 [点击浏览该文件:线粒体氧化损伤与衰老.rar] 线粒体(mitochondrion, MT)存在于除哺 乳动物成熟红细胞以外的所有真核细胞中, 是细胞进行生物氧化和能量转换的主要场 所,哺乳动物吸收的氧气有90%在线粒体中 被利用。近年来的研究表明:一方面,氧作为 呼吸链的终端电子受体参与产生ATP的氧 化磷酸化反应,满足生命的能量需要;另一方 面,氧通过一系列化学反应生成有害的氧自 由基(oxygen free radical, OFR),损伤线粒体, 破坏细胞,并导致衰老和疾病。本文就自由 基对线粒体的氧化损伤与衰老和疾病的关系 作一综述。 1 线粒体DNA的损伤 1·1 自由基导致线粒体DNA突变 线粒体DNA(mt DNA)与核基因组DNA 相比,更易受到自由基的损伤,这是因为:① mt DNA的位置靠近自由基产生部位———线 粒体内膜,裸露于内膜上氧化呼吸链产生的 大量自由基的环境中,易遭受氧化损伤。② mt DNA缺乏组蛋白的保护,并且因为缺乏修 复系统,mt DNA损伤后不易被修复。③mt DNA不存在非编码区,氧化损伤造成的m DNA的突变都被转录,所以损伤可以累积下 来。当mt DNA发生突变时,细胞就成为包 含有突变型和野生型mt DNA的混合体,称 之为“异质性(heteroplasmic)”细胞。突变型 与野生型mt DNA的比例是决定是否出现生 化和临床异常的关键因素。当突变比例不断 增大,细胞通过线粒体中氧化磷酸化获得的 生物能量下降到一定程度后,就会出现一系 列的疾病症状[1]。 1·2 mt DNA突变与衰老 Harman 1972年首次提出mt DNA与衰老 密切相关这一假说,之后的研究者发现许多 与衰老有关的退行性疾病(衰老病)的主要原 因是mt DNA的变异,这些衰老病的原发性 和继发性症状都被认为是氧自由基对mt DNA氧化损伤的结果,与细胞的氧化还原调 控机制的失衡相关[2]。 有研究发现,随着年龄增加,mt DNA突 变明显增加,但是目前得到的数据发现,老年 人的组织中mt DNA的缺失率并不高,所以 很难证明某种类型的mt DNA突变是如何影 响线粒体功能进而导致衰老的。为此有人提 出了有关的“冰山模型”:即单种类型的mt DNA突变只代表冰山的顶,其底部还有大量 其它类型的突变,即衰老不是某种mt DNA 突变引起的,而是很多mt DNA突变共同作 用的结果[3]。 1989年Linnane等[2]提出线粒体衰老学 说,认为mt DNA易受到自由基的攻击,引发 mt DNA氧化损伤,如8-OH-dG的产生,导致 mtDNA突变,mt DNA突变进一步导致电子 传递链缺陷,使活性氧类(reactive oxygen species, ROS)氧化物生成增加,产生更多的 8-OH-dG和mt DNA突变的进一步增加,形成 恶性循环导致衰老时生理机能的衰退,而mt DNA突变在其中起核心作用。 许多研究已经证实老年性疾病与mt DNA突变存在内在联系。患有帕金森病 (Parkinson’s disease,PD)和阿尔茨海默病 (Alzheimer’s disease,AD)患者的组织中,mt DNA的突变率比同龄人显著增高;帕金森病 患者的脑皮质中mt DNA氧化损伤的标志物 8-OH-dG的含量明显高于正常人[2]。 2 呼吸链的损伤 2·1 自由基对呼吸链的损伤 在线粒体内膜上有5个不同的蛋白质复 合体涉及氧化磷酸化反应,其中复合体Ⅰ、 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成电子传递链。