Abstract
L’alfa-chetoglutarato (AKG) è un intermedio cruciale del ciclo di Krebs e gioca un ruolo critico in molteplici processi metabolici negli animali e negli esseri umani. In particolare, l’AKG contribuisce all’ossidazione dei nutrienti (cioè, aminoacidi, glucosio, acidi grassi) e poi fornisce energia per i processi cellulari. Come precursore del glutammato e della glutammina, l’AKG agisce come agente antiossidante in quanto reagisce direttamente con il perossido di idrogeno con formazione di succinato, acqua e anidride carbonica; nel frattempo, scarica un sacco di ATP per decarbossilazione ossidativa. Studi recenti mostrano anche che l’AKG ha un effetto alleviante sullo stress ossidativo come fonte di energia e antiossidante nelle cellule dei mammiferi. In questa recensione, evidenziamo i recenti progressi nella funzione antiossidativa dell’AKG e le sue applicazioni negli animali e nell’uomo.
1. Introduzione
Le specie reattive dell’ossigeno (ROS) sono specie chimiche contenenti ossigeno tra cui l’anione superossido, il perossido di idrogeno (H2O2) e i radicali idrossili, e la maggior parte dei quali sono prodotti dai mitocondri e dalle nicotinammide adenina dinucleotide fosfato (NADPH) ossidasi. Da notare che l’eccesso di ROS potrebbe portare allo stress ossidativo nelle cellule. Lo stress ossidativo è associato al disordine delle proteine, all’ossidazione dei lipidi e alle rotture degli acidi nucleici, che possono compromettere ulteriormente le funzioni fisiologiche cellulari. Numerosi studi hanno suggerito che lo stress ossidativo può provocare alcune malattie patogene, come il cancro, disturbi neurologici, malattie legate all’età, aterosclerosi, infiammazione e malattie cardiovascolari. I mammiferi hanno evoluto una serie di difese antiossidanti per proteggere le biomolecole vitali dal danno ossidativo. Da un lato, gli agenti antiossidanti, come gli enzimi antiossidanti come superossido dismutasi (SOD), catalasi (CAT), e glutatione perossidasi (GSH-Px), o agenti nonenzimatici, come il glutatione (GSH), vitamina C e vitamina E, possono pulire la maggior parte dei ROS. D’altra parte, i ROS in eccesso possono anche attivare molte vie di segnalazione come le protein chinasi attivate da mitogeni (MAPK), il fattore NF-eritroide 2/elemento di risposta antiossidante (Nrf2/ARE), e il recettore γ attivato dal proliferatore del perossisoma (PPARγ), che svolgono un ruolo vitale nell’omeostasi redox cellulare e contribuiscono alla difesa antiossidativa.
Il glutammato, come precursore del GSH, esercita effetti alleviativi sullo stress ossidativo in medicina e chirurgia. AKG, come precursore della glutammina, è più economico e più stabile della glutammina e agisce come antiossidante al posto della glutammina in molti processi cellulari. Molti rapporti hanno dimostrato che l’AKG può essere convertito in glutammina dal glutammato deidrogenasi (GDH) e dalla glutammina sintetasi (GS), che è un segno di funzione antiossidativa. È evidente che l’AKG potrebbe migliorare la capacità antiossidativa promuovendo il contenuto di glutammina e i sistemi antiossidativi. Inoltre, Chen et al. hanno dimostrato che AKG potrebbe migliorare significativamente l’attività SOD ma ridurre il livello di malondialdeide (MDA), suggerendo un miglioramento della capacità antiossidativa intestinale. Recentemente, sempre più studi hanno indicato che AKG potrebbe migliorare la funzione antiossidativa contro lo squilibrio ossidativo nelle cellule, che ha ulteriormente contribuito alla prevenzione e al trattamento di varie malattie indotte dallo stress ossidativo. Pertanto, in questa recensione, ci proponiamo di riassumere i recenti progressi della funzione antiossidativa di AKG e le sue applicazioni.
