Antioxidační funkce alfa-ketoglutarátu a jeho aplikace

Abstrakt

Alfa-ketoglutarát (AKG) je klíčovým meziproduktem Krebsova cyklu a hraje rozhodující roli v mnoha metabolických procesech u zvířat i lidí. Za zmínku stojí, že AKG přispívá k oxidaci živin (tj. aminokyselin, glukózy, mastných kyselin) a následně poskytuje energii pro buněčné procesy. Jako prekurzor glutamátu a glutaminu působí AKG jako antioxidační činidlo, protože přímo reaguje s peroxidem vodíku za vzniku sukcinátu, vody a oxidu uhličitého; mezitím oxidativní dekarboxylací uvolňuje množství ATP. Nejnovější studie také ukazují, že AKG má zmírňující účinek na oxidační stres jako zdroj energie a antioxidant v savčích buňkách. V tomto přehledu upozorňujeme na nejnovější pokroky v antioxidační funkci AKG a jeho využití u zvířat a lidí.

1. Úvod

Reaktivní formy kyslíku (ROS) jsou chemické formy obsahující kyslík, včetně superoxidového aniontu, peroxidu vodíku (H2O2) a hydroxylových radikálů, a většina z nich je produkována mitochondriemi a oxidázami nikotinamidadenindinukleotidfosfátu (NADPH) . Za zmínku stojí, že nadbytek ROS může vést k oxidačnímu stresu v buňkách. Oxidační stres je spojen s poruchou proteinů, oxidací lipidů a zlomy nukleových kyselin, což může dále narušit fyziologické funkce buněk. Četné studie naznačují, že oxidační stres může mít za následek některá patogenní onemocnění, jako je rakovina , neurologické poruchy , nemoci související s věkem , ateroskleróza , zánět a kardiovaskulární onemocnění . Savci si vyvinuli řadu antioxidačních obranných systémů, které chrání životně důležité biomolekuly před oxidačním poškozením. Na jedné straně antioxidační látky, jako jsou antioxidační enzymy, např. superoxiddismutáza (SOD), kataláza (CAT) a glutathionperoxidáza (GSH-Px), nebo neenzymatické látky, např. glutathion (GSH), vitamin C a vitamin E, mohou vyčistit většinu ROS . Na druhé straně může nadbytek ROS také aktivovat mnoho signálních drah, jako je mitogenem aktivovaná proteinkináza (MAPK), NF-erythroid 2-related factor/antioxidant response element (Nrf2/ARE) a peroxisome proliferator-activated receptor γ (PPARγ), které hrají důležitou roli v buněčné redoxní homeostáze a přispívají k antioxidační obraně .

Glutamát jako prekurzor GSH působí zmírňující účinky na oxidační stres v medicíně a chirurgii . AKG, jako prekurzor glutaminu, je levnější a stabilnější než glutamin a působí jako antioxidant místo glutaminu v mnoha buněčných procesech. Mnoho zpráv prokázalo, že AKG může být přeměněn na glutamin pomocí glutamátdehydrogenázy (GDH) a glutaminsyntázy (GS), což je známkou antioxidační funkce. Je zřejmé, že AKG by mohl zlepšit antioxidační kapacitu podporou obsahu glutaminu a antioxidačních systémů . Chen et al. navíc ukázali, že AKG může významně zlepšit aktivitu SOD, ale snížit hladinu malondialdehydu (MDA), což naznačuje zlepšení střevní antioxidační kapacity . V poslední době stále více studií naznačuje, že AKG může zlepšit antioxidační funkci proti oxidační nerovnováze v buňkách, což dále přispívá k prevenci a léčbě různých onemocnění vyvolaných oxidačním stresem. V tomto přehledu si proto klademe za cíl shrnout nejnovější pokroky v oblasti antioxidační funkce AKG a jejího využití.

