patogeneza hiperglicemiei cronice: de la stresul reductiv la stresul oxidativ

rezumat

supranutriția cronică creează hiperglicemie cronică care poate induce treptat rezistența la insulină și afectarea secreției de insulină. Aceste tulburări, dacă nu au intervenit, vor fi în cele din urmă urmate de apariția diabetului sincer. Mecanismele acestui proces patogen cronic sunt complexe, dar s-a sugerat că implică producerea de specii reactive de oxigen (ROS) și stres oxidativ. În această revizuire, subliniez dovezi că stresul reductiv impus de suprafluxul NADH prin lanțul de transport al electronilor mitocondriali este sursa stresului oxidativ, care se bazează pe unități care reciclează mai mult NADH prin complexul mitocondrial i duce la mai multe scurgeri de electroni și, prin urmare, la o producție mai mare de ROS. Nivelurile crescute ale NADH și ROS pot inhiba și inactiva gliceraldehida 3-fosfat dehidrogenază (GAPDH), respectiv, ducând la blocarea căii glicolitice și acumularea de glicerol 3-fospat și metaboliții săi anteriori de-a lungul căii. Această acumulare inițiază apoi toate acele căi metabolice alternative ale glucozei, cum ar fi calea poliolului și căile avansate de glicare, care altfel sunt minore și nesemnificative în condiții euglicemice. Important, toate aceste căi alternative duc la producerea ROS, agravând astfel stresul oxidativ celular. Prin urmare, stresul reductiv urmat de stresul oxidativ cuprinde un mecanism major al sindromului metabolic indus de hiperglicemie.

1. Introducere

diabetul de tip 2 este, în general, o boală overnutritional . Este cauzată de rezistența la insulină și de afectarea secreției de insulină indusă treptat și în principal de glicemia ridicată în combinație cu alți factori, cum ar fi obezitatea, îmbătrânirea, predispoziția genetică și inactivitatea fizică . Supranutriția persistentă creează un nivel constant de glicemie ridicată , care este toxică pentru sistemele macrovasculare și microvasculare, un efect cunoscut sub numele de glucotoxicitate . În timp ce se crede că stresul oxidativ contribuie la patogeneza glucotoxicității în timpul dezvoltării diabetului și a complicațiilor diabetice , stresul reductiv datorat excesului de NADH generat de glicemia ridicată a atras mai puțină atenție. În această revizuire, urmărind mecanismele de producție și reciclare a NADH, evidențiez dovezi că stresul reductiv urmat de stresul oxidativ cuprinde mecanismele patogene fundamentale ale hiperglicemiei cronice în dezvoltarea diabetului și a complicațiilor diabetice.

2. Euglicemia

un nivel normal al glicemiei sub 100 mg/dL este bine menținut, reglat și obținut prin rata de absorbție a glucozei de către toate țesuturile și rata de sinteză a glucozei de către ficat și la o magnitudine mai mică de către rinichi . Aproximativ 75% din glucoza totală a organismului este consumată de țesuturile insensibile la insulină, inclusiv creierul, celulele roșii din sânge, ficatul și intestinul, în timp ce restul este consumat de țesuturile sensibile la insulină, inclusiv de mușchi . Postprandial, o creștere rapidă a conținutului de glucoză din sânge stimulează secreția de insulină, rezultând o creștere temporară a concentrației de insulină din sânge cunoscută sub numele de hiperinsulinemie. Creșterile concentrațiilor sanguine de glucoză și insulină inhibă în mod coordonat producția de glucoză de către ficat și facilitează absorbția glucozei de către țesuturile insensibile la insulină . Prin urmare, euglicemia este strict menținută, ceea ce depinde în mare măsură nu numai de secreția adecvată de insulină din celulele de la VIII la stimularea nutrițională, ci și de acțiunea insulinei în ficat și țesuturile periferice .

