Нажмите "Enter", чтобы перейти к контенту

Роли комплекса Pyruvate, NADH и Mitochondrial I в отношении редокс-баланса и дисбаланса в функции β-функции и дисфункции

Roles of Pyruvate, NADH, and Mitochondrial Complex I in Redox Balance and Imbalance in β Cell Function and Dysfunction
Источник: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4629043/

Академический редактор: Чэнь Ван

Панкреатические β-клетки используют не только глюкозу в качестве источника энергии, но также и уровень глюкозы в крови для секреции инсулина. Известно, что метаболические пути пирувата и NADH участвуют в регуляции секреции инсулина в ответ на стимуляцию глюкозы, роль многих других компонентов вдоль метаболических путей остается плохо понятой. Так обстоит дело с митохондриальным комплексом I (NADH / убихиноноксидоредуктаза). Известно, что нормальная комплексная функция I абсолютно необходима для эпизодической секреции инсулина после еды, но роль сложного I в β-клетках в диабетической поджелудочной железе еще предстоит исследовать. В этой статье мы рассмотрим роли пирувата, NADH и комплекса I в секреции инсулина и предположим, что комплекс I играет решающую роль в патогенезе дисфункции β-клеток в диабетической поджелудочной железе. Эта гипотеза основана на установлении, что хроническая гипергликемия перегружает комплекс I с NADH, что приводит к усилению комплексного образования аминоактивных видов. Поскольку почти все метаболические пути нарушаются при диабете, понимание того, насколько сложный I в β-клетках справляется с повышенным уровнем НАДГ в диабетической поджелудочной железе, может обеспечить потенциальные терапевтические стратегии для диабета.

Комплекс I (NADH-убихиноноксидоредуктаза) является начальной точкой входа электронов в митохондриальную транспортную цепь электрона [1, 2] и абсолютно необходим для секреции инсулина, стимулированной глюкозой [3]. В клетках млекопитающих комплекс I имеет по меньшей мере 45 субъединиц с молекулярной массой, близкой к 1000 кДа [4-6]. Этот огромный комплекс имеет три основные функции в биоэнергетике митохондрий и потреблении кислорода (рис. 1). Во-первых, это основной фермент, который окисляет NADH до NAD +; таким образом, он отвечает за регенерацию большей части NAD + для продолжения гликолиза и функции NAD + -зависимых ферментов, таких как сиртуины, CD38 и поли-ADP-рибозные полимеразы (PARPs) [7-11]. Во-вторых, комплекс I является основной протонной насосной машиной в митохондриальной внутренней мембране [2, 12], которая стимулирует производство АТФ митохондрий, необходимых почти всем клеткам. В-третьих, комплекс I является основным сайтом для клеточного производства реакционноспособных видов кислорода (ROS) [13, 14], которые, как было показано, участвуют в механизмах выживания и смерти клеток [15, 16]. Интересно, что, несмотря на многочисленные исследования по сложному I и его последствиям при различных заболеваниях [17-22], роль комплексного I в β-клетках в диабетической поджелудочной железе остается неизвестной, хотя и нормальной функцией комплекса I [3] и базального уровня комплексных I-генерируемых ROS необходимы для секреции инсулина в физиологических условиях [23]. В этом обзоре мы обсудим судьбу глюкозы, механизмы секреции инсулина и роли метаболических путей глюкозы, в том числе циклов пирувата и циклирования НАДН в секреции инсулина в физиологических условиях. Мы предлагаем гипотезу о том, что комплекс I является ключевым игроком в поддержании редокс-баланса для секреции секреции β-клеток и что его дисфункция нарушает функцию β-клеток.

Глюкоза может быть метаболизирована с образованием многочисленных биомолекул [24, 25] (рисунок 2). Он используется для синтеза АТФ через гликолитические и окислительные пути фосфорилирования. Он генерирует восстановительный эквивалентный NADPH для анаболизма и рибозного 5-фосфата для синтеза нуклеотидов через пентозо-фосфатный путь [26]. Он может быть превращен пируватом в аланин и также может быть превращен в лактат, когда подача кислорода ограничена [24]. Кроме того, кетоновые тела, стеролы и жирные кислоты могут быть синтезированы из глюкозы с помощью ацетил-СоА, полученного из пирувата [24].

