Вплив дієтичних біоактивних сполук, що хелатують залізо, у молекулярних механізмах старіння клітин, викликаного окислювальним стресом

Будь ласка зв'яжітьсяoscar.xiao@wecistanche.comдля отримання додаткової інформації

Анотація:Одним із поширених уявлень щодо старіння клітин і організмів є поступове внутрішньоклітинне накопичення окислювально пошкоджених макромолекул, що призводить до зниження функції клітин і органів (вільнорадикальна теорія старіння). Цей хімічно невизначений матеріал, відомий як «ліпофусцин», «цероїд» або «віковий пігмент», в основному утворюється через нерегульовані та неспецифічні окислювальні модифікації клітинних макромолекул, які індукуються високореактивними вільними радикалами. Необхідна передумова для реактивного генерування вільних радикалів і утворення ліпофусцину. це внутрішньоклітинна доступність двовалентного заліза (Fe2 плюс) («лабільне залізо»), що каталізує перетворення слабких окислювачів, таких як пероксиди, у надзвичайно реакційноздатні, такі як гідроксильні (HO*) або алкоксильні (RO) радикали. Якщо окислені матеріали залишаються невідновлювані протягом тривалого періоду часу, вони можуть бути додатково окислені з утворенням кінцевих продуктів надмірного окислення, які не можуть бути відновлені, деградовані або екзоцитовані відповідними клітинними системами.Крім того, надмірно окислені матеріали можуть дезактивувати механізми захисту та відновлення клітин, таким чином допускаючи марні цикли все більш швидкого накопичення ліпофусцину.У цьому оглядовому документі ми представляємо докази того, що Модуляція розподілу лабільного пулу заліза за допомогою харчових або фармакологічних засобів є досі недооціненою мішенню для перешкоджання накопиченню ліпофусцину та старінню клітин.

Ключові слова:механізми старіння; біоактивні дієтичні сполуки; клітинне старіння; вільні радикали; хелатоутворювачі заліза; лабільна заліза; середземноморська дієта; окислювальний стрес

1. Введення

Природне старіння являє собою процес, у якому задіяні численні дегенеративні молекулярні механізми, що призводять до прогресуючого загального зниження функцій органів. Старіння супроводжується фенотипічними змінами, які пов’язані як з генетичними, так і з епігенетичними факторами, зрештою спричиняючи структурну дезорганізацію, функціональний спад і підвищену ймовірність захворювань і смерті. Цілком правдоподібно уявити, що з’ясування складних біохімічних механізмів, що лежать в основі, які визначають швидкість біологічного старіння, повинно мати виняткове клінічне значення [1].

Натисніть тут, щоб дізнатися більше

Найбільш привабливою теорією для пояснення процесу старіння є так звана «вільнорадикальна теорія старіння», запропонована в 1956 році Денхемом Харманом [2]. Ця теорія припускає, що деякі реакційноздатні вільні радикали, що утворюються в аеробних клітинах, можуть уникнути нагляду захисних захисних механізмів, що призводить до неспецифічного окислення всіх основних компонентів клітини (білків, ліпідів, нуклеотидів, вуглеводів тощо). .

Клітини розробили складні системи, які можуть як швидко видаляти окислювачі, отримані з кисню, так і виявляти та відновлювати їх компоненти, пошкоджені окисленням. Однак у випадках підвищеного та тривалого окислювального стресу здатність клітин відновлювати свої пошкоджені частини може досягти насичення, сприяючи подальшому окисленню вже окислених компонентів і накопиченню надмірно окисленого невідновлюваного матеріалу всередині клітини. Це явище спричиняє зміни в загальній структурі клітини та ставить під сумнів нормальну функцію клітини, що проявляється під час старіння та старіння [3].

Точні молекулярні механізми, що лежать в основі генерації високоактивних вільних радикалів, які здатні пошкоджувати клітинні компоненти та сприяти накопиченню невідновлюваного матеріалу, залишаються погано вивченими. З’ясування цих механізмів, безумовно, повинно надати корисні ідеї та молекулярні інструменти для втручання в процес старіння та, ймовірно, запобігання розвитку захворювань, пов’язаних зі старінням [4].

