kroonisen hyperglykemian patogeneesi: pelkistävästä stressistä oksidatiiviseen stressiin

Abstrakti

krooninen ylirutistus aiheuttaa kroonisen hyperglykemian, joka voi vähitellen aiheuttaa insuliiniresistenssiä ja insuliinin erityksen heikkenemistä. Jos näihin häiriöihin ei puututa, seuraa lopulta suorasukaisen diabeteksen ilmaantuminen. Tämän kroonisen patogeenisen prosessin mekanismit ovat monimutkaisia, mutta niiden on ehdotettu liittyvän reaktiivisten happilajien (Ros) tuotantoon ja oksidatiiviseen stressiin. Tässä tarkastelussa korostan todisteita siitä, että NADH: n ylijännitteen mitokondrion elektroninkuljetusketjun kautta aiheuttama reduktiivinen stressi on oksidatiivisen stressin lähde, joka perustuu laitoksiin, että mitokondriokompleksi I: n NADH: n kierrätys johtaa enemmän elektronivuotoon ja siten enemmän ROS: n tuotantoon. Sekä NADH: n että ROS: n kohonneet pitoisuudet voivat inhiboida ja inaktivoida glyseraldehydi-3-fosfaattidehydrogenaasia (GAPDH), mikä johtaa glykolyyttisen reitin tukkeutumiseen ja glyseroli-3-fospaatin ja sen aikaisempien metaboliittien kertymiseen reitin varrella. Tämä kertyminen käynnistää sitten kaikki vaihtoehtoiset glukoosin metaboliareitit, kuten polyolireitin ja kehittyneet glykaatioreitit, jotka muutoin ovat vähäisiä ja merkityksettömiä euglykolisissa olosuhteissa. Tärkeää on, että kaikki nämä vaihtoehtoiset reitit johtavat ROS: n tuotantoon, mikä pahentaa solujen oksidatiivista stressiä. Siksi pelkistävä stressi, jota seuraa oksidatiivinen stressi, muodostaa tärkeän hyperglykemian aiheuttaman metabolisen oireyhtymän mekanismin.

1. Johdanto

tyypin 2 diabetes on yleensä yliravinteinen sairaus . Se johtuu insuliiniresistenssistä ja insuliinin erityksen heikkenemisestä, joka aiheutuu vähitellen ja pääasiassa korkeasta verensokerista yhdessä muiden tekijöiden, kuten lihavuuden, ikääntymisen, geneettisen alttiuden ja fyysisen passiivisuuden kanssa . Jatkuva overnutrition luo tasaisen korkean verensokerin, joka on myrkyllistä makrovaskulaarisille ja mikrovaskulaarisille järjestelmille , jota kutsutaan glukotoksisuudeksi . Vaikka oksidatiivisen stressin ajatellaan edistävän glukotoksisuuden patogeneesiä diabeteksen ja diabeettisten komplikaatioiden kehittymisen aikana, korkean verensokerin tuottaman NADH: n ylimäärän aiheuttama reduktiivinen stressi on herättänyt vähemmän huomiota. Tässä tarkastelussa seuraamalla NADH: n tuotannon ja kierrätyksen mekanismeja korostan näyttöä siitä, että reduktiivinen stressi, jota seuraa oksidatiivinen stressi, käsittää kroonisen hyperglykemian perustavanlaatuiset patogeeniset mekanismit diabeteksen ja diabeettisten komplikaatioiden kehityksessä.

