The Free Radical Theory of Aging Matures TERJEMAHAN

Bottom of FormFree Radical Teori Penuaan jatuh tempoAbstrakBeckman, Kenneth B., dan Bruce N. Ames. Free Radical Teori Penuaan Jatuh tempo. Physiol. Wahyu 78: 547-581, 1998. - teori radikal bebas The penuaan, dikandung pada tahun 1956, telah berubah 40 dan dengan cepat menarik minat para mainstream penelitian biologi. Dari asal-usul dalam biologi radiasi, melalui satu dekade atau lebih dari dormansi dan dua dekade penelitian fenomenologis stabil, telah menarik peningkatan jumlah ilmuwan dari lingkaran memperluas bidang. Selama dekade terakhir, beberapa bukti telah meyakinkan sejumlah ilmuwan yang oksidan memainkan peran penting dalam penuaan. (Demi kesederhanaan, kita menggunakan oksidan istilah untuk merujuk kepada semua "spesies oksigen reaktif," termasuk O- 2, H2O2, dan OH, meskipun mantan sering bertindak sebagai reduktor dan menghasilkan oksidan secara tidak langsung.) The kecepatan dan ruang lingkup penelitian dalam beberapa tahun terakhir telah sangat mengesankan dan beragam. Satu-satunya kelemahan dari fermentasi intelektual saat ini adalah kesulitan dalam mencerna literatur. Oleh karena itu, kami telah sistematis status teori radikal bebas, dengan mengelompokkan literatur dalam hal berbagai jenis percobaan yang telah dilakukan. Ini termasuk pengukuran fenomenologis stres oksidatif terkait usia, antarspesies perbandingan, pembatasan diet, manipulasi aktivitas metabolik dan tekanan oksigen, pengobatan dengan diet antioksidan dan farmakologis, in vitro penuaan, genetika klasik dan populasi, genetika molekuler, organisme transgenik, penelitian penyakit manusia penuaan, studi epidemiologi, dan penjelasan yang sedang berlangsung dari peran oksigen aktif dalam biologi.I. PENDAHULUANStudi tentang penuaan, oleh alam multidisiplin, telah ditandai dengan berbagai memusingkan teori, literatur fenomenologis besar, dan tidak adanya mapan penyebab utama. Sejarah kehidupan beragam spesies hewan, yang memanifestasikan penuaan dengan cara yang sangat berbeda, telah menjadi kendala untuk menguji teori terpadu. Untuk gerontologi eksperimental untuk menyediakan lebih dari katalog perubahan yang berkaitan dengan usia, sudah diperlukan untuk ahli biologi untuk menentukan perubahan yang umum untuk sel yang paling tua, jaringan, dan hewan, sementara secara bersamaan menghormati bahwa tidak ada sebuah fenomena tunggal penuaan atau penyebab tunggal. Ini telah mengambil beberapa waktu, dan dari luar mungkin telah muncul bahwa lapangan telah terperosok dalam fenomenologi. Mungkin karena alasan ini, studi tentang penuaan itu sampai saat ini dihindari oleh para ahli biologi molekuler, yang secara alami disukai jelas fenomena. Sebagai rincian molekul pembangunan, kanker, dan imunologi yang dihasilkan untuk alat-alat modern selama tahun 1970 dan 1980-an, bidang penuaan tertinggal, dan mekanisme yang bertanggung jawab untuk penuaan gagal untuk muncul.Sepanjang waktu ini, meskipun, tidak pernah kekurangan teori terpadu mencoba untuk mengurangi penuaan untuk sesuatu yang lebih penurut. Bahkan, gerontologists telah produktif dalam hal ini (83 205). Sedangkan beberapa peneliti percaya bahwa sejumlah kecil acak, mekanisme merusak bisa menjelaskan penuaan degeneratif, orang lain telah memilih untuk teori-teori "diprogram" penuaan, di mana penuaan adalah tujuan akhir dalam jalur perkembangan. Dalam perjalanan perdebatan ini, sejumlah ilmuwan telah rally sekitar satu set ide-ide yang disebut teori radikal bebas dari penuaan: longgar, keyakinan bahwa kerusakan oleh spesies oksigen reaktif sangat penting dalam menentukan masa hidup. Teori ini mengilhami banyak eksperimen di mana bukti kerusakan oksidatif pada hewan berusia dicari.Dalam 10 tahun terakhir atau lebih, sifat penuaan penelitian telah berubah secara dramatis; bisa dikatakan bahwa lapangan telah memasuki masa dewasa awal. Alat biologi molekuler sekarang canggih dan cukup diakses bahwa para peneliti dalam gerontologi telah mengadopsi mereka. Pada saat yang sama, ahli biologi molekuler terletak di tepi penuaan penelitian telah membuat terobosan dan telah menemukan bahwa lalat buah dan nematoda setuju untuk studi penuaan. Juga, peneliti medis menyelidiki penyakit manusia dari penuaan, seperti penyakit Alzheimer (AD) dan progerias diwariskan, telah mengatasi hambatan lama.Sudah memuaskan, karena itu, bahwa banyak dari studi pendahuluan di apa yang disebut "gerontologi molekul" memberikan kredibilitas teori radikal bebas. Hasil dari sistem eksperimental yang berbeda baru-baru ini menunjukkan bahwa radikal oksigen berperan dalam penuaan degeneratif, dan laju penemuan yang mempercepat. Hasil kemungkinan tabrakan ini pendekatan ilmiah akan tersingkapnya kusut fisiologis penuaan, dan tampaknya aman untuk mengatakan bahwa salah satu knot penting akan berubah menjadi stres oksidatif.Namun, ada bahaya bahwa dalam kegembiraan konfirmasi teoritis, nuansa tertentu hilang. Misalnya, wahyu bahwa radikal oksigen mungkin terlibat dalam neurodegeneration tidak berarti bahwa stres oksidatif menentukan rentang hidup. Teori radikal bebas telah berusaha tidak hanya untuk menjelaskan mekanisme penuaan degeneratif, tetapi juga telah berusaha untuk menjelaskan perbedaan antara hidup spesies 'rentang dalam hal oksidan. Jadi, meskipun banyak studi terbaru menunjukkan bahwa radikal oksigen memainkan beberapa jenis peran dalam penuaan, hanya sejumlah kecil ini mendukung versi yang lebih ambisius dari teori radikal bebas. Di sisi lain, tidak ada alasan untuk melekat seperti versi ketat dari teori radikal bebas, dan hal ini menjadi jelas bahwa apakah atau tidak mereka menentukan masa hidup, radikal oksigen tentu pemain penting dalam patofisiologi penuaan ini. Dengan kata lain, ruang lingkup teori radikal bebas dari penuaan harus mencakup penuaan terkait stres oksidatif pada umumnya, daripada membatasi diri untuk peristiwa-peristiwa oksidatif yang dapat menentukan masa hidup. Bahkan, banyak artikel saat ini menunjukkan bahwa kabur seperti perbedaan telah terjadi dan bahwa seperti yang biasa digunakan, "teori radikal bebas" meliputi satu set luas ide-ide. Oleh karena itu, tujuan pertama kami adalah untuk menggambarkan ini konsepsi yang berbeda dari teori radikal bebas, sebagai prasyarat untuk evaluasi kritis.Karena popularitas baru-baru ini penelitian radikal bebas, sejumlah besar ulasan telah membahas berbagai aspek interaksi antara oksidan dan penuaan (6 15 18 33 51 57 58 60 65 82 85 87 103 106 123-126 130 161 166 196 203 227 273 275 288 257 293 297 307 312 315 335 338 348 353 357). Bukan hanya memperbarui literatur ini, tujuan kami adalah untuk memberikan kategorisasi sistematis dari jenis eksperimen yang telah dilakukan. Fenomena dan studi penuaan yang sangat beragam, meliputi organisme dari rotifera untuk mamalia dan teknik dari fisiologi genetika. Meskipun justru menyapu luas bukti bahwa meminjamkan teori radikal bebas banding, menagerie hewan dan teknik kadang mengaburkan logika. Dengan melanggar literatur turun menjadi potongan-potongan kecil (praktek kita menemukan diri kita diperlukan), kami berharap untuk membuat lebih mudah bagi pembaca untuk menilai teori. Selain itu, dengan memaksakan struktur, kami bertujuan untuk menyoroti novel dan pendekatan definitif, karena inilah yang akan menggantikan fenomenologi dekade terakhir.Dalam ulasan ini, kemudian, kita secara singkat garis evolusi teori radikal bebas dan kemudian menggambarkan berbagai wilayah bukti. Kami fokus pada eksperimen terbaru dan titik ke daerah-daerah yang kita merasa paling mungkin untuk memberikan wawasan masa depan. Cara di mana kita telah dikategorikan literatur diuraikan dalam daftar isi (sekte. Iv-xvii) dan dalam Tabel 1. Meskipun sistem tersebut agak sewenang-wenang, kami berharap bahwa kita akan membuat lebih mudah baik untuk mengasimilasi literatur yang ada dan untuk membayangkan percobaan berikutnya. Dalam menulis review sebagai luas topik sebagai teori radikal bebas, kita telah dipaksa untuk membatasi baik isi dan jumlah referensi yang dikutip. Meskipun kami telah melakukan yang terbaik untuk menyertakan karya terbaru, kelalaian yang tak terelakkan. Kami meminta maaf kepada semua penulis yang karyanya kami belum berhasil untuk memasukkan, dan pembaca langsung ke ulasan baru lainnya untuk bahan kami telah ditinggalkan.Lihat tabel ini: Pada jendela ini Dalam jendela baruTabel 1.Kekuatan dan kelemahan dari pendekatan untuk pengujian teori radikal bebas dari penuaanII. AN OVERVIEW TEORI RADIKAL BEBAS AGINGA. Asal dari Radikal Bebas TeoriPada tahun 1956, Denham Harman menyarankan bahwa radikal bebas yang dihasilkan selama respirasi aerobik menyebabkan kerusakan oksidatif kumulatif, mengakibatkan penuaan dan kematian. Dia mencatat paralel antara efek penuaan dan radiasi pengion, termasuk mutagenesis, kanker, dan kerusakan sel bruto (120 128). Pada saat itu, baru-baru ini menemukan bahwa radiolisis air menghasilkan radikal hidroksil (OH) (319), dan percobaan awal menggunakan spektroskopi resonansi paramagnetik telah mengidentifikasi adanya OH dalam hal (45) yang tinggal. Harman (120) Oleh karena itu hipotesis bahwa oksigen generasi radikal endogen terjadi in vivo, sebagai oleh-produk kimia redoks enzimatik. Ia memberanikan diri bahwa enzim yang terlibat akan menjadi orang-orang "yang terlibat dalam pemanfaatan langsung molekul oksigen, terutama yang mengandung zat besi." Akhirnya, ia hipotesis bahwa jejak besi dan logam lainnya akan mengkatalisis reaksi oksidatif in vivo dan bahwa reaksi berantai peroxidative yang mungkin, dengan analogi dengan prinsip-prinsip in vitro kimia polimer. Semua prediksi ini telah dikonfirmasi selama 40 tahun terakhir.Teori ini mendapatkan kredibilitas dengan identifikasi pada tahun 1969 dari dismutase enzim dismutase (SOD) (204), yang menyediakan bukti kuat pertama dari generasi in vivo dari anion superoksida (O- 2), dan dari penjelasan selanjutnya dari pertahanan antioksidan rumit (351). Penggunaan SOD sebagai alat untuk mencari situs subselular dari O 2 generasi menyebabkan kesadaran bahwa ditopang teori radikal bebas, yaitu, bahwa mitokondria adalah sumber utama oksidan endogen (37). Gerontologists