Окислювальний стрес і старіння медицини та науки

Роберт Барукі 1, 2 *

1 Inserm UMR-S490, Університет Рене Декарта, 45, rue des Saints Pères, 75270 Париж Седекс 06, Франція
2 Відділ біохімії, Європейська лікарня Жоржа Помпіду, 20, вулиця Леблан, 75015 Париж, Франція

Старіння - це процес, який продовжує захоплювати біологів усіх верств суспільства, незалежно від того, зацікавлені вони в еволюції, генетиці, сигналізації чи токсичності навколишнього середовища. Багато теорій, іноді суперечливих, пропонується враховувати механізми старіння, які одні сприймають як результат невідворотної програми, а інші - як результат низки атак, яких можна було б уникнути або відновити. "Радикальна" гіпотеза старіння висуває на перший план накопичення окислювальних атак, спричинених вільними радикалами, головним чином від метаболізму кисню та азоту. Ця гіпотеза, запропонована близько п'ятдесяти років тому, залишається однією з найпопулярніших серед фахівців, навіть якщо деякі її прогнози не були задовільно перевірені. У цій статті представлені основи цієї гіпотези, її взаємозв’язок з іншими теоріями, мітохондріальними, метаболічними та генетичними, і поставлена перед нею вперта реальність експериментальних спостережень, щоб запропонувати більш комплексний погляд на взаємозв’язок між старінням та клітинним стресом.

Походження та доля АФК (активні форми кисню)

Молекула діоксиду насправді є дворадикальною. Насправді він має два одиночні електрони на різних орбіталях. Діоксиген здатний відновлювати чотири електрони, але його окислювальна здатність обмежена значним кінетичним бар'єром. У присутності випромінювання, металів або ферментів він здатний захопити електрон, виділяючи супероксидний радикал O2 -. який є помірно реактивним радикалом (Фігура 1). Цей радикал є субстратом для основних ферментів, супероксиддисмутаз (СОД), які перетворюють його в пероксид водню H2O2. Кислородна вода може мати кілька цілей. У присутності металів, зокрема заліза Fe ++, він перетворюється на гідроксильний радикал. ОН за реакцією Фентона. Останній надзвичайно реактивний і дуже швидко окислює сусідні молекули, іноді утворюючи інші вільні радикали [2, 3]. Перекис водню також може зазнавати реакцій детоксикації, каталізованих каталазою, глутатіонпероксидазою або пероксиредоксинами. Подібним чином кілька сполук, зокрема вітаміни Е і С, можуть взаємодіяти з радикалами та запобігати їх накопиченню [4] (Фігура 1).

АФК можуть вироблятися такими фізичними агентами, як радіація, хімічні та особливо ферментативні реакції. Дійсно, будь-яка реакція із залученням O2 та відновлюючої системи переносу електронів, ймовірно, вивільнить АФК. Ось як дихальний ланцюг викликає значне вивільнення АФК, але інтенсивність якого залишається суперечливою (подивитися далі). Інші ферментативні дії також забезпечують АФК, включаючи оксидази НАДФН під час запалення та цитохроми Р450 під час детоксикації ксенобіотиків. Таким чином, мітохондрії, плазматична мембрана та ендоплазматичний ретикулум є основними місцями вивільнення АФК [5] (Малюнок 2).

Походження та дії ERO. АФК можуть походити з різних клітинних компартментів: мітохондрій, навіть в умовах гіпоксії (дихальний ланцюг), ендоплазматичного ретикулуму (ER) (монооксигенази), плазматичної мембрани (оксидази), пероксисом та цитоплазми. Вони можуть вироблятися безпосередньо радіацією, ендогенними молекулами або ксенобіотиками. Вони впливають на нуклеїнові кислоти, РНК, ядерну та мітохондріальну ДНК (генотоксичність), на ліпіди мембран, що призводять до токсичних проміжних продуктів, на білки на різних рівнях аж до карбонілювання та денатурації, а також на інші клітинні компоненти.

У клітині є інші дуже потужні окислювачі, незалежно від того, є вони вільними радикалами чи ні [6]. Наприклад, хлоровані окислювачі (HOCl) виділяються макрофагами і мають значну бактерицидну активність. Крім того, оксид азоту (NO) є вільним радикалом, який найбільш відомий своїми фізіологічними властивостями. Однак NO взаємодіє з супероксидним аніоном, утворюючи пероксинітрит, надзвичайно реакційноздатну та токсичну сполуку. NO і пероксинітрит взаємодіють з білками і можуть змінювати їх властивості. Інші молекули, такі як гідрохінони, виявляються у вигляді вільних радикалів після їх реакції з радикалом ° OH і за своєю структурою стабілізують одиничний електрон (напівхіноновий радикал). Тому вони, швидше за все, дифундують у клітину та окислюють інші молекули на відстані, поширюючи таким чином ланцюг радикальних реакцій.

