patogeneza przewlekłej hiperglikemii: od stresu redukcyjnego do stresu oksydacyjnego

Streszczenie

przewlekłe nadmierne odżywianie powoduje przewlekłą hiperglikemię, która może stopniowo wywoływać insulinooporność i zaburzenia wydzielania insuliny. Zaburzenia te, jeśli nie interweniowane, w końcu nastąpi pojawienie się cukrzycy frank. Mechanizmy tego przewlekłego procesu chorobotwórczego są złożone, ale zasugerowano, że obejmują produkcję reaktywnych form tlenu (ROS) i stres oksydacyjny. W tym przeglądzie podkreślam dowody na to, że stres redukcyjny narzucony przez nadh przez mitochondrialny łańcuch transportu elektronów jest źródłem stresu oksydacyjnego, który opiera się na zakładach, które więcej recyklingu NADH przez kompleks mitochondrialny i prowadzi do większego wycieku elektronów, a tym samym większej produkcji ROS. Podwyższone poziomy zarówno NADH, jak i ROS mogą odpowiednio hamować i inaktywować dehydrogenazę 3-fosforanową glicerodehydu (GAPDH), powodując zablokowanie szlaku glikolitycznego i akumulację 3-fosforanu glicerolu i jego wcześniejszych metabolitów wzdłuż szlaku. Ta kumulacja inicjuje wszystkie te alternatywne szlaki metaboliczne glukozy, takie jak Szlak poliolowy i zaawansowane szlaki glikacji, które w przeciwnym razie są niewielkie i nieistotne w Warunkach euglycemicznych. Co ważne, wszystkie te alternatywne szlaki prowadzą do produkcji ROS, a tym samym nasilają komórkowy stres oksydacyjny. W związku z tym stres redukcyjny, a następnie stres oksydacyjny, obejmuje główny mechanizm zespołu metabolicznego wywołanego hiperglikemią.

1. Wprowadzenie

cukrzyca typu 2 jest na ogół chorobą nadżerczą . Jest to spowodowane przez insulinooporność i zaburzenia wydzielania insuliny indukowane stopniowo i głównie przez wysoki poziom glukozy we krwi w połączeniu z innymi czynnikami, takimi jak otyłość, starzenie się, predyspozycje genetyczne i brak aktywności fizycznej . Utrzymujące się nadmierne odżywianie powoduje stały poziom wysokiego poziomu glukozy we krwi , który jest toksyczny dla układów makronaczyniowych i mikronaczyniowych, efekt znany jako glukootoksyczność . Podczas gdy uważa się , że stres oksydacyjny przyczynia się do patogenezy glukootoksyczności podczas rozwoju cukrzycy i powikłań cukrzycowych, stres redukcyjny spowodowany nadmiarem NADH generowanym przez wysoki poziom glukozy we krwi przyciąga mniejszą uwagę. W tym przeglądzie, śledząc mechanizmy produkcji i recyklingu NADH, podkreślam dowody na to, że stres redukcyjny, po którym następuje stres oksydacyjny, obejmuje podstawowe patogenne mechanizmy przewlekłej hiperglikemii w rozwoju cukrzycy i powikłań cukrzycowych.

2. Euglycemia

prawidłowy poziom glukozy we krwi poniżej 100 mg / dL jest ściśle utrzymywany, regulowany i osiągany przez szybkość wychwytu glukozy przez wszystkie tkanki i szybkość syntezy glukozy przez wątrobę, a w mniejszym stopniu przez nerki . Około 75% całkowitego stężenia glukozy w organizmie jest zużywane przez tkanki niewrażliwe na insulinę, w tym mózg, czerwone krwinki, wątrobę i jelita, podczas gdy reszta jest zużywana przez tkanki wrażliwe na insulinę, w tym mięśnie . Postprandially, gwałtowny wzrost zawartości glukozy we krwi stymuluje wydzielanie insuliny, co powoduje tymczasowy wzrost stężenia insuliny we krwi znany jako hiperinsulinemia. Zwiększenie stężenia glukozy i insuliny we krwi koordynacyjnie hamuje wytwarzanie glukozy w wątrobie i ułatwia wychwyt glukozy przez tkanki niewrażliwe na insulinę . W związku z tym ściśle utrzymuje się euglycemia, która w dużym stopniu zależy nie tylko od prawidłowego wydzielania insuliny z komórek β po stymulacji żywieniowej, ale także od działania insuliny w wątrobie i tkankach obwodowych .

