Abstract
Alfa-ketoglutaraatti (AKG) on Krebsin syklin tärkeä välituote, ja sillä on kriittinen rooli useissa aineenvaihduntaprosesseissa eläimillä ja ihmisillä. Huomionarvoista on, että AKG edistää ravintoaineiden (eli aminohappojen, glukoosin ja rasvahappojen) hapettumista ja tuottaa sitten energiaa soluprosesseihin. Glutamaatin ja glutamiinin esiasteena AKG toimii antioksidanttina, koska se reagoi suoraan vetyperoksidin kanssa muodostaen sukkinaattia, vettä ja hiilidioksidia; samalla se vapauttaa runsaasti ATP:tä hapettamalla dekarboksylaatiota. Viimeaikaiset tutkimukset osoittavat myös, että AKG:llä on lieventävä vaikutus hapetusstressiin energianlähteenä ja antioksidanttina nisäkässoluissa. Tässä katsauksessa tuomme esiin viimeaikaisia edistysaskeleita AKG:n antioksidatiivisessa toiminnassa ja sen sovelluksissa eläimillä ja ihmisillä.
1. Johdanto
Reaktiiviset happilajit (ROS) ovat happea sisältäviä kemiallisia lajeja, mukaan lukien superoksidi-anioni, vetyperoksidi (H2O2) ja hydroksyyliradikaalit, ja suurin osa niistä tuotetaan mitokondrioissa ja nikotiiniamidiadeniinidinukleotidifosfaatti-oksidaaseissa (NADPH) . Huomattakoon, että ROS-ylimäärä voi johtaa hapetusstressiin soluissa. Oksidatiivinen stressi liittyy proteiinien häiriintymiseen, lipidien hapettumiseen ja nukleiinihappokatkoksiin, jotka voivat edelleen heikentää solujen fysiologisia toimintoja. Lukuisissa tutkimuksissa on esitetty, että oksidatiivinen stressi voi johtaa joihinkin patogeenisiin sairauksiin, kuten syöpään , neurologisiin häiriöihin , ikääntymiseen liittyviin sairauksiin , ateroskleroosiin , tulehdukseen ja sydän- ja verisuonisairauksiin . Nisäkkäillä on kehittynyt joukko antioksidanttisia puolustusmekanismeja, jotka suojaavat elintärkeitä biomolekyylejä hapettumisvaurioilta. Toisaalta antioksidanttiset aineet, kuten antioksidanttiset entsyymit, kuten superoksididismutaasi (SOD), katalaasi (CAT) ja glutationiperoksidaasi (GSH-Px), tai ei-entsymaattiset aineet, kuten glutationi (GSH), C- ja E-vitamiini, voivat puhdistaa suurimman osan ROS:ista . Toisaalta ylimääräiset ROS:t voivat myös aktivoida monia signalointireittejä, kuten mitogeeni-aktivoitua proteiinikinaasia (MAPK), NF-erythroid 2-related factor/antioxidant response element (Nrf2/ARE) ja peroksisome proliferaattoriaktivoitua reseptoria γ (PPARγ), joilla on tärkeä rooli solujen redox-homeostaasissa ja jotka edistävät antioksidatiivista puolustusta .
