Abstract
Zwavelaminozuren zijn een soort aminozuren die sulfhydryl bevatten, en ze spelen een cruciale rol in de eiwitstructuur, het metabolisme, de immuniteit, en de oxidatie. Onze review toont het oxidatiewerende effect aan van methionine en cysteïne, twee van de meest representatieve zwavelaminozuren, en hun metabolieten. Methionine en cysteïne zijn uiterst gevoelig voor bijna alle vormen van reactieve zuurstofspecies, waardoor ze antioxidatief zijn. Bovendien zijn methionine en cysteïne precursors van S-adenosylmethionine, waterstofsulfide, taurine, en glutathion. Van deze producten wordt gemeld dat zij de door verschillende oxidanten veroorzaakte oxidantstress verminderen en het weefsel tegen de schade beschermen. Een tekort of een teveel aan methionine en cysteïne in de voeding beïnvloedt echter de normale groei van dieren; daarom is een nieuwe studie over het bepalen van adequate niveaus van methionine- en cysteïne-inname belangrijk.
1. Inleiding
Zwavelaminozuren (SAA’s) zijn een soort aminozuren die sulfhydryl bevatten. Onder de SAA’s worden methionine en cysteïne beschouwd als de primaire SAA’s. Methionine is een onmisbaar aminozuur in zoogdieren, aangezien het niet kan worden gesynthetiseerd in hoeveelheden die voldoende zijn om de normale groei van zoogdieren in stand te houden. Cysteïne is echter een semi-essentieel aminozuur bij zoogdieren, omdat cysteïne via de transsulfuratie-route kan worden geproduceerd uit de afbraak van L-methionine. Het gehalte aan methionine en cysteïne wordt derhalve geacht de behoefte aan SAA’s in de voeding van zoogdieren weer te geven. Er zijn steeds meer aanwijzingen dat SAA’s een cruciale rol spelen in de eiwitstructuur, het metabolisme, de immuniteit en de oxidatie. Zij oefenen belangrijke functies uit via hun metabolieten, zoals S-adenosylmethionine (SAM), polyamines, taurine en glutathion (GSH) (figuur 1).
Redox-homeostase is de premisse van het handhaven van het homeostatische evenwicht van het organisme, en het hangt sterk af van het evenwicht tussen prooxidatieve en anti-oxidatieve systemen . Reactieve zuurstofsoorten (ROS) zijn een belangrijke factor in de vorming van oxidatieve schade, omdat ROS gemakkelijk biomoleculen (waaronder lipiden, eiwitten en DNA) kunnen oxideren en daardoor het antioxidatieve systeem aantasten en oxidatieve stress veroorzaken. Daarom trekt de antioxidatie van SAA’s geleidelijk de belangstelling van de mensen en hebben onderzoekers er veel onderzoek naar gedaan. Een groot aantal onderzoeken rapporteert dat SAA’s een verlichtende werking hebben op verschillende oxidant stress modellen, zoals diabetes , HIV-infectie , en veroudering . Dus, onze review reorganiseert en benadrukt het antioxidatie-effect van twee belangrijke SAA’s (methionine en cysteïne).
2. Methionine
In de eiwitstructuur zijn alle aminozuurresiduen vatbaar voor oxidatie door gediversifieerde vormen van ROS, vooral methionineresiduen, omdat ze gevoelig zijn voor bijna alle vormen van ROS en de oxidatie van methionineresiduen omkeerbaar is . Dit is de voornaamste reden dat methionine het vermogen heeft om oxidatie te weerstaan.
2.1. Methionine Oxidatie Reductie Cyclus
Methionine residuen zijn extreem gevoelig voor ROS, en ze zijn geneigd zich te verbinden met ROS en dan om te zetten in methionine sulfoxide (MetO); daarbij verliest ROS zijn activiteit. Het reactieproduct van MetO is een mengsel dat bestaat uit de twee stereoisomeren, MetO-S en MetO-R. MetO-S en MetO-R kunnen door thioredoxine worden gereduceerd tot methionine door de katalyse van respectievelijk methioninesulfoxidereductase A (MsrA) en methioninesulfoxidereductase B (MsrB) (figuur 2). Bij elke cyclus van oxidatie en reductie van methionineresten worden gevaarlijke stoffen geëlimineerd (bv, hydroperoxide, hypochlorous, ozon, en lipide peroxide), wat een belangrijk natuurlijk scavenging systeem voor de gevaarlijke stoffen zou kunnen vertegenwoordigen.
MrsA en MsrB worden beschouwd als de ultieme antioxidantafweermechanismen, omdat zij verantwoordelijk zijn voor de reductie van MetO . Vele experimenten in verschillende objecten hebben aangetoond dat het niveau van MsrA gecorreleerd is met de eliminatie van de opgestapelde oxidatieve schade . Marchetti et al. stelden dat de vermindering van het MsrA niveau de accumulatie van ROS in de menselijke lenscel veroorzaakte. Bovendien stelden Yermolaieva en zijn collega’s vast dat de overexpressie van MsrA de door hypoxie veroorzaakte toename van ROS aanzienlijk verminderde en de normale groei van PC12-cellen in stand hield. MevrouwB is nog maar kort ontdekt, en haar voornaamste functie was nu bekend om geoxideerd MetO te reduceren, samen met MsrA. De andere functies van MsrB moeten nog verder worden onderzocht.
