Isotopeffekt på lipidperoxidation
Isotopeffekt observeras när molekyler som innehåller tyngre isotoper av samma atomer (till exempel deuterium istället för väte ) är engagerade i en kemisk reaktion i en långsammare hastighet. Deuteriumförstärkta lipider kan användas för att skydda levande celler genom att bromsa kedjereaktionen av lipidperoxidation . Lipiddubbelskiktet i cell- och organellmembranen innehåller fleromättade fettsyror (PUFA ) är nyckelkomponenter i cell- och organellmembran. Varje process som antingen ökar oxidationen av PUFA eller hindrar deras förmåga att ersättas kan leda till allvarlig sjukdom. På motsvarande sätt har läkemedel som stoppar kedjereaktionen av lipidperoxidation förebyggande och terapeutisk potential.
Mekanism för isotopeffekt i allmänhet
Massan av atomerna som bildar en kemisk bindning påverkar bindningens styrka. När två olika isotoper av samma grundämne existerar bildar de tyngre starkare bindningar. Starkare bindningar gör att bindningsklyvningsreaktioner går långsammare, vilket leder till den kinetiska isotopeffekten , ett väl studerat koncept inom fysikalisk kemi. För att illustrera detta med ett exempel från fotboll, om en av de två identiska fotbollsbollarna är fyllda med luft och en annan med vatten, kommer de att se identiska ut på marken, men en starkare spark skulle krävas för att skicka den vattenfyllda bollen samma avstånd som den luftfyllda. Av de två stabila isotoperna av väte (H) är Deuterium ( 2 H) dubbelt så tungt som protium ( 1 H), vilket ger den största kinetiska isotopeffekten av alla stabila (icke-radioaktiva) atomer.
Den kinetiska isotopeffekten tillämpas ibland i ett annat sammanhang vid läkemedelsutveckling, och modulerar läkemedlets egenskaper på ett gynnsamt/patientvänligt sätt ( deutererade läkemedel) . Små molekyler som används som droger känns igen som "främmande" för kroppen, och en organisms försvarssystem ger ofta ett svar. Vanligtvis förändrar läkemedelsmetabolism läkemedelsmolekylen genom oxidation till derivat som är lättare att utsöndra, vilket minskar läkemedlets halveringstid . Detta kan bromsas ned genom deuteration , vilket förbättrar farmakokinetiken och farmakodynamiken .
Mekanism för isotopeffekt på lipidperoxidation
PUFA är mycket benägna att få oxidativ skada genom en rent kemisk, icke-enzymatisk kedjereaktion. Med tät förpackning av PUFA i membran leder oxidationen av en enda PUFA-molekyl snabbt till en kedjereaktion som resulterar i oxidation av hundratals till tusentals intilliggande PUFA-molekyler. Cell- och organellmembran innehåller små mängder antioxidanter som vitamin E och skapar komplexa mekanismer för att radera och ersätta oxiderade PUFA för att bibehålla normal membranfunktion. Men i vissa sjukdomstillstånd kan det naturliga PUFA-underhållssystemet inte klara av sjukdomsrelaterade ökade nivåer av oxidation eller minskade nivåer av reparation. När en PUFA-molekyl har oxiderats är den irreversibelt skadad och måste avlägsnas från membranet och utsöndras.
En metod för att minska hastigheten för PUFA-oxidation är att ersätta en del av PUFA i kosten med förstärkta PUFA med identisk kemisk struktur som naturligt PUFA, men mer motståndskraftig mot oxidation. De väteatomer som är mest benägna att oxidera ersätts med deuteriumatomer . Denna förändring har ingen märkbar inverkan på de normala biokemiska egenskaperna hos D-PUFA – deras fördelning inom människokroppen förblir oförändrad, de genomgår alla normala enzymkatalyserade PUFA-reaktioner, de fungerar normalt i alla cell- och organellmembran, men när nivåerna av dessa D-PUFAs i olika membran når en koncentration av cirka 15-20%, all icke-enzymatisk kedjeoxidation stoppar inklusive den för normala, icke-deutererade PUFA. Resultatet är stabilisering av cellmembran, även inför överdriven oxidativ stress eller minskad membranreparation, såsom de som framkallas av sjukdomstillstånd.
