patogenes av kronisk hyperglykemi: från reduktiv Stress till oxidativ Stress

Abstrakt

kronisk övernäring skapar kronisk hyperglykemi som gradvis kan inducera insulinresistens och nedsatt insulinsekretion. Dessa störningar, om de inte ingriper, kommer så småningom att följas av utseende av frank diabetes. Mekanismerna för denna kroniska patogena process är komplexa men har föreslagits att involvera produktion av reaktiva syrearter (ROS) och oxidativ stress. I den här översynen lyfter jag fram bevis för att reduktiv stress som införs av ÖVERFLUX av NADH genom mitokondriell elektrontransportkedja är källan till oxidativ stress, som bygger på anläggningar som mer NADH-återvinning av mitokondriellt komplex i leder till mer elektronläckage och därmed mer ROS-produktion. De förhöjda nivåerna av både NADH och ROS kan hämma respektive inaktivera glyceraldehyd 3-fosfatdehydrogenas (GAPDH), vilket resulterar i blockering av den glykolytiska vägen och ackumulering av glycerol 3-fospat och dess tidigare metaboliter längs vägen. Denna ackumulering initierar sedan alla de alternativa glukosmetaboliska vägarna såsom polyolvägen och de avancerade glykationsvägarna som annars är mindre och obetydliga under euglykemiska förhållanden. Viktigt är att alla dessa alternativa vägar leder till ROS-produktion, vilket förvärrar cellulär oxidativ stress. Därför innefattar reduktiv stress följt av oxidativ stress en viktig mekanism för hyperglykemi-inducerat metaboliskt syndrom.

1. Inledning

typ 2-diabetes är i allmänhet en overnutritional sjukdom . Det orsakas av insulinresistens och nedsatt insulinsekretion inducerad gradvis och främst av högt blodsocker i kombination med andra faktorer som fetma, åldrande, genetisk predisposition och fysisk inaktivitet . Persistent övernäring skapar en stadig nivå av högt blodsocker som är giftigt för makrovaskulära och mikrovaskulära system , en effekt som kallas glukotoxicitet . Medan oxidativ stress tros bidra till patogenesen av glukotoxicitet under utvecklingen av diabetes och diabetiska komplikationer , reduktiv stress på grund av överskott av NADH genererat av högt blodsocker har väckt mindre uppmärksamhet. I denna översyn, genom att följa mekanismerna för NADH-produktion och återvinning, lyfter jag fram bevis för att reduktiv stress följt av oxidativ stress innefattar de grundläggande patogena mekanismerna för kronisk hyperglykemi vid utveckling av diabetes och diabetiska komplikationer.

2. Euglykemi

en normal nivå av blodglukos under 100 mg/dL hålls tätt, regleras och uppnås genom glukosupptagningshastighet av alla vävnader och glukossynteshastighet i levern och till en mindre storlek av njurarna . Cirka 75% av kroppens totala glukos konsumeras av insulinkänsliga vävnader inklusive hjärnan, röda blodkroppar, levern och tarmen, medan resten konsumeras av insulinkänsliga vävnader inklusive muskler . Postprandialt stimulerar en snabb ökning av blodglukosinnehållet insulinsekretion, vilket resulterar i en tillfällig ökning av blodinsulinkoncentrationen som kallas hyperinsulinemi. Ökningarna i blodkoncentrationerna av både glukos och insulin hämmar glukosproduktionen i levern och underlättar glukosupptag av insulinkänsliga vävnader . Därför upprätthålls euglykemi strikt, vilket är starkt beroende inte bara av korrekt insulinsekretion från cellerna i bukspottkörteln vid näringsstimulering utan också av insulinverkan i levern och perifera vävnader .

