Abstract
Alpha-ketoglutarat (AKG) är en viktig intermediär i Krebscykeln och spelar en viktig roll i flera metaboliska processer hos djur och människor. Noterbart är att AKG bidrar till oxidationen av näringsämnen (dvs. aminosyror, glukos, fettsyror) och ger sedan energi till cellprocesser. Som en föregångare till glutamat och glutamin fungerar AKG som ett antioxidantmedel eftersom det direkt reagerar med väteperoxid med bildning av succinat, vatten och koldioxid; samtidigt släpper det ut massor av ATP genom oxidativ dekarboxylering. Nya studier visar också att AKG har lindrande effekt på oxidativ stress som energikälla och antioxidant i däggdjursceller. I denna översikt lyfter vi fram de senaste framstegen när det gäller AKG:s antioxidativa funktion och dess tillämpningar hos djur och människor.
1. Introduktion
Reaktiva syrearter (ROS) är syrehaltiga kemiska arter inklusive superoxidanjon, väteperoxid (H2O2) och hydroxylradikaler, och de flesta av dem produceras av mitokondrier och nikotinamidadenin-dinukleotidfosfat (NADPH)-oxidaser . Ett överskott av ROS kan leda till oxidativ stress i cellerna. Oxidativ stress är förknippad med störningar i proteiner, lipidoxidation och nukleinsyrabrott, vilket ytterligare kan försämra cellulära fysiologiska funktioner. Många studier tyder på att oxidativ stress kan leda till vissa patogena sjukdomar, t.ex. cancer, neurologiska störningar, åldersrelaterade sjukdomar, ateroskleros, inflammation och kardiovaskulära sjukdomar . Däggdjur har utvecklat en rad antioxidantförsvar för att skydda vitala biomolekyler från oxidativ skada. Å ena sidan kan antioxidanter, t.ex. antioxidativa enzymer som superoxiddismutas (SOD), katalas (CAT) och glutationperoxidas (GSH-Px), eller icke-enzymatiska ämnen, t.ex. glutation (GSH), C-vitamin och E-vitamin, rensa bort de flesta ROS . Å andra sidan kan överskottet av ROS också aktivera många signalvägar, t.ex. mitogenaktiverat proteinkinas (MAPK), NF-erythroid 2-relaterad faktor/antioxidant responselement (Nrf2/ARE) och peroxisom proliferatoraktiverad receptor γ (PPARγ), som spelar en viktig roll i den cellulära redoxhomeostasen och bidrar till det antioxidativa försvaret .
Glutamat, som en föregångare till GSH, utövar lindrande effekter på oxidativ stress inom medicin och kirurgi . AKG, som en föregångare till glutamin, är billigare och stabilare än glutamin och fungerar som en antioxidant i stället för glutamin i många cellulära processer. Många rapporter visade att AKG kan omvandlas till glutamin av glutamatdehydrogenas (GDH) och glutaminsyntetas (GS), vilket är ett tecken på antioxidativ funktion. Det är uppenbart att AKG skulle kunna förbättra den antioxidativa kapaciteten genom att främja glutamininnehållet och antioxidativa system . Dessutom visade Chen et al. att AKG avsevärt kunde förbättra SOD-aktiviteten men minska malondialdehydnivån (MDA), vilket tyder på en förbättring av tarmens antioxidativa kapacitet . På senare tid har allt fler studier visat att AKG kan förbättra den antioxidativa funktionen mot oxidativ obalans i cellerna, vilket ytterligare har bidragit till förebyggande och behandling av olika sjukdomar som orsakas av oxidativ stress. I denna översikt syftar vi därför till att sammanfatta de senaste framstegen när det gäller AKG:s antioxidativa funktion och dess tillämpningar.
