© Borgis - Postępy Fitoterapii 1/2013, s. 36-41
*Karolina Siewiera1, Magdalena Łabieniec-Watała2
Rola polifenoli roślinnych w łagodzeniu niekorzystnego wpływu cukrzycy na homeostazę funkcjonowania mitochondriów**
The role of plant polyphenols in alleviate the negative impact of diabetes on the functioning of mitochondrial homeostasis
1Zakład Zaburzeń Krzepnięcia Krwi, Katedra Diagnostyki Laboratoryjnej, Uniwersytet Medyczny w Łodzi
Kierownik Zakładu: prof. dr hab. Cezary Watała
2Katedra Termobiologii, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska, Uniwersytet Łódzki
Kierownik Katedry: dr hab. Aneta Koceva-Chyła, prof. nadzw. UŁ
Summary
Mitochondria are multifunctional ogranella crucial for the proper cell homeostasis. State of chronic hyperglycaemia causes numerous changes in their structure and function, thus contributing to the formation of late complications associated with diabetes. The main reason of such failure are the processes of increased formation of advanced glycation end-products and reactive oxygen species. A diet rich in polyphenols, as well as prophylactic consumption of plant extracts, which are the source of these substances, may limit these adverse effects caused by diabetes or at least delay their emergence. Polyphenols can improve mitochondrial respiration and help in maintaining of the efficient production of ATP. Antioxidant properties of polyphenols and their ability to reduce formation of reactive oxygen species have protective effect on mitochondrial structures. Some polyphenols affect the regulation of gene expression and can enhance the mitochondrial biosynthesis. Polyphenolic extracts, in the form of dietary supplements, can help in a natural way in our combat with the growing epidemic of diabetes and prevent severe complications associated with this disease. It is possible that the use of such preparations could delay the emergence of late diabetic complications or even prevent the development of the disease complications.
Cukrzyca jest przewlekłą chorobą metaboliczną związaną z powstawaniem wielu długofalowych komplikacji o charakterze mikro- i makroangiopatii, w tym retinopatii, neuropatii, nefropatii, czy zaćmy (katarakty). Dane Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) podają, że w sierpniu 2011 roku ponad 346 mln ludzi chorowało na cukrzycę (1). W porównaniu z danymi ze stycznia tego samego roku liczba ta wzrosła o 126 mln. Szacuje się, że co roku przybywać będzie 10 mln chorych. Oznacza to, że w 2030 roku na każde 10 osób jedna będzie chorowała na cukrzycę, a zatem 552 mln ludzi będzie wymagało do końca swojego życia stałego, mniej lub bardziej intensywnego leczenia (2). Problem przybrał już skalę epidemii, a cukrzyca i związane z nią powikłania stały się jednym z głównych zagrożeń dla zdrowia człowieka w XXI wieku.
W ostatnich latach wiele badań nad cukrzycą zarówno typu pierwszego, jak i drugiego, ujawniło zaburzenia w funkcjonowaniu mitochondriów. Rośnie przekonanie, że pierwotne dysfunkcje mitochondrialne mogą mieć kluczowe znaczenie dla rozwoju insulinooporności, a nawet powstawania cukrzycy. Natomiast wtórne zaburzenia w pracy tych organelli, związane z przewlekłą hiperglikemią, mogą przyczyniać się do pogorszenia stanu chorobowego. Przypuszcza się, że zaburzenia w prawidłowym przebiegu oddychania mitochondrialnego mogą prowadzić do powstawania późniejszych powikłań związanych z cukrzycą (3, 4). Nieprawidłowości w funkcjonowaniu mitochondriów powodują niekorzystne z punktu widzenia całego organizmu zmiany w komórkach, mogące w konsekwencji prowadzić do zmian na poziomie tkankowym. Głównym sprawcą tych uszkodzeń jest przewlekła hiperglikemia i związane z nią procesy: autooksydacja glukozy, glikacja białek, wzmożone powstawanie końcowych produktów zaawansowanej glikacji (AGE) i nasilona produkcja reaktywnych form tlenu (RFT) (5).
