Стійкість до окислення сірчаних амінокислот: метіоніну та цистеїну

1 Ключова лабораторія агро-екологічних процесів у субтропічному регіоні, Інститут субтропічного сільського господарства Китайської академії наук, Національна інженерна лабораторія контролю забруднення та утилізації відходів у тваринництві та птахівництві, Чанша, Хунань 410125, Китай

2 Університет Китайської академії наук, Пекін, 10049, Китай

Анотація

Амінокислоти сірки - це різновид амінокислот, які містять сульфгідрил, і вони відіграють вирішальну роль у структурі білка, метаболізмі, імунітеті та окисленні. Наш огляд демонструє ефект стійкості до окислення метіоніну та цистеїну, двох найбільш репрезентативних амінокислот сірки, та їх метаболітів. Метіонін та цистеїн надзвичайно чутливі майже до всіх форм активних форм кисню, що робить їх антиоксидантними. Більше того, метіонін та цистеїн є попередниками S-аденозилметионіну, сірководню, таурину та глутатіону. Повідомляється, що ці продукти полегшують оксидантний стрес, викликаний різними окислювачами, і захищають тканини від пошкоджень. Однак дефіцит і надлишок метіоніну та цистеїну в раціоні впливають на нормальний ріст тварин; таким чином, важливим є нове дослідження щодо визначення достатнього рівня споживання метіоніну та цистеїну.

1. Вступ

Амінокислоти сірки (SAA) - це різновид амінокислот, які містять сульфгідрил. Серед SAA метіонін та цистеїн вважаються основними SAA. Метіонін є незамінною амінокислотою у ссавців, оскільки він не може бути синтезований у кількості, достатній для підтримки нормального росту ссавців. Тим не менше, цистеїн є напівнеобхідною амінокислотою у ссавців, оскільки цистеїн може вироблятися шляхом транссульфування від деградації L-метіоніну. Таким чином, вважається, що вміст метіоніну та цистеїну відповідає потребі SAA у раціоні ссавців. Збільшення доказів показує, що SAA відіграють вирішальну роль у структурі білка, метаболізмі, імунітеті та окисленні [1–4]. Вони виконують важливі функції завдяки своїм метаболітам, таким як S-аденозилметионін (SAM), поліаміни, таурин та глутатіон (GSH) (рис. 1).

Окисно-відновний гомеостаз є передумовою підтримання гомеостатичної рівноваги організму, і він сильно залежить від балансу прооксидантної та антиоксидантної системи [5, 6]. Реактивні форми кисню (АФК) є головним фактором утворення окислювальних пошкоджень, оскільки АФК може легко окислювати біомолекули (включаючи ліпіди, білки та ДНК), тим самим погіршуючи антиоксидантну систему та викликаючи окислювальний стрес [7, 8]. Тому антиоксидація SAA привертає інтерес людей поступово, і дослідники провели багато досліджень щодо цього [9, 10]. Велика кількість досліджень повідомляє, що SAA мають пом'якшувальну дію на різні моделі оксидантного стресу, такі як діабет [11, 12], ВІЛ-інфекція [13] та старіння [14]. Таким чином, наш огляд реорганізує та висвітлює антиоксидаційний ефект двох основних SAA (метіоніну та цистеїну).

2. Метіонін

У структурі білка всі амінокислотні залишки схильні до окислення диверсифікованими формами АФК, особливо залишками метіоніну, оскільки вони чутливі до майже всіх форм АФК, і окислення залишків метіоніну є оборотним [15]. Це головна причина того, що метіонін має здатність протистояти окисленню.

2.1. Цикл зменшення окислення метіоніну

Залишки метіоніну надзвичайно чутливі до АФК, і вони схильні до поєднання з АФК, а потім перетворюються на сульфоксид метіоніну (MetO); тим самим ROS втрачає свою активність. Продукт реакції MetO являє собою суміш, яка складається з двох стереоізомерів, MetO-S та MetO-R. MetO-S та MetO-R можуть бути відновлені до метіоніну за допомогою тіоредоксину [Th (SH) 2] шляхом каталізу метіонінсульфоксидредуктаз A (MsrA) та метіонінсульфоксидредуктаз B (MsrB) відповідно (рис. 2). Кожен цикл окислення та відновлення залишків метіоніну усуне небезпечні речовини (наприклад, гідропероксид, хлористий, озон та перекис ліпідів), що може становити головну природну систему очищення небезпечних речовин.

MrsA та MsrB розглядаються як остаточні антиоксидантні захисні механізми, оскільки вони відповідають за зменшення MetO [16]. Багато експериментів на різних об'єктах засвідчували, що рівень MsrA корелює з усуненням накопиченого окисного ушкодження [17–19]. Маркетті та ін. [20] припустив, що зниження рівня MsrA спричинило накопичення АФК у клітині кришталика людини. Більше того, Єрмолаєва та його колеги [21] виявили, що надмірна експресія MsrA суттєво знижує індуковане гіпоксією збільшення АФК і підтримує нормальний ріст клітин РС12. MrsB було відкрито лише короткий час [22], і тепер було відомо, що його основна функція - зменшувати окислений MetO разом з MsrA. Інші функції MsrB залишаються для подальшої розвідки.

