Az alfa-ketoglutarát antioxidatív funkciója és alkalmazásai

Abstract

Az alfa-ketoglutarát (AKG) a Krebs-ciklus egyik fontos köztes terméke, és kritikus szerepet játszik számos anyagcsere-folyamatban az állatokban és az emberekben. Figyelemre méltó, hogy az AKG hozzájárul a tápanyagok (pl. aminosavak, glükóz, zsírsavak) oxidációjához, majd energiát biztosít a sejtfolyamatokhoz. A glutamát és a glutamin prekurzoraként az AKG antioxidáns szerként működik, mivel közvetlenül reagál a hidrogén-peroxiddal szukcinát, víz és szén-dioxid képződésével; eközben oxidatív dekarboxilációval rengeteg ATP-t szabadít fel. A legújabb tanulmányok azt is mutatják, hogy az AKG enyhítő hatással van az oxidatív stresszre, mint energiaforrás és antioxidáns az emlőssejtekben. Ebben az áttekintésben kiemeljük az AKG antioxidatív funkciójával kapcsolatos legújabb eredményeket és annak alkalmazását állatokban és emberekben.

1. Bevezetés

A reaktív oxigénfajok (ROS) oxigéntartalmú kémiai fajok, beleértve a szuperoxid-aniont, a hidrogén-peroxidot (H2O2) és a hidroxilgyököket, és amelyek nagy részét a mitokondriumok és a nikotinamid-adenin-dinukleotid-foszfát (NADPH) oxidázok termelik . Megjegyzendő, hogy a ROS feleslege oxidatív stresszhez vezethet a sejtekben. Az oxidatív stressz a fehérjék rendellenességével, lipidoxidációval és nukleinsavtörésekkel jár, ami tovább ronthatja a sejtek élettani funkcióit. Számos tanulmány azt sugallta, hogy az oxidatív stressz egyes patogén betegségek, például a rák , a neurológiai rendellenességek , az életkorral összefüggő betegségek , az ateroszklerózis , a gyulladás és a szív- és érrendszeri betegségek kialakulásához vezethet. Az emlősök egy sor antioxidáns védelmet fejlesztettek ki, hogy megvédjék a létfontosságú biomolekulákat az oxidatív károsodástól. Egyrészt az antioxidáns szerek, például az antioxidáns enzimek, mint a szuperoxid-dizmutáz (SOD), a kataláz (CAT) és a glutation-peroxidáz (GSH-Px), vagy a nem enzimatikus szerek, mint a glutation (GSH), a C-vitamin és az E-vitamin, képesek a legtöbb ROS-t megtisztítani . Másrészt a felesleges ROS számos jelátviteli útvonalat is aktiválhat, mint például a mitogén-aktivált protein kináz (MAPK), NF-erythroid 2-related factor/antioxidant response element (Nrf2/ARE) és a peroxiszóma proliferátor aktivált receptor γ (PPARγ), amelyek létfontosságú szerepet játszanak a sejtek redox homeosztázisában és hozzájárulnak az antioxidatív védelemhez .

A glutamát, mint a GSH prekurzora, enyhítő hatást fejt ki az oxidatív stresszre az orvostudományban és a sebészetben . Az AKG, mint a glutamin prekurzora, olcsóbb és stabilabb, mint a glutamin, és a glutamin helyett antioxidánsként működik számos sejtfolyamatban. Számos jelentés bizonyította, hogy az AKG glutamát-dehidrogenáz (GDH) és glutamin-szintetáz (GS) által glutaminná alakítható, ami az antioxidatív funkció jele. Nyilvánvaló, hogy az AKG javíthatja az antioxidatív kapacitást a glutamintartalom és az antioxidatív rendszerek előmozdításával . Ezenkívül Chen és munkatársai kimutatták, hogy az AKG jelentősen javíthatja a SOD-aktivitást, de csökkentheti a malondialdehid (MDA) szintjét, ami a bél antioxidatív kapacitásának javulására utal . A közelmúltban egyre több tanulmány jelezte, hogy az AKG javíthatja az antioxidatív funkciót az oxidatív egyensúlyhiány ellen a sejtekben, ami tovább hozzájárult az oxidatív stressz által kiváltott különböző betegségek megelőzéséhez és kezeléséhez. Ezért ebben a felülvizsgálatban az a célunk, hogy összefoglaljuk az AKG antioxidatív funkciójának és alkalmazásainak legújabb előrelépéseit.

