Влияние пищевых биоактивных соединений, хелатирующих железо, на молекулярные механизмы старения клеток, вызванного окислительным стрессом

Пожалуйста свяжитесьoscar.xiao@wecistanche.comЧтобы получить больше информации

Абстрактный:Одним из преобладающих представлений о старении клеток и организмов является постепенное внутриклеточное накопление окислительно поврежденных макромолекул, приводящее к ухудшению функций клеток и органов (свободнорадикальная теория старения). Этот химически неопределенный материал, известный как «липофусцин», «цероид» или «возрастной пигмент», в основном образуется в результате нерегулируемых и неспецифических окислительных модификаций клеточных макромолекул, которые индуцируются высокореактивными свободными радикалами. Необходимая предпосылка для образования реактивных свободных радикалов и образования липофусцина. является внутриклеточная доступность двухвалентного железа (Fe2 plus ) («лабильное железо»), катализирующего превращение слабых окислителей, таких как пероксиды, в чрезвычайно реакционноспособные, такие как гидроксильные (HO *) или алкоксильные (RO) радикалы. Если окисленные материалы остаются невосстановленные в течение длительного периода времени, они могут подвергаться дальнейшему окислению с образованием конечных продуктов чрезмерного окисления, которые не могут быть восстановлены, расщеплены или экзоцитированы соответствующими клеточными системами.Кроме того, чрезмерно окисленные материалы могут инактивировать клеточную защиту и механизмы восстановления, таким образом допуская бесполезные циклы все более быстрого накопления липофусцина.В этом обзорном документе мы представляем доказательства того, что модулирование распределения пула лабильного железа пищевыми или фармакологическими средствами представляет собой до сих пор недооцененную мишень для сдерживания накопления липофусцина и клеточного старения.

Ключевые слова:механизмы старения; биологически активные пищевые соединения; клеточное старение; свободные радикалы; железохелатирующие агенты; лабильное железо; Средиземноморская диета; окислительный стресс

1. Введение

Естественное старение представляет собой процесс, в котором участвуют многочисленные дегенеративные молекулярные механизмы, ведущие к прогрессирующему общему снижению функций органов. Старение сопровождается фенотипическими изменениями, связанными как с генетическими, так и с эпигенетическими факторами, что в конечном итоге приводит к структурной дезорганизации, функциональному упадку и повышению вероятности заболеваний и смерти. Можно предположить, что выяснение лежащих в основе сложных биохимических механизмов, определяющих скорость биологического старения, должно иметь первостепенное клиническое значение [1].

Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы узнать больше

Наиболее привлекательной теорией для объяснения процесса старения является так называемая «свободнорадикальная теория старения», предложенная в 1956 г. Денхамом Харманом [2]. Эта теория предполагала, что некоторые из реактивных свободных радикалов, образующихся в аэробных клетках, могут ускользать от надзора защитными механизмами, что приводит к неспецифическому окислению всех основных компонентов клетки (белков, липидов, нуклеотидов, углеводов и т. .

Клетки разработали сложные системы, которые могут как быстро удалять кислородсодержащие окислители, так и обнаруживать и восстанавливать их окислительно поврежденные компоненты. Однако в случаях повышенного и продолжительного окислительного стресса способность клеток восстанавливать свои поврежденные части может достигать насыщения, что приводит к дальнейшему окислению уже окисленных компонентов и накоплению переокисленного невосстанавливаемого материала внутри клетки. клетки. Это явление вызывает модификации общей клеточной структуры и нарушает нормальное функционирование клеток, что проявляется при старении и старении [3].

Точные молекулярные механизмы, лежащие в основе образования высокореактивных свободных радикалов, которые способны повреждать клеточные компоненты и способствовать накоплению невосстанавливаемого материала, остаются плохо изученными. Выяснение этих механизмов, безусловно, должно дать полезные идеи и молекулярные инструменты для вмешательства в процесс старения и, возможно, предотвращения развития связанных со старением заболеваний [4].