3. NADH și stresul reductiv

electronii din defalcarea aerobă a glucozei sunt depozitați în principal în NADH pentru reducerea oxigenului și producția de ATP. Prin urmare, NADH este un compus reducător și o cantitate excesivă din acesta poate provoca stres reductiv . Supraproducția NADH sau lipsa NAD + poate induce acumularea de NADH, ducând la dezechilibru între NADH și NAD+ și creând o afecțiune cunoscută sub numele de pseudohipoxie . Aceasta este o condiție în care oxigenul nu poate fi consumat eficient. Acest lucru ar provoca stres metabolic sau sindrom metabolic, deoarece apare adesea în diabet . Trebuie remarcat faptul că acumularea de GSH și NADPH, strâns legată de metabolismul NADH , poate induce, de asemenea, stres reductiv . Deoarece complexul mitocondrial I este enzima majoră responsabilă de reciclarea NADH, afectarea funcției complexului i poate induce astfel acumularea NADH și stresul reductiv care ar putea fi legat de inhibarea eliberării insulinei de către celulele-inqc .

4. Hiperglicemie, niveluri ridicate de NADH și presiunea electronului mitocondrial

calea glicolitică descompune aproape 80% -90% din glucoza organismului, în timp ce calea fosfat de pentoză consumă restul de 10% -20% în condiții fiziologice . În condiții hiperglicemice, mai multă glucoză va curge prin calea glicolitică care produce mai mult piruvat și acetil-CoA, ducând la o producție mai mare de NADH. Deoarece NADH este un purtător de electroni, cantitatea excesivă din acesta va provoca o presiune electronică asupra lanțului de transport al electronilor mitocondriali . Acest lucru este valabil mai ales pentru hepatocite și celule pancreatice în care glucokinaza (hexokinaza D) este o enzimă bazată pe aprovizionare și această enzimă nu este inhibată de glucoză-6-fosfat (G6P) . Prin urmare, cu cât este mai multă glucoză, cu atât mai mult G6P produs va fi descompus prin glicoliză și ciclul Krebs, ducând la o producție mai mare de NADH. Figura 1 prezintă principalele căi convenționale care pot genera mai mult NADH atunci când glucokinaza este utilizată pentru fosforilarea glucozei pentru descompunerea glucozei în țesuturi precum pancreasul și ficatul .

Figura 1

căile convenționale care generează NADH prin descompunerea glucozei prin glicoliză și ciclul Krebs. Sunt prezentate enzimele implicate în reciclarea NADH/NAD+. * DLDH înseamnă dihidrolipoamidă dehidrogenază și este componenta din fiecare complex enzimatic dat care face de fapt NADH din NAD+ .

5. Presiunea Electronică impusă de NADH și producția de superoxid mitocondrial

presiunea electronică indusă de NADH supraprodus va plasa o povară grea asupra complexului mitocondrial I, care este locul principal pentru reciclarea NADH (Figura 2). În această condiție, complex I va răspunde în capacitatea sa de a oxida mai mult NADH la NAD+, în încercarea de a ameliora starea pseudohipoxică. O natură inerentă a fluxului NADH prin complexul I este că se va produce și mai mult superoxid atunci când mai mult NADH este oxidat de complexul I , deoarece acest complex este implicat și în pomparea protonilor, ducând la o creștere proporțională a scurgerilor de electroni care va reduce parțial oxigenul pentru a produce superoxid . Acest scenariu s-ar putea agrava în condiții pseudohipoxice , deoarece mai puțin NAD+ este disponibil pentru transportul electronilor către oxigen, lăsând mai mult oxigen disponibil pentru reducerea parțială de către electronii scursi din complexul I și complexul III, acesta din urmă fiind implicat și în pomparea protonilor . Trebuie remarcat faptul că complexul II și dihidrolipoamida dehidrogenază ar putea produce, de asemenea, superoxid .

Figura 2

oxidarea NADH prin complexul I în lanțul de transport al electronilor. Electronii de la NADH sunt transportați prin CoQ și citocrom c la oxigen molecular. Acest proces implică pomparea protonilor care este strâns legată de producția de superoxid. Este prezentată și sinteza ATP prin complexul V condus de gradientul de protoni.

