концентрацията на наличния Fe2 plus възниква като рационална стратегия за ефективна защита на клетките в условия на оксидативен стрес[18]. Такава стратегия трябва да има за цел предимно да предотврати генерирането на HOs и ROs, вместо да ги изчисти след образуването им, което изглежда невъзможно поради техните високоскоростни константи на реакция.

2.3. Механизми за генериране и премахване на ROS

Частичното намаляване на O2 може да бъде улеснено чрез активирането на няколко механизма в клетките на бозайниците [14]. Най-важният фактор от количествена гледна точка е ензимът NADPH оксидаза 2 (Nox2), който се намира на плазмената мембрана на професионалните фагоцити. Когато се активира, Nox2 може да произведе прекомерни количества O,"- и много други реактивни видове надолу по веригата [19], които имат за цел да убият нахлуващи чужди микроорганизми в местата на възпаление и инфекции. При тези условия професионалните фагоцити се привличат и активират, което води до драматични увеличава потреблението на O2 (около 100 пъти), факт, който обикновено се нарича "респираторен" или "окислителен" изблик. Произведеният O2*- може да задейства инициирането на няколко сложни биохимични пътища, които водят до по-нататъшното образуване на силни оксиданти, които са способни да гасят потенциални микробни нашественици [20,21]. Освен Nox2, няколко други членове на семейството на NADPH оксидазата (Nox1, Nox3-5 и DUOX1-2) могат да генерират ограничени количества O{{17} } когато се активира, главно за сигнални цели [22].

Cistanche може да спре стареенето

Митохондриите също са основен вътреклетъчен източник на междинни реактивни кислородни продукти. Комплексите за трансфер на електрони - особено комплекс I и комплексът в дихателната верига - могат да изпуснат електрони до О, който частично се редуцира до О,"-[23,24]. Разнообразие от други оксидази, присъстващи на видно място в различни клетъчни отделения, също могат да произвеждат реактивни кислородни междинни продукти.В допълнение, получените от кислород реактивни странични продукти могат да бъдат генерирани от взаимодействия с екзогенни източници като замърсяване на околната среда, лекарства, йонизираща, слънчева радиация и хранителни вещества (Фигура 1А).

По време на еволюцията аеробните клетки са разработили усъвършенствани антиоксидантни защитни механизми, за да елиминират бързо непрекъснато генерираните слаби кислородни окислители, като O,- и H към състояния на оксидативен стрес[25]. По този начин O,- бързо се превръща в H, O, чрез SOD, докато H, O, може да бъде елиминиран от ензими като каталази (Cats), Gpx и пероксиредоксини (Prx) (Фигура 1A). Както O,-, така и HO, които представляват съответно едно- и двуелектронни редукционни продукти на кислорода, са умерено реактивни и могат директно да взаимодействат само с ограничен брой клетъчни молекули, главно желязо-сяра (4F-4 S) клъстер-съдържащи протеини, водещи до освобождаване на лабилно желязо и модулиране на активността на съответните протеини[26]. Напротив, HO и RO, които се генерират след взаимодействието на H2O2 или ROOH с Fe2 плюс, показват изключително висока реактивност. Всъщност HO · се счита за една от най-реактивните молекули, произведени в живите клетки, тъй като е в състояние незабавно и безразборно да окислява всяка химична група, която се намира в близост до нейното генериране (реактивност, контролирана от дифузия) [5]. Необходимият параметър за генериране на HO*s и RO*s е едновременното присъствие на повишени нива на H, O или ROOH с Fe2 плюс за подходящ период от време [27].

2.4. Редокс сигнализиране

Интересното е, че природата вече се е възползвала от обсъдените по-горе елементарни факти, развивайки по време на еволюцията адаптивни механизми за защита на клетките в условията на повишено генериране на пероксиди. Използвайки внимателни системи за наблюдение за откриване на налични цитозолни нива на желязо от специфичните сензори IRP1 и IRP2 (желязорегулиращи протеини 1 и 2, съответно) и в сътрудничество със сигнали за възпаление и инфекция, клетките могат фино да регулират съществуващия баланс между пероксидния тон и лабилния наличие на желязо [5,28]. Когато нивата на пероксид се повишат, например в случай на възпаление или инфекция, бързото и силно индуциране на феритин елиминира наличното желязо [10,11] и предотвратява образуването на увреждащи HOs или RO*s.cistanche ВеликобританияВъпреки това, в случаи на интензивен и продължителен оксидативен стрес, цялостният защитен капацитет на клетките може да бъде претоварен, което води до трансдукция на редица различни сигнали, включително тези за програмирана клетъчна смърт, чрез апоптоза или некроза [10,29] .