Необходимым предварительным условием для производства высокореакционноспособных свободных радикалов внутри клеток является наличие ионов двухвалентного железа (Fe2 плюс ), которые могут катализировать превращение слабых окислителей, таких как пероксиды, в чрезвычайно реакционноспособные, такие как гидроксил (HO) или алкоксил (RO). радикалы.экстракт цистанхе трубчатойЭта часть клеточного железа составляет небольшой процент от общего клеточного железа и обычно называется «лабильным железом»5,6]. Таким образом, истощение или перераспределение внутриклеточного лабильного железа экзогенными соединениями может уменьшить образование повреждающих реактивных радикалов в случае повышенного окислительного стресса и предотвратить окисление и переокисление клеточных компонентов. Интересно, что в средиземноморской диете |7-10 присутствует множество биоактивных соединений, хелатирующих железо. Более того, было доказано, что когда эти агенты могут проникнуть внутрь клетки, они защищают клетки от повреждения в условиях окислительного стресса [11,12].

В настоящей обзорной статье мы сосредоточим наш интерес на описании химических взаимодействий, которые способствуют окислению и переокислению клеточных компонентов. Особое внимание уделено ключевой роли лабильного железа (редокс-активного железа) в этих процессах, а также потенциальному участию пищевых природных железохелатирующих биоактивных соединений в контроле уровня и/или пространственного распределения внутриклеточного лабильного железа.

2. Активные формы кислорода и концепция окислительного стресса.

2.1. Парадокс Oxy/gen

Кислород необходим для жизни, и, за исключением некоторых анаэробов, всем животным, растениям и бактериям для роста требуется кислород. Основная функция кислорода у аэробов заключается в том, чтобы служить конечным акцептором электронов на заключительном этапе митохондриальной цепи переноса электронов, которая представляет собой ключевой процесс окислительного катаболизма с выработкой энергии. Однако химические свойства кислорода предрасполагают к образованию высокореакционноспособных промежуточных соединений кислорода, которые могут окислять основные клеточные компоненты, ставя под угрозу клеточный и, как следствие, организменный гомеостаз. Отсюда любопытный парадокс: кислород незаменим для аэробов, и в то же время побочные продукты его метаболизма неизбежны и потенциально токсичны. Очевидно, что продукция и удаление этих видов постоянно происходят внутри клеток, поддерживая их на базовом нетоксичном уровне [5]. Однако при определенных обстоятельствах этот тонко регулируемый баланс может быть нарушен. Если скорость их образования превышает скорость их удаления, равновесные концентрации должны быть повышены, что увеличивает вероятность образования потенциально повреждающих реактивных свободных радикалов, состояние, известное как «окислительный стресс» [13,14].

В этой части мы приводим краткое описание концепции «оксидативного стресса», основанной на биохимических механизмах внутриклеточного образования и удаления реактивно превращенных в перекись водорода (H, O,) супероксиддисмутазами (СОД) (рис. 1А). . Образовавшийся H2O2 может быть дополнительно восстановлен либо ферментативно двумя электронами до H2O, либо неферментативно одним электроном, что приводит к образованию чрезвычайно реакционноспособных гидроксильных радикалов (HO*). Последняя реакция требует доступного двухвалентного железа (Fe-плюс) и известна как «реакция Фентона» [15].

Помимо H и O, гидропероксиды липидов (LOOH) также обычно образуются под действием фермента «липоксигеназы» (LOX) (рис. 1B). Специфическая мембраносвязанная «глутатионпероксидаза 4» (Gpx4) отвечает за удаление избытка LOOH [16]. Как и H2O2, LOOH могут взаимодействовать с Fe7, что приводит к образованию высокореакционноспособных липидных алкоксильных радикалов (LO*s). Эти виды могут дополнительно способствовать цепным реакциям, которые интенсифицируют процесс перекисного окисления липидов и образование альдегидов в качестве конечных стабильных продуктов. Интересно, что недавно было показано, что неправильная функция Gpx4 в сочетании с повышенными уровнями доступного Fe2 plus неизменно приводит к особому типу регулируемой гибели клеток, называемому «ферроптоз» [17].

