Abstract
Alpha-ketoglutarat (AKG) er et afgørende mellemprodukt i Krebs-cyklusen og spiller en kritisk rolle i flere metaboliske processer hos dyr og mennesker. Det skal bemærkes, at AKG bidrager til oxidation af næringsstoffer (dvs. aminosyrer, glukose, fedtsyrer) og derefter leverer energi til celleprocesser. Som en forløber for glutamat og glutamin fungerer AKG som et antioxidantmiddel, da det reagerer direkte med hydrogenperoxid med dannelse af succinat, vand og kuldioxid; i mellemtiden udleder det masser af ATP ved oxidativ decarboxylering. Nyere undersøgelser viser også, at AKG har en lindrende virkning på oxidativ stress som energikilde og antioxidant i pattedyrceller. I denne gennemgang fremhæver vi de seneste fremskridt inden for AKG’s antioxidative funktion og dets anvendelser hos dyr og mennesker.
1. Introduktion
Reaktive oxygenarter (ROS) er oxygenholdige kemiske arter, herunder superoxidanion, hydrogenperoxid (H2O2) og hydroxylradikaler, og de fleste af dem produceres af mitokondrier og nikotinamid-adenin-dinukleotidfosfat (NADPH) oxidaser . Det skal bemærkes, at et overskud af ROS kan føre til oxidativ stress i cellerne. Oxidativ stress er forbundet med forstyrrelser af proteiner, lipidoxidation og brud på nukleinsyre, hvilket yderligere kan forringe de cellulære fysiologiske funktioner. Talrige undersøgelser tyder på, at oxidativ stress kan resultere i visse patogene sygdomme, såsom kræft , neurologiske lidelser , aldersrelaterede sygdomme , åreforkalkning , betændelse og hjerte-kar-sygdomme . Pattedyr har udviklet en række antioxidantforsvar for at beskytte vitale biomolekyler mod oxidativ skade. På den ene side kan antioxidanter som f.eks. antioxidantenzymer som superoxiddismutase (SOD), katalase (CAT) og glutathionperoxidase (GSH-Px) eller ikke-enzymatiske stoffer som glutathion (GSH), C-vitamin og E-vitamin fjerne det meste af ROS . På den anden side kan de overskydende ROS også aktivere mange signalveje såsom mitogen-aktiveret proteinkinase (MAPK), NF-erythroid 2-relateret faktor/antioxidant responselement (Nrf2/ARE) og peroxisom proliferator-aktiveret receptor γ (PPARγ), som spiller en afgørende rolle i den cellulære redoxhomeostase og bidrager til det antioxidative forsvar .
Glutamat, som en forløber for GSH, udøver lindrende virkninger på oxidativt stress inden for medicin og kirurgi . AKG, som en forløber for glutamin, er billigere og mere stabilt end glutamin og virker som antioxidant i stedet for glutamin i mange cellulære processer. Mange rapporter har vist, at AKG kan omdannes til glutamin af glutamatdehydrogenase (GDH) og glutaminsyntetase (GS), hvilket er et tegn på antioxidativ funktion. Det er indlysende, at AKG kunne forbedre den antioxidative kapacitet ved at fremme glutaminindholdet og antioxidative systemer . Derudover viste Chen et al. også, at AKG kunne forbedre SOD-aktiviteten betydeligt, men reducere malondialdehydniveauet (MDA), hvilket tyder på en forbedring af tarmens antioxidative kapacitet . For nylig viste flere og flere undersøgelser, at AKG kunne forbedre den antioxidative funktion mod oxidativ ubalance i cellerne, hvilket yderligere bidrog til forebyggelse og behandling af forskellige sygdomme forårsaget af oxidativt stress. Derfor sigter vi i denne gennemgang mod at opsummere de seneste fremskridt med hensyn til AKG’s antioxidative funktion og dets anvendelser.
2. Biokemiske karakteristika ved AKG
AKG er en svag syre, der indeholder to carboxylgrupper og en ketongruppe, som også kaldes 2-ketoglutarsyre eller 2-oxoglutarsyre. AKG besidder mange fysiologiske funktioner. På den ene side kan AKG reagere med ammoniak og derefter omdannes til glutamat; efterfølgende reagerer glutamaten yderligere med ammoniak og danner glutamin (figur 1). På den anden side reagerer AKG med H2O2 som følge af omdannelsen af succinat, kuldioxid (CO2) og vand (H2O), hvorved der i sidste ende opnås eliminering af H2O2 (figur 2) . Derudover kan AKG producere masser af ATP i TCA-cyklusen og levere energi til tarmens celleprocesser. Endvidere udfører AKG positive virkninger på oxidative stressskader i tarmslimhindenes celler og bidrager til cellens redoxhomeostase . Det er blevet rapporteret, at enteralt AKG blev oxideret og anvendt af tarmslimhinden og dermed som energidonor og antioxidant via TCA-cyklusen. Ud over ovenstående udøver AKG også antioxidativt forsvar ved hjælp af enzymatiske systemer og ikke-enzymatisk oxidativ decarboxylering.
3. Antioxidativ funktion af AKG
3.1. Antioxidanternes aktiviteter
Balancen mellem oxidanter og antioxidanter spiller en vigtig rolle for fysiologiske funktioner i celler og biomolekyler. Antioxidantsystemet omfatter enzymatiske og ikke-enzymatiske midler. Antioxidative enzymer omfatter SOD, CAT, GSH-Px, og ikke-enzymatiske midler omfatter GSH, C-vitamin, E-vitamin . AKG er et antioxidantstof, som spiller en afgørende rolle i forbindelse med at fjerne ROS i organismen . Stigende undersøgelser tyder på, at AKG tjener som en naturlig modgift til at fjerne ammoniak ved at udøve sin antioxidative kapacitet. Det er blevet rapporteret, at AKG-inhalation viste en beskyttende rolle i ammoniakinducerede lungeskader hos rotter . Mekanismen kan være forårsaget af en reduktion af niveauerne af laktatdehydrogenase (LDH) og MDA og en forbedring af SOD- og CAT-aktiviteterne og GSH-niveauet. Lipidperoxidation er modtagelig for ammoniak eller traumer som forbrændinger og producerer i sidste ende MDA, hvilket resulterer i membranskade og endda celleapoptose, mens antioxidanter som SOD og GSH-Px er gavnlige for at forhindre lipidperoxidation og skade . AKG kunne forhindre lipidperoxidation ved at øge SOD-, GSH-Px- og CAT-aktiviteterne for at lette fedtmetabolismen og derefter afhjælpe ethanolinduceret hepatotoksicitet og hyperammonæmi induceret af ammoniumacetat hos rotter . Tilsvarende udfører AKG også kemopræventiv rolle i hepatocarcinogenese induceret af N-nitrosodiethylamin (NDEA) hos rotter ved at modulere niveauerne af antioxidanter og lipidperoxid for at få adgang til normale niveauer . AKG viser desuden høj modstandsdygtighed over for ammoniak-N-stress hos hybridstører, da det øger antioxidantenzymernes aktivitet og HSP 70- og HSP 90-genekspressionen . Desuden kan cyanidinduceret oxidativ stress føre til neurotoksicitet, lipidperoxidation og dysfunktion af membraner, især i hjernen og nyrerne hos dyr som f.eks. rotter . Og det er tydeligt, at cyanid hæmmer det antioxidative forsvar, f.eks. ved at reducere SOD-aktiviteten og GSH-niveauet . Interessant nok betragtes AKG som en naturlig antagonist af cyanidforgiftning på grund af sin kemiske struktur, der er i stand til at binde sig til cyanid for at producere cyanohydrin og yderligere forhindre cyanidforgiftning eller cyaniddødelighed . I in vitro- og vivo-modeller af rotter reducerer AKG GSH-udtømning og DNA-skader forårsaget af cyanid . Endvidere viser undersøgelser, at AKG alene kunne forhindre hjerne og lever i at blive udsat for cyanidinduceret oxidativ skade ved at øge GSH-, SOD- og GSH-Px-niveauerne og reducere MDA-niveauet hos rotter, især når det kombineres med natriumthiosulfat . Desuden viser en nylig undersøgelse, at AKG kunne øge fryse-tø-tolerancen og forhindre celledød induceret af kulhydratstress i gær, og den beskyttende vej kan være involveret i det forbedrede antioxidantforsvar .
3.2. Ikke-enzymatisk oxidativ decarboxylering i H2O2-nedbrydning
Med hensyn til antioxidativt forsvar viser nogle undersøgelser, at AKG udøver sin funktion ved andre redoxregulerende mekanismer snarere end ved antioxidante aktiviteter. En række undersøgelser viser, at AKG fungerer som energikilde og antioxidantmiddel til forbedring af det fysiologiske stofskifte og til at fjerne ROS for at afhjælpe oxidativ stress via ikke-enzymatisk oxidativ decarboxylering i H2O2-dekompositionen. Hydrogenperoxid, en af ROS, er en svag oxidant og cytotoksisk og forårsager let oxidativ stressskade i celler som f.eks. cellemembranskader og DNA-forandringer . Pyruvat og α-ketosyrer udviser faktisk beskyttende virkninger på H2O2-induceret toksicitet in vivo og vitro og kan krydse blod-hjernebarrieren og opsamle H2O2, hvilket giver en ny terapeutisk metode mod H2O2-inducerede hjernepatologier. Mekanismen kan skyldes den ikke-enzymatiske oxidative decarboxylering, hvor ketongruppen i α-kulstofatomet kombineres med H2O2 for at danne den tilsvarende carboxylsyre, CO2 og H2O. AKG tjener som et nøgleintermediat i TCA-cyklussen og deltager i ikke-enzymatisk oxidativ dekarboxylering i H2O2-nedbrydningen. Det er blevet påvist, at AKG i betydelig grad øger den antioxidative kapacitet ved at nedsætte H2O2-niveauet i lever og tarmslimhinde hos ænder . AKG spiller også en beskyttende rolle i tarmcellebeskadigelse induceret af H2O2 gennem mitokondriens vej . På samme måde bemærkes AKG’s beskyttende virkning ved at lindre de toksiske virkninger af H2O2 i Drosophila melanogaster, andre dyr og mennesker, hvilket er et stærkt bevis for AKG’s H2O2-scavenging evne . AKG kan således anvendes som en potent scavenger i ikke-enzymatisk oxidativ dekarboxylering i H2O2-nedbrydning.
4. Anvendelser af AKG hos dyr og mennesker
AKG har været anvendt i vid udstrækning hos dyr og mennesker som fodertilsætningsstof og medicin. I dyreindustrien kunne AKG effektivt forbedre vækstpræstationer, kvælstofudnyttelse, immunitet, knogleudvikling, tarmslimhindebeskadigelse og oxidativt system . Hos mennesker anvendes AKG i vid udstrækning i forbindelse med traumer, alderssygdomme, postoperativ genopretning og andre ernæringsmæssige sygdomme . Med hensyn til antioxidativ funktion spiller AKG en afgørende rolle i flere sygdomme, der er involveret i aldring, kræft, kardiovaskulære sygdomme og neurologiske sygdomme. Det er blevet rapporteret, at AKG udviklede sin antioxidante kapacitet til at bekæmpe ethanoltoksicitet og forbedre kulde-tolerance i Drosophila-modellen, hvilket gav en effektiv terapi mod ethanol- og alkoholforgiftning hos dyr og mennesker . En lignende beskyttende virkning er bemærket i lipopolysaccharid-induceret leverskade, hvor AKG giver et nyt indgreb til at lindre leverskader hos unge grise . AKG opretholder også redoxtilstandsstabilisering for antioxidantforsvar. Faktisk spiller AKG-oxidation en gavnlig rolle i opretholdelsen af niveauerne af reducerende carboxylering for at håndtere mitokondrielle defekter i kræftceller . Desuden forbedrer oral administration af AKG blodkarelasticitet ved at udøve sin antioxidant i aldrende organismer . Derudover kunne AKG lette hastigheden af GSH-syntese i menneskelige erythrocytter . AKG er blevet identificeret til effektivt at mindske forekomsten af grå stær induceret af natriumselenit hos rotter og fungerede som en fanger af ROS . AKG fungerer desuden som et neuroprotektivt middel i iskæmisk patologi i hippocampus . Endvidere viser en ny undersøgelse, at AKG kan regulere organismens levetid og forebygge aldersrelaterede sygdomme ved at regulere det cellulære energimetabolisme . Interessant nok er AKG ud over antioxidativ funktion også kendetegnet ved prooxidativ egenskab, som kan generere aktive komplekser med jern i rottehjernehomogenater . Under mild oxidativ stress resulterer det i aktivering af AKG’s antioxidantsystem og viser således sine beskyttende virkninger, såsom styrkelse af gærcellers modstandsdygtighed over for oxidativ stress .