6. Superoxidul și stresul oxidativ

superoxidul este precursorul tuturor speciilor reactive de oxigen care la niveluri ridicate pot provoca stres oxidativ . După cum s-a stabilit, superoxidul poate fi transformat în peroxid de hidrogen prin superoxid dismutază; peroxidul de hidrogen poate fi apoi transformat pentru a forma radical hidroxil de ioni metalici . Între timp, superoxidul poate reacționa și cu oxidul nitric pentru a produce peroxinitrit (ONOO−) . Toate aceste specii reactive pot provoca oxidarea proteinelor, lipidelor și ADN-ului . În consecință, o stare de stres oxidativ s-a dezvoltat pe deplin datorită unui nivel ridicat de NADH, realizând trecerea de la stresul reductiv la stresul oxidativ . Prin urmare, stresul reductiv nu este inversul stresului oxidativ; de fapt duce la stres oxidativ .

7. Inhibarea Gliceraldehidei 3-fosfat dehidrogenazei și a căilor metabolice alternative ale glucozei

după cum s-a discutat mai sus, o cantitate excesivă de NADH poate duce la supraproducția de superoxid mitocondrial și alte forme de ROS. Aceste ROS pot afecta apoi activitatea gliceraldehidei 3-fosfat dehidrogenazei (GAPDH) care este foarte sensibilă la modificările oxidative datorate unui reziduu de cisteină sensibil la redox în centrul său activ . În plus, un nivel ridicat de NADH ar inhiba, de asemenea, activitatea GAPDH . Astfel de deficiențe ar reduce în mod colectiv eficiența metabolismului glucozei prin glicoliză și ciclul Krebs, inducând acumularea de gliceraldehidă 3-fosfat (G3P). Prin urmare, toate produsele intermediare de mai sus și inclusiv G3P vor trebui eliminate pe căi care se ramifică de pe căile glicolitice (Figura 3) .

Figura 3

căile ramificate care sunt activate pentru a elimina excesul de glucoză atunci când gliceraldehida 3-fosfat dehidrogenază (GAPDH) este inactivată de ROS. Aceste cinci căi alternative, pe lângă lanțul de transport al electronilor prezentat în Figura 2, sunt legate de producția de ROS, exacerbând astfel și mai mult stresul oxidativ. Inserția prezintă calea poliolului. Căile din zona gri nu ar mai descompune eficient glucoza atunci când GAPDH este inactivat prin modificări posttranslaționale.

8. Căile de ramificare și stresul oxidativ

au existat cinci căi care se pot ramifica pe calea glicolitică în condiții hiperglicemice cronice (Figura 3). Aceste căi sunt minore și nesemnificative în metabolismul glucozei în condiții normoglicemice, dar pot deveni căi majore către fluxul de glucoză la nivel înalt. După cum se va discuta mai jos, toate cele cinci căi au fost legate de producția de ROS, stresul oxidativ și patogeneza diabetului și a complicațiilor diabetice .

8.1. Calea Poliolului

când nivelul glicemiei este ridicat, căile metabolice celulare se schimbă, ceea ce duce de obicei la efecte dăunătoare . O cale majoră care este activată ca răspuns la hiperglicemie este calea poliolului , în care glucoza este redusă de aldoză reductază pentru a forma sorbitol, iar sorbitolul format este apoi transformat în fructoză de sorbitol dehidrogenază. Această cale, așa cum se arată în Figura 3 (Inset), convertește NADPH la NADH folosind reacții în două etape și duce la dezechilibru redox între NADH și NAD+. Pe măsură ce raportul dintre NAD+/NADH scade din cauza creșterii conținutului de NADH, poate rezulta stres reductiv. Deoarece Aldoza reductaza are un Km foarte mare pentru glucoză, aceasta poate fi activată numai de un nivel ridicat de glucoză. Prin urmare, această enzimă ar putea fi, de asemenea, considerată ca o enzimă bazată pe aprovizionare . În condiții hiperglicemice, calea poliolului a fost estimată să utilizeze mai mult de 30% din glucoza organismului . Prin urmare, această cale poate contribui, de asemenea, semnificativ la stresul reductiv și s-a crezut că joacă un rol important în patogeneza complicațiilor diabetice .

