彭立伟 来吉祥 何聪芬 董银卯

(北京工商大学化学与环境工程学院,北京 100048)

非酶糖基化(Non-enzymatic glycation,NEG)反应是在还原糖的羰基和蛋白质上的游离氨基进行非酶性缩合反应,而产生高级糖基化终产物(AGEs)会使蛋白质产生褐色、荧光和交联。此反应首见于食品化学工业上,是于 1912年首次由法国人Louis Camille Maillard所提出,所以又称美拉德(Maillard)反应。长期存在于体内而又无法更新的蛋白质被糖化后,会促使各种老化疾病症状产生,如糖尿病的并发症、白内障、阿尔茨海默病(AD)、肺部纤维化、动脉粥样硬化等等,因此,AGEs在糖尿病和老化现象所引发一些病理中扮演重要的角色。皮肤作为机体外在浅表的器官,皮肤衰老能反映整个机体状态,是判断衰老程度的直观参考指标。因而 NEG在皮肤衰老中的作用亦逐渐受到学者们关注。本文主要介绍 NEG反应与皮肤衰老的关系。

1 NEG与人体衰老

衰老作为一种复杂的生理机制,目前存在多种学说,遗传学说、生物钟学说、损伤学说、自由基学说、交联学说、神经内分泌失调学说、免疫学说、营养学说等。从生化分子水平上来说,自由基氧化和 NEG衰老学说占据着领导地位。由于氧化和NEG衰老学说既互相独立,又互相联系、互相补充,Kristal和Yu在 1992年把自由基氧化和 NEG有机结合起来〔1〕。 NEG衰老学说指出:糖基化造成的蛋白质的交联损伤是衰老的主要原因。由此造成各种蛋白的交联变性,抗氧化酶和 DNA修复酶等功能的损伤;还会造成能量供应的减少,代谢功能的降低,平衡失调等老化过程。研究证明,AGEs不仅可以直接影响细胞和组织功能,参与疾病的产生;也可以通过与特异受体结合来改变蛋白质和细胞功能,导致机体的病理变化〔2〕。NEG是造成糖尿病并发症、阿尔茨海默病等退行性疾病的主要原因。

2 NEG与皮肤衰老

机体衰老的基本特征是组织器官的萎缩与功能衰退等,其实质是构成组织器官的基本成分-细胞与细胞外基质的丢失。皮肤作为机体的一个组织器官也是如此。随着年龄的增长,皮肤会变薄、含水量减少、弹性消退、萎缩、起皱。根据对各年龄组皮肤活检组织的测量,皮肤的厚度每 10年约递减 6%〔3〕。

皮肤由表皮和真皮组成,真皮衰老在皮肤衰老过程中起着重要作用。真皮由成纤维细胞及其产生的胶原纤维、弹力纤维及基质组成。胶原是细胞外基质最基本的成分之一,真皮层75%由胶原蛋白组成,纤维状的胶原蛋白形成网状结构,胶原蛋白提供皮肤的张力和弹性同时,还是表皮层和表皮附属器官毛发的营养供应站,并为表皮输送水分。随着机体衰老的进程,结缔组织出现异常交联,这种老化交联主要有两种方式:一种是组氨酞丙氨酸交联;另一种即为 NEG反应的交联。NEG对皮肤衰老的影响主要通过作用于胶原纤维和弹性纤维而实现。同时 NEG也是导致老年色素产生的重要原因。

2.1 NEG与皱纹的形成 所有含游离氨基的物质,如蛋白质、核酸、小分子的胺类、脂蛋白及脂类,皆可引发 NEG。体内以蛋白质所产生的AGEs最多,而在蛋白质中,特别是赖氨酸的ε-氨基最易与糖类赖氨酸生成 N-ε-(羧基甲基)赖氨酸;另外精氨酸、组氨酸、酪氨酸、色氨酸、丝氨酸及苏氨酸等也可发生糖基化反应。人皮肤组织中有大量的胶原蛋白与弹性蛋白,这两种蛋白代谢缓慢,而且含较多的赖氨酸及羟赖氨酸,这为发生NEG反应提供了物质基础。

胶原蛋白与细胞外液的葡萄糖发生NEG形成 AGEs,且随着年龄的增长而增多〔4〕。随 AGEs进行性增加,胶原蛋白形成分子间交联,不但降低了结缔组织的通透性,还使养料及废物的扩散性能减弱、组织延展性和硬度增加;降低了胶原的可溶性而难以被胶原酶水解,造成皮肤弹性下降,皱纹产生。由于AGEs生成的不可逆性导致皱纹不断加深并且不易平复。弹性蛋白与细胞外液的葡萄糖发生NEG形成 AGEs,导致弹性纤维发生变性交联,弹性消退、皮肤变薄、含水量减少,皮肤进一步萎缩、变皱。

