Implikacije bioaktivnih spojeva koji heliraju željezo u ishrani u molekularnim mehanizmima starenja ćelija izazvanog oksidativnim stresom

Molimo kontaktirajteoscar.xiao@wecistanche.comza više informacija

sažetak:Jedna od preovlađujućih percepcija u vezi sa starenjem ćelija i organizama je intracelularno postepeno nakupljanje makromolekula oštećenih oksidacijom, što dovodi do opadanja funkcije ćelija i organa (teorija slobodnih radikala starenja). Ovaj hemijski nedefinisani materijal poznat kao "lipofuscin", "ceroid" ili "starosni pigment" uglavnom nastaje kroz neregulisane i nespecifične oksidativne modifikacije staničnih makromolekula koje su inducirane visoko reaktivnim slobodnim radikalima. Neophodan preduslov za reaktivno stvaranje slobodnih radikala i stvaranje lipofuscina je unutarćelijska dostupnost gvožđa (Fe2 plus) ("labilno željezo"), katalizujući konverziju slabih oksidanata kao što su peroksidi, u ekstremno reaktivne poput hidroksil (HO*) ili alkoksil(RO) radikala. Ako oksidirani materijali ostanu nepopravljeni tokom dužeg vremenskog perioda, mogu se dalje oksidirati kako bi se stvorili konačni prekomjerno oksidirani proizvodi koji se ne mogu popraviti, degradirati ili egzocitozirati od strane relevantnih ćelijskih sistema. Dodatno, prekomjerno oksidirani materijali mogu inaktivirati ćelijsku zaštitu i mehanizme popravke, čime se omogućavaju uzaludni ciklusi sve brže akumulacije lipofuscina.U ovom preglednom radu predstavljamo dokaz da modulacija distribucije labilnog bazena gvožđa nutritivnim ili farmakološkim sredstvima predstavlja do sada necenjenu metu za sprečavanje akumulacije lipofuscina i starenja ćelija.

Ključne riječi:mehanizmi starenja; bioaktivni dijetalni spojevi; ćelijsko starenje; slobodni radikali; agensi za keliranje željeza; labilno željezo; Mediteranska dijeta; oksidativni stres

1. Uvod

Prirodno starenje predstavlja proces u koji su uključeni višestruki degenerativni molekularni mehanizmi, što dovodi do progresivnog općeg opadanja funkcija organa. Starenje je praćeno fenotipskim promjenama koje su povezane s genetskim i epigenetskim faktorima, što u konačnici uzrokuje strukturnu dezorganizaciju, funkcionalni pad i povećanu vjerovatnoću bolesti i smrti. Vjerojatno je zamisliti da bi razjašnjavanje temeljnih složenih biohemijskih mehanizama koji određuju brzinu biološkog starenja trebalo biti od najveće kliničke važnosti [1].

Molimo kliknite ovdje da saznate više

Najprivlačnija teorija za objašnjenje procesa starenja je takozvana "teorija slobodnih radikala starenja" koju je 1956. predložio Denham Harman [2]. Ova teorija sugerira da neki od reaktivnih slobodnih radikala dobivenih iz kisika koji nastaju u aerobnim stanicama mogu izbjeći nadzor zaštitnih odbrambenih mehanizama, što dovodi do nespecifične oksidacije svih osnovnih staničnih sastojaka (proteina, lipida, nukleotida, ugljikohidrata, itd.) .

Ćelije su razvile sofisticirane sisteme koji mogu brzo ukloniti oksidanse izvedene iz kisika i otkriti i popraviti njihove oksidativno oštećene komponente. Međutim, u slučajevima povećanog i dugotrajnog oksidativnog stresa, kapacitet ćelija da poprave svoje oštećene dijelove može dostići zasićenje, omogućavajući dalju oksidaciju već oksidiranih komponenti i nakupljanje prekomjerno oksidiranog nepopravljivog materijala unutar ćelije. Ovaj fenomen uzrokuje modifikacije cjelokupne ćelijske strukture i dovodi u pitanje normalnu ćelijsku funkciju, što je vidljivo u starenju i starenju [3].