Все вышеупомянутые промежуточные продукты восстановления О вместе называются активными формами кислорода (АФК). Следует, однако, подчеркнуть, что сам термин АФК содержит внутреннее противоречие, так как включает в себя как слабые окислители, такие как О2- и Н, О, так и чрезвычайно реакционноспособные, такие как степень НО и RO·[5].цистанхе трубчатая отзывы,Кроме того, повышение АФК в условиях окислительного стресса не является одновременным для всех этих видов, а образование реактивной степени HO и RO· зависит от наличия или отсутствия двухвалентного железа. Из приведенных соображений очевидно, что присутствие доступного лабильного железа играет ключевую роль в образовании высокореакционноспособных свободных радикалов в условиях повышенной скорости образования гидропероксидов (окислительный стресс). Таким образом, контроль концентрации доступного Fe2 plus возник как рациональная стратегия эффективной защиты клеток в условиях окислительного стресса [18]. Такая стратегия должна в первую очередь быть направлена ​​на предотвращение образования HO и RO, а не на их очистку после их образования, что кажется невозможным из-за их высоких констант скорости реакции.

2.3. Механизмы образования и удаления АФК

Частичному восстановлению О2 может способствовать активация нескольких механизмов в клетках млекопитающих [14]. Важнейшим фактором с количественной точки зрения является фермент НАДФН-оксидаза 2 (Nox2), который находится на плазматической мембране профессиональных фагоцитов. При активации Nox2 может продуцировать избыточное количество O,"- и многих других реактивных частиц [19], направленных на уничтожение вторгающихся чужеродных микроорганизмов в очаги воспаления и инфекций. В этих условиях привлекаются и активируются профессиональные фагоциты, что приводит к драматическим увеличение потребления O2 (примерно в 100 раз), факт, обычно называемый «респираторным» или «окислительным» взрывом. Произведенный O2*- может запускать несколько сложных биохимических путей, которые приводят к дальнейшему образованию сильных оксидантов, способных уничтожают потенциальных микробных захватчиков [20,21].Помимо Nox2, несколько других членов семейства NADPH-оксидаз (Nox1, Nox3-5 и DUOX1-2) могут генерировать ограниченное количество O{{17} } при активации, в основном для сигнальных целей [22].

Цистанхе может омолаживать

Митохондрии также являются основным внутриклеточным источником активных промежуточных соединений кислорода. Комплексы с переносом электронов, особенно комплекс I и комплекс в дыхательной цепи, могут передавать электроны на О, который частично восстанавливается до О» [23, 24]. Ряд других оксидаз, заметно присутствующих в различных клеточных компартментах, также способны производят промежуточные продукты реактивного кислорода.Кроме того, реакционные побочные продукты, полученные из кислорода, могут образовываться в результате взаимодействия с экзогенными источниками, такими как загрязнение окружающей среды, наркотики, ионизирующее излучение, солнечное излучение и питательные вещества (рис. 1А).

В ходе эволюции аэробные клетки выработали сложные механизмы антиоксидантной защиты, чтобы быстро устранять постоянно генерируемые слабые окислители, производные кислорода, такие как О2 и Н2О. к условиям окислительного стресса[25]. Таким образом, O быстро превращается в H, O с помощью SOD, в то время как H, O может быть удален с помощью ферментов, таких как каталазы (Cats), Gpx и пероксиредоксины (Prx) (рис. 1А). И О, и НО, представляющие собой одно- и двухэлектронные продукты восстановления кислорода, соответственно, умеренно реакционноспособны и могут напрямую взаимодействовать только с ограниченным числом клеточных молекул, в основном с железо-серой (4F-4). S) кластеросодержащие белки, приводящие к высвобождению лабильного железа и модуляции активности соответствующих белков[26]. Напротив, HO и RO, образующиеся при взаимодействии H2O2 или ROOH с Fe2 plus, обладают чрезвычайно высокой реакционной способностью. На самом деле HO· считается одной из наиболее реакционноспособных молекул, образующихся в живых клетках, поскольку она способна мгновенно и без разбора окислять любую химическую группу, оказавшуюся поблизости от места ее образования (реактивность, контролируемая диффузией) [5]. Необходимым параметром для генерации HO*s и RO*s является одновременное присутствие повышенных уровней H, O или ROOH с Fe2 плюс в течение адекватного периода времени [27].

