Funcția antioxidantă a alfa-cetoglutaratului și aplicațiile sale

Abstract

Alfa-cetoglutaratul (AKG) este un intermediar crucial al ciclului Krebs și joacă un rol critic în multiple procese metabolice la animale și oameni. De remarcat, AKG contribuie la oxidarea nutrienților (de exemplu, aminoacizi, glucoză, acizi grași) și apoi furnizează energie pentru procesele celulare. În calitate de precursor al glutamatului și glutaminei, AKG acționează ca agent antioxidant, deoarece reacționează direct cu peroxidul de hidrogen cu formarea de succinat, apă și dioxid de carbon; între timp, el descarcă o mulțime de ATP prin decarboxilare oxidativă. Studii recente arată, de asemenea, că AKG are un efect de ameliorare a stresului oxidativ ca sursă de energie și ca antioxidant în celulele mamiferelor. În această recenzie, evidențiem progresele recente în funcția antioxidantă a AKG și aplicațiile sale la animale și oameni.

1. Introducere

Speciile reactive de oxigen (ROS) sunt specii chimice care conțin oxigen, inclusiv anionul superoxid, peroxidul de hidrogen (H2O2) și radicalii hidroxil, iar cele mai multe dintre acestea sunt produse de mitocondrii și de nicotinamidă adenină dinucleotidă fosfat (NADPH) oxidaze . De remarcat, excesul de ROS ar putea duce la stres oxidativ în celule. Stresul oxidativ este asociat cu tulburarea proteinelor, oxidarea lipidelor și ruperea acizilor nucleici, ceea ce poate afecta și mai mult funcțiile fiziologice celulare. Numeroase studii au sugerat că stresul oxidativ poate avea ca rezultat unele boli patogene, cum ar fi cancerul , tulburările neurologice , bolile legate de vârstă , ateroscleroza , inflamația și bolile cardiovasculare . Mamiferele au evoluat o serie de apărări antioxidante pentru a proteja biomoleculele vitale de daunele oxidative. Pe de o parte, agenții antioxidanți, cum ar fi enzimele antioxidante precum superoxid dismutaza (SOD), catalază (CAT) și glutation peroxidaza (GSH-Px), sau agenții neenzimatici, cum ar fi glutationul (GSH), vitamina C și vitamina E, pot curăța majoritatea ROS . Pe de altă parte, excesul de ROS poate, de asemenea, să activeze multe căi de semnalizare, cum ar fi proteina kinaza activată de mitogen (MAPK), factorul legat de NF-eritroid 2/elementul de răspuns antioxidant (Nrf2/ARE) și receptorul activat de proliferatorul peroxisomal γ (PPARγ), care joacă un rol vital în homeostazia redox celulară și contribuie la apărarea antioxidativă .

Glutamatul, ca precursor al GSH, exercită efecte atenuante asupra stresului oxidativ în medicină și chirurgie . AKG, ca precursor al glutaminei, este mai ieftin și mai stabil decât glutamina și acționează ca un antioxidant în locul glutaminei în multe procese celulare. Multe rapoarte au demonstrat că AKG poate fi transformat în glutamină de către glutamat dehidrogenază (GDH) și glutamină sintetază (GS), ceea ce reprezintă un semn al funcției antioxidante. Este evident că AKG ar putea îmbunătăți capacitatea antioxidativă prin promovarea conținutului de glutamină și a sistemelor antioxidative . În plus, Chen și colab. au arătat că AKG ar putea îmbunătăți semnificativ activitatea SOD, dar reduce nivelul de malondialdehidă (MDA), sugerând o îmbunătățire a capacității antioxidative intestinale . Recent, din ce în ce mai multe studii au indicat că AKG ar putea îmbunătăți funcția antioxidantă împotriva dezechilibrului oxidativ în celule, ceea ce a contribuit în continuare la prevenirea și tratamentul diferitelor boli induse de stresul oxidativ. Prin urmare, în această trecere în revistă, ne propunem să rezumăm progresele recente ale funcției antioxidante a AKG și aplicațiile sale.

