Patogenesi dell’iperglicemia cronica: dallo stress riduttivo allo stress ossidativo

Abstract

La sovranutrizione cronica crea iperglicemia cronica che può indurre gradualmente insulino-resistenza e compromissione della secrezione di insulina. Questi disturbi, se non sono intervenuti, alla fine saranno seguiti dalla comparsa di diabete franco. I meccanismi di questo processo patogeno cronico sono complessi, ma è stato suggerito di coinvolgere la produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) e lo stress ossidativo. In questa recensione, evidenzio la prova che lo stress riduttivo imposto dal sovraccarico di NADH attraverso la catena di trasporto degli elettroni mitocondriali è la fonte dello stress ossidativo, che si basa su stabilimenti che più NADH riciclaggio dal complesso mitocondriale I porta a più perdite di elettroni e quindi più produzione di ROS. I livelli elevati di NADH e ROS possono inibire e inattivare la gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi (GAPDH), rispettivamente, con conseguente blocco della via glicolitica e accumulo di glicerolo 3-fosfato e dei suoi metaboliti precedenti lungo la via. Questo accumulo avvia quindi tutte quelle vie metaboliche alternative del glucosio come la via dei polioli e le vie avanzate di glicazione che altrimenti sono minori e insignificanti in condizioni euglicemiche. È importante sottolineare che tutti questi percorsi alternativi portano alla produzione di ROS, aggravando così lo stress ossidativo cellulare. Pertanto, lo stress riduttivo seguito da stress ossidativo comprende un importante meccanismo di sindrome metabolica indotta da iperglicemia.

1. Introduzione

Il diabete di tipo 2 è generalmente una malattia sovranutrizionale . È causato da insulino-resistenza e compromissione della secrezione di insulina indotta gradualmente e principalmente da glicemia alta in combinazione con altri fattori come l’obesità, l’invecchiamento, la predisposizione genetica e l’inattività fisica . La sovranutrizione persistente crea un livello costante di glucosio nel sangue che è tossico per i sistemi macrovascolari e microvascolari , un effetto noto come glucotossicità . Mentre si pensa che lo stress ossidativo contribuisca alla patogenesi della glucotossicità durante lo sviluppo del diabete e delle complicanze diabetiche , lo stress riduttivo dovuto all’eccesso di NADH generato dall’alta glicemia ha attirato meno attenzione. In questa recensione, seguendo i meccanismi di produzione e riciclaggio del NADH, evidenzio l’evidenza che lo stress riduttivo seguito dallo stress ossidativo comprende i meccanismi patogeni fondamentali dell’iperglicemia cronica nello sviluppo del diabete e delle complicanze diabetiche.

2. Euglicemia

Un livello normale di glucosio nel sangue inferiore a 100 mg/dL è strettamente mantenuto, regolato e raggiunto dalla velocità di assorbimento del glucosio da parte di tutti i tessuti e dalla velocità di sintesi del glucosio da parte del fegato e ad una minore grandezza dal rene . Approssimativamente, 75% del glucosio totale del corpo è consumato dai tessuti insensibili all’insulina compreso il cervello, i globuli rossi, il fegato e l’intestino, mentre il resto è consumato dai tessuti insulino-sensibili compreso il muscolo . Postprandialmente, un rapido aumento del contenuto di glucosio nel sangue stimola la secrezione di insulina, con conseguente aumento temporaneo della concentrazione di insulina nel sangue nota come iperinsulinemia. Gli aumenti delle concentrazioni ematiche sia di glucosio che di insulina inibiscono in modo coordinato la produzione di glucosio da parte del fegato e facilitano l’assorbimento di glucosio da parte dei tessuti insensibili all’insulina . Pertanto, l’euglicemia è rigorosamente mantenuta, che dipende altamente non solo dalla corretta secrezione di insulina dalle cellule β sulla stimolazione nutrizionale, ma anche dall’azione dell’insulina nel fegato e nei tessuti periferici .

