羰基應(yīng)激衰老學(xué)說的發(fā)生發(fā)展與衰老生化本質(zhì)

印大中

羰基應(yīng)激衰老學(xué)說的發(fā)生發(fā)展與衰老生化本質(zhì)

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1 羰基應(yīng)激衰老學(xué)說的提出

盡管自由基生物醫(yī)學(xué)研究從宏觀上連接了氧化應(yīng)激和生物體衰老的種種現(xiàn)象,而且發(fā)現(xiàn)幾乎所有的疾病過程不管是急性病還是慢性病,都有自由基的參與。例如與增齡相關(guān)的退行性疾病,無論是心腦血管疾病、癌癥、老年癡呆、腎臟衰老還是糖尿病等,都與自由基的存在及其造成的傷害有著千絲萬縷的聯(lián)系。然而用自由基傷害衰老學(xué)說解釋衰老的本質(zhì),卻遇到了不少實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的困惑和反駁。越來越多的實(shí)驗(yàn)表明,自由基與氧應(yīng)激和相關(guān)損傷既不與衰老變化成正比,也不與最大壽限直接相關(guān),因?yàn)閾p傷值減去了修復(fù)與更新值才意味著與衰老相關(guān)的變化。

能量代謝研究進(jìn)一步表明,氧應(yīng)激和糖應(yīng)激都是能導(dǎo)致代表生物老化的蛋白質(zhì)翻譯后生化副反應(yīng)的的損傷過程。然而,氧應(yīng)激和糖應(yīng)激有一個(gè)驚人的共同途徑是羰基應(yīng)激!一般而言,氧化損害引起急性病變,而羰基應(yīng)激造成的交聯(lián)性不可修復(fù)的生物分子變化才是生理的和慢性的組織改變,即所謂“真正衰老性改變”。與羰基應(yīng)激交聯(lián)相關(guān)的多種衰老性生物成分的變化,是自由基氧化和非酶糖基化反應(yīng)共同的最終歸宿。因此,我們?cè)?1995年前后提出了“羰基應(yīng)激衰老學(xué)說”[1-3]。

2 生命體防御代謝相關(guān)應(yīng)激損傷的幾個(gè)主要系統(tǒng)

抗氧化和生物機(jī)體修復(fù)是已為人們所認(rèn)同的生物體維持體內(nèi)代謝平衡的兩個(gè)主要的防御系統(tǒng)。因?yàn)樾柩踅M織經(jīng)常經(jīng)受氧活性基團(tuán)的打擊,需氧生物體內(nèi)就逐漸進(jìn)化形成了一系列抗氧化復(fù)合物和酶,這里我們將其統(tǒng)稱為抗氧化系統(tǒng)。但僅有這一防御系統(tǒng)還是不夠的,細(xì)胞內(nèi)的脂類、蛋白質(zhì)、核酸、碳水化合物等的損傷現(xiàn)象常有發(fā)生,這樣就必然會(huì)在細(xì)胞內(nèi)制造出許多有害物質(zhì)。由各種各樣的蛋白酶、脂肪酶、核酸酶等組成另一套防御系統(tǒng),則可以修復(fù)和降解大部分破損成分并將沒破損的成分區(qū)分和分離儲(chǔ)存起來以再利用。按 Davies教授的觀點(diǎn),這兩套防御系統(tǒng)一起構(gòu)成了一個(gè)高效的損傷代謝循環(huán)系統(tǒng),它使機(jī)體能夠成功地克服生理和病理的變化或損傷。然而我們的系列研究表明,生物體內(nèi)針對(duì)羰基應(yīng)激的防御系統(tǒng)是前述兩個(gè)防御系統(tǒng)中長(zhǎng)期以來被忽略了的、舉足輕重的、甚至是核心的防御系統(tǒng)。

能量代謝過程中產(chǎn)生的另外一大類羰基應(yīng)激生化過程:非酶糖基化過程,現(xiàn)在愈來愈廣泛地得到重視。非酶糖基化反應(yīng)的顯著特征為:它主要是還原糖與氨基之間的反應(yīng)、不依賴于脂類和氧。當(dāng)然,氧化應(yīng)激會(huì)加速這個(gè)反應(yīng)的進(jìn)程[1-3]。

3 與非酶糖基化反應(yīng)相關(guān)的毒性羰基及衰老

食品科學(xué)家研究過的另一類反應(yīng):美拉德反應(yīng),更確切地說應(yīng)是非酶糖基化反應(yīng),也能產(chǎn)生毒性羰基。該反應(yīng)能可逆地生成希佛堿,希佛堿則可發(fā)生分子重排而生成較為穩(wěn)定的阿馬多里 (amadori)重排產(chǎn)物。阿馬多里產(chǎn)物降解生成多種毒性羰基產(chǎn)物。由于葡萄糖是體內(nèi)能量代謝的核心碳水化合物,且其濃度在糖尿病患者體內(nèi)會(huì)比正常人群增高進(jìn)而造成病變,多數(shù)與非酶糖基化反應(yīng)相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)研究就集中在葡萄糖上,然而,應(yīng)該說明的是,果糖和另外一些戊糖比葡萄糖反應(yīng)活性更強(qiáng),它們也能在體內(nèi)引發(fā)美拉德反應(yīng)。

美拉德反應(yīng)中生成的生物副產(chǎn)物過去的報(bào)道不多,因此它們中僅有很少部分的生化成分得到了鑒定,如脫氧鄰?fù)?(deoxyosones)、甲基乙二醛 (methylglyoxal)、丙酮醛(pyruvaldehyde)。由于美拉德反應(yīng)的副產(chǎn)物直到近來才開始受到重視,目前學(xué)術(shù)界常把美拉德反應(yīng)的產(chǎn)物籠統(tǒng)地稱為“高級(jí)糖基化終產(chǎn)物(advanced glycation end-products,AGEs)”。盡管這個(gè)名稱的科學(xué)性還有待推敲,然而,美拉德反應(yīng)的二級(jí)產(chǎn)物的毒性卻已得到廣泛證實(shí)。多數(shù)與美拉德反應(yīng)有關(guān)的生化變化,不管是結(jié)構(gòu)上還是功能上的,都是由于各種生物分子,特別是蛋白質(zhì)分子的普遍交聯(lián)引起的。酶糖基化的研究也表明:與老化有關(guān)的顯著變化發(fā)生在不可更新的組織。如在老化過程中,人類的眼球晶狀體的溶解性會(huì)慢慢降低,形成諸如早期為乳白色、晚期為黃褐色白內(nèi)障之類的生色基團(tuán)或熒光物質(zhì)。而且因這一變化很大程度上是由與糖有關(guān)的美拉德反應(yīng)引起,糖尿病能大大促進(jìn)這種熒光化和褐變反應(yīng)。研究證明:糖尿病有關(guān)的非酶糖基化會(huì)導(dǎo)致血液黏度增加、腎小球基膜增厚、傷口愈合能力降低、肺擴(kuò)張能力變?nèi)醯扰c衰老有關(guān)的現(xiàn)象。

另有研究發(fā)現(xiàn)不僅美拉德反應(yīng)能使含膠原豐富的組織受損,如隨衰老的進(jìn)程,皮膚、動(dòng)脈、肺及關(guān)節(jié)的彈性逐漸喪失;免疫細(xì)胞滲透組織的能力和防御能力下降,而且,其產(chǎn)物也能引起遺傳物質(zhì)發(fā)生許多與衰老有關(guān)的變化:如DNA修復(fù)能力的下降 (這可能是組織對(duì)分裂素刺激的增殖應(yīng)答降低)。

有趣的是,脂質(zhì)過氧化和美拉德反應(yīng)都是與低密度脂蛋白的損害和變化呈正相關(guān)。而低密度脂蛋白的損傷變化又會(huì)引起巨噬細(xì)胞的吞噬增加,從而導(dǎo)致了動(dòng)脈粥樣硬化的早期情形——泡沫細(xì)胞的生成。近年來,越來越多的關(guān)于非酶糖基化導(dǎo)致糖尿病晚期合并癥,如動(dòng)脈粥樣硬化、糖尿病腎病和組織纖維化的研究揭示了羰基應(yīng)激與衰老過程的千絲萬縷的關(guān)系,有關(guān)專家近年來已強(qiáng)烈地傾向于用羰基應(yīng)激學(xué)說取代非酶糖基化學(xué)說。

4 羰基應(yīng)激,老年色素形成的核心生化過程[4]

毒性羰基是脂質(zhì)過氧化反應(yīng)和非酶糖基化反應(yīng)的副產(chǎn)物,羰基和各種生物分子的進(jìn)一步反應(yīng)誘導(dǎo)了多聚或交聯(lián)的脂褐質(zhì)樣色素或熒光物質(zhì)的形成。有趣的是,如果比較這幾個(gè)不同領(lǐng)域的研究資料,我們會(huì)發(fā)現(xiàn),研究自由基和美拉德反應(yīng)的科學(xué)家們都是使用熒光測(cè)定法去測(cè)藍(lán)綠色熒光。然而,自由基科學(xué)家們稱那種熒光物質(zhì)為脂褐質(zhì)樣老年色素,美拉德反應(yīng)科學(xué)家們稱之為糖基化終產(chǎn)物。盡管這些熒光物質(zhì)起源于不同的生物分子,但它們的組成機(jī)制卻是同一類型,如:它們的形成都是與羰基有關(guān)的交聯(lián)或聚合反應(yīng)。蛋白氮通常在交聯(lián)反應(yīng)中起很重要的作用,其產(chǎn)物都服從于熱力學(xué)第二定律形成最穩(wěn)定的形式——共軛或成環(huán)。這種含氮、共軛、環(huán)狀的分子結(jié)構(gòu)就使這些復(fù)合物具有了顏色,含蛋白氮的物質(zhì)反應(yīng)后通常發(fā)生褐變,其中很大一部分會(huì)在特定光源的激發(fā)下輻射出一定顏色的熒光。例如吡啶 (pyridines)、吡咯 (pyrroles)、吡喃 (pyralines)、嘧 啶 (pyrimidines)、咪 唑(imidazoles)、戊糖唏啶 (pentosidines)等復(fù)合物。褐變是生物材料在儲(chǔ)存過程中出現(xiàn)的一個(gè)普遍現(xiàn)象,它甚至在 -10℃時(shí)就能出現(xiàn),并隨溫度的升高或暴露在空氣中而加快,這就是食品保存中有名的美拉德式褐變反應(yīng),它與人類及動(dòng)物的老年色素的形成有密切的聯(lián)系。

此外,畸變蛋白質(zhì)的積累也是衰老在分子水平上的特征性表象。Stadman和其他一些學(xué)者的大量研究充分證實(shí):蛋白中羰基的含量與蛋白的氧化修飾、酶的失活 (如谷氨酰氨合成酶)及蛋白老化密切相關(guān)。因此,蛋白羰基在體內(nèi)的相對(duì)含量也可以被認(rèn)為是衰老的一個(gè)重要標(biāo)志。

5 自由基衰老學(xué)說與非酶糖基化衰老學(xué)說的差異

值得指出的是,氧自由基對(duì)脂和蛋白質(zhì)的氧化傷害導(dǎo)致毒性羰基等不飽和醛酮形成的過程是需氧的過程,而非酶糖基化反應(yīng)導(dǎo)致黃綠色熒光糖基化終產(chǎn)物形成的過程原則上是不需氧的。在非酶糖基化反應(yīng)中,無論是希佛堿的形成,還是阿馬多里重排反應(yīng)都是不需氧的,盡管氧自由基和過渡金屬能大大促進(jìn)阿馬多里產(chǎn)物的進(jìn)一步降解,但沒有氧自由基和過渡金屬存在時(shí),它也能夠通過脫氨、脫氫或分裂降解,生成毒性羰基化合物。需氧是氧化緊張機(jī)制區(qū)別于非酶糖基化機(jī)制的第二個(gè)、也是決定性的一個(gè)差別。這種重要的差異以前并沒得到重視,部分是因?yàn)樵谠缙诘难芯恐?抗敗血酸與非酶糖基化引起的褐變反應(yīng)具有很大的相似性,但更主要的是因?yàn)閮煞N衰老機(jī)制直到近來才開始得到綜合考慮。

由于毒性羰基的形成可以不依賴氧化損傷,所以即使所有的自由基攻擊能被抗氧化系統(tǒng)所阻止,毒性羰基仍能通過非酶糖基化來形成。而毒性羰基一旦形成,它就能進(jìn)一步與多種生物分子反應(yīng),這些反應(yīng)既不依賴氧也不依賴還原糖,它服從于熱力學(xué)第二定律,即熵趨向于增加,這就使它在適當(dāng)?shù)臈l件下幾乎能與所有生物分子交聯(lián)和聚合。蛋白代謝和核酸修復(fù)系統(tǒng)盡管效率很高,但僅能部分地修復(fù)被傷害了的生物組織,而不能保護(hù)生物分子免于毒性羰基的傷害。最重要的是,不能修復(fù)不分裂細(xì)胞和細(xì)胞間質(zhì)等生物結(jié)構(gòu)中大部分穩(wěn)定交聯(lián)產(chǎn)物。而毒性羰基常常能穿透膜結(jié)構(gòu),并在細(xì)胞和組織中進(jìn)行長(zhǎng)距離穿行,從而幾乎能達(dá)到身體的任何組織。

6 羰基應(yīng)激可能是生物衰老的核心過程

如前所述,眼球晶體白內(nèi)障的形成、膠原蛋白的交聯(lián)、終末分化細(xì)胞中脂褐質(zhì)的累積,都是衰老進(jìn)程中的顯著現(xiàn)象。而所有這些現(xiàn)象又都與毒性羰基誘導(dǎo)的生物分子交聯(lián)和聚合有關(guān)。又考慮到氧化緊張、非酶糖基化反應(yīng)及食物羰基都是毒性羰基的來源,它們都可認(rèn)為是羰基應(yīng)激重要的前導(dǎo)激發(fā)過程。

以硫代巴比妥酸 (thiobarbituric acid)反應(yīng)物為一個(gè)粗糙的毒性羰基指標(biāo)。目前已測(cè)知,正常人血漿中毒性羰基的濃度為0.3～5.0 nmol/ml,而蛋白質(zhì)中蛋白羰基的濃度為3.0 nmol/ml。各種自由基傷害,如:電離輻射、金屬催化的氧化、臭氧或一氧化氮導(dǎo)致的氧化,將直接地、快速地影響生物分子,使細(xì)胞內(nèi)的羰基濃度急劇增加,這就加劇了體內(nèi)的羰基應(yīng)激。也有報(bào)道說,脂質(zhì)過氧化作用會(huì)隨衰老的進(jìn)程而不斷增強(qiáng),譬如老年大鼠的肝臟、大腦、腎臟及睪丸中的硫代巴比妥酸的值就比幼年大鼠的高得多;同樣 Yagi等也證實(shí)了糖尿病人的硫代巴比妥酸值比正常人高 (病人為5.5 nmol/ml,正常人為3.5 nmol/ml)。本文前面述及的高代謝率的動(dòng)物壽命短的現(xiàn)象,按羰基應(yīng)激衰老學(xué)說就可解釋為,因?yàn)樗鼈冊(cè)诟叽x應(yīng)激過程中制造了過多的羰基產(chǎn)物,從而加速了生物體的老化。

盡管動(dòng)物擁有高度完善的羰基應(yīng)激防御系統(tǒng),但是它們的生物分子仍然沉浸在羰基的包圍中。因而,各種羰基化合物及毒性羰基所誘導(dǎo)的機(jī)體的逐漸生理變異就無所不在、不可避免。