Tačni molekularni mehanizmi koji leže u osnovi stvaranja visoko reaktivnih slobodnih radikala koji su u stanju da oštete ćelijske sastojke i promovišu nakupljanje nepopravljivog materijala i dalje su slabo poznati. Razjašnjenje ovih mehanizama svakako bi trebalo da pruži korisne ideje i molekularne alate za intervenisanje u procesu starenja i verovatno sprečavanje razvoja bolesti povezanih sa starenjem [4].

Neophodan preduslov za proizvodnju visoko reaktivnih slobodnih radikala unutar ćelija je dostupnost iona željeza (Fe2 plus), koji mogu katalizirati konverziju slabih oksidanata kao što su peroksidi u ekstremno reaktivne poput hidroksil(HO) ili alkoksila (RO) radikali.ekstrakt cistanche tubulosaOvaj dio ćelijskog gvožđa predstavlja mali procenat ukupnog ćelijskog gvožđa i obično se naziva „labilno gvožđe“5,6]. Dakle, iscrpljivanje ili preraspodjela unutarćelijskog labilnog željeza egzogenim spojevima može umanjiti stvaranje štetnih reaktivnih radikala u slučaju povećanog oksidativnog stresa i spriječiti oksidaciju i prekomjernu oksidaciju ćelijskih komponenti. Zanimljivo je da se pokazalo da je mnoštvo bioaktivnih jedinjenja koja helatiraju željezo prisutna u mediteranskom tipu prehrane |7-10. Štaviše, dokazano je da kada ovi agensi mogu dospjeti u unutrašnjost ćelije, oni štite ćelije od oštećenja u uslovima oksidativnog stresa [11,12].

U ovom preglednom članku fokusiramo se na opisivanje hemijskih interakcija koje doprinose oksidaciji i prekomernoj oksidaciji ćelijskih sastojaka. Posebna pažnja je posvećena ključnoj ulozi labilnog gvožđa (redox-aktivnog gvožđa) u ovim procesima, kao i potencijalnom učešću prirodnih bioaktivnih jedinjenja koja keliraju gvožđe u ishrani u kontroli nivoa i/ili prostorne distribucije intracelularnog labilnog gvožđa.

2. Reaktivne vrste kiseonika i koncept oksidativnog stresa

2.1. Paradoks kiseonika/gena

Kiseonik je neophodan za život, a osim određenih anaerobnih, sve životinje, biljke i bakterije zahtevaju kiseonik za rast. Glavna funkcija kiseonika u aerobima je da služi kao terminalni akceptor elektrona u završnom koraku mitohondrijalnog lanca transporta elektrona, koji predstavlja ključni proces u oksidativnom katabolizmu koji proizvodi energiju. Međutim, kemijska svojstva kisika predisponiraju ga za stvaranje visoko reaktivnih kisikovih intermedijera koji mogu oksidirati bitne ćelijske komponente, ugrožavajući ćelijsku i, prema tome, homeostazu organizma. Otuda postoji neobičan paradoks: kiseonik je neophodan za aerobe, dok su u isto vreme njegovi metabolički nusprodukti neizbežni i potencijalno toksični. Očigledno je da se proizvodnja i uklanjanje ovih vrsta stalno dešavaju unutar ćelija, održavajući ih na bazalnom netoksičnom nivou [5]. Međutim, pod određenim okolnostima, ova fino regulisana ravnoteža može biti poremećena. Ako brzina njihovog formiranja premašuje onu njihovog uklanjanja, koncentracije u stabilnom stanju treba da budu povišene, čime se povećava verovatnoća za stvaranje potencijalno štetnih reaktivnih slobodnih radikala, stanje poznato kao „oksidativni stres“[13,14].

U ovom dijelu dajemo kratak opis koncepta „oksidativnog stresa“ zasnovanog na biokemijskim mehanizmima unutarćelijskog formiranja i uklanjanja reaktivnog pretvorenog u vodikov peroksid (H, O,) superoksid dismutazama (SOD) (Slika 1A) . Nastali H2O2 može se dalje reducirati, bilo enzimski sa dva elektrona u H2O ili neenzimski sa jednim elektronom da bi dovelo do proizvodnje ekstremno reaktivnih hidroksilnih radikala (HO*). Potonja reakcija zahtijeva dostupno željezo (Fe- plus) i poznata je kao "Fentonova reakcija"[15].

