细胞的氧化损伤机制

β细胞的氧化损伤机制

班级：02级口腔2班姓名：张津京指导教师：贾竹青

【摘要】氧化损伤是引起许多组织细胞凋亡的一个重要机制。胰岛细胞内抗氧化物酶水平比较低，因此在高血糖、细胞因子、胰岛淀粉多肽（IAPP）等因素的诱导下容易发生胰岛β细胞的氧化应激反应。后者通过激活一些信号转导途径抑制胰岛素基因转录，损伤胰岛β细胞，进一步加重糖尿病。

【关键词】β细胞；氧化应激；糖尿病

【Abstract】oxidative damage is an important mechanism for apoptosis of many cells. The level of anti-oxidase in the islet cell is low, so under the induction of high glucose, cytokines and islet amyloid polypeptide (IAPP), it is likely to cause oxidative stress in pancreatic βcells. It can then inhibit the transcription of insulin gene through the activation of some signal transduction pathways and damage pancreatic βcells, thus will make diabetes even worse.

【Key words】βcell; oxidative stress; diabetes

一般认为糖尿病是由于绝对或相对胰岛素分泌不足引起的糖、蛋白质、脂肪等代谢紊乱，特征为血糖过高、糖尿、葡萄糖耐量减低及胰岛素释放异常。近年来，将氧化应激(Oxidative stress)和糖尿病及其并发症的复杂病理机制联系在一起颇受注意。与其他组织细胞相比，胰岛β细胞在一些因素诱导下极易发生氧化应激反应，当氧化和抗氧化失衡所致的氧化应激引起胰岛β细胞损伤时，就会使葡萄糖刺激的胰岛素分泌减少，从而诱导糖尿病的发生，并可在已发生糖尿病的情况下进一步加重病情的发展。

一、氧化应激概述

氧元素是生物体供能的主要来源，也是合成ATP、激素及许多生理活性物质所必不可缺的物质。但机体在利用氧元素进行氧化反应的同时，氧元素自身也发生了还原反应，生成活性氧代谢产物，即具有未配对电子的分子、离子或基团，主要包括超氧阴离子自由基(O2-·)、过氧化氢(H2O2)、羟自由基(OH·)等，被统称为氧自由基(OFR)或活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)。正常状态下机体可产生少量ROS参与正常代谢，同时体内存在清除自由基、抑制自由基反应的体系，使得过多的自由基被清除或使自由基减少。如果这一机制遭到破坏，过多的自由基可直接作用于机体，致机体损伤。生物体内氧化应激的产生就是由于自由基产生增多和(或)抗氧化防御功能损害。

ROS中的HO·是中性粒细胞、O2-·是单核/巨噬细胞藉以清除感染病原的重要手段，对机体具有防御作用，就机体自身而言，自身氧化产生的ROS对消灭突变的细胞和加速凋亡细胞的降解亦属有益作用。活性氧如果过多积聚，对机体的毒性作用就会非常突出，对蛋白质、脂肪和核酸均具有损害作用。比如对脂类和细胞膜的破坏而导致细胞死亡；对蛋白质、酶的损伤，导致蛋白质变性、功能丧失和酶失活；对核酸和染色体的破坏，导致DNA链的断裂、染色体的畸变等等。

二、诱导胰岛β细胞氧化应激反应的因素

（一）高血糖

无论是I型糖尿病，还是II型糖尿病，最主要的代谢紊乱是高血糖。越来越多的临床和基础研究表明，长期高血糖可引起β细胞功能损害，主要是通过糖基化作用、葡萄糖氧化和多元醇等作用导致活性氧簇ROS的产生。ROS反过来又会使血糖进一步升高，从而形成一个自我催化的循环而加重糖尿病的发生。同时由于β细胞内本身自由基清除酶（Cu/Zn超氧化物歧化酶、Mn 超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷光甘肽过氧化物酶）和ROS清除蛋白如硫氧化还原蛋白的水平就较低，因此对ROS比较敏感。尤其在患有糖尿病的情况下，SOD、GSH、VitE、VitC等浓度降低[1，2]，明显削弱了机体清除自由基的能力。

1．糖基化作用（glycosylation）

长期高血糖情况下可使各种蛋白质发生变性，即蛋白质的糖基化作用，许多长寿蛋白质如

胶原蛋白随着糖化时间延长而不断糖基化, 形成具有毒性的稳定的不可逆的晚期糖基化终末产物(Advanced glycation end-product，AGE)，尤其是高糖诱导的甲基乙二醛的过度生成。体内诸多组织如肝脏、肾脏、肺脏等的内皮、系膜、巨噬细胞含有AGE受体(RAGE)，胰岛β细胞上亦含有RAGE。当AGE堆积较多时，AGE与其受体结合后发生氧化反应，从而产生多种氧化应激产物(ROS) [3]。

2．葡萄糖氧化作用

长期高血糖情况下，葡萄糖自身氧化作用加强，形成大量氧化中间产物。细胞内葡萄糖经TCA产生较多的NADH和FADH2，它们在线粒体内电子传递链的氧化磷酸化过程中发挥作用。这一过程中将产生超氧阴离子，主要在线粒体内两个部位：复合体I的NADH脱氢酶及泛醌与复合体III交接处。高糖还可引起甘油二酯或卵磷脂的合成增加激活PKC，从而可通过PKC依赖的NADPH氧化酶的激活来刺激ROS的产生[4]。