în plus, în prima reacție a căii poliol (figura 3 inset), NADPH este consumat și, atunci când nivelul NADPH scade, la fel și forma redusă de glutation (GSH). Acest lucru se datorează faptului că glutation reductaza are nevoie de NADPH pentru a regenera GSH din GSSG (forma oxidată de glutation) . Pe măsură ce nivelul GSH scade, capacitatea antioxidantă celulară poate fi compromisă, rezultând niveluri ridicate de specii reactive de oxigen care pot ataca macromoleculele și pot induce daune oxidative . Prin urmare, calea poliolului este, de asemenea, o sursă de stres oxidativ . De asemenea, trebuie subliniat faptul că activarea căii poliolului în schimb va reduce și mai mult consumul de glucoză pe calea glicolitică, deoarece sorbitol dehidrogenaza concurează cu GAPDH pentru NAD+ . Mai mult, deoarece sintaza de oxid nitric folosește și NADPH ca cofactor, un nivel scăzut de NADPH poate duce la o scădere a producției de oxid nitric, facilitând astfel vasoconstricția și agregarea plachetară .

8.2. Calea Hexozaminei

această cale se ramifică din fructoză 6-fosfat în calea glicolitică. Fructoza 6-fosfat este substratul enzimei glutamină-fructoză 6-p amidotransferază (GFAT), care este enzima care limitează viteza pentru această cale. GFAT produce glucozamina 6-P Din fructoza 6-P, iar prima este transformată în continuare în UDP-N-acetilglucozamină, care este substratul pentru transferaza specifică o-GlcNAc care catalizează modificările posttranslaționale ale proteinelor prin O-GlcNAc pe reziduurile de serină și treonină . Fluxul crescut de glucoză prin această cale s-a dovedit a fi implicat în generarea ROS și stresul oxidativ și a fost implicat în complicațiile diabetice .

8.3. Calea De Activare A Protein Kinazei C

Fructoză 1:6-bifosfatul se poate descompune pentru a forma fosfat de dihidroxiacetonă și gliceraldehidă 3-fosfat, primul fiind ușor izomerizat în gliceraldehidă 3-fosfat sub acțiunea izomerazei de trioză fosfat. Acumularea de gliceraldehidă 3-fosfat poate crește sinteza diacilglicerolului care este un activator al protein kinazei C (PKC). Activarea PKC este cunoscută a fi implicată în creșterea conținutului de TGF–1, endotelină-1, NF-B și factor de creștere endotelial vascular și este, de asemenea, cunoscut pentru a induce producția de ROS de NADPH oxidază care catalizează o reducere electronică a oxigenului molecular pentru a forma superoxid . Din punct de vedere mecanic, s-a stabilit că PKC activează NADPH oxidaza prin fosforilarea subunității, declanșând translocarea acestei subunități de la citosol la membrană prin care se asamblează cu alte componente pentru a forma o NADPH oxidază activă care este capabilă să producă superoxid din oxigen . Activarea PKC poate induce, de asemenea, rezistența la insulină prin inhibarea funcției de oxid nitric sintază dependentă de Akt .

8.4. Produse finale avansate de glicare (AGEs)

în plus față de calea poliolului, această cale a fost, de asemenea, considerată a fi un mecanism major al stresului oxidativ în condiții hiperglicemice . Nivelul ridicat de glucoză poate induce formarea de metilglioxal din gliceraldehidă 3-fosfat atunci când funcția GAPDH este afectată. Metilglioxalul poate modifica proteinele prin glicarea grupărilor amino pe proteine . Unul dintre produsele majore este hemoglobina glicată (HbA1c) care a fost utilizată ca biomarker pentru diabet . Prin urmare, acest proces nonenzimatic poate afecta foarte mult funcția proteinelor. Mai mult, această cale de glicare este cunoscută pentru a elibera ROS și a regla în sus expresia receptorului de suprafață celulară pentru vârste, ducând la activarea căii de semnalizare NF-B și a inflamației cronice .