2. Biokemiska egenskaper hos AKG
AKG är en svag syra som innehåller två karboxylgrupper och en ketongrupp och som även kallas 2-ketoglutarsyra eller 2-oxoglutarsyra. AKG har många fysiologiska funktioner. Å ena sidan kan AKG reagera med ammoniak och sedan omvandlas till glutamat; därefter reagerar glutamatet ytterligare med ammoniak och genererar glutamin (figur 1). Å andra sidan reagerar AKG med H2O2 som ett resultat av omvandlingen av succinat, koldioxid (CO2) och vatten (H2O), för att slutligen eliminera H2O2 (figur 2) . Dessutom kan AKG producera rikligt med ATP i TCA-cykeln och ge energi till tarmens cellprocesser. AKG har dessutom positiva effekter på oxidativ stressskada i tarmslemhinnans celler och bidrar till cellens redoxhomeostas . Det har rapporterats att enteralt AKG oxiderades och användes av tarmslemhinnan som energidonator och antioxidant via TCA-cykeln. Bortsett från ovanstående utövar AKG också antioxidativt försvar genom enzymatiska system och icke-enzymatisk oxidativ dekarboxylering.
3. Antioxidativ funktion hos AKG
3.1. Antioxidantverksamhet
Balansen mellan oxidanter och antioxidanter spelar en viktig roll för fysiologiska funktioner i celler och biomolekyler. Antioxidantsystemet består av enzymatiska och icke-enzymatiska medel. Antioxidativa enzymer inkluderar SOD, CAT, GSH-Px, och icke-enzymatiska medel inkluderar GSH, vitamin C, vitamin E . AKG är ett antioxidantämne som spelar en viktig roll när det gäller att fånga upp ROS i organismen. Allt fler studier tyder på att AKG fungerar som en naturlig motgift mot ammoniak genom att utöva sin antioxidativa förmåga. Det har rapporterats att inandning av AKG visade en skyddande roll vid ammoniakinducerad lungskada hos råttor . Mekanismen kan bero på att nivåerna av laktatdehydrogenas (LDH) och MDA minskas och att SOD- och CAT-aktiviteterna samt GSH-nivån förbättras. Lipidperoxidation är känslig för ammoniak eller trauma som brännskador och producerar så småningom MDA, vilket leder till membranskador och till och med till cellapoptos, medan antioxidanter som SOD och GSH-Px är fördelaktiga för att förhindra lipidperoxidation och skador . AKG kan förhindra lipidperoxidation genom att öka SOD-, GSH-Px- och CAT-aktiviteterna för att underlätta fettmetabolismen och sedan lindra etanolinducerad hepatotoxicitet och hyperammonemi inducerad av ammoniumacetat hos råttor . På samma sätt spelar AKG också en kemopreventiv roll vid hepatokarcinogenes inducerad av N-nitrosodiethylamin (NDEA) hos råttor genom att modulera nivåerna av antioxidanter och lipidperoxid för att få tillgång till normala nivåer . AKG visar dessutom hög motståndskraft mot ammoniak-N-stress hos hybridstörar eftersom det ökar aktiviteten hos antioxidativa enzymer och genuttrycket av HSP 70 och HSP 90 . Dessutom kan cyanidinducerad oxidativ stress leda till neurotoxicitet, lipidperoxidation och dysfunktion i membranen, särskilt i hjärnan och njurarna hos djur som råttor . Det är uppenbart att cyanid hämmar det antioxidativa försvaret, t.ex. genom att minska SOD-aktiviteten och GSH-nivån. Intressant nog anses AKG vara en naturlig antagonist av cyanidförgiftning på grund av dess kemiska struktur som kan binda till cyanid för att producera cyanohydrin och ytterligare förhindra cyanidförgiftning eller cyaniddödlighet . I in vitro- och vivomodeller för råttor minskar AKG GSH-utarmning och DNA-skador orsakade av cyanid . Studier visar dessutom att AKG ensamt kan förhindra att hjärnan och levern drabbas av cyanidinducerad oxidativ skada genom att öka GSH-, SOD- och GSH-Px-nivåerna och minska MDA-nivån hos råttor, särskilt när det kombineras med natriumtiosulfat . Dessutom visar en nyligen genomförd studie att AKG kan öka frys- och upptiningstoleransen och förhindra celldöd orsakad av kolhydratstress i jäst, och den skyddande vägen kan vara involverad i det förbättrade antioxidantförsvaret .
