基于氧化應激學說的衰老機制探究
衰老是機體健康水平和維持自身內穩態能力的退行性改變，下面是小編搜集的一篇關于氧化應激學說的衰老機制探究的論文范文，歡迎閱讀查看。
衰老是機體代謝過程中一個進行性的必然階段，表現為機體對環境的適應能力減弱以致喪失。衰老始于機體發育成熟并獲得繁殖能力之后，伴隨著機體老化，組織器官功能逐漸衰退，死亡的概率增加。一般認為人的最高壽限大約為120歲[1].衰老是一個多環節的生物學過程，是多因素共同作用的結果，其機制頗為復雜，涉及到機體各個系統結構與功能的改變。這些改變可以增加生物死亡的概率，同時也往往伴隨疾病的發生。目前還沒有一種理論能解釋所有的衰老現象。有關衰老的理論頗多，如遺傳控制理論、體細胞突變理論、神經內分泌理論、免疫理論、生活速率理論、生殖與老化理論以及氧化應激理論等。盡管關于衰老有許多假說不斷被提出，但導致生物體增齡性功能改變和壽命改變的機制仍不明確[2],其中大多理論都是建立在生物體內在衰老重要作用的基礎之上，而環境因素對衰老的發生發展同樣不容忽視。環境因素既包括生物體外部環境也包括生物體內部環境。氧化應激理論的提出即是考慮了環境因素對衰老的影響。
1955年，在美國的原子能委員會中，英國學者Dr.Har-man首次提出衰老的自由基理論，并于1956年在《老年》雜志上[3]發表了題為“衰老：根據自由基和放射化學提出的理論”的文章。衰老的自由基理論同時涵蓋了損傷積累衰老理論和基因程序衰老理論。核心觀點包括以下幾點：①細胞代謝過程中不斷產生的自由基造成的細胞損傷是引起機體衰老的根本原因之一。②造成細胞損傷的自由基主要是氧自由基，而大部分的活性氧基團(ROS)主要由線粒體產生，線粒體作為細胞呼吸和氧化的中心與衰老密切相關[4].③在體內維持適當的抗氧化劑和自由基清除劑可以延長壽命和延緩衰老。
1.自由基的概念
自由基，也稱為“游離基”,是化合物的分子由于光熱等外界因素造成共價鍵發生斷裂，形成具有不成對電子的原子或基團。它是多種生化反應的中間代謝產物，包括超氧陰離子自由基(-O-2)、氫自由基(H-)、氯自由基(Cl-)、甲基自由基(CH3-)、羥自由基(-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)形成的自由基統稱為氧自由基。上述的氧自由基，H2O2,單線態氧(1O2)和臭氧，統稱為活性氧(ROS),它是外源性氧化劑或細胞內有氧代謝過程中產生的具有很高生物活性的含氧化合物。自由基可導致多種生物大分子的結構改變，其中蛋白質的氧化被認為是最重要的改變，因為蛋白質扮演著受體、載體、酶、轉錄因子、細胞支架等諸多重要角色。此外，蛋白質占細胞有機物的主要成分，同時也是自由基的主要攻擊目標。公認的蛋白質不可逆的氧化修飾便是蛋白質的羰基化，自由基攻擊蛋白質可導致蛋白質的羰基化，進而導致蛋白質的失活、水解、折疊和交聯，影響蛋白質的功能和機體代謝，改變對信號傳導途經的影響及酶的活性，引發生物學效應，最終導致了衰老以及衰老相關多種慢性疾病的發生[5].
2.人體自由基的來源
人體內自由基的來源主要有外源性自由基和內源性自由基兩類。
2.1外源性自由基外源性自由基主要是從外界環境中吸收的：①電離輻射(如γ-射線和α-射線、紫外線等)和大氣污染(如煙霧中的氟利昂、臭氧、香煙產生的煙霧、汽車尾氣等)均可使人體內產生自由基;②一些藥物如抗結核藥、硝基化合物、解熱鎮痛藥、類固醇激素等在體內也可產生自由基;③其他一些水銀等重金屬離子污染、殺蟲劑毒性與自由基相關，產業植物油等在空氣中久置也會造成自由基含量增加。
2.2內源性自由基在機體代謝過程中會不斷產生多種自由基，其中以活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)最多。內源性自由基主要由線粒體產生，可產生活細胞內90%以上的`自由基，線粒體中自由基濃度最高。機體中約有1%~4%的氧在線粒體氧化磷酸化生成ATP的過程中轉化為活性氧。過氧化物酶體，脂氧合酶，NADPH氧化酶以及細胞色素P450都是線粒體外ROS的主要來源。此外，一些吞噬細胞、血紅細胞、肌紅細胞也可產生少量的自由基。
3.自由基的防御系統
氧化還原反應在細胞正常的代謝過程中大量發生，由此產生少量性質活潑的氧自由基。在正常條件下，機體為維持生理平衡會隨時通過酶和非酶兩種防御系統清除多余的自由基。體內一些天然抗氧化劑如VitA,VitB族，VitC,VitE,β-胡羅卜素、微量元素硒、谷胱甘肽、半胱氨酸等屬于非酶防御系統;而超氧化岐化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)、過氧化物酶(POD)、輔酶Q10等屬于酶防御系統，通過酶解作用清除自由基，減輕自由基的損害作用;此外，自由基引起的DNA氧化損傷可以通過脫氧核糖核酸(DNA)修復系統進行修復，呼吸鏈通過自身的細胞色素C也可以清除·O2-和H2O2.
