Abstract
Alfa-ketoglutaran (AKG) jest kluczowym pośrednikiem cyklu Krebsa i odgrywa krytyczną rolę w wielu procesach metabolicznych u zwierząt i ludzi. AKG przyczynia się do utleniania składników odżywczych (tj. aminokwasów, glukozy, kwasów tłuszczowych), a następnie dostarcza energii do procesów komórkowych. Jako prekursor glutaminianu i glutaminy, AKG działa jako środek antyoksydacyjny, ponieważ bezpośrednio reaguje z nadtlenkiem wodoru z utworzeniem bursztynianu, wody i dwutlenku węgla; w międzyczasie rozładowuje mnóstwo ATP poprzez oksydacyjną dekarboksylację. Ostatnie badania pokazują również, że AKG ma łagodzący wpływ na stres oksydacyjny jako źródło energii i antyoksydant w komórkach ssaków. W tym przeglądzie podkreślamy ostatnie postępy w antyoksydacyjnej funkcji AKG i jej zastosowaniach u zwierząt i ludzi.
1. Wprowadzenie
Reaktywne formy tlenu (ROS) są formami chemicznymi zawierającymi tlen, w tym anion ponadtlenkowy, nadtlenek wodoru (H2O2) i rodniki hydroksylowe, z których większość jest wytwarzana przez mitochondria i oksydazy fosforanu dinukleotydu nikotynamidu adeninowego (NADPH). Warto zauważyć, że nadmiar ROS może prowadzić do stresu oksydacyjnego w komórkach. Stres oksydacyjny wiąże się z zaburzeniami w funkcjonowaniu białek, utlenianiem lipidów i pękaniem kwasów nukleinowych, co może dodatkowo upośledzać funkcje fizjologiczne komórek. Liczne badania sugerują, że stres oksydacyjny może prowadzić do niektórych chorób patogennych, takich jak nowotwory, zaburzenia neurologiczne, choroby związane z wiekiem, miażdżyca, stany zapalne i choroby układu krążenia. Ssaki rozwinęły szereg mechanizmów obrony antyoksydacyjnej w celu ochrony ważnych biomolekuł przed uszkodzeniem oksydacyjnym. Z jednej strony, czynniki antyoksydacyjne, takie jak enzymy antyoksydacyjne, takie jak dysmutaza ponadtlenkowa (SOD), katalaza (CAT) i peroksydaza glutationowa (GSH-Px), lub czynniki nieenzymatyczne, takie jak glutation (GSH), witamina C i witamina E, mogą usunąć większość ROS. Z drugiej strony, nadmiar ROS może również aktywować wiele szlaków sygnałowych, takich jak mitogen-activated protein kinase (MAPKs), NF-erythroid 2-related factor/antioxidant response element (Nrf2/ARE) i peroxisome proliferator-activated receptor γ (PPARγ), które odgrywają istotną rolę w komórkowej homeostazy redoks i przyczyniają się do obrony antyoksydacyjnej.
Glutaminian, jako prekursor GSH, wywiera łagodzący wpływ na stres oksydacyjny w medycynie i chirurgii. AKG, jako prekursor glutaminy, jest tańszy i bardziej stabilny niż glutamina i działa jako antyoksydant zamiast glutaminy w wielu procesach komórkowych. Wiele doniesień wykazało, że AKG może być przekształcany w glutaminę przez dehydrogenazę glutaminianową (GDH) i syntezę glutaminy (GS), co jest oznaką funkcji antyoksydacyjnej. Oczywiste jest, że AKG może poprawić zdolność antyoksydacyjną poprzez promowanie zawartości glutaminy i systemów antyoksydacyjnych. Ponadto Chen i wsp. wykazali, że AKG może znacznie poprawić aktywność SOD, ale zmniejszyć poziom dialdehydu malonowego (MDA), sugerując poprawę zdolności antyoksydacyjnej jelit. Ostatnio coraz więcej badań wskazuje, że AKG może poprawić funkcję antyoksydacyjną przeciwko zaburzeniu równowagi oksydacyjnej w komórkach, co dodatkowo przyczyniło się do zapobiegania i leczenia różnych chorób wywołanych przez stres oksydacyjny. Dlatego w tym przeglądzie, mamy na celu podsumowanie ostatnich postępów w antyoksydacyjnej funkcji AKG i jej zastosowań.