Osim H i O, lipidni hidroperoksidi (LOOH) se također normalno stvaraju djelovanjem enzima "lipoksigenaze" (LOX) (Slika 1B). Specifična membranom vezana "glutation peroksidaza 4" (Gpx4) je odgovorna za uklanjanje viška LOOH-a [16]. Kao i H2O2, LOOH mogu stupiti u interakciju sa Fe7, što dovodi do stvaranja visoko reaktivnih lipidnih alkoksil radikala (LO*s). Ove vrste mogu dalje promovirati lančane reakcije koje intenziviraju proces peroksidacije lipida i proizvodnju aldehida kao konačnih stabilnih proizvoda. Zanimljivo je da je nedavno pokazano da nepravilna funkcija Gpx4 u kombinaciji s povišenim nivoima dostupnog Fe2 plus uvijek dovodi do posebnog tipa regulirane ćelijske smrti nazvane "feroptoza"[17].

Svi gore spomenuti intermedijeri redukcije O, zajednički se nazivaju reaktivne kisikove vrste (ROS). Međutim, mora se naglasiti da sam pojam ROS sadrži inherentnu kontradikciju jer uključuje i slabe oksidante kao što su O,-i H, O, i ekstremno reaktivne kao što su HO stepen i RO·[5].recenzije cistanche tubulosa,Pored toga, povišenje ROS u uslovima oksidativnog stresa nije istovremeno za sve ove vrste, ali stvaranje reaktivnog stepena HO i RO· zavisi od prisustva ili odsustva fero gvožđa. Očigledno je iz gore navedenih razmatranja da prisustvo dostupnog labilnog gvožđa igra ključnu ulogu u stvaranju visoko reaktivnih slobodnih radikala u uslovima povećane stope stvaranja hidroperoksida (oksidativni stres). Stoga se kontrola koncentracije dostupnog Fe2 plus pojavila kao racionalna strategija za efikasnu zaštitu ćelija u uslovima oksidativnog stresa[18]. Takva strategija bi prvenstveno trebala imati za cilj sprječavanje stvaranja HO i RO, a ne njihovo uklanjanje nakon što se formiraju, što se čini nemogućim zbog njihove visoke konstante reakcije.

2.3. Mehanizmi generisanja i uklanjanja ROS-a

Djelomično smanjenje O2 može biti olakšano aktivacijom nekoliko mehanizama u stanicama sisara [14]. Najvažniji faktor sa kvantitativne tačke gledišta je enzim NADPH oksidaza 2 (Nox2), koji se nalazi na plazma membrani profesionalnih fagocita. Kada se aktivira, Nox2 može proizvesti prekomjerne količine O,"-i mnoge druge nizvodno reaktivne vrste [19] koje imaju za cilj ubiti invaziju stranih mikroorganizama na mjestima upale i infekcije. Pod ovim uvjetima, profesionalni fagociti se privlače i aktiviraju, što dovodi do dramatičnih povećanje potrošnje O2 (oko 100 puta), činjenica koja se obično naziva "respiratornim" ili "oksidativnim" eksplozijom. Proizvedeni O2*-može pokrenuti pokretanje nekoliko složenih biohemijskih puteva koji dovode do daljeg stvaranja jakih oksidanata koji su u stanju da ugasiti potencijalne mikrobne napadače [20,21]. Osim Nox2, nekoliko drugih članova porodice NADPH oksidaza (Nox1, Nox3-5 i DUOX1-2) može generirati ograničene količine O{{17} } kada je aktiviran, uglavnom u svrhu signalizacije [22].

Cistanche može protiv starenja

Mitohondrije su također glavni intracelularni izvor reaktivnih kisikovih intermedijera. Kompleksi za prijenos elektrona—posebno kompleks I i kompleks u respiratornom lancu—mogu propuštati elektrone do O, koji se djelomično reducira u O,"-[23,24]. Različite druge oksidaze koje su istaknuto prisutne u različitim ćelijskim dijelovima također su u stanju da Osim toga, reaktivni nusprodukti dobijeni kiseonikom mogu se generisati iz interakcije sa egzogenim izvorima kao što su zagađenje životne sredine, lekovi, jonizujuće, sunčevo zračenje i nutrijenti (Slika 1A).