2. Az AKG biokémiai jellemzői

Az AKG egy gyenge sav, amely két karboxilcsoportot és egy ketoncsoportot tartalmaz, amelyet 2-ketoglutársavnak vagy 2-oxoglutársavnak is neveznek. Az AKG számos élettani funkcióval rendelkezik. Egyrészt az AKG reagálhat ammóniával, majd glutamáttá alakulhat át; ezt követően a glutamát tovább reagál ammóniával és glutamint hoz létre (1. ábra). Másrészt az AKG H2O2-vel reagál a szukcinát, a szén-dioxid (CO2) és a víz (H2O) átalakulásának eredményeként, és végül a H2O2 eliminációját éri el (2. ábra) . Ezenkívül az AKG rengeteg ATP-t termelhet a TCA-ciklusban, és energiát biztosíthat a bélsejtek folyamataihoz. Továbbá az AKG pozitív hatást fejt ki az oxidatív stressz okozta károkra a bélnyálkahártya sejtjeiben, és hozzájárul a sejtek redox-homeosztázisához . Arról számoltak be, hogy az enterális AKG-t a bélnyálkahártya oxidálta és felhasználta, ezáltal a TCA-cikluson keresztül energiadonorként és antioxidáns szerként. A fentieken kívül az AKG enzimatikus rendszereken és nem enzimatikus oxidatív dekarboxiláción keresztül is antioxidatív védelmet fejt ki.

1. ábra

Az AKG átalakulása glutamáttá és glutaminná.

3. Az AKG antioxidatív funkciója

3.1. Az AKG antioxidatív funkciója

3.1. Az AKG oxidatív funkciója. Antioxidáns tevékenységek

Az oxidánsok és antioxidánsok közötti egyensúly fontos szerepet játszik a sejtek és biomolekulák élettani funkcióiban. Az antioxidáns rendszer enzimatikus és nem enzimatikus szereket foglal magában. Az antioxidáns enzimek közé tartozik a SOD, CAT, GSH-Px, a nem enzimatikus ágensek közé pedig a GSH, C-vitamin, E-vitamin . Az AKG egy antioxidáns anyag, amely létfontosságú szerepet játszik a szervezetben lévő ROS-ok elkapásában. Az egyre növekvő tanulmányok azt sugallják, hogy az AKG az antioxidatív kapacitásával az ammónia elszívásának természetes ellenszereként szolgál. Arról számoltak be, hogy az AKG belélegzése védő szerepet mutatott az ammónia által kiváltott tüdőkárosodásban patkányoknál . A mechanizmus oka lehet a laktát-dehidrogenáz (LDH) és az MDA szintjének csökkentése, valamint a SOD és a CAT aktivitásának és a GSH szintjének javítása. A lipidperoxidáció érzékeny az ammóniára vagy az égési sérülésekre, és végül MDA-t termel, ami membránkárosodáshoz és még sejt apoptózishoz is vezet, míg az antioxidánsok, mint a SOD és a GSH-Px jótékonyan hatnak a lipidperoxidáció és a károsodás megelőzésére . Az AKG megakadályozhatta a lipidperoxidációt a SOD, a GSH-Px és a CAT aktivitás növelésével, hogy megkönnyítse a zsíranyagcserét, majd enyhítse az etanol által kiváltott hepatotoxicitást és az ammónium-acetát által kiváltott hiperammonémiát patkányokban . Hasonlóképpen, az AKG kemopreventív szerepet játszik az N-nitrozodietilamin (NDEA) által indukált hepatokarcinogenezisben patkányokban az antioxidánsok és a lipidperoxid szintjének modulálásával a normál szint eléréséhez. Továbbá, az AKG nagyfokú ellenállást mutat az ammónia-N stresszel szemben hibrid tokfélékben, mivel fokozza az antioxidáns enzimek aktivitását és a HSP 70 és HSP 90 gének kifejeződését. Emellett a cianidok által kiváltott oxidatív stressz neurotoxicitáshoz, lipidperoxidációhoz és a membrán diszfunkciójához vezethet, különösen az állatok, például a patkányok agyában és veséjében . És a cianid nyilvánvalóan gátolja az antioxidatív védelmet, például csökkenti a SOD aktivitást és a GSH szintet . Érdekes módon az AKG-t a cianidmérgezés természetes antagonistájának tekintik, mivel kémiai szerkezete képes a cianidhoz kötődni, hogy cianohidrint termeljen, és tovább megakadályozza a cianidmérgezést vagy a cianid letalitást . Patkány in vitro és vivo modellekben az AKG csökkenti a GSH kimerülését és a cianid által kiváltott DNS-károsodást . Továbbá, a vizsgálatok azt mutatják, hogy az AKG önmagában meg tudja akadályozni az agy és a máj cianid okozta oxidatív károsodását a GSH, SOD és GSH-Px szintjének növelésével és az MDA szintjének csökkentésével patkányokban, különösen nátrium-tioszulfáttal kombinálva . Továbbá, egy nemrégiben végzett tanulmány szerint az AKG fokozhatja a fagyasztás-felengedés toleranciát és megakadályozhatja a szénhidrát stressz által kiváltott sejthalált élesztőben, és a védő útvonal részt vehet a fokozott antioxidáns védelemben .