2. Biochemiczna charakterystyka AKG
AKG jest słabym kwasem zawierającym dwie grupy karboksylowe i grupę ketonową, która jest również nazywana kwasem 2-ketoglutarowym lub kwasem 2-oksoglutarowym. AKG posiada wiele funkcji fizjologicznych. Z jednej strony, AKG może reagować z amoniakiem, a następnie zostać przekształcona w glutaminian; glutaminian dalej reaguje z amoniakiem i powstaje glutamina (rysunek 1). Z drugiej strony, AKG reaguje z H2O2 w wyniku konwersji bursztynianu, dwutlenku węgla (CO2) i wody (H2O), ostatecznie doprowadzając do eliminacji H2O2 (rysunek 2). Dodatkowo AKG może produkować dużo ATP w cyklu TCA i dostarczać energii do procesów zachodzących w komórkach jelitowych. Ponadto AKG wywiera pozytywny wpływ na uszkodzenia wywołane stresem oksydacyjnym w komórkach błony śluzowej jelita i przyczynia się do homeostazy redoks komórek. Stwierdzono, że podawany dojelitowo AKG był utleniany i wykorzystywany przez błonę śluzową jelita, a tym samym jako dawca energii i czynnik antyoksydacyjny poprzez cykl TCA. Oprócz powyższego, AKG wywiera również obronę antyoksydacyjną poprzez systemy enzymatyczne i nieenzymatyczną dekarboksylację oksydacyjną.
3. Antyoksydacyjna funkcja AKG
3.1. Antioxidants Activities
Równowaga pomiędzy oksydantami i antyoksydantami odgrywa ważną rolę w funkcjach fizjologicznych w komórkach i biomolekułach. System antyoksydacyjny obejmuje czynniki enzymatyczne i nieenzymatyczne. Enzymy antyoksydacyjne obejmują SOD, CAT, GSH-Px, a czynniki nieenzymatyczne obejmują GSH, witaminę C, witaminę E. AKG jest substancją antyoksydacyjną, która wykazuje istotną rolę w wymiataniu ROS w organizmie. Rosnące badania sugerują, że AKG służy jako naturalne antidotum na zmiatanie amoniaku poprzez wywieranie swoich zdolności antyoksydacyjnych. Stwierdzono, że inhalacja AKG wykazała ochronną rolę w indukowanym amoniakiem uszkodzeniu płuc u szczurów. Mechanizm ten może być spowodowany obniżeniem poziomu dehydrogenazy mleczanowej (LDH) i MDA oraz poprawą aktywności SOD i CAT oraz poziomu GSH. Peroksydacja lipidów jest podatna na działanie amoniaku lub urazów takich jak oparzenia i ostatecznie wytwarza MDA, co prowadzi do uszkodzenia błony, a nawet apoptozy komórek, podczas gdy przeciwutleniacze takie jak SOD i GSH-Px są korzystne, aby zapobiec peroksydacji lipidów i urazów. AKG może zapobiec peroksydacji lipidów poprzez zwiększenie aktywności SOD, GSH-Px i CAT, aby ułatwić metabolizm tłuszczów, a następnie złagodzić hepatotoksyczność wywołaną etanolem i hiperamonemię wywołaną przez octan amonu u szczurów. Podobnie, AKG również wykonuje chemoprewencyjną rolę w hepatokarcynogenezie wywołanej przez N-nitrozodietyloaminę (NDEA) u szczurów poprzez modulowanie poziomu przeciwutleniaczy i nadtlenku lipidów, aby uzyskać dostęp do normalnych poziomów. Ponadto AKG wykazuje wysoką odporność na stres amoniakalny u jesiotrów hybrydowych, ponieważ zwiększa aktywność enzymów antyoksydacyjnych oraz ekspresję genów HSP 70 i HSP 90. Poza tym, stres oksydacyjny wywołany cyjankiem może prowadzić do neurotoksyczności, peroksydacji lipidów i dysfunkcji błon, szczególnie w mózgu i nerkach zwierząt takich jak szczury. I cyjanek jest oczywiste, aby zahamować obronę antyoksydacyjną, takie jak zmniejszenie aktywności SOD i poziomu GSH . Co ciekawe, AKG jest uważany za naturalnego antagonistę zatrucia cyjankiem ze względu na jego strukturę chemiczną, która jest w stanie wiązać się z cyjankiem do produkcji cyjanohydryny i dalej zapobiegać zatruciu cyjankiem lub śmiertelności cyjanku. W szczurzych modelach in vitro i vivo, AKG zmniejsza zubożenie GSH i uszkodzenia DNA wywołane przez cyjanek. Ponadto badania pokazują, że sam AKG może zapobiegać uszkodzeniom oksydacyjnym mózgu i wątroby wywołanym cyjankiem poprzez zwiększenie poziomu GSH, SOD i GSH-Px oraz zmniejszenie poziomu MDA u szczurów, zwłaszcza w połączeniu z tiosiarczanem sodu. Dodatkowo, ostatnie badania wskazują, że AKG może zwiększyć tolerancję na zamrażanie-rozmrażanie i zapobiec śmierci komórek wywołanej stresem węglowodanowym w drożdżach, a ścieżka ochronna może być zaangażowana w zwiększoną obronę antyoksydacyjną .
