全球变暖热应激下动物氧化应激与衰老:一个视角

摘要

预计未来几十年，全球大气中的二氧化碳浓度将增加一倍左右。二氧化碳浓度的增加是导致全球平均气温上升1.4-5.8°C的最重要原因之一。动物多次暴露在热应激下，会加速动物体内某些不必要的生化途径。其中一个例子是活性氧(ROS)的升高和随后由ROS氧化脂质、蛋白质和核酸的增加。生物分子氧化的增加导致一种称为氧化应激(OS)的状态。OS阻碍了动物的生理机能。动物暴露在栖息地温度升高的环境中也可能促进动物的代谢，且代谢与ROS和OS水平呈正相关。连续诱导OS与动物生存、寿命呈负相关，与动物衰老呈正相关。因此，可以预测，由于全球变暖，动物持续暴露在栖息地温度急剧或逐渐上升的环境中，应该会引起OS，并降低动物的生存和寿命。通过OS增加疾病易感性风险，将全球变暖归因于动物寿命也不能忽视。

关键字

全球变暖，栖息地温度上升，热应激，线粒体功能障碍，活性氧，氧化应激，长寿，疾病易感性，衰老

简介

气候变化及其对生物系统的影响是当代生态生理学家关注的主要问题之一。多种生态变化导致的环境温度升高被认为是改变生物生理的单一因素。变温动物可以被认为是其自然栖息地温度上升的主要目标。这些生物体没有生理机制来调节体温，以适应环境温度的变化。因此，它们的能量代谢受到环境温度变化的很大影响[1］．另一方面，由于与全球变暖或环境急剧上升有关的热敏感性而引起的生物生理紊乱温度不仅局限于变温，而且还会影响生理学恒温动物和植物[2］．例如，由于全球变暖而产生的热浪对植物有毁灭性的影响，导致严重脱水和叶片部分干燥[3.，4］．然而，这篇透视文章只关注由于气候变化引起的温度的影响，特别是对动物氧化代谢的影响，这影响了它们的其他生理机能，最终可能决定它们的生存和寿命。

活性氧(ROS)和其他氧化应激代谢产物(OS)通常被用作研究动物衰老的生物标志物。过量的ROS水平和氧化损伤通过基因组不稳定等重要细胞过程迫使细胞衰老或衰老，表观遗传交替、端粒损耗、线粒体功能障碍、营养感觉失调、细胞内沟通障碍和干细胞衰竭[5］．动物暴露于栖息地温度升高的环境中，主要导致细胞ROS升高和氧化损伤，氧化还原能力降低。无论是什么原因，温度升高也可能使动物易患各种疾病，这些疾病在热应激下会加重。OS和疾病易感性共同促使动物在温度升高的条件下衰老得更快。最后，它可能会减少动物的寿命。在当前的文章中，我们通过绘制全球变暖之间的关系来提出一个观点，作为温度上升的原因之一，OS，疾病的易感性在变温环境和恒温环境中，老化和寿命都是重要的。

氧化代谢

O₂消耗，活性氧和氧化应激

氧化代谢包括O₂直接或间接地发挥核心作用，调节与营养分子氧化有关的生化过程，以ATP分子的形式产生能量。在此过程中，生成活性氧(ROS:如超氧自由基(O₂^•−)，羟基自由基(•OH)，过氧化氢(H₂O₂)、次氯酸(HOCl)、有机氢过氧化物等)，如果不立即中和，就会破坏它们附近非特异性存在的大分子，导致应激状态，通常称为氧化应激(OS)。OS生理包括氧(O₂）呼吸通过线粒体，电子传递链的复合体I和III酶的电子泄漏产生ROS和组织由ROS氧化，酶的反应(超氧化物歧化酶(SOD)，过氧化氢酶(CAT)，谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)，谷胱甘肽还原酶(GR)，过氧还蛋白，硫氧还蛋白等)和non-enzymatic(抗坏血酸，谷胱甘肽，维生素a等)氧化还原调节分子对产生的ROS水平和ATP分子的生成等。OS生理学在动物生物学的几个核心进化概念中具有巨大的重要性，例如通过分析自由放养生物的抗氧化防御参数，在生活史权衡、衰老和性选择中[5，6］．真核生物的OS状态发生在ROS过量产生或细胞中氧化还原调节分子水平降低导致氧化还原状态减弱时。ROS，如O₂^•−•OH和H₂O₂的生成主要是由于O₂在细胞呼吸过程中。它们在自然界中具有高度活性，可以将脂质氧化为脂质过氧化物，将蛋白质氧化为蛋白质羰基和核酸到它们各自的加合物[7］．由于上述生物分子的氧化，蛋白质的酶功能和其他功能效率降低，膜流动性丧失，基因表达不需要或减少，一些合成代谢过程完全或部分停止等在细胞中发生。值得注意的是，据报道ROS也很有用，因为在较低的浓度下，它们介导细胞中的几种信号转导过程[8，9］．然而，在外部(主要是环境因素，包括热应激升高)或内部(细胞)因素导致的异常情况下，无法保证维持ROS的名义量以调节信号转导过程[8］．