WHO jednoznacznie zaleca potrzebę regularnej aktywności fizycznej, zachowania zdrowej diety oraz utrzymania prawidłowej masy ciała, jako środek zapobiegawczy i opóźniający rozwój cukrzycy typu drugiego (1). Dieta bogata w owoce, warzywa oraz ich przetwory, ze względu na bogactwo substancji w nich zawartych, w tym polifenoli, może ograniczać niekorzystne zmiany spowodowane przewlekłą hiperglikemią. Hipotezę tę wspierają również badania epidemiologiczne (6).
Związki polifenolowe są obiektem niesłabnącego zainteresowania, m.in. związanego z ich antyoksydacyjnymi i antyglikacyjnymi właściwościami. Badania ostatnich lat wskazują, że są one również w stanie ograniczać niekorzystny wpływ cukrzycy na funkcjonowanie mitochondriów. Zdolności te związane są z różnorodnymi mechanizmami charakterystycznymi dla polifenoli zawartych w ekstraktach, czy też naparach konkretnych roślin. Polifenole mogą wykazywać ochronne działanie wobec struktur mitochondrialnych, poprawiać ich oddychanie oraz pomagać w zachowaniu wydajnej produkcji ATP. Ponadto, związki polifenolowe często wykazują właściwości antyoksydacyjne i zdolność do obniżania powstawania reaktywnych form tlenu (RFT) potocznie zwanych „wolnymi rodnikami”. Niektóre polifenole wpływają również na regulacje ekspresji genów oraz mogą wzmagać biosyntezę mitochondrialną.
Hiperglikemia i jej wpływ na prawidłowe funkcjonowanie mitochondriów
Glukoza w organizmie jest obecna w stosunkowo wysokich stężeniach, zarówno w płynach zewnątrz- jak i wewnątrzkomórkowych, stanowiąc przede wszystkim substrat energetyczny pokrywający około 70% całkowitego zapotrzebowania organizmu. Ulega ona jednak również różnorodnym transformacjom, a niektóre produkty takich przemian mogą wykazywać efekty toksyczne i wpływać niekorzystnie na metabolizm komórkowy, szlaki sygnałowe oraz ekspresję genów. Niekorzystne działanie glukozy na komórki i tkanki zależy od jej stężenia (5), dlatego przewlekła hiperglikemia jest powszechnie łączona z powikłaniami późnocukrzycowymi (7). Za uszkodzenia wynikające z powodu utrzymującej się hiperglikemii odpowiada kilka mechanizmów, w tym m.in. wzmożone wytwarzanie końcowych produktów zaawansowanej glikacji białek (AGE) i stres oksydacyjny. Procesy te splatają się ze sobą powodując, m.in. obserwowane w cukrzycy zaburzenia funkcjonowania mitochondrialnego łańcucha oddechowego oraz upośledzone działanie systemów antyoksydacyjnych, nadprodukcję RFT i oksydacyjne uszkodzenia komponentów mitochondrialnych.
Powstawanie zaawansowanych produktów glikacji
Reakcje nieenzymatycznej glikozylacji (glikacji białek) i glikooksydacji białek, prowadzące do powstawania końcowych produktów zaawansowanej glikacji (znane również pod nazwą reakcji Maillarda), to wieloetapowy proces zachodzący w organizmie w warunkach fizjologicznych i wzmagający się w następstwie długo utrzymującego się zwiększonego stężenia glukozy we krwi. Proces ten polega na nieenzymatycznym przyłączaniu cukru redukującego do wolnej grupy aminowej, co ostatecznie może prowadzić do powstania prekursorów, a następnie końcowych produktów zaawansowanej glikacji (AGE). Powstawanie prekursorów AGE prowadzi do naruszenia integralności funkcjonalnej komórki poprzez modyfikację białek prowadzącą do zmian w aktywności enzymów, zmniejszeniu ich zdolności do wiązania ligandów, modyfikowaniu okresu półtrwania oraz wpływaniu na ich immunogenność. Procesy glikacji przyczyniają się również do powstawania reaktywnych form tlenu, które mogą powodować fragmentację i utlenianie lipidów oraz kwasów nukleinowych (8).
