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中国人解密衰老本质的故事

已有 5882 次阅读 2010-1-4 22:29 |个人分类:生命科学|系统分类:论文交流|关键词:羰基应激,衰老,衰老生化,本质| 衰老, 本质, 羰基应激, 衰老生化

  这是前一篇博文故事里的故事,或称之为“中国人解密衰老本质的故事”。原文发表在《实用老年医学》2010年首期,刊载在此,供大家新年伊始,稍息之时,来一点“心理保健按摩”。

羰基应激衰老学说的发生发展与衰老生化本质

印大中 湖南师范大学 生命科学学院 湖南长沙 410081

一、羰基应激衰老学说的提出

尽管自由基生物医学研究从宏观上连接了氧化应激和生物体衰老的种种现象。而且发现几乎所有的疾病过程不管是急性病还是慢性病,都有自由基的参与。例如与增龄相关的退行性疾病,无论是心脑血管疾病、癌症、老年痴呆、肾脏衰老还是糖尿病等,都与自由基的存在及其造成的伤害有着千丝万缕的联系。然而用自由基伤害衰老学说解释衰老的本质,却遇到了不少实验结果造成的困惑和反驳。越来越多的实验表明,自由基与氧应激和相关损伤既不与衰老变化成正比,也不与最大寿限直接相关,因为损伤值减去了修复与更新值才意味着与衰老相关的变化。

能量代谢研究进一步表明,氧应激和糖应激都是能导致代表生物老化的蛋白质翻译后生化副反应的的损伤过程。然而,氧应激和糖应激有一个惊人的共同途径——羰基应激!一般而言,氧化损害引起急性病变,而羰基应激造成的交联性不可修复的生物分子变化才是生理的和慢性的组织改变,即所谓“真正衰老性改变”。与羰基应激交联相关的多种衰老性生物成分的变化,是自由基氧化和非酶糖基化反应共同的最终归宿。因此,我们在1995年前后提出了“羰基应激衰老学说”[1-3]

二、生命体防御代谢相关应激损伤的几个主要系统

抗氧化和生物机体修复是已为人们所认同的生物体维持体内代谢平衡的两个主要的防御系统。因为需氧组织经常经受氧活性基团的打击,需氧生物体内就逐渐进化形成了一系列抗氧化复合物和酶,这里我们将其统称为抗氧化系统。但仅有这一防御系统还是不够的,细胞内的脂类、蛋白质、核酸、碳水化合物等的损伤现象常有发生,这样就必然会在细胞内制造出许多有害物质。由各种各样的蛋白酶、脂肪酶、核酸酶等组成另一套防御系统,则可以修复和降解大部分破损成分并将没破损的成分区分和分离储存起来以再利用。按Davies教授的观点这两套防御系统一起构成了一个高效的损伤代谢循环系统,它使机体能够成功地克服生理和病理的变化或损伤。然而我们的系列研究表明,生物体内针对羰基应激的防御系统是前述两个防御系统中长期以来被忽略了的举足轻重的,甚至是核心的防御系统。

能量代谢过程中产生的另外一大类羰基应激生化过程­——非酶糖基化过程——现在愈来愈广泛地得到重视。非酶糖基化反应的显著特征是:它主要是还原糖与氨基之间的反应、不依赖于脂类和氧。当然,氧化应激会加速这个反应的进程[1-3]

三、与非酶糖基化反应相关的毒性羰基及衰老

食品科学家研究过的另一类反应——美拉德反应,更确切的说应是非酶糖基化反应,也能产生毒性羰基。该反应能可逆地生成希佛碱,希佛碱则可发生分子重排而生成较为稳定的阿马多里(Amadori)重排产物。阿马多里产物降解生成多种毒性羰基产物。由于葡萄糖是体内能量代谢的核心碳水化合物,且其浓度在糖尿病患者体内会比正常人群增高进而造成病变,多数与非酶糖基化反应相关的生物医学研究就集中在葡萄糖上,然而,应该说明的是,果糖和另外一些戊糖比葡萄糖反应活性更强,它们也能在体内引发美拉德反应。