所有由mt DNA 编码的多肽都是氧化磷酸化系统的组成部 分,自由基对mt DNA的损伤可以通过mt DNA编码的多肽影响氧化磷酸化过程,此外 呼吸链复合体也可能直接受到自由基的攻 击。复合体Ⅰ对羧基自由基和超氧阴离子特 别敏感,复合体Ⅳ最易受到过氧化物的攻击, 复合体Ⅰ、Ⅱ也会受其影响。电子传递链复 合体易受攻击可能是由于复合体蛋白质易受 到氧化损伤[4]。在氧化损伤和氧化磷酸化之 间可能存在一个循环机制,由于氧化磷酸化 产生自由基,这些自由基可能对mt DNA、蛋 白质和膜脂质造成损伤,这些损伤反过来又 会影响氧化磷酸化,并产生更多的自由基,这 些自由基可能产生更多的氧化损伤,并进一 步导致ATP含量的减少。 2·2 呼吸链的损伤与衰老 在发现1-甲基-4-苯基-1,2,4,6-四氢砒 啶(MPTP)能导致帕金森病后,研究者们产生 了氧化应激可能引起线粒体功能缺失,进 导致神经退行性疾病这一想法。MPTP通过 单胺氧化酶B (MAO-B)转化成1-甲基-4-苯 基吡碇(MPP+),MPP+能通过可逆地结合在 一个靠近鱼藤酮结合位点的部位抑制复合酶 体Ⅰ。研究发现,MPP+可诱导过氧化物的形 成,增加脂质的过氧化,并可能通过过氧化损 伤复合酶体Ⅰ来不可逆地抑制复合体Ⅰ。帕 金森病患者脑组织的黑质致密部中复合酶体 Ⅰ的活性下降。α-酮戊二酸脱氢酶复合体 (KGDHC)是线粒体三羧酸循环的限速酶,还 向复合酶体Ⅱ供应琥珀酸盐。KGDHC能被 微量的MPP+抑制,PD患者的黑质致密部 KGDHC活性降低[5]。目前已发现AD患者脑 组织中KGDHC的活性也是下降的。所以推 测,KGDHC对于氧化损伤很敏感,而且这种 氧化损伤与退行性疾病有关[6]。 最近的研究表明,利用电子传递复合体 Ⅰ基因的抑制物,可以得到带有PD生物化 学和组织学特征的动物模型[7]。 PD患者体内存在氧化应激增强的证据 是其黑质致密部脂质的氧化增强。氧化应激 的增强可以导致谷胱甘肽(GSH)水平下降, 而GSH水平下降可以作为神经元变性死亡 早期的生化指标。PD患者黑质致密部GSH 的水平只是正常人的35%,黑质致密部δ-谷 胺酰转肽酶(一种谷胱甘肽酶)活性增强,谷 胱甘肽氧化酶和过氧化氢酶活性减低。 氧化应激和线粒体功能异常的相互作用 还可能参与AD病理的进程。除了上面提到 的KGDHC的改变外,AD患者的氧化磷酸化 系统中复合酶体Ⅳ活性下降,复合酶体Ⅰ、 Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ的活性也有相应变化。另外,能量 代谢受抑制可能会加剧兴奋性氨基酸的毒 性,而且ATP不足时淀粉样前蛋白(APP)难 以插入细胞膜内,更易异常裂解为β-淀粉样 蛋白(Aβ)而沉积,影响自由基的清除。一项 小鼠实验表明,自由基与年龄相关的记忆减 退有关[8]。当糖代谢受抑制时,乙酰辅酶A 生成减少,乙酰胆碱生成量减少。对人的研 究表明,乙酰胆碱与学习记忆能力密切相关, 当其生成减少时,AD患者出现学习记忆能力 减退。 3 线粒体膜的损伤 3·1 自由基对线粒体膜的损伤 正常生理情况下,线粒体内膜仅允许不 带电荷的小分子通过,外源性的抗氧化物质 不易进入线粒体。