Az étrendi vas-kelátképző bioaktív vegyületek hatása az oxidatív stressz által kiváltott sejtöregedés molekuláris mechanizmusaiban

Kérlek keress feloscar.xiao@wecistanche.comtovábbi információért

Absztrakt:A sejtek és élőlények öregedésével kapcsolatban az egyik uralkodó felfogás az oxidatívan károsodott makromolekulák intracelluláris fokozatos felhalmozódása, ami a sejtek és szervek működésének hanyatlásához vezet (az öregedés szabad gyökös elmélete). Ez a "lipofuscin", ceroid" vagy "age pigment" néven ismert kémiailag meghatározatlan anyag főként a sejtmakromolekulák szabályozatlan és nem specifikus oxidatív módosulatai révén jön létre, amelyeket erősen reaktív szabad gyökök indukálnak. A reaktív szabad gyökök képződésének és lipofuscin képződésének szükséges előfeltétele a vas (Fe2 plus) ("labilis vas") intracelluláris hozzáférhetősége, amely katalizálja a gyenge oxidálószerek, például peroxidok, rendkívül reakcióképes anyagokká, például hidroxil- (HO*) vagy alkoxil(RO)gyökökké történő átalakulását. Ha az oxidált anyagok megmaradnak Ha hosszabb ideig nem javítják, tovább oxidálódhatnak, és végső soron túloxidált termékek keletkeznek, amelyeket a megfelelő sejtrendszer nem képes helyreállítani, lebontani vagy exocitizálni. Ezenkívül a túloxidált anyagok inaktiválhatják a sejtvédelmi és -javító mechanizmusokat, így lehetővé téve az egyre gyorsabb lipofuscin felhalmozódás hiábavaló ciklusait. A labilis vaskészlet eloszlásának táplálkozási vagy farmakológiai módszerekkel történő modulálása eddig nem értékelt célpont a lipofuscin felhalmozódásának és a sejtek öregedésének gátlására.

Kulcsszavak:öregedési mechanizmusok; bioaktív diétás vegyületek; sejtes öregedés; szabad gyökök;vas-kelátképző szerek; labilis vas; Mediterrán diéta; oxidatív stressz

1. Bemutatkozás

A természetes öregedés olyan folyamat, amelyben több degeneratív molekuláris mechanizmus vesz részt, ami a szervi funkciók fokozatos általános hanyatlásához vezet. Az öregedés fenotípusos változásokkal jár együtt, amelyek genetikai és epigenetikai tényezőkhöz is kapcsolódnak, végső soron strukturális dezorganizációt, funkcionális hanyatlást, valamint megnövekedett betegségek és halálozás valószínűségét okozzák. Elképzelhető, hogy a biológiai öregedés mértékét meghatározó, mögöttes komplex biokémiai mechanizmusok feltárása rendkívüli klinikai jelentőséggel bír [1].

További információért kattintson ide

Az öregedési folyamat magyarázatára a legvonzóbb elmélet az úgynevezett "öregedés szabad gyökök elmélete", amelyet 1956-ban Denham Harman javasolt [2]. Ez az elmélet azt sugallta, hogy az aerob sejtekben keletkező oxigénből származó reaktív szabad gyökök némelyike ​​kikerülheti a védekező mechanizmusok felügyeletét, ami az összes alapvető sejtösszetevő (fehérjék, lipidek, nukleotidok, szénhidrátok stb.) nem specifikus oxidációjához vezet. .

A sejtek olyan kifinomult rendszereket fejlesztettek ki, amelyek képesek gyorsan eltávolítani az oxigénből származó oxidálószereket, valamint kimutatni és javítani az oxidatívan károsodott komponenseiket. Fokozott és hosszan tartó oxidatív stressz esetén azonban a sejtek károsodott részeik helyreállításának képessége elérheti a telítettséget, ami lehetővé teszi a már oxidált komponensek további oxidációját és a túloxidált, nem javítható anyag felhalmozódását a sejt belsejében. sejteket. Ez a jelenség az általános sejtszerkezetet módosítja, és megkérdőjelezi a normál sejtműködést, amint az az öregedésben és az öregedésben is látható [3].