Wzmożona glikacja oraz gromadzenie się w tkance struktur AGE zostało zarejestrowane, m.in. w mięśniu sercowym zwierząt z eksperymentalnie wywołaną cukrzycą, co – jak się uważa – było przyczyną powstawania różnych objawów kardiomiopatii cukrzycowej u tych zwierząt, w tym także zaburzeń w metabolizmie energetycznym komórki (9). Ponadto, glikacji mogą ulegać białka mitochondrialne (10), w wyniku czego dochodzi do uszkodzenia łańcucha oddechowego i zwiększenia produkcji RFT (11, 12). Głównym miejscem „ataku” glukozy wydają się być pompy protonowe łańcucha oddechowego, czyli kompleksy I, III i IV (13, 14, 15).
Hiperglikemia i powstawanie reaktywnych form tlenu
Hiperglikemii zwykle towarzyszy zwiększona produkcja wolnych rodników, szczególnie anionorodnika ponadtlenkowego, jak również upośledzenie systemów obrony antyoksydacyjnej. Wskazuje to na szczególną rolę RFT w powstawaniu i rozwoju cukrzycy oraz jej późniejszych powikłań (7). Najbardziej prawdopodobna hipoteza, łącząca wzmożoną produkcję RFT przez mitochondria w stanie przewlekłej hiperglikemii sugeruje, że spowodowany wysokim stężeniem glukozy wzrost liczby zredukowanych form przenośników elektronów i protonów, takich jak zredukowany dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (NADH) oraz zredukowany dinukleotyd flawinoadeninowy (FADH2), powoduje zwiększenie przepływu elektronów przez mitochondrialny łańcuch oddechowy i w konsekwencji hiperpolaryzację wewnętrznej błony mitochondrialnej. Wysoka różnica potencjału elektrochemicznego wytworzona przez gradient protonów, powoduje częściowe zahamowanie działania łańcucha oddechowego na kompleksie III i akumulację elektronów na koenzymie Q. Sprzyja to wytwarzaniu anionorodnika ponadtlenkowego i jest prawdopodobnie głównym źródłem mitochondrialnych dysfunkcji w cukrzycy (16). Ponadto, wszystkie etapy glikacji prowadzące do powstania AGE również przyczyniają się do powstawania wolnych rodników tlenowych, a oba procesy – glikacja i stres oksydacyjny – określane są wspólnym mianem „glikooksydacji”. Dodatkowo, zglikowane białka aktywują swoiste receptory błonowe RAGE, indukując i pogłębiając wewnątrzkomórkowy stres oksydacyjny, a także wpływają na szlaki sygnałowe poprzez aktywację niektórych czynników transkrypcyjnych (5).
Glikacja białek, stres oksydacyjny i uszkodzenia mitochondrialne
Mitochondria to wielofunkcyjne ogranelle, których prawidłowe funkcjonowanie jest kluczowe dla działania całej komórki. Odpowiedzialne są nie tylko za dostarczanie komórce energii zmagazynowanej w postaci wysokoenergetycznych wiązań ATP (17), ale również decydują o apoptotycznej lub nektotycznej śmierci komórki (18). Regulują homeostazę wapniową (19), biosyntezę aminokwasów, kwasów tłuszczowych i kofaktorów witamin (20). Odgrywają rolę w syntezie grupy hemowej, steroidów oraz mocznika (21).
Powyżej zamieściliśmy fragment artykułu, do którego możesz uzyskać pełny dostęp.
Mam kod dostępu
- Aby uzyskać płatny dostęp do pełnej treści powyższego artykułu albo wszystkich artykułów (w zależności od wybranej opcji), należy wprowadzić kod.
- Wprowadzając kod, akceptują Państwo treść Regulaminu oraz potwierdzają zapoznanie się z nim.
- Aby kupić kod proszę skorzystać z jednej z poniższych opcji.