В β-клетках глюкоза не только является топливом, но также стимулирует секрецию инсулина [27-30]. Поскольку β-клетки имеют высококонтрастный глюкозный транспортер 2 (Glut2) и глюкокиназу высокой длины, они могут реагировать на повышенные уровни глюкозы в крови, которая известна как метаболизм, обусловленный снабжением [31, 32]. Поэтому существует тесная связь между метаболизмом глюкозы и секрецией инсулина [33-35]. Канонические события, которые вызывают секрецию инсулина после еды, показаны на рисунке 3 [35-38]. Глюкоза транспортируется в β-клетки транспортером 2 глюкозы (Glut2). После внутри клетки глюкоза фосфорилируется глюкокиназой с получением глюкозо-6-фосфата (G-6-P) [39, 40], который затем превращается в 2 молекулы пирувата гликолитическим путем. Затем пируват переносится в митохондрии и превращается в ацетил-СоА комплексом пируват-дегидрогеназа. Затем ацетил-СоА поступает в цикл трикарбоновой кислоты (TCA), а полученные из него электроны передаются NAD + и FAD, что приводит к образованию внутримитохондриальных NADH и FADH2. Электроны, хранящиеся в этих двух молекулах, дополнительно передаются коферменту Q (CoQ) через комплекс I и комплекс II соответственно. Возможный перенос электронов в O2 приводит к образованию протонного градиента во внутренних мембранах митохондрий, который приводит к синтезу АТФ через комплекс V. Когда уровни глюкозы в крови повышаются, происходит увеличение количества NADH и АТФ, что приводит к закрытию АТФ-чувствительных калиевых каналов, который, в свою очередь, деполяризует клеточные мембраны и, следовательно, открывает каналы Ca2 + с напряжением, приводящие к притоку Ca2 + в клетки [30]. Именно этот приток Ca2 + запускает начальную фазу секреции инсулина из предварительно инсулиновых гранул после приема пищи (рис. 3) [28, 35, 41].

Как только накопленный инсулин истощается, начинается вторая фаза высвобождения инсулина [42, 43]. Эта фаза высвобождения инсулина является независимой от KATP [29], и эта фаза продлевается, поскольку инсулин должен быть синтезирован, обработан и высвобожден в течение продолжительного времени повышенного уровня глюкозы в крови. Эта фаза также восстанавливает запасы инсулина, обедненные в первой фазе секреции инсулина, и, вероятно, стимулируется метаболитами, такими как NADPH и α-кетоглутарат, продуцируемыми путём циклирования пирувата с промежуточными продуктами цикла TCA, такими как цитрат, малат и оксалоацетат [29, 37, 44].

В качестве промежуточного продукта метаболизма глюкозы в β-клетках пируват играет важную роль в окислительно-восстановительном цикле между NADH и NADPH [41, 45, 46]. Это отражается в трех велосипедных дорожках пирувата через митохондриальные мембраны (рис. 4). Первый — пируватно-малатный путь. В этом пути пируват превращается в оксалоацетат пируваткарбоксилазой. Последний превращается в малат с помощью митохондриальной малатдегидрогеназы. Затем Malate отбирают из митохондрий в цитозоль, в результате чего он превращается обратно в пируват. Этот процесс приводит к чистому формированию NADPH из NADH. Второй путь — путь пируват-цитрат, в котором цитрат переносится из митохондрий в цитозоль, посредством чего он расщепляется цитратлиазой с образованием ацетил-СоА и оксалацетата. Ацетил-СоА может быть использован в качестве источника углерода для синтеза жирных кислот, а оксалоацетат может быть превращен яблочным ферментом 1 в пируват, а затем повторно вводить митохондрии. Подобно пируват-малатовому пути, пируват-цитратный путь также приводит к чистому образованию NADPH из NADH. Третий путь — путь пирувато-изоцитрата, включающий цитозольную изоцитратдегидрогеназу, которая использует NADP в качестве своего кофактора [47]. Следовательно, сокращение эквивалентов снова переносится из NADH в NADPH.