Az erősen reaktív szabad gyökök keletkezésének hátterében álló pontos molekuláris mechanizmusok, amelyek képesek károsítani a sejtösszetevőket és elősegítik a javíthatatlan anyagok felhalmozódását, továbbra is kevéssé ismertek. E mechanizmusok feltárása minden bizonnyal hasznos ötletekkel és molekuláris eszközökkel szolgálhat az öregedési folyamatba való beavatkozáshoz, és valószínűleg az öregedéssel összefüggő betegségek kialakulásának megelőzéséhez [4].

A sejten belüli nagymértékben reaktív szabad gyökök képződésének szükséges előfeltétele a vas(II)-ionok (Fe2 plus) elérhetősége, amelyek katalizálhatják a gyenge oxidálószerek, például a peroxidok extrém reakcióképességűekké, például hidroxil(HO) vagy alkoxil(RO) átalakulását. radikálisok.cistanche tubulosa kivonatA sejtvasnak ez a része az összes sejtvas kis százalékát teszi ki, és általában "labilis vasnak" nevezik5,6]. Így az intracelluláris labilis vas exogén vegyületek általi kimerülése vagy újraeloszlása ​​csökkentheti a károsító reaktív gyökök képződését fokozott oxidatív stressz esetén, és megakadályozhatja a sejtkomponensek oxidációját és túloxidációját. Érdekes módon vaskelátképző bioaktív vegyületek tömkelege jelen van a mediterrán típusú étrendben |7-10. Sőt, bebizonyosodott, hogy amikor ezek a szerek eljutnak a sejt belsejébe, megvédik a sejteket a károsodástól oxidatív stressz körülményei között [11,12].

Jelen áttekintő cikkünkben érdeklődésünket azon kémiai kölcsönhatások leírására összpontosítjuk, amelyek hozzájárulnak a sejtalkotórészek oxidációjához és túloxidációjához. Különös figyelmet fordítanak a labilis vas (redox-aktív vas) kulcsszerepére ezekben a folyamatokban, valamint a táplálékkal felvett természetes vaskelátképző bioaktív vegyületek potenciális szerepére az intracelluláris labilis vas szintjének és/vagy térbeli eloszlásának szabályozásában.

2. Reaktív oxigénfajták és az oxidatív stressz fogalma

2.1. Az Oxy/gen paradoxon

Az oxigén nélkülözhetetlen az élethez, és bizonyos anaerobok kivételével minden állatnak, növénynek és baktériumnak oxigénre van szüksége a növekedéshez. Az oxigén fő funkciója az aerobokban, hogy az elektronok terminális akceptorjaként szolgáljon a mitokondriális elektrontranszport lánc utolsó lépésében, amely az energiatermelő oxidatív katabolizmus kulcsfontosságú folyamata. Az oxigén kémiai tulajdonságai azonban hajlamosítják a rendkívül reaktív oxigén intermedierek képződésére, amelyek oxidálhatják az alapvető sejtkomponenseket, veszélyeztetve ezzel a sejt- és tágabb értelemben a szervezet homeosztázisát. Ezért van egy furcsa paradoxon: az oxigén nélkülözhetetlen az aerobok számára, ugyanakkor metabolikus melléktermékei elkerülhetetlenek és potenciálisan mérgezőek. Nyilvánvaló, hogy ezeknek a fajoknak a termelése és eltávolítása folyamatosan történik a sejtekben, így azok alapvetően nem toxikus szinten maradnak [5]. Bizonyos körülmények között azonban ez a finoman szabályozott egyensúly felborulhat. Ha képződésük sebessége meghaladja az eltávolításuk sebességét, akkor az egyensúlyi koncentrációkat emelni kell, növelve ezzel a potenciálisan káros reaktív szabad gyökök keletkezésének valószínűségét, ezt az állapotot "oxidatív stressznek" nevezik[13,14].

Ebben a részben az "oxidatív stressz" fogalmának rövid leírását adjuk a szuperoxid-diszmutázok (SOD) által hidrogén-peroxiddá (H, O,) átalakult reaktív anyagok intracelluláris képződésének és eltávolításának biokémiai mechanizmusain alapulva (1A ábra). . A keletkezett H2O2 tovább redukálható, vagy enzimatikusan két elektronnal H2O-vá, vagy nem enzimatikusan egy elektronnal, ami rendkívül reaktív hidroxilgyökök (HO*) képződését eredményezi. Az utóbbi reakcióhoz rendelkezésre álló vas (Fe-plus) szükséges, és „Fenton-reakció”-ként ismert [15].

