Die antioxidative Funktion von Alpha-Ketoglutarat und seine Anwendungen

Abstract

Alpha-Ketoglutarat (AKG) ist ein wichtiges Zwischenprodukt des Krebs-Zyklus und spielt eine entscheidende Rolle bei zahlreichen Stoffwechselprozessen bei Tieren und Menschen. AKG trägt zur Oxidation von Nährstoffen (z. B. Aminosäuren, Glukose, Fettsäuren) bei und liefert anschließend Energie für Zellprozesse. Als Vorläufer von Glutamat und Glutamin wirkt AKG als Antioxidans, da es direkt mit Wasserstoffperoxid unter Bildung von Succinat, Wasser und Kohlendioxid reagiert; gleichzeitig setzt es durch oxidative Decarboxylierung viel ATP frei. Jüngste Studien zeigen auch, dass AKG als Energiequelle und Antioxidans in Säugetierzellen eine lindernde Wirkung bei oxidativem Stress hat. In dieser Übersicht werden die jüngsten Fortschritte bei der antioxidativen Funktion von AKG und seine Anwendungen bei Tieren und Menschen hervorgehoben.

1. Einleitung

Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) sind sauerstoffhaltige chemische Spezies, zu denen das Superoxidanion, Wasserstoffperoxid (H2O2) und Hydroxylradikale gehören und von denen die meisten von Mitochondrien und Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat-Oxidasen (NADPH) produziert werden. Ein Übermaß an ROS kann zu oxidativem Stress in den Zellen führen. Oxidativer Stress wird mit der Störung von Proteinen, Lipidoxidation und Nukleinsäurebrüchen in Verbindung gebracht, was die physiologischen Funktionen der Zellen weiter beeinträchtigen kann. Zahlreiche Studien deuten darauf hin, dass oxidativer Stress zu einigen pathogenen Krankheiten wie Krebs, neurologischen Störungen, altersbedingten Krankheiten, Atherosklerose, Entzündungen und Herz-Kreislauf-Erkrankungen führen kann. Säugetiere haben eine Reihe von antioxidativen Abwehrmechanismen entwickelt, um lebenswichtige Biomoleküle vor oxidativen Schäden zu schützen. Einerseits können antioxidative Wirkstoffe wie antioxidative Enzyme wie Superoxiddismutase (SOD), Katalase (CAT) und Glutathionperoxidase (GSH-Px) oder nicht-enzymatische Wirkstoffe wie Glutathion (GSH), Vitamin C und Vitamin E den Großteil der ROS beseitigen. Andererseits können die überschüssigen ROS auch viele Signalwege aktivieren, wie z. B. mitogen-aktivierte Proteinkinasen (MAPKs), NF-erythroid 2-related factor/antioxidant response element (Nrf2/ARE) und peroxisome proliferator-activated receptor γ (PPARγ), die eine wichtige Rolle bei der zellulären Redox-Homöostase spielen und zur antioxidativen Abwehr beitragen .

Glutamat als Vorstufe von GSH hat in der Medizin und Chirurgie eine lindernde Wirkung auf oxidativen Stress. AKG, eine Vorstufe von Glutamin, ist billiger und stabiler als Glutamin und wirkt in vielen zellulären Prozessen als Antioxidans anstelle von Glutamin. In vielen Berichten wurde nachgewiesen, dass AKG durch Glutamatdehydrogenase (GDH) und Glutaminsynthetase (GS) in Glutamin umgewandelt werden kann, was ein Zeichen für eine antioxidative Funktion ist. Es ist offensichtlich, dass AKG die antioxidative Kapazität durch Förderung des Glutamingehalts und der antioxidativen Systeme verbessern könnte. Darüber hinaus haben Chen et al. gezeigt, dass AKG die SOD-Aktivität signifikant verbessern und den Malondialdehyd (MDA)-Spiegel senken kann, was auf eine Verbesserung der antioxidativen Kapazität des Darms hindeutet. In jüngster Zeit deuten immer mehr Studien darauf hin, dass AKG die antioxidative Funktion gegen das oxidative Ungleichgewicht in den Zellen verbessern kann, was wiederum zur Vorbeugung und Behandlung verschiedener durch oxidativen Stress verursachter Krankheiten beiträgt. Daher wollen wir in dieser Übersicht die jüngsten Fortschritte bei der antioxidativen Funktion von AKG und seinen Anwendungen zusammenfassen.