3.2. Nonenzymatic Oxidative Decarboxylation in H2O2 Decomposition
W odniesieniu do obrony antyoksydacyjnej, niektóre badania pokazują, że AKG wywiera swoją funkcję przez inne mechanizmy regulacyjne redoks, a nie działania antyoksydacyjne. Szereg badań pokazuje, że AKG działa jako źródło energii i przeciwutleniacz na poprawę fizjologicznego metabolizmu i scavenging ROS złagodzić stres oksydacyjny poprzez nieenzymatyczny oksydacyjnej dekarboksylacji w H2O2 rozkładu. Nadtlenek wodoru, jeden z ROS, jest słabym utleniaczem i cytotoksyczny i łatwo powoduje stres oksydacyjny szkody w komórkach, takich jak uszkodzenia błony komórkowej i zmiany DNA . Rzeczywiście, pirogronian i α-ketokwasy wykazują działanie ochronne na toksyczność wywołaną przez H2O2 in vivo i vitro i mogą przekroczyć barierę krew-mózg i zmiatać H2O2, które zapewniają nowy tryb terapeutyczny przeciwko patologiom mózgu wywołanym przez H2O2. Mechanizm może być ze względu na nieenzymatyczne oksydacyjnej dekarboksylacji, w którym grupa ketonowa w α- atom węgla jest połączony z H2O2 do tworzenia odpowiedniego kwasu karboksylowego, CO2 i H2O. AKG służy jako kluczowy półprodukt w cyklu TCA i uczestniczy w nieenzymatycznej oksydacyjnej dekarboksylacji w rozkładzie H2O2. Wykazano, że AKG znacząco podnosi zdolność antyoksydacyjną poprzez obniżenie poziomu H2O2 w wątrobie i błonie śluzowej jelit u kaczek. AKG odgrywa również rolę ochronną w uszkodzeniach komórek jelitowych wywołanych przez H2O2 poprzez szlak mitochondrialny. Podobnie, działanie ochronne AKG jest zauważalny w łagodzeniu toksycznych skutków H2O2 w Drosophila melanogaster, innych zwierząt i ludzi, co stanowi silny dowód na H2O2-scavenging zdolności AKG . Tak więc, AKG może być stosowany jako silny wymiatacz w nieenzymatycznej oksydacyjnej dekarboksylacji w rozkładzie H2O2.
4. Zastosowania AKG u zwierząt i ludzi
AKG był szeroko stosowany u zwierząt i ludzi jako dodatek do pasz i leków. W przemyśle zwierzęcym, AKG może skutecznie poprawić wydajność wzrostu, wykorzystanie azotu, odporność, rozwój kości, uszkodzenia błony śluzowej jelit i systemu oksydacyjnego. U ludzi, AKG jest szeroko stosowany w traumie, choroby wieku, pooperacyjnego odzysku i innych chorób żywieniowych. Pod względem funkcji antyoksydacyjnej, AKG wykazuje kluczową rolę w wielu chorobach związanych ze starzeniem się, nowotworami, chorobami układu krążenia i chorobami neurologicznymi. Stwierdzono, że AKG rozwija swoje zdolności antyoksydacyjne w celu zwalczania toksyczności etanolu i zwiększenia tolerancji na zimno w modelu Drosophila, co zapewniło skuteczną terapię przeciwko etanolowi i zatruciu alkoholem u zwierząt i ludzi. Podobny efekt ochronny jest zauważalny w uszkodzeniu wątroby wywołanym lipopolisacharydem, w którym AKG zapewnia nową interwencję w celu złagodzenia uszkodzenia wątroby u młodych świń. AKG utrzymuje również stabilizację stanu redoks dla obrony antyoksydacyjnej. Rzeczywiście, utlenianie AKG odgrywa korzystną rolę w utrzymaniu poziomów redukcyjnej karboksylacji do obsługi wad mitochondrialnych w komórkach nowotworowych. Poza tym, doustne podawanie AKG poprawia elastyczność naczyń krwionośnych poprzez działanie antyoksydacyjne w starzejących się organizmach. Dodatkowo, AKG może ułatwić tempo syntezy GSH w ludzkich erytrocytach. AKG został zidentyfikowany, aby skutecznie zmniejszyć częstość występowania zaćmy wywołanej przez selenin sodu u szczurów i działał jako wymiatacz ROS. Co więcej, AKG funkcjonuje jako środek neuroprotekcyjny w patologii niedokrwienia hipokampa. Co więcej, nowe badanie pokazuje, że AKG może regulować długość życia organizmu i zapobiegać chorobom związanym z wiekiem poprzez regulację metabolizmu energii komórkowej. Co ciekawe, oprócz funkcji antyoksydacyjnej, AKG charakteryzuje się właściwościami prooksydacyjnymi, które mogą generować aktywne kompleksy z żelazem w homogenatach mózgu szczura. W warunkach łagodnego stresu oksydacyjnego powoduje to aktywację systemu antyoksydacyjnego AKG, wykazując tym samym jego działanie ochronne, takie jak wzmocnienie odporności komórek drożdży na stres oksydacyjny .