2. Caracteristici biochimice ale AKG

AKG este un acid slab care conține două grupe carboxil și o grupă cetonă, care se mai numește și acid 2-cetonică sau acid 2-oxoglutaric. AKG posedă multe funcții fiziologice. Pe de o parte, AKG ar putea reacționa cu amoniacul și apoi să fie transformat în glutamat; ulterior, glutamatul reacționează în continuare cu amoniacul și generează glutamină (figura 1). Pe de altă parte, AKG reacționează cu H2O2 ca urmare a conversiei de succinat, dioxid de carbon (CO2) și apă (H2O), realizând în cele din urmă eliminarea H2O2 (figura 2) . În plus, AKG ar putea produce o mulțime de ATP în ciclul TCA și furniza energie pentru procesele celulelor intestinale. Mai mult, AKG realizează efecte pozitive asupra leziunilor cauzate de stresul oxidativ în celulele mucoasei intestinale și contribuie la homeostazia redox celulară . S-a raportat că AKG-ul enteral a fost oxidat și utilizat de mucoasa intestinală, fiind astfel un donator de energie și un agent antioxidant prin intermediul ciclului TCA. În afară de cele de mai sus, AKG exercită, de asemenea, apărare antioxidantă prin sisteme enzimatice și decarboxilare oxidativă neenzimatică.

Figura 1

Conversia AKG în glutamat și glutamină.

Figura 2

Descarboxilarea oxidativă neenzimatică a AKG în descompunerea cu peroxid de hidrogen.

3. Funcția antioxidantă a AKG

3.1. Activități antioxidante

Echilibrul dintre oxidanți și antioxidanți joacă un rol important în funcțiile fiziologice din celule și biomolecule. Sistemul antioxidant cuprinde agenți enzimatici și neenzimatici. Enzimele antioxidante includ SOD, CAT, GSH-Px, iar agenții neenzimatici includ GSH, vitamina C, vitamina E . AKG este o substanță antioxidantă care prezintă un rol vital în eliminarea ROS în organism . Studiile din ce în ce mai multe sugerează că AKG servește ca un antidot natural al amoniacului scavenging prin exercitarea capacității sale antioxidative. S-a raportat că inhalarea de AKG a demonstrat un rol protector în leziunile pulmonare induse de amoniac la șobolani. Mecanismul poate fi cauzat de reducerea nivelurilor de lactat dehidrogenază (LDH) și MDA și de îmbunătățirea activităților SOD și CAT și a nivelului GSH. Peroxidarea lipidică este sensibilă la amoniac sau la traumatisme precum arsurile și, în cele din urmă, produce MDA, ceea ce duce la leziuni ale membranei și chiar la apoptoză celulară, în timp ce antioxidanții, cum ar fi SOD și GSH-Px, sunt benefici pentru a preveni peroxidarea lipidică și leziunile . AKG ar putea preveni peroxidarea lipidelor prin creșterea activităților SOD, GSH-Px și CAT pentru a facilita metabolismul grăsimilor și apoi pentru a atenua hepatotoxicitatea indusă de etanol și hiperamoniemia indusă de acetat de amoniu la șobolani . În mod similar, AKG are, de asemenea, un rol chimiopreventiv în hepatocarcinogeneza indusă de N-nitrosodiethylamine (NDEA) la șobolani prin modularea nivelurilor de antioxidanți și peroxid de lipide pentru a accesa niveluri normale . Mai mult, AKG prezintă o rezistență ridicată la stresul de amoniac-N la sturionii hibrizi, deoarece îmbunătățește activitatea enzimelor antioxidante și expresia genelor HSP 70 și HSP 90 . În plus, stresul oxidativ indus de cianură ar putea duce la neurotoxicitate, la peroxidarea lipidelor și la disfuncții ale membranei, în special în creier și rinichi la animale precum șobolanii . Și este evident că cianura inhibă apărarea antioxidativă, cum ar fi reducerea activității SOD și a nivelului de GSH. În mod interesant, AKG este considerat un antagonist natural al otrăvirii cu cianură datorită structurii sale chimice care este capabilă să se lege de cianură pentru a produce cianohidrină și pentru a preveni în continuare otrăvirea cu cianură sau letalitatea cianurii . În modelele in vitro și vivo la șobolani, AKG reduce epuizarea GSH și leziunile ADN induse de cianură . Mai mult, studiile demonstrează că AKG singur ar putea preveni creierul și ficatul de la leziunile oxidative induse de cianură prin creșterea nivelului de GSH, SOD și GSH-Px și reducerea nivelului de MDA la șobolani, în special atunci când este combinat cu tiosulfat de sodiu . În plus, un studiu recent indică faptul că AKG ar putea spori toleranța la îngheț-dezgheț și ar putea preveni moartea celulară indusă de stresul carbohidraților în drojdie, iar calea protectoare poate fi implicată în apărarea antioxidantă sporită .