2. Biochemische Eigenschaften von AKG

AKG ist eine schwache Säure, die zwei Carboxylgruppen und eine Ketongruppe enthält und auch 2-Ketoglutarsäure oder 2-Oxoglutarsäure genannt wird. AKG besitzt viele physiologische Funktionen. Einerseits kann AKG mit Ammoniak reagieren und dann in Glutamat umgewandelt werden; anschließend reagiert das Glutamat weiter mit Ammoniak und erzeugt Glutamin (Abbildung 1). Andererseits reagiert AKG mit H2O2 als Ergebnis der Umwandlung von Succinat, Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O), wodurch schließlich H2O2 eliminiert wird (Abbildung 2) . Darüber hinaus kann AKG im TCA-Zyklus reichlich ATP produzieren und Energie für die Prozesse in den Darmzellen bereitstellen. Darüber hinaus hat AKG positive Auswirkungen auf Schäden durch oxidativen Stress in Darmschleimhautzellen und trägt zur Redox-Homöostase der Zellen bei. Es wurde berichtet, dass enterales AKG oxidiert und von der Darmschleimhaut als Energiespender und Antioxidationsmittel über den TCA-Zyklus genutzt wurde. Abgesehen davon übt AKG auch antioxidativen Schutz durch enzymatische Systeme und nicht-enzymatische oxidative Decarboxylierung aus.

Abbildung 1

Die Umwandlung von AKG in Glutamat und Glutamin.

Abbildung 2

Nicht-enzymatische oxidative Decarboxylierung von AKG bei der Wasserstoffperoxid-Zersetzung.

3. Antioxidative Funktion von AKG

3.1. Antioxidative Aktivitäten

Das Gleichgewicht zwischen Oxidantien und Antioxidantien spielt eine wichtige Rolle bei den physiologischen Funktionen in Zellen und Biomolekülen. Das antioxidative System umfasst enzymatische und nicht-enzymatische Wirkstoffe. Zu den antioxidativen Enzymen gehören SOD, CAT, GSH-Px, und zu den nicht-enzymatischen Wirkstoffen gehören GSH, Vitamin C und Vitamin E. AKG ist eine antioxidative Substanz, die eine wichtige Rolle beim Abfangen von ROS im Organismus spielt. Zunehmende Studien deuten darauf hin, dass AKG als natürliches Gegenmittel zum Auffangen von Ammoniak dient, indem es seine antioxidative Kapazität ausübt. Es wurde berichtet, dass die Inhalation von AKG eine schützende Rolle bei Ammoniak-induzierten Lungenschäden bei Ratten zeigte. Der Mechanismus könnte durch die Senkung der Laktatdehydrogenase (LDH) und der MDA sowie durch die Erhöhung der Aktivitäten von SOD und CAT und des GSH-Spiegels bedingt sein. Die Lipidperoxidation ist anfällig für Ammoniak oder Traumata wie Verbrennungen und produziert schließlich MDA, was zu Membranverletzungen und sogar zur Apoptose der Zellen führt, während Antioxidantien wie SOD und GSH-Px die Lipidperoxidation und Verletzungen verhindern. AKG könnte die Lipidperoxidation verhindern, indem es die SOD-, GSH-Px- und CAT-Aktivitäten erhöht, um den Fettstoffwechsel zu erleichtern, und dann die durch Ethanol induzierte Hepatotoxizität und die durch Ammoniumacetat induzierte Hyperammonämie bei Ratten mildern. In ähnlicher Weise spielt AKG auch eine chemopräventive Rolle bei der durch N-Nitrosodiethylamin (NDEA) induzierten Hepatokarzinogenese bei Ratten, indem es den Gehalt an Antioxidantien und Lipidperoxid so moduliert, dass er normale Werte erreicht. Darüber hinaus zeigt AKG eine hohe Resistenz gegenüber Ammoniak-N-Stress bei Hybridstören, da es die Aktivität antioxidativer Enzyme und die Genexpression von HSP 70 und HSP 90 erhöht. Außerdem könnte cyanidinduzierter oxidativer Stress zu Neurotoxizität, Lipidperoxidation und Membranfunktionsstörungen führen, insbesondere im Gehirn und in den Nieren von Tieren wie Ratten. Außerdem hemmt Cyanid nachweislich die antioxidative Abwehr, indem es die SOD-Aktivität und den GSH-Spiegel verringert. Interessanterweise gilt AKG aufgrund seiner chemischen Struktur, die in der Lage ist, sich mit Cyanid zu verbinden und Cyanohydrin zu bilden, als natürlicher Antagonist von Cyanidvergiftungen und verhindert darüber hinaus Cyanidvergiftungen oder Cyanidletalität. In In-vitro- und Vivo-Modellen mit Ratten reduziert AKG den durch Cyanid verursachten GSH-Verlust und DNA-Schäden. Darüber hinaus zeigen Studien, dass AKG allein das Gehirn und die Leber vor cyanidinduzierten oxidativen Schäden schützen kann, indem es den GSH-, SOD- und GSH-Px-Spiegel erhöht und den MDA-Spiegel bei Ratten reduziert, insbesondere in Kombination mit Natriumthiosulfat. Darüber hinaus zeigt eine neuere Studie, dass AKG die Gefrier-Tau-Toleranz erhöhen und den durch Kohlenhydratstress induzierten Zelltod in Hefe verhindern kann, und dass der Schutzweg an der verbesserten antioxidativen Abwehr beteiligt sein könnte.