2. Biochemická charakteristika AKG

AKG je slabá kyselina obsahující dvě karboxylové skupiny a ketonovou skupinu, která se také nazývá kyselina 2-ketoglutárová nebo kyselina 2-oxoglutárová. AKG má mnoho fyziologických funkcí. Na jedné straně může AKG reagovat s amoniakem a poté se přeměnit na glutamát; následně glutamát dále reaguje s amoniakem a vytváří glutamin (obrázek 1). Na druhé straně AKG reaguje s H2O2 v důsledku přeměny sukcinátu, oxidu uhličitého (CO2) a vody (H2O), čímž se nakonec dosáhne vyloučení H2O2 (obrázek 2) . Kromě toho by AKG mohl produkovat velké množství ATP v cyklu TCA a poskytovat energii pro procesy střevních buněk. AKG navíc pozitivně působí na poškození oxidačním stresem v buňkách střevní sliznice a přispívá k buněčné redoxní homeostáze . Bylo zjištěno, že enterální AKG byl oxidován a využíván střevní sliznicí, tedy jako donor energie a antioxidační činidlo prostřednictvím TCA cyklu. Kromě výše uvedeného působí AKG také antioxidační obranu prostřednictvím enzymatických systémů a neenzymatické oxidativní dekarboxylace.

Obrázek 1

Přeměna AKG na glutamát a glutamin.

Obrázek 2

Nonenzymatická oxidativní dekarboxylace AKG při rozkladu peroxidem vodíku.

3. Antioxidační funkce AKG

3.1. Antioxidační funkce AKG. Antioxidační aktivity

Rovnováha mezi oxidanty a antioxidanty hraje důležitou roli ve fyziologických funkcích v buňkách a biomolekulách. Antioxidační systém zahrnuje enzymatické a neenzymatické látky. Mezi antioxidační enzymy patří SOD, CAT, GSH-Px a mezi neenzymatické látky patří GSH, vitamin C, vitamin E . AKG je antioxidační látka, která vykazuje zásadní úlohu při odstraňování ROS v organismu . Rostoucí počet studií naznačuje, že AKG slouží jako přirozené antidotum odstraňování amoniaku tím, že uplatňuje svou antioxidační kapacitu. Bylo zjištěno, že inhalace AKG vykazuje ochrannou roli při poškození plic způsobeném amoniakem u potkanů . Mechanismus může být způsoben snížením hladiny laktátdehydrogenázy (LDH) a MDA a zlepšením aktivit SOD a CAT a hladiny GSH. Peroxidace lipidů je citlivá na amoniak nebo trauma, jako jsou popáleniny, a nakonec produkuje MDA, což vede k poškození membrán a dokonce k apoptóze buněk, zatímco antioxidanty, jako jsou SOD a GSH-Px, jsou prospěšné pro prevenci peroxidace lipidů a poškození . AKG by mohl zabránit peroxidaci lipidů zvýšením aktivity SOD, GSH-Px a CAT, což by usnadnilo metabolismus tuků a následně zmírnilo hepatotoxicitu vyvolanou etanolem a hyperamonemii vyvolanou octanem amonným u potkanů . Podobně AKG plní také chemopreventivní úlohu při hepatokarcinogenezi vyvolané N-nitrosodiethylaminem (NDEA) u potkanů tím, že moduluje hladiny antioxidantů a peroxidu lipidů tak, aby dosáhly normálních hodnot . Kromě toho AKG vykazuje vysokou odolnost vůči amoniakálnímu stresu u hybridních jeseterů, protože zvyšuje aktivitu antioxidačních enzymů a expresi genů HSP 70 a HSP 90 . Kromě toho by oxidační stres vyvolaný kyanidy mohl vést k neurotoxicitě, peroxidaci lipidů a dysfunkci membrán, zejména v mozku a ledvinách zvířat, jako jsou potkani . A kyanid zjevně inhibuje antioxidační obranu, například snižuje aktivitu SOD a hladinu GSH . Je zajímavé, že AKG je považován za přirozeného antagonistu otravy kyanidem díky své chemické struktuře, která je schopna se vázat s kyanidem za vzniku kyanohydrinu a dále zabraňovat otravě kyanidem nebo kyanidové letalitě . Na modelech in vitro a in vivo u potkanů AKG snižuje depleci GSH a poškození DNA vyvolané kyanidem . Studie dále ukazují, že samotný AKG by mohl zabránit oxidačnímu poškození mozku a jater vyvolanému kyanidem zvýšením hladiny GSH, SOD a GSH-Px a snížením hladiny MDA u potkanů, zejména v kombinaci s thiosíranem sodným . Kromě toho nedávná studie naznačuje, že AKG by mohl zvýšit odolnost vůči zmrazení a rozmrazení a zabránit buněčné smrti vyvolané sacharidovým stresem u kvasinek a ochranná dráha se může podílet na zvýšené antioxidační obraně .

3.2. Neenzymatická oxidativní dekarboxylace při rozkladu H2O2

S ohledem na antioxidační obranu některé studie ukazují, že AKG uplatňuje svou funkci spíše jinými redoxními regulačními mechanismy než antioxidačními aktivitami. Řada studií ukazuje, že AKG působí jako zdroj energie a antioxidační činidlo na zlepšení fyziologického metabolismu a vychytávání ROS ke zmírnění oxidačního stresu prostřednictvím neenzymatické oxidativní dekarboxylace při rozkladu H2O2. Peroxid vodíku, jeden z ROS, je slabý oxidant a cytotoxický a snadno způsobuje poškození buněk oxidačním stresem, jako je poškození buněčné membrány a změny DNA . Pyruvát a α-ketokyseliny skutečně vykazují ochranné účinky na toxicitu vyvolanou H2O2 in vivo a in vitro a mohou procházet hematoencefalickou bariérou a vychytávat H2O2, což poskytuje nový terapeutický způsob proti mozkovým patologiím vyvolaným H2O2. Mechanismus může být způsoben neenzymatickou oxidativní dekarboxylací, při níž se ketonová skupina v atomu α uhlíku spojuje s H2O2 za vzniku odpovídající karboxylové kyseliny, CO2 a H2O. AKG slouží jako klíčový meziprodukt v TCA cyklu a účastní se neenzymatické oxidativní dekarboxylace při rozkladu H2O2. Bylo prokázáno, že AKG významně zvyšuje antioxidační kapacitu snížením hladiny H2O2 v játrech a střevní sliznici kachen . AKG také plní ochrannou úlohu při poškození střevních buněk vyvolaném H2O2 cestou mitochondrií . Podobně je ochranný účinek AKG zaznamenán při zmírňování toxických účinků H2O2 u Drosophila melanogaster, jiných zvířat a lidí, což poskytuje silný důkaz o schopnosti AKG zachraňovat H2O2 . AKG lze tedy použít jako silný scavenger při neenzymatické oxidativní dekarboxylaci při rozkladu H2O2.