3. Nadh i stres redukcyjny

elektrony z tlenowego rozkładu glukozy są głównie przechowywane w NADH do redukcji tlenu i produkcji ATP. Dlatego NADH jest związkiem redukującym, a jego nadmierna ilość może powodować stres redukcyjny . Nadprodukcja NADH lub brak NAD+ może wywołać akumulację NADH, prowadząc do nierównowagi między NADH i NAD+ i tworząc stan znany jako pseudohypoxia . Jest to stan, w którym tlen nie może być skutecznie zużywany. Spowodowałoby to stres metaboliczny lub zespół metaboliczny, ponieważ często występuje w cukrzycy . Należy zauważyć, że akumulacja GSH i NADPH , ściśle związana z metabolizmem NADH, może również wywoływać stres redukcyjny . Ponieważ mitochondrialny kompleks I jest głównym enzymem odpowiedzialnym za recykling NADH, upośledzenie funkcji kompleksu I może w ten sposób wywoływać akumulację NADH i stres redukcyjny, który może być związany z hamowaniem uwalniania insuliny przez komórki β .

4. Hiperglikemia, podwyższony poziom NADH i mitochondrialne ciśnienie elektronów

szlak glikolityczny rozkłada prawie 80% -90% glukozy w organizmie, podczas gdy szlak fosforanu pentozy zużywa pozostałe 10% -20% w warunkach fizjologicznych . W stanie hiperglikemicznym więcej glukozy przepływa przez szlak glikolityczny, który wytwarza więcej pirogronianu i acetylo-CoA, prowadząc do większej produkcji NADH. Ponieważ NADH jest nośnikiem elektronów, jego nadmiar spowoduje ciśnienie elektronów w mitochondrialnym łańcuchu transportu elektronów . Dotyczy to szczególnie hepatocytów i komórek β trzustki , ponieważ glukokinaza (heksokinaza D) jest enzymem napędzanym przez podaż i enzym ten nie jest hamowany przez glukozo-6-fosforan (G6P) . Dlatego im więcej glukozy, tym więcej wytworzonego G6P zostanie rozbite przez glikolizę i cykl Krebsa, co prowadzi do większej produkcji NADH. Rysunek 1 pokazuje główne konwencjonalne szlaki, które mogą generować więcej NADH, gdy glukokinaza jest używana do fosforylowania glukozy w celu rozkładu glukozy w tkankach, takich jak trzustka i wątroba .

Rysunek 1

konwencjonalne szlaki, które generują NADH poprzez rozkład glukozy poprzez glikolizę i cykl Krebsa. Przedstawiono enzymy biorące udział w recyklingu NADH / NAD+. * DLDH oznacza dehydrogenazę dihydrolipoamidową i jest składnikiem każdego danego kompleksu enzymatycznego, który faktycznie tworzy NADH z NAD+ .

5. Ciśnienie elektronów narzucone przez nadh i produkcja ponadtlenku mitochondrialnego

ciśnienie elektronów indukowane przez nadprodukowany NADH spowoduje duże obciążenie kompleksu mitochondrialnego I, który jest głównym miejscem recyklingu NADH (ryc. 2). W tym stanie kompleks i zareaguje w ramach swojej zdolności do utleniania więcej NADH do NAD+, próbując złagodzić stan pseudohypoksydowy. Nieodłączną naturą strumienia NADH przez kompleks I jest to , że więcej ponadtlenku zostanie również wytworzone, gdy więcej NADH zostanie utlenione przez kompleks I, ponieważ kompleks ten jest również zaangażowany w pompowanie protonów, co prowadzi do proporcjonalnego wzrostu wycieku elektronów, który częściowo zmniejszy tlen, aby uzyskać ponadtlenek . Scenariusz ten może się pogorszyć w Warunkach pseudohipotlenowych, ponieważ mniej NAD+ jest dostępne do transportu elektronów do tlenu, pozostawiając więcej tlenu dostępnego do częściowej redukcji przez wyciekające elektrony z kompleksu I i kompleksu III, ten ostatni jest również zaangażowany w pompowanie protonów . Należy zauważyć, że kompleks II i dehydrogenaza dihydrolipoamidowa mogą również wytwarzać ponadtlenek .

Rysunek 2

utlenianie NADH przez kompleks I w łańcuchu transportu elektronów. Elektrony z NADH są transportowane przez Coq i cytochrom c do tlenu cząsteczkowego. Proces ten polega na pompowaniu protonów, które jest ściśle związane z produkcją ponadtlenku. Przedstawiono również syntezę ATP przez kompleks V napędzany gradientem protonu.