Glutamaatti GSH:n esiasteena vaikuttaa lieventävästi oksidatiiviseen stressiin lääketieteessä ja kirurgiassa . AKG on glutamiinin esiasteena halvempi ja vakaampi kuin glutamiini ja toimii antioksidanttina glutamiinin sijasta monissa soluprosesseissa. Monet raportit osoittivat, että AKG voidaan muuntaa glutamaattidehydrogenaasin (GDH) ja glutamiinisyntetaasin (GS) avulla glutamiiniksi, mikä on merkki antioksidatiivisesta toiminnasta. On ilmeistä, että AKG voisi parantaa antioksidatiivista kapasiteettia edistämällä glutamiinipitoisuutta ja antioksidatiivisia järjestelmiä . Lisäksi Chen et al. osoittivat, että AKG voisi merkittävästi parantaa SOD-aktiivisuutta mutta vähentää malondialdehydin (MDA) tasoa, mikä viittaa suoliston antioksidatiivisen kapasiteetin paranemiseen . Viime aikoina yhä useammat tutkimukset osoittivat, että AKG voisi parantaa antioksidatiivista toimintaa solujen oksidatiivista epätasapainoa vastaan, mikä edisti edelleen oksidatiivisen stressin aiheuttamien erilaisten sairauksien ehkäisyä ja hoitoa. Siksi tässä katsauksessa pyrimme tiivistämään AKG: n antioksidatiivisen toiminnan ja sen sovellusten viimeaikaiset edistysaskeleet.
2. AKG: n biokemialliset ominaisuudet
AKG on heikko happo, joka sisältää kaksi karboksyyliryhmää ja ketoniryhmän, jota kutsutaan myös 2-ketoglutariinihapoksi tai 2-oksoglutariinihapoksi. AKG:llä on monia fysiologisia toimintoja. Toisaalta AKG voi reagoida ammoniakin kanssa ja muuttua sitten glutamaatiksi; sen jälkeen glutamaatti reagoi edelleen ammoniakin kanssa ja tuottaa glutamiinia (kuva 1). Toisaalta AKG reagoi H2O2:n kanssa sukkinaatin, hiilidioksidin (CO2) ja veden (H2O) muuntumisen tuloksena, jolloin lopulta saavutetaan H2O2:n poistuminen (kuva 2) . Lisäksi AKG voisi tuottaa runsaasti ATP:tä TCA-syklissä ja tuottaa energiaa suoliston soluprosesseihin. Lisäksi AKG:llä on myönteisiä vaikutuksia hapetusstressin aiheuttamiin vaurioihin suolen limakalvosoluissa ja se edistää solujen redox-homeostaasia . On raportoitu, että enteraalinen AKG hapettui ja suolen limakalvo käytti sitä energian luovuttajana ja antioksidanttina TCA-syklin kautta. Edellä mainitun lisäksi AKG harjoittaa antioksidatiivista puolustusta myös entsymaattisten järjestelmien ja ei-entsymaattisen oksidatiivisen dekarboksylaation avulla.
3. AKG:n antioksidatiivinen funktio
3.1. AKG:n antioksidatiivinen vaikutus. Antioksidanttitoiminnot
Hapettimien ja antioksidanttien välisellä tasapainolla on tärkeä rooli solujen ja biomolekyylien fysiologisissa toiminnoissa. Antioksidanttijärjestelmä koostuu entsymaattisista ja ei-entsymaattisista aineista. Antioksidatiivisiin entsyymeihin kuuluvat SOD, CAT, GSH-Px ja ei-entsymaattisiin aineisiin kuuluvat GSH, C-vitamiini, E-vitamiini . AKG on antioksidanttinen aine, jolla on elintärkeä rooli ROS:ien torjunnassa organismissa. Kasvavat tutkimukset viittaavat siihen, että AKG toimii luonnollisena vastalääkkeenä ammoniakkipäästöille käyttämällä antioksidatiivista kapasiteettiaan. On raportoitu, että AKG:n inhalaatiolla oli suojaava vaikutus ammoniakin aiheuttamiin keuhkovaurioihin rotilla . Mekanismi voi johtua laktaattidehydrogenaasin (LDH) ja MDA:n tasojen alentamisesta sekä SOD:n ja CAT:n aktiivisuuden ja GSH:n tason parantamisesta. Lipidiperoksidaatio on altis ammoniakille tai traumalle, kuten palovammoille, ja tuottaa lopulta MDA:ta, mikä johtaa kalvovaurioon ja jopa solujen apoptoosiin, kun taas antioksidantit, kuten SOD ja GSH-Px, ovat hyödyllisiä estämään lipidiperoksidaatiota ja vaurioita . AKG voisi ehkäistä lipidiperoksidaatiota lisäämällä SOD-, GSH-Px- ja CAT-aktiivisuutta