Tokom evolucije, aerobne ćelije su razvile sofisticirane antioksidativne odbrambene mehanizme kako bi brzo eliminisale kontinuirano generisane slabe oksidanse izvedene iz kiseonika, kao što su O,-i HO. na uslove oksidativnog stresa[25]. Dakle, O,- se brzo pretvara u H, O, preko SOD-a, dok se H, O mogu eliminisati enzimima kao što su katalaze (Mačke), Gpx i peroksiredoksini (Prx) (Slika 1A). I O, i HO, koji predstavljaju produkt redukcije kisika s jednim i dva elektrona, umjereno su reaktivni i mogu direktno komunicirati samo sa ograničenim brojem ćelijskih molekula, uglavnom željezo-sumpor (4F-4 S) proteini koji sadrže klastere, što dovodi do oslobađanja labilnog gvožđa i modulacije aktivnosti odgovarajućih proteina[26]. Naprotiv, HO i RO koji nastaju nakon interakcije H2O2 ili ROOH sa Fe2 plus pokazuju izuzetno visoku reaktivnost. Zapravo, HO· se smatra jednim od najreaktivnijih molekula proizvedenih u živim ćelijama, jer je u stanju da trenutno i neselektivno oksidira bilo koju hemijsku grupu koja se nalazi u blizini njenog stvaranja (reaktivnost kontrolisana difuzijom)[5]. Neophodan parametar za stvaranje HO*s i RO*s je istovremeno prisustvo povišenih nivoa H, O ili ROOH sa Fe2 plus u odgovarajućem vremenskom periodu [27].

2.4. Redox signalizacija

Zanimljivo je da je priroda već iskoristila gore navedene elementarne činjenice, razvijajući tokom evolucije adaptivne mehanizme za zaštitu ćelija u uslovima povećanog stvaranja peroksida. Koristeći sisteme pažljivog nadzora za detekciju dostupnih nivoa gvožđa u citosolu pomoću specifičnih senzora IRP1 i IRP2 (proteini koji regulišu gvožđe 1 i 2, respektivno) i u saradnji sa signalima upale i infekcije, ćelije mogu fino prilagoditi postojeću ravnotežu između tonusa peroksida i labilnosti. dostupnost gvožđa [5,28]. Kada se nivoi peroksida povećaju, npr. u slučaju upale ili infekcije, brza i snažna indukcija feritina eliminiše dostupno gvožđe [10,11] i sprečava stvaranje štetnih HO ili RO*s.cistanche UKMeđutim, u slučajevima intenzivnog i dugotrajnog oksidativnog stresa, ukupni zaštitni kapacitet ćelija može biti preopterećen, što dovodi do transdukcije niza različitih signala, uključujući one o programiranoj smrti ćelije, bilo apoptozom ili nekrozom [10,29] .

Očigledno, posljedice koje nastaju kada su ćelije izložene peroksidima u velikoj mjeri ovise o vrsti stanica, kao io nivou, prirodi, trajanju i lokaciji nastalih oksidansa. Ćelijski odgovori mogu varirati od adaptacije do starenja i apoptotske ili nekrotične smrti [30-34]. Zanimljivo je da se u nekoliko slučajeva transdukcije signala posredovane oksidativnim stresom (redox signalizacija), pokazalo da je labilno željezo uključeno u odgovarajuće mehanizme. Na primjer, nedavno smo pokazali da je labilno željezo bilo potrebno za aktivaciju ASK1-JNK/p38 ose [10,29], što je dovelo do apoptotske ćelijske smrti u Jurkat ćelijama izloženim H,O. Važno je napomenuti da HO2 slobodno difundira kroz biološke membrane i može doći do okolnih zdravih stanica i tkiva, stvarajući im oksidativni stres. S druge strane, isto svojstvo omogućava H, O, da djeluju kao signalni molekuli na autokrine i parakrine načine.