Подвійне життя ERO

Неправильно розглядати АФК лише з точки зору їх токсичності. АФК та окислювально-відновні реакції відіграють значну фізіологічну роль, особливо у сигнальних каскадах [7]. NO є класичним прикладом, оскільки, активуючи цитозольну гуанілатциклазу, він виконує фізіологічні функції в судинній, імунній, нейрональній та метаболічній системах. Те саме стосується супероксидного аніона та перекису водню, які активують кілька сигнальних шляхів, таких як шлях NFκB, Nrf-2, P53, JNK та P38 MAPK. Ці сполуки відіграють вирішальну роль під час запалення та балансу між ростом клітин, апоптозом та старінням. Виробництво АФК стимулюється гормонами, факторами росту та цитокінами [8].

Однією з перешкод для чіткого розрізнення фізіологічної та токсичної частини ефектів АФК є труднощі їх надійного вимірювання. Доступні методи ЕПР (електронний парамагнітний резонанс) та флуоресценції, але їх часом важко застосувати. Крім того, період напіввиведення АФК є дуже коротким, і їх виробництво може бути розділене на частини. Таким чином, ми зводимось до аналізу біологічних маркерів окислення АФК, зокрема ліпідних маркерів, діальдегідів, 8-оксо-гуаніну, AGE або карбонілювання білків. Вони є непрямими маркерами дії АФК.

Що таке окислювальний стрес ?

Подвійне життя АФК: суперечлива плейотропія і компроміс. АФК мають різне походження і мають два типи дії: фізіологічні ефекти під час росту або захисту організму та шкідливі ефекти, що впливають на різні макромолекули, і які можуть накопичуватися з віком, що призводить до патологій та проявів старіння. Ці суперечливі дії переносять окислювальний стрес, який є адаптивною клітинною реакцією на надлишок АФК. Під час еволюції фізіологічні функції АФК дозволяли підтримувати їх, незважаючи на накопичення токсичності з віком.

Згідно з цим визначенням, легко виявити окислювальний стрес, спричинений гострим підвищенням АФК. Ситуація є більш складною при пошуку хронічного окисного стресу, під час якого, з одного боку, підвищення АФК послаблюється регуляторними петлями, а, з іншого боку, індукції антиоксидантних ферментів та ремонтників є більш скромними, ці ферменти іноді самі змінюються в результаті окислення.

Короткий огляд радикальної теорії старіння

Обмеження калорій, мітохондрії та окислювальний стрес

Безсумнівно, трохи скорочує бачити в ефектах обмеження калорій лише ті, які пов'язані з стійкістю до окислювальних атак. Загальний гормональний та метаболічний ефекти, особливо покращена чутливість до інсуліну, є безсумнівно важливими [23]. Але пізніше ми побачимо, що цей шлях також може приєднатися до шляху вільних радикалів.

Генетичні моделі

Ген сер2 викликав зростаючий інтерес в останні роки: він був виявлений у дріжджах, а потім і у багатьох інших видів. Це відіграє певну роль у мовчання або репресія гена і кодує деацетилазу гістону, яка має чудову властивість бути залежною від NAD [28]. Кілька авторів показали, що Sir2 або його еквіваленти необхідні для збільшення тривалості життя дрозофіли та С. елегани через обмеження калорій, що дозволило встановити додатковий зв’язок між тривалістю життя та енергетичним обміном, що має прямий вплив на співвідношення NAD/NADH [29]. Взаємозв'язок між шляхом Sir2 та окислювальним стресом не ясний. Однак ортологи Sir2 у ссавців, зокрема Sirt1, мають менш специфічну активність деацетилази, яка також впливає на ядерні фактори, такі як P53 і особливо Foxo. На відміну від Sir2 у дріжджах, експресія Sirt1 у мишей сприяє підвищенню антиоксидантного захисту цього виду [30].

Антиоксиданти: слабке місце і надія

Критики теорії вільних радикалів зазначають, що одне з основних передбачень цієї теорії, а саме сприятливий вплив антиоксидантів на старіння, не перевіряється, якщо це не заважає невпинній комерційній експлуатації цих сполук. Це правда, що невдача деяких клінічних випробувань викликала сумніви щодо важливості окисного стресу у старінні та розвитку патологій [10]. Однак для кращого розуміння цієї дискусії слід взяти до уваги наступні моменти. Окислювальний стрес має плейотропну дію, і важко визначити найбільший токсичний ефект - і коли він є найбільш критичним - відстежити його перебіг при лікуванні. Більше того, поняття антиоксиданту має свої межі, оскільки молекула може поводитися як окислювач або антиоксидант залежно від свого молекулярного партнера та залежно від клітинних умов [31]. Нарешті, безсумнівно, надмірно вважати окислювальний стрес єдиною причиною старіння або виникнення патологій, пов’язаних із віком, і тому антиоксидантне лікування слід розглядати насамперед як допоміжний засіб.

Незважаючи на ці обмеження, останні експериментальні роботи підтверджують роль окисного стресу під час старіння. Таким чином, одночасна надмірна експресія супероксиддисмутази та каталази затримує старіння дрозофіли [32]. Вище ми бачили, що комбінація цих двох ферментів необхідна для детоксикації супероксидного аніона. Недавня робота вказує на те, що довголіття миші може бути продовжено завдяки надмірній експресії каталази, особливо в мітохондріях [33]. Нарешті, робота лабораторії Брюса Еймса свідчить, що зв'язок між ліпоєвою кислотою, яка підвищує антиоксидантний захист, та ацетил-карнітином, який покращує енергетичні функції застарілих мітохондрій, благотворно впливає на певні маркери. Молекулярні та метаболічні процеси старіння [34 ]. Ці інтереси цих кількох прикладів полягають у тому, щоб показати, що хороше знання механізмів антиоксидантів та взаємодії між метаболізмом та окислювальним стресом може допомогти розробити більш ефективні терапевтичні засоби та більш релевантно перевірити взаємозв'язок між старінням та окислювальний стрес.

Чи запрограмоване старіння ?

Важливо порівняти радикальну теорію з іншими теоріями старіння, обговореними в інших місцях. Деякі еволюційні фахівці висунули гіпотезу про селективну перевагу старіння, яка дозволила б певним видам, в умовах обмеженого харчування, надавати перевагу наймолодшим особинам і, швидше за все, розмножуватись серед найстаріших. Кірквуд та інші критикували уявлення про селективну перевагу старіння, що приносить користь виду за рахунок особи [18]. Ми не будемо тут обговорювати цю суперечку, яка виходить за рамки цієї статті. Однак зазначимо, що теорії запрограмованого старіння не обов'язково суперечать окислювальній теорії. Наприклад, програма клітинного старіння, заснована на поступовому зменшенні розміру теломер з кожним клітинним поділом, може бути посилена зміною цих теломер, спричиненою окислювальним стресом (Малюнок 4). Здається малоймовірним, що старіння диктується виключно програмою, обраною під час еволюції, і в будь-якому випадку воно може діяти синергічно з окислювальним стресом.

ERO між плейотропією та компромісом

Залучення окисного стресу до старіння добре вписується в більш загальне поняття, яке ми можемо назвати "антагоністичною плейотропією" (антагоністична плейотропія) який вважає, що зміни, пов'язані зі старінням, є наслідком активності генів, необхідних для розвитку та родючості організмів [18]. Найбільш цитованим прикладом є білок p53, захисні функції якого визнані, але який бере участь у явищах старіння. Безліч інших факторів, безсумнівно, можуть потрапити до цієї категорії. Отже, існував би компроміс, що дозволив би обрати ці гени для їх сприятливого впливу на ранніх стадіях життя, одночасно терплячи їх можливу токсичність, що з’являється з віком. Можна припустити, що токсичність окисників і вільних радикалів, що накопичуються з віком, є ціною, яку потрібно заплатити за їх сприятливий вплив, наприклад, при передачі сигналів та захисних сил організму, або просто тому, що вони генеруються важко уникати під час важливих процесів, таких як дихання та обмін речовин (Малюнок 3).

Капітал стресу

Висновки

Теорія вільних радикалів підтверджується експериментальними аргументами, більшість з яких є корелятивними, хоча останні експерименти представляють більш прямі докази. Мені здається сумісним з іншими теоріями, оскільки вона не має на меті пояснити всі явища, пов'язані зі старінням; це пов’язано з тим, що деякі тканини можуть страждати від обмеження кількості клітинних поділів, тоді як інші будуть більш схильні до пошкодження нереплікативних клітин. Крім того, окислювальному стресу було б вигідно, якщо його розмістити в контексті клітинних стресів в цілому, що також призведе до накопичення змін. Цікаво відзначити, що окислювальний стрес супроводжує майже всі клітинні стреси.

Деталь надійшла 9 червня 2005 року, прийнята 2 серпня 2005 року.

Список літератури

Список малюнків

Поточні показники використання показують сукупний підрахунок переглядів статей (повнотекстові перегляди статей, включаючи перегляди HTML, завантаження PDF та ePub, відповідно до наявних даних) та подання тез на платформі Vision4Press.

Дані відповідають використанню на платформі після 2015 року. Поточні показники використання доступні через 48–96 годин після публікації в Інтернеті та оновлюються щодня по днях тижня.

Початкове завантаження метрик може зайняти деякий час.