6. Ponadtlenek i stres oksydacyjny

Ponadtlenek jest prekursorem wszystkich reaktywnych form tlenu, które na podwyższonym poziomie mogą powodować stres oksydacyjny. Jak ustalono, ponadtlenek można przekształcić w nadtlenek wodoru przez dysmutazę ponadtlenkową; nadtlenek wodoru można następnie przekształcić w Rodnik hydroksylowy przez jony metali . W międzyczasie ponadtlenek może również reagować z tlenkiem azotu, tworząc peroksynitryn (ONOO−) . Wszystkie te reaktywne gatunki mogą powodować utlenianie białek, lipidów i DNA . W związku z tym stan stresu oksydacyjnego w pełni rozwinął się ze względu na wysoki poziom NADH, osiągając przejście od stresu redukcyjnego do stresu oksydacyjnego . Dlatego stres redukcyjny nie jest odwrotnością stresu oksydacyjnego; faktycznie prowadzi do stresu oksydacyjnego .

7. Hamowanie dehydrogenazy 3-fosforanowej Glicerodehydu i alternatywnych szlaków metabolicznych glukozy

jak zostało omówione powyżej, nadpodaż NADH może prowadzić do nadprodukcji ponadtlenku mitochondrialnego i innych form ROS. Te ROS mogą następnie upośledzać aktywność dehydrogenazy 3-fosforanowej gliceroaldehydu (GAPDH), która jest bardzo wrażliwa na modyfikacje oksydacyjne z powodu wrażliwej na redoks reszty cysteiny w jej centrum aktywnym . Ponadto wysoki poziom NADH hamowałby aktywność GAPDH . Takie upośledzenie łącznie zmniejszyłoby efektywność metabolizmu glukozy poprzez glikolizę i cykl Krebsa, indukując akumulację 3-fosforanu glyceraldehydu (G3P). W związku z tym wszystkie wyżej wymienione produkty pośrednie, w tym G3P, będą musiały być usuwane przez drogi odgałęzienia szlaków glikolitycznych (ryc. 3).

Rysunek 3

drogi odgałęzienia, które są aktywowane do usuwania nadmiaru glukozy, gdy dehydrogenaza 3-fosforanowa gliceroaldehydu (GAPDH) jest inaktywowana przez ROS. Te pięć alternatywnych szlaków, oprócz łańcucha transportu elektronów pokazanego na fig. 2, jest związanych z produkcją ROS, co dodatkowo nasila stres oksydacyjny. Wstawka pokazuje szlak poliolowy. Szlaki w szarej strefie nie będą już skutecznie rozkładać glukozy, gdy GAPDH jest inaktywowany przez modyfikacje posttranslacyjne.

8. Drogi rozgałęzienia i stres oksydacyjny

istnieje pięć szlaków, które mogą odgałęzić się od szlaku glikolitycznego w przewlekłych warunkach hiperglikemii(ryc. 3). Szlaki te są niewielkie i nieistotne w metabolizmie glukozy w Warunkach normoglikemicznych, ale mogą stać się głównymi drogami do przepływu glukozy o wysokim poziomie. Jak zostanie omówione poniżej, wszystkie pięć ścieżek zostały związane z produkcją ROS, stresem oksydacyjnym i patogenezą cukrzycy i powikłań cukrzycowych .

8.1. Szlak Poliolowy

gdy poziom glukozy we krwi jest wysoki, komórkowe szlaki metaboliczne zmieniają się, co zwykle prowadzi do szkodliwych skutków . Głównym szlakiem aktywowanym w odpowiedzi na hiperglikemię jest szlak poliolowy , w którym glukoza jest redukowana przez reduktazę aldozową do postaci sorbitolu, a utworzony sorbitol jest następnie przekształcany do fruktozy przez dehydrogenazę sorbitolu. Ten szlak, jak pokazano na fig. 3 (wstawka), przekształca NADPH w NADH przy użyciu reakcji dwuetapowych i prowadzi do nierównowagi redoks między NADH i NAD+. Ponieważ stosunek NAD+ / NADH zmniejsza się ze względu na wzrost zawartości NADH, może wystąpić stres redukcyjny. Ponieważ reduktaza aldozowa ma bardzo wysoki poziom glukozy, może być aktywowana tylko przez wysoki poziom glukozy. W związku z tym enzym ten można również uznać za enzym napędzany przez podaż . W Warunkach hiperglikemicznych szacuje się, że szlak poliolowy wykorzystuje ponad 30% glukozy w organizmie . Dlatego szlak ten może również znacząco przyczynić się do redukcji stresu i uważa się, że odgrywa ważną rolę w patogenezie powikłań cukrzycowych .