2.5. Labilno željezo i njegova ključna uloga u toksičnosti izazvanoj oksidativnim stresom

Gvožđe je esencijalni element za žive ćelije i organizme jer učestvuje u različitim biohemijskim funkcijama uključujući transport kiseonika, ćelijsko disanje, sintezu i popravku DNK i nekoliko drugih enzimskih reakcija [28,35]. Međutim, uprkos svom privilegovanom položaju u živoj materiji, gvožđe učestvuje u štetnim reakcijama stvaranja slobodnih radikala poznatim kao reakcije tipa Fentona, u kojima se H2O2 pretvara u visoko reaktivni HO stepen preko ferila/poželjnih intermedijera (reakcija 1).

Reakcija 1: Fe2 plus H2O2→ feril/po feril intermedijeri → Fe3 plus plus HO stepen plus OH-Očigledno je da iako je adekvatan unos gvožđa neophodan za zdravlje, višak gvožđa je istovremeno potencijalno opasan za ćelije i tkiva[36]. Stoga je stroga regulacija homeostaze gvožđa (nabavka, upotreba i detoksikacija) ključna da bi se izbegao i nedostatak gvožđa i preopterećenje. Ova potreba je ispunjena sofisticiranim mehanizmima koje su sisavci razvili kako bi ostvarili vitalne funkcije i zadovoljili svoje metaboličke potrebe za željezom, istovremeno minimizirajući njegovu toksičnost [37]. Zaista, većina tjelesnog željeza se održava u redoks inertnom stanju. U cirkulaciji, gvožđe je čvrsto vezano u transferinu nosaču gvožđa, dok je većina intracelularnog gvožđa ili dobro zaštićena na aktivnim mestima enzima ili bezbedno uskladištena u feritinu. Međutim, mali dio nezaštićenog gvožđa koji se obično naziva "labilno" ili "kelatno" gvožđe, je redoks-aktivan, što znači da može katalizirati stvaranje HO stepena putem reakcija Fentonovog tipa [6,38].

Izraziti tačnu definiciju labilnog željeza je prilično teško. Obično se naziva frakcija gvožđa koja je sposobna da katalizira stvaranje HO· i RO nakon interakcije sa peroksidima, a osim toga, može se sekvestrirati spojevima sa slabim kapacitetom heliranja [6]. Očigledno, labilno željezo koje je prisutno u biološkom materijalu može biti povezano s vezanim mjestima niskog afiniteta u makromolekulama (kao što su polinukleotidi poput DNK i RNK, proteini i lipidi) i/ili sa spojevima male molekularne težine koji sadrže kisik, dušik i sumpora u njihovu strukturu [39-41].

Dakle, labilno željezo vezano za membranske fosfolipide katalizuje inicijaciju i propagaciju lančanih reakcija peroksidacije lipida, koje mogu posredovati u nekrotičnom i feroptoznom tipu ćelijske smrti [5]. S druge strane, željezo povezano sa DNK može inducirati mutacije ili jednostruke i dvolančane prekide [42], dok gvožđe koje je slabo vezano za proteine ​​može promovirati H2O{4}}zavisnu redoks signalizaciju [10,29,43].

Labilno željezo nije ravnomjerno raspoređeno u različitim ćelijskim odjeljcima, pri čemu mitohondrije i lizozomi sadrže veće količine od citosola i jezgra [44,45] Posljedično, ove dvije organele su posebno osjetljive u slučajevima povećane difuzije peroksida u njihovoj unutrašnjosti. Čini se vjerojatnim da su specifični mehanizmi koji zahtijevaju energiju odgovorni za kontrolu ispravnih gradijenata željeza između različitih odjeljaka ćelija.

Ovdje se mora naglasiti da drugi prijelazni metali kao što su bakar i nikl također mogu katalizirati stvaranje reaktivnih slobodnih radikala iz odgovarajućih peroksida čak i efikasnije od željeza. Međutim, ovi metali se nalaze u vrlo niskim količinama i sigurno su kelirani u ćelijama, tako da ne predstavljaju rizik ili opasnost [42,46,47], osim u nekoliko posebnih slučajeva patoloških stanja.