3. NADH och reduktiv Stress

elektroner från aerob nedbrytning av glukos lagras huvudsakligen i NADH för syrgasreduktion och ATP-produktion. Därför är NADH en reducerande förening och en överdriven mängd av den kan orsaka reduktiv stress . Överproduktion av NADH eller brist på NAD+ kan inducera ackumulering av NADH, vilket leder till obalans mellan NADH och NAD+ och skapar ett tillstånd som kallas pseudohypoxi . Detta är ett tillstånd under vilket syre inte kan konsumeras effektivt. Detta skulle orsaka metabolisk stress eller metaboliskt syndrom eftersom det ofta förekommer i diabetes . Det bör noteras att ackumulering av GSH och NADPH, tätt kopplad till NADH-metabolism , också kan inducera reduktiv stress . Eftersom mitokondriellt komplex I är det huvudsakliga enzymet som är ansvarigt för NADH-återvinning, kan försämring av komplex i-funktion således inducera NADH-ackumulering och reduktiv stress som kan kopplas till hämning av insulinfrisättning av Tubi-celler .

4. Hyperglykemi, förhöjda nivåer av NADH och mitokondriellt Elektrontryck

den glykolytiska vägen bryter ner nästan 80% -90% av kroppens glukos, medan pentosfosfatvägen förbrukar de återstående 10% -20% under fysiologiskt tillstånd . Under hyperglykemiskt tillstånd kommer mer glukos att flöda genom den glykolytiska vägen som producerar mer pyruvat och acetyl-CoA, vilket leder till mer NADH-produktion. Eftersom NADH är en elektronbärare kommer överskott av det att orsaka ett elektrontryck på mitokondriell elektrontransportkedja . Detta gäller särskilt för hepatocyter och bukspottskörtelceller i bukspottkörteln genom att glukokinas (hexokinas D) är ett försörjningsdrivet enzym , och detta enzym hämmas inte av glukos-6-fosfat (G6P) . Därför, ju mer glukos desto mer g6p produceras som kommer att brytas ner genom glykolys och Krebs-cykel, vilket leder till mer NADH-produktion. Figur 1 visar de stora konventionella vägar som kan generera mer NADH när glukokinas används för att fosforylera glukos för glukosnedbrytning i vävnader såsom bukspottkörteln och levern .

Figur 1

de konventionella vägarna som genererar NADH genom att bryta ner glukos via glykolys och Krebs-cykeln. Enzymerna som är involverade i NADH/nad+ – återvinning visas. * DLDH står för dihydrolipoamiddehydrogenas och är komponenten i varje givet enzymkomplex som faktiskt gör NADH från NAD+ .

5. NADH-pålagt Elektrontryck och mitokondriell superoxidproduktion

elektrontrycket inducerat av överproducerad NADH kommer att lägga en tung börda på mitokondriellt komplex i som är den viktigaste platsen för NADH-återvinning (Figur 2). Under detta tillstånd kommer complex i att svara inom sin förmåga att oxidera mer NADH till NAD+, i ett försök att förbättra det pseudohypoxiska tillståndet. En inneboende natur av NADH-flöde genom komplex i är att mer superoxid också kommer att göras när mer NADH oxideras av komplex i eftersom detta komplex också är involverat i protonpumpning , vilket leder till en proportionell ökning av elektronläckage som delvis kommer att minska syre för att ge superoxid . Detta scenario kan bli värre under pseudohypoxiska förhållanden eftersom mindre NAD+ är tillgängligt för transport av elektroner till syre , vilket ger mer syre tillgängligt för partiell reduktion av de läckta elektronerna från komplex i och komplex III, den senare är också involverad i protonpumpning . Det bör noteras att komplex II och dihydrolipoamiddehydrogenas också kan producera superoxid .

Figur 2

NADH oxidation genom komplex I i elektrontransportkedjan. Elektroner från NADH transporteras via CoQ och cytokrom c till molekylärt syre. Denna process involverar protonpumpning som är tätt kopplad till superoxidproduktion. ATP-syntes genom komplex V driven av protongradienten visas också.