4.氧化應激
1990年美國衰老研究學者Sohal第一次提出了“氧化應激”的概念。機體在遭受有害刺激時，體內活性氧(ROS)產生過多，超出了機體的清除速度，氧化系統和抗氧化系統失衡，過剩的ROS參與細胞內反應，引起氧化應激。氧化應激通過損傷DNA使維持細胞基本生理功能的基因失去表達活性，進而導致細胞衰老[6],從而導致組織損傷[7].
正常的情況下，機體自由基的產生與自由基防御系統處于動態平衡狀態。一旦機體暴露在有害因素中或者機體處于疾病和衰老狀態下，體內活性氧自由基會不斷產生，而此時機體清除能力卻明顯下降，不斷產生的活性氧物質會修飾和干涉細胞蛋白質、脂質和DNA,從而引起細胞大分子的氧化損傷、細胞的氧化與抗氧化功能失衡，發生氧化應激。氧化應激對機體的影響有雙重作用：首先，氧化應激可參與調節細胞膜的信號傳導。如氧化應激通過影響細激發蛋白激酶C和MAP激酶活性作用于分子反應、酶的活化、增殖、分化。氧化應激引起的凋亡既為分娩準備出生通道又增強了生物體的防御功能，因此從生理學角度來說，氧化應激是有益的。但是，氧化應激導致的氧化損傷的積累又會造成細胞損傷及癌癥發生。
5.氧化應激與衰老
在生物體的衰老過程中，機體組織細胞不斷產生的自由基逐漸累積，由于自由基反應能力較強，可氧化細胞中的多種物質，損傷生物膜，造成蛋白質、核酸等大分子交聯，因而影響其正常功能[3].此后自由基學說被HelmutSies等發展為“氧化應激假說”,該學說認為衰老過程中機體抗氧化成分的減少導致清除自由基的能力減弱，進而導致生物大分子結構損傷的增齡性累積[8].人體可以被理解成一個氧化與抗氧化的系統，隨著年齡增加，自由基不斷累積，機體平衡被打破，傾向氧化，進而導致了疾病與衰老。盡管以上學說存在爭議，但近年來越來越多的研究證實生物大分子的氧化與癌癥、心腦血管疾病、腎病、糖尿病、帕金森病、阿爾茲海默病等衰老相關疾病以及衰老本身密切相關，氧化應激即使不是諸多疾病的病因，但至少是一個重要的危險因素[9].
5.1氧自由基的累積隨著年齡的增長，線粒體內的ROS也會隨之不斷累積增加。①線粒體電子傳遞鏈活性下降。線粒體呼吸鏈復合物隨著年齡增長其活性會隨之下降，尤其是復合體Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ活性下降顯著，導致電子傳遞受阻，氧不能被有效利用，氧自由基大量產生[10].②伴隨年齡增長，線粒體的基因表達水平下降，衰老個體中缺乏代償機制，無法通過增加包括電子傳遞鏈在內的蛋白質表達水平來維持生長需要，導致細胞出現衰老[11].另一方面，氧化產物的積累使得線粒體DNA(mtDNA)的缺失突變不斷聚集，從而嚴重影響mtDNA重要功能，呼吸鏈復合物活性進一步降低，ROS持續升高，ATP合成減少。③線粒體內抗氧化酶活性也會隨著年齡增長而不斷下降[12].