telah lama mengamati bahwa spesies dengan tingkat metabolisme yang lebih tinggi memiliki potensi umur maksimum lebih pendek (MLSP); bertambahnya usia mereka lebih cepat (268). Bahkan, itu telah diusulkan pada pergantian abad bahwa konsumsi energi per se bertanggung jawab atas penuaan, konsep disebut sebagai "tingkat hidup" hipotesis (246 268 295). Kesadaran bahwa konsumsi energi oleh mitokondria dapat menyebabkan O- 2 produksi terkait teori radikal bebas dan tingkat teori hidup tidak dapat ditarik kembali: tingkat yang lebih cepat dari respirasi, terkait dengan generasi yang lebih besar dari radikal oksigen, mempercepat penuaan. Sekarang, dua konsep telah dasarnya bergabung.B. Sumber OksidanKeadaan dasar oksigen diatomik (3g-O2 atau lebih umum, O2), meskipun spesies radikal dan oksidan yang paling penting dalam organisme aerobik, hanya hemat reaktif sendiri karena fakta bahwa dua elektron tidak berpasangan yang terletak di orbital molekul yang berbeda dan memiliki "spin paralel." Akibatnya, jika O2 secara bersamaan untuk menerima dua elektron, ini harus keduanya memiliki spin antiparalel relatif terhadap elektron tidak berpasangan di O2, kriteria yang tidak puas dengan sepasang khas elektron dalam atom atau molekul orbital (yang memiliki spin berlawanan sesuai dengan prinsip pengecualian Pauli). Akibatnya, O2 istimewa menerima elektron satu per satu dari radikal lainnya (seperti logam transisi dalam valensi tertentu). Dengan demikian, in vivo, pengurangan dua atau empat-elektron khas O2 mengandalkan terkoordinasi, serial, pengurangan satu-elektron enzim-katalis, dan enzim yang membawa ini keluar biasanya memiliki aktif-situs spesies radikal seperti besi. Pengurangan satu dan dua elektron O2 menghasilkan O 2 dan hidrogen peroksida (H2O2), masing-masing, baik yang dihasilkan oleh berbagai rute di vivo, seperti dibahas di bawah. Dengan adanya logam transisi bebas (zat besi tertentu dan tembaga), O- 2 dan H2O2 bersama-sama menghasilkan sangat reaktif radikal hidroksil (OH). Pada akhirnya, OH diasumsikan spesies jawab untuk memulai penghancuran oksidatif biomolekul. Selain O 2, H2O2, dan OH, dua spesies penuh semangat bersemangat dari O2 disebut "oksigen singlet" dapat hasil dari penyerapan energi (misalnya, dari sinar ultraviolet). Ditunjuk oleh rumus 1gO2 dan 1g + O2, kedua spesies ini berbeda dari keadaan triplet tanah (3g-O2) dalam memiliki dua elektron tidak berpasangan dalam berputar berlawanan, sehingga menghilangkan pembatasan spin keadaan dasar O2 dan memungkinkan reaktivitas yang lebih besar. Kimia oksigen dan turunannya telah banyak dibahas di tempat lain (115 342). Karena semua spesies ini (O- 2, H2O2, OH, 1gO2, dan 1g + O2), oleh rute yang berbeda, yang terlibat dalam toksisitas oksigen, kita akan bersama merujuk kepada mereka sebagai "oksidan."Sekarang tidak diragukan lagi bahwa oksidan dihasilkan in vivo dan dapat menyebabkan kerusakan yang signifikan (20 37 60 91 112 351). Ada banyak situs generasi oksidan, empat di antaranya telah menarik banyak perhatian: transpor elektron mitokondria, metabolisme asam lemak peroxisomal, sitokrom P-450 reaksi, dan sel fagosit (yang "meledak pernapasan"). Sebelum diskusi tentang kontribusi potensi berbagai sumber oksidan, itu sebentar berharga untuk menguraikan mereka.Dalam skema buku respirasi mitokondria, transpor elektron melibatkan pengurangan empat elektron terkoordinasi O2 untuk H2O, elektron yang disumbangkan oleh NADH atau suksinat ke kompleks I dan II, masing-masing, dari rantai transpor elektron mitokondria (ETC). Ubiquinone (koenzim Q, atau UQ), yang menerima elektron dari kompleks I (NADH dehidrogenase) dan II (suksinat dehidrogenase), mengalami dua pengurangan satu-elektron berurutan untuk ubisemiquinone dan ubiquinol (siklus Q), akhirnya mentransfer mengurangi setara untuk sisanya dari rantai transpor elektron: kompleks III (UQ-sitokrom c reduktase), sitokrom c, IV kompleks (sitokrom-c oksidase), dan akhirnya, O2 (115). Namun, tampaknya transpor elektron mitokondria tidak sempurna, dan pengurangan satu elektron dari O2 untuk membentuk O- 2 terjadi. The dismutasi spontan dan enzimatik O 2 menghasilkan H2O2, sehingga signifikan oleh-produk dari urutan sebenarnya dari reaksi oksidasi-reduksi mungkin generasi O 2 dan H2O2.Berapa banyak O- 2 dan H2O2 jangan mitokondria menghasilkan? Dalam percobaan klasik selama tahun 1970, pengukuran generasi H2O2 oleh mitokondria terisolasi menunjukkan bahwa itu adalah maksimal ketika ADP membatasi dan pembawa elektron yang akibatnya mengurangi ("state 4" respirasi) (26). Perkiraan negara 4 generasi H2O2 oleh merpati dan tikus persiapan mitokondria sebesar 1-2% dari total aliran elektron (26 229). Satu masalah dengan perkiraan ini generasi H2O2 mitokondria adalah ketergantungan pada penggunaan penyangga jenuh dengan udara (20% O2). In vivo, tekanan parsial O2 ~ 5%, sehingga perhitungan ini mungkin melebih-lebihkan fluks oksidan in vivo. Bahkan mengabaikan penggunaan penyangga udara jenuh, estimasi awal persentase dll fluks yang mengarah ke H2O2 dapat ditantang dengan alasan bahwa dalam percobaan ini konsentrasi substrat diumpankan ke mitokondria lebih tinggi dari terjadi secara fisiologis (118 146). Ketika H2O2 diukur dengan konsentrasi yang lebih fisiologis, fluks adalah ~ 10-kali lipat lebih rendah (118), dan percobaan menggunakan pecahan subselular SOD-kekurangan Escherichia coli menyarankan in vivo kebocoran 0,1% dari rantai pernapasan (146).Berapa proporsi H2O2 mitokondria pada akhirnya berasal dari ETC O- generasi 2? Sayangnya, pengukuran O 2 generasi oleh mitokondria utuh dicegah oleh kehadiran SOD mitokondria (mSOD). Oleh karena itu, isolasi partikel submitochondrial yang mSOD telah dihapus (dengan sonikasi dari organel utuh diikuti dengan pencucian luas) digunakan untuk mendeteksi dll O- 2. Dalam eksperimen ini, perkiraan stoikiometri dari rasio O 2 generasi (oleh partikel submitochondrial) ke generasi H2O2 (oleh organel utuh) turun antara 1,5 dan 2,1 (24 25 69 89 191); karena dua O- 2 molekul dismutate (baik secara spontan atau dengan bantuan mSOD) untuk membentuk satu molekul H2O2, hasil tersebut menunjukkan bahwa hampir semua H2O2 mitokondria mungkin berasal sebagai O- 2 (27). Selain itu, karena sebagian besar H2O2 seluler berasal dari mitokondria, O- 2 dari ETC mungkin sumber sel yang paling signifikan dari oksidan (37).Dalam sebuah diskusi baru-baru klasik dalam pekerjaan vitro (88), beberapa peneliti asli mengambil masalah dengan gagasan bahwa bebas O- 2 ada di mitokondria sebagai akibat dari fluks yang normal melalui ETC. Mereka menunjukkan bahwa selain setelah dihapus mSOD dari mitokondria, sonication mereka dipekerjakan juga mengakibatkan hilangnya sitokrom c, yang dengan cepat scavenges O- 2 in vitro dan hadir dalam mitokondria pada konsentrasi lokal dari 0,5 sampai 5 mM. Dalam mitokondria, mereka berpendapat, mSOD dan sitokrom c cepat mengais O- 2 (dalam matriks dan ruang antarmembran, masing-masing). Lebih penting lagi, penulis menekankan bahwa kecuali ETC diracun dengan inhibitor seperti antimycin A, O 2 generasi tidak terdeteksi dalam percobaan mereka (89 191). Dengan alasan bahwa mSOD harus bertindak untuk meningkatkan tingkat O 2 generasi in vivo (dengan mempercepat penghapusan produk dengan dismutasi untuk H2O2), mereka menyarankan bahwa peran aktual mSOD in vivo mungkin untuk meningkatkan generasi H2O2 (dengan O 2 sebagai cepat dikonsumsi menengah) (88). Pada akhirnya, tetap ada banyak ketidakpastian seputar mekanisme, kuantitas, dan makna O mitokondria 2 generasi in vivo (228), sebuah misteri yang diperdalam oleh laporan terbaru dari enzimatik oksida nitrat (NO) generasi di mitokondria ( C. Giulivi dan C. Richter, komunikasi pribadi). Karena O- 2 dan NO bereaksi untuk membentuk peroxynitrite oksidan (ONOO-), O- mitokondria 2 generasi mungkin segera perlu dipertimbangkan dalam terang kemampuannya untuk menghancurkan NO dan membentuk ONOO-, seperti yang dibahas dalam bagian xviii B.Sumber kedua dari radikal oksigen peroxisomal -oksidasi asam lemak, yang menghasilkan H2O2 sebagai oleh-produk. Peroksisom memiliki konsentrasi tinggi katalase, sehingga tidak jelas apakah kebocoran H2O2 dari peroksisom atau tidak memberikan kontribusi signifikan terhadap stres oksidatif sitosol dalam keadaan normal. Namun, kelas karsinogen nonmutagenic, yang proliferators Peroksisom, yang meningkatkan jumlah peroksisom hepatoseluler dan mengakibatkan kanker hati pada hewan pengerat, juga menyebabkan stres oksidatif dan kerusakan (7 157 177 230). Menariknya, selama regenerasi hati setelah hepatektomi parsial, terdapat peroksisom yang tidak noda untuk aktivitas katalase (232), mengisyaratkan bahwa selama proliferasi sel yang cepat, oksidan kebocoran dari peroksisom dapat ditingkatkan.Mikrosomal sitokrom P-450 enzim metabolisme senyawa xenobiotik, biasanya berasal dari tumbuhan, oleh katalis oksidasi univalen atau pengurangan. Meskipun reaksi ini biasanya melibatkan NADPH dan substrat organik, beberapa dari banyak sitokrom P-450 isozim langsung mengurangi O2 ke O- 2 (105 168) dan dapat menyebabkan stres oksidatif. Jalur alternatif untuk oksidasi sitokrom P-450-dimediasi melibatkan redoks bersepeda, di mana substrat menerima elektron tunggal dari sitokrom P-450 dan mentransfernya ke oksigen. Ini menghasilkan O- 2 dan sekaligus meregenerasi substrat, yang memungkinkan putaran berikutnya O- 2 generasi (115). Meskipun tidak jelas sampai sejauh mana sitokrom P-450 reaksi samping melanjutkan dalam kondisi normal, adalah mungkin bahwa seperti O- 2 generasi kronis dengan sitokrom P-450 adalah hewan harga membayar karena kemampuan mereka untuk detoksifikasi dosis akut racun (6 ).Akhirnya, sel fagosit menyerang patogen dengan campuran oksidan dan radikal bebas, termasuk O- 2, H2O2, NO, dan hipoklorit (38 220 262). Meskipun generasi besar oksidan oleh sel-sel kekebalan tubuh berbeda dari atas tiga sumber radikal bebas sejauh bahwa itu adalah hasil dari patogenesis, ini mungkin sebuah konsekuensi normal dan tidak dapat dihindari kekebalan bawaan. Peradangan kronis karena itu unik di antara sumber endogen oksidan, karena sebagian besar dapat dicegah (49 231 