patogénese da hiperglicemia crónica: do Stress redutor ao Stress oxidativo

Abstract

a sobreNutrição crónica cria uma hiperglicemia crónica que pode gradualmente induzir resistência à insulina e compromisso da secreção de insulina. Estes distúrbios, se não intervirem, serão eventualmente seguidos pelo aparecimento de diabetes Franca. Os mecanismos deste processo patogênico crônico são complexos, mas tem sido sugerido envolver a produção de espécies reativas de oxigênio (ROS) e estresse oxidativo. Nesta revisão, destaco a evidência de que a redução de estresse impostas pelo overflux de NADH através da cadeia de transporte de elétrons mitocondrial é a fonte de estresse oxidativo, que é baseado em estabelecimentos que mais NADH de reciclagem, mitocôndrias, complexo de eu leva mais de electrões de fuga e, portanto, mais produção de ROS. Os níveis elevados de NADH e ROS podem inibir e inactivar a gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase (GAPDH), respectivamente, resultando no bloqueio da via glicolítica e na acumulação do 3-fosfato de glicerol e dos seus metabolitos anteriores ao longo da via. Esta acumulação inicia em seguida todas as vias metabólicas alternativas da glucose, tais como a via de poliol e as vias de glicação avançadas que, de outro modo, são menores e insignificantes em condições euglicémicas. O que é importante é que todas estas vias alternativas levam à produção de ROS, agravando assim o stress oxidativo celular. Assim, o stress redutor seguido de stress oxidativo compreende um mecanismo principal da síndrome metabólica induzida pela hiperglicemia.

1. Introdução a diabetes tipo 2 é geralmente uma doença sobrenutricional . É causada pela resistência à insulina e pela diminuição da secreção de insulina induzida gradualmente e principalmente pela glucose alta no sangue em conjunto com outros factores como obesidade, envelhecimento, predisposição genética e inactividade física . A sobreNutrição persistente cria um nível estável de glucose alta no sangue que é tóxica para os sistemas macrovascular e microvascular , um efeito conhecido como glucotoxicidade . Embora se pense que o estresse oxidativo contribui para a patogênese da glucotoxicidade durante o desenvolvimento da diabetes e complicações diabéticas , o estresse redutor devido ao excesso de NADH gerado pela glicose alta no sangue atraiu menos atenção. Nesta revisão, seguindo os mecanismos de produção e reciclagem de NADH, destaco evidências de que o estresse redutor seguido pelo estresse oxidativo compreende os mecanismos patogênicos fundamentais da hiperglicémia crônica no desenvolvimento da diabetes e complicações diabéticas.

2. A euglicemia

um nível normal de glucose sanguínea inferior a 100 mg/dL é firmemente mantido, regulado e atingido pela velocidade de captação de glucose por todos os tecidos e pela velocidade de síntese de glucose pelo fígado e por uma menor magnitude pelo rim . Aproximadamente, 75% da glicose total do organismo é consumida por tecidos insensíveis à insulina, incluindo o cérebro, os glóbulos vermelhos, o fígado e o intestino, enquanto o resto é consumido por tecidos sensíveis à insulina, incluindo o músculo . Pós-prandialmente, um rápido aumento do conteúdo de glucose sanguínea estimula a secreção de insulina, resultando num aumento temporário da concentração de insulina no sangue conhecida como hiperinsulinemia. Os aumentos das concentrações sanguíneas de glucose e insulina inibem, de forma coordenada, a produção de glucose pelo fígado e facilitam a captação de glucose por tecidos insensíveis à insulina . Portanto, a euglicemia é rigorosamente mantida, que é altamente dependente não só da secreção adequada de insulina das células-β na estimulação nutricional, mas também da ação de insulina no fígado e tecidos periféricos .

3. A resistência NADH e redutiva

electrões da degradação aeróbica da glucose são armazenados principalmente em NADH para redução do oxigénio e produção de ATP. Portanto, NADH é um composto redutor e uma quantidade excessiva pode causar estresse redutor . A superprodução de NADH ou a falta de NAD+ pode induzir a acumulação de NADH, levando ao desequilíbrio entre NADH e NAD+ e criando uma condição conhecida como pseudohypoxia . Esta é uma condição sob a qual o oxigênio não pode ser efetivamente consumido. Isso causaria estresse metabólico ou síndrome metabólica como muitas vezes ocorre na diabetes . Note-se que a acumulação do GSH e do NADPH, estreitamente ligada ao metabolismo do NADH , também pode induzir stress redutor . Como o complexo mitocondrial I é a principal enzima responsável pela reciclagem de NADH, a insuficiência da função I complexa pode, assim, induzir acumulação de NADH e stress redutor que podem estar ligados à inibição da libertação de insulina pelas células β .