3.2. Icke-enzymatisk oxidativ dekarboxylering vid H2O2-nedbrytning
Med avseende på det antioxidativa försvaret visar vissa studier att AKG utövar sin funktion genom andra redoxreglerande mekanismer snarare än genom antioxidativa aktiviteter. Ett antal studier visar att AKG fungerar som en energikälla och ett antioxidantmedel för att förbättra den fysiologiska ämnesomsättningen och för att avskilja ROS för att lindra oxidativ stress via icke-enzymatisk oxidativ dekarboxylering i H2O2-dekompositionen. Väteperoxid, en av ROS, är en svag oxidant och cytotoxisk och orsakar lätt oxidativ stressskada i celler, t.ex. cellmembranskador och DNA-förändringar. Pyruvat och α-ketosyror uppvisar skyddseffekter mot H2O2-inducerad toxicitet in vivo och vitro och kan passera blod-hjärnbarriären och avskilja H2O2, vilket ger en ny terapeutisk metod mot H2O2-inducerade hjärnpatologier. Mekanismen kan bero på den icke-enzymatiska oxidativa dekarboxyleringen där ketongruppen i α-kolatom kombineras med H2O2 för att bilda motsvarande karboxylsyra, CO2 och H2O. AKG fungerar som en viktig intermediär i TCA-cykeln och deltar i icke-enzymatisk oxidativ dekarboxylering vid H2O2-nedbrytning. Det har visats att AKG avsevärt ökade den antioxidativa kapaciteten genom att minska nivån av H2O2 i levern och tarmslemhinnan hos ankor . AKG spelar också en skyddande roll vid skador på tarmceller som orsakas av H2O2 genom mitokondriernas väg . På samma sätt noteras AKG:s skyddande verkan när det gäller att lindra toxiska effekter av H2O2 i Drosophila melanogaster, andra djur och människor, vilket är ett starkt bevis för AKG:s H2O2-avskiljande förmåga. AKG kan således användas som en potent avskiljare vid icke-enzymatisk oxidativ dekarboxylering vid H2O2-nedbrytning.
4. Tillämpningar av AKG hos djur och människor
AKG har använts i stor utsträckning hos djur och människor som fodertillsats och läkemedel. Inom djurindustrin kan AKG effektivt förbättra tillväxtprestanda, kväveutnyttjande, immunitet, benutveckling, tarmslemhinneskador och oxidativa system . Hos människor används AKG i stor utsträckning vid trauma, åldersrelaterade sjukdomar, postoperativ återhämtning och andra näringssjukdomar . När det gäller antioxidativ funktion har AKG en avgörande roll i flera sjukdomar som rör åldrande, cancer, kardiovaskulära sjukdomar och neurologiska sjukdomar. Det har rapporterats att AKG utvecklade sin antioxidativa kapacitet för att bekämpa etanolförgiftning och förbättra köldtoleransen i Drosophila-modellen, vilket gav en effektiv terapi mot etanol- och alkoholförgiftning hos djur och människor . Liknande skyddseffekt noteras vid lipopolysackaridinducerad leverskada där AKG utgör ett nytt ingrepp för att lindra leverskador hos unga grisar . AKG upprätthåller också stabilisering av redoxtillstånd för antioxidantförsvar. Faktum är att AKG-oxidation spelar en fördelaktig roll för att upprätthålla nivåerna av reduktiv karboxylering för att hantera mitokondriella defekter i cancerceller . Dessutom förbättrar oral administrering av AKG blodkärlens elasticitet genom att utöva sin antioxidant i åldrande organismer . Dessutom kan AKG underlätta GSH-syntesen i mänskliga erytrocyter . AKG har identifierats för att effektivt minska förekomsten av grå starr inducerad av natriumselenit hos råttor och fungerade som en fångar av ROS . AKG fungerar dessutom som ett neuroprotektivt medel vid ischemisk patologi i hippocampus . En ny studie visar dessutom att AKG kan reglera organismens livslängd och förebygga åldersrelaterade sjukdomar genom att reglera den cellulära energimetabolismen . Intressant nog kännetecknas AKG förutom av en antioxidativ funktion även av en prooxidativ egenskap som kan generera aktiva komplex med järn i homogenat från råtthjärnan . Vid mild oxidativ stress leder det till att AKG:s antioxidativa system aktiveras, vilket ger skyddseffekter som t.ex. stärker jästcellernas motståndskraft mot oxidativ stress.
