De antioxidatieve functie van alfa-ketoglutaraat en zijn toepassingen

Abstract

Alfa-ketoglutaraat (AKG) is een cruciaal tussenproduct van de Krebs-cyclus en speelt een cruciale rol in meerdere stofwisselingsprocessen bij dieren en mensen. AKG draagt bij tot de oxidatie van voedingsstoffen (d.w.z. aminozuren, glucose, vetzuren) en levert vervolgens energie voor celprocessen. Als precursor van glutamaat en glutamine fungeert AKG als antioxidant, aangezien het direct reageert met waterstofperoxide met vorming van succinaat, water en kooldioxide; ondertussen ontlaadt het veel ATP door oxidatieve decarboxylering. Recente studies tonen ook aan dat AKG een verlichtend effect heeft op oxidatieve stress als energiebron en antioxidant in zoogdiercellen. In dit overzicht belichten we recente vorderingen in de antioxidatieve functie van AKG en de toepassingen ervan bij dieren en mensen.

1. Inleiding

Reactieve zuurstofspecies (ROS) zijn zuurstofhoudende chemische soorten, waaronder superoxide anion, waterstofperoxide (H2O2), en hydroxylradicalen, waarvan de meeste worden geproduceerd door mitochondriën en nicotinamide adenine dinucleotide fosfaat (NADPH) oxidases. Een overmaat aan ROS kan leiden tot oxidatieve stress in de cellen. Oxidatieve stress wordt in verband gebracht met de ontregeling van eiwitten, oxidatie van lipiden en breuken van nucleïnezuren, die de fysiologische functies van de cellen verder kunnen aantasten. Talrijke studies suggereren dat oxidatieve stress kan leiden tot een aantal pathogene ziekten, zoals kanker, neurologische aandoeningen, ouderdomsziekten, atherosclerose, ontstekingen en hart- en vaatziekten. Zoogdieren hebben een reeks antioxidantverdedigingsstoffen ontwikkeld om vitale biomoleculen te beschermen tegen oxidatieve schade. Enerzijds kunnen antioxidanten, zoals antioxidantenzymen als superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT) en glutathion peroxidase (GSH-Px), of niet-enzymatische stoffen, zoals glutathion (GSH), vitamine C en vitamine E, het merendeel van de ROS opruimen. Aan de andere kant kan de overmaat aan ROS ook veel signaalwegen activeren, zoals mitogeen-geactiveerd proteïne kinase (MAPK’s), NF-erythroid 2-gerelateerde factor/antioxidant response element (Nrf2/ARE), en peroxisome proliferator-activated receptor γ (PPARγ), die een vitale rol spelen in cellulaire redox homeostase en bijdragen aan antioxidatieve verdediging .

Glutamaat, als precursor van GSH, heeft een verlichtende werking op oxidatieve stress in de geneeskunde en chirurgie . AKG, als een precursor van glutamine, is goedkoper en stabieler dan glutamine en fungeert als een antioxidant in plaats van glutamine in vele cellulaire processen. Vele rapporten toonden aan dat AKG kan worden omgezet in glutamine door glutamaat dehydrogenase (GDH) en glutamine synthetase (GS), wat een teken is van antioxidatieve functie. Het is duidelijk dat AKG de antioxidatieve capaciteit zou kunnen verbeteren door het glutaminegehalte en antioxidatieve systemen te bevorderen. Bovendien toonden Chen et al. aan dat AKG de SOD activiteit aanzienlijk kon verbeteren maar het malondialdehyde (MDA) niveau kon verlagen, wat duidt op een verbetering van de intestinale antioxidatieve capaciteit. Recentelijk toonden meer en meer studies aan dat AKG de antioxidatieve functie tegen oxidatieve onbalans in cellen kon verbeteren, wat verder bijdroeg tot de preventie en behandeling van verschillende ziekten veroorzaakt door oxidatieve stress. Daarom willen we in dit overzicht de recente vorderingen van de antioxidatieve functie van AKG en de toepassingen ervan samenvatten.