美拉德反应中生成的生物副产物过去的报道不多,因此它们中仅有很少部分的生化成份得到了鉴定,如脱氧邻酮糖(deoxyosones)、甲基乙二醛(methylglyoxal)、丙酮醛(pyruvaldehyde)。由于美拉德反应的副产物直到近来才开始受到重视。目前学术界常把美拉德反应的产物笼统地称为“高级糖基化终产物(advanced glycation end-productsAGEs)”。尽管这个名称的科学性还有待推敲,然而,美拉德反应的二级产物的毒性却已得到广泛证实。多数与美拉德反应有关的生化变化,不管是结构上还是功能上的,都是由于各种生物分子,特别是蛋白质分子的普遍交联引起。非酶糖基化的研究也表明:与老化有关的显著变化发生在不可更新的组织。如在老化过程中,人类的眼球晶状体的溶解性会慢慢降低,形成诸如早期为乳白色、晚期为黄褐色白内障之类的生色基团或荧光物质。而且因这一变化很大程度上是由与糖有关的美拉德反应引起,糖尿病能大大促进这种荧光化和褐变反应。研究证明:糖尿病有关的非酶糖基化会导致血液黏度增加、肾小球基膜增厚、伤口愈合能力降低、肺扩张能力变弱等与衰老有关的现象。

另有发现表明:不仅美拉德反应能使含胶原丰富的组织受损,如随衰老的进程,皮肤、动脉、肺及关节的弹性逐渐丧失;免疫细胞渗透组织的能力和防御能力下降,而且,其产物也能引起遗传物质发生许多与衰老有关的变化:如DNA修复能力的下降(这可能是组织对分裂素刺激的增殖应答降低)就是典型的一例。

有趣的是,脂质过氧化和美拉德反应都是与低密度脂蛋白的损害和变化正相关。而低密度脂蛋白的损伤变化又会引起巨噬细胞的吞噬增加,从而导致了动脉粥状硬化的早期情形——泡沫细胞的生成。近年来,越来越多的关于非酶糖基化导致糖尿病晚期合并症,如动脉粥状硬化、糖尿病肾病和组织纤维化的研究揭示了羰基应激与衰老过程的千丝万缕的关系,有关专家近年来已强烈地倾向于用羰基应激学说取代非酶糖基化学说。

四、羰基应激,老年色素形成的核心生化过程[4]

毒性羰基是脂质过氧化反应和非酶糖基化反应的副产物,羰基和各种生物分子的进一步反应诱导了多聚或交联的脂褐质样色素或荧光物质的形成。有趣的是,如果比较这几个不同领域的研究资料,我们会发现,自由基和美拉德反应的科学家们所使用的都是荧光测定法去测蓝绿色荧光。然而,自由基科学家们称那种荧光物质为脂褐质样老年色素,美拉德反应科学家们称之为糖基化终产物。尽管这些荧光物质起源于不同的生物分子,但它们的组成机制却是同一类型,如:它们的形成都是与羰基有关的交联或聚合反应。蛋白氮通常在交联反应中起很重要的作用,其产物都服从于热力学第二定律形成最稳定的形式——共轭或成环。这种含氮、共轭、环状的分子结构就使这些复合物具有了颜色,含蛋白氮的物质反应后通常发生褐变,其中很大一部分会在特定光源的激发下辐射出一定颜色的荧光。例如吡啶(pyridines)、吡咯(pyrroles)、吡喃(pyralines)、嘧啶(pyrimidines)、咪唑(imidazoles)、戊糖唏啶(pentosidines)等复合物。褐变是生物材料在储存过程中出现的一个普遍现象,它甚至在-10时就能出现,并随温度的升高或暴露在空气中而加快,这就是食品保存中有名的美拉德式褐变反应,它与人类及动物的老年色素的形成有密切的联系。

此外,畸变蛋白质的积累也是衰老在分子水平上的特征性表象。Stadman和其他一些学者的大量研究充分证实:蛋白中羰基的含量与蛋白的氧化修饰、酶的失活(如谷氨酰氨合成酶)及蛋白老化密切相关。因此,蛋白羰基在体内的相对含量也可以被认为是衰老的一个重要标志。