Доказательства, подтверждающие роль трех циклов циклирования пирувата и NADPH в секреции инсулина, в основном получены из следующих исследований. (A) Оба фармакологических ингибитора и siRNA-опосредованное подавление митохондриального пируватного носителя серьезно ухудшают секрецию инсулина [48]. (B) siRNA-опосредованное подавление яблочного фермента 1 нарушает секрецию инсулина [49]. (C) β-клетки имеют высокий уровень активности пируваткарбоксилазы [44, 50]. В отличие от клеток печени и почек, которые имеют фосфоенолпируваткарбоксикиназу (PEPCK), используемую для глюконеогенеза, β-клетки не обнаруживают PEPCK [44, 51]. Следовательно, β-пируваткарбоксилаза должна иметь назначение, отличное от глюконеогенеза, которое, как считается, пополняет оксалоацетат в цикле ТЦА, когда оксалоацетат удаляется для пути пируват-малата для получения NADPH [52]. Сообщалось, что в β-клетках почти 50% пула пирувата, полученного из глюкозы, превращается в оксалоацетат [53]. Оксалоацетат не только пополняет промежуточные продукты цикла TCA, но также приводит в движение велосипедный путь пируват-малат для производства NADPH. Таким образом, пируват и НАДФГ считаются существенными триггерами для секреции секреции β-клеток [54-57].

Электроны, полученные из метаболизма глюкозы, хранятся в NADH и FADH2, соответственно. Что касается сжигания глюкозы, то NADH в основном генерируется гликолитическим путем, комплексом пируватдегидрогеназы с помощью дигидролипамидадегидрогеназы [58] и циклом TCA [59]. Как показано на рисунке 5, деградация одной молекулы глюкозы может привести к образованию 8 молекул NADH и двух молекул FADH2 (заметим, что одна молекула глюкозы управляет двумя циклами цикла TCA).

Для β-клеток NADH, продуцируемый при гликолизе, требуется для определения глюкозы [60] и его необходимо переносить в митохондрии для окисления с помощью комплекса I. Это происходит потому, что, хотя в большинстве тканей лактатдегидрогеназа может регенерировать NAD + для продолжения гликолиза, β-клетки имеют очень низкая активность лактатдегидрогеназы [61]. Транслокация NADH из цитоплазмы в митохондрии достигается двумя редокс-шаттлами (рис. 6): малат-аспартатный челнок и глицеринфосфатный челнок [62-64]. В то время как малат-аспартатный челнок может напрямую подавать NADH в комплекс I, глицеролфосфатный челнок только транспортирует электроны от NADH до FADH2, который передает свои электроны в CoQ через комплекс II. Поэтому глицеролфосфатный челнок менее эффективен с точки зрения производства энергии [24]. Еще одно различие между двумя редокс-шаттлами заключается в том, что малат-аспартатный челнок является обратимым процессом, который может быть активирован только цитозольным НАДГ высокого уровня, в то время как глицериновый фосфатный челнок является необратимым процессом, который может транспортировать НАДГ в митохондрии, даже когда уровень цитозоля NADH [24]. Было показано, что два окислительно-восстановительных шаттла важны для секреции инсулина, индуцированной глюкозой [63-65], поскольку блокирование обоих челноков отменяет индуцированную глюкозой секрецию инсулина, хотя дефицит либо челнока по отдельности не изменял ответ на стимуляцию глюкозы [28].

При аэробном окислении почти все молекулы NADH, вызванные гликолизом в β-клетках, должны быть рециклированы с помощью комплекса I (рисунок 1), так что дальнейшее деградация глюкозы может продолжаться. Известно, что даже в условиях покоя скорость генерации NADH и пирувата выше, чем скорости, которые они используют [66]. Поэтому мы предполагаем, что комплекс I является основным ферментом, поддерживающим окислительно-восстановительный баланс NAD + / NADH и должен находиться под постоянным электронным давлением. В то время как комплексное окисление NADH является основным путем рециркуляции NADH / NAD +, часть NADH также может быть использована для снижения эквивалентной передачи NADPH через пути циклирования пирувата, как показано на рисунке 4. Однако существует ли какой-либо перекрестный помех между сложным I и велосипедные пути пирувата в настоящее время остаются неизвестными.