6. Superoxid och oxidativ Stress

superoxid är föregångaren till alla reaktiva syrearter som vid förhöjda nivåer kan orsaka oxidativ stress . Som har fastställts kan superoxid omvandlas till väteperoxid genom superoxiddismutas; väteperoxid kan sedan omvandlas för att bilda hydroxylradikal av metalljoner . Under tiden kan superoxid också reagera med kväveoxid för att producera peroxynitrit (ONOO−) . Alla dessa reaktiva arter kan orsaka oxidation av proteiner, lipider och DNA . Följaktligen har ett oxidativt stresstillstånd utvecklats fullt ut på grund av en hög nivå av NADH, vilket uppnår övergången från reduktiv stress till oxidativ stress . Därför är reduktiv stress inte motsatsen till oxidativ stress; det leder faktiskt till oxidativ stress .

7. Hämning av glyceraldehyd 3-fosfatdehydrogenas och alternativa Glukosmetaboliska vägar

som diskuterats ovan kan ett överutbud av NADH leda till överproduktion av mitokondriell superoxid och andra former av ROS. Dessa ROS kan sedan försämra aktiviteten av glyceraldehyd 3-fosfatdehydrogenas (GAPDH) som är mycket känslig för oxidativa modifieringar på grund av en redoxkänslig cysteinrest vid dess aktiva centrum . Dessutom skulle hög nivå av NADH också hämma GAPDH-aktivitet . Sådana försämringar skulle kollektivt minska effektiviteten av glukosmetabolism via glykolys och Krebs-cykel, vilket inducerar ackumulering av glyceraldehyd 3-fosfat (G3P). Därför måste alla mellanprodukter ovan och inklusive G3P bortskaffas genom vägar som förgrenar sig från de glykolytiska vägarna (Figur 3) .

Figur 3

avgreningsvägarna som aktiveras för att kassera överskott av glukos när glyceraldehyd 3-fosfatdehydrogenas (GAPDH) inaktiveras av ROS. Dessa fem alternativa vägar, förutom elektrontransportkedjan som visas i Figur 2, är kopplade till ROS-produktion, vilket ytterligare förvärrar oxidativ stress. Infälld visar polyolvägen. Vägar i det grå området skulle inte längre effektivt bryta ner glukos när GAPDH inaktiveras genom posttranslationella modifieringar.

8. Förgreningsvägarna och oxidativ Stress

det har funnits fem vägar som kan förgrena sig från den glykolytiska vägen under kroniska hyperglykemiska tillstånd (Figur 3). Dessa vägar är mindre och obetydliga i glukosmetabolism under normoglykemiska förhållanden, men kan bli viktiga vägar till flöde av hög nivå glukos. Som kommer att diskuteras nedan har alla fem vägar kopplats till ROS-produktion, oxidativ stress och patogenesen av diabetes och diabetiska komplikationer .

8.1. Polyolvägen

när blodsockernivån är hög förändras cellulära metaboliska vägar, vilket vanligtvis leder till skadliga effekter . En viktig väg som aktiveras som svar på hyperglykemi är polyolvägen , i vilken glukos reduceras med aldosreduktas för att bilda sorbitol, och den bildade sorbitol omvandlas sedan till fruktos med sorbitoldehydrogenas. Denna väg, som visas i Figur 3 (infälld), omvandlar NADPH till NADH med hjälp av tvåstegsreaktioner och leder till redoxobalans mellan NADH och NAD+. När förhållandet mellan NAD+ / NADH minskar på grund av en ökning av NADH-innehållet kan reduktiv stress uppstå. Eftersom aldosreduktas har en mycket hög Km för glukos, kan den endast aktiveras av en hög glukosnivå. Därför kan detta enzym också betraktas som ett försörjningsdrivet enzym . Under hyperglykemiska förhållanden har polyolvägen uppskattats använda mer än 30% av kroppens glukos . Därför kan denna väg också bidra avsevärt till reduktiv stress och har ansetts spela en viktig roll i patogenesen av diabetiska komplikationer .