3.2. Nicht-enzymatische oxidative Decarboxylierung bei der H2O2-Zersetzung

Im Hinblick auf den antioxidativen Schutz zeigen einige Studien, dass AKG seine Funktion eher durch andere Redox-Regulationsmechanismen als durch antioxidative Aktivitäten ausübt. Eine Reihe von Studien zeigt, dass AKG als Energiequelle und Antioxidationsmittel zur Verbesserung des physiologischen Stoffwechsels und zum Abfangen von ROS fungiert, um oxidativen Stress durch nicht-enzymatische oxidative Decarboxylierung beim H2O2-Abbau zu lindern. Wasserstoffperoxid, eines der ROS, ist ein schwaches Oxidationsmittel und zytotoxisch und verursacht leicht oxidative Stressschäden in den Zellen, wie z. B. Zellmembranschäden und DNA-Veränderungen. Tatsächlich zeigen Pyruvat und α-Ketosäuren in vivo und vitro eine schützende Wirkung auf die H2O2-induzierte Toxizität und können die Blut-Hirn-Schranke überwinden und H2O2 abfangen, was einen neuen therapeutischen Weg gegen H2O2-induzierte Gehirnpathologien darstellt. Der Mechanismus könnte auf die nicht-enzymatische oxidative Decarboxylierung zurückzuführen sein, bei der die Ketongruppe im α-Kohlenstoffatom mit H2O2 kombiniert wird, um die entsprechende Carbonsäure, CO2 und H2O zu bilden. AKG dient als wichtiges Zwischenprodukt im TCA-Zyklus und ist an der nicht-enzymatischen oxidativen Decarboxylierung bei der H2O2-Zersetzung beteiligt. Es wurde nachgewiesen, dass AKG die antioxidative Kapazität durch Senkung des H2O2-Spiegels in der Leber und der Darmschleimhaut von Enten deutlich erhöht. Außerdem spielt AKG eine schützende Rolle bei der Schädigung von Darmzellen, die durch H2O2 über den Mitochondrienweg verursacht wird. In ähnlicher Weise wird die schützende Wirkung von AKG bei der Abschwächung der toxischen Effekte von H2O2 in Drosophila melanogaster, anderen Tieren und Menschen beobachtet, was ein starker Beweis für die H2O2-Fangfähigkeit von AKG ist. Somit kann AKG als wirksamer Fänger bei der nicht-enzymatischen oxidativen Decarboxylierung beim Abbau von H2O2 eingesetzt werden.