rasva-aineenvaihdunnan helpottamiseksi ja lievittää sitten etanolin aiheuttamaa hepatotoksisuutta ja ammoniumasetaatin aiheuttamaa hyperammonemiaa rotilla . Samoin AKG:llä on myös kemopreventiivinen rooli N-nitrosodietyyliamiinin (NDEA) aiheuttamassa hepatokarsinogeneesissä rotilla moduloimalla antioksidanttien ja lipidiperoksidin tasoja normaalille tasolle. Lisäksi AKG osoittaa suurta vastustuskykyä ammoniakki-N-stressiä vastaan hybridi-torvissa, koska se lisää antioksidanttientsyymien aktiivisuutta ja HSP 70- ja HSP 90 -geenien ilmentymistä. Lisäksi syanidin aiheuttama oksidatiivinen stressi voi johtaa neurotoksisuuteen, lipidiperoksidaatioon ja kalvojen toimintahäiriöihin erityisesti eläinten, kuten rottien, aivoissa ja munuaisissa . Ja syanidi on ilmeisesti estänyt antioksidatiivista puolustusta, kuten SOD-aktiivisuuden ja GSH-tason vähentämistä. Mielenkiintoista on, että AKG:tä pidetään syanidimyrkytyksen luonnollisena antagonistina sen kemiallisen rakenteen vuoksi, joka pystyy sitoutumaan syanidin kanssa tuottamaan syanohydriiniä ja edelleen estämään syanidimyrkytyksen tai syanidin tappavuuden . Rottien in vitro- ja vivo -malleissa AKG vähentää syanidin aiheuttamaa GSH:n vähenemistä ja DNA-vaurioita . Lisäksi tutkimukset osoittavat, että AKG yksinään voisi estää aivojen ja maksan syanidin aiheuttamat oksidatiiviset vauriot lisäämällä GSH-, SOD- ja GSH-Px-tasoja ja vähentämällä MDA-tasoa rotilla, erityisesti yhdistettynä natriumtiosulfaattiin . Lisäksi äskettäinen tutkimus osoittaa, että AKG voisi parantaa pakkas-sulatuksen sietokykyä ja estää hiilihydraattistressin aiheuttaman solukuoleman hiivassa, ja suojaava reitti voi olla mukana tehostetussa antioksidanttipuolustuksessa .
3.2. Ei-entsymaattinen oksidatiivinen dekarboksylaatio H2O2:n hajoamisessa
Antioksidatiivisen puolustuksen osalta jotkin tutkimukset osoittavat, että AKG harjoittaa toimintaansa pikemminkin muilla redox-säätömekanismeilla kuin antioksidanttitoiminnoilla. Useat tutkimukset osoittavat, että AKG toimii energialähteenä ja antioksidanttina fysiologisen aineenvaihdunnan parantamisessa ja ROS-puhdistuksessa oksidatiivisen stressin lievittämiseksi ei-entsymaattisen oksidatiivisen dekarboksylaation kautta H2O2-hajoamisessa. Vetyperoksidi, yksi ROS, on heikko hapetin ja sytotoksinen ja aiheuttaa helposti hapetusstressin aiheuttamia vaurioita soluissa, kuten solukalvovaurioita ja DNA-muutoksia . Pyruvaatilla ja α-ketohapoilla on todellakin suojaavia vaikutuksia H2O2:n aiheuttamaan myrkyllisyyteen in vivo ja vitro, ja ne voivat ylittää veri-aivoesteen ja puhdistaa H2O2:ta, mikä tarjoaa uudenlaisen terapeuttisen tavan H2O2:n aiheuttamia aivopatologioita vastaan. Mekanismi voi johtua ei-entsymaattisesta oksidatiivisesta dekarboksylaatiosta, jossa α-hiiliatomin ketoniryhmä yhdistyy H2O2:n kanssa muodostaen vastaavan karboksyylihapon, CO2:n ja H2O:n. AKG toimii TCA-syklin keskeisenä välituotteena ja osallistuu ei-entsymaattiseen oksidatiiviseen dekarboksylaatioon H2O2:n hajoamisessa. On osoitettu, että AKG nosti merkittävästi antioksidatiivista kapasiteettia vähentämällä H2O2:n määrää ankkojen maksassa ja suolen limakalvolla. AKG:llä on myös suojaava rooli H2O2:n aiheuttamissa suolistosolujen vaurioissa mitokondrioiden kautta . Samoin AKG: n suojaava vaikutus on havaittu H2O2: n toksisten vaikutusten lieventämisessä Drosophila melanogasterissa, muissa eläimissä ja ihmisissä, mikä antaa vahvan todisteen AKG: n H2O2-puhdistuskyvystä. Siten AKG:tä voidaan käyttää voimakkaana scavengerina ei-entsymaattisessa oksidatiivisessa dekarboksylaatiossa H2O2:n hajoamisessa.