2.2. СЕМ

SAM є прямим продуктом метіоніну в каталізі метіонін-аденозилтрансферазою (MAT), і він добре відомий як донор метилу для більшості метилтрансфераз, які модифікують ДНК, РНК та інші білки. SAM надає антиоксидантну здатність цим шляхом: SAM підвищує активність цистатіоніну γ-синтази (CBS), яка є основним ферментом у транссульфурації та сприяє синтезу цистеїну, збільшуючи тим самим рівень GSH. Багато досліджень показують, що введення SAM полегшує окислювальний стрес і відновлює тканини. Наприклад, Li et al. [23] встановили, що введення SAM захищає клітини та інгібує окислювальний стрес, викликаний амілоїдом-β, і він активує ендогенну антиоксидантну систему шляхом відновлення нормального співвідношення GSH/GSSG та підвищення активності глутатіонпероксидази (GSH-Px), глутатіон-S-трансферази (GST) та супероксиддисмутази (SOD).

2.3. Введення метіоніну

Повідомляється, що добавки метіоніну пом'якшували пошкодження, спричинені АФК, збільшуючи активність GSH [24]. Цікаво, що обмеження метіоніну, яке обмежує добавки метіоніну в раціоні тварин, також повідомляє, що полегшує оксидантний стрес. Наприклад, обмеження метіоніну значно зменшує генерацію АФК у мітохондріях [25, 26]. Крім того, дефіцит метіоніну в дієтичній моделі спричиняє ряд пошкоджень організму, таких як патологія печінки [27], пригнічення росту епітелію кишечника [28], погіршення показників росту [29] тощо, тоді як надмірна добавка метіоніну може призвести до до отруєння метіоніном і навіть скоротити тривалість життя тварин [30]. Більше того, потреба в метіоніні на різних стадіях тварин є суперечливою. Таким чином, введення метіоніну для виробництва тварин є цінною темою дослідження.

3. Цистеїн

Подібно до залишків метіоніну, залишки цистеїну також легко страждають від окислення. Залишки цистеїну мають властивості регулювати окислювально-відновну реакцію, оскільки його особливі хімічні характеристики дозволяють легко реагувати з H2O2 [31, 32]. Крім того, слугуючи попередником для GSH, цистеїн є обмежуючою амінокислотою синтезу глутатіону в процесі транссульфурації. Більше того, антиоксидантна властивість цистеїну в основному відображається продуктом GSH, сірководнем (H2S) та таурином.

3.1. GSH

У ссавців GSH в основному синтезується двома ферментативними АТФ-залежними реакціями цистеїну, глутамату та гліцину: (1) Цистеїн та глутамат споживають АТФ з утворенням γ-глутамілцистеїн (γ-Глюцис) шляхом каталізу γ-глутамілцистеїнсинтетаза (ГКС). (2) Синтетаза GSH каталізує γ-Глюцис та гліцин утворюють GSH, і ця реакція також споживає АТФ (рис. 1). При синтезі GSH в клітині цистеїн є субстратом реакції, що обмежує швидкість [33], а доповнення L-цистеїном у людини покращує швидкість синтезу та концентрацію GSH [34]. Більше того, Інь та ін. [35] кількісно визначили основне джерело попередників GSH шляхом додавання різних концентрацій L-цистеїну, L-глутамату та гліцину в раціоні мишей, і їх результат показав, що дієта з L-цистеїном та L-глутаматом збільшує концентрацію GSH у печінки, тоді як вони також виявили, що надмірне надходження L-цистеїну пригнічує синтез GSH.

GSH є цистеїнвмісним трипептидом і відіграє життєво важливу роль у клітинному антиокисленні у тварин [36]. GSH легко окислюється вільними радикалами та іншими АФК (наприклад, ліпідним пероксильним радикалом, H2O2 та гідроксильним радикалом), утворюючи дисульфід глутатіону (GSSG) в результаті каталізу GSH-Px. А потім за допомогою каталізу глутатіонредуктази GSSG відновлюється до GSH. Отже, цикл GSH/GSSG сприяє знешкодженню вільних радикалів та інших реакційноздатних видів та запобіганню окисленню біомолекул. Крім того, як субстрат GSH-Px, GSH також відіграє роль помічника в антиліпідному перекисному окисленні GSH-Px. Зазвичай вважають, що низький рівень GSH може призвести до перекисного окислення ліпідів. Наприклад, Agar et al. [37] використовував етанол для споживання GSH у мозочку мишей, а потім виявив, що перекисне окислення ліпідів значно збільшилось. Таким чином, концентрація GSH та активність ферменту, пов’язаного з GSH, виступали ознакою антиоксидантного статусу в організмі.