Очевидно последствията, предизвикани, когато клетките са изложени на пероксиди, до голяма степен зависят от вида на клетките, както и от нивото, природата, продължителността и местоположението на генерираните оксиданти. Клетъчните отговори могат да варират от адаптиране до стареене и апоптотична или некротична смърт [30-34]. Интересно е, че в няколко случая на медиирана от оксидативен стрес сигнална трансдукция (редокс сигнализиране), е доказано, че лабилното желязо е замесено в съответните механизми. Например, наскоро показахме, че лабилното желязо е необходимо за активирането на оста ASK1-JNK/p38 [10,29], което води до апоптотична клетъчна смърт в Jurkat клетки, изложени на H, O. Също така е важно е да се отбележи, че HO2 свободно дифундира през биологичните мембрани и може да достигне до околните здрави клетки и тъкани, налагайки им оксидативен стрес. От друга страна, същото свойство позволява на H, O да действа като сигнална молекула по автокринен и паракринен начин.

2.5. Лабилно желязо и неговата основна роля в токсичността, предизвикана от оксидативен стрес

Желязото е основен елемент за живите клетки и организми, тъй като участва в различни биохимични функции, включително транспорт на кислород, клетъчно дишане, синтез и възстановяване на ДНК и няколко други ензимни реакции [28,35]. Въпреки това, въпреки привилегированото си положение в живата материя, желязото участва в увреждащи реакции, генериращи свободни радикали, известни като реакции от типа на Фентън, при които H2O2 се превръща в силно реактивна степен HO чрез ферил/предпочитани междинни съединения (реакция 1).

Реакция 1: Fe2 плюс плюс H2O2 → ферил/пер ферил междинни продукти → Fe3 плюс плюс HO степен плюс OH-Очевидно е, че въпреки че адекватен прием на желязо е от съществено значение за здравето, излишъкът на желязо е едновременно потенциално опасен за клетките и тъканите [36]. По този начин стриктното регулиране на желязната хомеостаза (придобиване, използване и детоксикация) е от решаващо значение за избягване както на железен дефицит, така и на претоварване. Тази нужда е изпълнена от сложни механизми, които бозайниците са разработили, за да изпълняват жизненоважни функции и да задоволяват своите метаболитни нужди от желязо, като същевременно минимизират неговата токсичност [37]. Всъщност по-голямата част от желязото в тялото се поддържа в редокс-инертно състояние. В циркулацията желязото е здраво свързано в носителя на желязо трансферин, докато по-голямата част от вътреклетъчното желязо е или добре защитено в активните центрове на ензимите, или безопасно съхранявано във феритин. Въпреки това, малка част от неекранираното желязо, обикновено наричано "лабилно" или "хелатно" желязо, е редокс-активно, което означава, че може да катализира генерирането на степен H O чрез реакции от типа на Fenton [6,38].

Артикулирането на точна дефиниция на лабилното желязо е доста трудно. Обикновено се нарича фракцията на желязото, която е в състояние да катализира генерирането на HO · и RO след взаимодействие с пероксиди и в допълнение може да бъде секвестирана от съединения със слаб хелатиращ капацитет [6]. Очевидно лабилното желязо, което присъства в биологичния материал, може да бъде свързано със свързващи места с нисък афинитет в макромолекули (като полинуклеотиди като ДНК и РНК, протеини и липиди) и/или със съединения с ниско молекулно тегло, съдържащи кислород, азот и сяра в тяхната структура [39-41].

По този начин лабилното желязо, прикрепено към мембранните фосфолипиди, катализира инициирането и разпространението на верижни реакции на липидна пероксидация, които могат да медиират некротични и фероптозни видове клетъчна смърт [5]. От друга страна, желязото, свързано с ДНК, може да индуцира мутации или скъсвания на единични и двойни вериги [42], докато желязото, слабо свързано с протеини, може да насърчи H2O2-зависимо редокс сигнализиране [10,29,43].

