patogeneze chronické hyperglykémie: od redukčního stresu k oxidačnímu stresu

Abstrakt

chronická nadměrná výživa vytváří chronickou hyperglykémii, která může postupně indukovat inzulínovou rezistenci a poškození sekrece inzulínu. Tyto poruchy, pokud nebudou zasaženy, budou nakonec následovány výskytem upřímného diabetu. Mechanismy tohoto chronického patogenního procesu jsou složité, ale bylo navrženo, aby zahrnovaly produkci reaktivních druhů kyslíku (ROS) a oxidačního stresu. V tomto přehledu, zdůrazňuji důkaz, že redukční stres vyvolaný nadměrným chladičem NADH prostřednictvím mitochondriálního transportního řetězce elektronů je zdrojem oxidačního stresu, který je založen na zařízeních, která více recyklace nadh mitochondriálním komplexem i vede k většímu úniku elektronů a tím k větší produkci ROS. Zvýšené hladiny NADH i ROS mohou inhibovat a inaktivovat glyceraldehyd 3-fosfátdehydrogenázu (GAPDH), což vede k zablokování glykolytické dráhy a akumulaci glycerol 3-phospate a jeho předchozích metabolitů podél cesty. Tato akumulace pak iniciuje všechny ty alternativní metabolické dráhy glukózy, jako je polyolová dráha a pokročilé glykační dráhy, které jsou jinak za euglykemických podmínek malé a nevýznamné. Důležité je, že všechny tyto alternativní cesty vedou k produkci ROS, čímž se zhoršuje buněčný oxidační stres. Proto redukční stres následovaný oxidačním stresem zahrnuje hlavní mechanismus metabolického syndromu indukovaného hyperglykémií.

1. Úvod

diabetes typu 2 je obecně nadživotní onemocnění . Je způsobena inzulínovou rezistencí a poškozením sekrece inzulínu indukovaným postupně a hlavně vysokou hladinou glukózy v krvi ve spojení s dalšími faktory, jako je obezita, stárnutí, genetická predispozice a fyzická nečinnost . Trvalá nadměrná výživa vytváří stabilní hladinu vysoké hladiny glukózy v krvi, která je toxická pro makrovaskulární a mikrovaskulární systémy, což je účinek známý jako glukotoxicita . Zatímco se předpokládá, že oxidační stres přispívá k patogenezi glukotoxicity během vývoje diabetu a diabetických komplikací , redukční stres způsobený nadměrným NADH generovaným vysokou hladinou glukózy v krvi přitahoval méně pozornosti. V tomto přehledu, sledováním mechanismů výroby a recyklace NADH, zdůrazňuji důkaz, že redukční stres následovaný oxidačním stresem zahrnuje základní patogenní mechanismy chronické hyperglykémie ve vývoji diabetu a diabetických komplikací.

2. Euglykémie

normální hladina glukózy v krvi pod 100 mg / dL je pevně udržována, regulována a dosažena rychlostí absorpce glukózy všemi tkáněmi a rychlostí syntézy glukózy játry a menší velikostí ledvinami . Přibližně 75% celkové glukózy v těle je spotřebováno tkáněmi necitlivými na inzulín, včetně mozku, červených krvinek, jater a střev, zatímco zbytek je spotřebován tkáněmi citlivými na inzulín včetně svalů . Postprandiálně rychlé zvýšení obsahu glukózy v krvi stimuluje sekreci inzulínu, což vede k dočasnému zvýšení koncentrace inzulínu v krvi známé jako hyperinzulinémie. Zvýšení koncentrací glukózy i inzulínu v krvi koordinovaně inhibuje produkci glukózy v játrech a usnadňuje absorpci glukózy tkáněmi necitlivými na inzulín . Proto je přísně udržována euglykémie, která je vysoce závislá nejen na správné sekreci inzulínu z β-buněk po nutriční stimulaci, ale také na působení inzulínu v játrech a periferních tkáních .

3. NADH a redukční napětí

elektrony z aerobního rozkladu glukózy jsou hlavně uloženy v NADH pro redukci kyslíku a produkci ATP. Proto je NADH redukční sloučenina a její nadměrné množství může způsobit redukční stres . Nadprodukce NADH nebo nedostatek NAD+ může vyvolat akumulaci NADH, což vede k nerovnováze mezi NADH a NAD+ a vytvoření stavu známého jako pseudohypoxie . To je stav, za kterého kyslík nemůže být účinně spotřebován. To by způsobilo metabolický stres nebo metabolický syndrom, jak se často vyskytuje u diabetu . Je třeba poznamenat, že akumulace GSH a NADPH, pevně spojená s metabolismem NADH, může také vyvolat redukční stres . Protože mitochondriální komplex I je hlavním enzymem zodpovědným za recyklaci NADH, poškození funkce komplexu I tak může vyvolat akumulaci NADH a redukční stres, který by mohl být spojen s inhibicí uvolňování inzulínu β-buňkami .

4. Hyperglykémie, zvýšené hladiny NADH a mitochondriální elektronový Tlak

glykolytická dráha rozkládá téměř 80% -90% glukózy v těle, zatímco pentózofosfátová dráha spotřebovává zbývajících 10% -20% za fyziologických podmínek . Za hyperglykemického stavu bude více glukózy proudit glykolytickou cestou, která produkuje více pyruvátu a acetyl-CoA, což vede k větší produkci NADH. Protože NADH je elektronový nosič, jeho nadměrné množství způsobí tlak elektronů na mitochondriální elektronový transportní řetězec . To platí zejména pro hepatocyty a pankreatické β-buňky v tom, že glukokináza (hexokináza D) je enzym řízený zásobováním a tento enzym není inhibován glukóza-6-fosfátem (G6P). Proto, čím více glukózy, tím více G6P produkoval, který bude štěpen glykolýzou a krebsovým cyklem, což vede k větší produkci NADH. Obrázek 1 ukazuje hlavní konvenční cesty, které mohou generovat více NADH, když se glukokináza používá k fosforylování glukózy pro rozklad glukózy v tkáních, jako je pankreas a játra .

Obrázek 1

konvenční cesty, které generují NADH štěpením glukózy glykolýzou a krebsovým cyklem. Jsou zobrazeny enzymy podílející se na recyklaci NADH/NAD+. * DLDH je zkratka pro dihydrolipoamid dehydrogenázu a je složkou v každém daném enzymatickém komplexu, který ve skutečnosti vytváří NADH z NAD+ .

5. NADH-uložený Tlak elektronů a produkce mitochondriálního superoxidu

tlak elektronů vyvolaný nadprodukovaným NADH bude klást velkou zátěž na mitochondriální komplex I, který je hlavním místem recyklace NADH (Obrázek 2). Za této podmínky bude komplex i reagovat v rámci své schopnosti oxidovat více NADH na NAD+, ve snaze zmírnit pseudohypoxický stav. Inherentní povaha toku NADH komplexem i spočívá v tom, že více superoxidu bude také vyrobeno, když je více NADH oxidováno komplexem I, protože tento komplex je také zapojen do čerpání protonů, což vede k proporcionálnímu zvýšení úniku elektronů, které částečně sníží kyslík za vzniku superoxidu . Tento scénář by se mohl zhoršit za pseudohypoxických podmínek, protože méně NAD+ je k dispozici pro transport elektronů na kyslík, takže více kyslíku je k dispozici pro částečnou redukci uniklými elektrony z komplexu i a komplexu III, které se také podílejí na čerpání protonů . Je třeba poznamenat, že komplex II a dihydrolipoamid dehydrogenáza mohou také produkovat superoxid .

Obrázek 2

nadh oxidace komplexem I v elektronovém transportním řetězci. Elektrony z NADH jsou transportovány přes Coq a cytochrom c na molekulární kyslík. Tento proces zahrnuje čerpání protonů, které je pevně spojeno s produkcí superoxidu. Je také ukázána syntéza ATP komplexem V řízeným protonovým gradientem.

6. Superoxid a oxidační stres

superoxid je prekurzorem všech reaktivních druhů kyslíku, které při zvýšených hladinách mohou způsobit oxidační stres . Jak bylo zjištěno, superoxid může být přeměněn na peroxid vodíku superoxiddismutázou; peroxid vodíku pak může být přeměněn na hydroxylový radikál kovovými ionty . Mezitím může superoxid také reagovat s oxidem dusnatým za vzniku peroxynitritu (ONOO -−. Všechny tyto reaktivní druhy mohou způsobit oxidaci proteinů, lipidů a DNA . V důsledku toho se oxidační stresový stav plně rozvinul kvůli vysoké úrovni NADH, čímž se dosáhlo přechodu z redukčního stresu na oxidační stres . Proto redukční stres není opakem oxidačního stresu; ve skutečnosti vede k oxidačnímu stresu .

7. Inhibice glyceraldehyd 3-fosfátdehydrogenázy a alternativních metabolických drah glukózy

jak bylo uvedeno výše, nadměrná nabídka NADH může vést k nadprodukci mitochondriálního superoxidu a dalších forem ROS. Tyto ROS pak mohou narušit aktivitu glyceraldehyd 3-fosfátdehydrogenázy (GAPDH), která je velmi citlivá na oxidační modifikace v důsledku zbytku cysteinu citlivého na redox v jeho aktivním centru . Navíc vysoká hladina NADH by také inhibovala aktivitu GAPDH . Taková poškození by společně snížila účinnost metabolismu glukózy glykolýzou a krebsovým cyklem, což by vyvolalo akumulaci glyceraldehyd 3-fosfátu (G3P). Proto všechny meziprodukty uvedené výše a včetně G3P budou muset být likvidovány cestami, které odbočují z glykolytických drah (obrázek 3) .

obrázek 3

odbočné dráhy, které jsou aktivovány k likvidaci přebytečné glukózy, když je glyceraldehyd 3-fosfátdehydrogenáza (GAPDH) inaktivována ROS. Těchto pět alternativních cest, kromě transportního řetězce elektronů znázorněného na obrázku 2, je spojeno s produkcí ROS, čímž se dále zhoršuje oxidační stres. Vložka ukazuje polyolovou dráhu. Dráhy v šedé oblasti by již účinně nerozkládaly glukózu, pokud je GAPDH inaktivována posttranslačními modifikacemi.

8. Odbočovací dráhy a oxidační stres

existuje pět cest, které se mohou za chronických hyperglykemických podmínek odbočit z glykolytické dráhy (obrázek 3). Tyto cesty jsou malé a nevýznamné v metabolismu glukózy za normoglykemických podmínek, ale mohou se stát hlavními cestami toku glukózy na vysoké úrovni. Jak bude popsáno níže, všech pět cest bylo spojeno s produkcí ROS, oxidačním stresem a patogenezí diabetu a diabetických komplikací .

8.1. Polyolová dráha

když je hladina glukózy v krvi vysoká, mění se buněčné metabolické dráhy, což obvykle vede k škodlivým účinkům . Hlavní cestou, která je aktivována v reakci na hyperglykémii, je polyolová dráha, ve které je glukóza redukována aldosreduktázou za vzniku sorbitolu a vytvořený sorbitol je poté sorbitol dehydrogenázou přeměněn na fruktózu. Tato cesta, jak je znázorněno na obrázku 3 (vložka), převádí NADPH na NADH pomocí dvoufázových reakcí a vede k redoxní nerovnováze mezi NADH a NAD+. Vzhledem k tomu, že poměr NAD+/NADH klesá v důsledku zvýšení obsahu NADH, může dojít k redukčnímu stresu. Protože aldosreduktáza má velmi vysoký Km pro glukózu, může být aktivována pouze vysokou hladinou glukózy. Proto lze tento enzym považovat také za enzym řízený zásobováním . Za hyperglykemických podmínek se odhaduje, že polyolová dráha využívá více než 30% glukózy v těle . Proto tato cesta může také významně přispět k redukčnímu stresu a předpokládá se, že hraje důležitou roli v patogenezi diabetických komplikací .

kromě toho se při první reakci polyolové dráhy (vložka obrázku 3) spotřebuje NADPH, a když hladina NADPH klesne, sníží se také snížená forma glutathionu (GSH). Je to proto, že glutathion reduktáza potřebuje NADPH k regeneraci GSH z GSSG (oxidovaná forma glutathionu). Jak hladina GSH klesá, buněčná antioxidační kapacita může být ohrožena, což má za následek zvýšené hladiny reaktivních druhů kyslíku, které mohou napadnout makromolekuly a vyvolat oxidační poškození . Proto je polyolová dráha také zdrojem oxidačního stresu . Je třeba také zdůraznit, že aktivace polyolové dráhy na oplátku dále sníží spotřebu glukózy glykolytickou cestou, protože sorbitoldehydrogenáza soutěží s GAPDH pro NAD+ . Navíc, protože syntáza oxidu dusnatého také používá NADPH jako kofaktor, snížená hladina NADPH může vést ke snížení produkce oxidu dusnatého, čímž usnadňuje vazokonstrikci a agregaci krevních destiček .

8.2. Hexosaminová dráha

Tato dráha se v glykolytické dráze odděluje od 6-fosfátu fruktózy. Fruktóza 6-fosfát je substrátem enzymu glutamin-fruktóza 6-P amidotransferázy (GFAT), což je enzym omezující rychlost pro tuto cestu. GFAT vyrábí glukosamin 6-P z fruktózy 6-P a první se dále převede na UDP-N-acetylglukosamin, což je substrát pro specifickou o-GlcNAc transferázu, která katalyzuje posttranslační modifikace proteinů prostřednictvím o-GlcNAc na serinových a threoninových zbytcích . Ukázalo se, že zvýšený tok glukózy touto cestou se podílí na tvorbě ROS a oxidačním stresu a podílí se na diabetických komplikacích .

8.3. Aktivační Dráha Proteinkinázy C

Fruktóza 1:6-bisfosfát se může rozkládat za vzniku dihydroxyaceton-fosfátu a glyceraldehyd-3-fosfátu, přičemž první z nich je snadno izomerizován na glyceraldehyd-3-fosfát působením triosofosfát isomerázy. Akumulace glyceraldehyd 3-fosfátu může zvýšit syntézu diacylglycerolu, který je aktivátorem proteinkinázy C (PKC). Je známo, že aktivace PKC se podílí na zvyšování obsahu TGF-1, endotelinu-1, NF-B a vaskulárního endoteliálního růstového faktoru a je také známo, že indukuje produkci ROS NADPH oxidázou, která katalyzuje jednu elektronovou redukci molekulárního kyslíku za vzniku superoxidu . Mechanicky bylo zjištěno, že PKC aktivuje NADPH oxidázu fosforylací podjednotky, čímž spouští translokaci této podjednotky z cytosolu na membránu, čímž se shromažďuje s dalšími složkami za vzniku aktivní NADPH oxidázy, která je schopna vytvářet superoxid z kyslíku . Aktivace PKC může také indukovat inzulínovou rezistenci inhibicí funkce syntázy oxidu dusnatého závislé na Akt .

8.4. Pokročilé glykační konečné produkty (AGEs)

kromě polyolové dráhy byla tato cesta také považována za hlavní mechanismus oxidačního stresu za hyperglykemického stavu . Vysoká hladina glukózy může při narušení funkce GAPDH vyvolat tvorbu methylglyoxalu z glyceraldehyd 3-fosfátu. Methylglyoxal může modifikovat proteiny glykací aminoskupin na proteinech . Jedním z hlavních produktů je glykovaný hemoglobin (HbA1c), který byl použit jako biomarker pro diabetes. Proto tento neenzymatický proces může výrazně narušit funkci bílkovin. Navíc je známo, že tato glykační cesta uvolňuje ROS a upreguluje expresi receptoru buněčného povrchu po věky, což vede k aktivaci signální dráhy NF-B a chronickému zánětu.

8.5. Glyceraldehydová Autoxidační dráha

Tato dráha se také v glykolytické dráze odděluje od glyceraldehyd 3-fosfátu. Glyceraldehyd 3-fosfát je tvořen z fruktózy 1:6-bisfospát enzymem aldóza. Za určitých podmínek může glyceraldehyd 3-fosfát podstoupit autoxidaci, což je proces, který může při diabetes mellitus generovat peroxid vodíku a α-ketoaldehydy .

9. Oxidační stres, Diabetes a diabetické komplikace

jak bylo uvedeno výše, všechny zdroje ROS a oxidačního stresu lze vysledovat zpět k vysoké hladině glukózy v krvi a nadprodukci NADH. Proto by chronická hyperglykémie nevyhnutelně způsobila chronický redukční stres, který vede k oxidačnímu stresu. Vzhledem k tomu, že produkce ROS je společným rysem výše popsaných cest, chronický oxidační stres jistě hraje ústřední roli ve vývoji diabetu a diabetických komplikací . Ve skutečnosti bylo hlášeno, že ROS může indukovat inzulínovou rezistenci , narušit syntézu inzulínu a narušit sekreci inzulínu beta buněk . Navíc bylo prokázáno, že biomarkery oxidačního stresu jsou zvýšeny u jedinců, kteří vykazují poruchu inzulínové rezistence nebo sekrece inzulínu, což naznačuje pozitivní korelaci mezi oxidačním stresem a inzulínovou rezistencí a poruchou sekrece inzulínu. Kromě toho četné studie také prokázaly, že ROS se podílejí na etiologii diabetických komplikací včetně retinopatie, neuropatie, kardiomyopatie a nefropatie . Vzhledem k tomu, že oxidační stres pochází z redukčního stresu uloženého NADH, může útlum redukčního stresu vyvolaného hyperglykémií poskytnout potenciální terapeutické přístupy k prevenci rozvoje diabetu a diabetických komplikací.

10. Závěr

perzistentní vysoká hladina glukózy v krvi je vysoce toxická . Indukuje nejen inzulínovou rezistenci, ale také zhoršuje sekreci inzulínu pankreatickými β-buňkami. V průběhu času bude hyperglykémie mít škodlivé účinky na makrovaskulární a mikrovaskulární systémy . Obrázek 4 schematicky shrnuje cesty diskutované v tomto přehledu a jejich patogenní role v chronické hyperglykémii prostřednictvím NADH, ROS a oxidačního stresu. Vzhledem k tomu, že hyperglykémie vede k nadměrné produkci acetyl-CoA, která se přivádí do Krebsova cyklu a vytváří přebytek NADH, je mitochondriální elektronový transportní řetězec pod silným elektronovým tlakem . Proto oxidace nadprodukovaného NADH mitochondriemi nevyhnutelně povede k produkci více superoxidu a tím i více ROS, což může zase napadnout a inaktivovat GAPDH. To by vyvolalo akumulaci glykolytických metabolitů před glyceraldehyd 3-fosfátem a aktivovalo alternativní cesty likvidace glukózy, které jsou všechny spojeny s produkcí ROS, a tím zvýšilo velikost oxidačního stresu . Proto by redukční stres následovaný oxidačním stresem mohl sloužit jako hlavní mechanismus glukotoxicity za chronických hyperglykemických podmínek. Zvýšení oxidace NADH mitochondriemi bez doprovodného zvýšení produkce ROS může být potenciálním terapeutickým přístupem pro diabetes a diabetické komplikace.

obrázek 4

hyperglykémie indukuje nadprodukci NADH a mitochondriální ROS, které inhibují aktivitu GAPDH. Tato inhibice pak aktivuje alternativní metabolické dráhy glukózy, které dále produkují ROS podílející se na glukotoxicitě, která je zodpovědná za rozvoj diabetu a diabetických komplikací. ATD: transportní řetězec elektronů.

střet zájmů

autor prohlašuje, že neexistuje žádný střet zájmů ohledně zveřejnění tohoto příspěvku.

potvrzení

Liang-Jun Yan je částečně podporován grantem Národního institutu neurologických poruch a mrtvice (R01NS079792).