A H és O mellett a lipid-hidroperoxidok (LOOH-ok) is általában a „lipoxigenáz” (LOX) enzim hatására keletkeznek (1B. ábra). Egy specifikus membránhoz kötött "glutation-peroxidáz 4" (Gpx4) felelős a felesleges LOOH-ok eltávolításáért [16]. A H2O2-hoz hasonlóan a LOOH-ok is kölcsönhatásba léphetnek az Fe7-tel, ami nagyon reaktív lipid-alkoxil-gyökök (LO*) képződését eredményezi. Ezek a fajok tovább elősegíthetik a láncreakciókat, amelyek fokozzák a lipidperoxidáció folyamatát és az aldehidek, mint stabil végtermékek képződését. Érdekes módon a közelmúltban kimutatták, hogy a Gpx4 nem megfelelő működése a rendelkezésre álló Fe2 plusz emelkedett szintjével kombinálva változatlanul a szabályozott sejthalál egy külön típusához, a "ferroptózishoz" [17] vezet.

Az O-redukció összes fent említett intermedierét együttesen reaktív oxigénfajtáknak (ROS) nevezik. Hangsúlyoznunk kell azonban, hogy a ROS kifejezés önmagában is tartalmaz egy eredendő ellentmondást, mivel tartalmaz gyenge oxidálószereket, mint például O,- és H, O, és rendkívül reakcióképeseket is, mint például HO fok és RO·[5].cistanche tubulosa vélemények,Ezen túlmenően a ROS emelkedése oxidatív stressz körülményei között nem minden faj esetében egyidejű, de a reaktív HO fok és az RO· kialakulása a vas jelenlététől vagy hiányától függ. A fenti megfontolások alapján nyilvánvaló, hogy a megnövekedett hidroperoxid képződés (oxidatív stressz) körülményei között a rendelkezésre álló labilis vas jelenléte döntő szerepet játszik a rendkívül reaktív szabad gyökök képződésében. Így a rendelkezésre álló Fe2 plusz koncentrációjának szabályozása racionális stratégiaként merült fel a sejtek hatékony védelmében oxidatív stressz esetén[18]. Egy ilyen stratégiának elsősorban a HO-k és RO-k képződésének megakadályozására kell irányulnia, nem pedig a keletkezésük utáni leürítésükre, ami lehetetlennek tűnik a reakció nagy sebességű állandói miatt.

2.3. A ROS létrehozásának és eltávolításának mechanizmusai

Az O2 részleges csökkentését számos mechanizmus aktiválása segítheti elő emlőssejtekben [14]. Kvantitatív szempontból a legfontosabb tényező a NADPH-oxidáz 2 (Nox2) enzim, amely a professzionális fagociták plazmamembránján található. Amikor aktiválódik, a Nox2 túlzott mennyiségű O"-t termelhet – és sok más áramlási irányban reaktív fajt [19], amelyek célja a behatoló idegen mikroorganizmusok elpusztítása a gyulladásos és fertőzési helyeken. Ilyen körülmények között a professzionális fagociták vonzzák és aktiválódnak, ami drámai az O2-felhasználás növekedése (körülbelül 100-szorosára), ezt a tényt általában „légzési” vagy „oxidatív” robbanásnak nevezik. A keletkező O2* számos komplex biokémiai folyamat beindítását indíthatja el, amelyek az erős oxidálószerek további képződését eredményezhetik, eloltja a potenciális mikrobiális betolakodókat [20,21]. A Nox2-n kívül a NADPH-oxidáz család számos tagja (Nox1, Nox3-5 és DUOX1-2) korlátozott mennyiségű O{{17} } ha aktiválva van, főleg jelzési célokra [22].

A Cistanche öregedésgátló hatású

A mitokondriumok a reaktív oxigén intermedierek fő intracelluláris forrásai is. Az elektrontranszfer komplexek – különösen az I. komplex és a légzési lánc komplexe – elektronokat szivárogtathatnak O-ra, ami részben O-vá redukálódik."-[23,24]. Számos más oxidáz is, amelyek kiemelkedően jelen vannak a különböző sejtkompartmentekben, szintén képesek Ezen kívül oxigénből származó reaktív melléktermékek keletkezhetnek külső forrásokkal, például környezetszennyezéssel, gyógyszerekkel, ionizációval, napsugárzással és tápanyagokkal való kölcsönhatásokból (1A. ábra).