В диабетических условиях гликолитический путь обычно нарушается не только из-за ингибирования повышенными уровнями NADH, вызванных избыточным питанием или избытком топлива [25, 67], но также из-за нарушения работы глицерин-3-фосфатдегидрогеназы, которая очень уязвима для окислительных и посттрансляционных модификаций [68-71]. Следствием этого ухудшения является то, что поток глюкозы через иначе незначительные метаболические пути глюкозы увеличивается. К ним относятся полиольный путь и гексозаминовый путь (рисунок 2, пути в синем), активация PKC и продвинутый путь гликирования [72]. Было продемонстрировано, что каждый из этих путей участвует в производстве ROS и индукции окислительного стресса [71]. Поэтому постулируется окислительный стресс как объединяющий механизм, с помощью которого развивается диабет и его осложнения [73, 74].

Поскольку путь полиола генерирует NADH, который можно вводить в комплекс I через малат-аспартатный челнок, мы хотели бы немного подробнее рассказать о роли этого пути в диабете. Путь включает два этапа (рис. 7 (а)). Первой реакцией является восстановление глюкозы альдозоредуктазой с образованием сорбита. Этот шаг потребляет NADPH, поэтому формируется NADP +. В некоторых тканях сорбит может накапливаться и нарушать клеточную функцию, изменяя осмолярность [75, 76]. Вторая реакция — сорбитоловое окисление сорбитолдегидрогеназой с образованием фруктозы. Эта реакция использует NAD + в качестве окислителя и генерирует NADH и считается основным фактором, способствующим NADH / NAD + редокс-дисбалансу и псевдогипоксии, поскольку он может конкурировать с GAPDH для NAD + [77], тем самым снижая цитозольный уровень NAD + [78-80 ]. Интересно, что скорости как гликолиза, так и пути полиола, как известно, увеличиваются при диабетической гипергликемии [76], но насколько сложно я обрабатываю дополнительное количество NADH, продуцируемое полиольным путем, неизвестно. Более того, следует отметить, что накопление фруктозы было более вредным, чем накопление глюкозы [75, 81], поскольку метаболизм фруктозы с помощью фруктокиназы обходит ключевые регулируемые стадии гликолитического пути [82] и, таким образом, может истощать внутриклеточный фосфат и АТФ, тем самым вызывая окислительный стресс и воспаление [83].

Интересно, что, поскольку первая реакция расходует NADPH, было высказано предположение, что потребление NADPH полиольным путем также может способствовать окислительному стрессу, потому что более низкий уровень NADPH будет нарушать синтез глутатиона NADPH-зависимой глутатионредуктазой. Однако неопровержимое доказательство того, что уровни НАДФГ или изменения в соотношениях НАДФН / НАДФ + ниже при диабете, еще не установлены. На самом деле сообщалось, что уровни NADPH в некоторых диабетических тканях выше [75, 76, 84], хотя основные механизмы остаются неизвестными. Вполне вероятно, что пути пируватного цикла могут генерировать большую часть НАДФН при диабете.