Opcja #1
29 zł
Wybieram
- dostęp do tego artykułu
- dostęp na 7 dni
uzyskany kod musi być wprowadzony na stronie artykułu, do którego został wykupiony
Opcja #2
69 zł
Wybieram
- dostęp do tego i pozostałych ponad 7000 artykułów
- dostęp na 30 dni
- najpopularniejsza opcja
Opcja #3
129 zł
Wybieram
- dostęp do tego i pozostałych ponad 7000 artykułów
- dostęp na 90 dni
- oszczędzasz 78 zł
Piśmiennictwo
1. www.who.int/diabetes/en 2. www.idf.org/diabetesatlas 3. Ulicna O, Vancova O, Bozek P i wsp. Rooibos tea (Aspalathus linearis) partially prevents oxidative stress in streptozotocin-induced diabetic rats. Physiol Res 2006; 55:157-64. 4. Waczulikova I, Habodaszova D, Cagalinec M i wsp. Mitochondrial membrane fluidity, potential, and calcium transients in the myocardium from acute diabetic rats. Can J Physiol Pharmacol 2007; 85:372-81. 5. Solnica B: Molecular mechanisms of the damaging effect of glucose on tissues. Diabetol Dośw Klin 2006; 5:1-8. 6. Thomas T, Pfeiffer AF. Foods for the prevention of diabetes: how do they work? Diabet Metab Res Rev 2012; 28:25-49. 7. Rolo AP, Palmeira CM. Diabetes and mitochondrial function: Role of hyperglycemia and oxidative stress. Toxicol Appl Pharm 2006; 212:167-78. 8. Ahmed N. Advanced glycation endproducts – role in pathology of diabetic complications. Diabet Res Clin Pract 2004; 67:3-21. 9. Donaldson C, Taatjes DJ, Zile M i wsp. Combined immunoelectron microscopic and computer-assisted image analyses to detect advanced glycation end-products in human myocardium. Histochem Cell Biol 2010; 134:23-30. 10. Kang Y, Edwards L, Thornalley P. Effect of methylglyoxal on human leukemia 60 cell growth: modification of DNA, growth arrest and induction of apoptosis. Leuk Res 1996; 20:397-405. 11. Punkt K, Adams V, Linke A i wsp. The correlation of cytophotometrically and biochemically measured enzyme activities: changes in the myocardium of diabetic and hypoxid diabetic rats, with and without Gingko biloba extract treatment. Acta Histochem 1997; 99:291-9. 12. Wallace D. Mitochondrial diseases in man and mouse. Science 1999; 283:1482-8. 13. Bessman S, Mohan C. Insulin as a probe of mitochondrial metabolism in situ. Mol Cell Biochem 1997; 174:91-6. 14. Boquist L, Ericsson I, Lorentzon R i wsp. Alteration in mitochondrial aconitase activity and respiration and inconcentration of citrate in some organs of mice with experimental or genetic diabetes. FEBS Lett 1985; 183:173-6. 15. Craven P, Melhem M, Phillis S i wsp. Overexpression of Cu2+/Zn2+ superoxide dismutase protects against early diabetic glomerular injury in transgenic mice. Diabetes 2001; 50:2114-25. 16. Nishikawa T, Edelstein D, Brownlee M. The missing link: a single unifying mechanism for diabetic complications. Kidney Int 2001; 58:26-30. 17. Wojtczak L, Zabłocki K. Mitochondria w życiu, chorobie i śmierci komórki. Post Biochem 2008; 54:129-41. 18. Waldbaum S, Patel M. Mitochondria, oxidative stress, and temporal lobe epilepsy. Epilepsy Res 2009; 88:23-45. 19. Kuznetsov AV, Margreiter R. Heterogeneity of mitochondria and mitochondrial function within cells as another level of mitochondrial complexity. Int J Mol Sci 2009; 10:1911-29. 20. Logan DC. The mitochondrial compartment. J Exp Bot 2009; 5:1225-43. 21. Pinti M, Nasi M, Gibellini L i wsp. The role of mitochondria in HIV infection and its treatment. J Exp Clin Med 2010; 2:145-55. 