3. NADH e stress riduttivo

Gli elettroni dalla rottura aerobica del glucosio sono principalmente immagazzinati nel NADH per la riduzione dell’ossigeno e la produzione di ATP. Pertanto, NADH è un composto riducente e una quantità eccessiva di esso può causare stress riduttivo . La sovrapproduzione di NADH o la mancanza di NAD+ possono indurre l’accumulazione di NADH, piombo allo squilibrio fra NADH e NAD + e creare una circostanza conosciuta come pseudoipossia . Questa è una condizione in cui l’ossigeno non può essere consumato efficacemente. Ciò causerebbe stress metabolico o sindrome metabolica come spesso si verifica nel diabete . Va notato che l’accumulo di GSH e NADPH, strettamente legato al metabolismo del NADH , può anche indurre stress riduttivo . Poiché il complesso mitocondriale I è il principale enzima responsabile del riciclaggio del NADH, la compromissione della funzione complessa I può quindi indurre l’accumulo di NADH e lo stress riduttivo che potrebbe essere collegato all’inibizione del rilascio di insulina da parte delle cellule β .

4. Iperglicemia, livelli elevati di NADH e pressione mitocondriale dell’elettrone

La via glicolitica rompe quasi 80% -90% del glucosio del corpo, mentre la via del fosfato del pentoso consuma il restante 10% -20% nello stato fisiologico . In condizioni iperglicemiche, più glucosio fluirà attraverso la via glicolitica che produce più piruvato e acetil-CoA, portando a una maggiore produzione di NADH. Poiché il NADH è un vettore di elettroni, una quantità eccessiva di esso causerà una pressione di elettroni sulla catena di trasporto degli elettroni mitocondriali . Ciò è particolarmente vero per gli epatociti e le β-cellule pancreatiche in quanto la glucochinasi (esochinasi D) è un enzima guidato dalla fornitura e questo enzima non è inibito dal glucosio-6-fosfato (G6P). Di conseguenza, più glucosio più G6P prodotto che sarà ripartito con il ciclo di Krebs e della glicolisi, piombo a più produzione di NADH. La figura 1 mostra le principali vie convenzionali che possono generare più NADH quando la glucochinasi viene utilizzata per fosforilare il glucosio per la disgregazione del glucosio in tessuti come pancreas e fegato .

Figura 1

Le vie convenzionali che generano NADH scomponendo il glucosio attraverso la glicolisi e il ciclo di Krebs. Vengono mostrati gli enzimi coinvolti nel riciclaggio di NADH/NAD+. * DLDH sta per diidrolipoamide deidrogenasi ed è il componente in ogni dato complesso enzimatico che in realtà rende NADH da NAD+ .

5. Pressione degli elettroni imposta dal NADH e produzione di superossido mitocondriale

La pressione degli elettroni indotta dal NADH sovrapprodotto apporterà un pesante onere al complesso mitocondriale I che è il sito principale per il riciclaggio del NADH (Figura 2). In questa condizione, complex I risponderà entro la sua capacità di ossidare più NADH a NAD+, nel tentativo di migliorare la condizione pseudoipossica. Una natura intrinseca del flusso di NADH attraverso il complesso I è che verrà prodotto più superossido quando più NADH viene ossidato dal complesso I poiché questo complesso è anche coinvolto nel pompaggio di protoni , portando ad un aumento proporzionale della perdita di elettroni che ridurrà parzialmente l’ossigeno per produrre superossido . Questo scenario potrebbe peggiorare in condizioni pseudoipossiche poiché meno NAD + è disponibile per il trasporto di elettroni in ossigeno , lasciando più ossigeno disponibile per la parziale riduzione degli elettroni fuoriusciti dal complesso I e dal complesso III, quest’ultimo coinvolto anche nel pompaggio di protoni . Va notato che il complesso II e la diidrolipoamide deidrogenasi potrebbero anche produrre superossido .

Figura 2

Ossidazione del NADH da parte del complesso I nella catena di trasporto degli elettroni. Gli elettroni da NADH sono trasportati via CoQ e citocromo c all’ossigeno molecolare. Questo processo comporta il pompaggio di protoni strettamente legato alla produzione di superossido. Viene anche mostrata la sintesi di ATP da parte del complesso V guidato dal gradiente protonico.