2. Euglysemia

normaali verensokeritaso, joka on alle 100 mg / dL, pysyy tiukasti yllä, säätelee ja saavuttaa glukoosin soluunotonopeuden kaikissa kudoksissa ja glukoosin synteesin nopeuden maksassa ja vähemmässä määrin munuaisissa . Noin 75% elimistön glukoosista kuluu insuliiniherkissä kudoksissa, kuten aivoissa, punasoluissa, maksassa ja suolistossa, ja loput insuliiniherkissä kudoksissa, kuten lihaksissa . Postprandiaalisesti veren glukoosipitoisuuden nopea nousu stimuloi insuliinin eritystä, mikä johtaa veren insuliinipitoisuuden tilapäiseen nousuun, joka tunnetaan hyperinsulinemiana. Veren glukoosi-ja insuliinipitoisuuksien nousu estää koordinoivasti glukoosintuotantoa maksassa ja helpottaa glukoosin soluunottoa insuliiniherkissä kudoksissa . Siksi euglysemia säilyy tiukasti, mikä on erittäin riippuvainen paitsi oikeasta insuliininerityksestä β-soluista ravitsemuksellisen stimulaation yhteydessä myös insuliinin vaikutuksesta maksassa ja perifeerisissä kudoksissa .

3. NADH ja pelkistävä stressi

glukoosin aerobisen hajoamisen elektronit varastoituvat pääasiassa NADH: Hon hapen pelkistämiseksi ja ATP: n tuottamiseksi. Siksi NADH on pelkistävä yhdiste ja liiallinen määrä sitä voi aiheuttaa pelkistävää stressiä . NADH: n ylituotanto tai NAD+: n puuttuminen voi aiheuttaa NADH: n kertymistä, mikä johtaa NADH: n ja NAD+: n väliseen epätasapainoon ja aiheuttaa pseudohypoksiaksi kutsutun tilan . Tämä on tila, jossa happea ei voida tehokkaasti kuluttaa. Tämä aiheuttaisi metabolista stressiä tai metabolista oireyhtymää, sillä sitä esiintyy usein diabeteksessa . On huomattava, että GSH: n ja NADPH: n kertyminen , joka liittyy tiukasti NADH: n aineenvaihduntaan, voi myös aiheuttaa reduktiivista stressiä . Koska mitokondriokompleksi I on tärkein NADH: n kierrätyksestä vastaava entsyymi, kompleksin I toiminnan heikkeneminen voi siten aiheuttaa NADH: n kertymistä ja pelkistävää stressiä, joka voi liittyä β-solujen insuliinin vapautumisen estoon .

4. Hyperglykemia, kohonneet Nadh-tasot ja mitokondrion Elektronipaine

glykolyyttinen reitti hajottaa lähes 80-90% elimistön glukoosista, kun taas pentoosifosfaattireitti kuluttaa fysiologisessa tilassa loput 10-20%. Hyperglykeemisessä tilassa enemmän glukoosia valuu glykolyyttisen reitin kautta, joka tuottaa enemmän pyruvaattia ja asetyyli-CoA: ta, mikä johtaa enemmän NADH: n tuotantoon. Koska NADH on elektroninkantaja, sen liika määrä aiheuttaa elektronipaineen mitokondrion elektroninsiirtoketjussa . Tämä pätee erityisesti maksasoluihin ja haiman β-soluihin siinä , että glukinaasi (heksokinaasi D) on tarjontavetoinen entsyymi, eikä glukoosi-6-fosfaatti (G6P) estä tätä entsyymiä . Siksi mitä enemmän glukoosia, sitä enemmän tuotetaan G6P: tä, joka hajoaa glykolyysin ja Krebs-kierron kautta, mikä johtaa NADH: n tuotannon lisääntymiseen. Kuvassa 1 esitetään tärkeimmät tavanomaiset reitit, jotka voivat tuottaa enemmän NADH: ta, kun glukokinaasia käytetään glukoosin fosforyloimiseen glukoosin hajoamiseksi kudoksissa, kuten haimassa ja maksassa .

Kuva 1

tavanomaiset reitit, jotka tuottavat NADH: ta hajottamalla glukoosia glykolyysin ja Krebs-kierron kautta. NADH/NAD+ – kierrätykseen osallistuvat entsyymit on esitetty. * DLDH tarkoittaa dihydrolipoamididehydrogenaasia ja on kunkin tietyn entsyymikompleksin komponentti, joka todella tekee NADH: ta NAD+: sta .