Необхідною передумовою для виробництва високореактивних вільних радикалів у клітинах є наявність іонів двовалентного заліза (Fe2 плюс), які можуть каталізувати перетворення слабких окислювачів, таких як пероксиди, у надзвичайно реакційноздатні, такі як гідроксил (HO) або алкоксил (RO). радикалів.екстракт цистанки трубчастоїЦя частина клітинного заліза становить невеликий відсоток від загальної кількості клітинного заліза і зазвичай називається «лабільним залізом»5,6]. Таким чином, виснаження або перерозподіл внутрішньоклітинного лабільного заліза екзогенними сполуками може зменшити утворення шкідливих реактивних радикалів у разі підвищеного окисного стресу та запобігти окисленню та надмірному окисленню клітинних компонентів. Цікаво, що було показано, що в середземноморському типі дієти присутня велика кількість біоактивних сполук, що утворюють хелати заліза |7-10. Крім того, було доведено, що коли ці агенти можуть досягти внутрішньої частини клітини, вони захищають клітини від пошкодження в умовах окисного стресу [11,12].

У цій оглядовій статті ми зосереджуємося на описі хімічних взаємодій, які сприяють окисленню та надмірному окисленню клітинних компонентів. Особливу увагу приділено ключовій ролі лабільного заліза (редокс-активного заліза) у цих процесах, а також потенційній участі дієтичних природних залізохелатуючих біоактивних сполук у контролі рівня та/або просторового розподілу внутрішньоклітинного лабільного заліза.

2. Активні форми кисню та поняття окисного стресу

2.1 Парадокс кисню/генерації

Кисень є незамінним для життя, і, за винятком деяких анаеробів, усі тварини, рослини та бактерії потребують кисню для росту. Основна функція кисню в аеробах полягає в тому, щоб служити кінцевим акцептором електронів на кінцевій стадії мітохондріального ланцюга транспорту електронів, який представляє ключовий процес окислювального катаболізму, що виробляє енергію. Однак хімічні властивості кисню схиляють його до утворення високоактивних кисневих проміжних продуктів, які можуть окислювати необхідні клітинні компоненти, ставлячи під загрозу клітинний і, відповідно, організмовий гомеостаз. Звідси виникає цікавий парадокс: кисень незамінний для аеробів, у той же час побічні продукти його метаболізму неминучі та потенційно токсичні. Очевидно, що виробництво та видалення цих видів постійно відбувається в клітинах, утримуючи їх на базальному нетоксичному рівні [5]. Однак за певних обставин цей точно відрегульований баланс може бути порушений. Якщо швидкість їх утворення перевищує швидкість їх видалення, концентрації в стаціонарному стані повинні бути підвищені, таким чином збільшуючи ймовірність утворення потенційно шкідливих реактивних вільних радикалів, стан, відомий як «оксидативний стрес» [13,14].

У цій частині ми надаємо короткий опис поняття «оксидативний стрес», засноване на біохімічних механізмах внутрішньоклітинного утворення та видалення реакційноздатних речовин, перетворених на пероксид водню (Н, О) супероксиддисмутазами (СОД) (рис. 1А). . Утворений H2O2 може бути додатково відновлений ферментативним шляхом двома електронами до H2O або неферментативним шляхом одним електроном, що призводить до утворення надзвичайно реактивних гідроксильних радикалів (HO*). Остання реакція вимагає наявності двовалентного заліза (Fe-плюс) і відома як «реакція Фентона» [15].

Крім H і O, гідропероксиди ліпідів (LOOH) також зазвичай утворюються під дією ферменту «ліпоксигенази» (LOX) (Малюнок 1B). Специфічна пов’язана з мембраною «глутатіонпероксидаза 4» (Gpx4) відповідає за видалення надлишку LOOH [16]. Подібно H2O2, LOOH можуть взаємодіяти з Fe7, приводячи таким чином до генерації високореактивних ліпідних алкоксильних радикалів (LO*s). Ці види можуть додатково стимулювати ланцюгові реакції, які інтенсифікують процес перекисного окислення ліпідів і виробництво альдегідів як кінцевих стабільних продуктів. Цікаво, що нещодавно було показано, що неправильна функція Gpx4 у поєднанні з підвищеними рівнями доступного Fe2 плюс незмінно призводить до окремого типу регульованої клітинної смерті під назвою «ферроптоз» [17].