2. Biochemische kenmerken van AKG

AKG is een zwak zuur dat twee carboxylgroepen en een ketongroep bevat, die ook 2-ketoglutaarzuur of 2-oxoglutaarzuur wordt genoemd. AKG bezit vele fysiologische functies. Enerzijds kan AKG reageren met ammoniak en vervolgens worden omgezet in glutamaat; vervolgens reageert het glutamaat verder met ammoniak en genereert het glutamine (figuur 1). Anderzijds reageert AKG met H2O2 als gevolg van de omzetting van succinaat, kooldioxide (CO2) en water (H2O), waarbij uiteindelijk H2O2 wordt geëlimineerd (figuur 2) . Bovendien zou AKG in de TCA-cyclus veel ATP kunnen produceren en energie leveren voor darmcelprocessen. Verder heeft AKG positieve effecten op oxidatieve stressschade in darmslijmvliescellen en draagt het bij aan de redoxhomeostase van de cel. Er is gerapporteerd dat enteraal AKG werd geoxideerd en gebruikt door darmslijmvlies, daardoor als energiedonor en antioxidant via de TCA-cyclus. Afgezien van het bovenstaande, AKG oefent ook antioxidatieve verdediging door enzymatische systemen en niet-enzymatische oxidatieve decarboxylatie.

Figuur 1

De omzetting van AKG in glutamaat en glutamine.

3. Antioxidatieve functie van AKG

3.1. Antioxidanten Activiteiten

Het evenwicht tussen oxidanten en antioxidanten speelt een belangrijke rol in fysiologische functies in cellen en biomoleculen. Het antioxidantensysteem omvat enzymatische en niet-enzymatische stoffen. Tot de antioxidatieve enzymen behoren SOD, CAT, GSH-Px, en tot de niet-enzymatische stoffen behoren GSH, vitamine C, vitamine E . AKG is een antioxidant die een vitale rol speelt bij het wegvangen van ROS in het organisme. Groeiende studies suggereren dat AKG dient als een natuurlijk tegengif voor het wegvangen van ammoniak door zijn antioxidatieve capaciteit uit te oefenen. Er werd gerapporteerd dat AKG inhalatie een beschermende rol vertoonde bij ammoniak-geïnduceerde longschade bij ratten. Het mechanisme kan worden veroorzaakt door verlaging van de niveaus van lactaatdehydrogenase (LDH) en MDA en verbetering van de activiteiten van SOD en CAT en het GSH-niveau. Lipide peroxidatie is gevoelig voor ammoniak of trauma zoals brandwonden en produceert uiteindelijk MDA wat resulteert in membraanschade en zelfs celapoptose, terwijl antioxidanten zoals SOD en GSH-Px gunstig zijn om de lipide peroxidatie en schade te voorkomen. AKG kan lipide peroxidatie voorkomen door SOD, GSH-Px, en CAT activiteiten te verhogen om vetmetabolisme te vergemakkelijken, en vervolgens ethanol-geïnduceerde hepatotoxiciteit en hyperammonemie, geïnduceerd door ammoniumacetaat bij ratten, te verlichten. Evenzo speelt AKG een chemopreventieve rol bij hepatocarcinogenese geïnduceerd door N-nitrosodiethylamine (NDEA) bij ratten door de niveaus van antioxidanten en lipide peroxide te moduleren om normale niveaus te bereiken. Verder vertoont AKG een hoge weerstand tegen ammoniak-N stress bij hybride steuren doordat het de antioxidant enzymen activiteit en HSP 70 en HSP 90 genexpressie verhoogt. Bovendien kan cyanide-geïnduceerde oxidatieve stress leiden tot neurotoxiciteit, lipide peroxidatie, en disfunctie van membranen, vooral in de hersenen en nieren van dieren zoals ratten. En het is duidelijk dat cyanide de antioxidatieve verdediging remt, zoals het verminderen van de SOD activiteit en het GSH niveau. Interessant is dat AKG wordt beschouwd als een natuurlijke antagonist van cyanidevergiftiging vanwege zijn chemische structuur die in staat is om zich te binden met cyanide om cyanohydrine te produceren en verder cyanidevergiftiging of cyanide letaliteit te voorkomen. In in vitro en vivo rattenmodellen vermindert AKG GSH-depletie en DNA-schade veroorzaakt door cyanide. Bovendien tonen studies aan dat AKG alleen de hersenen en lever kan beschermen tegen cyanide-geïnduceerde oxidatieve schade door het verhogen van GSH, SOD, en GSH-Px niveaus en het verminderen van MDA niveau bij ratten, vooral in combinatie met natriumthiosulfaat. Bovendien geeft een recente studie aan dat AKG de vries-dooitolerantie kan verbeteren en celdood veroorzaakt door koolhydraatstress in gist kan voorkomen, en de beschermende route kan betrokken zijn bij de verbeterde antioxidantverdediging. Niet-enzymatische Oxidatieve Decarboxylering in H2O2 Afbraak

