Resumen
Los aminoácidos azufrados son un tipo de aminoácidos que contienen sulfhidrilo, y desempeñan un papel crucial en la estructura de las proteínas, el metabolismo, la inmunidad y la oxidación. Nuestra revisión demuestra el efecto de resistencia a la oxidación de la metionina y la cisteína, dos de los aminoácidos azufrados más representativos, y sus metabolitos. La metionina y la cisteína son extremadamente sensibles a casi todas las formas de especies reactivas de oxígeno, lo que las convierte en antioxidantes. Además, la metionina y la cisteína son precursoras de la S-adenosilmetionina, el sulfuro de hidrógeno, la taurina y el glutatión. Se ha informado de que estos productos alivian el estrés oxidativo inducido por diversos oxidantes y protegen el tejido de los daños. Sin embargo, la deficiencia y el exceso de metionina y cisteína en la dieta afectan al crecimiento normal de los animales; por ello es importante un nuevo estudio sobre la definición de los niveles adecuados de ingesta de metionina y cisteína.
1. Introducción
Los aminoácidos azufrados (AAS) son un tipo de aminoácidos que contienen sulfhidrilo. Entre los AAS, la metionina y la cisteína se consideran los principales AAS. La metionina es un aminoácido indispensable en los mamíferos, ya que no puede sintetizarse en cantidades suficientes para mantener el crecimiento normal de los mismos. Sin embargo, la cisteína es un aminoácido semiesencial en los mamíferos, porque la cisteína puede producirse a través de la vía de la transulfuración a partir de la degradación de la L-metionina. Por lo tanto, se considera que el contenido de metionina y cisteína representa las necesidades de AAS en la dieta de los mamíferos. Cada vez más pruebas revelan que los AAS desempeñan un papel crucial en la estructura de las proteínas, el metabolismo, la inmunidad y la oxidación. Ejercen funciones trascendentales a través de sus metabolitos, como la S-adenosilmetionina (SAM), las poliaminas, la taurina y el glutatión (GSH) (Figura 1).
La homeostasis redox es la premisa para mantener el equilibrio homeostático del organismo, y depende en gran medida del equilibrio del sistema prooxidante y antioxidante . Las especies reactivas de oxígeno (ERO) son un factor importante en la formación del daño oxidativo, ya que las ERO pueden oxidar las biomoléculas (incluidos los lípidos, las proteínas y el ADN) con facilidad y, por lo tanto, deterioran el sistema antioxidante y causan estrés oxidativo. Por lo tanto, la antioxidación de los AAS atrae gradualmente el interés de la gente y los investigadores han realizado muchas investigaciones al respecto. Un gran número de investigaciones informan de que los AAS tienen una acción de alivio en varios modelos de estrés oxidativo, como la diabetes, la infección por VIH y el envejecimiento. Por lo tanto, nuestra revisión reorganiza y destaca el efecto antioxidante de dos AAS principales (metionina y cisteína).
2. Metionina
En la estructura de la proteína, todos los residuos de aminoácidos son propensos a ser oxidados por diversas formas de ROS, especialmente los residuos de metionina, ya que son sensibles a casi todas las formas de ROS y la oxidación de los residuos de metionina es reversible. Es la razón principal por la que la metionina tiene la capacidad de resistir la oxidación.
2.1. Ciclo de reducción de la oxidación de la metionina
Los residuos de metionina son extremadamente sensibles a las ERO, y son propensos a combinarse con las ERO y luego convertirse en sulfóxido de metionina (MetO); de este modo las ERO pierden su actividad. El producto de reacción del MetO es una mezcla que consta de los dos estereoisómeros, MetO-S y MetO-R. La MetO-S y la MetO-R pueden ser reducidas a metionina por la tiorredoxina a través de la catálisis de las metionina sulfóxido reductasas A (MsrA) y metionina sulfóxido reductasas B (MsrB), respectivamente (Figura 2). Cada ciclo de oxidación y reducción de los residuos de metionina eliminará las sustancias peligrosas (p. ej, hidroperóxido, hipoclorito, ozono y peróxido lipídico), lo que podría representar un importante sistema natural de eliminación de las sustancias peligrosas.
MrsA y MsrB se consideran los mecanismos de defensa antioxidante por excelencia, ya que se encargan de la reducción de MetO . Muchos experimentos en diferentes objetos evidenciaron que el nivel de MsrA está correlacionado con la eliminación del daño oxidativo acumulado . Marchetti et al. propusieron que la reducción de los niveles de MsrA provocaba la acumulación de ROS en la célula del cristalino humano. Además, Yermolaieva y sus colegas descubrieron que la sobreexpresión de MsrA reducía significativamente el aumento de ROS inducido por la hipoxia y mantenía el crecimiento normal de las células PC12. MrsB se descubrió hace poco tiempo, y ahora se sabía que su función principal era reducir la MetO oxidada junto con MsrA. Las otras funciones de MsrB quedan para la exploración posterior.