5. Sammenfatning og perspektiv
AKG tjener som et centralt mellemprodukt og anvendes i vid udstrækning hos dyr og mennesker. Især udøver AKG primært sin antioxidative funktion ved følgende: (1) forbedring af antioxidative enzymaktiviteter og ikke-enzymatiske agentniveauer mod oxidativ stress og lipidperoxidation, især ved intervention af ammoniak- og cyanidforgiftning; (2) deltagelse i ikke-enzymatisk oxidativ decarboxylering i H2O2-nedbrydning for at opsamle ROS og beskytte organismen mod forskellige ROS-inducerede sygdomme. Og AKG udgør en lovende terapeutisk intervention for kliniske sygdomme hos dyr og mennesker (figur 3). Ud over de ovennævnte antioxidative veje er Nrf2/ARE en vigtig regulator af den antioxidative proces, der hjælper med at opretholde redoxhomeostase, og det er blevet bevist, at den spiller en afgørende rolle i forskellige sygdomme (dvs. leverskade, traumatisk hjerneskade og inflammation), der er induceret af oxidativ stress . Af særlig interesse er det blevet bekræftet, at glutamin forbedrer genekspressionen af Nrf2 ved at aktivere Nrf2/ARE-signalvejen for at undertrykke ROS-generering, hæve GSH-niveauet og forhindre apoptose i tarmen . Som en forløber for glutamin er der imidlertid ikke rapporteret om, hvorvidt AKG kan aktivere Nrf2/ARE-signalvejen direkte for at afhjælpe oxidativt stress eller ej, og der er behov for yderligere undersøgelser.
Abkortelser
| AKG: | Alpha-ketoglutarat | |
| ROS: | Reaktive oxygenarter | |
| H2O2: | Hydrogenperoxid | |
| NADPH: | Nicotinamid adenin dinukleotidfosfat | |
| SOD: | Superoxid dismutase | |
| CAT: | Katalase | |
| GSH-Px: | Glutathionperoxidase | |
| GSH: | Glutathion | |
| MAPKs: | Mitogen-aktiveret proteinkinase | |
| Nrf2/ARE: | NF-Erythroid 2-relateret faktor/antioxidant responselement | |
| PPARγ: | Peroxisome proliferator-aktiveret receptor γ | |
| GDH: | Glutamat dehydrogenase | |
| GS: | Glutaminsynthetase | |
| MDA: | Malondialdehyd | |
| CO2: | Carbondioxid | |
| H2O: | Vand | |
| LDH: | Lactatdehydrogenase | |
| NDEA: | N-Nitrosodiethylamin. |
Interessekonflikter
Forfatterne erklærer, at der ikke er nogen interessekonflikter i forbindelse med offentliggørelsen af denne artikel.
Anerkendelser
Dette arbejde blev støttet af National Science Foundation for Distinguished Young Scholars of Hunan Province (2016JJ1015), National Natural Science Foundation of China (31472107, 31470132, 31702126), det kinesiske videnskabsakademis “Hundred Talent”-pris og Open Foundation of Key Laboratory of Agro-Ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences (ISA2016101).