Лабилното желязо не е равномерно разпределено в различни клетъчни компартменти, като митохондриите и лизозомите съдържат по-високи количества от цитозола и ядрото [44,45] Следователно тези два органела са изключително чувствителни в случаите на повишена дифузия на пероксиди във вътрешността им. Изглежда вероятно, че специфични, изискващи енергия механизми са отговорни за контролирането на правилните градиенти на желязото между различните клетъчни отделения.

Тук трябва да се подчертае, че други преходни метали като мед и никел също могат да катализират образуването на реактивни свободни радикали от съответните пероксиди дори по-ефективно от желязото. Въпреки това, тези метали се намират в много ниски нива и сигурно хелатирани в клетките, като по този начин не представляват риск или опасност [42,46,47], освен в няколко специални случая на патологични състояния.

3. Оксидативен стрес и стареене: Ролята на лабилното желязо

Увеличаването на продължителността на човешкия живот в съвременните общества доведе до проблеми със застаряването, свързани с последващото увеличаване на общата тежест на случаите на заболеваемост. Поради нарастващото въздействие на стареенето върху населението, през последните няколко десетилетия бяха положени интензивни изследователски усилия, насочени към изясняване на основните биохимични механизми на този процес [4]. Разумно е да се очаква, че действителният напредък в тази насока ще отвори нови възможности за разработване на нови стратегии за превенция или дори лечение на заболявания, свързани с възрастта.

3.1. Свободнорадикалната теория за стареенето

Най-популярното обяснение за молекулярната основа на стареенето е така наречената „теория за стареенето на свободните радикали“. Тази теория е предложена за първи път през 50-те години на миналия век от американския геронтолог Денхам Харман [2], който заявява, че „стареенето и дегенеративните заболявания свързани с него, се приписват основно на вредните странични атаки на свободните радикали върху клетъчните съставки и съединителните тъкани."Според тази теория, реактивните свободни радикали възникват in vivo като странични продукти на ензимни реакции, катализирани от следи от преходни метали като желязо.cistanche wirkungПо това време генерирането на свободни радикали in vivo беше посрещнато със скептицизъм, тъй като тези видове бяха считани за еднакво вредни и несъвместими с живота. Въпреки това, откриването на действителната реакция, катализирана от ензима SOD от McCord и Fridovich през 1969 г. [48], разкрива съществуването на вътреклетъчен ензим, който използва O2*-, произхождащ от кислород свободен радикал като негов субстрат, предоставяйки убедителни доказателства за генерирането на свободни радикали в аеробните клетки за първи път. Това откритие постави теорията за стареенето на свободните радикали в нова ера. Няколко години по-късно фокусът върху първичното място на генериране на ендогенни оксиданти беше изместен към митохондриите 49], а теорията на Харман се разшири до „митохондриалната теория за стареенето на свободните радикали“ [50].

В подкрепа на тази теория доказателствата, натрупани през следващите десетилетия, показват, че силно реактивните окислители, генерирани от редокс реакции, имат способността да окисляват неспецифично всички клетъчни макромолекули, предизвиквайки структурни модификации, които водят до излагане на хидрофобни повърхности и последващо образуване на агрегати [ 34]. В допълнение, радикално-радикалните взаимодействия, както и образуването на базова връзка на Шиф и добавките на Майкъл, допринасят за кумулативното фиксирано макромолекулно увреждане с течение на времето |51,52|.

Наистина, анализи на различни проби от човешка леща и човешки мозък, получени от аутопсии/биопсии, човешки дермални фибробласти в тъканни култури и черен дроб на плъхове и цели мухи разкриват, че карбонилираните протеини, маркери за тежък и хроничен оксидативен стрес, са драматично повишени в последната трета от живота [53,54].цитрусови биофлавоноидиОкислителното увреждане на клетъчните съставки също е в съответствие с други отличителни белези на стареенето, включително загубата на регенеративни клетъчни популации, дължаща се главно на клетъчна смърт и стареене, както и променена клетъчна комуникация и геномна нестабилност [55].

Взети заедно, общоприето е, че натрупването на окислително увреждане на клетъчните макромолекули представлява основна причина за стареенето и свързаните с възрастта хронични заболявания. По този начин е правдоподобно да се предположи, че промените, които са в състояние да модулират скоростта на образуване на силно реактивни оксиданти, могат да играят решаваща роля в модулирането на насърчаването на процеса на стареене.

Тази статия е извлечена от Antioxidants 2021, 10, 491. https://doi.org/10.3390/antiox10030491 https://www.mdpi.com/journal/antioxidants