3．多元醇作用

高糖可引起醛糖还原酶(AR)和山梨醇脱氢酶(SDH)活性增强，一方面导致细胞内山梨醇和果糖浓度增高，引起细胞水肿和损伤,另一方面使NADPH/NADP-的比值下降，增加NADH/NAD+比例，导致GSSH还原成GSH减少[4]，使机体清除自由基的能力下降。

（二）细胞因子

细胞因子介导胰岛细胞毒性作用的一个重要机制就是氧化损伤。研究发现，炎性细胞因子如IL-1β，TNF-α，IFN-γ等，可诱导体外培养的胰岛细胞分泌活性氧中间物ROI，影响氧化磷酸化和糖酵解过程，降低ATP水平，抑制胰岛素的合成和释放[5]。

（三） 胰岛淀粉样多肽（IAPP）

胰岛淀粉样多肽（islet amyloid polypeptide，IAPP）是有37个氨基酸组成的多肽，主要由胰岛β细胞分泌，是胰岛淀粉样物的特有成分。正常情况下可负性调节胰岛素的分泌，但当IAPP 分泌异常，局部水平升高时，可与β细胞表面受体结合，破坏细胞完整性，产生ROS，干扰自由基产生和抗氧化防御系统之间的平衡[6]。IAPP可使NADPH氧化酶活性增强，高活性的NADPH氧化酶可催化三羧酸循环中产生的氧生成超氧离子，从而使细胞膜脂质过氧化反应增强[7]。

三、氧化应激对胰岛β细胞的损伤机制

（一）ROS及ROI的毒性作用

ROS通过抑制胰岛素基因启动子的活性、损伤胰岛β细胞核和线粒体、降低胰腺十二指肠同源异性盒PDX-1（一种在胰岛β细胞特异表达的转录激活因子，同时也是葡萄糖激酶,葡萄糖转运体2等与胰岛素释放有关的一组基因的转录调控因子）基因的表达以及与DNA的结合活性，使β细胞内胰岛素mRNA的生成减少[8]，从而导致胰岛素的生物合成降低。

ROS可进一步代谢产生8-羟基-2,-脱氧鸟苷(80HdG)和4HNE(4-hydroxynonenal)，前者是一种DNA诱变剂，而后者通过氧化不饱和脂肪酸——花生四烯酸破坏β细胞膜的脂质成分，从而导致β细胞功能失调[9]。

作为ROI之一的NO是β细胞损伤的终末效应分子，当NO生成较多时，NO源性的自由基生成增多，使DNA受损引起细胞凋亡。NO还可减少胰岛的血液供给，加重β细胞损伤。另外，NO可导致内质网应激，并通过诱导内质网应激相关凋亡因子而引起β细胞凋亡。

（二）激活c-jun氨基端激酶（JNK）信号转导途径

c-jun氨基末端激酶(JNK)属于丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)家族成员，当细胞受到氧化应激等刺激，JNK信号转导通路时可被不同受体激活，在细胞的增殖、分化、发育、凋亡中起重要作用。

JNK激活可抑制胰岛素基因表达，尤其是在长期高血糖和氧化应激的条件下，JNK的过度激活可降低胰腺十二指肠同源异型盒(PDX-1)的活性，改变其磷酸化状态，引起PDX-1与DNA 的结合能力下降，造成β细胞损伤和胰岛素基因转录障碍，胰岛素合成和分泌减少[10]。

（三）激活氨基己糖途径(glucosamine pathways)

在高糖状态下产生的氧化应激可激活氨基己糖途径，葡萄糖经此途径生成的葡萄糖胺进一步代谢为0-连接的N-乙酰葡萄糖胺(0-GlcNAc)后，过多的0-GlcNAc可以导致β细胞凋亡。

0-GlcNAc在6-磷酸果糖酰氨基转移酶（GFAT）的作用下，可以连接到细胞内很多蛋白质的丝/苏氨酸残基上，形成各种不同类型的糖胺化蛋白。新近研究显示，β细胞比其他组织细胞中

0-G1cNAc转移酶更丰富，因此β细胞内的蛋白质更易受0-GlcNAc的修饰。被0-GlcNAc修饰的蛋白质(包括RNA聚合酶2及多种核转录因子)功能发生改变，其中转录因子Spl和P53蛋白被

O-GlcNAc修饰后，可激活参与细胞凋亡的基因，从而引起β细胞凋亡[11]。

另外，氨基己糖途径产生的氨基葡萄糖可增加过氧化氢水平，可进一步对β细胞产生毒害。

（四）激活p21

p21在细胞周期中起关键调节作用，p21水平增高可使Cdk失活，抑制细胞进入S期。利用非糖尿病Sprague-Dawley(SD)大鼠作为动物模型的研究发现，经过氧化氢处理的胰岛细胞p21mRNA表达数量增加[12]，可推测过氧化氢作用下发生的氧化应激诱导p21在胰岛细胞内表达增加，从而抑制β细胞增殖。