5. NADH: n aiheuttama Elektronipaine ja mitokondrioiden Superoksidituotanto

ylituotetun NADH: n aiheuttama elektronipaine kuormittaa raskaasti mitokondriokompleksi I: tä, joka on NADH: n kierrätyksen pääkohde (kuva 2). Tämän ehdon, monimutkainen I vastaa sen kyky hapettaa enemmän NADH nad+, yrittää ameliorate pseudohypoxic kunnossa. Luontainen luonne NADH flux kautta monimutkainen I on , että enemmän superoksidia tehdään myös, kun enemmän NADH hapettuu monimutkainen I, koska tämä kompleksi on myös mukana protonin pumppaus, mikä suhteellinen kasvu elektronivuoto, joka osittain vähentää happea tuottaa superoksidia . Tämä skenaario voisi huonontua pseudohypoksisissa olosuhteissa, koska vähemmän NAD+: A on käytettävissä elektronien siirtämiseen hapelle , jolloin enemmän happea on käytettävissä kompleksista I ja kompleksista III vuotaneiden elektronien osittaiseen pelkistymiseen, joista jälkimmäinen osallistuu myös protonipumppaukseen . On huomattava, että kompleksi II ja dihydrolipoamididehydrogenaasi voivat tuottaa myös superoksidia .

kuva 2

NADH hapettuu kompleksin I avulla elektroninsiirtoketjussa. NADH: n elektronit kulkeutuvat CoQ: n ja sytokromi c: n kautta molekyylihapelle. Tähän prosessiin kuuluu protonipumppaus, joka liittyy tiiviisti superoksidin tuotantoon. Myös protonigradientin vetämän kompleksisen V: n ATP-synteesiä esitetään.

6. Superoksidi ja oksidatiivinen stressi

superoksidi on kaikkien reaktiivisten happilajien esiaste, joka koholla ollessaan voi aiheuttaa oksidatiivista stressiä . Kuten on todettu, superoksidi voidaan muuttaa vetyperoksidiksi superoksididismutaasilla; vetyperoksidi voidaan sitten muuntaa metalli-ionien avulla hydroksyyliradikaaliksi . Tällä välin superoksidi voi reagoida myös typpioksidin kanssa muodostaen peroksinitriittiä (ONOO−) . Kaikki nämä reaktiiviset lajit voivat aiheuttaa proteiinien, lipidien ja DNA: n hapettumista . Näin ollen oksidatiivinen stressitila on täysin kehittynyt korkean NADH-tason vuoksi, jolloin saavutetaan siirtyminen pelkistävästä stressistä oksidatiiviseen stressiin . Reduktiivinen stressi ei siis ole oksidatiivisen stressin kääntöpuoli, vaan se itse asiassa johtaa oksidatiiviseen stressiin .

7. Glyseraldehydi-3-fosfaattidehydrogenaasin estyminen ja vaihtoehtoiset glukoosin metaboliareitit

kuten edellä on todettu, NADH: n ylitarjonta voi johtaa mitokondrioiden superoksidin ja muiden ROS: n muotojen ylituotantoon. Nämä ROS voi sitten heikentää toimintaa glyseraldehydi 3-fosfaattidehydrogenaasi (GAPDH), joka on hyvin herkkä hapettumista johtuu redox herkkä kysteiini jäännös sen aktiivinen keskus . Lisäksi korkea NADH estäisi myös GAPDH: n toimintaa . Tällaiset häiriöt heikentäisivät yhdessä glukoosiaineenvaihdunnan tehokkuutta glykolyysin ja Krebs-kierron kautta, mikä indusoisi glyseraldehydi-3-fosfaatin (G3P) kertymistä. Siksi kaikki edellä mainitut välituotteet, mukaan lukien G3P, on hävitettävä glykolyyttiset reitit haarautuvia reittejä pitkin (kuva 3) .

kuva 3

haarautumisreitit, jotka aktivoituvat hävittämään liikaa glukoosia, kun glyseraldehydi-3-fosfaattidehydrogenaasi (GAPDH) inaktivoituu ROS: n vaikutuksesta. Nämä viisi vaihtoehtoista reittiä liittyvät kuvassa 2 esitetyn elektroninsiirtoketjun lisäksi ROS: n tuotantoon, mikä pahentaa oksidatiivista stressiä entisestään. Pikkukuva näyttää polyolireitin. Harmaalla alueella olevat reitit eivät enää hajottaisi tehokkaasti glukoosia, kun gapdh inaktivoituu translaation jälkeisillä muutoksilla.