6. Superossido e stress ossidativo

Il superossido è il precursore di tutte le specie reattive dell’ossigeno che a livelli elevati possono causare stress ossidativo . Come è stato stabilito, il superossido può essere convertito in perossido di idrogeno dalla superossido dismutasi; il perossido di idrogeno può quindi essere convertito in radicali idrossilici da ioni metallici . Nel frattempo, il superossido può anche reagire con l’ossido nitrico per produrre perossinitrite (ONOO−) . Tutte queste specie reattive possono causare l’ossidazione di proteine, lipidi e DNA . Di conseguenza, una condizione di stress ossidativo si è completamente sviluppata a causa di un alto livello di NADH, ottenendo la transizione dallo stress riduttivo allo stress ossidativo . Pertanto, lo stress riduttivo non è il contrario dello stress ossidativo; in realtà porta allo stress ossidativo .

7. Inibizione della gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi e vie metaboliche alternative del glucosio

Come è stato discusso sopra, un eccesso di offerta di NADH può portare alla sovrapproduzione di superossido mitocondriale e altre forme di ROS. Questi ROS possono quindi compromettere l’attività della gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi (GAPDH) che è molto sensibile alle modificazioni ossidative a causa di un residuo di cisteina sensibile al redox nel suo centro attivo . Inoltre, un alto livello di NADH inibirebbe anche l’attività del GAPDH . Tali menomazioni diminuirebbero collettivamente l’efficienza del metabolismo del glucosio attraverso la glicolisi e il ciclo di Krebs, inducendo l’accumulo di gliceraldeide 3-fosfato (G3P). Pertanto, tutti i prodotti intermedi di cui sopra e compreso G3P dovranno essere smaltiti per vie che si diramano dalle vie glicolitiche (Figura 3) .

Figura 3

Le vie di diramazione che vengono attivate per smaltire il glucosio in eccesso quando la gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi (GAPDH) è inattivata dal ROS. Questi cinque percorsi alternativi, oltre alla catena di trasporto di elettroni mostrata in Figura 2, sono collegati alla produzione di ROS, esacerbando così ulteriormente lo stress ossidativo. L’inserto mostra il percorso del poliolo. Le vie nella zona grigia non scomporrebbero più efficacemente il glucosio quando GAPDH è inattivato da modifiche post-traduttive.

8. Le vie di Branching-Off e lo stress ossidativo

Ci sono stati cinque vie che possono diramarsi la via glicolitica in condizioni iperglicemiche croniche (Figura 3). Queste vie sono minori e insignificanti nel metabolismo del glucosio in condizioni normoglicemiche, ma possono diventare vie principali per fluire glucosio ad alto livello. Come verrà discusso di seguito, tutti e cinque i percorsi sono stati collegati alla produzione di ROS, allo stress ossidativo e alla patogenesi del diabete e delle complicanze diabetiche .

8.1. La via del poliolo

Quando il livello di glucosio nel sangue è alto, le vie metaboliche cellulari cambiano, il che di solito porta a effetti deleteri . Una via principale che viene attivata in risposta all’iperglicemia è la via del poliolo , in cui il glucosio viene ridotto dall’aldosio reduttasi per formare sorbitolo e il sorbitolo formato viene quindi convertito in fruttosio dalla sorbitolo deidrogenasi. Questo percorso, come mostrato in Figura 3 (Inset), converte NADPH in NADH utilizzando due reazioni passo e porta allo squilibrio redox tra NADH e NAD+. Poiché il rapporto di NAD+/NADH diminuisce a causa di un aumento del contenuto di NADH, può verificarsi uno stress riduttivo. Poiché l’aldoso reduttasi ha un Km molto alto per il glucosio , può essere attivata solo da un alto livello di glucosio. Quindi, questo enzima potrebbe anche essere considerato come un enzima guidato dalla fornitura . Nelle circostanze iperglicemiche, la via del poliolo è stata stimata per utilizzare più di 30% del glucosio del corpo . Pertanto, questo percorso può anche contribuire in modo significativo allo stress riduttivo ed è stato pensato per svolgere un ruolo importante nella patogenesi delle complicanze diabetiche .