3.2. Nem enzimatikus oxidatív dekarboxiláció a H2O2 bontásban

Az antioxidatív védekezés tekintetében egyes vizsgálatok azt mutatják, hogy az AKG nem antioxidáns aktivitással, hanem más redoxszabályozó mechanizmusokkal fejti ki funkcióját. Számos tanulmány bizonyítja, hogy az AKG energiaforrásként és antioxidánsként hat a fiziológiai anyagcsere javítására és a ROS-ok elszívására az oxidatív stressz enyhítése érdekében a H2O2 bomlás nem enzimatikus oxidatív dekarboxilációján keresztül. A hidrogén-peroxid, az egyik ROS, gyenge oxidálószer és citotoxikus, és könnyen okoz oxidatív stresszkárosodást a sejtekben, például sejtmembrán-károsodást és DNS-változásokat . Valójában a piruvát és az α-ketosavak védőhatást mutatnak a H2O2 által kiváltott toxicitással szemben in vivo és vitro, és képesek átjutni a vér-agy gáton és elnyelni a H2O2-t, ami új terápiás módot biztosít a H2O2 által kiváltott agyi patológiák ellen. A mechanizmus a nem enzimatikus oxidatív dekarboxilációnak köszönhető, amelyben az α-szénatom ketoncsoportja H2O2-vel egyesül a megfelelő karbonsav, CO2 és H2O képződéséhez. Az AKG kulcsfontosságú köztes termékként szolgál a TCA-ciklusban, és részt vesz a nem enzimatikus oxidatív dekarboxilációban a H2O2 bomlásában. Kimutatták, hogy az AKG jelentősen megnövelte az antioxidatív kapacitást azáltal, hogy csökkentette a H2O2 szintjét a kacsák májában és bélnyálkahártyájában . Továbbá az AKG védő szerepet tölt be a H2O2 által indukált bélsejtkárosodásban a mitokondriumok útján keresztül . Hasonlóképpen, az AKG védőhatása észrevehető a H2O2 toxikus hatásainak enyhítésében a Drosophila melanogasterben, más állatokban és emberekben, ami erős bizonyítékot szolgáltat az AKG H2O2-megkötő képességére. Így az AKG a H2O2 bomlásában a nem-enzimatikus oxidatív dekarboxilációban hatékony scavengerként használható.