3.2. Decarboxilarea oxidativă neenzimatică în descompunerea H2O2

În ceea ce privește apărarea antioxidativă, unele studii arată că AKG își exercită funcția prin alte mecanisme de reglare redox decât prin activități antioxidante. O serie de studii demonstrează că AKG acționează ca o sursă de energie și agent antioxidant asupra îmbunătățirii metabolismului fiziologic și a captării ROS pentru a atenua stresul oxidativ prin decarboxilarea oxidativă neenzimatică în descompunerea H2O2. Peroxidul de hidrogen, unul dintre ROS, este un oxidant slab și citotoxic și provoacă cu ușurință leziuni de stres oxidativ în celule, cum ar fi deteriorarea membranei celulare și alterarea ADN-ului. Într-adevăr, piruvatul și α-cetoacizii prezintă efecte protectoare asupra toxicității induse de H2O2 in vivo și in vitro și pot traversa bariera hemato-encefalică și pot elimina H2O2, ceea ce oferă un nou mod terapeutic împotriva patologiilor cerebrale induse de H2O2. Mecanismul se poate datora decarboxilării oxidative neenzimatice, în care gruparea cetonă din atomul de carbon α este combinată cu H2O2 pentru a forma acidul carboxilic corespunzător, CO2 și H2O. AKG servește ca intermediar cheie în ciclul TCA și participă la decarboxilarea oxidativă neenzimatică în descompunerea H2O2. S-a demonstrat că AKG a ridicat semnificativ capacitatea antioxidantă prin scăderea nivelului de H2O2 în ficatul și mucoasa intestinală a rațelor . De asemenea, AKG îndeplinește un rol protector în deteriorarea celulelor intestinale indusă de H2O2 prin intermediul mitocondriilor . În mod similar, acțiunea protectoare a AKG este observată în atenuarea efectelor toxice ale H2O2 la Drosophila melanogaster, la alte animale și la oameni, ceea ce oferă o dovadă puternică a capacității de reducere a H2O2 a AKG . Astfel, AKG poate fi utilizat ca un scavenger puternic în decarboxilarea oxidativă neenzimatică în descompunerea H2O2.

