基于氧化应激学说的衰老机制探究
栏目分类:医学论文   发布日期:2017-09-15   浏览次数:

 衰老是机体代谢过程中一个进行性的必然阶段,是机体健康水平和维持自身内稳态能力的退行性改变,表现为机体对环境的适应能力减弱以致丧失。衰老始于机体发育成熟并获得繁殖能力之后,伴随着机体老化,组织器官功能逐渐衰退,死 亡 的 概 率 增 加。一 般 认

1955 年,在美国的原子能委员会中,英国学者 Dr. Har-man 首次提出衰老的自由基理论,并于 1956 年在《老年》杂志上[3]发表了题为“衰老: 根据自由基和放射化学提出的理论”的文章。衰老的自由基理论同时涵盖了损伤积累衰老理论和基因程序衰老理论。核心观点包括以下几点: ①细胞代谢过程中不断产生的自由基造成的细胞损伤是引起机体衰老的根本原因之一。②造成细胞损伤的自由基主要是氧自由基,而大部分的活性氧基团( ROS) 主要由线粒体产生,线粒体作为细胞呼吸和氧化的中心与衰老密切相关[4].③在体内维持适当的抗氧化剂和自由基清除剂可以延长寿命和延缓衰老。

  1. 自由基的概念

  自由基,也称为“游离基”,是化合物的分子由于光热等外界因素造成共价键发生断裂,形成具有不成对电子的原子或基团。它是多种生化反应的中间代谢产物,包括超氧阴离子自由基( - O-2) 、氢自由基( H - ) 、氯自由基( Cl - ) 、甲基自由基( CH3- ) 、羟自由基( - OH) 、羧自由基( ROO - ) 、一氧化氮自由基( NO - ) 、硝基自由基( - ONOO-) 等。由氧分子( O2) 形成的自由基统称为氧自由基。上述的氧自由基,H2O2,单线态氧( 1O2) 和臭氧,统称为活性氧( ROS) ,它是外源性氧化剂或细胞内有氧代谢过程中产生的具有很高生物活性的含氧化合物。自由基可导致多种生物大分子的结构改变,其中蛋白质的氧化被认为是最重要的改变,因为蛋白质扮演着受体、载体、酶、转录因子、细胞支架等诸多重要角色。此外,蛋白质占细胞有机物的主要成分,同时也是自由基的主要攻击目标。公认的蛋白质不可逆的氧化修饰便是蛋白质的羰基化,自由基攻击蛋白质可导致蛋白质的羰基化,进而导致蛋白质的失活、水解、折叠和交联,影响蛋白质的功能和机体代谢,改变对信号传导途经的影响及酶的活性,引发生物学效应,最终导致了衰老以及衰老相关多种慢性疾病的发生[5].

  2. 人体自由基的来源

  人体内自由基的来源主要有外源性自由基和内源性自由基两类。

  2. 1 外源性自由基 外源性自由基主要是从外界环境中吸收的: ①电离辐射( 如 γ-射线和 α-射线、紫外线等) 和大气污染( 如烟雾中的氟利昂、臭氧、香烟产生的烟雾、汽车尾气等) 均可使人体内产生自由基; ②一些药物如抗结核药、硝基化合物、解热镇痛药、类固醇激素等在体内也可产生自由基; ③其他一些水银等重金属离子污染、杀虫剂毒性与自由基相关,产业植物油等在空气中久置也会造成自由基含量增加。

  2. 2 内源性自由基 在机体代谢过程中会不断产生多种自由基,其中以活性氧( reactive oxygen species,ROS) 最多。内源性自由基主要由线粒体产生,可产生活细胞内 90% 以上的自由基,线粒体中自由基浓度最高。机体中约有 1% ~4%的氧在线粒体氧化磷酸化生成 ATP 的过程中转化为活性氧。过氧化物酶体,脂氧合酶,NADPH 氧化酶以及细胞色素 P450都是线粒体外 ROS 的主要来源。此外,一些吞噬细胞、血红细胞、肌红细胞也可产生少量的自由基。

  3. 自由基的防御系统

  氧化还原反应在细胞正常的代谢过程中大量发生,由此产生少量性质活泼的氧自由基。在正常条件下,机体为维持生理平衡会随时通过酶和非酶两种防御系统清除多余的自由基。体内一些天然抗氧化剂如 Vit A,Vit B 族,Vit C,Vit E,β-胡罗卜素、微量元素硒、谷胱甘肽、半胱氨酸等属于非酶防御系统; 而超氧化岐化酶( SOD) 、过氧化氢酶( CAT) 、谷胱甘肽过氧化物酶( GSH-Px) 、过氧化物酶( POD) 、辅酶 Q10 等属于酶防御系统,通过酶解作用清除自由基,减轻自由基的损害作用; 此外,自由基引起的 DNA 氧化损伤可以通过脱氧核糖核酸( DNA) 修复系统进行修复,呼吸链通过自身的细胞色素 C也可以清除·O2-和 H2O2.