另外，p21还可以抑制DNA聚合酶活性[12]，抑制胰岛基因转录，抑制参与胰岛素基因表达调节的细胞间信号分子如PKA的活性，从而使β细胞分泌的胰岛素水平下降。

四、抗氧化治疗

自由基可以任何方式损伤机体每一种细胞成分，因此机体存在广泛的内源性及外源性抗氧化系统，起到清除自由基，保护细胞功能的作用。对于抗氧化物酶水平较低的胰岛细胞更易受到自由基的侵袭而发生氧化损伤，因此糖尿病患者除控制血糖外，可适当应用一些抗氧化剂和自由基清除剂作为辅助治疗。但是，尽管糖尿病患者存在明显的氧化应激损伤，引起糖尿病并发症的发生也已得到广泛的证实，但抗氧化治疗在糖尿病中的应用仍然是学者疑惑和关注的问题，因为抗氧化剂的过量使用也会造成损害。VitE是在大量临床试验中验证的最主要的经典的抗氧化剂，但新近研究发现，VitE仅可清除已形成的氧化物，因此抗氧化治疗的效果并不明显。而α-硫辛酸可以通过关闭金属离子通道而阻止自由基的不断产生。另外褪黑素（MLT）作为一种神经内分泌激素也有强大的抗氧化作用[13]，其抗氧化应激的机制主要包括以下两方面:一方面，以电子供体的形式直接中和羟自由基和过氧化自由基；另一方面，通过激活谷光甘肽过氧化物酶，抑制NO合酶活性起间接抗氧化作用。

五、总结

综上所述糖尿病患者在各种诱导因素存在下，胰岛β细胞易发生氧化应激反应，并通过各种途径造成损伤，使血糖刺激的胰岛素分泌降低，这是β细胞损伤的重要机制之一。因此，我们应尽早预防，严格控制这些诱导因素的发生。大量研究表明，控制血糖可逆转β细胞功能的损伤，使其得到不同程度的改善。当β细胞已受到不同程度的损伤时我们可适当应用一些抗氧化剂作为辅助治疗手段。

参考文献

1.Sharma A, Kharb S, Chugh SN, et al. Evaluation of oxidative stress before and after control of glycemia and after

vitamin E supplementation in diabetic patients. Metabolism, 2000, (49):160-162.

2.Bonnefont RD, Bastard JP, Jaudon MC,et al. Consequences of the diabetic status on the oxidant/antioxidant

balance. Diabetes Metab, 2000, (26): 163-176.

3.Mansucka T, Kajimoto Y, Watada H, et al. Glycation-dependent, reactive oxygen species-mediated suppression

of the insulin gene factual, activity in HIT calls . J Clin Invest, 1997,(99);144-150.

4.MARITIM A C, SANDERS R A, W ATKINS J B 3rd. Diabetes, oxidative stress, and antioxidants: a review [J]. J

Biochem Mol Toxicol, 2003, 17(1):24-38.

5.Lepage G, Munoz G, Champagne J, et al. Preparative steps necessary for the accurate measurement of

malondialdehyde by high-performance liquid chromatography. Anal Biochem, 2000,(197):277-283.

6.Janciaukiene S, Ahren B. Fibrillar islet amyloid polypeptide differentially affects oxidative mechanisms and

lipoprotein uptake in correlation with cytotoxicity in two insulin-producing cell lines. Biochem Riophys Res Common, 2000, (267): 619-625.

7.Kobayashi T,Tsunawaki S,Seguchi H. Evaluation of the process for superoxide production by NADPH oxidase in

human neutrophils: evidence for cytoplasmic origin of superoxide. Redox Rep, 2001, (6): 27-36.

8.Robertson R P, Harmon J, Tran P O, et al. Glucose toxicity in beta-cells: type 2 diabetes, good radicals gone bad,

and the glutathione connection [J]. Diabetes, 2003, 52(3): 581-587.

9.Kaneto H, Kajimoto Y, Mivagawa 1, et al. Beneficial effects of antioxidants in diabetes; Possible protection of

pancreatic β-cells against glucose toxicity[J] . Diabetes, 1999, (48): 2398-2406.

10.Kaneto H, Xu G, Fujii N, et al. Involvement of c-Jun N-tenninal kinase in oxidative stress-mediated supression of

insulin gene expression. J Biol Chem, 2002, (277): 30010-30018.

11.Liu K, Pat- A J, Chin E, et al. Glucose stimulates protein modifcation by 0-linked GlcNAc in pancreaticβ

cells:Linkage of O-linked GlcNAc toβcell death [J].Pro, Natl Acad Sci USA, 2000, 97:2820-2825.

12.Kaneto H, KajimotoY, Fujitani T, et al. Oxidative stress induces p21 expression in pancreatic islet cells: possible

implication in beta-cell dysfunction. Diabetologia, 1999, (42):1093-1097.

13.杨志红，钟历，勇王惠. 褪黑素对糖尿病合并创伤应激大鼠细胞因子及氧化应激的影响,

14.内科急危重症杂志，2004，(10) ：5-8.