Schnider等〔5〕用化学方法证 实 AGEs-胶原 蛋白和 AGEs-弹性蛋白的存在,Dunn等观察了 52例非糖尿病病人臀部皮肤真皮不可溶胶原部分(老化交联主要存在不可溶胶原部分),用气相色谱质谱分析,发现人类皮肤胶原的糖化随年龄而增加。人从 20～80岁期间皮肤胶原中早期糖化产物增加 33%,AGEs随增龄而明显增加。而且,中老年人群皮肤中糖基化蛋白质含量明显高于青年人群〔6〕。

Sell〔7〕等采用高效液相色谱(HPLC)技术对啮齿类动物背部皮肤胶原中AGEs与年龄变化的关系作了研究。结果表明皮肤胶原中 AGEs随年龄增长而快速增加,动物月龄从 1～24个月,皮肤胶原中 Amadori产物的浓度由 50 pmol/mg显著升至500pmol/mg,其可能原因是老龄动物皮肤胶原的更新率更慢,加之葡萄糖耐量下降,血糖浓度升高增快,使它们一生中持续接触的葡萄糖被糖化,从而 AGEs进行性增加。人体葡萄糖耐量也随增龄而下降,皮肤胶原中的糖化物显著增加,由于种属差异,增加幅度不如啮齿类动物明显。

2.2 NEG与老年色素的产生 皮肤老化的另一主要特征为皮肤变黄和老年色斑的出现,这一变化主要与老年色素的形成有关。老年色素则泛指细胞内外所有与老化相关的荧光物质及其复合成分,如眼球晶体白内障、细胞间质中黄色荧光的老化胶原组织等〔8〕,另外还包括在生物化学研究中来自老化组织的荧光色素等。

生物体内老年色素的形成是动态的连续变化过程,在不同生物个体的不同年龄阶段、不同组织部位都可能形成具有不同生物特性的老年色素。老年色素包括生物体内的AGEs、脂褐素等〔9〕。其中脂褐素是一种棕黄色色素颗粒,其主要有两方面:一是脂质过氧化,另一则是 NEG。

脂质过氧化的起始反应是在有氧情况下,不饱和脂肪酸与氧自由基或过度金属化合物反应失去一个氢原子,形成过氧自由基,过氧自由基经再分解形成各种碳酸二甲酯(DMCs)。来自脂质过氧化反应及 NEG反应的 DMCs与不同生物分子以交联或聚合的方式生成棕色、具荧光性的物质即脂褐质和AGEs,随着年龄的增加脂褐质和 AGEs会逐渐累积在皮肤细胞及色素细胞上,终导致皮肤变黄和褐斑的出现。已有大量的对脂过氧化物及体内AGEs的研究,并且关于它们的生化起源、形成机制、反活性及生物毒性的证据已经获得〔1〕。

皮肤老化是一个非常缓慢的过程,AGEs和脂褐素的积累是造成随年龄的增长皮肤逐渐变黄的重要因素。AGEs及脂褐素的积累以及发生交联后胶原蛋白和弹性蛋白在某一点的堆积而形成皮肤色斑。这个过程在体内的其他组织内也时刻在进行,经年累月,造成结构蛋白的交联,功能蛋白的损伤。而且光照、辐射、糖尿病等因素能大大促进这种荧光化和褐变反应的发生。

3 延缓皮肤衰老与抑制NEG的研究现状与前景

目前资料显示,有关抑制 NEG原料的研究仍主要集中在抑制糖尿病、阿尔茨海默病等退行性疾病等方向上。NEG的抑制方法,主要倾向于预防 AGEs的形成、减少 AGES对细胞的影响和破坏 AGEs的交联三方面进行。

氨基胍〔10〕及其类似物、硫醇化合物、核糖、自身抗体、褪黑素、肌肽、替尼西坦等,可以通过竞争蛋白质游离氨基或捕捉DMCs〔11〕等途径抑制 NEG的进行和减少 AGEs的产生。目前,氨基胍等药物已经用于糖尿病等疾病的临床治疗,然而在延缓皮肤衰老方面的应用和研究还未见报道。通过抑制NEG来延缓皮肤衰老,也将会成为一个重要的研究方向。通过现代生物技术从天然植物中分离提取得到抑制 NEG活性成分,已经成为延缓皮肤衰老方面的一个重要研究方向。

已有大量文献报道〔12～17〕:葛根、丹参、胡黄连、贯叶连翘、菟丝子、大黄、槐米、黄芩、西红花、柴胡、人参、麦门冬、地黄等植物提取物,以及葛根素、银杏黄酮、姜黄素、槲皮素、水飞蓟宾等植物成分,均具有抑制NEG反应和延缓衰老的功效。而且,这些药物与经典的抗糖基化药物氨基胍进行比较,其抑制NEG的作用效果均与氨基胍相当甚至强于氨基胍。这些研究结果为开发和利用天然植物预防和延缓皮肤衰老提供了更广泛的思路和有效的途径。

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