dodatkowo, w pierwszej reakcji szlaku poliolowego (fig. 3) spożywa się NADPH, a gdy poziom NADPH spada, zmniejsza się również zredukowana forma glutationu (GSH). Dzieje się tak dlatego, że reduktaza glutationu potrzebuje NADPH do regeneracji GSH z GSSG (utlenionej formy glutationu) . Gdy poziom GSH obniża się, komórkowa pojemność przeciwutleniacza może być zagrożona, co powoduje podwyższony poziom reaktywnych form tlenu, które mogą atakować makrocząsteczki i wywoływać uszkodzenia oksydacyjne . W związku z tym szlak poliolowy jest również źródłem stresu oksydacyjnego . Należy również podkreślić, że aktywacja szlaku poliolowego w zamian dodatkowo zmniejszy zużycie glukozy przez szlak glikolityczny, ponieważ dehydrogenaza sorbitolu konkuruje z GAPDH w NAD+ . Co więcej, ponieważ syntaza tlenku azotu wykorzystuje również NADPH jako kofaktor, obniżony poziom NADPH może prowadzić do zmniejszenia produkcji tlenku azotu, ułatwiając w ten sposób skurcz naczyń i agregację płytek krwi .

8.2. Szlak Heksozaminy

ten szlak rozgałęzia się od 6-fosforanu fruktozy w szlaku glikolitycznym. 6-fosforan fruktozy jest substratem enzymu amidotransferazy glutaminowo-fruktozowej 6-P (GFAT), który jest enzymem ograniczającym szybkość tego szlaku. GFAT wytwarza glukozaminę 6 – P z fruktozy 6-p, a ta pierwsza jest dalej przekształcana do UDP-N-acetyloglukozaminy, która jest substratem dla specyficznej transferazy o-GlcNAc, która katalizuje posttranslacyjne modyfikacje białek poprzez o-GlcNAc na resztach seryny i treoniny . Wykazano, że zwiększony przepływ glukozy przez ten szlak bierze udział w generowaniu ROS i stresie oksydacyjnym i jest zaangażowany w powikłania cukrzycowe .

8.3. Szlak Aktywacji Kinazy Białkowej C

Fruktoza 1:6-bisfosforan może rozkładać się, tworząc fosforan dihydroksyacetonu i 3-fosforan glicerodehydu, przy czym ten pierwszy jest łatwo izomeryzowany do 3-fosforanu glicerodehydu pod działaniem izomerazy fosforanu triozy. Nagromadzenie 3-fosforanu glicerolowego może zwiększyć syntezę diacyloglicerolu, który jest aktywatorem kinazy białkowej C (PKC). Aktywacja PKC jest znana z tego, że bierze udział w podnoszeniu zawartości TGF-1, endoteliny-1, NF-B i naczyniowego czynnika wzrostu śródbłonka i jest również znana z indukowania produkcji ROS przez oksydazę NADPH, która katalizuje redukcję jednego elektronu tlenu cząsteczkowego do postaci ponadtlenku . Mechanicznie ustalono, że PKC aktywuje oksydazę NADPH przez fosforylowanie podjednostki, wyzwalając translokację tej podjednostki z cytozolu do błony, dzięki czemu łączy się z innymi składnikami, tworząc aktywną oksydazę NADPH, która jest zdolna do wytwarzania ponadtlenku z tlenu . Aktywacja PKC może również indukować oporność na insulinę poprzez hamowanie funkcji syntazy tlenku azotu zależnej od Akt .

8.4. Zaawansowane produkty końcowe glikacji (AGEs)

oprócz szlaku poliolowego, szlak ten był również uważany za główny mechanizm stresu oksydacyjnego w Warunkach hiperglikemii . Wysoki poziom glukozy może indukować tworzenie metyloglioksalu z 3-fosforanu glicerodehydu, gdy funkcja GAPDH jest osłabiona. Methylglyoxal może modyfikować białka poprzez glikację grup aminowych na białkach . Jednym z głównych produktów jest glikowana hemoglobina (HbA1c), która została wykorzystana jako biomarker w cukrzycy . Dlatego ten nieenzymatyczny proces może znacznie upośledzać funkcję białka. Co więcej, wiadomo, że ten szlak glikacji wyzwala ROS i reguluje ekspresję receptora powierzchniowego komórki przez wieki, prowadząc do aktywacji szlaku sygnałowego NF-B i przewlekłego zapalenia .