Во время диабета многие метаболические пути нарушаются из-за стойкой гипергликемии. На ранних стадиях гипергликемии повышенные уровни NADH в основном вырабатываются обычными метаболическими путями глюкозы, включая гликолиз и цикл TCA. По мере увеличения количества NADH на комплекс I будет наложено большее электронное давление. В этом смысле сложная дисфункция I, вероятно, будет означать повышенную активность комплекса I, так как больше NADH нужно обрабатывать сложным I. Действительно, сообщалось, что комплекс I активность повышается у индуцированных стрептозотоцином диабетических крыс [85, 86]. Кроме того, поскольку окисление NADH комплексом I сопровождается потоком электронов, связанным с утечкой электронов и частичным восстановлением кислорода [87, 88], большее окисление NADH приводит, таким образом, к увеличению количества ROS [89]. Это в конечном счете ухудшит гликолитический путь из-за ингибирования глицерин-3-фосфатдегидрогеназы за счет снижения доступности NAD + [68, 69, 71, 90-94], что приведет к утечке глюкозы в другие пути удаления, такие как путь полиола [95 , 96]. Было подсчитано, что при диабете примерно 30% глюкозы метаболизируется полиольным путем [93]. Поскольку этот путь генерирует NADH из NAD +, отношение NADH к NAD + сильно повышено и возмущено [73, 79, 97], что приводит к усиленной продукции ROS [98, 99] и установлению хронического псевдогипоксического состояния, которое может вызвать хроническое воспаление чтобы способствовать дисфункции β-клеток [100-102]. Следовательно, существует проблема в рецидивах NADH и NAD + при диабете, предполагая, что функция комплекса I нарушена. Мы склонны к тому, что комплексная активность I будет повышаться при диабетической поджелудочной железе, так как больше NADH необходимо рециркулировать с помощью комплекса I. Тем не менее, насколько сложна функция I действительно ослаблена (или увеличением или уменьшением активности) диабетической гипергликемией в β-клетках, для изучения. Мы считаем, что при диабетических условиях плавный поток NADH через комплекс я мог бы помочь бороться с диабетом. С одной стороны, NADH перепроизводствует из-за избыточного питания и гипергликемической активации полиольного пути [81, 103]. С другой стороны, уровень NAD + снижается и, возможно, сталкивается с истощением из-за потенциального нарушения активности комплекса I и активации NAD + -зависимых ферментов, таких как сиртуины, CD38 и поли-ADP рибоз-полимераза [10, 104-106]. Действительно, было установлено, что переактивация NAD + -зависимого PARP может вызвать гибель клеток из-за истощения NAD + [69, 107, 108]. Поэтому эффективное окисление NADH комплексным I при диабете было бы полезно для пациентов с диабетом.

Основываясь на вышеуказанных дискуссиях, мы постулируем, что комплекс I представляет собой потенциальную терапевтическую цель для диабета. В частности, как предлагается в гипотетической модели, показанной на рис. 7 (б), если белок или небольшая молекула мишени могут быть сконструированы в диабетических условиях для снижения метаболического давления на комплекс I, то есть ретранслировать избыточные электроны из NADH в CoQ, такие мишень может служить в качестве потенциального терапевтического подхода, восстанавливая редокс-баланс NADH / NAD + в отсутствие усиленной прокачки протонов и производства ROS. Будущие исследования должны быть направлены на изучение этих стратегий.

Наконец, следует отметить, что, хотя считается, что ROS участвует в нарушении функции β-клеток и секреции инсулина, никаких четких доказательств того, что антиоксиданты снижают уровень глюкозы в крови в клинических условиях, сообщается. Тем не менее, на животных моделях диабета, вызванных стрептозотоцином, было показано, что многие соединения, особенно растения и травы, способны снижать уровень глюкозы в крови путем удаления ROS и ослабления окислительного стресса [109-118]. Однако гипогликемический эффект этих соединений при диабете человека остается полностью оцененным. Кроме того, следует также отметить, что, как было показано, что как метформин, так и берберин снижают уровни глюкозы в крови, ингибируя комплексную функцию I [119-125], то, как они воздействуют на β-клеточный комплекс I, также остается предметом исследования.