2. Caratteristiche biochimiche di AKG
AKG è un acido debole contenente due gruppi carbossilici e un gruppo chetonico che è anche chiamato acido 2-chetoglutarico o acido 2-oxoglutarico. L’AKG possiede molte funzioni fisiologiche. Da un lato, l’AKG potrebbe reagire con l’ammoniaca e poi essere convertito in glutammato; successivamente, il glutammato reagisce ulteriormente con l’ammoniaca e genera glutammina (Figura 1). D’altra parte, AKG reagisce con H2O2 come risultato della conversione di succinato, anidride carbonica (CO2) e acqua (H2O), ottenendo infine l’eliminazione di H2O2 (Figura 2) . Inoltre, l’AKG potrebbe produrre un sacco di ATP nel ciclo TCA e fornire energia per i processi cellulari intestinali. Inoltre, AKG ha effetti positivi sui danni da stress ossidativo nelle cellule della mucosa intestinale e contribuisce all’omeostasi redox delle cellule. È stato riportato che l’AKG enterale è stato ossidato e utilizzato dalla mucosa intestinale, quindi, come donatore di energia e agente antiossidante attraverso il ciclo TCA. Oltre a quanto sopra, AKG esercita anche una difesa antiossidativa attraverso sistemi enzimatici e decarbossilazione ossidativa non enzimatica.
3. Funzione antiossidativa di AKG
3.1. Attività antiossidanti
L’equilibrio tra ossidanti e antiossidanti gioca un ruolo importante nelle funzioni fisiologiche delle cellule e delle biomolecole. Il sistema antiossidante comprende agenti enzimatici e non enzimatici. Gli enzimi antiossidanti includono SOD, CAT, GSH-Px, e gli agenti nonenzimatici includono GSH, vitamina C, vitamina E. AKG è una sostanza antiossidante che esibisce un ruolo vitale nello scavenging dei ROS nell’organismo. Studi crescenti suggeriscono che AKG serve come un antidoto naturale di scavenging ammoniaca esercitando la sua capacità antiossidativa. È stato riportato che l’inalazione di AKG ha mostrato un ruolo protettivo nel danno polmonare indotto dall’ammoniaca nei ratti. Il meccanismo può essere causato dalla riduzione dei livelli di lattato deidrogenasi (LDH) e MDA e dal miglioramento delle attività di SOD e CAT e del livello di GSH. La perossidazione lipidica è sensibile all’ammoniaca o a traumi come le ustioni e alla fine produce MDA con conseguente lesione della membrana e persino apoptosi cellulare, mentre gli antiossidanti come SOD e GSH-Px sono utili per prevenire la perossidazione lipidica e le lesioni. AKG potrebbe prevenire la perossidazione lipidica aumentando le attività di SOD, GSH-Px e CAT per facilitare il metabolismo dei grassi, e quindi alleviare l’epatotossicità indotta da etanolo e iperammonemia indotta da acetato di ammonio nei ratti. Allo stesso modo, AKG svolge anche un ruolo chemiopreventivo nella epatocarcinogenesi indotta da N-nitrosodietilamina (NDEA) nei ratti modulando i livelli di antiossidanti e perossido di lipidi per accedere a livelli normali. Inoltre, l’AKG mostra un’alta resistenza allo stress da ammoniaca-N negli storioni ibridi in quanto aumenta l’attività degli enzimi antiossidanti e l’espressione dei geni HSP 70 e HSP 90. Inoltre, lo stress ossidativo indotto dal cianuro potrebbe portare alla neurotossicità, alla perossidazione lipidica e alla disfunzione della membrana soprattutto nel cervello e nei reni di animali come i ratti. E il cianuro è evidente per inibire la difesa antiossidativa come la riduzione dell’attività SOD e il livello di GSH. È interessante notare che AKG è considerato un antagonista naturale dell’avvelenamento da cianuro a causa della sua struttura chimica che è in grado di legarsi al cianuro per produrre cianoidrina e prevenire ulteriormente l’avvelenamento da cianuro o la letalità da cianuro. In modelli di ratto in vitro e in vivo, AKG riduce la deplezione di GSH e i danni al DNA indotti dal cianuro. Inoltre, gli studi dimostrano che AKG da solo potrebbe prevenire il cervello e il fegato dal danno ossidativo indotto dal cianuro aumentando i livelli di GSH, SOD e GSH-Px e riducendo il livello di MDA nei ratti, soprattutto se combinato con tiosolfato di sodio. Inoltre, uno studio recente indica che AKG potrebbe migliorare la tolleranza al congelamento e prevenire la morte cellulare indotta dallo stress da carboidrati nel lievito, e il percorso protettivo potrebbe essere coinvolto nella difesa antiossidante migliorata. Decarbossilazione ossidativa non enzimatica nella decomposizione H2O2