4. Die Anwendungen von AKG bei Tieren und Menschen

AKG wurde bei Tieren und Menschen als Futtermittelzusatz und Medizin weithin verwendet. In der Tierindustrie könnte AKG die Wachstumsleistung, die Stickstoffverwertung, die Immunität, die Knochenentwicklung, die Verletzung der Darmschleimhaut und das oxidative System wirksam verbessern. Beim Menschen wird AKG in großem Umfang bei Traumata, Alterskrankheiten, postoperativer Genesung und anderen ernährungsbedingten Krankheiten eingesetzt. Was die antioxidative Funktion betrifft, so spielt AKG eine entscheidende Rolle bei zahlreichen Erkrankungen, die mit dem Altern, Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und neurologischen Erkrankungen einhergehen. Es wurde berichtet, dass AKG seine antioxidative Kapazität entwickelt hat, um die Ethanoltoxizität zu bekämpfen und die Kältetoleranz im Drosophila-Modell zu verbessern, was eine wirksame Therapie gegen Ethanol- und Alkoholvergiftungen bei Tieren und Menschen darstellt. Eine ähnliche schützende Wirkung wird bei der durch Lipopolysaccharid verursachten Leberschädigung festgestellt, bei der AKG eine neue Intervention zur Linderung von Leberschäden bei jungen Schweinen darstellt. AKG sorgt auch für die Stabilisierung des Redox-Zustandes für den antioxidativen Schutz. In der Tat spielt die AKG-Oxidation eine positive Rolle bei der Aufrechterhaltung des Niveaus der reduktiven Carboxylierung, um mitochondriale Defekte in Krebszellen zu behandeln. Außerdem verbessert die orale Verabreichung von AKG die Elastizität der Blutgefäße, indem es seine antioxidative Wirkung in alternden Organismen entfaltet. Außerdem könnte AKG die GSH-Syntheserate in menschlichen Erythrozyten erhöhen. Es wurde festgestellt, dass AKG die Häufigkeit von Katarakten, die durch Natriumselenit bei Ratten induziert werden, wirksam verringert und als ROS-Fänger fungiert. Darüber hinaus wirkt AKG als neuroprotektiver Wirkstoff bei ischämischer Pathologie des Hippocampus. Darüber hinaus zeigt eine neue Studie, dass AKG durch die Regulierung des zellulären Energiestoffwechsels die Lebensspanne des Organismus regulieren und altersbedingten Krankheiten vorbeugen kann. Interessanterweise zeichnet sich AKG neben seiner antioxidativen Funktion auch durch eine prooxidative Eigenschaft aus, die in Rattenhomogenaten aktive Komplexe mit Eisen bilden kann. Bei leichtem oxidativem Stress führt es zur Aktivierung des antioxidativen Systems von AKG und zeigt damit seine schützenden Wirkungen, wie z.B. die Stärkung der Widerstandsfähigkeit der Hefezellen gegen oxidativen Stress.

5. Zusammenfassung und Ausblick

AKG dient als zentrales Zwischenprodukt und ist bei Tieren und Menschen weit verbreitet. AKG übt seine antioxidative Funktion in erster Linie wie folgt aus: (1) Erhöhung der antioxidativen Enzymaktivitäten und des Gehalts an nicht-enzymatischen Stoffen gegen oxidativen Stress und Lipidperoxidation, insbesondere bei Ammoniak- und Zyanidvergiftungen; (2) Beteiligung an der nicht-enzymatischen oxidativen Decarboxylierung beim Abbau von H2O2, um ROS abzufangen und den Organismus vor verschiedenen ROS-induzierten Krankheiten zu schützen. AKG stellt eine vielversprechende therapeutische Intervention für klinische Krankheiten bei Tieren und Menschen dar (Abbildung 3). Neben den oben genannten antioxidativen Stoffwechselwegen ist Nrf2/ARE ein wichtiger Regulator des antioxidativen Prozesses, der zur Aufrechterhaltung der Redox-Homöostase beiträgt, und es wurde nachgewiesen, dass er bei verschiedenen Krankheiten (z. B. Leberschäden, traumatische Hirnverletzungen und Entzündungen), die durch oxidativen Stress ausgelöst werden, eine wichtige Rolle spielt. Von besonderem Interesse ist, dass Glutamin nachweislich die Genexpression von Nrf2 verbessert, indem es den Nrf2/ARE-Signalweg aktiviert, um die ROS-Bildung zu unterdrücken, den GSH-Spiegel zu erhöhen und Apoptose im Darm zu verhindern. Ob AKG als Vorläufer von Glutamin jedoch direkt den Nrf2/ARE-Signalweg aktivieren könnte, um oxidativen Stress zu lindern, ist nicht erforscht und bedarf weiterer Untersuchungen.

Abbildung 3

Die antioxidative Funktion von AKG und seine Anwendungen. ①: antioxidative Enzymaktivitäten; ②: nicht-enzymatische oxidative Decarboxylierung bei der Zersetzung von Wasserstoffperoxyd.

Abkürzungen

Interessenkonflikte

Die Autoren erklären, dass es keine Interessenkonflikte im Zusammenhang mit der Veröffentlichung dieser Arbeit gibt.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde unterstützt von der National Science Foundation for Distinguished Young Scholars of Hunan Province (2016JJ1015), der National Natural Science Foundation of China (31472107, 31470132, 31702126), der „Hundred Talent“-Preis der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und die Open Foundation of Key Laboratory of Agro-Ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences (ISA2016101).