8. Haarautumisreitit ja oksidatiivinen stressi

on ollut viisi reittiä, jotka voivat haarautua glykolyyttisestä reitistä kroonisessa hyperglykemiassa (kuva 3). Nämä reitit ovat vähäisiä ja merkityksettömiä glukoosiaineenvaihdunnassa normoglykeemisissä olosuhteissa, mutta niistä voi tulla merkittäviä reittejä korkean glukoosipitoisuuden vuomiseen. Kuten jäljempänä käsitellään, kaikki viisi reittiä on yhdistetty ROS-tuotantoon, oksidatiiviseen stressiin ja diabeteksen ja diabeettisten komplikaatioiden patogeneesiin .

8.1. Polyolireitti

kun veren glukoosipitoisuus on korkea, solujen aineenvaihduntareitit muuttuvat, mikä johtaa yleensä haitallisiin vaikutuksiin . Tärkeä hyperglykemian seurauksena aktivoituva reitti on polyolireitti , jossa glukoosi pelkistetään aldoosireduktaasilla sorbitoliksi ja muodostunut sorbitoli muutetaan sitten sorbitolidehydrogenaasilla fruktoosiksi. Tämä polku, kuten kuvassa 3 (pikkukuva), muuntaa NADPH: n NADH: ksi kahden vaiheen reaktioilla ja johtaa redox-epätasapainoon NADH: n ja NAD+: n välillä. Kun nad+/NADH: n suhde pienenee NADH-pitoisuuden kasvun vuoksi, seurauksena voi olla pelkistävä stressi. Koska aldoosireduktaasilla on hyvin korkea Km glukoosille, se voi aktivoitua vain korkealla glukoosipitoisuudella. Tämän vuoksi tätä entsyymiä voidaan pitää myös tarjontavetoisena entsyyminä . Hyperglykeemisissä olosuhteissa polyolireitin on arvioitu hyödyntävän yli 30% kehon glukoosista . Siksi tämä reitti voi myös edistää merkittävästi vähentävää stressiä, ja sillä on ajateltu olevan tärkeä rooli diabeettisten komplikaatioiden patogeneesissä .

lisäksi polyolireitin ensimmäisessä reaktiossa (kuva 3 inset) NADPH: ta kulutetaan ja NADPH: n tason laskiessa myös pelkistettyä glutationin muotoa (GSH). Tämä johtuu siitä, että glutationireduktaasi tarvitsee NADPH: n uudistaakseen GSH: n gssg: stä (glutationin hapettunut muoto) . Kun GSH-taso laskee, solujen antioksidanttikapasiteetti voi vaarantua, mikä johtaa reaktiivisten happilajien korkeisiin tasoihin, jotka voivat hyökätä makromolekyylejä vastaan ja aiheuttaa oksidatiivisia vaurioita . Siksi polyolireitti aiheuttaa myös oksidatiivista stressiä . On myös huomattava, että polyolireitin aktivoituminen puolestaan vähentää glukoosin kulutusta glykolyyttisellä reiteillä, koska sorbitolidehydrogenaasi kilpailee GAPDH: n kanssa nad+: sta . Lisäksi, koska typpioksidisyntaasi käyttää NADPH: ta myös kofaktorina, NADPH: n alentunut taso voi johtaa typpioksidin tuotannon vähenemiseen, mikä helpottaa vasokonstriktiota ja verihiutaleiden aggregaatiota .