Per quanto riguarda la difesa antiossidativa, alcuni studi mostrano che AKG esercita la sua funzione attraverso altri meccanismi di regolazione redox piuttosto che attività antiossidanti. Un certo numero di studi dimostrano che AKG agisce come fonte di energia e agente antiossidante per migliorare il metabolismo fisiologico e scavenging ROS per alleviare lo stress ossidativo attraverso la decarbossilazione ossidativa nonenzimatica nella decomposizione H2O2. Il perossido di idrogeno, uno dei ROS, è un ossidante debole e citotossico e causa facilmente lesioni da stress ossidativo nelle cellule, come danni alla membrana cellulare e alterazioni del DNA. Infatti, il piruvato e gli α-chetoacidi mostrano effetti protettivi sulla tossicità indotta dall’H2O2 in vivo e in vitro e possono attraversare la barriera emato-encefalica e scavenge H2O2, che forniscono una nuova modalità terapeutica contro le patologie cerebrali indotte dall’H2O2. Il meccanismo può essere dovuto alla decarbossilazione ossidativa non enzimatica in cui il gruppo chetonico nell’atomo di carbonio α è combinato con H2O2 per formare il corrispondente acido carbossilico, CO2 e H2O. AKG serve come un intermedio chiave nel ciclo TCA e partecipa alla decarbossilazione ossidativa nonenzimatica nella decomposizione H2O2. È stato dimostrato che AKG ha aumentato significativamente la capacità antiossidativa diminuendo il livello di H2O2 nel fegato e nella mucosa intestinale delle anatre. Inoltre, AKG svolge un ruolo protettivo nei danni alle cellule intestinali indotti da H2O2 attraverso la via dei mitocondri. Allo stesso modo, l’azione protettiva di AKG è notato in alleviare gli effetti tossici di H2O2 in Drosophila melanogaster, altri animali e gli esseri umani, che fornisce una forte prova per la capacità H2O2-scavenging di AKG. Così, AKG può essere usato come un potente scavenger nella decarbossilazione ossidativa nonenzimatica nella decomposizione H2O2.
4. Le applicazioni di AKG negli animali e negli esseri umani
AKG è stato ampiamente utilizzato negli animali e negli esseri umani come additivo per mangimi e medicina. Nell’industria animale, AKG potrebbe efficacemente migliorare le prestazioni di crescita, l’utilizzo dell’azoto, l’immunità, lo sviluppo delle ossa, le lesioni della mucosa intestinale e il sistema ossidativo. Negli esseri umani, AKG è ampiamente usato nel trauma, nelle malattie invecchiate, nel recupero post-operatorio e in altre malattie nutrizionali. In termini di funzione antiossidativa, AKG esibisce un ruolo cruciale in molteplici malattie coinvolte nell’invecchiamento, cancro, malattie cardiovascolari e malattie neurologiche. È stato riportato che AKG ha sviluppato la sua capacità antiossidante per combattere la tossicità dell’etanolo e migliorare la tolleranza al freddo nel modello di Drosophila, che ha fornito una terapia efficace contro l’avvelenamento da etanolo e alcol negli animali e negli esseri umani. Un simile effetto protettivo è stato notato nella lesione epatica indotta da lipopolisaccaridi in cui AKG fornisce un nuovo intervento per alleviare il danno epatico nei giovani maiali. AKG mantiene anche la stabilizzazione dello stato redox per la difesa antiossidante. Infatti, l’ossidazione di AKG svolge un ruolo benefico nel mantenere i livelli di carbossilazione riduttiva per gestire i difetti mitocondriali nelle cellule tumorali. Inoltre, la somministrazione orale di AKG migliora l’elasticità dei vasi sanguigni esercitando il suo antiossidante negli organismi che invecchiano. Inoltre, AKG potrebbe facilitare il tasso di sintesi di GSH negli eritrociti umani. AKG è stato identificato per diminuire efficacemente l’incidenza della cataratta indotta dal selenito di sodio nel ratto e ha agito come spazzino di ROS. Inoltre, AKG funziona come un agente neuroprotettivo nella patologia ischemica dell’ippocampo. Inoltre, un nuovo studio dimostra che AKG potrebbe regolare la durata della vita dell’organismo e prevenire le malattie legate all’età regolando il metabolismo energetico cellulare. È interessante notare che, oltre alla funzione antiossidativa, AKG è caratterizzato da proprietà pro-ossidativa che può generare complessi attivi con il ferro negli omogenati del cervello di ratto. Sotto un lieve stress ossidativo, risulta l’attivazione del sistema antiossidante dell’AKG, mostrando così i suoi effetti protettivi come il rafforzamento della resistenza delle cellule di lievito allo stress ossidativo.