245).Selain keempat sumber oksidan, terdapat banyak enzim lainnya mampu menghasilkan oksidan dalam kondisi normal atau patologis, sering dengan cara-jaringan tertentu (115). Untuk memberikan contoh yang relevan tunggal, deaminasi dopamin oleh monoamine oxidase menghasilkan H2O2, di beberapa neuron, dan telah terlibat dalam etiologi penyakit Parkinson (80). Akhirnya, generasi katalitik luas NO, dicapai dengan berbagai isozim dari nitrat oksida sintase dan pusat untuk proses beragam seperti regulasi vaskular, respon imun, dan potensiasi jangka panjang, meningkatkan rute potensial untuk reaksi oksidatif yang merusak (187). Interaksi antara O- 2 dan NO hasil di ONOO-, yang merupakan oksidan kuat.Sebagai awalnya diartikulasikan oleh Harman (120), teori radikal bebas dari penuaan tidak membedakan antara berbagai sumber oksidan. Namun, tingkat hipotesis hidup jelas dikhususkan mitokondria O- 2 dan generasi H2O2, karena tingkat respirasi mitokondria yang negatif berkorelasi dengan MLSP. Juga, karena banyak sumber didirikan lain oksidan yang spesifik jaringan (terkait dengan hati, saraf, dan fungsi khusus lainnya), mereka cenderung untuk menjelaskan penuaan di berbagai spesies. Untuk alasan ini, O- mitokondria 2 dan H2O2 telah menangkap bagian terbesar dari perhatian. Namun, mungkin ternyata bahwa untuk beberapa gangguan terkait usia, oksidan nonmitochondrial sangat penting. Dalam arti diperluas dari teori radikal bebas, setiap oksidan, mitokondria atau tidak, mungkin memainkan peran. Oleh karena itu, meskipun sejumlah besar sumber intraseluler dari oksidan yang telah diidentifikasi secara kualitatif, dalam hal peringkat kepentingan relatif mereka, lapangan adalah dalam masa pertumbuhan.C. Sasaran OksidanApa target dari oksidan endogen? Tiga kelas utama makromolekul biologis (lipid, asam nukleat, dan protein) yang rentan terhadap serangan radikal bebas, dan ada bukti berlimpah bahwa semua menderita kerusakan oksidatif in vivo. Meskipun baik di luar lingkup ulasan ini untuk mengobati biokimia dari kerusakan oksidatif pada setiap kedalaman yang besar, daerah telah ahli Ulasan (115). Sebuah sinopsis dari jalur lebih dikenal dari kerusakan oksidatif, bagaimanapun, dijamin; produk akhir yang paling akrab dijelaskan di sini.Penelitian awal pada kehancuran molekul biologis oleh oksidan yang terlibat lipid (109). Ahli kimia makanan telah lama memahami bahwa tengik lemak dihasilkan dari reaksi berantai peroxidative lipid ("autoksidasi"); lipid yang hydroperoxyl abstrak radikal atom hidrogen dari ikatan rangkap dari lipid tak jenuh tetangga, membentuk hidroperoksida dan radikal alkil, yang terakhir yang menggabungkan dengan O2 untuk menumbuhkan hydroperoxyl lipid radikal mampu memulai putaran lain dari oksidasi. Pada akhirnya, reaksi intramolekuler dan endoperoxides dekomposisi hasil siklik dan aldehida tak jenuh, yang terakhir yang reaktif dan dapat bertindak sebagai mutagen (194) atau menonaktifkan enzim (39 322), atau beroperasi sebagai fiksatif endogen, bereaksi dengan protein dan asam nukleat untuk membentuk heterogen cross-link (42). Selain itu, efek utama dari peroksidasi lipid menurun fluiditas membran, yang mengubah sifat membran dan secara signifikan dapat mengganggu protein membran-terikat (324).Kerusakan oksidatif asam nukleat termasuk adduct dasar dan gula kelompok, istirahat tunggal dan double-untai di tulang punggung, dan cross-link ke molekul lain. Spektrum adduct di kromatin mamalia teroksidasi in vitro dan in vivo meliputi lebih dari 20 produk dikenal, termasuk kerusakan pada semua empat basis dan timin-tirosin cross-link (70 71 113). Sifat elektrokimia dari adduct 8-okso-guanin (oxo8gua) dan deoxynucleoside 8-okso-2,7-dihidro-2'-deoxyguanosine (oxo8dG), yang telah diizinkan kopling deteksi elektrokimia sangat peka terhadap cairan kinerja tinggi kromatografi (HPLC), telah mengakibatkan ratusan studi pembentukannya, akumulasi, dan ekskresi (17). Identifikasi perbaikan enzimatik spesifik lesi oksidatif baru-baru ini tersedia baik bukti signifikansi kerusakan DNA oksidatif serta alat-alat untuk memanipulasi beban kerusakan in vivo dengan KO genetik (17 23 78 192 266 291).Oksidasi protein ditandai kurang baik, tetapi beberapa kelas kerusakan telah didokumentasikan, termasuk oksidasi kelompok sulfhidril, pengurangan disulfida, adduksi oksidatif dari residu asam amino dekat dengan situs logam-mengikat melalui oksidasi logam-katalis, reaksi dengan aldehida, protein-protein cross-linking, dan peptida fragmentasi (317 318). Sebuah perkembangan baru sangat menarik telah menjadi kesadaran bahwa sejumlah enzim yang memiliki aktif-situs kluster zat besi-sulfur yang sangat sensitif terhadap inaktivasi oleh O- 2 (86 176). Misalnya, E. coli aconitase tidak aktif oleh O- 2 dengan konstan tingkat 109 M-1s 1 (95 96). Aconitase mitokondria mamalia tidak aktif in vitro dan in vivo dengan perawatan yang meningkatkan mitokondria generasi O- 2, seperti pertumbuhan dalam kondisi hiperbarik (97 98). Karena aconitase berpartisipasi dalam siklus asam sitrat, penghambatan akan diharapkan memiliki efek pleiotropik. Selain itu, mekanisme aconitase penghambatan oleh O- 2 telah ditunjukkan untuk melibatkan pelepasan besi bebas dari enzim (86). Atom besi bebas katalis memperburuk stres oksigen (lihat di bawah), dan telah diusulkan bahwa genotoxicity superoksida adalah fungsi dari kemampuannya untuk membebaskan protein terikat besi (159 184).Tidak seperti lipid dan asam nukleat, protein merupakan target yang sangat beragam untuk kerusakan oksidatif. Meskipun oksidasi protein telah ditunjukkan pada level tulang punggung peptida dan asam amino, telah ada relatif sedikit pengawasan dari perbedaan antara protein di kepekaan mereka. Perbandingan kuantitatif rinci albumin serum sapi dan glutamin sintase telah menunjukkan residu rentan bekas (metionin dan residu asam amino aromatik) dioksidasi sekitar dua kali lebih cepat seperti yang di yang terakhir, yang melibatkan semua empat tingkat struktur protein dalam relatif kerentanan (19). Sebuah studi tentang kepekaan oksidasi dari berbagai kloning K + channel dari limfosit T, sel jantung, dan neuron mengungkapkan bahwa sementara lima dari saluran kloning yang sangat sensitif terhadap oksidasi, jumlah yang sama resisten (74). Kepekaan diferensial meningkatkan kemungkinan bahwa hilangnya homeostasis yang merupakan ciri penuaan dapat mengakibatkan dari oksidasi selektif protein.Dalam konteks penuaan, aspek sangat relevan toksisitas oksigen adalah promosi oleh beberapa logam dan oleh O2 peningkatan tekanan parsial. Besi dan tembaga mengkatalisis pembelahan homolytic dari ROOH (reaksi Fenton), yang mengarah ke generasi OH (115). Hal ini OH yang merupakan oksidan yang paling reaktif, bereaksi pada tingkat difusi terbatas. Sifat katalitik dari besi dan tembaga menjelaskan mengapa sel memiliki protein logam-pengkhelat seperti feritin dan transferin, yang mengurangi konsentrasi redoks-aktif logam (114 211). Pada manusia, konten tubuh besi meningkat dengan usia (pada pria sepanjang hidup mereka, dan pada wanita setelah menopause), dan telah menyarankan bahwa akumulasi ini dapat meningkatkan risiko kerusakan oksidatif dengan usia (169 331). Akhirnya, stres oksidatif in vivo diperburuk oleh O2 meningkatkan tekanan parsial, karena fluks lebih jelas dari O- mitokondria 2 (37). Akibatnya, manipulasi O2 tekanan parsial adalah alat yang relatif sederhana yang telah digunakan untuk menguji teori radikal bebas.D. Antioksidan PertahananSel dilengkapi dengan repertoar yang mengesankan enzim antioksidan, serta molekul antioksidan kecil sebagian besar berasal dari buah-buahan dan sayuran (5 351) diet. Ini termasuk 1) pemulung enzimatik seperti SOD, yang mempercepat yang dismutasi dari O 2 untuk H2O2, dan katalase dan glutation peroksidase (GPX), yang mengkonversi H2O2 ke air; 2) pemulung radikal hidrofilik seperti askorbat, asam urat, dan glutathione (GSH); 3) pemulung radikal lipofilik seperti tokoferol, flavonoid, karotenoid, dan ubiquinol; 4) enzim yang terlibat dalam pengurangan bentuk teroksidasi antioksidan molekul kecil (GSH reduktase, reduktase dehydroascorbate) atau bertanggung jawab atas pemeliharaan tiol protein (thioredoxin reductase); dan 5) mesin seluler yang mempertahankan lingkungan mengurangi (misalnya, dehidrogenase glukosa-6-fosfat, yang melahirkan NADPH). Komplemen dari pertahanan dikerahkan tidak hanya berbeda antara organisme atau jaringan, tetapi bahkan antara kompartemen selular. Misalnya, GPX memainkan peran penting dalam mamalia tapi tidak hadir dari lalat dan nematoda (298 330), dan terdapat pada manusia tiga bentuk SOD (sitosol Cu, Zn-SOD, mitokondria Mn-SOD, dan SOD ekstraselular), encoded dan diatur secara independen (91).Sejauh mendukung teori radikal bebas dari penuaan yang bersangkutan, universalitas pertahanan antioksidan adalah berita baik. Meskipun sifat pertahanan ini bervariasi antara spesies, kehadiran beberapa jenis pertahanan antioksidan adalah universal. Bahkan, beberapa antioksidan, seperti SOD, sangat sangat dilestarikan. Jelas, ketidakpedulian terhadap oksigen radikal bebas tidak konsisten dengan kehidupan, menggarisbawahi pentingnya kerusakan oksidatif. Selain itu, fakta bahwa pertahanan antioksidan tidak seragam telah dimasukkan ke dalam teori radikal bebas; perbedaan pertahanan antioksidan antara spesies telah diajukan untuk menjelaskan perbedaan dalam rentang kehidupan. Meskipun ada sesuatu yang tidak nyaman ad hoc dalam dua interpretasi yang berbeda dari data, mereka tidak konsisten. Sedangkan kehidupan aerobik membutuhkan organisme untuk mengatasi oksidasi sampai batas tertentu, tekanan evolusi yang berbeda tampaknya telah memilih untuk lebih atau kurang investasi di pertahanan ini, seperti yang dibahas dalam bagian iii.Akhirnya, masalah terus-menerus dalam pengujian teori radikal bebas adalah bahwa antioksidan keduanya paralel (antioksidan yang berbeda dapat memainkan peran yang sama, misalnya, katalase dan GPX) dan serial (enzim beroperasi di tandem untuk terurai radikal untuk produk berbahaya, misalnya, SOD dan katalase ). Akibatnya, pengukuran kegiatan antioksidan individu tidak memiliki relevansi besar.