22. Duchen MR. Mitochondria in health and disease: perspectives on a new mitochondrial biology. Mol Aspects Med 2004; 25:365-451. 23. Stuart JA, Brown MF. Mitochondrial DNA maintenance and bioenergetics. Biochim Biophys Acta 2006; 1757:79-89. 24. Paradies G, Petrosillo G, Paradies V i wsp. Oxidative stress, mitochondrial bioenergetics, and cardiolipin in aging. Free Radic Biol Med 2006; 48:1286-95. 25. Bravo L. Polyphenols: Chemistry, dietary sources, metabolism, and nutritional significance. Nutr Rev 1998; 56:317-33. 26. Pandey KB, Rizvi SI. Plant polyphenols as dietary antioxidants in human health and disease. Oxid Med Cell Longev 1998; 2:270-8. 27. Ross JA, Kasum CM. Dietary flavonoids: Bioavailability, metabolic effects, and safety. Ann Rev Nutr 1998; 22:19-34. 28. Panickar KS, Anderson RA. Effect of polyphenols on oxidative stress and mitochondrial dysfunction in neuronal death and brain edema in cerebral ischemia. Int J Mol Sci 1998; 12:8181-207. 29. Han X, Shen T, Lou H. Dietary polyphenols and their biological significance. Int J Mol Sci 2007; 8:950-88. 30. Tsuneki H, Ishizuka M, Terasawa M i wsp. Effect of green tea on blood glucose levels and serum proteomic patterns in diabetic (db/db) mice and on glucose metabolism in healthy humans. BMC Pharmacol 2007; 18:1-10. 31. Mustata GT, Rosca M, Biemel KM i wsp. Paradoxical effects of green tea (Camellia sinensis) and antioxidant vitamins in diabetic rats. Improved retinopathy and renal mitochondrial defects but deterioration of collagen matrix glycoxidation and cross-linking. Diabetes 2007; 54:517-26. 32. Liu J, Shen W, Zhao B i wsp. Targeting mitochondrial biogenesis for preventing and treating insulin resistance in diabetes and obesity: Hope from natural mitochondrial nutrients. Adv Drug Deliv Rev 2009; 61:1343-52. 33. Han X, Shen T, Lou H. Dietary polyphenols and their biological significance. Int J Mol Sci 2007; 8:950-88. 34. Ungvar Z, Sonntag E, Cabo de R i wsp. Mitochondrial protection by resveratrol. Exerc Sport Sci Rev 2011; 39:128-32. 35. Lagouge M, Argmann C, Gerhart-Hines Z i wsp. Resveratrol improves mitochondrial function and protects against metabolic disease by activating SIRT1 and PGC-1alpha. Cell 2006; 127:1109-22. 36. Csiszar A, Labinskyy N, Pinto JT, i wsp. Resveratrol induces mitochondrial biogenesis in endothelial cells. Am J Physiol Heart Circ Physiol 2009; 297:13-20. 37. Ungvari Z, Labinskyy N, Mukhopadhyay P i wsp. Resveratrol attenuates mitochondrial oxidative stress in coronary arterial endothelial cells. Am J Physiol Heart Circ Physiol 2009; 297:1876-81. 38. Jemai H, El Feki A, Sayadi S. Antidiabetic and antioxidant effects of hydroxytyrosol and oleuropein from olive leaves in alloxan-diabetic rats. J Agric Food Chem 2009; 57:8798-804. 39. Hao J, Shen W, Yu G i wsp. Hydroxytyrosol promotes mitochondrial biogenesis and mitochondrial function in 3T3-L1 adipocytes. J Nutr Biochem 2009; 21:634-44. 40. Cumaoglu A, Ari N, Kartal M i wsp. Polyphenolic extracts from Olea europea L. protect against cytokine-induced β-cell damage through maintenance of redox homeostasis. Rejuven Res 2011; 14:325-34. 41. Rastogi M, Ojha RP, Rajamanickam GV i wsp. Curcuminoids modulates oxidative damage and mitochondrial dysfunction in diabetic rat brain. Free Radic Res 2008; 42:999-1005.