2.4. Окислительно-восстановительная сигнализация

Интересно, что природа уже воспользовалась рассмотренными выше элементарными фактами, выработав в ходе эволюции адаптивные механизмы защиты клеток в условиях повышенного образования перекисей. Используя тщательные системы наблюдения для обнаружения доступных уровней цитозольного железа с помощью специфических сенсоров IRP1 и IRP2 (железорегулирующие белки 1 и 2 соответственно) и в сотрудничестве с сигналами воспаления и инфекции, клетки могут точно регулировать существующий баланс между пероксидным тоном и лабильным. доступность железа [5,28]. Когда уровни перекиси увеличиваются, например, в случае воспаления или инфекции, быстрая и надежная индукция ферритина устраняет доступное железо [10,11] и предотвращает образование повреждающих HO или RO*s.цистанчеОднако в случаях интенсивного и продолжительного окислительного стресса общая защитная способность клеток может быть нарушена, что приводит к передаче ряда различных сигналов, включая сигналы запрограммированной гибели клеток, путем апоптоза или некроза [10,29]. .

По-видимому, последствия, возникающие при воздействии пероксидов на клетки, во многом зависят от типа клеток, а также от уровня, характера, продолжительности и локализации генерируемых оксидантов. Реакции клеток могут варьироваться от адаптации до старения и апоптотической или некротической гибели [30-34]. Интересно, что в нескольких случаях опосредованной окислительным стрессом передачи сигнала (передача окислительно-восстановительных сигналов) было показано, что лабильное железо участвует в соответствующих механизмах. Например, мы недавно показали, что лабильное железо необходимо для активации оси ASK1-JNK/p38 [10,29], что приводит к апоптотической гибели клеток Jurkat, подвергшихся воздействию H, O. Это также важно отметить, что HO2 свободно диффундирует через биологические мембраны и может достигать окружающих здоровых клеток и тканей, вызывая на них окислительный стресс. С другой стороны, то же свойство позволяет H, O действовать как сигнальная молекула аутокринным и паракринным образом.

2.5. Лабильное железо и его ключевая роль в индуцированной окислительным стрессом токсичности

Железо является важным элементом для живых клеток и организмов, поскольку оно участвует в различных биохимических функциях, включая транспорт кислорода, клеточное дыхание, синтез и восстановление ДНК и ряд других ферментативных реакций [28,35]. Однако, несмотря на свое привилегированное положение в живой материи, железо участвует в повреждающих реакциях образования свободных радикалов, известных как реакции типа Фентона, в которых H2O2 превращается в высокореакционноспособную степень HO через феррил/предпочтительные промежуточные соединения (Реакция 1).

Реакция 1: Fe2 плюс плюс H2O2 → промежуточные соединения феррил/перферрил → Fe3 плюс плюс степень HO плюс OH. Очевидно, что, хотя адекватное потребление железа необходимо для здоровья, избыток железа одновременно потенциально опасен для клеток и тканей [36]. Таким образом, жесткое регулирование гомеостаза железа (приобретение, использование и детоксикация) имеет решающее значение для предотвращения как дефицита железа, так и перегрузки. Эта потребность удовлетворяется сложными механизмами, разработанными млекопитающими для выполнения жизненно важных функций и удовлетворения их метаболических потребностей в железе, а также для минимизации его токсичности [37]. Действительно, большая часть железа в организме находится в редокс-инертном состоянии. В кровотоке железо прочно связано с переносчиком железа трансферрином, в то время как большая часть внутриклеточного железа либо хорошо защищена активными центрами ферментов, либо надежно хранится в ферритине. Однако небольшая часть неэкранированного железа, обычно называемая «лабильным» или «хелатным» железом, является окислительно-восстановительной, что означает, что она может катализировать образование степени HO посредством реакций типа Фентона [6,38].

Дать точное определение лабильного железа довольно сложно. Обычно под ним понимают ту фракцию железа, которая способна катализировать образование HO· и RO после взаимодействия с пероксидами, а кроме того, может секвестрироваться соединениями со слабой хелатирующей способностью [6]. По-видимому, лабильное железо, присутствующее в биологическом материале, может быть связано с низкоаффинными участками связывания в макромолекулах (таких как полинуклеотиды, такие как ДНК и РНК, белки и липиды) и/или с низкомолекулярными соединениями, содержащими кислород, азот и серы в их структуру [39-41].

Таким образом, лабильное железо, присоединенное к мембранным фосфолипидам, катализирует инициацию и распространение цепных реакций перекисного окисления липидов, которые могут опосредовать некротический и ферроптозный типы гибели клеток [5]. С другой стороны, железо, связанное с ДНК, может вызывать мутации или одноцепочечные и двухцепочечные разрывы [42], в то время как железо, слабо связанное с белками, может способствовать H2O2-зависимой редокс-сигнализации [10,29,43].