Усі вищезазначені проміжні продукти відновлення О, спільно називаються активними формами кисню (АФК). Слід підкреслити, однак, що сам термін АФК містить невід'ємну суперечність, оскільки він включає як слабкі окислювачі, такі як O,- і H, O, так і надзвичайно реакційноздатні, такі як ступінь HO і RO·[5].Cistanche tubulosa відгуки,Крім того, підвищення АФК в умовах окисного стресу не є одночасним для всіх цих видів, але генерація реактивного ступеня HO та RO· залежить від присутності або відсутності двовалентного заліза. З наведених вище міркувань очевидно, що наявність доступного лабільного заліза відіграє ключову роль у генерації високореактивних вільних радикалів в умовах підвищених темпів утворення гідропероксиду (оксидативний стрес). Таким чином, контроль концентрації доступного Fe2 plus виник як раціональна стратегія для ефективного захисту клітин в умовах окисного стресу [18]. Така стратегія в першу чергу має бути спрямована на запобігання утворенню HO та RO, а не на їх видалення після їх утворення, що здається неможливим через їхні константи високої швидкості реакції.

2.3. Механізми утворення та видалення АФК

Частковому зниженню О2 може сприяти активація кількох механізмів у клітинах ссавців [14]. Найважливішим фактором з кількісної точки зору є фермент NADPH оксидаза 2 (Nox2), який знаходиться на плазматичній мембрані професійних фагоцитів. При активації Nox2 може виробляти надмірну кількість O,"- та багатьох інших реактивних видів [19], спрямованих на знищення чужорідних мікроорганізмів, що проникають у місця запалення та інфекції. За цих умов професійні фагоцити залучаються та активуються, що призводить до драматичного збільшення споживання O2 (приблизно в 100 разів), факт, який зазвичай називають «дихальним» або «окислювальним» вибухом. Утворений O2* може викликати ініціацію кількох складних біохімічних шляхів, які призводять до подальшого утворення сильних окислювачів, здатних гасить потенційних мікробних загарбників [20, 21].Крім Nox2, кілька інших членів родини НАДФН-оксидаз (Nox1, Nox3-5 і DUOX1-2) можуть генерувати обмежену кількість O{{17} } при активації, головним чином для цілей сигналізації [22].

Cistanche може омолоджувати старіння

Мітохондрії також є основним внутрішньоклітинним джерелом реактивних проміжних продуктів кисню. Електронопереносні комплекси, особливо комплекс I і комплекс дихального ланцюга, можуть пропускати електрони до O, який частково відновлюється до O,"- [23, 24]. Різноманітність інших оксидаз, помітно присутніх у різних клітинних компартментах, також здатні Крім того, реактивні побічні продукти, отримані з кисню, можуть утворюватися в результаті взаємодії з екзогенними джерелами, такими як забруднення навколишнього середовища, ліки, іонізуюча радіація, сонячне випромінювання та поживні речовини (рис. 1A).

Під час еволюції аеробні клітини розробили складні антиоксидантні захисні механізми для швидкого усунення слабких окислювачів, що постійно утворюються з кисню, таких як O,- і HO. Поглинальні ферменти, які метаболізують ці проміжні продукти, вважаються першою лінією захисту в захисті клітин, які піддаються впливу. до умов окисного стресу[25]. Таким чином, O,-швидко перетворюється на H, O, через SODs, тоді як H, O, може бути видалено такими ферментами, як каталази (Cats), Gpx і пероксиредоксини (Prx) (Малюнок 1A). І O,-, і HO, які являють собою одно- та двоелектронні продукти відновлення кисню, відповідно, є помірно реакційноздатними і можуть безпосередньо взаємодіяти лише з обмеженою кількістю клітинних молекул, головним чином залізо-сірки (4F-4 S) білки, що містять кластери, що призводять до вивільнення лабільного заліза та модуляції активності відповідних білків [26]. Навпаки, HO і RO, які утворюються після взаємодії H2O2 або ROOH з Fe2 плюс, демонструють надзвичайно високу реакційну здатність. Фактично, HO · вважається однією з найбільш реакційноздатних молекул, що виробляються в живих клітинах, оскільки вона здатна миттєво та без розбору окислювати будь-яку хімічну групу, яка знаходиться поблизу місця її генерації (реакційна здатність, контрольована дифузією) [5]. Необхідним параметром для генерації HO*s і RO*s є одночасна присутність підвищених рівнів H, O або ROOH з Fe2 плюс протягом адекватного періоду часу [27].

2.4. Редокс сигналізація

Цікаво, що природа вже скористалася розглянутими вище елементарними фактами, виробивши в процесі еволюції адаптивні механізми для захисту клітин в умовах підвищеного утворення перекисів. Використовуючи ретельні системи спостереження для виявлення наявних рівнів цитозольного заліза за допомогою спеціальних датчиків IRP1 і IRP2 (білки 1 і 2, що регулюють залізо, відповідно), а також у взаємодії з сигналами запалення та інфекції клітини можуть точно регулювати існуючий баланс між пероксидним тонусом і лабільністю наявність заліза [5,28]. Коли рівень пероксиду підвищується, наприклад, у разі запалення або інфекції, швидка та потужна індукція феритину усуває доступне залізо [10,11] і запобігає утворенню шкідливих HOs або RO*s.cistanche ВеликобританіяОднак у випадках інтенсивного та тривалого окислювального стресу загальна захисна здатність клітин може бути перевантажена, що призводить до передачі ряду різних сигналів, включаючи сигнали про запрограмовану клітинну смерть, або через апоптоз, або некроз [10,29] .