Inoltre, nella prima reazione della via del poliolo (Figura 3 inserto), il NADPH viene consumato e, quando il livello di NADPH si abbassa, anche la forma ridotta di glutatione (GSH). Questo perché la glutatione reduttasi ha bisogno di NADPH per rigenerare GSH da GSSG (forma ossidata di glutatione) . Man mano che il livello di GSH si abbassa, la capacità antiossidante cellulare può essere compromessa, con conseguente aumento dei livelli di specie reattive dell’ossigeno che possono attaccare le macromolecole e indurre danni ossidativi . Pertanto, la via del poliolo è anche una fonte di stress ossidativo . Va anche sottolineato che l’attivazione della via del poliolo in cambio ridurrà ulteriormente il consumo di glucosio da parte della via glicolitica poiché la sorbitolo deidrogenasi compete con GAPDH per NAD+ . Inoltre, poiché l’ossido nitrico sintasi utilizza anche NADPH come cofattore, un livello ridotto di NADPH può portare a una diminuzione della produzione di ossido nitrico, facilitando così la vasocostrizione e l’aggregazione piastrinica .

8.2. La via esosamina

Questa via si dirama dal fruttosio 6-fosfato nella via glicolitica. Il fruttosio 6-fosfato è il substrato dell’enzima glutammina-fruttosio 6-P amidotransferasi (GFAT), che è l’enzima limitatore di velocità per questa via. GFAT produce glucosamina 6-P dal fruttosio 6-P e il primo viene ulteriormente convertito in UDP-N-acetilglucosamina, che è il substrato per la specifica transferasi O-GlcNAc che catalizza le modifiche posttranslazionali delle proteine tramite O-GlcNAc sui residui di serina e treonina . L’aumento del flusso di glucosio attraverso questa via ha dimostrato di essere coinvolto nella generazione di ROS e nello stress ossidativo ed è stato implicato nelle complicanze diabetiche .

8.3. La via di attivazione della protein chinasi C

Fruttosio 1:6-bisfosfato può abbattere per formare fosfato diidrossiacetone e gliceraldeide 3-fosfato con il primo essere prontamente isomerizzato a gliceraldeide 3-fosfato sotto l’azione di triosio fosfato isomerasi. L’accumulo di gliceraldeide 3-fosfato può aumentare la sintesi di diacilglicerolo che è un attivatore della proteina chinasi C (PKC). L’attivazione di PKC è nota per essere coinvolta nell’elevare il contenuto di TGF–1, endotelina-1, NF-B e fattore di crescita endoteliale vascolare ed è anche nota per indurre la produzione di ROS da NADPH ossidasi che catalizza una riduzione di elettroni di ossigeno molecolare per formare superossido . Meccanicamente, è stato stabilito che PKC attiva la NADPH ossidasi fosforilando la subunità, innescando la traslocazione di questa subunità dal citosol alla membrana per cui si assembla con altri componenti per formare una NADPH ossidasi attiva che è in grado di produrre superossido dall’ossigeno . L’attivazione di PKC può anche indurre la resistenza all’insulina inibendo la funzione nitrica dipendente da Akt ossido sintasi .

8.4. Prodotti finiti avanzati di glicazione (età)

Oltre alla via del poliolo, questa via inoltre è stata pensata per essere un meccanismo importante di sforzo ossidativo nello stato iperglicemico . Un alto livello di glucosio può indurre la formazione di metilgliossale da gliceraldeide 3-fosfato quando la funzione GAPDH è compromessa. Methylglyoxal può modificare le proteine via glycation dei gruppi amminici sulle proteine . Uno dei principali prodotti è l’emoglobina glicata (HbA1c) che è stata utilizzata come biomarcatore per il diabete . Pertanto, questo processo non enzimatico può compromettere notevolmente la funzione proteica. Inoltre, questa via di glicazione è nota per liberare ROS e upregulate l’espressione del recettore della superficie cellulare per le età, portando all’attivazione della via di segnalazione NF-B e all’infiammazione cronica .