  4. 氧化应激

  1990 年美国衰老研究学者 Sohal 第一次提出了“氧化应激”的概念。机体在遭受有害刺激时,体内活性氧( ROS) 产生过多,超出了机体的清除速度,氧化系统和抗氧化系统失衡,过剩的 ROS 参与细胞内反应,引起氧化应激。氧化应激通过损伤 DNA 使维持细胞基本生理功能的基因失去表达活性,进而导致细胞衰老[6],从而导致组织损伤[7].

  正常的情况下,机体自由基的产生与自由基防御系统处于动态平衡状态。一旦机体暴露在有害因素中或者机体处于疾病和衰老状态下,体内活性氧自由基会不断产生,而此时机体清除能力却明显下降,不断产生的活性氧物质会修饰和干涉细胞蛋白质、脂质和 DNA,从而引起细胞大分子的氧化损伤、细胞的氧化与抗氧化功能失衡,发生氧化应激。氧化应激对机体的影响有双重作用: 首先,氧化应激可参与调节细胞膜的信号传导。如氧化应激通过影响细激发蛋白激酶 C 和MAP 激酶活性作用于分子反应、酶的活化、增殖、分化。氧化应激引起的凋亡既为分娩准备出生通道又增强了生物体的防御功能,因此从生理学角度来说,氧化应激是有益的。但是,氧化应激导致的氧化损伤的积累又会造成细胞损伤及癌症发生。 5. 氧化应激与衰老

  在生物体的衰老过程中,机体组织细胞不断产生的自由基逐渐累积,由于自由基反应能力较强,可氧化细胞中的多种物质,损伤生物膜,造成蛋白质、核酸等大分子交联,因而影响其正常功能[3].此后自由基学说被 Helmut Sies 等发展为“氧化应激假说”,该学说认为衰老过程中机体抗氧化成分的减少导致清除自由基的能力减弱,进而导致生物大分子结构损伤的增龄性累积[8].人体可以被理解成一个氧化与抗氧化的系统,随着年龄增加,自由基不断累积,机体平衡被打破,倾向氧化,进而导致了疾病与衰老。尽管以上学说存在争议,但近年来越来越多的研究证实生物大分子的氧化与癌症、心脑血管疾病、肾病、糖尿病、帕金森病、阿尔兹海默病等衰老相关疾病以及衰老本身密切相关,氧化应激即使不是诸多疾病的病因,但至少是一个重要的危险因素[9].

  5. 1 氧自由基的累积 随着年龄的增长,线粒体内的ROS 也会随之不断累积增加。①线粒体电子传递链活性下降。线粒体呼吸链复合物随着年龄增长其活性会随之下降,尤其是复合体Ⅰ,Ⅲ,Ⅳ活性下降显着,导致电子传递受阻,氧不能被有效利用,氧自由基大量产生[10].②伴随年龄增长,线粒体的基因表达水平下降,衰老个体中缺乏代偿机制,无法通过增加包括电子传递链在内的蛋白质表达水平来维持生长需要,导致细胞出现衰老[11].另一方面,氧化产物的积累使得线粒体 DNA( mtDNA) 的缺失突变不断聚集,从而严重影响mtDNA 重要功能,呼吸链复合物活性进一步降低,ROS 持续升高,ATP 合成减少。③线粒体内抗氧化酶活性也会随着年龄增长而不断下降[12].

  5. 2 氧自由基在衰老中的作用① 损伤生物膜: 氧自由基能引起生物膜脂质过氧化反应,使其中的不饱和脂肪酸发生过氧化,生物膜结构被破坏,功能受损,细胞器发生功能障碍。在此过程中产生的脂质过氧化物发生降解产生丙二醛,它可与氨基酸、核酸等形成脂褐素,使生物分子内部或之间发生交联,DNA 复制出现错误,从而引起细胞变性坏死、机体衰老。② 损伤蛋白质: 氧自由基能够直接氧化破坏蛋白质,引起酶蛋白失活; 产生异质性蛋白质引起自身免疫反应; 改变机体组织结构蛋白的理化性质,减少血液组织间的交换加速组织器官衰老退化; 引起核酸的氧化和交联,遗传信息不能被正常转录和翻译,因此蛋白质的表达降低或者会有突变蛋白产生。③ mtDNA 氧化损伤: 由于 mtDNA 是裸露的,缺乏修复系统,位置靠近自由基的产生部位,更易受到氧化损伤。且由于mtDNA 无非编码区,在转录过程中,氧化损伤造成的突变会全部被转录,损伤因此累积。