В этой статье мы обобщили метаболические пути глюкозы и роли метаболических промежуточных пируватов и NADH в функции β-клеток и секреции инсулина. В то время как роль рециркуляции пирувата была хорошо установлена ​​в секреции секреции β-клеток, роли NADH и комплекса I еще не полностью выяснены. Таким образом, мы фокусируем наши взгляды на этом обзоре на митохондриальном комплексе I, который может способствовать восстановлению баланса при нормальных условиях и дисбалансу в диабетических условиях. Мы указываем на тот факт, что, хотя комплекс I регулирует рециркуляцию NADH / NAD + [126] и ROS в физиологических условиях [127], его роль в диабете, при которой нарушается окислительно-восстановительный баланс между NADH и NAD +, остается неизведанной. Мы указываем, что перепроизводство NADH из-за хронической гипергликемии будет перегружать комплекс I, вызывая повышенные уровни продуцирования ROS, которые ранее были постулированы, чтобы способствовать ухудшению функции β-клеток и секреции инсулина [128-131]. Наконец, мы предлагаем гипотетическую модель коррекции этой комплексной I-ассоциированной задачи путем уменьшения электронного давления в электронике I, что также уменьшит сложность I ROS (рис. 7 (b)). Будущее тестирование этой гипотезы может стать потенциальной терапевтической стратегией для диабета.

Авторы благодарны д-ру Майрону К. Якобсону за критическое чтение и предложения. Лян-июнь Янь частично поддерживался Национальным институтом неврологических расстройств и инсульта (грант № R01NS079792).

Авторы заявляют, что не существует конфликта интересов в отношении публикации этого документа.

Три ключевые роли митохондриального комплекса I: окисление NADH и рециркуляция, производство супероксида и прокачка протонов. Электроны из NADH переносятся в CoQ через семь кластеров Fe-S, а терминальный — N2 [6]. Супероксид может быть продуцирован как на участке, зависящем от FMN, так и на CoQ-зависимом сайте [132].

Судьба глюкозы. Основными путями, показанными на этой диаграмме, являются гликолиз, цикл TCA и путь пентозофосфата. Кроме того, глюкоза может использоваться как источник синтеза жирных кислот, лактата и аланина, а также может храниться как гликоген в печени и скелетной мышце (не показана на диаграмме). Пути в синем (путь полиола и путь гексозаминов) могут быть значительными для использования глюкозы в условиях диабета.

Механизмы чувствительности клеток к глюкозе и секреции инсулина. Показана первая фаза секреции инсулина, стимулируемая АТФ на основе глюкозы. Когда уровни глюкозы высоки, уровни АТФ высоки, что деполяризует клеточные мембраны, вызывает закрытие каналов KATP и вызывает открытие канала Ca2 +. Следовательно, гранулы инсулина вводятся с мембранами и высвобождается инсулин. Комплекс I играет ключевую роль в этом процессе, поскольку производство АТФ обусловлено его окислением NADH и транспортировкой электронов в CoQ, которые сопровождают протонную накачку, необходимую для синтеза АТФ комплексом V.

Пути рециркуляции пирувата в митохондриях β-клеток. Показаны три пути: пируват-малатный путь, пируват-цитратный путь и путь пирувато-изоцитрата. Каждый путь преобразует восстановительные эквиваленты от NADH к NADPH, который играет ключевые роли во второй фазе секреции инсулина.

Пути производства NADH при сжигании глюкозы. Это гликолитический путь, комплекс пируватдегидрогеназы и цикл TCA. В диабетических условиях путь полиола также становится значительным путем для производства НАДГ, что может еще больше нарушить окислительно-восстановительный баланс между NADH и NAD +.

Два редокс-шаттла транспортируют цитозольный NADH в митохондрии. Это малат / аспартатный челнок и глицеринфосфатный челнок. Первый является обратимым и только транспортирует NADH, когда цитозольные уровни NADH являются высокими; последний является необратимым и может транспортировать NADH из цитозоля в митохондрии, даже когда уровни цитозоля NADH низки.

(а) Путь полиола становится основным путем для производства НАДГ в условиях диабета. NADH получают во второй реакции, катализируемой сорбитолдегидрогеназой. (b) Предлагаемый подход, который может облегчить комплексное давление I НАД и уменьшить производство супероксида. Это может быть достигнуто молекулой (белком или химическим веществом), которая может транспортировать электроны из НАДН непосредственно в CoQ путем обхода комплекса I. Поскольку этот обходный электронный перенос происходит без перекачивания протонов, не следует производить супероксид, тем самым облегчая окисление NADH и минимизируя супероксид.

Комментариев нет.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *