线粒体氧化应激及其线粒体营养素干预机制

线粒体氧化应激及其线粒体营养素干预机制 摘要：线粒体在生物氧化和能量转换的过程中会产生活性氧，当活性氧的生成与机体抗氧化防御系统之间存在不平衡时，线粒体就会发生氧化应激。线粒体氧化应激导致线粒体能量代谢失调，进一步损伤线粒体，从而促进神经退行性疾病的发生，发展。研究表明，线粒体营养素既可以增强抗氧化防御系统功能，又能够减少线粒体活性氧的生成，从而修复线粒体的氧化损伤，进而改善线粒体的结构和功能。本文将从线粒体氧化应激和线粒体营养素干预机制两方面做以综述。 关键词：线粒体氧化应激 活性氧 烟酸 硫辛酸 硫辛酰胺

线粒体是真核动物细胞进行生物氧化和能量转换的主要场所，细胞生命活动所需能量的80%是由线粒体提供的，因此，有人将线粒体称为细胞的“动力工厂”。线粒体生物氧化和能量转换的过程中伴随着活性氧(reactive oxygen species,ROS) 的产生。过量的ROS 会引起线粒体损伤，促进神经退行性疾病的发生，发展。 由氧化应激引起的线粒体损伤是衰老及神经退行性病变的主要原因，并且严重影响运动能力。线粒体损伤可导致关键的线粒体酶功能障碍。酶的功能障碍主要是由于底物和辅酶的结合不足，而这种结合不足在补充足够的底物或辅酶及其前体后可以得到改善，长期补充线粒体营养素(mt-nutrients)可以有效地保护线粒体功能的完整，修复线粒体的损伤。Liu [1]等把线粒体营养的功能定义为：①可以提高线粒体酶底物和辅酶的水平；②诱导二相酶增强细胞内的抗氧化防御能力；③清除自由基及防止氧化剂的生成；④修复线粒体膜损伤。现就线粒体氧化应激和线粒体营养素对其干预机制两方面做简要综述。

1 线粒体氧化应激

氧化应激是指活性氧生成与抗氧化防御系统之间的不平衡状态，氧化应激可在活性氧生成超过抗氧化防御系统时或者在抗氧化剂活性降低时发生。众所周知，线粒体是真核动物细胞进行生物氧化和能量转换的主要场所，但在线粒体生物氧化和能量转化的过程中会产生活性氧(reactive oxygen species,ROS) ，由于活性氧的活性非常高，过量的活性氧会进攻线粒体DNA 及线粒体内蛋白质，脂类等生物大分子物质，从而损伤线粒体使其能量合成受到障碍，最终导致线粒体功能下降，线粒体氧化应激导致线粒体能量代谢失调，进一步损伤线粒体，从而促进神经退行性疾病的发生，发展。

1.1 线粒体活性氧的产生

线粒体具有有氧呼吸的特殊功能，在正常情况下，绝大多数的氧是通过与线粒内膜上的电子传递链传来的电子结合，然后进行一系列的氧化还原反应最终生成水，但也有极小部分氧被电子传递链中“ 漏出”的电子单价还原，形成超氧阴

离子O 2-·，成为细胞内活性氧(reactive oxygen species,ROS)的主要来源，ROS 在体内主要以超氧阴离子(O2-. ) ，过氧化氢(H2O 2) ，羟自由基(OH·) 等形式存在。生理条件下线粒体内存在有效的抗氧化机制，自由基可被抗氧化酶(如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶等) 和抗氧化物(如维生素C 、维生素E 等) 清除[2]。

1.2 ROS对线粒体的损伤

线粒体作为细胞内ROS 的主要来源，而线粒体的结构暴露在较高浓度的ROS 下，所以极易受到ROS 的攻击。由于在线粒体内膜上的电子漏现象而产生的大量氧自由基，会抑制电子传递链酶复合物I,II 和III 的活性，从而使线粒体的能量合成发生障碍，同时，这些过量的自由基会造成细胞内蛋白质，脂类及核酸的氧化，最终导致线粒体的功能下降[3]。

脂质过氧化作用对线粒体内膜的损伤最为严重，是因为线粒体内膜是最靠近线粒体产生O 2-. 的部位，脂质过氧化作用可导致线粒体膜流动性下降，从而改变膜的性质并使膜结合蛋白从膜上分离下来[3]。研究表明[4]，膜蛋白的氧化可导致线粒体内的膜活性下降甚至失活，诱导线粒体通透性转换孔的开放。mtDNA 的氧化使DNA 突变频率增加，产生功能受损的蛋白质。

1.3 氧化应激对机体影响

细胞内产生过量的氧自由基会对机体各个方面产生不同程度的损失。氧化应激主要影响以下几个方面[5]：1在心血管系统方面，通过应激刺激儿茶酚胺的释放，使得β-受体被激活，进而可以提高心率，提高心肌收缩，提高血压；2在消化系统方面，一方面，应激通过诱导或刺激咀嚼和进食，这是产生肥胖的诱导因素；另一方面，应激通过抑制食欲，这也是导致神经性厌食症产生的诱导因素。3在血液系统方面，应激可以导致血液中白细胞数，血小板量，粘度，纤维蛋白原，以及抗凝血因子V 和VIII 的增加。4在生殖系统方面，应激一般是破坏生殖能力的。

1.4 线粒体功能障碍对氧化应激的影响

研究发现，很多毒性物质通过损伤线粒体内膜上的呼吸链，导致线粒体功能发生障碍。丙二醛是一种引起脂类，氨基酸和DNA 发生氧化损伤的小分子物质，一方面，丙二醛通过与胺作用来修饰蛋白，从而使蛋白失活；另一方面，它还可以修饰核苷酸，引起基因突变。丙二醛通过抑制线粒体呼吸链和酶活性，从而引起线粒体功能发生障碍。线粒体功能障碍是造成衰老和年龄相关疾病的主要因素

[6]。D-半乳糖通过作用于脑或肝中线粒体上的琥珀酸呼吸链，造成其呼吸效率不正常，从而导致线粒体功能发生障碍[7]。同样，丙烯醛，香烟烟雾中的一种成分，能够诱导氧化应激和线粒体功能发生障碍[8]。

线粒体功能障碍增强氧化应激的敏感性。研究者通过对人类神经母细胞瘤的

研究，测定SH-SY5Y 细胞中受损线粒体的硫氧还蛋白的表达量，从而来确定线粒体功能障碍能否增强氧化应激敏感性。研究表明[9]：发生功能障碍的线粒体中，硫氧还蛋白的表达量明显下降，从而说明线粒体功能障碍增强氧化应激的敏感性。

2 线粒体营养素的干预机制

很多研究表明[10]：由于脂肪, 蛋白质, 核酸的氧化导致的线粒体功能障碍，对脑老化和年龄相关的神经退行性疾病的产生具有重要的影响，比如老年痴呆症，帕金森症，亨廷顿舞蹈症等，都是年龄相关的疾病。

线粒体营养素的功能[10]：a. 阻止氧化剂的产生；b. 清除自由基或抑制氧化反应；c. 提高受损线粒体酶的辅因子；d. 修复氧化损伤，通过提高二相酶活性或提高线粒体再生功能，从而增强抗氧化防御系统，进而修复线粒体的氧化损伤。

2.1 增强抗氧化防御系统

在正常的生理条件下，线粒体内存在有效的抗氧化机制，自由基可被抗氧化酶(如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶等) 和抗氧化物(如维生素C 、维生素E 等) 清除，从而保护线粒体免受氧化损伤，提高线粒体功能。

2.1.1 烟酸/NADH的补充

烟酸是线粒体内普遍存在的氧化-还原辅酶NAD +和NADP +的前体，同时，烟酸对丙酮酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶的活性起到重要的作用。补充高剂量的烟酸可以提高线粒体和细胞质内的NAD/NADP水平[11]。烟酰胺在一定程度上也可以脱去酰氨基变成烟酸，成为NAD 和NADP 的前体，因此，烟酰胺也可以作为一种营养补剂[12]。研究表明[13]，补充高剂量的烟酰胺可以防止线粒体的氧化损伤，并能够改善果蝇的运动能力。NADH 是线粒体复合物I 的底物，NADH/NADPH可以作为一种内源性的抗氧化剂[14]。目前，虽然还不清楚补充NADH 可以改善线粒体哪方面的功能或者说提高运动能力，但是，有人利用NADH 来治疗患有线粒体疾病(AD)的患者，结果患者的认知功能有所改进[15]。这样看来，NADH 的补充对线粒体功能的损伤起到一定的作用。

2.1.2 α-硫辛酸和硫辛酰胺的补充

当机体处于氧化应激时，体内GSH 含量又有限的情况下，α-硫辛酸和硫辛酰胺和其他一些抗氧化剂(如维生素E 或类黄酮) 的联合补充可以间接地加强抗氧化防御系统的能力。

丙烯醛是香烟烟雾中的六醛毒物之一，也是体内脂质过氧化作用的产物之

一。在体内，丙烯醛与巯基反应，诱导线粒体发生氧化损伤和功能障碍。最新研究表明，吸烟可以引起氧化线粒体损伤，同时，吸烟也是导致视网膜色素上皮(retinal pigment epithelial，RPE) 细胞发生损伤的重要因素之一[16]。线粒体营养素α-硫辛酸，通过增强机体抗氧化剂的能力，有效地保护视网膜色素上皮(retinal

pigment epithelial，RPE) 细胞免受丙烯醛引起的毒性反应[17]。硫辛酰胺是硫辛酸的中性酰胺，在动物和植物中不能生成天然的硫辛酰胺，必须通过一定方法或手段来合成硫辛酰胺。基于混合碳酸-羧酸酐这种方法，研究者首次由硫辛酸合成硫辛酰胺[18]。研究表明[16]：在ARPE-19细胞里对于抵抗丙烯醛诱导的氧化损伤和线粒体功能障碍方面，与硫辛酸相比，硫辛酰胺更胜一筹。同时，也说明硫辛酰胺在治疗吸烟和年龄相关的退行性疾病中有着重要作用，如年龄相关的黄斑病变。此外，α-硫辛酸和硫辛酰胺的补充能够防止由GSH 缺乏引起的线粒体复合物I 活性的降低，增加细胞内GSH 的含量[19]。

α-硫辛酸保护效应的其他机制是它能够诱导转录因子Nrf2的产生，Nrf2与抗氧化响应元件ARE 结合，从而进一步诱导二相酶(如GSH 转移酶和NAD(P)H)的反应。二相酶和GSH 合成酶可以抵抗氧自由基、氮族的危害[20]。二相酶反应的诱导作为一种间接的抗氧化剂可以压制亲电子试剂的反应，是抵抗各种致癌物质和氧化损伤的有效途径。α-硫辛酸的这种保护机制可以间接地保护线粒体，因为它诱导的二相酶反应可以降低细胞液的氧化应激，增强细胞的抗氧化防御能力，从而间接地减轻线粒体的氧化应激。

图1 α-硫辛酸及其衍生物提高二相酶活性与增强抗氧化防御系统

图1：正常状态下，胞浆内的转录因子Nrf2与Keap1相结合，处于功能抑制状态，但当细胞受到刺激或补充线粒体营养素时，转录因子Nrf2从Keap1上解离下

来，然后进入细胞核内，与DNA 上一段特异序列ARE 相结合，从而促进下游基因转录和表达。线粒体营养素α-硫辛酸及其衍生物通过激活二相酶基因上游的转录调控因子ARE ，提高了抗氧化剂的表达能力，从而增强了细胞内的抗氧化防御系统。

2.2 诱导线粒体再生

当细胞内的活性氧攻击线粒体的蛋白，脂类及核酸时，造成线粒体能量代谢失调，进一步损伤线粒体，此时，一方面机体通过自噬清除受损的线粒体，以稳定细胞内环境的稳定；另一方面通过线粒体营养素使线粒体生物合成，产生A TP ，维持机体所需要的能量。

很多实验证明：线粒体营养素诱导线粒体再生。研究者[21]将线粒体营养素硫辛酸和乙酰肉碱共同作用于脂肪细胞时，它们两个形成的营养素互补体，能够有效地促进脂肪细胞线粒体的再生。互补体保护机制可能是以下几点：a. 保护线粒体免受氧化损伤作用，从而减慢线粒体的缺失速率；b. 激发修复较少的受损线粒体；c. 激发降解大部分受损线粒体；d. 激发线粒体再生。羟基酪醇，是一种丰富的存在于橄榄油中的天然多酚。研究表明[22]，羟基酪醇是一种天然的线粒体营养素，它能够稳定或增加由丙烯醛诱导的视网膜色素上皮细胞中受损线粒体DNA 量，同时，研究也表明，羟基酪醇是一种能够有效地使线粒体再生的保护剂或激发剂，如吡格列酮，α-硫辛酸等。

线粒体再生可以显著减少活性氧的生成。研究表明[23]，热量限制能够增强线粒体的生物合成。又发现，线粒体生物合成可以显著减少活性氧的生成，由于线粒体再生造成电子传递链数目增多，' 电子漏' 现象减少，从而导致活性氧的生成量减少。

图2 α-硫辛酸及其衍生物诱导线粒体再生

3 小结

线粒体中过量的活性氧进攻线粒体DNA 及线粒体内蛋白质，脂类等生物大分子物质，从而损伤线粒体使其能量合成受到障碍，最终导致线粒体功能下降，线粒体氧化应激导致线粒体能量代谢失调，进一步损伤线粒体，从而促进神经退行性疾病的发生，发展。而线粒体营养素可以通过增强抗氧化酶活性或降低活性氧的生成这两种机制，有效地保护线粒体免受氧化损伤，进而对防止神经退行性疾病的发生、发展具有重要作用。

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