4. Hiperglicemia, níveis elevados de NADH e pressão de elétrons mitocondriais

a via glicolítica quebra cerca de 80% -90% da glicose corporal, enquanto a via de fosfato de pentose consome os restantes 10% -20% sob condição fisiológica . Sob condição hiperglicémica, mais glucose flui através da via glicolítica que produz mais piruvato e acetil-CoA, levando a mais produção de NADH. Como NADH é um portador de elétrons, excesso de quantidade causará uma pressão eletrônica na cadeia de transporte de elétrons mitocondrial . Isto aplica-se particularmente aos hepatócitos e às células β pancreáticas na medida em que a glucoquinase (hexoquinase D) é uma enzima induzida pelo fornecimento , e esta enzima não é inibida pela glucose-6-fosfato (G6P) . Portanto, quanto mais glicose, mais G6P produzido que será quebrado através de glicólise e ciclo Krebs, levando a mais produção de NADH. A figura 1 mostra as principais vias convencionais que podem gerar mais NADH quando a glucoquinase é utilizada para fosforilar glucose para a degradação da glucose em tecidos como o pâncreas e o fígado .

Figura 1

as vias convencionais que geram NADH através da quebra da glucose através da glicólise e do ciclo Krebs. São apresentadas as enzimas envolvidas na reciclagem do NADH/NAD+. * DLDH significa dihidrolipoamida desidrogenase e é o componente em cada complexo enzimático que realmente faz NADH a partir de NAD+ .

5. A pressão de electrões imposta pela NADH e a produção de superóxido mitocondrial

a pressão de electrões induzida pela NADH produzida em excesso irá sobrecarregar fortemente o complexo mitocondrial I, que é o principal local de reciclagem da NADH (Figura 2). Sob esta condição, complexo eu responderei dentro de sua capacidade de oxidar mais NADH para NAD+, em uma tentativa de melhorar a condição pseudohipóxica. Natureza inerente de NADH fluxo através de um complexo I é a que mais superóxido também será feita quando mais NADH é oxidado pelo complexo I, conforme este complexo também está envolvido no bombeamento de prótons , levando a um aumento proporcional de elétrons fugas, que será parcialmente, reduzir o oxigênio para produzir superóxido . Este cenário poderia piorar sob condições pseudohipóxicas como menos NAD+ está disponível para o transporte de elétrons para oxigênio , deixando mais oxigênio disponível para redução parcial pelos elétrons vazados do complexo I e complexo III, este último sendo também envolvido no bombeamento de prótons . Note-se que o complexo II e a dihidrolipoamida desidrogenase podem também produzir superóxido .

Figura 2

oxidação NADH por complexo I na cadeia de transporte de electrões. Elétrons de NADH são transportados via CoQ e citocromo c para oxigênio molecular. Este processo envolve bombeamento de prótons que está intimamente ligado à produção de superóxido. A síntese de ATP pelo complexo V impulsionado pelo gradiente de prótons também é mostrada.

6. Superóxido e estresse oxidativo

superóxido é o precursor de todas as espécies reativas de oxigênio que em níveis elevados podem causar estresse oxidativo . Como foi estabelecido, o superóxido pode ser convertido em peróxido de hidrogênio por superóxido dismutase; peróxido de hidrogênio pode então ser convertido para formar o radical hidroxilo por íons metálicos . Entretanto, o superóxido também pode reagir com óxido nítrico para produzir peroxinitrite (ONOO−) . Todas essas espécies reativas podem causar oxidação de proteínas, lípidos e DNA . Consequentemente, uma condição de stress oxidativo desenvolveu-se completamente devido a um elevado nível de NADH, alcançando a transição do stress redutor para o stress oxidativo . Portanto, o estresse redutor não é o reverso do estresse oxidativo; ele realmente leva ao estresse oxidativo .

7. Inibição do gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase e vias metabólicas alternativas da Glucose

como já foi discutido acima, um excesso de NADH pode levar à superprodução de superóxido mitocondrial e outras formas de ROS. Estes ROS podem então prejudicar a actividade do gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase (GAPDH) que é muito sensível às modificações oxidativas devido a um resíduo de cisteína sensível ao redox no seu centro activo . Adicionalmente, um elevado nível de NADH também inibiria a actividade da GAPDH . Tais deficiências diminuiriam colectivamente a eficiência do metabolismo da glucose através da glicólise e do ciclo Krebs, induzindo a acumulação de 3-fosfato de gliceraldeído (G3P). Por conseguinte, todos os produtos intermédios acima referidos e incluindo o G3P terão de ser eliminados por vias que se ramifiquem das vias glicolíticas (Figura 3) .