8.5. Szlak Autoksydacji aldehydu Glicerolowego

ten szlak również odgałęzia się od 3-fosforanu glicerolowego w szlaku glikolitycznym. 3-fosforan gliceroaldehydu powstaje z fruktozy 1:6-bisfosforan przez enzym aldozę. W pewnych warunkach 3-fosforan glyceraldehydu może podlegać autotlenieniu, procesowi, który może wytwarzać nadtlenek wodoru i α-ketoaldehydy w cukrzycy .

9. Stres oksydacyjny, cukrzyca i powikłania cukrzycowe

jak wspomniano powyżej, wszystkie źródła ROS i stresu oksydacyjnego można prześledzić do wysokiego poziomu glukozy we krwi i nadprodukcji NADH. Dlatego przewlekła hiperglikemia nieuchronnie powoduje przewlekły stres redukcyjny, który prowadzi do stresu oksydacyjnego. Ponieważ produkcja ROS jest wspólną cechą wyżej opisanych szlaków, przewlekły stres oksydacyjny z pewnością odgrywa kluczową rolę w rozwoju cukrzycy i powikłań cukrzycowych . Rzeczywiście, donoszono, że ROS może indukować oporność na insulinę, zaburzać syntezę insuliny i zaburzać wydzielanie insuliny z komórek beta. Dodatkowo wykazano, że biomarkery stresu oksydacyjnego są zwiększone u osób wykazujących oporność na insulinę lub zaburzenie wydzielania insuliny, co wskazuje na dodatnią korelację między stresem oksydacyjnym a opornością na insulinę i zaburzeniem wydzielania insuliny. Ponadto liczne badania wykazały również, że ROS są zaangażowane w etiologię powikłań cukrzycowych, w tym retinopatii, neuropatii, kardiomiopatii i nefropatii . Biorąc pod uwagę , że stres oksydacyjny pochodzi z narzuconego przez nadh stresu redukcyjnego, łagodzenie stresu redukcyjnego wywołanego hiperglikemią może zapewnić potencjalne podejścia terapeutyczne do zapobiegania rozwojowi cukrzycy i powikłań cukrzycowych.

10. Wniosek

utrzymujące się wysokie stężenie glukozy we krwi jest wysoce toksyczne . Nie tylko indukuje insulinooporność, ale także upośledza wydzielanie insuliny przez komórki β trzustki . Z biegiem czasu, hiperglikemia będzie produkować szkodliwy wpływ na Układy macrovascular i microvascular . Rysunek 4 schematycznie podsumowuje szlaki omówione w tym przeglądzie i ich patogenne role w przewlekłej hiperglikemii poprzez NADH, ROS i stres oksydacyjny. Ponieważ hiperglikemia powoduje nadmierną produkcję acetylo-CoA, który zasila cykl Krebsa, powodując nadmiar NADH, mitochondrialny łańcuch transportu elektronów jest zatem pod silnym ciśnieniem elektronów . Dlatego utlenianie nadprodukowanego NADH przez mitochondria nieuchronnie doprowadzi do produkcji większej ilości ponadtlenku , a tym samym większej ilości ROS, co z kolei może atakować i inaktywować GAPDH. Spowoduje to nagromadzenie glikolitycznych metabolitów przed 3-fosforanem glicerodehydu i aktywuje alternatywne szlaki usuwania glukozy, które wszystkie są związane z produkcją ROS, a tym samym zwiększy wielkość stresu oksydacyjnego . Dlatego stres redukcyjny, po którym następuje stres oksydacyjny, może służyć jako główny mechanizm glukootoksyczności w przewlekłych warunkach hiperglikemii. Wzrost utleniania NADH przez mitochondria bez towarzyszącego wzrostu produkcji ROS może być potencjalnym podejściem terapeutycznym w przypadku cukrzycy i powikłań cukrzycowych.

Rysunek 4

hiperglikemia indukuje nadprodukcję NADH i mitochondrialnego ROS, które hamują aktywność GAPDH. Hamowanie to aktywuje alternatywne szlaki metaboliczne glukozy, które dodatkowo wytwarzają ROS zaangażowane w glukootoksyczność, która jest odpowiedzialna za rozwój cukrzycy i powikłań cukrzycowych. ETC: łańcuch transportu elektronów.

konflikt interesów

autor oświadcza, że nie ma konfliktu interesów w związku z publikacją niniejszego artykułu.

Liang-Jun Yan jest częściowo wspierany przez Grant Narodowego Instytutu zaburzeń neurologicznych i udaru mózgu (R01NS079792).