Az evolúció során az aerob sejtek kifinomult antioxidáns védelmi mechanizmusokat fejlesztettek ki annak érdekében, hogy gyorsan eltávolítsák a folyamatosan termelődő gyenge oxigénből származó oxidánsokat, mint például az O, és a HO. oxidatív stressz körülményeihez[25]. Így az O,- gyorsan H, O-vá alakul SOD-kon keresztül, míg a H, O-t olyan enzimek eltávolíthatják, mint a katalázok (Cats), Gpx és peroxiredoxinok (Prx) (1A. ábra). Mind az O, mind a HO, amelyek az oxigén egy- és kételektronos redukciós termékeit képviselik, mérsékelten reakcióképesek, és csak korlátozott számú sejtmolekulával tudnak közvetlenül kölcsönhatásba lépni, főleg vas-kénnel(4F-4). S) klasztert tartalmazó fehérjék, amelyek a labilis vas felszabadulásához és a megfelelő fehérjék aktivitásának modulálásához vezetnek[26]. Éppen ellenkezőleg, a H2O2 vagy ROOH és Fe2 plus kölcsönhatása után keletkező HO-k és RO-k rendkívül magas reaktivitást mutatnak. Valójában a HO-t az egyik legreaktívabb molekulának tekintik, amelyet élő sejtekben termelnek, mivel képes azonnal és válogatás nélkül oxidálni bármilyen kémiai csoportot, amely a keletkezésének közelében található (diffúzió-vezérelt reaktivitás)[5]. A HO*s és RO*s generálásához szükséges paraméter a megnövekedett H, O vagy ROOH szint Fe2 plusz egyidejű jelenléte megfelelő ideig [27].

2.4. Redox jelzés

Érdekes módon a természet már kihasználta a fent tárgyalt elemi tényeket, és az evolúció során adaptív mechanizmusokat fejlesztett ki a sejtek védelmére a fokozott peroxidképződés körülményei között. Gondos megfigyelőrendszerek segítségével az elérhető citoszol vasszintek kimutatására az IRP1 és IRP2 specifikus szenzorok (1-es és 2-es vasszabályozó fehérjék) által, valamint a gyulladásos és fertőzési jelekkel együttműködve a sejtek finoman beállíthatják a peroxid tónusa és a labilis közötti egyensúlyt. vas elérhetősége [5,28]. Amikor a peroxidszint emelkedik, pl. gyulladás vagy fertőzés esetén, a ferritin gyors és erőteljes indukciója eliminálja a rendelkezésre álló vasat [10,11], és megakadályozza a káros HO-k vagy RO*-ok képződését.cistanche UKIntenzív és hosszan tartó oxidatív stressz esetén azonban a sejtek általános védőképessége túlterhelt lehet, ami számos különböző jel átviteléhez vezethet, beleértve a programozott sejthalál jeleit, akár apoptózissal, akár nekrózissal [10,29]. .

Nyilvánvalóan a peroxidoknak kitett sejtek következményei nagymértékben függenek a sejtek típusától, valamint a keletkező oxidálószerek szintjétől, természetétől, időtartamától és helyétől. A sejtválaszok az adaptációtól az öregedésig és az apoptotikus vagy nekrotikus halálig terjedhetnek [30-34]. Érdekes módon az oxidatív stressz által közvetített jelátvitel (redox jelátvitel) számos esetben kimutatták, hogy a labilis vas részt vesz a megfelelő mechanizmusokban. Nemrég például kimutattuk, hogy labilis vas szükséges az ASK1-JNK/p38 tengely aktiválásához [10,29], ami apoptotikus sejthalálhoz vezetett a H, O hatásnak kitett Jurkat sejtekben. Fontos megjegyezni, hogy a HO2 szabadon átdiffundál a biológiai membránokon, és elérheti a környező egészséges sejteket és szöveteket, oxidatív stresszt okozva. Másrészt ugyanez a tulajdonság lehetővé teszi, hogy a H, O jelzőmolekulaként működjön autokrin és parakrin módon.