Met betrekking tot antioxidatieve afweer, tonen sommige studies aan dat AKG zijn functie uitoefent door andere redox regulerende mechanismen in plaats van antioxidant activiteiten. Een aantal studies tonen aan dat AKG fungeert als energiebron en antioxidant bij het verbeteren van het fysiologisch metabolisme en het wegvangen van ROS om oxidatieve stress te verlichten via niet-enzymatische oxidatieve decarboxylering in H2O2-afbraak. Waterstofperoxide, een van de ROS, is een zwak oxidant en cytotoxisch en veroorzaakt gemakkelijk oxidatieve stressschade in cellen, zoals celmembraanschade en DNA-veranderingen. Inderdaad, pyruvaat en α-ketoaciden vertonen beschermende effecten op H2O2-geïnduceerde toxiciteit in vivo en vitro en kunnen de bloed-hersenbarrière overschrijden en H2O2 wegvangen, wat een nieuwe therapeutische modus biedt tegen H2O2-geïnduceerde hersenpathologieën. Het mechanisme kan te wijten zijn aan de niet-enzymatische oxidatieve decarboxylering waarbij de ketongroep in het α-koolstofatoom gecombineerd wordt met H2O2 om het corresponderende carbonzuur, CO2, en H2O te vormen. AKG dient als een belangrijk tussenproduct in de TCA-cyclus en neemt deel aan de niet-enzymatische oxidatieve decarboxylering in de H2O2-afbraak. Er is aangetoond dat AKG de antioxidatieve capaciteit aanzienlijk verhoogde door het niveau van H2O2 in de lever en het darmslijmvlies van eenden te verlagen. Ook speelt AKG een beschermende rol bij schade aan darmcellen veroorzaakt door H2O2 via de mitochondriale route. Evenzo is de beschermende werking van AKG opgemerkt bij het verlichten van de toxische effecten van H2O2 in Drosophila melanogaster, andere dieren en mensen, wat een sterk bewijs levert voor het H2O2-vangend vermogen van AKG. AKG kan dus gebruikt worden als een krachtige scavenger in niet-enzymatische oxidatieve decarboxylatie in H2O2 afbraak.