Figura 3

filial-off caminhos que são ativados para eliminar o excesso de glicose quando glyceraldehyde 3-fosfato desidrogenase (GAPDH) é inativada por ROS. Estas cinco vias alternativas, além da cadeia de transporte de elétrons mostrada na Figura 2, estão ligadas à produção de ROS, exacerbando ainda mais o estresse oxidativo. O Inset mostra a via do poliol. As vias na área cinzenta deixariam de decompor eficientemente a glucose quando o GAPDH é inactivado por modificações pós-translacionais.

8. As vias ramificadas e o Stress oxidativo

existem cinco vias que podem ramificar-se da via glicolítica em condições hiperglicémicas crónicas (Figura 3). Estas vias são pequenas e insignificantes no metabolismo da glucose em condições normoglicémicas, mas podem tornar-se vias principais para fluir glucose de alto nível. Como será discutido abaixo, todas as cinco vias foram ligadas à produção de ROS, estresse oxidativo, e à patogênese da diabetes e complicações diabéticas .

8.1. A via do poliol

quando o nível de glucose no sangue é elevado, as vias metabólicas celulares mudam, o que geralmente leva a efeitos deletérios . Uma via principal que é activada em resposta à hiperglicemia é a via poliol , na qual a glucose é reduzida pela aldose redutase para formar sorbitol, e o sorbitol formado é então convertido em frutose por sorbitol desidrogenase. Esta via, como mostrado na Figura 3 (Inset), converte NADPH em NADH usando duas reações de passo e leva ao desequilíbrio redox entre NADH e NAD+. À medida que a proporção de nad+/NADH diminui devido a um aumento do conteúdo de NADH, pode ocorrer stress redutor. Como a aldose redutase tem um Km muito elevado de glicose , ela só pode ser ativada por um alto nível de glicose. Por conseguinte, esta enzima também pode ser considerada como uma enzima de alimentação. Em condições hiperglicémicas, estima-se que a via poliol utilize mais de 30% da glucose corporal . Portanto, esta via também pode contribuir significativamente para o estresse redutor e tem sido pensado para desempenhar um papel importante na patogênese das complicações diabéticas .Adicionalmente, na primeira reacção da Via do poliol (Figura 3 inset), o NADPH é consumido e, quando o nível do NADPH diminui, a forma de glutationa (GSH) também é reduzida. Isto porque a glutationa redutase precisa de NADPH para regenerar GSH a partir de GSSG (forma oxidada de glutationa) . À medida que o nível de GSH diminui, a capacidade antioxidante celular pode ser comprometida, resultando em níveis elevados de espécies reativas de oxigênio que podem atacar macromoléculas e induzir danos oxidativos . Portanto, a via poliol é também uma fonte de stress oxidativo . Deve também salientar-se que a activação da via poliol, em troca, irá diminuir ainda mais o consumo de glucose pela via glicolítica, uma vez que a desidrogenase do sorbitol compete com o GAPDH para o NAD+ . Além disso, uma vez que o óxido nítrico sintase também utiliza o NADPH como cofactor, um nível reduzido de NADPH pode levar a uma diminuição na produção de óxido nítrico, facilitando assim a vasoconstrição e a agregação plaquetária .

8.2. A via da Hexosamina

esta via ramifica-se da frutose 6-fosfato na via glicolítica. Frutose 6-fosfato é o substrato da enzima glutamina-frutose 6-P amidotransferase (GFAT), que é a enzima limitadora da taxa para esta via. GFAT faz glucosamina 6-P de frutose 6-P e o anterior é ainda convertidos para UDP-N-acetylglucosamine, que é o substrato específico de O-GlcNAc transferase, que catalisa posttranslational modificações de proteínas através de O-GlcNAc em serina e treonina resíduos . O aumento do fluxo de glucose através desta via tem demonstrado estar envolvido na geração de ROS e no estresse oxidativo e tem sido implicado em complicações diabéticas .

8.3. Via De Activação Da Proteína Cinase C

Frutose 1:O 6-bifosfato pode decompor-se para formar fosfato de di-hidroxiacetona e 3-fosfato de gliceraldeído, sendo o primeiro facilmente isomerizado para 3-fosfato de gliceraldeído sob a ação da triose fosfato isomerase. A acumulação do 3-fosfato de gliceraldeído pode aumentar a síntese do diacilglicerol que é um activador da proteína cinase C (PKC). A ativação PKC é conhecida por estar envolvida no aumento do conteúdo de TGF — 1, endotelina-1, NF-B, e fator de crescimento endotelial vascular e também é conhecida por induzir a produção de ROS pela NADPH oxidase que cataliza uma redução de elétrons do oxigênio molecular para formar superóxido . Mecanicamente, foi estabelecido que o PKC ativa a NADPH oxidase por fosforilação da subunidade, desencadeando a translocação desta subunidade do citosol para a membrana, onde se reúne com outros componentes para formar uma NADPH oxidase ativa que é capaz de fazer superóxido de oxigênio . A activação do PKC também pode induzir resistência à insulina inibindo a função Akt-dependente do óxido nítrico sintase .