Top of FormGoogle Terjemahan untuk Bisnis:Perangkat PenerjemahPenerjemah Situs WebPeluang Pasar GlobalBottom of FormMatikan terjemahan instanTentang Google TerjemahanSelulerKomunitasPrivasi & PersyaratanBantuanKirim masukan

Coba browser baru dengan terjemahan otomatis.Unduh Google ChromeTutupTop of FormTerjemahan

Bottom of Form

Gambar. 1.Hasil akhir dari stres oksidatif adalah fungsi dari 1) generasi oksidan, 2) pertahanan antioksidan, dan 3) perbaikan kerusakan oksidatif. Bolds panah menunjukkan kerusakan oksidatif, dan berlari panah menunjukkan rute untuk pencegahan atau perbaikan. Karena cara di mana proses ini dapat berinteraksi, multi loop positif-negatif dan umpan balik yang mungkin. Penuaan (A) terletak di persimpangan dari proses ini. Dalam pengujian teori radikal bebas, perubahan proses 1-3 telah diukur baik sebagai fungsi usia dan sebagai fungsi maksimal potensi masa hidup spesies '. Kesamaan angka untuk lambang internasional radiasi bukanlah suatu kebetulan; teori radikal bebas berakar dalam biologi radiasi.Akhirnya, sangat penting (jika eksperimental bandel) aspek interaksi antara oksidan, antioksidan, dan perbaikan yang umpan balik, positif dan negatif, di antara mereka. Pertahanan antioksidan dan sistem perbaikan sel telah terbukti diinduksi dalam menanggapi tantangan oksidatif (67 119 320) dan tentu saja target potensial dari kerusakan oksidatif (145). Juga, generasi oksidan dapat ditingkatkan dengan gangguan fungsi yang rusak secara oksidatif molekul (28 303). Oleh karena itu, dengan pemeriksaan Gambar 1, tidak sulit untuk membayangkan cara di mana oksidatif utama perusakan target apapun (misalnya, komponen dll mitokondria, mengais-ngais enzim seperti SOD, atau enzim perbaikan DNA) mungkin mempromosikan kerusakan oksidatif lebih lanjut dalam apa yang sering disebut "lingkaran setan bencana."Meskipun siklus tersebut secara intuitif menarik, dokumentasi mereka menunggu pekerjaan di masa depan dan akan sangat sulit dari sudut pandang teknis. Sebuah alternatif untuk pendekatan berbasis laboratorium, yaitu, model komputasi dari interaksi yang kompleks dalam apa yang disebut sebagai "Jaringan Teori Penuaan," sedang dikejar oleh gerontologists teoritis (170). Pada akhirnya, pertanyaan yang jelas penting adalah apakah atau tidak siklus tersebut, jika ada, bisa rusak, dan pemodelan dapat membantu menemukan link yang lemah untuk intervensi terapeutik.AKU AKU AKU. Penyempitan DAN corollaries DARI GRATIS RADIKAL TEORISebagai teori radikal bebas telah memperoleh tanah, itu telah memasukkan ide-ide lain. Misalnya, seperti yang disebutkan di atas, tingkat hipotesis hidup dovetailed dengan teori radikal bebas sekali generasi radikal bebas mitokondria dikonfirmasi. Tiga ide lain yang telah berpengaruh adalah konsep evolusi dari pleiotropy antagonis, teori mutasi somatik dari penuaan, dan teori mitokondria penuaan.A. Oksidan dan Teori Evolusi PenuaanGenerasi intraselular oksidan yang mampu membatasi rentang hidup mungkin muncul paradoks. Tampaknya masuk akal untuk mengharapkan bahwa seleksi alam mungkin telah menemukan sel-sel aerobik yang tidak bocor beracun oleh-produk. Ahli biologi evolusi telah memberi kontribusi pada teori radikal bebas dengan menyarankan mengapa generasi fisiologis berbahaya dari radikal oksigen terjadi. Mereka berpendapat bahwa seleksi alam nikmat gen yang bertindak di awal kehidupan dan peningkatan reproduksi, daripada gen yang bertindak untuk melestarikan sel nongerm (yang "soma sekali pakai"), sebuah prinsip yang disebut "pleiotropy antagonis" (162-164 265 341).Konsep pleiotropy antagonis menekankan bahwa di alam liar, keberhasilan reproduksi pada prinsipnya fungsi dari faktor eksternal. Dengan pengecualian modern manusia, individu biasanya tidak mati tua, tapi yang dimakan, diparasiti, atau keluar-bersaing dengan orang lain. Oleh karena itu, menjaga sel-sel soma sekali pakai, atau dikenal sebagai tubuh, dapat merugikan jika hal itu dapat mengurangi masalah yang lebih mendesak. Toksisitas oksidan meledak pernapasan, misalnya, tidak dapat dengan mudah dihilangkan dengan evolusi, karena ini akan mengakibatkan kematian dari infeksi masa kanak-kanak. Demikian pula, investasi dalam meningkatkan pertahanan antioksidan memaksimalkan kebugaran hanya jika sumber daya tidak lebih baik diinvestasikan dalam kekuatan, keindahan, kecepatan, atau licik.Dalam hal seleksi alam, biaya yang luar biasa kematian sebelum usia reproduksi, kemungkinan terus peracikan kematian dari ancaman eksternal, dan biaya gagal untuk mereproduksi semua memastikan bahwa tekanan selektif adalah terkuat di usia muda. Setiap mutasi baru yang mengurangi kerusakan oksidatif pertama harus memenuhi kriteria reproduksi muda. Singkatnya, tekanan selektif untuk bersaing secara efektif pada usia dini dapat menjamin tingkat tertentu toksisitas O2 dan bekerja terhadap konservasi soma dalam jangka panjang.B. Oksidan dan somatik Mutasi Teori PenuaanTeori mutasi somatik menyatakan bahwa akumulasi mutasi DNA bertanggung jawab untuk penuaan degeneratif (23 79 212 218 332). Dalam kasus kanker, yang dihasilkan dari kedua mutasi titik di onkogen dan hilangnya fungsi gen penekan tumor (seringkali dengan penghapusan), peran mutasi perlu dipertanyakan (5). Ini masih harus dilihat apakah atau tidak argumen berlaku untuk penuaan nonproliferative. Misalnya, sedangkan peningkatan yang berkaitan dengan usia yang signifikan dalam mutasi somatik dalam transgen reporter (lacZ) telah diukur dalam jaringan mitosis tikus transgenik (hati), tidak ada peningkatan terdeteksi di otak sebagian besar postmitotik hewan yang sama (71a) , menunjukkan neurodegeneration itu, setidaknya, tidak mungkin hasil dari akumulasi mutasi somatik pada DNA nuklir. Selain itu, akumulasi mutasi pada jaringan hati tidak dramatis, menunjukkan mutagenesis yang mungkin konsekuensi kecil fungsional untuk mitosis jaringan juga (338b). Mengingat data ini, apa buktinya bahwa mutasi somatik terkait dengan penuaan? Sebuah argumen untuk teori mutasi somatik dari penuaan diberikan tahun lalu dalam penemuan bahwa kemampuan perbaikan DNA berkorelasi dengan spesies-spesifik rentang hidup (127a), sebuah fenomena yang baru-baru ini menegaskan kembali (52a). Namun, telah mencatat bahwa perbaikan DNA, yang diperlukan untuk pencegahan tumorigenesis, diperlukan tetapi tidak cukup untuk umur panjang (52a). Pada akhirnya, argumen tentang pentingnya fisiologis mutasi somatik bergantung pada bagaimana mengganggu beban mutasi diberikan adalah untuk sel atau hewan; dengan metode saat ini, ini adalah pertanyaan yang tak terjawab.Dalam kasus apapun, itu telah dibuktikan dalam berbagai penelitian dengan prokariota, ragi, dan sel mamalia yang oksidan yang mutagen, melawan sel-sel aktif melindungi materi genetik mereka (81 108). Meskipun belum jelas apa fraksi mutasi dapat dikaitkan dengan kerusakan oksidatif, karakterisasi dan kloning gen pertahanan terhadap mutagenesis oksidatif (17), dan pengembangan in vivo tes mutagenesis (198), akhirnya membuka jalan untuk definitif eksperimen.C. Oksidan dan mitokondria Teori PenuaanMitokondria juga telah lama menarik perhatian sebagai salah satu link lemah sel, organel yang memiliki disfungsi mendalam efek pleiotropik negatif (193). Mitokondria pasokan ATP dan juga menyerap berpotensi beracun Ca2 +, namun karena generasi mereka dari O 2 dan H2O2, mereka berada di garis depan stres oksidatif pernapasan. Gagasan bahwa mitokondria karena itu unik rentan dipeluk awal oleh pendukung teori radikal bebas (121). Pada awal 1980-an, Miquel dan rekan (84 212 213) mengusulkan bahwa kerusakan oksidatif pada DNA mitokondria (mtDNA) dalam sel postmitotik akan menyebabkan mutasi dan blok untuk replikasi, dan akibatnya untuk disfungsi mitokondria dan penurunan fisiologis. Ini "mtDNA mutasi hipotesis penuaan," yang menggabungkan radikal bebas, mutasi somatik, dan peran sentral mitokondria di homeostasis, saat ini di bawah pengawasan ketat (8 11 21 50 110 222 223 238 258-260 276 288 336 339).IV. Oksidatif FENOMENOLOGI: AGE-ASOSIASI TRENPendekatan fenomenologis teori radikal bebas telah terlibat mencari jejak kerusakan oksidatif in vivo. Fenomenologi tidak baik cocok untuk kritis menguji teori radikal bebas, karena data (yang tebal dan umumnya mendukung) terutama merupakan korelasi. Kenaikan didokumentasikan dalam kerusakan oksidatif, tidak peduli seberapa mengesankan, mungkin akibat dari peristiwa nonoxidative utama. Namun demikian, fenomenologi adalah fondasi yang lebih kuat percobaan tergantung, karena metode analisis yang dikembangkan untuk itu telah digunakan untuk membandingkan spesies, mutan genetik, dan populasi dengan masa hidup yang berbeda. Bahkan, hampir semua biomarker stres oksidatif diuraikan dalam bagian ini telah ditemukan menumpuk di tingkat yang lebih cepat pada spesies berumur pendek, dan dalam banyak kasus, tingkat ini berkorelasi dengan konsumsi O2. Keakraban dengan poin akhir paling sering diukur adalah prasyarat untuk menilai teori radikal bebas.Jika kerusakan oksidatif merupakan penyebab signifikan degenerasi seluler, maka salah satu mengharapkan untuk melihat lebih dari itu pada orang tua. Kerusakan oksidatif telah dijelaskan dalam hal "akumulasi, modifikasi, dan penipisan": akumulasi produk akhir kerusakan oksidatif (seperti lipofuscin), modifikasi struktur yang ada (seperti adisi oksidatif pada DNA), dan deplesi (seperti kerugian aktivitas enzimatik atau dikurangi tiol).A. Akumulasi oksidatif End ProdukAkumulasi bertahap dan stabil intraseluler pigmen fluorescent kuning-coklat, disebut sebagai lipofuscin, terjadi di berbagai filum. Lipofuscin muncul menonjol dalam sel postmitotik (di mana, ia berpendapat, hal itu tetap murni oleh putaran pembelahan sel; Ref 296.) Dan terletak di butiran kecil di lisosom sekunder. Lipofuscin secara struktural kompleks dan variabel, sebagian besar terdiri dari cross-linked lipid dan residu protein (251 296 327), dan di mana-mana, didokumentasikan dalam spesies yang beragam seperti nematoda, lalat buah, tikus, lebah, kepiting-makan monyet, dan udang karang. Yang paling penting, itu berlimpah dalam jaringan tua, di mana ia dapat menempati lebih dari satu-setengah dari volume sel (347 348).Awal, ditemukan bahwa inkubasi asam amino dengan malonaldehyde produk peroksidasi lipid dalam