8.2. Heksosamiinireitti

tämä reitti haarautuu fruktoosi-6-fosfaatista glykolyyttisessä reitissä. Fruktoosi-6-fosfaatti on glutamiini-fruktoosi-6-p-amidotransferaasientsyymin (GFAT) substraatti, joka on tämän reitin nopeutta rajoittava entsyymi. GFAT valmistaa glukosamiinia 6-P fruktoosista 6-P ja entinen muunnetaan edelleen UDP-n-asetyyliglukosamiiniksi, joka on substraatti spesifiselle O-GlcNAc-transferaasille, joka katalysoi proteiinien translaation jälkeisiä muutoksia O-GlcNAc: n kautta seriini-ja treoniinijäämiin . Lisääntynyt glukoosi flux kautta tämä reitti on osoitettu olevan mukana Ros sukupolven ja oksidatiivinen stressi ja on osallisena diabeettisen komplikaatioita .

8.3. Proteiinikinaasi C: N Aktivaatioreitti

Fruktoosi 1:6-bisfosfaatti voi hajota muodostaen dihydroksiasetonifosfaattia ja glyseraldehydi-3-fosfaattia, joista edellinen isomeroituu helposti glyseraldehydi-3-fosfaatiksi trioosifosfaatti-isomeraasin vaikutuksesta. Glyseraldehydi-3-fosfaatin kertyminen voi lisätä proteiinikinaasi C: n (PKC) aktivoijana toimivan diasyyliglyserolin synteesiä. PKC-aktivaation tiedetään osallistuvan TGF-1: n, endoteliini-1: n, NF-B: n ja verisuonten endoteelikasvutekijän pitoisuuden kohottamiseen, ja sen tiedetään myös indusoivan ROS-tuotantoa NADPH-oksidaasilla, joka katalysoi molekyylin hapen yhden elektronivähennyksen superoksidiksi . Mekanistisesti on todettu, että PKC aktivoi NADPH-oksidaasin fosforyloimalla alayksikön, mikä käynnistää tämän alayksikön translokaation sytosolista kalvoon, jolloin se kokoontuu muiden komponenttien kanssa muodostaen aktiivisen NADPH-oksidaasin, joka pystyy valmistamaan superoksidia hapesta . PKC-aktivaatio voi myös aiheuttaa insuliiniresistenssiä estämällä Akt-riippuvaista typpioksidisyntaasin toimintaa .

8.4. Advanced Glycation End Products (AGEs)

polyolireitin lisäksi tämän reitin on myös arveltu olevan merkittävä oksidatiivisen stressin mekanismi hyperglykemisessä tilassa . Korkea glukoosipitoisuus voi aiheuttaa metyyliglyoksaalin muodostumista glyseraldehydi-3-fosfaatista, kun GAPDH: n toiminta on heikentynyt. Metyyliglyoksaali voi muokata proteiineja aminoryhmien glykaation kautta proteiineihin . Yksi tärkeimmistä tuotteista on glykoitu hemoglobiini (HbA1c), jota on käytetty diabeteksen biomarkkerina . Siksi tämä ei-bentsymaattinen prosessi voi suuresti heikentää proteiinin toimintaa. Lisäksi tämän glykaatioreitin tiedetään vapauttavan ROS: ää ja säätelevän solujen pintareseptorin ilmentymistä iät ja ajat, mikä johtaa NF-B-signalointireitin aktivoitumiseen ja krooniseen tulehdukseen .

8.5. Glyseraldehydin Autoksidointireitti

tämä reitti haarautuu myös glyseraldehydi-3-fosfaatista glykolyyttisessä reitissä. Glyseraldehydi-3-fosfaatti muodostuu fruktoosi 1: stä:6-bisfospaatti aldoosi-entsyymin vaikutuksesta. Glyseraldehydi-3-fosfaatti voi tietyissä olosuhteissa käydä läpi autoksidaation eli prosessin, joka voi tuottaa vetyperoksidia ja α-ketoaldehydejä diabetes mellituksessa .