4. Aplicațiile AKG la animale și oameni

AKG a fost utilizat pe scară largă la animale și oameni ca aditiv alimentar și medicament. În industria animală, AKG ar putea îmbunătăți în mod eficient performanța creșterii, utilizarea azotului, imunitatea, dezvoltarea oaselor, leziunile mucoasei intestinale și sistemul oxidativ . La om, AKG este utilizat pe scară largă în traume, boli de vârstă înaintată, recuperare postoperatorie și alte boli nutriționale. În ceea ce privește funcția antioxidantă, AKG prezintă un rol crucial în mai multe boli implicate în îmbătrânire, cancer, boli cardiovasculare și boli neurologice. S-a raportat că AKG și-a dezvoltat capacitatea antioxidantă de a lupta împotriva toxicității etanolului și de a spori toleranța la frig în modelul de Drosophila, ceea ce a oferit o terapie eficientă împotriva intoxicației cu etanol și alcool la animale și la oameni . Un efect protector similar este observat în leziunile hepatice induse de lipopolizaharide, în care AKG oferă o nouă intervenție pentru a atenua leziunile hepatice la porcii tineri . AKG menține, de asemenea, stabilizarea stării redox pentru apărarea antioxidantă. Într-adevăr, oxidarea AKG joacă un rol benefic în menținerea nivelurilor de carboxilare reductivă pentru a gestiona defectele mitocondriale în celulele canceroase . În plus, administrarea orală de AKG îmbunătățește elasticitatea vaselor de sânge prin exercitarea efectului său antioxidant în organismele îmbătrânite . În plus, AKG ar putea facilita rata de sinteză a GSH în eritrocitele umane . AKG a fost identificat pentru a diminua în mod eficient incidența cataractei induse de selenitul de sodiu la șobolan și a acționat ca un curățător de ROS . În plus, AKG funcționează ca agent neuroprotector în patologia ischemică a hipocampusului . În plus, un studiu nou demonstrează că AKG ar putea regla durata de viață a organismului și ar putea preveni bolile legate de vârstă prin reglarea metabolismului energetic celular . În mod interesant, în afară de funcția antioxidantă, AKG este caracterizat de o proprietate prooxidantă care poate genera complexe active cu fierul în omogenatele de creier de șobolan . În condiții de stres oxidativ ușor, aceasta are ca rezultat activarea sistemului antioxidant al AKG, afișând astfel efectele sale protectoare, cum ar fi întărirea rezistenței celulelor de drojdie la stresul oxidativ .

5. Rezumat și perspectivă

AKG servește ca intermediar pivotant și este aplicat pe scară largă la animale și oameni. În special, AKG își exercită în principal funcția antioxidantă prin următoarele: (1) sporirea activităților enzimelor antioxidante și a nivelurilor de agenți neenzimatici împotriva stresului oxidativ și a peroxidării lipidelor, în special în intervenția în caz de otrăvire cu amoniac și cianură; (2) participarea la decarboxilarea oxidativă neenzimatică în descompunerea H2O2 pentru a capta ROS și a proteja organismul de diverse boli induse de ROS. Iar AKG oferă o intervenție terapeutică promițătoare pentru bolile clinice la animale și oameni (Figura 3). În afară de căile antioxidante de mai sus, Nrf2/ARE este un regulator important al procesului antioxidant care ajută la menținerea homeostaziei redox și s-a dovedit că joacă un rol vital în diferite boli (de exemplu, leziuni hepatice, leziuni cerebrale traumatice și inflamații) induse de stresul oxidativ. De un interes deosebit, s-a verificat că glutamina îmbunătățește expresia genetică a Nrf2 prin activarea căii de semnalizare Nrf2/ARE pentru a suprima generarea de ROS, a crește nivelul de GSH și a preveni apoptoza în intestin . Cu toate acestea, ca precursor al glutaminei, dacă AKG ar putea activa direct calea de semnalizare Nrf2/ARE pentru a atenua stresul oxidativ sau nu, nu sunt raportate cercetări relevante în acest sens și sunt necesare studii suplimentare.

Figura 3

Funcția antioxidantă a AKG și aplicațiile sale. ①: activități ale enzimelor antioxidative; ②: decarboxilare oxidativă neenzimatică în descompunerea peroxidului de hidrogen.

Abbreviații

Conflicte de interese

Autorii declară că nu există conflicte de interese în ceea ce privește publicarea acestei lucrări.

Recunoștințe

Această lucrare a fost susținută de Fundația Națională de Știință pentru Tineri Bursieri Distinși din provincia Hunan (2016JJ1015), Fundația Națională de Științe Naturale din China (31472107, 31470132, 31702126), premiul „Hundred Talent” al Academiei Chineze de Științe și Fundația deschisă a Laboratorului cheie de procese agroecologice din regiunea subtropicală, Institutul de Agricultură Subtropicală, Academia Chineză de Științe (ISA2016101).