kondisi asam mengarah pada pembentukan lipofuscin seperti fluorophores (42). Masuk akal dari reaksi tersebut, mengingat isi dan pH rendah lisosom, menyarankan bahwa peroksidasi lipid in vivo mengarah pada pembentukan lipofuscin (324). In vitro penelitian lain peroksidasi lipid sejak menemukan sejumlah besar rute untuk neon, silang produk melalui kimia oksidatif promiscuous, yang menunjukkan bahwa lipofuscin adalah biomarker peroksidasi lipid (160 296 348).Meskipun luas dalam percobaan in vitro, tidak diketahui dengan pasti bagaimana lipofuscinogenesis terjadi in vivo, atau bagaimana lipofuscin datang untuk mengumpulkan dengan usia. Lipid peroksidasi bisa terjadi di seluruh sel dan diikuti oleh lisosom fagositosis dan silang peroxidative oleh-produk, dalam hal peningkatan berhubungan dengan usia pada konten lipofuscin dapat dilihat sebagai akibat dari kerusakan oksidatif. Atau, penurunan terkait usia dalam kegiatan lisosomal (karena sesuatu selain oksidasi) dapat meningkatkan waktu tinggal bahan phagocytosed cukup untuk meningkatkan lipofuscinogenesis di situ dari jumlah konstan peroksida (135). Untuk mendukung kemungkinan terakhir, infus ke dalam otak tikus dari lisosom inhibitor proteinase menyebabkan akumulasi cepat lipofuscin-seperti butiran (149). Skenario ini menunjukkan bahwa lipofuscinogenesis mungkin akibat, bukan penyebab, penuaan.Percobaan dengan miosit jantung berbudaya telah menetapkan peran untuk kedua kerusakan oksidatif dan omset lisosomal (28). Lipofuscin terakumulasi dalam sel-sel ini dalam budaya, dan pertumbuhan di bawah O2 meningkatnya tekanan parsial dari 5 sampai 40% nyata meningkatkan akumulasi (306). Pencantuman besi dalam media pertumbuhan lebih lanjut meningkatkan lipofuscinogenesis, dan besi chelator desferal menekan itu, menunjukkan bahwa Fenton reaksi yang dihasilkan OH adalah inisiator (200). Akhirnya, antioksidan menghambat pembentukan lipofuscin dalam kardiomiosit berbudaya, sedangkan PI lisosom meningkatkannya (199 201 202).Bahkan jika kerusakan oksidatif terutama bertanggung jawab untuk menyetorkan lipofuscin dalam lisosom dari menua hewan, itu lebih dari biomarker dari penuaan? Telah berteori bahwa akumulasi lipofuscin cenderung merusak autophagy, karena lebih banyak volume yang lisosom ditempati oleh bahan dicerna (28). Karena lisosom bertanggung jawab untuk daur ulang materi dan organel, kegagalan mereka mungkin termasuk yang berikut: 1) keterlambatan dalam omset mitokondria (dengan penurunan bersamaan dalam efisiensi mitokondria atau peningkatan generasi oksidan mitokondria), 2) akumulasi oksidatif diubah protein dan lipid dalam sitosol menunggu degradasi (berpotensi memberatkan peroksidasi lipid sitosol), 3) akumulasi lipofuscin-terikat besi dalam bentuk redoks-aktif (yang mungkin mempromosikan lanjut peroksidasi lipid intralysosomal), dan 4) gangguan membran lisosom ( dan tumpahan enzim hidrolitik ke sitosol). Meskipun spekulasi ini (28) masih harus dibuktikan, telah menunjukkan bahwa ketika diobati dengan dosis sublethal H2O2, sel kultur menampilkan gangguan lisosom dan kebocoran kompartemen lisosomal ke dalam sitosol (29). Juga, telah menunjukkan bahwa sensitivitas hepatosit primer berbudaya terhadap oksidasi, yang dikaitkan dengan hilangnya GSH dan masuknya Ca2 +, dicegah oleh desferal chelator besi (235). Apa yang menarik tentang hasil ini adalah kenyataan bahwa sementara desferal stabil lisosom, hal itu tidak mencegah hilangnya GSH atau peningkatan kalsium intraseluler, sehingga mungkin bahwa itu adalah lisosom kebocoran per se, daripada kerusakan peroxidative, yang langkah mematikan yang sebenarnya dalam model ini pembunuhan oksidatif.B. Tingkat Steady-State of oksidatif ModifikasiTidak seperti protein sitosolik yang paruh diukur dalam menit atau jam, beberapa protein ekstraseluler jarang daur ulang, dan modifikasi oksidatif ini makromolekul tua terjadi. Sebuah kelas neon molekul silang yang berbeda dari bentuk-bentuk lipofuscin pada protein berumur panjang seperti kolagen dan crystallin lensa (216). Modifikasi ini diprakarsai oleh reaksi mengurangi gula dengan kelompok bebas amino (glikasi), urutan kimia yang tidak berhubungan dengan oksidasi dan hasil dalam molekul yang dikenal sebagai produk Amadori. Penyusunan ulang nonoxidative lanjut mengakibatkan stabil, silang produk canggih glycation end (AGEs) (35), yang kelimpahan absolut tampaknya merupakan biomarker yang sangat baik usia (217). Baru-baru ini, ditemukan bahwa oksidasi adalah salah satu nasib produk Amadori. Pentosidine, nama yang diberikan untuk cross-link yang melibatkan arginin, lisin, dan gugus pentosa, adalah salah satu seperti "produk glycoxidation," formasi yang membutuhkan kehadiran O2 (326). Tampaknya seolah-olah Amadori produk itu sendiri merupakan sumber H2O2 in vitro, yang kemudian mempercepat kolagen fluorogenik silang secara katalase-sensitif-dimediasi glukosa, meskipun tidak jelas sampai sejauh mana ini terjadi in vivo (77 217). Seperti halnya dengan AGEs lain, beban jaringan pentosidine meningkat pada penderita diabetes, sebagai konsekuensi dari hiperglikemia.Pentosidine telah ditemukan untuk mengumpulkan sebagai fungsi usia di Tikus, tikus, anjing, sapi, babi, monyet, dan manusia, menghasilkan kurva berbentuk ekuivalen dalam semua kasus (284). Tidak jelas, namun, bagaimana modifikasi glycooxidative mungkin berkontribusi terhadap degenerasi. Telah diusulkan bahwa silang di tulang rawan berhubungan dengan elastisitas menurun dan resistensi relatif terhadap proteolisis pada hewan tua (9). Namun, jumlah absolut dari kolagen pentosidine cross-link dicapai pada saat kematian jauh lebih tinggi di berumur panjang daripada spesies berumur pendek: 6-7 pmol / mg di Tikus 3,5 thn, 15-18 pmol / mg di 25 monyet -yr-tua, dan 50-100 pmol / mg pada manusia 90 thn (284). Dengan kata lain, tampak bahwa tingkat akumulasi pentosidine mungkin hanya menjadi ukuran yang lebih kerusakan oksidatif cepat dalam spesies berumur pendek daripada penyebab sebenarnya dari disfungsi.Twist menarik untuk cerita ini telah kloning dari reseptor seluler khusus untuk AGE, disebut RAGE (reseptor untuk AGE), yang dimiliki superfamili imunoglobulin dan dinyatakan oleh sel mononuklear dan endotel vaskular (277 278). Salah satu efek dari AGE mengikat oleh RAGE adalah generasi (dalam sel mononuklear) dari oksidan intraseluler, aktivasi faktor transkripsi oksidan-sensitif NFkB, dan induksi peristiwa hilir terkait dengan aterosklerosis (279 280). Sebagaimana dibahas dalam bagian xv B, itu baru-baru ini menunjukkan bahwa RAGE, yang sangat diungkapkan oleh sel mikroglia di otak (142), adalah reseptor untuk amiloid -peptida (A). The RAGE mengikat hasil A di generasi oksidan, terlibat dalam etiologi AD (293 344).Beberapa residu asam amino dalam protein rentan terhadap modifikasi oksidatif, membentuk turunan rantai samping karbonil (317). Pengembangan metode sensitif untuk analisis karbonil protein oleh Stadtman dan rekan kerja (181) memungkinkan mereka untuk belajar modifikasi oksidatif dalam jaringan otak manusia dan fibroblas berbudaya, dan dalam hati tikus. Mereka menemukan dua sampai tiga kali lipat peningkatan dalam konten karbonil protein antara usia muda dan tua, meningkat dari 10 sampai sekitar 30% dari total protein kolam renang (315). Peningkatan ini eksponensial dan berhubungan baik dengan penurunan aktivitas dehidrogenase enzim glukosa-6-fosfat oksidasi-sensitif (G-6-PD). Sebagai perbandingan, kenaikan oksidasi protein dalam gerbil mongolian kurang dramatis, semakin signifikan di otak, jantung, dan testis, tetapi tidak di ginjal. Seperti dalam jaringan manusia, tren untuk kegiatan G-6-PD sesuai dengan peningkatan kerusakan, jatuh otak dan jantung tetapi tidak di ginjal (300). Hasil serupa telah dilaporkan dalam model serangga. Peningkatan 2,5 kali lipat usia terkait dalam isi karbonil protein dari lalat rumah tua vs muda juga telah didokumentasikan (299), dan sebagai manusia, peningkatan terjadi secara eksponensial selama masa hidup. Kesamaan derajat dan pola peningkatan serangga dan mamalia mencolok, mengingat perbedaan besar dalam MLSP mereka (40 hari vs 100 tahun). Selain itu, tingkat karbonil protein meningkatkan sejenis ekstrak mitokondria dari otot terbang toraks dari hewan-hewan ini (303). Aconitase mitokondria sangat rentan terhadap modifikasi oksidatif selama penuaan in vivo dan diidentifikasi oleh imunoblotting dari lalat mitokondria ekstrak protein dengan antibodi monoklonal dirancang untuk mendeteksi protein karbonil (343B). Karbonilasi enzim siklus asam sitrat ini kunci meningkat secara paralel dengan penurunan aktivitasnya.Bukti kuat bahwa oksidasi agak protein dapat memainkan peran penyebab dalam penuaan berasal dari perbandingan dari "crawler" versus "selebaran" dari penuaan kohort yang sama. Meskipun kedua kelompok berbagi usia kronologis yang sama, crawler adalah individu fenotip pikun yang telah kehilangan kemampuan untuk terbang dan memiliki sisa rentang hidup rata-rata lebih pendek daripada selebaran (misalnya, 9,0 hari vs 13,3 hari untuk crawler 10-hari-tua dan selebaran, masing-masing). Protein konten karbonil dari crawler adalah 29% lebih tinggi dari selebaran (299), mencerminkan usia fenotipik mereka yang lebih besar, seperti tingkat modifikasi karbonil dari mitokondria (tapi tidak sitosol) aconitase (343B). Manusia menderita sindrom Werner, penyakit yang ditandai dengan penuaan dini, adalah individu-individu yang penuaan fenotipik juga dipercepat, dan mereka juga tampaknya memiliki oksidasi protein yang lebih luas. Fibroblas dari pasien Werner dari segala usia memiliki tingkat karbonil protein setara dengan yang di kontrol 80 thn (233). Dalam sebuah penelitian yang kreatif mencoba untuk mengkorelasikan oksidasi protein ke titik akhir fisiologis yang relevan, itu menunjukkan bahwa pada tikus tua, variasi interanimal protein konten karbonil dari dua wilayah yang berbeda dari otak (cerebral cortex vs cerebellum) dikaitkan dengan variasi interanimal paralel dalam memori dan defisit fungsi motorik (90).Apakah karbonil protein fisiologis yang relevan, atau mereka hanya penanda? Apa konsekuensi yang sebenarnya modifikasi protein? Sayangnya, ada beberapa data kuantitatif yang dapat digunakan untuk menjawab pertanyaan ini, meskipun data kualitatif ada. Nasib