dessutom, i den första reaktionen av polyolvägen (Figur 3 infälld), NADPH konsumeras och, när NADPH nivå går lägre, så gör reducerad form av glutation (GSH). Detta beror på att glutationreduktas behöver NADPH för att regenerera GSH från GSSG (oxiderad form av glutation) . När GSH-nivån går lägre kan cellulär antioxidantkapacitet äventyras, vilket resulterar i förhöjda nivåer av reaktiva syrearter som kan attackera makromolekyler och inducera oxidativ skada . Därför är polyolvägen också en källa till oxidativ stress . Det bör också påpekas att aktivering av polyolvägen i gengäld kommer att ytterligare minska glukosförbrukningen av den glykolytiska vägen eftersom sorbitoldehydrogenas konkurrerar med GAPDH för NAD+ . Eftersom kväveoxidsyntas också använder NADPH som en kofaktor kan en sänkt nivå av NADPH leda till en minskning av kväveoxidproduktionen, vilket underlättar vasokonstriktion och trombocytaggregation .

8.2. Hexosaminvägen

denna väg förgrenas från fruktos 6-fosfat i den glykolytiska vägen. Fruktos 6-fosfat är substratet för enzymet glutamin-fruktos 6-P amidotransferas (GFAT), vilket är det hastighetsbegränsande enzymet för denna väg. Gfat gör glukosamin 6-P från fruktos 6-P och den förra omvandlas vidare till UDP-N-acetylglukosamin, vilket är substratet för specifikt O-GlcNAc-transferas som katalyserar posttranslationella modifieringar av proteiner via O-GlcNAc på serin-och treoninrester . Ökat glukosflöde genom denna väg har visat sig vara involverat i ROS-generation och oxidativ stress och har varit inblandad i diabetiska komplikationer .

8.3. Proteinkinas C-Aktiveringsvägen

Fruktos 1:6-bisfosfat kan bryta ner för att bilda dihydroxiacetonfosfat och glyceraldehyd 3-fosfat med den förra som lätt isomeriseras till glyceraldehyd 3-fosfat under verkan av triosfosfatisomeras. Ackumulering av glyceraldehyd 3-fosfat kan öka syntesen av diacylglycerol som är en aktivator av proteinkinas C (PKC). PKC-aktivering är känd för att vara involverad i att höja innehållet av TGF-1, endotelin-1, NF-B och vaskulär endoteltillväxtfaktor och är också känd för att inducera ROS-produktion av NADPH-oxidas som katalyserar en elektronreduktion av molekylärt syre för att bilda superoxid . Mekanistiskt har det fastställts att PKC aktiverar NADPH-oxidas genom fosforylering av subenheten, vilket utlöser translokationen av denna subenhet från cytosol till membran varigenom den monteras med andra komponenter för att bilda ett aktivt NADPH-oxidas som kan göra superoxid från syre . PKC-aktivering kan också inducera insulinresistens genom att hämma Akt-beroende kväveoxidsyntasfunktion .

8.4. Avancerade Glykationslutprodukter (åldrar)

förutom polyolvägen har denna väg också ansetts vara en viktig mekanism för oxidativ stress under hyperglykemiskt tillstånd . Hög glukosnivå kan inducera bildning av metylglyoxal från glyceraldehyd 3-fosfat när GAPDH-funktionen försämras. Metylglyoxal kan modifiera proteiner via glykation av aminogrupper på proteiner . En av de viktigaste produkterna är glykerat hemoglobin (HbA1c) som har använts som biomarkör för diabetes . Därför kan denna icke-enzymatiska process kraftigt försämra proteinfunktionen. Dessutom är denna glykationsväg känd för att frigöra ROS och uppreglera uttrycket av cellytreceptor i åldrar, vilket leder till aktivering av NF-B-signalvägen och kronisk inflammation .