五、自由基衰老学说与非酶糖基化衰老学说的差异

值得指出的是,氧自由基对脂和蛋白质的氧化伤害导致毒性羰基等不饱和醛酮形成的过程是需氧的过程,而非酶糖基化反应导致黄绿色荧光糖基化终产物形成的过程原则上是不需氧的。在非酶糖基化反应中,无论是希佛碱的形成,还是阿马多里重排反应都是不需氧的,尽管氧自由基和过渡金属能大大促进阿马多里产物的进一步降解,但没有氧自由基和过渡金属存在时,它也能够通过脱氨、脱氢、或分裂降解,生成毒性羰基化合物。需氧是氧化紧张机理区别于非酶糖基化机理的第二个、也是决定性的一个差别。这种重要的差异以前并没得到重视的原因,部分是因为在早期的研究中,抗败血酸与非酶糖基化引起的褐变反应具有很大的相似性,但更主要的是因为两种衰老机制直到近来才开始得到综合考虑。

由于毒性羰基的形成可以不依赖氧化损伤,所以即使所有的自由基攻击能被抗氧化系统所阻止,毒性羰基仍能通过非酶糖基化来形成。而毒性羰基一旦形成,它就能进一步与多种生物分子反应,这些反应既不依赖氧也不依赖还原糖,它服从于热力学第二定律,即熵趋向于增加,这就使它在适当的条件下几乎能与所有生物分子交联和聚合。蛋白代谢和核酸修复系统尽管效率很高,但仅能部分地修复被伤害了的生物组织,而不能保护生物分子免于毒性羰基的伤害。最重要的是,不能修复不分裂细胞和细胞间质等生物结构中大部分稳定交联产物。而毒性羰基常常能穿透膜结构,并在细胞和组织中进行长距离穿行,从而几乎能达到身体的任何组织。

六、羰基应激可能是生物衰老的核心过程[5,6]

如前所述,眼球晶体白内障的形成、胶原蛋白的交联、终末分化细胞中脂褐质的累积,都是衰老进程中的显著现象。而所有这些现象又都与毒性羰基诱导的生物分子的交联和聚合有关。又考虑到氧化紧张、非酶糖基化反应及食物羰基都是毒性羰基的来源,它们都可认为是羰基应激的重要的前导激发过程。

以硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid)反应物为一个粗糙的毒性羰基指标。目前已测知,正常人血浆中毒性羰基的浓度为0.3~5.0nmol/ml,而蛋白质中蛋白羰基的浓度为3.0 nmol/ml。各种自由基伤害,如:电离辐射、金属催化的氧化、臭氧或一氧化氮导致的氧化,将直接地、快速地影响生物分子,使细胞内的羰基浓度急剧增加,这就加剧了体内的羰基应激。也有报道说,脂过氧化作用会随衰老的进程而不断增强,譬如老年大鼠的肝脏、大脑、肾脏及睾丸中的硫代巴比妥酸的值就比幼年大鼠的高得多;同样Yagi和他的同事们也证实了糖尿病人的硫代巴比妥酸值比正常人高(病人为5.5nmol/ml,正常人为3.5nmol/ml)。本文前面述及的高代谢率的动物寿命短的现象,按羰基应激衰老学说就可解释为,因为它们在高代谢应激过程中制造了过多的羰基产物,从而加速了生物体的老化。

尽管动物拥有高度完善的羰基应激防御系统,但是它们的生物分子仍然沉浸在羰基的包围中。因而,各种羰基化合物及毒性羰基所诱导的机体的逐渐生理变异就无所不在、不可避免。

七、广义衰老学说

2005年,我们关于广义衰老学说在国内外老年学核心杂志先后发表,我们的英文综述文章——“衰老机理的本质”被美国老年学学会的权威杂志《实验老年学》杂志作为特异论文发表在刊首[5,6]