但是内膜靠近产生自由基 的呼吸链,在自由基产生过多时内膜易受氧 化损伤,造成线粒体内膜脂质的过氧化反应、 膜流动性降低、膜脂质降解等,从而影响跨越 线粒体膜的质子梯度,使线粒体合成ATP的 功能发生障碍。同时,线粒体的功能障碍又 可导致自由基产生增多,过多的氧自由基不 能被及时清除,又可引起生物膜结构蛋白质 和脂质过氧化,损害线粒体膜的通透性,引起 电子传递链活性的进一步下降,进而形成恶 性循环,使氧自由基生成进一步增加,最终造 成细胞及组织的坏死。线粒体NADH/ NADPH的氧化还原状态可维持巯基于还原 状态,巯基对线粒体膜通透性具有调节作用。 有研究表明,活性氧对细胞的威胁主要 与静息状态相关。线粒体在状态Ⅲ向状态Ⅳ 转换中,由于ADP耗尽,ATP积累,使得O2 消耗的主要途径被切断,导致O2浓度升高。 高氧的环境和高还原态的呼吸链正是促使电 子漏生成超氧离子的状态。而解偶联作用使 线粒体内膜质子漏增加,跨膜电位ΔμH+降 低,刺激O2的消耗,缓解超氧离子的产生[9]。 当解偶联作用不能阻止ROS的大量生 成时,积累的ROS将激活线粒体上非特异的 通透性转运孔道(permeability transition pore, PT孔)开放。PT孔高水平开放的直接效应 是导致线粒体质子-电化学梯度耗散、离子稳 态打破、线粒体肿胀和ATP水解,这些效应 至少可以通过4个机制致细胞死亡,即细胞 ATP水平下降,胞质Ca2+水平上升,凋亡诱 导因子及细胞色素C释放,最终激发细胞死 亡。由于小于15ku的大分子均可通过孔道, H2O及小分子将到达基质,导致基质膨胀 使线粒体内膜嵴被拉直,外膜破裂。如果这 种线粒体数量增加,在胞质中释放出的可溶 性蛋白浓度达到一定阈值,就会启动核凋亡 的产生[10]。有报道指出, PT孔与电控离子 通道(voltage-dependent anion channel,VDAC) 相关,其开放是凋亡的早期事件[11]。 3·2 线粒体膜的损伤与衰老 线粒体最基本的功能是氧化磷酸化,这 要求线粒体结构与功能的高度完整性。线粒 体膜结构与功能的损伤显然不利于ATP的 产生,这将导致能量代谢受抑,进而影响细胞 以及组织、器官的功能,导致机体发生衰老或 疾病。在一个采用Fe2+-Cys作为氧自由基 生成系统的实验中,发现Fe2+-Cys可引起大 鼠线粒体肿胀,脂质过氧化物丙二醛(MDA) 的生成增加,膜流动性下降,电镜下观察到线 粒体严重水肿乃至外膜破裂、空泡化明显、内 嵴断裂脱落并与损伤的mt DNA一起聚集成 形状大小不一的斑块,称之为“微环”,此为衰 老线粒体的主要特征[12]。 脂质过氧化产生的短链产物MDA可以 与膜蛋白、膜脂上的NH2交联形成Schiff’s 碱,从而降低线粒体膜的流动性。线粒体膜 的流动性与其功能密切相关,为膜上受体、离 子通道、钙泵等发挥正常作用所必需。氧自 由基脂质过氧化使膜的流动性降低,从而影 响整个细胞代谢、功能和结构,使神经细胞间 的信号传递和细胞离子梯度的维持等无法正 常进行,影响到神经细胞的功能[12],这些可 能与AD、PD等神经退行性疾病有关。 4 破坏线粒体的钙稳态 细胞浆内游离钙离子的浓度调控着细胞 的主要功能,钙离子正常转运对细胞浆钙离 子浓度及细胞功能有明显影响,而线粒体是 细胞内最重要的钙库,对细胞浆内钙离子浓 度平衡的调节至关重要。膜上的Ca2+-ATP 酶主动地将Ca2+从胞浆摄入到线粒体基质 内,储存起来,维持细胞的钙稳态。Ca2+-ATP 酶是一种膜酶,线粒体膜脂质受到自由基的 攻击,发生脂质过氧化可使酶蛋白构象改变, 从而影响酶活性。