8.5. Calea de Autoxidare a Gliceraldehidei

această cale se ramifică, de asemenea, din gliceraldehidă 3-fosfat în calea glicolitică. Gliceraldehida 3-fosfat este formată din fructoză 1:6-bisfospat de enzima aldoză. În anumite condiții, gliceraldehida 3-fosfat poate suferi autoxidare, un proces care poate genera peroxid de hidrogen și cetoaldehide-cetoaldehide în diabet zaharat .

9. Stresul oxidativ, diabetul și complicațiile diabetice

după cum sa discutat mai sus, toate sursele de ROS și stresul oxidativ pot fi urmărite înapoi la glicemia ridicată și supraproducția NADH. Prin urmare, hiperglicemia cronică ar provoca în mod inevitabil stres reductiv cronic care duce la stres oxidativ. Deoarece producția de ROS este o caracteristică comună a căilor descrise mai sus , stresul oxidativ cronic joacă cu siguranță un rol central în dezvoltarea diabetului și a complicațiilor diabetice . Într-adevăr , s-a raportat că ROS poate induce rezistența la insulină , poate afecta sinteza insulinei și poate afecta secreția de insulină a celulelor beta . În plus , biomarkerii stresului oxidativ s-au dovedit a fi crescuți la persoanele care prezintă rezistență la insulină sau insuficiență a secreției de insulină, indicând o corelație pozitivă între stresul oxidativ și rezistența la insulină și afectarea secreției de insulină. Mai mult, numeroase studii au stabilit, de asemenea, că ROS sunt implicate în etiologia complicațiilor diabetice, inclusiv retinopatie, neuropatie, cardiomiopatie și nefropatie . Având în vedere că stresul oxidativ provine din stresul reductiv impus de NADH , atenuarea stresului reductiv declanșat de hiperglicemie poate oferi abordări terapeutice potențiale pentru prevenirea dezvoltării diabetului și a complicațiilor diabetice.

10. Concluzie

glicemia crescută persistentă este foarte toxică . Nu numai că induce rezistența la insulină, dar afectează și secreția de insulină de către celulele pancreatice . În timp, hiperglicemia va produce efecte dăunătoare asupra sistemelor macrovasculare și microvasculare . Figura 4 rezumă schematic căile discutate în această revizuire și rolurile lor patogene în hiperglicemia cronică prin NADH, ROS și stresul oxidativ. Deoarece hiperglicemia are ca rezultat producerea excesivă de acetil-CoA care se alimentează în ciclul Krebs, făcând exces NADH, lanțul de transport al electronilor mitocondriali este astfel sub presiune puternică a electronilor . Prin urmare , oxidarea NADH supraprodus de mitocondrii va duce inevitabil la producerea de mai mult superoxid și, prin urmare, mai mult ROS, care la rândul său poate ataca și inactiva GAPDH. Acest lucru ar declanșa acumularea de metaboliți glicolitici în amonte de gliceraldehidă 3-fosfat și ar activa căile alternative de eliminare a glucozei care sunt toate legate de producția de ROS și, prin urmare, ar crește amploarea stresului oxidativ . Prin urmare, stresul reductiv urmat de stresul oxidativ ar putea servi ca mecanism major al glucotoxicității în condiții hiperglicemice cronice. O creștere a oxidării NADH de către mitocondrii fără o creștere însoțitoare a producției de ROS poate fi o abordare terapeutică potențială pentru diabet și complicații diabetice.

Figura 4

hiperglicemia induce supraproducția NADH și Ros mitocondrial care inhibă activitatea GAPDH. Această inhibare activează apoi căile metabolice alternative ale glucozei, care produc în continuare ROS implicate în glucotoxicitate care este responsabilă pentru dezvoltarea diabetului și a complicațiilor diabetice. ETC: lanțul de transport al electronilor.

Conflict de interese

autorul declară că nu există conflict de interese în ceea ce privește publicarea acestei lucrări.

recunoaștere

Liang-Jun Yan este susținut parțial de un Grant de la Institutul Național de tulburări neurologice și accident vascular cerebral (R01NS079792).