5. Podsumowanie i perspektywa
AKG służy jako kluczowy półprodukt i jest szeroko stosowany u zwierząt i ludzi. W szczególności, AKG przede wszystkim wywiera swoją funkcję antyoksydacyjną poprzez następujące działania: (1) zwiększanie aktywności enzymów antyoksydacyjnych i nieenzymatycznych poziomów czynników przeciwko stresowi oksydacyjnemu i peroksydacji lipidów, szczególnie w interwencji zatrucia amoniakiem i cyjankiem; (2) udział w nieenzymatycznej oksydacyjnej dekarboksylacji w rozkładzie H2O2, aby zmiatać ROS i chronić organizm przed różnymi chorobami wywołanymi przez ROS. A AKG stanowi obiecującą interwencję terapeutyczną w chorobach klinicznych u zwierząt i ludzi (rysunek 3). Oprócz powyższych szlaków antyoksydacyjnych, Nrf2/ARE jest ważnym regulatorem procesu antyoksydacyjnego, który pomaga utrzymać homeostazę redoks, i udowodniono, że odgrywa istotną rolę w różnych chorobach (tj. uszkodzenie wątroby, urazowe uszkodzenie mózgu i zapalenie) wywołanych przez stres oksydacyjny. Szczególnie interesujące jest to, że glutamina została sprawdzona w celu poprawy ekspresji genu Nrf2 poprzez aktywację szlaku sygnałowego Nrf2/ARE w celu tłumienia generacji ROS, podniesienia poziomu GSH i zapobiegania apoptozie w jelicie. Jednak jako prekursor glutaminy, czy AKG może bezpośrednio aktywować ścieżkę sygnalizacyjną Nrf2/ARE w celu złagodzenia stresu oksydacyjnego, czy nie, odpowiednie badania na ten temat nie zostały zgłoszone i potrzebne są dalsze badania.
Skróty
| AKG: | Alfa-ketoglutaran |
| ROS: | Reaktywne formy tlenu |
| H2O2: | Nadtlenek wodoru |
| NADPH: | Fosforan dinukleotydu nikotynamido-adeninowego |
| SOD: | Dysmutaza ponadtlenkowa |
| CAT: | Katalaza |
| GSH-Px: | Peroksydaza glutationowa |
| GSH: | Glutation |
| MAPKs: | Kinaza białkowa aktywowana mitogenem |
| Nrf2/ARE: | NF-Erythroid 2-related factor/antioxidant response element |
| PPARγ: | Peroxisome proliferator-activated receptor γ |
| GDH: | Dehydrogenaza glutaminianowa |
| GS: | Syntetaza glutaminowa |
| MDA: | Malondialdehyd |
| CO2: | Dwutlenek węgla |
| H2O: | Woda |
| LDH: | Dehydrogenaza mleczanowa |
| NDEA: | N-Nitrozodietyloamina. |
Konflikty interesów
Autorzy deklarują, że nie ma konfliktów interesów dotyczących publikacji tej pracy.
Podziękowania
Ta praca była wspierana przez National Science Foundation for Distinguished Young Scholars of Hunan Province (2016JJ1015), National Natural Science Foundation of China (31472107, 31470132, 31702126), nagrodę Chińskiej Akademii Nauk „Hundred Talent” oraz Open Foundation of Key Laboratory of Agro-Ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences (ISA2016101).