8.5. Glyceraldehydautoxideringsvägen

denna väg förgrenas också från glyceraldehyd 3-fosfat i den glykolytiska vägen. Glyceraldehyd 3-fosfat bildas av fruktos 1:6-bisfospat av enzymet Aldos. Under vissa förhållanden kan glyceraldehyd-3-fosfat genomgå autoxidation , en process som kan generera väteperoxid och XXL-ketoaldehyder i diabetes mellitus .

9. Oxidativ Stress, Diabetes och diabetiska komplikationer

som diskuterats ovan kan alla källor till ROS och oxidativ stress spåras tillbaka till högt blodsocker och NADH-överproduktion. Därför skulle kronisk hyperglykemi oundvikligen orsaka kronisk reduktiv stress som leder till oxidativ stress. Eftersom ROS-produktion är ett vanligt inslag i de ovan beskrivna vägarna spelar kronisk oxidativ stress verkligen en central roll i utvecklingen av diabetes och diabetiska komplikationer . Det har faktiskt rapporterats att ROS kan inducera insulinresistens , försämra insulinsyntesen och försämra betacellinsulinsekretionen . Dessutom har oxidativa stressbiomarkörer visat sig vara ökade hos individer som uppvisar insulinresistens eller insulinsekretionssvikt , vilket indikerar en positiv korrelation mellan oxidativ stress och insulinresistens och insulinsekretionssvikt. Dessutom har många studier också visat att ROS är involverade i etiologin av diabetiska komplikationer inklusive retinopati, neuropati, kardiomyopati och nefropati . Med tanke på att oxidativ stress härstammar från NADH-införd reduktiv stress , kan dämpande hyperglykemi-utlöst reduktiv stress ge potentiella terapeutiska metoder för att förhindra utveckling av diabetes och diabetiska komplikationer.

10. Slutsats

Persistent högt blodsocker är mycket giftigt . Det inducerar inte bara insulinresistens utan försämrar också insulinsekretionen av bukspottskörtelceller . Med tiden kommer hyperglykemi att ge skadliga effekter på makrovaskulära och mikrovaskulära system . Figur 4 sammanfattar schematiskt de vägar som diskuteras i denna översyn och deras patogena roller i kronisk hyperglykemi via NADH, ROS och oxidativ stress. Eftersom hyperglykemi resulterar i överdriven produktion av acetyl-CoA som matar in i Krebs-cykeln, vilket gör överskott av NADH, är mitokondriell elektrontransportkedja således under tungt elektrontryck . Därför kommer oxidation av den överproducerade NADH av mitokondrier oundvikligen att leda till produktion av mer superoxid och därmed mer ROS , vilket i sin tur kan attackera och inaktivera GAPDH. Detta skulle utlösa ackumuleringen av glykolytiska metaboliter uppströms glyceraldehyd 3-fosfat och aktivera de alternativa glukosavfallsvägarna som alla är kopplade till ROS-produktion och därmed öka storleken på oxidativ stress . Därför kan reduktiv stress följt av oxidativ stress fungera som den viktigaste mekanismen för glukotoxicitet under kroniska hyperglykemiska tillstånd. En ökning av NADH-oxidation av mitokondrier utan en åtföljande ökning av ROS-produktion kan vara ett potentiellt terapeutiskt tillvägagångssätt för diabetes och diabetiska komplikationer.

Figur 4

hyperglykemi inducerar överproduktion av NADH och mitokondriell ROS som hämmar GAPDH-aktivitet. Denna hämning aktiverar sedan de alternativa glukosmetaboliska vägarna, som ytterligare producerar ROS som är involverade i glukotoxicitet som är ansvarig för utvecklingen av diabetes och diabetiska komplikationer. OSV: elektrontransportkedja.

intressekonflikt

författaren förklarar att det inte finns någon intressekonflikt när det gäller publiceringen av detta dokument.

bekräftelse

Liang-Jun Yan stöds delvis av ett bidrag från National Institute of Neurological Disorders and Stroke (R01NS079792).