需氧菌既具有酶抗氧化防御，也具有非酶抗氧化防御，以抵消过度产生的ROS。超氧化物歧化酶是酶抗氧化防御的第一个酶，它能使有毒的氧歧化酶₂^•−到H₂O₂还有氧分子。H₂O₂(另一种有毒氧化剂)被两种细胞酶(即CAT)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)进一步中和。CAT分解H₂O₂到H₂O型和O型₂而GPx将H2O2和有机氢过氧化物还原为H₂O和其他非反应性代谢物还原性谷胱甘肽(GSH)的氧化成本。在还原的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的帮助下，氧化的谷胱甘肽被酶(GR)还原回谷胱甘肽。过氧氧还蛋白和硫氧还蛋白通过去除ROS水平也有助于降低OS风险。非酶抗氧化防御系统由抗坏血酸、维生素E、谷胱甘肽等小分子组成，也可清除活性氧[5，7］．在热胁迫下，氧化还原调控分子的水平被发现减轻或不够增加，这不能对抗生物中的OS。

线粒体和氧化代谢

线粒体作为ATP合成代谢的中心。它们是ROS生成的主要枢纽。由于氧不完全还原，线粒体产生ROS₂由于在线粒体内膜的复杂酶中心的电子泄漏。在线粒体基质中，一个成功的电子从几个通用电子受体传递到O₂分子导致在膜间空间和基质上产生化学渗透梯度[10，11］．因此，该过程伴随着H⁺通过复合物I、III和IV酶泵入膜间隙，然后通过复合物V酶(atp酶)沿浓度梯度返回基质。最后一步中可用的自由能与ff1 -ATP合酶复合物合成ATP相结合，这一过程被称为氧化磷酸化[12］．在一些病理生理条件下，更多的电子泄漏，特别是在复杂的I和III酶，然后减少O₂来啊₂^•−［13，14］．O₂^•−然后成为产生另外两个ROS O的前体₂^•−和H₂O₂．这表明氧化磷酸化的过程包括以ATP生成为高潮的能量机制和线粒体中ROS的生成。电子传递链(ETS)和氧化磷酸化的整个机制都是O₂由线粒体摄取。因此，测量的速率线粒体呼吸氧化磷酸化和ETC功能是研究ROS生成机制、OS诱导机制和机体能量状态的重要指标[5，15］．

氧化代谢诱导热应激下的衰老

衰老是氧化应激的主要后果之一

衰老的一个重要假说认为，与衰老相关的功能丧失是由于ROS的积累及其作为分子氧化损伤的后果[16］．衰老的特征是生理功能的效率逐渐下降，对疾病的易感性增加，最终导致死亡。继续有不同研究小组的出版物表明，动物的衰老与OS有很强的正相关[17，18］．“衰老的自由基理论”假定衰老及其相关疾病是自由基诱导的细胞大分子损伤和内源性抗氧化防御无法平衡产生的高水平ROS的结果。这导致膜流动性的性质改变，由于脂质氧化，降低酶和其他功能的蛋白质和改变基因表达．这种解释的起源有一个“生存率理论”的基础，因此有机体的寿命被认为是受其细胞氧化代谢率，特别是OS状态的影响。在这种情况下，线粒体ROS生成率更为重要。的确，线粒体产生自由基的速率似乎与最长寿命有更强的相关性[19］．