Лабильное железо неравномерно распределено в различных клеточных компартментах, при этом митохондрии и лизосомы содержат больше, чем цитозоль и ядро ​​[44,45]. Следовательно, эти две органеллы очень чувствительны в случаях повышенной диффузии перекисей внутрь их. Вполне вероятно, что за контроль правильного градиента железа между различными клеточными компартментами отвечают специфические механизмы, требующие энергии.

Здесь следует подчеркнуть, что другие переходные металлы, такие как медь и никель, также могут катализировать образование реактивных свободных радикалов из соответствующих пероксидов даже более эффективно, чем железо. Однако эти металлы обнаруживаются в очень низких количествах и надежно хелатируются в клетках, поэтому не представляют риска или опасности [42,46,47], за исключением нескольких особых случаев патологических состояний.

3. Окислительный стресс и старение: роль лабильного железа

Увеличение продолжительности жизни человека в современных обществах повлекло за собой проблемы старения, связанные с последующим увеличением общего бремени заболеваемости. В связи с растущим влиянием старения на население в последние несколько десятилетий были предприняты интенсивные исследования, направленные на выяснение основных биохимических механизмов этого процесса [4]. Разумно ожидать, что фактический прогресс в этом направлении должен открыть новые возможности для разработки новых стратегий профилактики или даже лечения возрастных заболеваний.

3.1. Свободнорадикальная теория старения

Наиболее популярным объяснением молекулярной основы старения является так называемая «свободнорадикальная теория старения». связанные с ним, объясняются в основном вредными побочными атаками свободных радикалов на составляющие клетки и на соединительные ткани». Согласно этой теории, реактивные свободные радикалы возникают in vivo как побочные продукты ферментативных реакций, катализируемых следовыми количествами переходных металлов, таких как железо.cistanche wirkungВ то время образование свободных радикалов in vivo было встречено скептически, поскольку эти виды считались в равной степени вредными и несовместимыми с жизнью. Однако открытие настоящей реакции, катализируемой ферментом СОД, МакКордом и Фридовичем в 1969 г. [48] выявило существование внутриклеточного фермента, использующего в качестве субстрата О2*-, свободный радикал, полученный из кислорода, что предоставило убедительные доказательства существования образование свободных радикалов в аэробных клетках впервые. Это открытие открыло новую эру свободнорадикальной теории старения. Несколько лет спустя основное внимание к первичному месту образования эндогенных оксидантов было перенесено на митохондрии 49], и теория Хармана расширилась до «митохондриальной свободнорадикальной теории старения» [50].

В поддержку этой теории данные, накопленные в течение следующих десятилетий, показали, что высокореактивные оксиданты, образующиеся в результате окислительно-восстановительных реакций, обладают способностью неспецифически окислять все клеточные макромолекулы, вызывая структурные модификации, которые приводят к обнажению гидрофобных поверхностей и последующему образованию агрегатов. 34]. Кроме того, радикально-радикальные взаимодействия, а также образование связи оснований Шиффа и присоединения Михаэля способствуют кумулятивному фиксированному повреждению макромолекул с течением времени |51,52|.

Действительно, анализ различных образцов человеческого хрусталика и человеческого мозга, полученных при вскрытии/биопсии, фибробластов кожи человека в культурах тканей, печени крысы и цельных мух, показал, что карбонилированные белки, маркеры тяжелого и хронического окислительного стресса, были резко повышены в организме человека. последнюю треть жизни [53,54].цитрусовые биофлавоноидыОкислительное повреждение клеточных компонентов также согласуется с другими признаками старения, включая потерю регенеративных клеточных популяций, главным образом, из-за гибели и старения клеток, а также с измененными клеточными коммуникациями и нестабильностью генома [55].

В целом принято считать, что накопление окислительного повреждения клеточных макромолекул представляет собой основную причину старения и связанных с возрастом хронических заболеваний. Таким образом, можно предположить, что изменения, способные модулировать скорость образования высокореакционноспособных оксидантов, могут играть решающую роль в модулировании ускорения процесса старения.

Эта статья взята из Antioxidants 2021, 10, 491. https://doi.org/10.3390/antiox10030491 https://www.mdpi.com/journal/antioxidants.