5. Sammanfattning och perspektiv
AKG fungerar som en central intermediär och används i stor utsträckning hos djur och människor. Särskilt AKG utövar främst sin antioxidativa funktion genom följande: (1) öka antioxidativa enzymaktiviteter och nivåer av icke-enzymatiska medel mot oxidativ stress och lipidperoxidation, särskilt vid ingripande av ammoniak- och cyanidförgiftning, (2) delta i icke-enzymatisk oxidativ dekarboxylering vid H2O2-nedbrytning för att fånga ROS och skydda organismen från olika ROS-inducerade sjukdomar. AKG är en lovande terapeutisk åtgärd för kliniska sjukdomar hos djur och människor (figur 3). Förutom ovanstående antioxidativa vägar är Nrf2/ARE en viktig reglerare av antioxidativa processer som bidrar till att upprätthålla redoxhomeostasen, och det har visat sig att den spelar en viktig roll vid olika sjukdomar (t.ex. leverskador, traumatiska hjärnskador och inflammation) som orsakas av oxidativ stress. Av särskilt intresse är att glutamin har verifierats förbättra genuttrycket av Nrf2 genom att aktivera Nrf2/ARE-signalvägen för att undertrycka ROS-generering, höja GSH-nivåerna och förhindra apoptos i tarmen . Som en föregångare till glutamin, om AKG direkt skulle kunna aktivera Nrf2/ARE-signalvägen för att lindra oxidativ stress eller inte, har relevant forskning om detta inte rapporterats och ytterligare studier behövs.
Abkortningar
| AKG: | Alpha-ketoglutarat |
| ROS: | Reaktiva syrearter |
| H2O2: | Vätegasperoxid |
| NADPH: | Nicotinamid adenin dinukleotidfosfat |
| SOD: | Superoxiddismutas |
| CAT: | Katalas |
| GSH-Px: | Glutathionperoxidas |
| GSH: | Glutathion |
| MAPKs: | Mitogenaktiverat proteinkinas |
| Nrf2/ARE: | NF-Erythroid 2-relaterad faktor/antioxidant responselement |
| PPARγ: | Peroxisome proliferator-activated receptor γ |
| GDH: | Glutamatdehydrogenas |
| GS: | Glutaminsyntetas |
| MDA: | Malondialdehyd |
| CO2: | Koldioxid |
| H2O: | Vatten |
| LDH: | Laktatdehydrogenas |
| NDEA: | N-Nitrosodiethylamin. |
Intressekonflikter
Författarna förklarar att det inte finns några intressekonflikter i samband med publiceringen av denna artikel.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av National Science Foundation for Distinguished Young Scholars of Hunan Province (2016JJ1015), National Natural Science Foundation of China (31472107, 31470132, 31702126), utmärkelsen ”Hundred Talent” från Kinas vetenskapsakademi och Open Foundation of Key Laboratory of Agro-Ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences (ISA2016101).