  5. 3 氧化应激引起细胞衰老的途径 衰老的氧化应激理论认为,活性氧造成的 DNA 损伤是衰老的诱发事件。在衰老过程中一方面自由基的生成速率可能增加,另一方面机体氧化与抗氧化水平失衡。氧化应激对 DNA 的氧化损伤在正常代谢状况下以很高的频率发生,氧化应激导致 DNA 损伤最易发生的部位是碱基中的胸腺嘧啶和鸟嘌呤。

  目前,公认的氧化应激引起细胞衰老的途径包括: ①DDR( DNA damage response) 途径: 氧化应激造成的 DNA 损伤,通过启动 DDR 激活 p53 并在转录水平活化 p21,引起细胞衰老[13].②核因子 κB( NF-κB) 通路: 正常情况下,抑制蛋白IκB 与 NF-κB 二聚体结合,在胞质中形成无活性的三聚体形式。氧化应激条件下 IκB 被磷酸化,NF-κB 被释放并激活后由胞质进入胞核与相应的 DNA 序列结合,增加白介素 8 表达并稳定 p53 蛋白,引发细胞衰老[14 ~16].③p38 MAPKs 通路:

  MAPK 是哺乳细胞内广泛存在的一类丝氨酸 - 苏氨酸蛋白激酶,是细胞重要的应激通路。Virginia Probin 等人发现马利兰( Busulfan) 诱导的细胞衰老依赖于 ROS 激活 p38 MAPK 通路,p38 MAPK 抑制剂( SB203580) 能降低衰老相关基因 p16的表达[17]; Jang 等发现 ROS 较低的造血干细胞功能较强,p38表达较低,p16 基本不表达[18].这些提示在造血干/祖细胞的衰老中,p38 MAPKs 起着非常重要的作用。④microRNA 途径: miRNA 是一类单链小分子 RNA,长度约为 20 ~25nt,它能特异性结合靶 mRNA 在转录后水平上调控基因表达。目前,许多研究表明 miRNA 也参与了细胞衰老的进程[19,20].DavidBaltimore 等最新研究表明 Mirc19( microRNA-212 /132 cluster)在衰老过程中调控造血干细胞的维持和生存[21].研究发现HSC 富含 Mirc19( microRNA-212 /132 cluster) ,而且 Mirc19 会随着年龄增长而上调。

  6. 衰老的氧化应激理论的更新

  衰老的氧化应激假说是建立在细胞内氧化损伤随年龄累积以及长寿命个体比短寿命个体的 ROS 和损伤积累更少的基础之上的[22 ~24].而随后,研究发现抑制或者降低细胞内部ROS 以及 DNA 损伤并不一定能延缓衰老。相反,线粒体的轻微功能缺陷能够延长生物寿命[25].而且更多的研究表明ROS 一方面作为氧化还原信号参与细胞信号转导,另一方面在一定范围内升高 ROS 或者抑制线粒体功能能够延缓衰老,延长寿命[26,27].

  因此,近来一种新的渐进性的 ROS 衰老理论被提出[23]:衰老早期阶段,衰老相关的 DNA 损伤产生低剂量 ROS,由于体内的抗氧化体系这些 ROS 并不会引起机体损伤,反而会触发机体保护性的压力应激反应,延缓衰老。当年龄增加,衰老相关的 DNA 损伤在体内持续聚集,ROS 大量产生,超过了机体的清除能力,这些蓄积的 ROS 进一步造成 DNA 损伤,加剧衰老相关性 DNA 损伤,加速细胞的衰老,造成恶性循环。

  7. 结语

  综上所述,氧化应激不单是机体内氧化还原稳态的失衡,而是机体失去了对氧化还原信号的响应和对其状态的调控。

  此外,由于 ROS 的双重作用,衰老的氧化应激学说也不仅限于 ROS 的增加是促进衰老的主因。因此,如何在细胞内部将ROS 维持在一个适当的生理水平,而不是单纯地降低细胞内的 ROS,对于疾病预防、延缓衰老具有重要的研究意义。

  参 考 文 献

  1 Gelato MC. Aging and immune function: a possible role for growth hor-mone[J]. Horm Res,1996,45( 1 - 2) : 46 - 49.

  2 Sohal RS,Orr WC. The redox stress hypothesis of aging[J]. Free Rad-ic Biol Med,2012,52( 3) : 539 - 555.

  3 Harman D. Aging: a theory based on free radical and radiation chemis-try[J]. J Gerontol,1956,11( 3) : 298 - 300.

  4 Lee HC,Wei YH. Mitochondrial alterations,cellular response to oxi-dative stress and defective degradation of proteins in aging[J]. Biogero-ntology,2001,2( 4) : 231 - 244.

  5 Stadtman ER,Berlett BS. Reactive oxygen-mediated protein oxidationin aging and disease[J]. Chem Res Toxicol,1997,10( 5) : 485 - 494.

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