温度与ROS和OS的细胞水平均有很强的正相关[7］．在某些变温动物的线粒体水平上也发现了这种特殊现象[20.-22］．主要原因是线粒体复合体酶特别是复合体I和复合体III的功能障碍，或某些复合体酶的过表达，电子转移或电子传递链泄漏与氧化磷酸化的解耦[5，22］．后一种情况可能是由于膜间空间和线粒体基质之间的化学渗透平衡受到干扰。它导致氧化磷酸化状态/系统效率降低，从而导致ATP生成减少。在温度急剧升高的水生生态系统中，环境O₂也因其与温度成反比而消耗殆尽。少环保O₂可用性降低O₂对O的吸收和最终有效性₂线粒体也变少了。少啊₂也可能导致ATP生成减少，因为O₂是氧化磷酸化反应最后一步的关键分子之一，在那里它被还原成水分子。低ATP水平导致代谢抑制，在极端情况下，它以崩溃告终细胞的新陈代谢最后是动物的死亡[7］．哺乳动物线粒体也表现出对温度产生ROS的积极响应。因此，温度升高可能会导致一种不希望的、条件不利的状态，如细胞可能由于ROS水平高、ATP水平低和代谢抑制而经历OS。在能量不足的情况下，氧化还原调控分子的表达或合成不足也可能是热应激动物体内ROS和OS水平较高的原因。热应激条件下ROS水平高可能导致染色体畸变。动物在热应激下由于各种原因易患病的风险也有报道[5］．氧化应激或ROS在上述过程中的作用已被证实。据报道，在温度应激状态升高的动物体内，代谢升高会增加ROS和OS [7，21-22］．因此，主要的问题是，综上所述，这些原因可能会阻碍动物的正常生理机能，并对动物的生存能力产生负面影响。在极端情况下，动物可能会遇到永久性的代谢抑制。因此，持续暴露在逐渐或突然升高的栖息地温度中可能会提高氧化代谢，从而对生存能力产生不利影响，最终影响居住动物的寿命。虽然，没有太多的实验信息直接提供温度上升和动物寿命之间的相关性，Auad等人。23]表明升温是温度升高和CO升高共同作用的结果₂水平降低了若虫持续时间、寿命和繁殖成功率Sipha黄颜色．全球变暖的加剧主要是由于大气CO的增加₂的水平，主要是由于人类活动的影响[24，25］．因此，Auad et al. [23预测到美国黄颜色在未来的气候条件下，当大气CO浓度同时降低时，种群数量可能显著减少₂预计气温会升高。不管来源如何，二氧化碳的上升₂水平随环境温度的变化可能影响动物的寿命，而不考虑它们的恒温性质。然而，前一类动物由于缺乏调节体温的能力，在全球气温上升的情况下，预计将更容易陷入上述状态。

人类在热应激下的老化

复杂生态系统中重要的非生物组成部分(如气候和天气)的变化会扰乱其生物和非生物组成部分之间的动态平衡[26］．任何生态系统由于其非生物成分(如温度)的变化而导致的不稳定性都可能增加病原体流行率变化的风险，改变病原体传播概况，增加宿主易感性[27］．这些不稳定性会对人类、牲畜、野生动物和海洋系统的健康产生巨大影响[28-30.］．世界卫生组织在其2007年的报告中警告说，传染病正在以前所未有的速度出现。自20世纪70年代以来，大约有40种传染病被发现，包括非典、中东呼吸综合征、埃博拉病毒禽流感和猪流感。据预测，传染病和病媒的范围将随着海拔的变化而变化，同时植物和动物群落的变化以及高山冰川的退缩。此外，极端天气事件，特别是全球气温的逐渐升高，为昆虫、啮齿动物和水传播疾病的“群集”创造了有利条件。气候变化加速对公众健康和社会构成深刻威胁[31］．提出这些信息的关键在于，动物对疾病的易感性始终与寿命负相关，与OS呈正相关。因此，气候变化的归因包括全球变暖通过不同的易感疾病对包括人类在内的动物寿命的影响不容忽视。

结论的话

根据霍顿等人。[32]，预计全球的大气CO将增加一倍左右₂在接下来的几十年里，全球平均气温将上升1.4-5.8°C，尤其是CO₂浓度可达770 ppm (IPCC 2007年)。这些气候变化将极大地改变动物的生存和寿命，特别是变温动物。由于气候变化而引起的环境温度升高对氧化代谢的影响可能是影响动物正常生理机能和寿命的原因之一(图1)．不可忽视的是，气候变化(包括全球变暖)通过增加疾病易感性风险而导致动物寿命延长。因此，了解全球变暖对包括人类在内的动物寿命的生理影响将是本世纪生物学家面临的主要挑战之一。

确认

主张Dr.D.S。科塔里PDF奖学金计划(编号:F. 4-2/2006 (BSR)/13-853/2013 (BSR))是由大学教育资助委员会在编写本文期间资助的。

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