Очевидно, що наслідки, викликані впливом пероксидів на клітини, значною мірою залежать від типу клітин, а також від рівня, природи, тривалості та місця утворення окислювачів. Відповіді клітин можуть варіюватися від адаптації до старіння та апоптотичної чи некротичної смерті [30-34]. Цікаво, що в кількох випадках опосередкованої окислювальним стресом передачі сигналу (окисно-відновна передача сигналів) було показано, що лабільне залізо бере участь у відповідних механізмах. Наприклад, нещодавно ми показали, що лабільне залізо необхідне для активації осі ASK1-JNK/p38 [10,29], що призвело до апоптотичної загибелі клітин Jurkat, підданих H, O. Це також Важливо відзначити, що HO2 вільно дифундує через біологічні мембрани і може досягати навколишніх здорових клітин і тканин, створюючи для них окислювальний стрес. З іншого боку, ця ж властивість дозволяє H, O діяти як сигнальна молекула аутокринним і паракринним способом.

2.5. Лабільне залізо та його ключова роль у токсичності, спричиненій окисним стресом

Залізо є важливим елементом для живих клітин і організмів, оскільки воно бере участь у різноманітних біохімічних функціях, включаючи транспорт кисню, клітинне дихання, синтез і відновлення ДНК, а також кілька інших ферментативних реакцій [28,35]. Однак, незважаючи на своє привілейоване положення в живій матерії, залізо бере участь у шкідливих реакціях утворення вільних радикалів, відомих як реакції типу Фентона, у яких H2O2 перетворюється на високореакційну ступінь HO через ферил/переважні проміжні сполуки (реакція 1).

Реакція 1: Fe2 плюс плюс H2O2→ ферил/перферил проміжні продукти → Fe3 плюс плюс HO ступінь плюс OH-Очевидно, що, хоча адекватне споживання заліза має важливе значення для здоров’я, надлишок заліза водночас є потенційно небезпечним для клітин і тканин[36]. Таким чином, сувора регуляція гомеостазу заліза (придбання, використання та детоксикація) має вирішальне значення, щоб уникнути як дефіциту заліза, так і його перевантаження. Цю потребу задовольняють складні механізми, які ссавці розробили для виконання життєво важливих функцій і задоволення своїх метаболічних потреб у залізі, а також мінімізують його токсичність [37]. Дійсно, більша частина заліза в організмі зберігається в окисно-відновному інертному стані. У кровообігу залізо міцно зв’язане в переноснику заліза трансферині, тоді як більша частина внутрішньоклітинного заліза або добре захищена в активних центрах ферментів, або безпечно зберігається у феритині. Однак невелика частина неекранованого заліза, яку зазвичай називають «лабільним» або «хелатним» залізом, є окислювально-відновною активністю, що означає, що вона може каталізувати генерацію ступеня HO через реакції типу Фентона [6,38].

Сформулювати точне визначення лабільної заліза досить складно. Зазвичай його називають тією фракцією заліза, яка здатна каталізувати генерацію HO· і RO після взаємодії з пероксидами, і, крім того, може бути секвестрована сполуками зі слабкою хелатною здатністю [6]. Очевидно, що лабільне залізо, яке присутнє в біологічному матеріалі, може бути пов’язане з низькоафінними ділянками зв’язування в макромолекулах (таких як полінуклеотиди, такі як ДНК і РНК, білки та ліпіди) та/або з низькомолекулярними сполуками, що містять кисень, азот і сірки в їх структуру [39-41].

Таким чином, лабільне залізо, приєднане до мембранних фосфоліпідів, каталізує ініціацію та поширення ланцюгових реакцій перекисного окислення ліпідів, які можуть опосередковувати некротичний та фероптозний типи клітинної смерті [5]. З іншого боку, залізо, пов’язане з ДНК, може індукувати мутації або одноланцюгові та дволанцюгові розриви [42], тоді як залізо, нещільно прикріплене до білків, може сприяти H2O2-залежній окисно-відновній передачі сигналів [10,29,43].