2.5. A labilis vas és kulcsszerepe az oxidatív stressz által kiváltott toxicitásban

A vas nélkülözhetetlen eleme az élő sejtek és szervezetek számára, mivel számos biokémiai funkcióban vesz részt, beleértve az oxigénszállítást, a sejtlégzést, a DNS-szintézist és -javítást, valamint számos más enzimatikus reakciót [28,35]. Az élőanyagban elfoglalt kiváltságos helyzete ellenére azonban a vas részt vesz a Fenton-típusú reakciókként ismert káros szabadgyökképző reakciókban, amelyekben a H2O2 ferril/preferált köztitermékeken keresztül erősen reaktív HO-fokozatúvá alakul (1. reakció).

1. reakció: Fe2 plusz plusz H2O2→ ferryl/per ferryl intermedierek → Fe3 plusz plusz HO fok plusz OH- Nyilvánvaló, hogy bár a megfelelő vasbevitel elengedhetetlen az egészséghez, a vastöbblet ugyanakkor potenciálisan veszélyes a sejtekre és a szövetekre[36]. Így a vas homeosztázisának (felszívódás, felhasználás és méregtelenítés) szigorú szabályozása kulcsfontosságú a vashiány és a túlterhelés elkerülése érdekében. Ezt az igényt olyan kifinomult mechanizmusok elégítik ki, amelyeket az emlősök létfontosságú funkciók ellátására és anyagcsere-szükségleteik kielégítésére fejlesztettek ki, miközben minimálisra csökkentik annak toxicitását [37]. Valójában a szervezet vasának nagy része redox-inert állapotban van. A keringésben a vas szorosan kötődik a vashordozó transzferrinhez, míg az intracelluláris vas nagy része vagy jól védett az enzimek aktív helyein, vagy biztonságosan tárolódik a ferritinben. Azonban az árnyékolatlan vas egy kis része, amelyet általában "labilis" vagy "kelát" vasnak neveznek, redox-aktív, ami azt jelenti, hogy Fenton-típusú reakciókon keresztül katalizálhatja a HO-fok létrehozását [6,38].

A labilis vas pontos definíciójának megfogalmazása meglehetősen nehéz. Általában a vas azon frakciójaként emlegetik, amely peroxidokkal való kölcsönhatás után képes katalizálni a HO· és RO képződését, és emellett gyenge kelátképző képességű vegyületekkel is megköthető [6]. Nyilvánvalóan a biológiai anyagokban jelenlévő labilis vas kis affinitású kötőhelyekkel hozható összefüggésbe makromolekulákban (például polinukleotidokkal, mint például DNS és RNS, fehérjék és lipidek) és/vagy alacsony molekulatömegű vegyületekkel, amelyek oxigént, nitrogént és ként a szerkezetükbe [39-41].

Így a membránfoszfolipidekhez kötődő labilis vas katalizálja a lipidperoxidációs láncreakciók beindulását és továbbterjedését, amelyek a sejthalál nekrotikus és ferroptózisos típusait közvetíthetik [5]. Másrészt a DNS-hez kapcsolódó vas mutációkat vagy egy- és kétszálú töréseket indukálhat [42], míg a fehérjékhez lazán kötődő vas elősegítheti a H2O2-függő redox jelátvitelt [10,29,43].

A labilis vas nem egyenletesen oszlik el a különböző sejtkompartmentekben, a mitokondriumok és a lizoszómák nagyobb mennyiségben tartalmaznak, mint a citoszol és a sejtmag [44,45] Következésképpen ez a két organellum különösen érzékeny a peroxidok fokozott diffúziója esetén a belsejében. Valószínűnek tűnik, hogy specifikus, energiát igénylő mechanizmusok felelősek a különböző sejtkompartmentek közötti megfelelő vasgradiens szabályozásáért.

Itt ki kell emelni, hogy más átmeneti fémek, mint a réz és a nikkel, még a vasnál is hatékonyabban képesek katalizálni a megfelelő peroxidokból reaktív szabad gyökök képződését. Ezek a fémek azonban nagyon alacsony szinten találhatók és biztonságosan kelátot képeznek a sejtekben, így nem jelentenek kockázatot vagy veszélyt [42,46,47], kivéve néhány speciális kóros állapotot.