5.2氧自由基在衰老中的作用①損傷生物膜：氧自由基能引起生物膜脂質過氧化反應，使其中的不飽和脂肪酸發生過氧化，生物膜結構被破壞，功能受損，細胞器發生功能障礙。在此過程中產生的脂質過氧化物發生降解產生丙二醛，它可與氨基酸、核酸等形成脂褐素，使生物分子內部或之間發生交聯，DNA復制出現錯誤，從而引起細胞變性壞死、機體衰老。②損傷蛋白質：氧自由基能夠直接氧化破壞蛋白質，引起酶蛋白失活;產生異質性蛋白質引起自身免疫反應;改變機體組織結構蛋白的理化性質，減少血液組織間的交換加速組織器官衰老退化;引起核酸的氧化和交聯，遺傳信息不能被正常轉錄和翻譯，因此蛋白質的表達降低或者會有突變蛋白產生。③mtDNA氧化損傷：由于mtDNA是裸露的，缺乏修復系統，位置靠近自由基的產生部位，更易受到氧化損傷。且由于mtDNA無非編碼區，在轉錄過程中，氧化損傷造成的突變會全部被轉錄，損傷因此累積。
5.3氧化應激引起細胞衰老的途徑衰老的氧化應激理論認為，活性氧造成的DNA損傷是衰老的誘發事件。在衰老過程中一方面自由基的生成速率可能增加，另一方面機體氧化與抗氧化水平失衡。氧化應激對DNA的氧化損傷在正常代謝狀況下以很高的頻率發生，氧化應激導致DNA損傷最易發生的部位是堿基中的胸腺嘧啶和鳥嘌呤。
目前，公認的氧化應激引起細胞衰老的途徑包括：①DDR(DNAdamageresponse)途徑：氧化應激造成的DNA損傷，通過啟動DDR激活p53并在轉錄水平活化p21,引起細胞衰老[13].②核因子κB(NF-κB)通路：正常情況下，抑制蛋白IκB與NF-κB二聚體結合，在胞質中形成無活性的三聚體形式。氧化應激條件下IκB被磷酸化，NF-κB被釋放并激活后由胞質進入胞核與相應的DNA序列結合，增加白介素8表達并穩定p53蛋白，引發細胞衰老[14~16].③p38MAPKs通路：
MAPK是哺乳細胞內廣泛存在的一類絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶，是細胞重要的應激通路。VirginiaProbin等人發現馬利蘭(Busulfan)誘導的細胞衰老依賴于ROS激活p38MAPK通路，p38MAPK抑制劑(SB203580)能降低衰老相關基因p16的表達[17];Jang等發現ROS較低的造血干細胞功能較強，p38表達較低，p16基本不表達[18].這些提示在造血干/祖細胞的衰老中，p38MAPKs起著非常重要的作用。④microRNA途徑：miRNA是一類單鏈小分子RNA,長度約為20~25nt,它能特異性結合靶mRNA在轉錄后水平上調控基因表達。目前，許多研究表明miRNA也參與了細胞衰老的進程[19,20].DavidBaltimore等最新研究表明Mirc19(microRNA-212/132cluster)在衰老過程中調控造血干細胞的維持和生存[21].研究發現HSC富含Mirc19(microRNA-212/132cluster),而且Mirc19會隨著年齡增長而上調。
6.衰老的氧化應激理論的更新
衰老的氧化應激假說是建立在細胞內氧化損傷隨年齡累積以及長壽命個體比短壽命個體的ROS和損傷積累更少的基礎之上的[22~24].而隨后，研究發現抑制或者降低細胞內部ROS以及DNA損傷并不一定能延緩衰老。相反，線粒體的輕微功能缺陷能夠延長生物壽命[25].而且更多的研究表明ROS一方面作為氧化還原信號參與細胞信號轉導，另一方面在一定范圍內升高ROS或者抑制線粒體功能能夠延緩衰老，延長壽命[26,27].
因此，近來一種新的漸進性的ROS衰老理論被提出[23]:衰老早期階段，衰老相關的DNA損傷產生低劑量ROS,由于體內的抗氧化體系這些ROS并不會引起機體損傷，反而會觸發機體保護性的壓力應激反應，延緩衰老。當年齡增加，衰老相關的DNA損傷在體內持續聚集，ROS大量產生，超過了機體的清除能力，這些蓄積的ROS進一步造成DNA損傷，加劇衰老相關性DNA損傷，加速細胞的衰老，造成惡性循環。
7.結語
綜上所述，氧化應激不單是機體內氧化還原穩態的失衡，而是機體失去了對氧化還原信號的響應和對其狀態的調控。
此外，由于ROS的雙重作用，衰老的氧化應激學說也不僅限于ROS的增加是促進衰老的主因。因此，如何在細胞內部將ROS維持在一個適當的生理水平，而不是單純地降低細胞內的ROS,對于疾病預防、延緩衰老具有重要的研究意義。
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