4. Az AKG alkalmazásai az állatokban és az emberekben

Az AKG-t széles körben használják állatokban és emberekben takarmány-adalékanyagként és gyógyszerként. Az állattenyésztésben az AKG hatékonyan javíthatja a növekedési teljesítményt, a nitrogénfelhasználást, az immunitást, a csontfejlődést, a bélnyálkahártya-sérülést és az oxidatív rendszert . Az emberekben az AKG-t széles körben használják trauma, idős betegségek, műtét utáni helyreállítás és egyéb táplálkozási betegségek esetén . Az antioxidatív funkció tekintetében az AKG döntő szerepet játszik az öregedésben, a rákban, a szív- és érrendszeri betegségekben és a neurológiai betegségekben szerepet játszó számos betegségben. Arról számoltak be, hogy az AKG kifejlesztette antioxidáns kapacitását az etanol toxicitás elleni küzdelemre és a hidegtűrés fokozására a Drosophila modellben, amely hatékony terápiát biztosított az etanol és az alkoholmérgezés ellen állatokban és emberekben . Hasonló védőhatást észleltek a lipopoliszacharid által kiváltott májkárosodásban, amelyben az AKG új beavatkozást nyújt a májkárosodás enyhítésére fiatal sertésekben . Az AKG fenntartja a redox állapot stabilizálását is az antioxidáns védelem érdekében. Valójában az AKG oxidációja jótékony szerepet játszik a reduktív karboxiláció szintjének fenntartásában a mitokondriális hibák kezelésében a rákos sejtekben . Emellett az AKG szájon át történő beadása javítja az erek rugalmasságát azáltal, hogy az öregedő szervezetekben antioxidánst fejt ki . Ezenkívül az AKG megkönnyítheti a GSH szintézis sebességét az emberi eritrocitákban . Az AKG-t úgy azonosították, hogy hatékonyan csökkenti a nátrium-szelenit által kiváltott szürkehályog előfordulását patkányban, és a ROS-ok elnyelőjeként működik. Ezenkívül az AKG neuroprotektív szerként működik a hippokampusz iszkémiás patológiájában . Továbbá, egy új tanulmány azt mutatja, hogy az AKG szabályozhatja a szervezet élettartamát és megelőzheti az életkorral összefüggő betegségeket a sejtek energiaanyagcseréjének szabályozásával . Érdekes módon az antioxidatív funkció mellett az AKG-t prooxidatív tulajdonság jellemzi, amely aktív komplexeket hozhat létre a vassal patkány agyi homogenátumokban . Enyhe oxidatív stressz esetén az AKG antioxidáns rendszerének aktiválódását eredményezi, így megjelenik védő hatása, mint például az élesztősejtek oxidatív stresszel szembeni ellenállásának erősítése .

5. Összefoglalás és perspektíva

Az AKG kulcsfontosságú köztes termékként szolgál, és széles körben alkalmazzák az állatokban és az emberekben. Különösen az AKG elsősorban az alábbiak révén fejti ki antioxidatív funkcióját: (1) fokozza az antioxidatív enzimek aktivitását és a nem enzimatikus szerek szintjét az oxidatív stressz és a lipidperoxidáció ellen, különösen az ammónia és a cianid mérgezés beavatkozásában; (2) részt vesz a nem enzimatikus oxidatív dekarboxilációban a H2O2 bomlásában a ROS elszívása és a szervezet védelme a különböző ROS-indukált betegségektől. Az AKG pedig ígéretes terápiás beavatkozást nyújt az állatok és az emberek klinikai betegségeinek kezelésére (3. ábra). A fenti antioxidatív útvonalak mellett az Nrf2/ARE az antioxidatív folyamatok fontos szabályozója, amely segíti a redox-homeosztázis fenntartását, és bizonyítottan létfontosságú szerepet játszik az oxidatív stressz által kiváltott különböző betegségekben (pl. májkárosodás, traumás agykárosodás és gyulladás). Különösen érdekes, hogy a glutamin bizonyítottan javítja az Nrf2 génexpresszióját az Nrf2/ARE jelátviteli útvonal aktiválásával a ROS-termelés elnyomása, a GSH-szint növelése és az apoptózis megelőzése érdekében a bélben . Azonban, mint a glutamin prekurzora, hogy az AKG közvetlenül aktiválhatja-e az Nrf2/ARE jelátviteli útvonalat az oxidatív stressz enyhítésére vagy sem, az ezzel kapcsolatos releváns kutatásokat nem jelentették, és további tanulmányok szükségesek.

3. ábra

Az AKG antioxidatív funkciója és alkalmazásai. ①: antioxidatív enzimek aktivitásai; ②: nem enzimatikus oxidatív dekarboxiláció a hidrogén-peroxid bomlásában.

Rövidítések

Érdekütközések

A szerzők kijelentik, hogy e cikk publikálásával kapcsolatban nem állnak fenn érdekellentétek.

Köszönet

Ezt a munkát támogatta a Hunan tartomány Kiváló Fiatal Tudósok Nemzeti Tudományos Alapítványa (2016JJ1015), a Kínai Nemzeti Természettudományi Alapítvány (31472107, 31470132, 31702126), a Kínai Tudományos Akadémia “Száz tehetség” díja, valamint a Kínai Tudományos Akadémia Szubtrópusi Agrár-ökológiai Folyamatok Kiemelt Laboratóriumának Nyílt Alapítványa, Szubtrópusi Mezőgazdasági Intézet (ISA2016101).