3. Oksidativni stres i starenje: uloga labilnog gvožđa

Rast očekivanog životnog vijeka ljudi u modernim društvima donio je probleme starenja, povezane s posljedičnim povećanjem ukupnog tereta oboljevanja. Zbog sve većeg utjecaja starenja na populaciju, u posljednjih nekoliko decenija poduzeti su intenzivni istraživački napori s ciljem rasvjetljavanja naglašenih biohemijskih mehanizama ovog procesa [4]. Razumno je očekivati ​​da bi stvarni napredak u ovom pravcu trebao otvoriti nove mogućnosti za razvoj novih strategija za prevenciju ili čak liječenje bolesti povezanih sa starenjem.

3.1.Teorija slobodnih radikala starenja

Najpopularnije objašnjenje za molekularnu osnovu starenja je takozvana "teorija slobodnih radikala starenja". Ovu teoriju prvi je predložio 1950-ih američki gerontolog Denham Harman [2], koji je izjavio da "starenje i degenerativne bolesti povezani s njim se u osnovi pripisuju štetnim sporednim napadima slobodnih radikala na ćelijske sastojke i na vezivno tkivo." Prema ovoj teoriji, reaktivni slobodni radikali nastaju in vivo kao nusprodukti enzimskih reakcija, kataliziranih tragovima prijelaznih metala kao što je željezo.cistanche wirkungU to vrijeme, generacija slobodnih radikala in vivo naišla je na skepticizam jer se smatralo da su te vrste jednako štetne i nekompatibilne sa životom. Međutim, otkriće stvarne reakcije koju je katalizirao enzim SOD od strane McCorda i Fridovicha 1969. [48], otkrilo je postojanje intracelularnog enzima koji koristi O2*-, slobodni radikal dobiven kisikom kao svoj supstrat, pružajući uvjerljive dokaze za stvaranje slobodnih radikala u aerobnim ćelijama po prvi put. Ovo otkriće dovelo je teoriju slobodnih radikala o starenju u novu eru. Nekoliko godina kasnije, fokus na primarnom mjestu generiranja endogenog oksidansa pomjeren je na mitohondrije 49], a Harmanova teorija se proširila na "teoriju mitohondrijalnih slobodnih radikala starenja"[50].

U prilog ovoj teoriji, dokazi koji su akumulirani u narednim decenijama pokazali su da visoko reaktivni oksidanti nastali redoks reakcijama imaju sposobnost nespecifične oksidacije svih staničnih makromolekula, izazivajući strukturne modifikacije koje dovode do ekspozicije hidrofobnih površina i kasnijeg formiranja agregata [ 34]. Osim toga, radikalno-radikalne interakcije, kao i formiranje Schiffove baze i Michaelove adicije, doprinose kumulativnom fiksnom makromolekularnom oštećenju tokom vremena |51,52|.

Zaista, analize različitih uzoraka ljudskog sočiva i ljudskog mozga dobivenih autopsijama/biopsijama, ljudskih dermalnih fibroblasta u kulturama tkiva, te jetre štakora i cijelih muha otkrile su da su karbonilirani proteini, markeri teškog i kroničnog oksidativnog stresa, dramatično povišeni u posljednja trećina života [53,54].bioflavonoidi citrusaOksidativno oštećenje ćelijskih sastojaka je također u skladu s drugim obilježjima starenja, uključujući gubitak regenerativnih ćelijskih populacija uglavnom zbog stanične smrti i starenja, kao i izmijenjene ćelijske komunikacije i genomske nestabilnosti [55].

Uzeto zajedno, općenito je prihvaćeno da nakupljanje oksidativnog oštećenja staničnih makromolekula predstavlja glavni uzrok starenja i kroničnih bolesti povezanih sa starenjem. Stoga je moguće pretpostaviti da promjene koje mogu modulirati brzinu formiranja visoko reaktivnih oksidanata mogu igrati odlučujuću ulogu u moduliranju promicanja procesa starenja.

Ovaj članak je preuzet iz Antioxidants 2021, 10, 491. https://doi.org/10.3390/antiox10030491 https://www.mdpi.com/journal/antioxidants