8.4. Produtos finais da glicação avançada (idades)

para além da Via do poliol, pensa-se que esta via é também um mecanismo principal de stress oxidativo em condições hiperglicémicas . Um elevado nível de glucose pode induzir a formação de metilglioxal a partir do 3-fosfato de gliceraldeído, quando a função GAPDH está comprometida. O metilglioxal pode modificar proteínas através da glicação de grupos aminoácidos em proteínas . Um dos principais produtos é a hemoglobina glicada (HbA1c) que tem sido usado como um biomarcador para a diabetes . Portanto, este processo nãoenzimático pode prejudicar grandemente a função proteica. Além disso, sabe-se que esta via de glicação libera ROS e eleva a expressão do receptor da superfície celular por idades, levando à ativação da via sinalizadora NF-B e inflamação crônica .

8.5. A via de Autoxidação do gliceraldeído

esta via também se ramifica do gliceraldeído 3-fosfato na via glicolítica. 3-fosfato de gliceraldeído é formado a partir de frutose 1:6-bisphospato pela enzima aldose. Sob certas condições, o 3-fosfato de gliceraldeído pode sofrer autoxidação, um processo que pode gerar peróxido de hidrogénio e α-cetoaldehides na diabetes mellitus .

9. Estresse oxidativo, Diabetes e complicações diabéticas

como discutido acima, todas as fontes de ROS e estresse oxidativo podem ser rastreadas até glicose alta no sangue e superprodução de NADH. Portanto, a hiperglicemia crónica causaria inevitavelmente stress redutor crónico que conduz a stress oxidativo. Como a produção de ROS é uma característica comum das vias acima descritas, o estresse oxidativo crônico certamente desempenha um papel central no desenvolvimento de diabetes e complicações diabéticas . Com efeito , foi notificado que a ROS pode induzir resistência à insulina , prejudicar a síntese de insulina e afectar a secreção de insulina das células beta . Adicionalmente , os biomarcadores de stress oxidativo demonstraram estar aumentados em indivíduos que apresentam resistência à insulina ou compromisso da secreção de insulina, indicando uma correlação positiva entre stress oxidativo e resistência à insulina e compromisso da secreção de insulina. Além disso, numerosos estudos também estabeleceram que a esclerose múltipla está envolvida na etiologia das complicações diabéticas, incluindo retinopatia, neuropatia, cardiomiopatia e nefropatia . Dado que o stress oxidativo se origina do stress redutor imposto pelo NADH , o stress redutor atenuante desencadeado pela hiperglicemia pode proporcionar potenciais abordagens terapêuticas para prevenir o desenvolvimento de diabetes e complicações diabéticas.

10. Conclusão

a glucose elevada persistente no sangue é altamente tóxica . Não só induz a resistência à insulina como também prejudica a secreção de insulina pelas células β pancreáticas . Com o tempo, a hiperglicemia produzirá efeitos prejudiciais nos sistemas macrovascular e microvascular . A figura 4 resume esquematicamente as vias discutidas nesta revisão e os seus papéis patogênicos na hiperglicemia crónica via NADH, ROS e estresse oxidativo. Como a hiperglicemia resulta em produção excessiva de acetil-CoA que se alimenta no ciclo de Krebs, fazendo o excesso de NADH, a cadeia de transporte de elétrons mitocondrial está, portanto, sob forte pressão eletrônica . Por conseguinte , a oxidação do NADH produzido em excesso pelas mitocôndrias conduzirá inevitavelmente à produção de mais superóxido e, consequentemente, de mais ROS, o que, por sua vez, pode atacar e inactivar o GAPDH. Tal provocaria a acumulação de metabolitos glicolíticos a montante do 3-fosfato de gliceraldeído e activaria as vias alternativas de eliminação da glucose que estão todas ligadas à produção de ROS, aumentando assim a magnitude do stress oxidativo . Assim, o stress redutor seguido de stress oxidativo pode ser o principal mecanismo de glucotoxicidade em condições hiperglicémicas crónicas. Um aumento na oxidação de NADH por mitocôndria sem um aumento associado na produção de ROS pode ser uma abordagem terapêutica potencial para diabetes e complicações diabéticas.

Figura 4

a hiperglicemia induz a superprodução de ROS NADH e mitocondrial que inibem a actividade da GAPDH. Esta inibição, em seguida, activa as vias metabólicas alternativas da glucose, que produzem ainda mais ROS envolvidos na glucotoxicidade, que é responsável pelo desenvolvimento de diabetes e complicações diabéticas. ETC: cadeia de transporte de electrões.

conflito de interesses

o autor declara que não há conflito de interesses em relação à publicação deste artigo.

reconhecimento

Liang-Jun Yan é apoiado em parte por uma subvenção do Instituto Nacional de Distúrbios Neurológicos e AVC (R01NS079792).