protein teroksidasi mungkin tergantung pada bentuk kerusakan. Misalnya, oksidasi logam-katalis dari G-6-PD dengan besi / hasil sitrat dalam enzim thermolabile yang merupakan substrat yang lebih baik untuk proteolisis dari adalah enzim asli (93). Omset cepat logam-teroksidasi G-6-PD karena itu dapat melanjutkan efisien. Di sisi lain, G-6-PD modifikasi dengan 4-hidroksi-2-nonenal, produk peroksidasi lipid, juga menginaktivasi enzim tetapi tidak menjadikan thermolabile enzim atau meningkatkan degradasi oleh protease (322). Perbedaan ini ada meskipun fakta bahwa dalam kedua kasus, residu lisin yang sama dipengaruhi. Untuk membuat hal-hal yang lebih kompleks, silang multimers G-6-PD dengan 4-hidroksi-2-nonenal (yang diduga menghasilkan produk dengan lipofuscin seperti fluoresensi) menghasilkan spesies molekul yang benar-benar menghambat protease multicatalytic (92 ). Biaya fisiologis oksidasi protein saat ini kuantitas yang tidak diketahui.Munculnya protein-terikat 3,4-dihydroxyphenylalanine (DOPA) pada protein OH-rusak telah ditandai; bila dikonversi ke kuinon sebuah, protein terikat DOPA dapat menjalani bersepeda redoks, menghasilkan O- 2. Oleh karena itu telah diusulkan bahwa oksidasi protein dapat berkontribusi pada perkembangan penuaan tidak hanya dengan hilangnya fungsi protein, tetapi juga oleh percepatan fluks oksidan (61 63 64 69 101 102).Modifikasi oksidatif DNA juga telah dipelajari pada hewan dari berbagai usia, dengan hasil yang bertentangan. Meskipun beberapa studi telah melaporkan peningkatan dalam adisi oksidatif tertentu, tunggal-untai istirahat, dan situs abasic, orang lain telah negatif (23 132 156 221 337). Kegagalan untuk mendeteksi peningkatan berhubungan dengan usia pada adduct oksidatif oleh teknik kromatografi analisis biasanya digunakan mungkin karena kesulitan bekerja dekat dengan batas sensitivitas (17). Bahkan, hal itu telah menjadi jelas bahwa pengukuran aduk oxo8dG sering diganggu oleh artefak (29a 44b 127c 156a 248a) dan bahwa ini mungkin telah dikompromikan beberapa eksperimen diterbitkan. Perhatian khusus adalah pengukuran oxo8dG di mtDNA (16), yang umumnya telah lebih tinggi dari pada DNA nuklir, tetapi yang mungkin sangat rentan terhadap artefak yang terkait dengan analisis sampel kecil (16 127c). Selain itu, perlu dicatat bahwa bahkan di antara perkiraan yang diterbitkan sangat bervariasi dari oxo8dG di mtDNA adalah nilai-nilai yang setara dengan nilai terendah diukur dari oxo8dG di DNA nuklir (131a). Karena sejumlah kecil studi mtDNA dan variabilitas tinggi antara nilai yang terukur, itu belum mungkin untuk menyimpulkan bahwa mtDNA, pada kenyataannya, lebih berat teroksidasi dari nDNA. Semangat, metode PCR berbasis alternatif untuk mengukur kerusakan oksidatif baru-baru ini digunakan untuk membandingkan oksidasi mtDNA dan nDNA oleh oksidan eksogen, dengan hasil bahwa mantan muncul lebih sensitif daripada yang terakhir (270a 343a), meskipun studi ini tidak bisa mengukur dasar nilai kerusakan. Dengan perbaikan metodologis, percobaan berikutnya mungkin lebih meyakinkan. Misalnya, penggunaan elektroforesis gel-sel tunggal (assay komet) untuk mengukur istirahat untai tunggal dan situs abasic di seluruh hepatosit tikus in situ menunjukkan peningkatan 1,5 kali lipat signifikan secara statistik pada tikus tua dibandingkan dengan tikus muda (131) ( meskipun percobaan ini tidak membedakan antara oksidatif dan kerusakan nonoxidative).Dalam kasus apapun, bahkan jika beban adduct oksidatif melakukan peningkatan dengan usia, hampir tidak ada informasi tentang efek kemungkinan kerusakan DNA oksidatif in vivo, terlepas dari pengetahuan yang mengarah ke mutasi dan kanker. Fakta bahwa ada perbaikan DNA aktif dalam jaringan postmitotik (di mana bahaya mutasi karena replikasi adalah tidak ada), dan bahwa perbaikan tersebut sering ditargetkan daerah ditranskrip dari genom, menunjukkan bahwa kerusakan DNA itu sendiri mengganggu ekspresi gen dan tidak ditoleransi (116 117). Pertanyaan penting ini layak perhatian lebih.C. oksidatif Penipisan Pools BiokimiaPenipisan oksidatif molekul dengan meningkatnya usia belum terdokumentasi dengan baik pada hewan pikun, karena kehancuran molekul tidak sering meninggalkan jejak; untungnya, beberapa jalur dari kerusakan oksidatif yang meninggalkan sidik jari biokimia. Hilangnya integritas bilayers lipid karena peroksidasi adalah salah satu efek yang paling menonjol dari kerusakan oksidatif (324) dan hasil dalam generasi aldehida dan alkana. Sayangnya, ini tidak mudah diukur, meluasnya penggunaan tes asam thiobarbituric sederhana dan nonspesifik meskipun (109). Namun demikian, tak terhitung studi telah melaporkan peningkatan asam-reaktif zat thiobarbituric (TBARS) dengan usia. Dikombinasikan dengan tes yang lebih handal lainnya, studi ini telah menunjukkan bahwa ada tingkat yang lebih besar dari peroksidasi lipid pada hewan yang lebih tua (209). Pengukuran etana dihembuskan dan pentana adalah teknik yang memiliki keuntungan menjadi berlaku untuk manusia (165). Tidak seperti lipofuscin dan TBARS, yang mengukur ukuran kolam molekul hancur dan memerlukan biopsi jaringan, uji hidrokarbon dihembuskan mengukur tingkat kerusakan dan non-invasif. Napas pentana telah ditemukan meningkat secara signifikan dengan usia pada manusia, menunjukkan bahwa peningkatan omset lipid terjadi dengan usia karena peroksidasi (161a 208 356). Penyempurnaan dari teknik dan penghapusan artefak terkait (314) harus memfasilitasi pengujian lebih lanjut dari teori radikal bebas pada manusia.Hilangnya aktivitas beberapa enzim oksigen-sensitif (G-6-PD, glutamat sintetase) telah dilaporkan dalam model mamalia penuaan (315). Dalam houseflies, penurunan G-6-PD, glutamat sintetase, dan kegiatan dehidrogenase alkohol juga telah didokumentasikan dan bertepatan dengan kerugian dramatis sulfhydryls protein (3). Kerugian yang berkaitan dengan usia lain sering dilaporkan adalah peningkatan rasio teroksidasi menjadi glutation tereduksi, yang mungkin mencerminkan gangguan sel negara redoks (215 273).D. Usia-Associated Tren Pertahanan dan Perbaikan AntioksidanApa penyebab dari kerusakan oksidatif yang berkaitan dengan usia? Ini bisa terjadi akibat pertahanan kurang aktif antioksidan dan perbaikan, tetapi penelitian yang mengukur perubahan yang berkaitan dengan usia di pertahanan antioksidan telah dihasilkan hasil yang bertentangan. Pengukuran terakhir antioksidan dalam gerbil mongolian (300) dan tikus (215) adalah wakil dari jenis pola yang telah ditemukan di banyak penelitian lain (65 248 254 263 274 301 302 305 329). Dalam berbagai jaringan gerbil, tidak ada pola yang konsisten perubahan; peningkatan SOD dan penurunan GSH diamati, sedangkan GPX setara pada usia yang berbeda dan katalase meningkat atau menurun, tergantung pada jaringan dan usia di analisis. Di otak tikus, di sisi lain, penurunan signifikan dalam SOD, katalase, dan GSH reduktase diamati, meskipun tingkat GPX tidak berubah.Komplikasi lain adalah bahwa pertahanan yang diinduksi dalam respon terhadap stres. Oleh karena itu, tingkat yang lebih tinggi mungkin menunjukkan perlindungan yang lebih baik, atau alternatif, kebutuhan yang lebih besar untuk pertahanan antioksidan karena peningkatan generasi oksidan. Studi antioksidan dalam hati tikus dan otot rangka menggambarkan hal ini. Dalam hati, penurunan SOD sitosol dan GPX dan peningkatan SOD mitokondria dan GPX dicatat pada hewan yang lebih tua, dan beberapa indeks dari kerusakan oksidatif juga meningkat (151). Dari hasil penelitian ini, disimpulkan bahwa meskipun secara keseluruhan pertahanan antioksidan miokard melemah pada hewan yang lebih tua, mereka diinduksi dalam mitokondria sebagai respon kompensasi. Dalam otot rangka, sebaliknya, meningkat diamati baik dalam bentuk sitosol dan mitokondria dari semua enzim dipelajari (150), meskipun fakta bahwa indeks peroksidasi lipid yang lagi tinggi; dalam kasus ini, disimpulkan bahwa kedua sitosol dan antioksidan mitokondria diinduksi. Kredibilitas hipotesis ini tidak dalam pertanyaan, tetapi sulit untuk melihat bagaimana mereka bisa dibantah. Ketika ini dan yang sejenis studi tingkat antioksidan yang berkaitan dengan usia digabungkan, apa yang tersisa adalah kumpulan membingungkan tren ambigu.Tentu saja, interaksi antara antioksidan yang kompleks, yang memperburuk masalah. Untuk menghindari masalah yang ditimbulkan oleh tes antioksidan individu, langkah-langkah agregat pertahanan antioksidan telah dirancang. Sebuah ukuran kasar tapi integratif pertahanan antioksidan, misalnya, adalah kerentanan dari homogenat oksidasi yang disebabkan. X-iradiasi dari homogenat seluruh tubuh lalat menghasilkan linear, peningkatan dosis-tergantung di karbonil protein. Ketika homogenat lalat tua dan muda dibandingkan, tingkat induksi karbonil protein oleh X-iradiasi adalah 45% lebih tinggi pada 14- dari lalat 5-hari-tua. Hal ini menunjukkan bahwa pertahanan antioksidan pada lalat yang lebih tua kurang mampu mengatasi stres oksidatif. Selain itu, aktivitas G-6-PD, enzim yang dikenal untuk peka terhadap oksidasi, menurun pada X-iradiasi lalat hidup, dan melakukannya untuk tingkat yang lebih besar di tua daripada hewan muda (2). Ketika pengujian ini diaplikasikan pada sampel gerbil yang dijelaskan di atas, di mana tidak ada perubahan keseluruhan antioksidan terlihat, perbedaan yang jelas antara jaringan muda dan tua muncul. Sedangkan 6 krad dari X-iradiasi disebabkan peningkatan 20-38% di karbonil protein pada hewan 5-mo-tua, itu disebabkan peningkatan 152-211% di 26-mo-tua hewan (300). Demikian pula, meskipun synaptosomes dari tikus muda dan tua mengandung jumlah setara dengan ATP dan GSH, tikus-tikus tua jauh lebih sensitif terhadap GSH deplesi dengan maleat dietil dibandingkan dari tikus muda (197). Terakhir, cedera reperfusi adalah model mapan stres oksidatif yang berhubungan dengan pembentukan kembali aliran darah berikut iskemia, dan hal itu menyebabkan kerusakan oksidatif yang lebih besar untuk jaringan jantung tikus tua dari orang-orang muda (192A). Penggunaan antiserum poliklonal spesifik untuk adisi antara produk akhir peroksidasi lipid dan protein terdeteksi modifikasi kovalen seperti protein mitokondria dari hewan muda tua tapi tidak, yang dikaitkan dengan hilangnya lebih dramatis dari kapasitas pernapasan di bekas.