7 廣義衰老學(xué)說

2005年,我們關(guān)于廣義衰老學(xué)說在國內(nèi)外老年學(xué)核心雜志先后發(fā)表,我們的綜述文章“衰老機(jī)制的本質(zhì)”被美國老年學(xué)學(xué)會(huì)的權(quán)威雜志 Exp Gerontol發(fā)表在刊首[5-6]。

接著,2006年5月澳大利亞著名衰老研究科學(xué)大師 Robin Holliday教授在紐約科學(xué)院院刊上發(fā)表了一篇令人觸目驚心的文章“衰老不再是生物學(xué)的未解之謎”。2007年,以提出“細(xì)胞復(fù)制衰老”而享譽(yù)世界的美國加州大學(xué)教授 Leonard Hayflick將他終于認(rèn)清的關(guān)于解密衰老機(jī)制的幾篇非常類似的文章在不同的場(chǎng)合頻頻發(fā)表[7-9]。

2007年10月,陳可冀院士和印大中教授在第八屆亞太老年學(xué)和老年醫(yī)學(xué)大會(huì)雙雙獲得中國老年學(xué)的最高獎(jiǎng)——杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。

下面列出一些我們提出的關(guān)于衰老機(jī)制研究的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn),供讀者參考[10]。

早先,我們?nèi)娴乜偨Y(jié)和揭示了各種生物大分子在老年色素形成機(jī)制中的生化作用,我們關(guān)于老年色素形成機(jī)制的相關(guān)文章,現(xiàn)在已成為該領(lǐng)域引用率最高的經(jīng)典文獻(xiàn)。根據(jù)老年色素形成的生化本質(zhì)提出的羰基應(yīng)激衰老學(xué)說,所謂“狹義衰老學(xué)說”,為進(jìn)一步提出“廣義衰老學(xué)說”,所謂衰老過程的核心驅(qū)動(dòng)力為“生化副反應(yīng)損變的失修性累積”打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

我們提出,在衰老研究中“看基因突變不如看蛋白質(zhì)聚變”的觀點(diǎn),指出基因突變往往致病,造成病理性退行性變,如癌變和線粒體基因突變疾病等。蛋白質(zhì)聚變則無所不在,潛移默化,可造成無臨床癥狀的生理性老化衍變,如脂褐素積累、血管硬化、皮膚起皺等,導(dǎo)致所謂“真正衰老改變”。

我們創(chuàng)新性地提出了自由基損傷生物大分子,自由基是外因,屬于衰老衍變的啟動(dòng)因子和加速因子。而各種生化分子結(jié)構(gòu)中的功能團(tuán)的衍變,是生化大分子的共性氧化衍變,是生命物質(zhì)本身的變化,是衰老改變的內(nèi)在物質(zhì)基礎(chǔ) (內(nèi)因),是熵增衰老的具體生化內(nèi)涵,是人類衰老過程的生化本質(zhì)。

上述衰老學(xué)說突破了當(dāng)前“從生物大分子 (主要從基因和蛋白質(zhì))看生命奧秘”的思維局限,開拓性地提出了從生化反應(yīng)的共性元素,“亞分子功能團(tuán)”的水平,或所謂“表觀基因組學(xué)和表觀蛋白質(zhì)組學(xué)水平”,看人類生理性衰老的共同分子機(jī)制的思想。在“亞分子功能團(tuán)水平”,衰老以及老年退行性疾病的形形色色表演,都可以得到嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)的詮釋。

總之,我國生物醫(yī)學(xué)科學(xué)家關(guān)于衰老本質(zhì)的突破性研究成果,標(biāo)志著人類對(duì)于衰老千古之謎的生物化學(xué)以及生物物理化學(xué)解答的到來,也標(biāo)志著人類對(duì)于生命本質(zhì)認(rèn)識(shí)的重要突破,甚而為中西醫(yī)學(xué)的終極大統(tǒng)一打開了深鎖千年的大門。

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R 541.61

A

10.3969/j.issn.1003-9198.2010.01.002

2009-11-10)

410081湖南省長(zhǎng)沙市,湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院