9. Oksidatiivinen stressi, Diabetes ja diabeettiset komplikaatiot

kuten edellä on todettu, kaikki ROS: n ja oksidatiivisen stressin lähteet voidaan jäljittää korkeaan verensokeriin ja NADH: n ylituotantoon. Siksi krooninen hyperglykemia aiheuttaisi väistämättä kroonista pelkistävää stressiä, joka johtaa oksidatiiviseen stressiin. Koska ROS-tuotanto on edellä kuvattujen reittien yhteinen piirre , kroonisella oksidatiivisella stressillä on varmasti keskeinen rooli diabeteksen ja diabeettisten komplikaatioiden kehittymisessä . Onkin raportoitu , että ROS voi aiheuttaa insuliiniresistenssiä , heikentää insuliinisynteesiä ja heikentää beetasolujen insuliinin eritystä . Lisäksi oksidatiivisen stressin biomarkkerien on osoitettu lisääntyvän henkilöillä , joilla on insuliiniresistenssi tai insuliinin erityksen heikkeneminen, mikä viittaa positiiviseen korrelaatioon oksidatiivisen stressin ja insuliiniresistenssin ja insuliinin erityksen heikkenemisen välillä. Lisäksi lukuisat tutkimukset ovat myös osoittaneet, että ROS osallistuvat diabeettisten komplikaatioiden etiologiaan, mukaan lukien retinopatia, neuropatia, kardiomyopatia ja nefropatia . Koska oksidatiivinen stressi on peräisin NADH: n määräämästä reduktiivisesta stressistä, hyperglykemian laukaisema reduktiivinen stressi voi tarjota potentiaalisia terapeuttisia lähestymistapoja diabeteksen ja diabeettisten komplikaatioiden kehittymisen estämiseksi.

10.

jatkuva korkea verensokeri on erittäin myrkyllistä . Se paitsi aiheuttaa insuliiniresistenssiä myös heikentää haiman β-solujen insuliinineritystä . Ajan myötä hyperglykemia aiheuttaa haitallisia vaikutuksia makrovaskulaarisiin ja mikrovaskulaarisiin järjestelmiin . Kuva 4 tiivistää kaavamaisesti tässä tarkastelussa käsitellyt reitit ja niiden patogeeniset roolit kroonisessa hyperglykemiassa NADH: n, ROS: n ja oksidatiivisen stressin kautta. Koska hyperglykemia johtaa Krebs-sykliin syötettävän asetyyli-CoA: n liialliseen tuotantoon, jolloin syntyy ylimääräistä NADH: ta, mitokondrion elektroninsiirtoketju on näin raskaan elektronipaineen alaisena . Siksi mitokondrioiden tuottaman YLITUOTETUN NADH: n hapettuminen johtaa väistämättä siihen , että syntyy enemmän superoksidia ja siten enemmän ROS: ää, joka voi puolestaan hyökätä ja inaktivoida GAPDH: n. Tämä käynnistäisi glykolyyttisten metaboliittien kertymisen ennen glyseraldehydi-3-fosfaattia ja aktivoisi vaihtoehtoiset glukoosin hävittämisreitit, jotka kaikki liittyvät ROS: n tuotantoon, ja siten lisäisi oksidatiivisen stressin suuruutta . Siksi pelkistävä stressi, jota seuraa oksidatiivinen stressi, voi toimia glukotoksisuuden pääasiallisena mekanismina kroonisissa hyperglykemisissä olosuhteissa. NADH: n hapettumisen lisääntyminen mitokondrioissa ilman siihen liittyvää ROS-tuotannon lisääntymistä voi olla mahdollinen terapeuttinen lähestymistapa diabetekseen ja diabeettisiin komplikaatioihin.

Kuva 4

hyperglykemia aiheuttaa NADH: n ja mitokondrioiden ROS: n ylituotantoa, joka estää gapdh: n toimintaa. Tämä inhibitio sitten Aktivoi vaihtoehtoisia glukoosin metaboliareittejä, jotka edelleen tuottavat glukoositoksisuutta, joka on vastuussa diabeteksen ja diabeettisten komplikaatioiden kehittymisestä. Jne: elektroninsiirtoketju.

eturistiriidat

kirjoittaja ilmoittaa, ettei tämän paperin julkaisemiseen liity eturistiriitoja.

kuittausta

Liang-Jun Yania tuetaan osittain National Institute of Neurological Disorders and Stroke-instituutin (R01NS079792) myöntämällä apurahalla.