接着,20065月澳大利亚著名衰老研究科学大师 Robin Holliday 教授在纽约科学院院刊上发表了一篇令人触目惊心的文章——“衰老不再是生物学的未解之谜”。 2007年,以提出“细胞复制衰老”而享誉世界的美国加州大学教授 Leonard Hayflick,将他终于认清的关于解密衰老机理的几篇非常类似的文章在不同的场合频频发表[7-9],向世界宣告“衰老已经不再是个谜”,“熵增决定衰老,基因决定寿命…”。

200710月,陈可冀院士和印大中教授在第八届亚太老年学和老年医学大会双双获得中国老年学的最高奖——“杰出贡献奖”。

下面列出一些我们提出的关于衰老机制研究的主要创新点,供读者参考[10]

早先,我们全面地总结和揭示了各种生物大分子在老年色素形成机制中的生化作用,我们关于老年色素形成机制的相关文章,现在已成为该领域引用率最高的经典文献。根据老年色素形成的生化本质提出的羰基应激衰老学说,所谓“狭义衰老学说”,为进一步提出“广义衰老学说”,所谓衰老过程的核心驱动力为“生化副反应损变的失修性累积”打下了坚实的基础。

我们提出,在衰老研究中“看基因突变不如看蛋白质聚变”的观点,指出基因突变往往致病,造成病理性退行性变,如癌变和线粒体基因突变疾病等。蛋白质聚变则无所不在,潜移默化,可造成无临床症状的生理性老化衍变,如脂褐素积累、血管硬化、皮肤起皱等,导致所谓“真正衰老改变”。

我们创新性地提出了自由基损伤生物大分子,自由基是外因,属于衰老衍变的启动因子和加速因子。而各种生化分子结构中的功能团的衍变,是生化大分子的共性氧化衍变,是生命物质本身的变化,是衰老改变的内在物质基础(内因)。是熵增衰老的具体生化内涵,是人类衰老过程的生化本质。

上述衰老学说突破了当前“从生物大分子(主要从基因和蛋白质)看生命奥秘”的思维局限,开拓性地提出了从生化反应的共性元素,“亚分子功能团”的水平,或所谓“表观基因组学和表观蛋白质组学水平”,看人类生理性衰老的共同分子机制的思想。在“亚分子功能团水平”,衰老以及老年退行性疾病的形形色色表演,都可以得到严谨的科学的诠释。

总之,我国生物医学科学家关于衰老本质的突破性研究成果,标志着人类对于衰老千古之谜的生物化学以及生物物理化学解答的到来,也标志着人类对于生命本质认识的重要突破,甚而为中西医学的终极大统一打开了深锁千年的大门。

参考文献

[1]  印大中著.破解衰老之谜.北京:科学出版社[M]2002

[2]  Dazhong YinStudies of age pigments evolving into a new theory of biological aging [J]Gerontology199541(Suppl2)159-172

[3]  Dazhong YinUlf TBrunk. Carbonyl toxification hypothesis of biological agingInA.Macieira-Coelho(ed.)Molecular Basis of AgingCRC PressLondon [M](1995)421-436

[4]  Dazhong YinBiochemical basis of lipofuscinceroidand age pigment-like fluorophores [J]Free Radic.Biol.Med, 199621871-888

[5]  印大中.衰老--生命与熵增之战.中国老年学杂志 [J]200323(9)555-559

[6]  Dazhong YinKeji ChenThe essential mechanisms of aging:irreparable damage accumulation of biochemical side-reactions [J]Experimental Gerontology200540455-465

[7]  Holliday R. Aging is no longer an unsolved problem in biology [J]. Ann NY Acad Sci, 2006, 1067:1-9.

[8]  Hayflick L. Biological aging is no longer an unsolved problem [J]. Ann NY Acad Sci, 2007, 1100:1-13.

[9]  Hayflick L, Entropy explains aging, genetic determinism explains longevity, and undefined terminology explains misunderstanding both [J]. PloS Genetics, 2007, 3(12):e220.

[10]  印大中.衰老,千古之谜的终结 [J].中国老年学杂志,2008, 28(3)209-211



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