4. Použití AKG u zvířat a lidí

AKG se široce používá u zvířat a lidí jako přísada do krmiv a lék. V živočišné výrobě by AKG mohl účinně zlepšit růstovou výkonnost, využití dusíku, imunitu, vývoj kostí, poškození střevní sliznice a oxidační systém . U lidí se AKG hojně používá při úrazech, onemocněních ve stáří, pooperační rekonvalescenci a dalších nutričních onemocněních . Pokud jde o antioxidační funkci, AKG vykazuje klíčovou roli u mnoha onemocnění spojených se stárnutím, rakovinou, kardiovaskulárními chorobami a neurologickými onemocněními. Bylo zjištěno, že AKG vyvinul svou antioxidační schopnost bojovat proti toxicitě ethanolu a zvýšit toleranci chladu u modelu Drosophila, což poskytlo účinnou terapii proti otravě ethanolem a alkoholem u zvířat a lidí . Podobný ochranný účinek byl zaznamenán u lipopolysacharidem indukovaného poškození jater, u kterého AKG poskytuje nový zásah ke zmírnění poškození jater u mladých prasat . AKG také udržuje stabilizaci redoxního stavu pro antioxidační obranu . Oxidace AKG totiž hraje příznivou roli při udržování úrovně reduktivní karboxylace pro zvládání mitochondriálních defektů v nádorových buňkách . Kromě toho perorální podávání AKG zlepšuje elasticitu cév tím, že působí antioxidačně u stárnoucích organismů . Kromě toho by AKG mohl usnadnit rychlost syntézy GSH v lidských erytrocytech . Bylo zjištěno, že AKG účinně snižuje výskyt katarakty vyvolané seleničitanem sodným u potkanů a působí jako vychytávač ROS . AKG navíc působí jako neuroprotektivum při ischemické patologii hipokampu . Nová studie dále ukazuje, že AKG by mohl regulovat délku života organismu a předcházet nemocem souvisejícím s věkem prostřednictvím regulace buněčného energetického metabolismu . Zajímavé je, že kromě antioxidační funkce se AKG vyznačuje prooxidační vlastností, která může vytvářet aktivní komplexy se železem v homogenátech mozku potkanů . Při mírném oxidačním stresu dochází k aktivaci antioxidačního systému AKG, čímž se projevují jeho ochranné účinky, jako je posílení odolnosti kvasinkových buněk vůči oxidačnímu stresu .

5 . Shrnutí a perspektiva

AKG slouží jako klíčový meziprodukt a má široké uplatnění u zvířat i lidí. Zejména AKG uplatňuje svou antioxidační funkci především následujícími způsoby: (1) zvyšuje aktivitu antioxidačních enzymů a hladinu neenzymatických látek proti oxidačnímu stresu a peroxidaci lipidů, zejména při zásahu při otravě amoniakem a kyanidy; (2) účastní se neenzymatické oxidativní dekarboxylace při rozkladu H2O2, aby vychytával ROS a chránil organismus před různými onemocněními vyvolanými ROS. A AKG poskytuje slibný terapeutický zásah u klinických onemocnění u zvířat a lidí (obr. 3). Kromě výše uvedených antioxidačních drah je Nrf2/ARE důležitým regulátorem antioxidačního procesu, který pomáhá udržovat redoxní homeostázu, a bylo prokázáno, že hraje zásadní roli při různých onemocněních (tj. poškození jater, traumatické poškození mozku a zánět) vyvolaných oxidačním stresem . Zvláště zajímavé je, že bylo ověřeno, že glutamin zlepšuje expresi genu Nrf2 aktivací signální dráhy Nrf2/ARE, čímž potlačuje tvorbu ROS, zvyšuje hladinu GSH a zabraňuje apoptóze ve střevě . Nicméně o tom, zda by AKG jako prekurzor glutaminu mohl přímo aktivovat signální dráhu Nrf2/ARE za účelem zmírnění oxidačního stresu či nikoliv, nebyl proveden relevantní výzkum a je zapotřebí další studie.

Obrázek 3

Atioxidační funkce AKG a jeho použití. ①: antioxidační aktivita enzymů; ②: neenzymatická oxidativní dekarboxylace při rozkladu peroxidu vodíku.

Zkratky

Konflikty zájmů

Autoři prohlašují, že v souvislosti s publikováním tohoto článku nedošlo ke střetu zájmů.

Poděkování

Tato práce byla podpořena National Science Foundation for Distinguished Young Scholars of Hunan Province (2016JJ1015), National Natural Science Foundation of China (31472107, 31470132, 31702126), ocenění Čínské akademie věd „Sto talentů“ a Open Foundation of Key Laboratory of Agro-Ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences (ISA2016101).