此外,也可能由于Ca2+- ATP酶的活性依赖线粒体膜具有适当的流动 性,当MDA大量增加时,线粒体膜会变得僵 硬,影响Ca2+-ATP酶活性,由此导致线粒体 摄取钙离子减少,细胞内钙离子增加,严重时 引起钙超载。细胞内Ca2+激活Ca2+依赖性 磷脂酶,使线粒体膜进一步受损,在呼吸链末 端生成的ROS进一步增加,持续激活PT孔 的开放;细胞内ATP浓度缓慢下降,专一的 蛋白酶被激活,引起线粒体内Ca2+和细胞色 素C释放。Ca2+激活核酸内切酶,降解细胞 核DNA,细胞色素C启动凋亡程序。于是, 细胞出现凋亡现象,数量减少。此外,线粒体 钙稳态还调节着线粒体内酶的活性,影响能 量代谢。已有公认,线粒体钙稳态的破坏是 细胞坏死的最后共同通路。 5 抗氧化与防治老年性疾病 综上所述,线粒体内自由基产生和抗氧 化防御机制的平衡失调时,自由基就会使一 系列的生物分子发生氧化损伤,生物体出现 一些衰老的生化和临床表现[13]。所以,利用 各种能够加强抗氧化防御体系和减少自由基 的方法,阻断自由基对线粒体的攻击作用,从 而延缓衰老,防治退行性疾病,成为目前许多 科研人员攻关的目标。 抗氧化剂司立吉林(selegiline)可以抑制 MAO-B,抑制多巴胺的氧化脱氨基作用,从而 预防自由基的形成。丙炔苯丙胺是MAO-B 高选择抑制剂,抑制自由基的生成,可以对抗 6-OHDA及MPTP诱导的脂质过氧化和对呼 吸链的损伤作用,抑制多巴胺(DA)代谢,可 以用于PD的治疗。但有症状性低血压或脑 血管疾病的患者不宜使用。 硫丙麦角林是DA激动剂,可以清除羟 自由基和活性氮,明显抑制大鼠脑区的脂质 过氧化,提高纹状体抗氧化酶活性,临床用于 治疗PD,以改善震颤尤为明显。 一些中药可以通过提高脑组织抗氧化 超氧化物歧化酶(SOD)及谷胱甘肽过氧化物 酶(GSH-Px)活性,降低MDA含量,从而保护 神经元模型结构及线粒体呼吸功能,改善脑 内能量代谢及记忆功能,从而达到防治AD 的作用。 既然随着年龄增加,机体的抗氧化防御 能力下降,如果内源性抗氧化剂不能有效消 除自由基,那么外源性抗氧化剂的补充可能 提供另一条防线。已发现植物性食物中的黄 酮、茶叶中的茶多酚、大豆中的异黄酮等成分 都具有抗氧化功能。一些营养素可以清除自 由基或阻断其毒性,如维生素E、β-胡萝卜 素、维生素C。硒、锌、锰、铁等可以构成清除 自由基的酶类。上面提到的用Fe2+-Cys作 为氧自由基生成系统的实验中,预先加入一 定浓度的硒可以明显抑制自由基对线粒体的 损伤。硒是机体重要的抗氧化酶GSH-Px的 组成成分,适当浓度的硒通过提高抗氧化酶 活性而保护线粒体免受氧化损伤[12],进而可 能延缓衰老。廿二碳六烯酸(docosahexaenoic acid,DHA)是一种ω3系脂肪酸,有研究者认 为合用DHA和维生素E有利于抵抗自由基 对神经系统的破坏[14]。辅酶Q10可以增加 线粒体膜的稳定性,增强线粒体呼吸链复合 酶的活性,对治疗PD和亨廷顿氏病 (Huntington’s disease,HD)都取得了较好的疗 效。 如何延缓衰老是人类一直在探索的课 题,随着科学技术的发展,探索的触角已经达 到细胞的超微结构,正处在孕育重大突破的 发展阶段。笔者认为,寻找具有抗氧化作用 的营养素,抑制自由基对人体线粒体的损伤 进而延缓衰老,防治疾病,是一个有着广阔前 景的研究方向,具有很大的应用价值和开发 前景 |