VI.

VII.

VIII.

IX.

XI.

Top of FormGoogle Terjemahan untuk Bisnis:Perangkat PenerjemahPenerjemah Situs WebPeluang Pasar GlobalBottom of FormMatikan terjemahan instanTentang Google TerjemahanSelulerKomunitasPrivasi & PersyaratanBantuanKirim masukan

Coba browser baru dengan terjemahan otomatis.Unduh Google ChromeTutupTop of FormTerjemahan

Bottom of Form

Mungkin maksud Anda adalah: XII. CLASSICAL AND POPULATION GENETICS In comparison to the measurement of age-related changes, genetic approaches have the potential to provide more definitive information about aging, by supplying model organisms (mutant strains with altered life span) that differ at a small number of loci. Many of the geneticist's favorite organisms have been found to be amenable to studies of aging and have furnished evidence of the role of oxidants (196 289). A. Caenorhabditis elegans Genetics The emergence of C. elegans as a convenient metazoan genetic model has attracted scientists seeking to discover genes controlling life span, or gerontogenes (152 158). Several long-lived mutant strains of C. elegans have been identified, including age mutants (the originally identified phenotype being extended life span), daf mutants (identified by abnormalities in the formation of dauer larvae), and clk (clock) mutants [which exhibit a pleiotropic behavioral deceleration (slower feeding, defecation, and movement)] (158). These two classes of mutant have collapsed into a single category with the cloning of age-1 and its identification as an allele of daf-23 (219). Strains of age-1 live 65% longer on average and have a MLSP 110% longer than wild type (153). The trait is recessive, and biochemical studies have revealed that strains carrying age-1 alleles have enhanced oxidative defenses. For example, when the sensitivities of wild-type and age-1 strains to H2O2 were compared, it was found that the 50% effective lethal dose (LD50) of the wild-type remained constant, whereas the LD50 of the age-1 mutant increased with age, an indication of increasing resistance to oxidants (178). Similar comparisons showed that age-1 mutants are more resistant to O 2 as well (330). In both cases, greater resistance to oxidants is associated with elevated activities of SOD and catalase. Whereas in wild-type animals these activities remained constant throughout the life span, in age-1 strains they increased with advancing age, such that the difference between the mutants and the wild type grew increasingly pronounced at old ages (178 330). In addition to being resistant to oxidants, age-1 strains have increased heat tolerance, so it is likely that enhanced ability to cope with all environmental stresses, including oxidative ones, is the result of the loss-of-function mutation (185). A comparative study of daf-2 and age-1 mutants revealed that they lie in a common pathway. Life extension by either requires the action of wild-type daf-16, and their effects on life extension are not additive (72), and so it was reasoned that they work in tandem. Their cloning revealed that daf-2 is a member of the insulin receptor family (160a) and that age-1 is a catalytic subunit of phosphatidylinositol 3-kinase (219), suggesting that together they transduce an insulin-like metabolic signal with pleiotropic effects on metabolism, stress resistance, and dauer formation (127b 291a). The more recent cloning of daf-16, revealing that it is a member of the hepatocyte nuclear factor 3 (HNF-3)/forkhead family of transcriptional regulators (183a), has provided insight into the entire pathway, since in humans, insulin signaling antagonizes HNF-3. The implications, then, are 1) that signaling through daf-2 and age-1 ultimately may serve to antagonize the control of a genetic program controlled by daf-16, and 2) that this pathway may be relevant to human aging, since it appears to have been conserved (183a). Of course, the connection of these proteins to the aerobic respiration and the rate of living, via insulin-mediated metabolic control, has escaped no one's notice (183a). The cloning of the clk-1 gene also implicates respiration rate in C. elegans life span, albeit indirectly. The gene is homologous to a yeast gene called CAT5/COO7 (79a), which is necessary for the genetic control of the shift from anaerobic to aerobic metabolism (127b), as well as the biosynthesis of the mitochondrial electron transport component UQ (252a). It has been proposed that the decelerated metabolic rate in Clk-1 mutants of C. elegans may result in a correspondingly slower rate of oxidant generation (127b), although the authors of this work note that so far data are merely consistent with such a proposal. A mutant that is in some ways the opposite of age-1 resulted from a screen for sensitivity to O 2 in a chemically mutagenized population of C. elegans. The resulting mutant, mev-1, is hypersensitive to both paraquat and hyperoxia. The activity of SOD in mev-1 was found to be roughly one-half of wild type, and the average life span was reduced by 35% (148). Lipofuscin-like fluorescence accumulated more rapidly in mev-1 mutants that in wild-type animals (144). The life span of both mev-1 and wild-type nematodes was lengthened under hypoxia and shortened by hyperoxia, but the effect was more dramatic for the mutants (138). B. Drosophila Genetics According to the evolutionary concept of antagonistic pleiotropy, natural selection favors traits that benefit organisms during their period of reproduction. Therefore, by imposing a strong artificial selection that consistently rewards females capable of late reproduction, one ought to be able to select against those pleiotropic traits that are most antagonistic to long-term survival. After a suitable number of populations, a long-lived phenotype should emerge from a large, heterogeneous population. In the early 1980s, Rose (264) followed precisely this strategy using Drosophila thereby validating the concept of antagonistic pleiotropy and also providing five independently selected lines (referred to as lines O1-O5) for further experimentation. The strength of this model is that, unlike age-1, lines O1-O5 are not single gene mutants, but rather populations in which any number of allelic changes will have occurred. Hence, biochemical alterations that are found to have arisen independently in many of these lines are likely to reflect the type of complex polymorphisms that confer increased life span to long-lived species such as Homo sapiens. Therefore, it is significant that in a comparison of the lines O1-O5 with lines B1-B5 (control lines not subjected to selection), all of the long-lived populations had acquired a higher frequency of a relatively rare SOD allele that is associated with higher in vitro activity (328). In Drosophila, there exist two electrophoretic alleles of SOD, designated F (with lower in vitro activity) and S (with higher in vitro activity). Whereas the genotypes of all B flies tested were FF (no S alleles were detected), both FS and SS individuals existed in all five O lines, such that the average allele frequency of S ranged from 0.10 to 0.28 [0.25 0.05 (SE)]. In all five independent instances of laboratory evolution, SOD activity had increased. C. Rodent Genetics The senescence-accelerated mouse (SAM) is an increasingly important model in gerontology (244); the senescence-prone strain (SAM-P) has a mean life span of 9 mo, compared with 13 mo for a senescence-resistant (SAM-R) strain. In liver tissues, the activity of mitochondrial SOD in the SAM-P strain was about one-half that in the SAM-R strain, a result that was consistent at all ages examined (244), which could explain the more rapid age-related increase in lipid peroxidation seen in this tissue (244) as well as independent reports of enhanced oxidative stress in SAM-P mice (186). A potentially very useful animal model for testing the free radical theory of aging is the S strain of Wistar rat, selected for sensitivity to cataractogenesis by galactose. A heritable increase in cellular hexose uptake by cells from the S strain is associated with an increased intracellular generation of oxidants, increased endogenous lipid peroxidation, mitochondrial dysfunction, an increased age-specific incidence of degenerative diseases, and earlier aging than the galactose-resistant R strain (271 272). Moreover, SOD and catalase activities in the blood of S rats are one-half that in R rats, which may have explained the increased in protein oxidative damage that was also seen in the S strain (345). XIII. MOLECULAR GENETICS A. Oxidants and Nuclear Somatic Mutations Oxidants are twice removed from the somatic mutation theory of aging, since two requirements need to be satisfied for the relevance of oxidants to be ensured: 1) oxidants must account for a significant proportion of mutations, and 2) mutations must account for a significant proportion of the phenomena of aging. The second criterion is complex and has been recently discussed (71a 195 218 338b); suffice it to say that to the extent that cancer is a degenerative disease of age (6), there is little doubt that mutations are relevant. What remains to be seen is whether or not the age-related degenerative changes that do not involve neoplasia are also the result of mutations (79) (or epigenetic alterations; Ref. 136). With the assumption that they are, the question then remains, To what extent are spontaneous mutations due to oxidants? Some of the best evidence so far of the relevance of oxidative mutagenesis in vivo is an argument by analogy. In E. coli, mutation rates can be elevated from 10- to 1,000-fold by the loss of mutator genes mutM, mutT, and mutY, whose gene products are involved in repair and prevention of oxidation of guanine in DNA (210). Significantly, homologous genes and novel genes with analagous activities have been found in a number of species including humans (17 192 266), which forcefully makes the case that oxidants are significant mutagens in vivo. There is, moreover, plentiful direct evidence of oxidative mutagenesis in eukaryotic cells, such as the demonstration that disruption of the metallothionein gene in tissue culture, which may abrogate the cell's ability to chelate redox active metals such as iron, results in a 5- to 10-fold increase in spontaneous mutagenesis (267). Also, mutagenesis in cells from humans with Fanconi's anemia, a condition associated with oxidative stress, displayed a higher mutation frequency than controls and a marked increase in mutation frequency in response to the elevation of O2 partial pressure (183). Despite these results, the proportion of mutations due to oxidants in the presence of wild-type antimutators is still an unknown quantity. Recent experiments have illustrated that dietary supplementation with antioxidants, which reduces irradiation-induced mutagenesis, appears to reduce the spontaneous mutation rate as well (99 100), suggesting that antioxidant scavenging in vivo is incomplete. The quantitative contribution of oxidants in somatic mutagenesis is an open (and important) question. B. Oxidants and Mitochondrial Somatic Mutations A burst of activity was stimulated by the report that a large deletion of the mitochondrial genome (mtDNA) accumulates exponentially with age in humans and by the speculation that this may be the work of mitochondrial oxidants (53). Since this first detection of mtDNA in normal elderly humans, dozens of studies have confirmed the finding, detecting the same common deletion in humans as well as different deletions in other species, including C. elegans (206), mice (44 323), rats (76), and rhesus monkeys (179). Increased frequencies of mtDNA in brain samples have been associated with Huntington's disease and AD, degenerative diseases of aging that affect millions of people (48 143). In most of these cases, a significant accumulation of the deletions occurs only at advanced ages and is associated primarily with postmitotic tissues. This mosaicism of mtDNA deletion (313), which is reminiscent of the pattern the maternally transmitted mitochondrial diseases, is hypothesized to be partly due to the lack of proliferative competition in postmitotic tissues (50 336). Whereas in dividing tissues cells that inherit a relatively greater percentage of mtDNA molecules by unequal mitotic assortment stand to compete less well in subsequent rounds of cell division, this phenotypic sieving will not operate in a nondividing tissue. There are reasons to believe that the deletion of mtDNA may stem from oxidative damage (51). For one, the steady-state burden of oxidative adducts in mtDNA has been measured to be 16-fold higher in rat mtDNA than in nuclear DNA (16 260). Moreover, quantitative polymerase chain reaction analyses of mtDNA accumulation in different areas of the brain have consistently revealed highest frequencies of areas of high metabolic activity (47 54). Despite the promise of these results, it is not self-evident that the observed accumulation of mtDNA represents more than a biomarker (182). For one, the highest frequencies of mtDNA detected, even at the oldest ages and in the most deletion-prone tissues, are generally no higher than 0.1%. Because in maternally transmitted mitochondrial genetic disorders symptoms are often absent even when more than one-half of the mtDNA molecules carry deletions (336), it is hard to see how such low frequencies could exert an effect. On the other hand, because there may be numerous deletions existing independently, measurements of a single one may merely represent the tip of the iceberg of mtDNA damage (54). The use of long polymerase chain reaction to amplify the entire mitochondrial genome has revealed the presence of numerous mtDNA rearrangements in human skeletal muscle (207). On the other hand, a recent attempt to measure an increase in somatic point mutations in human skeletal muscle was unsuccessful (243). The analysis of progressively smaller bundles of cells has shown that the mtDNA frequency is unevenly distributed (282). For example, when a muscle homogenate of rhesus monkey fibers is analyzed, the detected frequency of mtDNAs is 0.020.1%. However, restriction of the sample size to 10-fiber bundles decreases the number of positive reactions but increases the measured frequency of mtDNAs in positive reactions to 4.613.2%. In other words, a frequency of 