4. AKG:n sovellukset eläimissä ja ihmisissä
AKG:tä on käytetty laajalti eläimissä ja ihmisissä rehun lisäaineena ja lääkkeenä. Eläinteollisuudessa AKG voisi tehokkaasti parantaa kasvun suorituskykyä, typen käyttöä, immuniteettia, luuston kehitystä, suoliston limakalvovaurioita ja oksidatiivista järjestelmää . Ihmisillä AKG: tä käytetään laajasti traumoissa, ikääntyneissä sairauksissa, leikkauksen jälkeisessä toipumisessa ja muissa ravitsemuksellisissa sairauksissa . Antioksidatiivisen toiminnan kannalta AKG:llä on ratkaiseva rooli useissa ikääntymiseen, syöpään, sydän- ja verisuonitauteihin ja neurologisiin sairauksiin liittyvissä sairauksissa. On raportoitu, että AKG kehitti antioksidanttikapasiteettiaan etanolin myrkyllisyyden torjumiseksi ja kylmän sietokyvyn parantamiseksi Drosophila-mallissa, mikä tarjosi tehokkaan hoidon etanolin ja alkoholimyrkytyksen torjumiseksi eläimillä ja ihmisillä . Samanlainen suojavaikutus on havaittu lipopolysakkaridin aiheuttamassa maksavauriossa, jossa AKG tarjoaa uuden intervention maksavaurion lievittämiseksi nuorilla sioilla . AKG ylläpitää myös redox-tilan vakauttamista antioksidanttista puolustusta varten. AKG:n hapettumisella on todellakin hyödyllinen rooli reduktiivisen karboksylaation tasojen ylläpitämisessä mitokondriovirheiden käsittelemiseksi syöpäsoluissa . Lisäksi AKG:n oraalinen anto parantaa verisuonten kimmoisuutta käyttämällä antioksidanttiaan ikääntyvissä organismeissa . Lisäksi AKG voisi helpottaa GSH-synteesin nopeutta ihmisen erytrosyyteissä . AKG:n on todettu vähentävän tehokkaasti natriumseleenin aiheuttaman harmaakaihin esiintyvyyttä rotilla ja toimivan ROS:n kerääjänä. Lisäksi AKG toimii neuroprotektiivisena aineena hippokampuksen iskeemisessä patologiassa. Lisäksi uusi tutkimus osoittaa, että AKG voisi säädellä organismin elinikää ja ehkäistä ikään liittyviä sairauksia säätelemällä solujen energia-aineenvaihduntaa . Mielenkiintoista on, että antioksidatiivisen toiminnan lisäksi AKG:lle on ominaista prooksidatiivinen ominaisuus, joka voi tuottaa aktiivisia komplekseja raudan kanssa rotan aivohomogenaatissa . Lievässä oksidatiivisessa stressissä se johtaa AKG: n antioksidanttisen järjestelmän aktivoitumiseen, mikä osoittaa sen suojaavat vaikutukset, kuten hiivasolujen vastustuskyvyn vahvistaminen oksidatiivista stressiä vastaan .