Biologisk och klinisk betydelse
Flera biomolekyler, inklusive PUFA och vissa aminosyror, kan inte tillverkas av människor och måste tillföras i kosten. Dessa molekyler kallas "essentiella kostkomponenter" och fungerar som byggstenar som ingår i större strukturer som proteiner och cellmembran. PUFA-membrankomponenter är särskilt känsliga för skador (oxidation) av reaktiva syrearter (ROS) som en del av både normal och patologisk metabolism. Till skillnad från katabolisk oxidation av läkemedel, eller oxidativ skada på DNA eller proteiner (som uppstår stökiometriskt ), är oxidation av PUFA särskilt skadlig, som fortskrider genom en icke-enzymatisk lipidperoxidationskedjereaktion (LPO), varvid en enda ROS-art kan initiera en skenande autooxidation process som inte behöver någon ytterligare ROS för att spridas.
LPO kan skada hundratals till tusentals PUFA-rester i PUFA-rika neuronala , mitokondriella och retinala membran. Kedjeoxidationen fortskrider obönhörligt genom flera steg, förstör lipidmembran och genererar mycket reaktiva toxiska sekundära produkter som skadar många biomolekyler, såsom proteiner och DNA , irreversibelt. Detta gör LPO till en av de mest skadliga processerna som sker i kroppen. LPO kontrolleras inte av enzymer , så evolutionen kunde inte ha gett en enkel lösning. Antioxidanter kan inte effektivt stoppa den begynnande kedjereaktionen eftersom deras maximalt uppnåbara koncentration i lipidmembran är storleksordningar lägre än PUFA-koncentrationen (vanligtvis 1 tokoferoldel per 2000 PUFA-rester i ett dubbelskikt). Många neuronala och retinala sjukdomar har LPO i sin etiologi. För att sätta saker i perspektiv, utgör hjärnan 1,5–2 % av kroppsvikten men förbrukar ändå ungefär en femtedel av kroppens totala energiproduktion. En fjärdedel av dessa 20 %, dvs 5 % av kroppens totala energiförbrukning, används av hjärnan för att återvinna skadade lipider i neuronmembran.
Verifiering av effekten in vivo (djurforskning)
Konceptet med att använda D-PUFA för att hämma LPO har testats i många cell- och djurmodeller, inklusive:
- Parkinsons sjukdom (MPTP- och a-Syn-modeller hos möss och råttor)
- Huntingtons sjukdom (hos möss)
- Alzheimers sjukdom (APP/PS1 och ALDH2 musmodeller)
- Diabetisk retinopati (Akita möss)
- Åldersrelaterad makuladegeneration (ljusbestrålning hos råttor, överbelastning av järn i ögonen hos möss)
- Ateroskleros (Leiden möss)
Läkemedel som använder isotopeffekten på lipidperoxidation (klinisk forskning)
De förstärkta D-PUFA:erna genomgår för närvarande kliniska prövningar på flera humana indikationer.
I allmänhet, förstärkt av deuterium fleromättade fettsyror ( D-PUFA) läkemedel:
- är deutererade former av naturliga, essentiella PUFA, identiska med naturliga PUFA med undantag för en nyckelegenskap: D-PUFA är betydligt mer resistenta mot lipidperoxidation;
- är kemiskt modifierade (ny kemisk enhet), men transporteras, bearbetas och införlivas i membran "naturligt" av kroppen. Deuterium finns naturligt i alla människor, så 2 H i stället för 1 H känns igen av kroppen som en "normal" vätesubtyp;
- stoppa kedjereaktionen genom en ny icke-antioxidantmekanism vid låga, lättillgängliga nivåer, utan uppenbara toxicitetsrelaterade biverkningar.
- levereras oralt. PUFA är essentiella näringsämnen, så kroppen tar ivrigt upp doserade D-PUFA-läkemedel, vilket bygger upp en terapeutisk nivå inom några veckor;
- Modulera gynnsamt viktiga vägar såsom ferroptos , genom att hämma lipidperoxidation.