3. Oxidatív stressz és öregedés: A labilis vas szerepe

A modern társadalmakban a várható élettartam növekedése az elöregedés problémáit hozta magával, ami a megbetegedési esetek összterhének ebből adódó növekedésével járt. Az elöregedés népességre gyakorolt ​​növekvő hatása miatt az elmúlt néhány évtizedben intenzív kutatási erőfeszítések történtek e folyamat legfontosabb biokémiai mechanizmusainak feltárására [4]. Joggal feltételezhető, hogy az ebben az irányban elért tényleges előrelépés új lehetőségeket nyithat az életkorral összefüggő betegségek megelőzésére vagy akár kezelésére szolgáló új stratégiák kidolgozására.

3.1. Az öregedés szabadgyökök elmélete

Az öregedés molekuláris alapjainak legnépszerűbb magyarázata az úgynevezett "öregedés szabad gyökök elmélete". Ezt az elméletet először az 1950-es években Denham Harman amerikai gerontológus [2] javasolta, aki kijelentette, hogy "az öregedés és a degeneratív betegségek". Ezzel kapcsolatosak alapvetően a szabad gyökök sejtalkotórészekre és kötőszövetekre gyakorolt ​​káros mellékhatásainak tulajdoníthatók." Ezen elmélet szerint a reaktív szabad gyökök in vivo enzimatikus reakciók melléktermékeiként keletkeznek, amelyeket átmeneti fémek, például vas katalizálnak.cistanche wirkungAbban az időben a szabad gyökök in vivo keletkezését szkepticizmussal fogadták, mert ezeket a fajokat egységesen károsnak és az élettel összeegyeztethetetlennek tartották. A SOD enzim által katalizált tényleges reakció McCord és Fridovich által 1969-ben történő felfedezése [48] azonban felfedte egy olyan intracelluláris enzim létezését, amely O2*--t, egy oxigénből származó szabad gyököt használ szubsztrátjaként, meggyőző bizonyítékot szolgáltatva első alkalommal szabad gyökök keletkezése aerob sejtekben. Ez a felfedezés új korszakba hozta az öregedés szabad gyökök elméletét. Néhány évvel később az endogén oxidánsok keletkezésének elsődleges helyére a hangsúlyt a mitokondriumokra helyezték 49], és Harman elméletét kiterjesztették az „öregedés mitokondriális szabad gyökök elméletére”[50].

Ezen elmélet alátámasztására a következő évtizedek során felhalmozódott bizonyítékok azt mutatták, hogy a redox-reakciók során keletkező erősen reakcióképes oxidálószerek képesek nem specifikusan oxidálni az összes sejtmakromolekulát, olyan szerkezeti módosulásokat indukálva, amelyek hidrofób felületek feltárulásához és az azt követő aggregátumok képződéséhez vezetnek. 34]. Ezenkívül a gyök-gyök kölcsönhatások, valamint a Schiff-bázis kötés kialakulása és a Michael-addíciók hozzájárulnak a kumulatív rögzített makromolekuláris károsodáshoz |51,52|.

Valójában a boncolásokból/biopsziákból nyert emberi lencse és emberi agy különböző mintáinak, szövettenyészetekben humán dermális fibroblasztoknak, valamint patkánymájnak és egész legyeknek az elemzése kimutatta, hogy a karbonilált fehérjék, amelyek a súlyos és krónikus oxidatív stressz markerei, drámai mértékben megemelkedtek az élet utolsó harmada [53,54].citrus bioflavonoidokA sejtösszetevők oxidatív károsodása szintén összhangban van az öregedés egyéb jellemzőivel, ideértve a regeneratív sejtpopulációk elvesztését, elsősorban a sejthalál és az öregedés, valamint a megváltozott sejtkommunikáció és a genomiális instabilitás miatt [55].

Összességében általánosan elfogadott, hogy a sejtmakromolekulák oxidatív károsodásának felhalmozódása az öregedés és az életkorral összefüggő krónikus betegségek egyik fő oka. Így valószínűsíthető, hogy azok a változások, amelyek képesek módosítani a nagyon reaktív oxidálószerek képződésének sebességét, döntő szerepet játszhatnak az öregedési folyamat előmozdításában.

Ez a cikk az Antioxidants 2021, 10, 491-ből származik. https://doi.org/10.3390/antiox10030491 https://www.mdpi.com/journal/antioxidants