8.5. La via di autossidazione della gliceraldeide

Questa via si dirama anche dalla gliceraldeide 3-fosfato nella via glicolitica. La gliceraldeide 3-fosfato è formata dal fruttosio 1:6-bisfospato dall’enzima aldosio. In determinate condizioni, la gliceraldeide 3-fosfato può subire l’autossidazione, un processo che può generare perossido di idrogeno e α-chetoaldeidi nel diabete mellito .

9. Stress ossidativo, diabete e complicanze diabetiche

Come discusso sopra, tutte le fonti di ROS e stress ossidativo possono essere ricondotte all’alta glicemia e alla sovrapproduzione di NADH. Pertanto, l’iperglicemia cronica causerebbe inevitabilmente uno stress cronico riduttivo che porta allo stress ossidativo. Poiché la produzione di ROS è una caratteristica comune dei percorsi sopra descritti, lo stress ossidativo cronico gioca certamente un ruolo centrale nello sviluppo del diabete e delle complicanze diabetiche . In effetti, è stato riportato che il ROS può indurre insulino-resistenza , compromettere la sintesi dell’insulina e compromettere la secrezione di insulina delle cellule beta . Inoltre, i biomarcatori dello stress ossidativo hanno dimostrato di essere aumentati in individui che presentano resistenza all’insulina o compromissione della secrezione di insulina , indicando una correlazione positiva tra stress ossidativo e resistenza all’insulina e compromissione della secrezione di insulina. Inoltre, numerosi studi hanno anche stabilito che i ROS sono coinvolti nell’eziologia delle complicanze diabetiche tra cui retinopatia, neuropatia, cardiomiopatia e nefropatia . Dato che lo stress ossidativo ha origine dallo stress riduttivo imposto dal NADH, attenuando lo stress riduttivo innescato dall’iperglicemia può fornire potenziali approcci terapeutici per prevenire lo sviluppo del diabete e delle complicanze diabetiche.

10. Conclusione

La glicemia alta persistente è altamente tossica . Non solo induce l’insulino-resistenza ma inoltre altera la secrezione dell’insulina dalle β-cellule pancreatiche . Nel tempo, l’iperglicemia produrrà effetti dannosi sui sistemi macrovascolari e microvascolari . La figura 4 riassume schematicamente i percorsi discussi in questa recensione e i loro ruoli patogeni nell’iperglicemia cronica attraverso NADH, ROS e stress ossidativo. Poiché l’iperglicemia provoca un’eccessiva produzione di acetil-CoA che si alimenta nel ciclo di Krebs, rendendo l’eccesso di NADH, la catena di trasporto degli elettroni mitocondriali è quindi sottoposta a una forte pressione elettronica . Pertanto, l’ossidazione del NADH sovrapprodotto dai mitocondri porterà inevitabilmente alla produzione di più superossido e quindi più ROS , che a sua volta può attaccare e inattivare GAPDH. Ciò innescherebbe l’accumulo di metaboliti glicolitici a monte della gliceraldeide 3-fosfato e attiverebbe le vie alternative di smaltimento del glucosio che sono tutte collegate alla produzione di ROS e quindi aumenterebbe l’entità dello stress ossidativo . Pertanto, lo stress riduttivo seguito da stress ossidativo potrebbe servire come il principale meccanismo di glucotossicità in condizioni iperglicemiche croniche. Un aumento dell’ossidazione del NADH da parte dei mitocondri senza un aumento concomitante della produzione di ROS può essere un potenziale approccio terapeutico per il diabete e le complicanze diabetiche.

Figura 4

L’iperglicemia induce la sovrapproduzione di NADH e ROS mitocondriali che inibiscono l’attività di GAPDH. Questa inibizione attiva quindi le vie metaboliche alternative del glucosio, che producono ulteriormente ROS coinvolti nella glucotossicità che è responsabile dello sviluppo del diabete e delle complicanze diabetiche. ECC: catena di trasporto degli elettroni.

Conflitto di interessi

L’autore dichiara che non vi è alcun conflitto di interessi per quanto riguarda la pubblicazione di questo documento.

Riconoscimento

Liang-Jun Yan è supportato in parte da una sovvenzione del National Institute of Neurological Disorders and Stroke (R01NS079792).