5. Riassunto e prospettive
L’AKG serve come intermedio fondamentale ed è ampiamente applicato negli animali e negli esseri umani. In particolare, l’AKG esercita principalmente la sua funzione antiossidativa come segue: (1) aumentando le attività degli enzimi antiossidanti e i livelli di agenti nonenzimatici contro lo stress ossidativo e la perossidazione lipidica, specialmente nell’intervento di avvelenamento da ammoniaca e cianuro; (2) partecipando alla decarbossilazione ossidativa nonenzimatica nella decomposizione H2O2 per pulire i ROS e proteggere l’organismo da varie malattie indotte dai ROS. E AKG fornisce un promettente intervento terapeutico per le malattie cliniche negli animali e negli esseri umani (Figura 3). Oltre alle vie antiossidative di cui sopra, Nrf2/ARE è un importante regolatore del processo antiossidativo che aiuta a mantenere l’omeostasi redox, ed è stato dimostrato che svolge un ruolo vitale in varie malattie (cioè, lesioni epatiche, lesioni cerebrali traumatiche e infiammazione) indotte dallo stress ossidativo. Di particolare interesse, la glutammina è stata verificata per migliorare l’espressione genica di Nrf2 attivando la via di segnalazione Nrf2/ARE per sopprimere la generazione di ROS, elevare i livelli di GSH e prevenire l’apoptosi nell’intestino. Tuttavia, come precursore della glutammina, se AKG potrebbe attivare direttamente la via di segnalazione Nrf2/ARE per alleviare lo stress ossidativo o no, la ricerca pertinente su questo non è riportata e ulteriori studi sono necessari.
Abbreviazioni
| AKG: | Alpha-ketoglutarate |
| ROS: | Specie reattive dell’ossigeno |
| H2O2: | perossido di idrogeno |
| NADPH: | Nicotinamide adenina dinucleotide fosfato |
| SOD: | Superossido dismutasi |
| CAT: | Catalasi |
| GSH-Px: | Glutathione peroxidase |
| GSH: | Glutathione |
| MAPKs: | Mitogen-activated protein kinase |
| Nrf2/ARE: | NF-Erythroid 2-related factor/antioxidant response element |
| PPARγ: | Ricettore attivato dal perossisoma proliferatore γ |
| GDH: | Glutammato deidrogenasi |
| GS: | Glutammina sintetasi |
| MDA: | Malondialdeide |
| CO2: | Diossido di carbonio |
| H2O: | Acqua |
| LDH: | Lattato deidrogenasi |
| NDEA: | Nitrosodietilamina. |
Conflitti di interesse
Gli autori dichiarano che non ci sono conflitti di interesse riguardo alla pubblicazione di questo articolo.
Riconoscimenti
Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation for Distinguished Young Scholars of Hunan Province (2016JJ1015), dalla National Natural Science Foundation of China (31472107, 31470132, 31702126), il premio “Hundred Talent” dell’Accademia Cinese delle Scienze, e l’Open Foundation of Key Laboratory of Agro-Ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences (ISA2016101).