2.2. SAM
La SAM es el producto directo de la metionina en la catálisis por la metionina adenosiltransferasa (MAT), y es bien conocida como el donante de metilo para la mayoría de las metiltransferasas que modifican el ADN, el ARN y otras proteínas. La SAM ejerce la capacidad antioxidante por esta vía: La SAM aumenta la actividad de la cistationina γ-sintasa (CBS), que es la enzima principal en la transulfuración y contribuye a la síntesis de cisteína, aumentando así el nivel de GSH. Muchos estudios demuestran que la administración de SAM alivia el estrés oxidativo y restaura los tejidos. Por ejemplo, Li et al. encontraron que la administración de SAM protege las células e inhibe el estrés oxidativo inducido por el amiloide-β, y activa el sistema antioxidante endógeno restaurando la relación normal GSH/GSSG y aumentando las actividades de la glutatión peroxidasa (GSH-Px), la glutatión-S-transferasa (GST) y la superóxido dismutasa (SOD).
2.3. Administración de metionina
Se ha reportado que la suplementación de metionina mitigó el daño inducido por ROS al aumentar la actividad de GSH . Curiosamente, la restricción de metionina, que restringe el suplemento de metionina en la dieta de los animales, también se informa que alivia el estrés oxidante. Por ejemplo, la restricción de metionina reduce significativamente la generación de ROS mitocondrial . Además, la deficiencia de metionina en un modelo dietético provoca una serie de daños en el organismo, como la patología hepática, la supresión del crecimiento epitelial intestinal, el deterioro del rendimiento del crecimiento, etc., mientras que la suplementación excesiva de metionina puede conducir a la intoxicación por metionina e incluso acortar la vida de los animales. Además, las necesidades de metionina en las diferentes etapas de los animales son discrepantes. Por lo tanto, la administración de metionina para la producción animal es un valioso tema de investigación.
3. Cisteína
Al igual que los residuos de metionina, los residuos de cisteína también sufren fácilmente la oxidación. Los residuos de cisteína son con las propiedades de regular el redox ya que sus características químicas especiales le hicieron reaccionar fácilmente con el H2O2 . Además, al servir como precursor del GSH, la cisteína es el aminoácido limitante de la síntesis del glutatión en la vía de la transulfuración. Además, la propiedad antioxidante de la cisteína se refleja principalmente en el producto de GSH, sulfuro de hidrógeno (H2S) y taurina.
3.1. GSH
En los mamíferos, el GSH se sintetiza principalmente mediante dos reacciones enzimáticas dependientes de ATP a partir de cisteína, glutamato y glicina: (1) La cisteína y el glutamato consumen ATP para formar γ-glutamilcisteína (γ-Glucys) mediante la catálisis de la γ-glutamilcisteína sintetasa (GCS). (2) La GSH sintetasa cataliza la γ-Glucys y la glicina para formar GSH, y esta reacción también consume ATP (Figura 1). En la síntesis de GSH en la célula, la cisteína es el sustrato de reacción que limita la velocidad y la suplementación con L-cisteína en humanos mejora la velocidad de síntesis y la concentración de GSH . Además, Yin et al. cuantificaron la principal fuente de precursores de GSH mediante la suplementación con diferentes concentraciones de L-cisteína, L-glutamato y glicina en la dieta de los ratones, y su resultado reveló que la dieta con L-cisteína y L-glutamato aumentaba la concentración de GSH en el hígado, mientras que también encontraron que la suplementación excesiva de L-cisteína inhibía la síntesis de GSH.
El GSH es un tripéptido que contiene cisteína y juega un papel vital en la antioxidación celular en los animales . El GSH es fácilmente oxidado por los radicales libres y otros ROS (por ejemplo, el radical peroxilo lipídico, el H2O2 y el radical hidroxilo) para formar disulfuro de glutatión (GSSG) por la catálisis de GSH-Px. Y luego, mediante la catálisis de la glutatión reductasa, el GSSG se reduce a GSH. Por lo tanto, el ciclo de GSH/GSSG contribuye a la eliminación de los radicales libres y otras especies reactivas y a la prevención de la oxidación de las biomoléculas. Además, como sustrato de la GSH-Px, el GSH también desempeña un papel auxiliar en la peroxidación antilipídica de la GSH-Px. En general, se cree que el bajo nivel de GSH puede conducir a la peroxidación de los lípidos. Por ejemplo, Agar et al. emplearon etanol para consumir el GSH en el cerebelo de los ratones y luego descubrieron que la peroxidación lipídica aumentaba significativamente. Así, la concentración de GSH y las actividades de la enzima relacionada con el GSH actuaron como la señal del estado antioxidante en el organismo.