4. De toepassingen van AKG in dieren en mensen

AKG is op grote schaal gebruikt in dieren en mensen als een toevoegingsmiddel voor diervoeding en medicijnen. In de dierlijke industrie kan AKG de groeiprestaties, het stikstofgebruik, de immuniteit, de botontwikkeling, de darmslijmvliesschade en het oxidatieve systeem effectief verbeteren. Bij mensen wordt AKG uitgebreid gebruikt bij trauma’s, ouderdomsziekten, postoperatief herstel en andere voedingsziekten. Wat de antioxidatieve functie betreft, speelt AKG een cruciale rol bij meerdere ziekten die betrokken zijn bij veroudering, kanker, hart- en vaatziekten en neurologische aandoeningen. Er is gerapporteerd dat AKG zijn antioxidatieve capaciteit ontwikkelde om de toxiciteit van ethanol te bestrijden en de koude tolerantie te verbeteren in het model van Drosophila, wat een effectieve therapie opleverde tegen ethanol en alcoholvergiftiging bij dieren en mensen. Een soortgelijk beschermend effect wordt waargenomen bij lipopolysaccharide-geïnduceerde leverschade, waarbij AKG een nieuwe interventie biedt om leverschade bij jonge varkens te verlichten. AKG handhaaft ook de redox-status stabilisatie voor antioxidant verdediging. Inderdaad, AKG oxidatie speelt een gunstige rol in het handhaven van de niveaus van reductieve carboxylering om mitochondriale defecten in kankercellen te behandelen. Bovendien verbetert orale toediening van AKG de elasticiteit van bloedvaten door het uitoefenen van zijn antioxidant in verouderende organismen. Bovendien zou AKG de snelheid van GSH synthese in menselijke erytrocyten kunnen bevorderen. Van AKG is vastgesteld dat het de incidentie van cataract, geïnduceerd door natriumseleniet bij ratten, effectief vermindert en het fungeert als een scavenger van ROS. Bovendien functioneert AKG als een neuroprotectieve agent in ischemische pathologie van de hippocampus. Verder toont een nieuwe studie aan dat AKG de levensduur van organismen kan reguleren en leeftijdsgebonden ziekten kan voorkomen door het cellulaire energiemetabolisme te reguleren. Interessant is dat AKG, naast een antioxidatieve functie, wordt gekenmerkt door prooxidatieve eigenschappen die actieve complexen met ijzer kunnen genereren in homogenaten van rattenhersenen. Onder milde oxidatieve stress resulteert dit in het activeren van het antioxidant systeem van AKG, waardoor het zijn beschermende effecten vertoont zoals het versterken van de weerstand van de gistcellen tegen oxidatieve stress .

5. Samenvatting en Perspectief

AKG dient als een spil tussenproduct en wordt op grote schaal toegepast bij dieren en mensen. In het bijzonder oefent AKG zijn antioxidatieve functie voornamelijk uit door het volgende: (1) het verbeteren van antioxidatieve enzymen activiteiten en niet-enzymatische agent niveaus tegen oxidatieve stress en lipide peroxidatie, vooral in interventie van ammoniak en cyanide vergiftiging; (2) deelnemen aan niet-enzymatische oxidatieve decarboxylatie in H2O2 afbraak om ROS te scharrelen en het organisme te beschermen tegen verschillende ROS-geïnduceerde ziekten. En AKG biedt een veelbelovende therapeutische interventie voor klinische ziekten bij dieren en mensen (figuur 3). Naast de bovengenoemde antioxidatieve routes, is Nrf2/ARE een belangrijke regulator van het antioxidatieve proces dat helpt om de redox homeostase te behouden, en het is bewezen dat het een vitale rol speelt bij verschillende ziekten (d.w.z. leverschade, traumatisch hersenletsel, en ontsteking) veroorzaakt door oxidatieve stress. Van bijzonder belang is dat glutamine is geverifieerd om de genexpressie van Nrf2 te verbeteren door de Nrf2/ARE signaalroute te activeren om ROS generatie te onderdrukken, GSH niveaus te verhogen, en apoptose in de darm te voorkomen. Echter, als een precursor van glutamine, of AKG direct de Nrf2/ARE signaleringsroute zou kunnen activeren om oxidatieve stress te verlichten of niet, relevant onderzoek daarover is niet gerapporteerd en verdere studie is nodig.

Figuur 3

De antioxidatieve functie van AKG en de toepassingen ervan. ①: antioxidatieve enzymactiviteiten; ②: niet-enzymatische oxidatieve decarboxylering bij de afbraak van waterstofperoxide.

Afkortingen

Conflicts of Interest

De auteurs verklaren dat er geen belangenconflicten zijn met betrekking tot de publicatie van dit artikel.

Acknowledgments

Dit werk werd ondersteund door de National Science Foundation for Distinguished Young Scholars of Hunan Province (2016JJ1015), de National Natural Science Foundation of China (31472107, 31470132, 31702126), de Chinese Academie van Wetenschappen “Hundred Talent” award, en de Open Stichting van Key Laboratory of Agro-Ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academie van Wetenschappen (ISA2016101).