0.1% could represent 100% deleted molecules in 1 cell of 1,000 (180). At any given point in time, only a small number of cells may carry deletions, but if these cells continually die as a result of a failure of oxidative phosphorylation, and other deletions arise de novo, then the low steady-state frequency of deletions could obscure a high rate of mtDNA-associated cell death. Finally, it has been proposed that a vicious cycle of increasing oxidative damage and stress of the type discussed in section ii F is particularly likely in the case of mtDNA, since it encodes components of the mitochondrial electron transport chain (52). This hypothesis is supported by the fact that in statistical terms, a random mutation of mtDNA is most likely to affect complex I, combined with the observation that a complex I poison (MPTP) triggers neuronal cell death in mice (52). It remains to be shown that known somatic mtDNA mutations do, in fact, result in increased oxidant generation. XIV. TRANSGENIC ORGANISMS A. Transgenic Drosophila The modern acid test of a biological theory is the generation of a transgenic organism, and recent efforts to genetically engineer long-lived Drosophila by bolstering antioxidant defenses have been successful. The first such efforts involved the introduction of a bovine cDNA for Cu,Zn-SOD into Drosophila, which resulted in a significant increase in SOD activity as well as resistance to oxidative stresses and a small, statistically significant increase in mean life span (85). Whereas a repeat of this procedure with the Drosophila Cu,Zn-SOD gene resulted in only marginal effects on resistance to oxidants, and failed to increase life span, the introduction of single copies of Drosophila SOD and catalase resulted in a number of strains with significantly extended mean and maximum life spans (237). As expected, the augmentation of antioxidant activities in the transgenic flies led to significant improvements over controls in numerous age-related indexes of oxidative metabolism: 1) the accumulation of protein carbonyls was reduced; 2) the rate of oxygen consumption at middle age and old age was higher; 3) the 50% loss of G-6-PD activity with age was reduced to 10%; 4) the age-related doubling of the load of oxo8dG was virtually abolished, as was the roughly twofold increase in sensitivity to the induction of oxidative DNA damage; and 5) the age-related threefold increase in mitochondrial oxidant generation was reduced by about one-half (237 298). In short, the predictions of the free radical theory were confirmed. B. Transgenic Mice Ultimately, transgenic mice are the molecular gerontologist's Holy Grail, and it is not until similar experiments are performed in mice that the free radical theory will have been satisfactorily tested. Although such experiments will clearly be exciting, work that has already been performed with mice transgenic for SOD suggests that their phenotypes may not be straightforward. As has been stressed, antioxidant defenses are interactive and coordinately regulated, and it has become apparent that oxidants play important roles as signaling molecules (286). As a consequence, up- or downregulating a single antioxidant may disrupt an internal balance and either exacerbate oxidative stress or otherwise compromise cellular physiology. Indeed, the phenotype of Cu,Zn-SOD-overexpressing mice appears to mimic the pathology of Down's syndrome (for which they may be a model, due to the localization of Cu,Zn-SOD to the trisomic chromosome 21; Ref. 36). Moreover, it has been recently discovered that a complete knockout of Cu,Zn-SOD has a phenotypic effect only on a small subset of motor neurons thought to be involved in amyotrophic lateral sclerosis (255). Even more surprising, the recent elimination of the enzyme GPX in a transgenic knockout mouse model resulted in generally normal, fertile mice without overt signs either of oxidative stress or increased sensitivity to oxidants (134). Together, these results indicate that the promising results with Drosophila may be difficult to replicate, although no matter what the results, antioxidant overexpressing strains will clearly be extremely useful. By crossing animals with different transgenes, it will be possible to dissect antioxidant interactions and their effects on aging. XV. SPORADIC DEGENERATIVE DISEASES In the form of the specific age-related diseases in elderly humans, there exists a natural laboratory of oxidative stress. Indeed, investigation of the etiologies of human degenerative disease implicate oxidative stress in cancer (5 6), atherosclerosis (112 343), diabetes (326), and neurodegeneration (15 18 293), to name a few. For example, the role of oxidants in AD has been a particularly active area of research in recent years. It has been known for some time that the formation of amyloid deposits, a hallmark feature of the clinical diagnosis, is associated with aberrant processing and folding of a protein called amyloid -precursor protein (APP) to form the amyloid plaques (A) characteristic of the disease (283). In recent years, it was discovered that not only the in vitro formation of synthetic A from APP can be accelerated by the presence of oxygen but also that A, which is cytotoxic when fed to neurons in vitro, appears to stimulate the generation of oxidant (293). In fact, amyloid peptides themselves generate oxidants in vitro (130). As discussed above, it has also been recently discovered that a cellular receptor (on microglial cells and endothelial cells) responsible for transducing the cytotoxic signal from A and inducing oxidant generation is none other than RAGE (344). Amyloid plaques have also been found to bind redox-active iron, providing another potential positive feedback loop for oxidative damage (292a). Although we do not have space to go into the details, what is relevant here is not so much the specifics but the realization that in numerous ways, oxidants act as effectors in the progression of the disease. In other words, research into the etiology of AD (193b 203a 292b) [and also Parkinson's disease (15 44a 145a), amyotrophic lateral sclerosis (346), and dozens of other age-related disorders] is revealing that cytotoxicity very frequently involves oxidative stress. Even if oxidants turn out to be essential effectors of AD pathology, can they initiate the process? Recently, it was claimed that a higher degree of heteroplasmy of mtDNA is associated with individuals with AD versus controls (62), consistent with a genetic predisposition based on mitochondrial inheritance. What is intriguing in this work is the reported association of these AD polymorphisms with higher intracellular oxidant generation by mitochondria isolated from the patients (62). However, recent work by two groups has independently revealed an artifact in the unusual protocol used for mtDNA extraction in these experiments: a nuclear pseudogene, rather than mtDNA itself, was amplified, and so the conclusions from these studies are invalid (131b 336a). XVI. INHERITED DEGENERATIVE DISEASES Werner's syndrome (WS) is a segmental progeroid syndrome of late-onset accelerated aging, associated with an increased incidence of cancer, attenuated replicative senescence of cells in vitro, and, interestingly, an elevation of oxidized protein in isolated fibroblasts (315 354). The cloning (354) of the gene responsible for the syndrome (WRN) does not suggest an oxidative etiology, however, as the protein product WRN appears to be a helicase (106a). WRN is homologous to the RecQ helicase of E. coli, which is involved in unwinding DNA during repair; hence, it has been proposed that the loss of helicase activity in WS results in a deficiency in recombination-mediated repair in humans cells (106a 291a). Inefficient or dysregulated DNA repair, in turn, may cause the chromosomal instability, which is one of the disease's hallmarks and which may be the root of some or all of the diseases associated with the syndrome (106a 291a). Although there is consequently no obvious causal link between mutations in WRN and oxidative damage, the increased protein oxidation in WS fibroblasts (315) allows the speculation that measurable oxidative damage may result from inefficient recombination-dependent repair, chromosomal instability, and an ensuing disruption of genetic programs. If this turns out to be the case, the oxidative phenomenology of WS will serve as an important reminder that the measurement of oxidative damage does not imply oxidative causation! [On the other hand, if normal aging, like WS, results in part from chromosomal instability, it may be that oxidative genotoxicity plays a central role (sect. xiii A). In other words, it may be that oxidative damage may both result from and result in chromosomal instability.] XVII. EPIDEMIOLOGY OF OXIDANTS AND ANTIOXIDANTS Nutritional epidemiology has suggested that dietary antioxidants are crucially involved in the prevention of degenerative disease (22), and global epidemiological studies have pointed to geographical and economic antioxidant deficiencies in their localized occurrence (6). For instance, the loss of immune function with aging is amenable to therapeutic treatment with antioxidants (208a); the fact that both antioxidant status and immunological decline vary between individuals (209) suggests that there may exist heritable difference in antioxidant capacities, linked to differences in immune function. To date, however, the epidemiological study of senescence is merely a theoretical possibility and awaits powerful tools before it can be affordably attempted. XVIII. SUMMARY A. Are Oxidants Responsible for Aging? We have outlined what we see to be the major experimental approaches to testing the free radical theory of aging. In Table 1, the strengths and weaknesses of different modes of experimentation are assessed. How powerful are different types of experiment? Has the free radical theory been supported? Before a discussion of the merits of individual experiments, it should be stressed that if one is to judge them by their abilities to falsify the free radical theory, they are all bound to fail, for the simple reason that the free radical theory is very hard to falsify. The absence of a predicted outcome (for instance, life span extension by antioxidant supplementation) may often be explained by (justifiable) ad hoc reasoning. The physiology of oxidative stress, being a complex interaction of endogenous and exogenous factors, generally permits the explanation of negative results. How then shall one judge the different types of experiments and the theory itself? In fact, as the results discussed above illustrate, the momentum gathering behind the free radical theory is not due to any single experiment or approach, but rather derives from the extraordinarily multidisciplinary nature of current research. Although no single line of reasoning alone permits definitive conclusions, together they present a compelling case. [This philosophy, that the study of aging should employ a combination of different approaches, has been convincingly espoused before (83).] Age-related oxidative phenomenology continues to provide evidence that senescence is associated with increased oxidant generation, a decline in the robustness of defenses and repair, and an accumulation of end products of oxidative damage (sect. iv). Although these trends are only correlations, the study of age-related changes has been rewarded with surprises such as the receptor for AGE (RAGE), which turns out to be involved in the etiology of AD and evidence that lysosomal lipofuscin may directly disrupt cells in vivo and in vitro. In fact, oxidative phenomenology has focused efforts on understanding the interplay between the components of oxidative stress outlined in Figure 1. The search for evidence of age-related DNA and protein oxidation has stimulated research into DNA repair, proteolytic salvage pathways, mitochondrial defenses, and so on. Interspecies comparisons have better potential directly to test the free radical theory (sect. v). As predicted, differences between long- and short-lived species have been documented in all components of oxidative stress. Perhaps most instructive, however, have been results that initially appeared contradictory, such as the fact that birds are an outlier group in rate of living calculations. Attempts to account for the discrepancy have led to promising ad hoc hypotheses about the role of mitochondrial oxidant generation in aging. Unfortunately, relatively few researchers are familiar with or prepared to handle a variety of experimental animals, despite the research potential of a diverse menagerie. In contrast, the model of dietary restriction has appeal precisely because it is so well established, homogeneous, and relevant to specific human diseases (sect. vi). Although early predictions that DR would result in a lower metabolic rate have proved unfounded (312), the discovery that oxidative defenses are enhanced by DR have strengthened both the free radical theory and the concept of antagonistic pleiotropy (158). Although, currently, results from DR studies are merely consistent with the free radical theory, future experiments may reveal specific pathways whereby DR upregulates defenses and repair. Manipulation of metabolic activity and oxygen concentration are interesting systems, if of somewhat questionable relevance to normal aging (sects. vii and viii). One drawback of such experiments is that they have generally been limited to invertebrates; the manipulation of metabolism in mammals is less straightforward. In the future, transgenic mouse models may allow a specific manipulation of metabolic rate in a consistent genetic background. Attempts to manipulate life span with nutritional and pharmacological antioxidants obviously hold great appeal, as direct and intuitive tests of the theory (sects. ix and x). Although until recently they have not quite lived up to their promise (at least in mammals), this may have been due to a lack of the appropriate compounds. The serendipitous discovery of PBN's pharmacological properties appears to have opened up new avenues. The study of fibroblast aging in vitro might appear the least likely area of research to support the free radical theory, being a phenomenon of replication per se, rather than of ch