3.2. H2S
El H2S ha sido considerado durante mucho tiempo como un gas tóxico producido en cantidades sustanciales por los tejidos de los mamíferos, mientras que investigaciones recientes revelan que es un agente antiinflamatorio, antioxidante y neuroprotector y desempeña papeles muy importantes en muchas funciones fisiológicas . La L-cisteína es un sustrato importante para producir alrededor del 70% de H2S endógeno por cualquiera de las enzimas (cistationina β-sintasa y cistationina γ-liasa) . Y, en los últimos años, se ha observado que la D-cisteína produce H2S por una nueva vía y puede ser más eficaz que la L-cisteína en la protección de cultivos primarios de neuronas cerebelosas frente al estrés oxidativo inducido por el peróxido de hidrógeno . El H2S es un potente antioxidante, además de eliminar directamente las especies reactivas de oxígeno y nitrógeno para proteger los tejidos; también aumenta la actividad de la γ-glutamilcisteína sintetasa y regula el transporte de cistina, lo que aumenta la producción de GSH para resistir el estrés oxidativo. Además, se ha informado de que el H2S puede proteger a las células epiteliales de la mucosa gástrica contra el estrés oxidativo mediante la estimulación de las vías de la MAP quinasa. Estas vías proporcionan los mecanismos para que el H2S proteja los tejidos del estrés oxidativo.
3.3. Taurina
La taurina es el aminoácido libre más abundante en los mamíferos, y desempeña un papel importante en muchas funciones fisiológicas, como el desarrollo visual, el desarrollo neuronal, la desintoxicación, la antioxidación, la antiinflamación, etc. Dos fuentes principales contribuyen a la síntesis de taurina en los mamíferos: la absorción a partir de la dieta y el metabolismo de la cisteína. La taurina se sintetiza en tres pasos: primero, la cisteína se cataliza para formar sulfato de cisteína mediante la catálisis de la cisteína dioxigenasa; segundo, el sulfato de cisteína elimina el carboxilo para formar hipotaurina mediante la cisteína sulfinato decarboxilasa; tercero, la hipotaurina se oxida a taurina. Muchas investigaciones confirman que el aumento de la dosis de cisteína en la dieta contribuye a la activación de la cisteína dioxigenasa , y la suplementación dietética de cisteína aumentó el nivel de taurina en plasma en las personas infectadas por el VIH .
En particular, la taurina muestra su protección para el tejido en muchos modelos que son inducidos por varía oxidantes . La capacidad antioxidante de la taurina está asociada a la eliminación de ROS. Chang et al. demostraron que los suplementos de taurina en la dieta de las ratas reducían la producción de ROS inducida por la hiperhomocisteinemia, y Palmi et al. informaron de que la taurina inhibía la producción de ROS estimulando la absorción de Ca2+ mitocondrial. Además, la taurina también aumenta las actividades de muchas enzimas antioxidantes en modelos inducidos por oxidantes. Se confirma que la taurina restaura las actividades de Mn-SOD y GSH-Px en la mitocondria de los ratones después de la infección por tamoxifeno . Además, Choi y Jung en sus estudios señalaron que la suplementación con taurina aumentó la actividad de SOD hepática en la condición de deficiencia de calcio, pero las actividades de GSH-Px y catalasa (CAT) no fueron significativamente diferentes entre los ratones normales y los ratones con deficiencia de calcio.
4. Conclusión
En conclusión, como los poderosos antioxidantes, los AAS juegan un papel curial en el mantenimiento del equilibrio y la estabilidad de los radicales libres en el cuerpo. Por lo tanto, los AAS se utilizan ampliamente como aditivo alimentario y se aplican a la atención médica y a la cría de animales. Aunque los AAS tienen una excelente capacidad antioxidante, cabe destacar la administración de AAS en el proceso de producción animal, ya que diferentes dosis de AAS pueden tener diferentes efectos en los animales. Por lo tanto, se estudiará más a fondo la dosis adecuada de SAAs en la alimentación animal.
Abreviaturas
| SAA: | Aminoácidos de azufre |
| SAM: | S-Adenosilmetionina | GSH: | Glutatión | ROS: | Especies reactivas de oxígeno | MetO: | Sulfóxido de metionina | Th(SH)2: | Tioredoxina | MsrA: | Metionina sulfóxido reductasa A | MsrB: | Metionina sulfóxido reductasa B | MAT: | Metionina adenosiltransferasa | CBS: | Cistationina γ-sintasa | GSH-Px: | Glutatión peroxidasa |
| GST: | Glutatión-S-transferasa |
| SOD: | Superóxido dismutasa | H2S: | Sulfuro de hidrógeno | Gaminasa: | γ-Glutamilcisteína |
| GCS: | γ-Glutamilcisteína sintetasa |
| GSSG: | Disulfuro de glutatión. |
Divulgación
Este artículo de revisión no contiene ningún estudio con participantes humanos o animales realizado por ninguno de los autores.
Conflictos de intereses
Los autores declaran que no hay conflictos de intereses en relación con la publicación de este artículo.
Agradecimientos
Esta investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (nos. 31702125, 31772642, 31330075 y 31110103909), el Departamento Provincial de Ciencia y Tecnología de Hunan (2017NK2322), el Programa Nacional Clave de Investigación y Desarrollo de China (2016YFD0500504, 2016YFD0501201), el Programa de Asociación Internacional de la Academia China de Ciencias (161343KYSB20160008) y la Fundación de Ciencias Naturales de la Provincia de Hunan (2017JJ3373).