Лабільне залізо нерівномірно розподіляється в різних компартментах клітини, при цьому мітохондрії та лізосоми містять більшу кількість, ніж цитозоль і ядро ​​[44,45]. Отже, ці дві органели є особливо чутливими у випадках підвищеної дифузії пероксидів у їхсередині. Здається ймовірним, що специфічні механізми, що потребують енергії, відповідають за контроль правильних градієнтів заліза між різними компартментами клітини.

Тут слід підкреслити, що інші перехідні метали, такі як мідь і нікель, також можуть каталізувати утворення реактивних вільних радикалів із відповідних пероксидів навіть ефективніше, ніж залізо. Однак ці метали знаходяться в дуже низьких рівнях і надійно хелатовані в клітинах, тому не становлять ризику чи небезпеки [42,46,47], за винятком кількох особливих випадків патологічних станів.

3. Окислювальний стрес і старіння: роль лабільного заліза

Підвищення тривалості життя людини в сучасних суспільствах спричинило за собою проблеми старіння, пов’язані з подальшим збільшенням загального тягаря захворюваності. У зв’язку зі зростаючим впливом старіння на населення протягом останніх кількох десятиліть проводяться інтенсивні дослідження, спрямовані на з’ясування основних біохімічних механізмів цього процесу [4]. Розумно очікувати, що реальний прогрес у цьому напрямку відкриває нові можливості для розробки нових стратегій профілактики або навіть лікування вікових захворювань.

3.1. Вільнорадикальна теорія старіння

Найпопулярнішим поясненням молекулярної основи старіння є так звана «вільнорадикальна теорія старіння». Цю теорію вперше запропонував у 1950-х роках американський геронтолог Денхем Харман [2], який заявив, що «старіння та дегенеративні захворювання пов’язані з нею, в основному пояснюють шкідливими побічними атаками вільних радикалів на клітинні компоненти та сполучні тканини». Згідно з цією теорією, реактивні вільні радикали виникають in vivo як побічні продукти ферментативних реакцій, що каталізуються слідами перехідних металів, таких як залізо.cistanche wirkungУ той час генерація вільних радикалів in vivo була зустрінута скептично, оскільки ці види вважалися однаково шкідливими та несумісними з життям. Однак відкриття фактичної реакції, що каталізується ферментом SOD МакКордом і Фрідовичем у 1969 році [48], виявило існування внутрішньоклітинного ферменту, який використовує O2*-, вільний радикал, що походить від кисню, як його субстрат, надаючи переконливі докази для утворення вільних радикалів в аеробних клітинах вперше. Це відкриття відкрило нову еру вільнорадикальної теорії старіння. Кілька років потому фокус на первинному місці утворення ендогенного окислювача було зміщено на мітохондрії 49], і теорія Хармана розширилася до «теорії старіння мітохондріальних вільних радикалів» [50].

На підтримку цієї теорії докази, накопичені протягом наступних десятиліть, показали, що високореакційноздатні окислювачі, утворені окисно-відновними реакціями, мають здатність неспецифічно окислювати всі клітинні макромолекули, викликаючи структурні модифікації, які призводять до експозиції гідрофобних поверхонь і подальшого утворення агрегатів [ 34]. Крім того, радикально-радикальні взаємодії, а також утворення базового зв’язку Шиффа та додавання Міхаеля сприяють кумулятивному фіксованому макромолекулярному пошкодженню з часом |51,52|.

Дійсно, аналізи різних зразків людського кришталика та людського мозку, отриманих під час розтину/біопсії, людських дермальних фібробластів у культурах тканин, а також печінки щурів і цілих мух показали, що карбонільовані білки, маркери важкого та хронічного окисного стресу, були різко підвищені в організмі. остання третина життя [53,54].біофлавоноїди цитрусовихОкислювальне пошкодження клітинних компонентів також узгоджується з іншими характерними ознаками старіння, включаючи втрату регенеративних клітинних популяцій в основному через загибель і старіння клітин, а також змінені клітинні комунікації та геномну нестабільність [55].

У сукупності загальновизнано, що накопичення окисного пошкодження клітинних макромолекул є основною причиною старіння та вікових хронічних захворювань. Таким чином, можна припустити, що зміни, які здатні модулювати швидкість утворення високоактивних окислювачів, можуть відігравати вирішальну роль у модулюванні сприяння процесу старіння.

Ця стаття взята з Antioxidants 2021, 10, 491. https://doi.org/10.3390/antiox10030491 https://www.mdpi.com/journal/antioxidants