3.2. H2S

H2S здавна розглядався як отруйний газ, який у значних кількостях виробляється тканинами ссавців, тоді як нещодавні дослідження показують, що він є протизапальним, антиоксидантним та нейропротекторним засобом і відіграє дуже важливу роль у багатьох фізіологічних функціях [38]. L-цистеїн є основним субстратом для виробництва приблизно 70% ендогенного H2S будь-яким ферментом (цистатіоніном β-синтази та цистатіоніну γ-ліаза) [39]. І в останні роки спостерігається, що D-цистеїн виробляє H2S новим шляхом, і він може бути ефективнішим, ніж L-цистеїн, у захисті первинних культур нейронів мозочка від окисного стресу, викликаного перекисом водню [40]. H2S є потужним антиоксидантом, за винятком того, що безпосередньо відсмоктує активні форми кисню та азоту для захисту тканин [41]; це також підвищує активність γ-глутамілцистеїнсинтетаза і підвищує регуляцію транспорту цистину, тим самим посилюючи вироблення GSH для протидії оксидантному стресу [42]. Крім того, повідомляється, що H2S може захищати епітеліальні клітини слизової оболонки шлунка від окисного стресу шляхом стимуляції шляхів MAP-кінази [43]. Ці шляхи забезпечують механізми H2S для захисту тканин від окисного стресу.

3.3. Таурин

Таурин є найпоширенішою вільною амінокислотою у ссавців, і він відіграє важливу роль у багатьох фізіологічних функціях, таких як розвиток зору, нервовий розвиток, детоксикація, антиоксидація, протизапальна речовина тощо. Два основних джерела сприяють синтезу таурину у ссавців: всмоктування з дієти та метаболізм цистеїну. Таурин синтезується трьома стадіями: спочатку цистеїн каталізується з утворенням сульфінату цистеїну шляхом каталізу цистеїндіоксигенази; по-друге, цистеїнсульфінат видаляє карбоксил з утворенням гіпотаурину за допомогою цистеїнсульфінатдекарбоксилази; по-третє, гіпотаурин окислюється до таурину. Багато досліджень підтверджують, що збільшення дози цистеїну в дієті сприяє активації цистеїндіоксигенази [44], а дієтичні добавки цистеїну підвищують рівень таурину в плазмі крові у людей з ВІЛ-інфекцією [13].

Зокрема, таурин демонструє захист тканин у багатьох моделях, які індукуються різними окислювачами [45, 46]. Антиоксидантна здатність таурину пов’язана з знешкодженням АФК. Чанг та ін. [46] довели, що добавки таурину у дієті щурів знижували індуковану гіпергомоцистеїнемією продукцію АФК, і Palmi та співавт. [47] повідомляв, що таурин пригнічує вироблення АФК, стимулюючи поглинання Са 2+ у мітохондріях. Крім того, таурин також збільшує активність багатьох антиоксидантних ферментів на моделях, викликаних окислювачем. Підтверджено, що таурин відновлює активність Mn-SOD та GSH-Px у митохондріях мишей після зараження тамоксифеном [48]. Крім того, Чой та Юнг [49] у своїх дослідженнях зазначили, що добавки таурину збільшують активність СОД у печінці на стан дефіциту кальцію, але активність GSH-Px та каталази (CAT) не суттєво відрізняється між нормальними мишами та мишами з дефіцитом кальцію.

4. Висновок

На закінчення, як потужні антиоксиданти, SAA відіграють важливу роль у підтримці рівноваги та стабільності вільних радикалів в організмі. Отже, SAA широко використовуються як харчова добавка і застосовуються для медичного обслуговування та розведення тварин. Хоча SAA мають чудову антиоксидантну здатність, особливої уваги заслуговує введення SAA в процесі виробництва тварин, оскільки різні дози SAA можуть мати різний вплив на тварин. Таким чином, подальше дослідження щодо відповідної дози SAA буде досліджено під час годівлі тварин.

Скорочення

SAA:	Амінокислоти сірки
СЕМ:	S-аденозилметионін
GSH:	Глутатіон
ROS:	Активні форми кисню
Я також:	Метіонін сульфоксид
Th (SH) 2:	Тіоредоксин
MsrA:	Метіонінсульфоксидредуктаза А
MsrB:	Метіонінсульфоксидредуктаза В
МАТ:	Метіонін аденозилтрансфераза
CBS:	Цистатіонін γ-синтази
GSH-Px:	Глутатіонпероксидаза
GST:	Глутатіон-S-трансфераза
СОД:	Супероксиддисмутаза
H2S:	Сірководень
γ-Глюкі:	γ-Глутамілцистеїн
GCS:	γ-Глутамілцистеїнсинтетаза
GSSG:	Глютатіон дисульфід.

Розкриття інформації

Ця оглядова стаття не містить жодних досліджень з учасниками-людьми чи тваринами, проведених будь-яким із авторів.

Конфлікт інтересів

Автори заявляють, що щодо публікації цієї статті не існує конфлікту інтересів.

Подяка

Це дослідження було підтримане Національним фондом природничих наук Китаю (№ 31702125, 31772642, 31330075 та 31110103909), Департаментом науки і технологій провінції Хунань (2017NK2322), Національною ключовою програмою досліджень та розвитку Китаю (2016YFD0500504, 2016YFD0501201), Міжнародне партнерство Програма Китайської академії наук (161343KYSB20160008) та Фонду природничих наук провінції Хунань (2017JJ3373).