5. Yhteenveto ja tulevaisuudennäkymät
AKG toimii keskeisenä välituotteena ja sitä käytetään laajalti eläimillä ja ihmisillä. Erityisesti AKG harjoittaa antioksidatiivista toimintaansa ensisijaisesti seuraavilla tavoilla: (1) tehostamalla antioksidatiivisten entsyymien toimintaa ja ei-entsymaattisten aineiden tasoja oksidatiivista stressiä ja lipidiperoksidaatiota vastaan, erityisesti ammoniakki- ja syanidimyrkytyksen interventiossa; (2) osallistumalla ei-entsymaattiseen oksidatiiviseen dekarboksylaatioon H2O2: n hajoamisessa ROS: n keräämiseksi ja organismin suojaamiseksi erilaisilta ROS: n aiheuttamilta sairauksilta. Ja AKG tarjoaa lupaavan terapeuttisen intervention kliinisiin sairauksiin eläimillä ja ihmisillä (kuva 3). Edellä mainittujen antioksidatiivisten reittien lisäksi Nrf2/ARE on tärkeä antioksidatiivisen prosessin säätelijä, joka auttaa pitämään yllä redox-homeostaasia, ja sen on osoitettu toimivan tärkeässä roolissa erilaisissa sairauksissa (esim. maksavaurio, traumaattinen aivovaurio ja tulehdus), joita hapetusstressi aiheuttaa. Erityisen kiinnostavaa on, että glutamiinin on todettu parantavan Nrf2:n geeniekspressiota aktivoimalla Nrf2/ARE-signaalireittiä ROS:n synnyn tukahduttamiseksi, GSH-tasojen nostamiseksi ja apoptoosin estämiseksi suolistossa . Glutamiinin esiasteena, voisiko AKG kuitenkin suoraan aktivoida Nrf2/ARE-signalointireitin lievittämään oksidatiivista stressiä vai ei, asiaan liittyvää tutkimusta siitä ei ole raportoitu ja lisätutkimuksia tarvitaan.
Lyhenteet
| AKG: | Alfa-ketoglutaraatti |
| ROS: | Reaktiiviset happilajit |
| H2O2: | Vetyperoksidi |
| NADPH: | Nikotiiniamidiadeniinidinukleotidifosfaatti |
| SOD: | Superoksididismutaasi |
| CAT: | Katalaasi |
| GSH-Px: | Glutationiperoksidaasi |
| GSH: | Glutationi |
| MAPKs: | Mitogeeni-aktivoitu proteiinikinaasi |
| Nrf2/ARE: | NF-Erythroid 2-related factor/antioxidant response element |
| PPARγ: | Peroksisome proliferator-activated receptor γ |
| GDH: | Glutamaattidehydrogenaasi |
| GS: | Glutamiinisyntetaasi |
| MDA: | Malondialdehydi |
| CO2: | Hiilidioksidi |
| H2O: | Vesi |
| LDH: | Laktaattidehydrogenaasi |
| NDEA: | N-Nitrosodietyyliamiini. |
Interressiristiriidat
Tekijät ilmoittavat, että tämän artikkelin julkaisemiseen ei liity eturistiriitoja.
Kiitokset
Tätä työtä ovat tukeneet Hunanin maakunnan arvostettujen nuorten tutkijoiden kansallinen tiedesäätiö (2016JJ1015), Kiinan kansallinen luonnontieteellinen säätiö (31472107, 31470132, 31702126), Kiinan tiedeakatemian ”Hundred Talent” -palkinto ja Kiinan tiedeakatemian subtrooppisen alueen agroekologisten prosessien avainlaboratorion, subtrooppisen maatalouden instituutin avoimen säätiön (ISA2016101) tuki.