2.2. SAM
SAM is het directe product van methionine in de katalyse door methionine adenosyltransferase (MAT), en het is bekend als de methyldonor voor de meerderheid van de methyltransferases die DNA, RNA en andere eiwitten modificeren. SAM oefent zijn antioxiderende werking via deze weg uit: SAM verhoogt de activiteit van cystathionine γ-synthase (CBS), dat het belangrijkste enzym is bij de transsulfuratie en bijdraagt aan de synthese van cysteïne, waardoor het GSH-gehalte toeneemt. Vele studies tonen aan dat toediening van SAM oxidant stress vermindert en de weefsels herstelt. Li et al. ontdekten bijvoorbeeld dat toediening van SAM cellen beschermt en oxidatieve stress veroorzaakt door amyloid-β remt, en het activeert het endogene antioxidant systeem door de normale GSH/GSSG ratio te herstellen en de activiteiten van glutathione peroxidase (GSH-Px), glutathione-S-transferase (GST), en superoxide dismutase (SOD) te verhogen.
2.3.
Toediening van methionine
Het is gerapporteerd dat de supplementatie van methionine de ROS-geïnduceerde schade verzachtte door de activiteit van GSH te verhogen. Interessant is dat beperking van methionine, waarbij de methioninesuppletie in dierlijke voeding wordt beperkt, ook wordt gemeld om oxidant stress te verlichten. Bijvoorbeeld, methionine beperking vermindert aanzienlijk de mitochondriale ROS generatie . Bovendien veroorzaakt een tekort aan methionine in een dieetmodel een reeks schade aan het lichaam, zoals leverpathologie, onderdrukking van intestinale epitheliale groei, aantasting van groeiprestaties, enzovoort, terwijl overmatige methioninesupplementatie kan leiden tot methioninevergiftiging en zelfs de levensduur van dieren kan verkorten. Bovendien is de behoefte aan methionine in verschillende stadia van de dieren verschillend. De toediening van methionine voor de dierlijke productie is dus een waardevol onderzoeksonderwerp.
3. Cysteïne
Gelijk aan de residuen van methionine, hebben ook de residuen van cysteïne gemakkelijk te lijden van oxidatie. Cysteïneresiduen hebben de eigenschap redox te reguleren, omdat ze door hun speciale chemische eigenschappen gemakkelijk reageren met H2O2 . Bovendien, dienend als een precursor voor GSH, is cysteïne het beperkende aminozuur van glutathione synthese in transsulfuration pathway. Bovendien komt de antioxiderende werking van cysteïne vooral tot uiting in het product van GSH, waterstofsulfide (H2S), en taurine.
3.1. GSH
In zoogdieren wordt GSH voornamelijk gesynthetiseerd door twee enzymatische ATP-afhankelijke reacties uit cysteïne, glutamaat, en glycine: (1) Cysteïne en glutamaat verbruiken ATP om γ-glutamylcysteïne (γ-Glucys) te vormen door de katalyse van γ-glutamylcysteïnesynthetase (GCS). (2) GSH synthetase katalyseert γ-Glucys en glycine om GSH te vormen, en deze reactie verbruikt ook ATP (figuur 1). Bij de synthese van GSH in de cel is cysteïne het snelheidsbeperkende reactiesubstraat en suppletie met L-cysteïne bij mensen verbetert de synthetische snelheid en concentratie van GSH. Wat meer is, Yin et al. gekwantificeerd de belangrijkste bron van GSH precursoren door suppletie met verschillende concentraties van L-cysteïne, L-glutamaat, en glycine in muizen dieet, en hun resultaat bleek dat dieet met L-cysteïne en L-glutamaat verhoogde de concentratie van GSH in lever, terwijl ze vonden ook dat de buitensporige suppletie van L-cysteïne geremd GSH synthese.
GSH is een cysteïne-bevattend tripeptide en speelt een vitale rol in de cellulaire anti-oxidatie bij dieren. GSH wordt gemakkelijk geoxideerd door de vrije radicalen en andere ROS (b.v. lipide peroxyl radicaal, H2O2, en hydroxyl radicaal) om glutathion disulfide (GSSG) te vormen door de katalyse van GSH-Px. En dan door de katalyse van glutathionreductase, wordt GSSG gereduceerd tot GSH. Daarom draagt de cyclus van GSH/GSSG bij tot het wegvangen van vrije radicalen en andere reactieve species en tot het voorkomen van oxidatie van biomoleculen. Bovendien speelt GSH, als substraat van GSH-Px, ook een assisterende rol bij de antilipide peroxidatie van GSH-Px. Algemeen wordt aangenomen dat een laag niveau van GSH kan leiden tot lipide peroxidatie. Agar et al. gebruikten bijvoorbeeld ethanol om het GSH in de kleine hersenen van muizen te consumeren en stelden vervolgens vast dat de lipide peroxidatie aanzienlijk was toegenomen. De concentratie van GSH en de activiteiten van GSH-gerelateerde enzymen fungeerden dus als teken van de antioxidantstatus in het lichaam.
3.2. H2S
H2S is lang beschouwd als een giftig gas dat in aanzienlijke hoeveelheden wordt geproduceerd door zoogdierweefsels, terwijl recent onderzoek aantoont dat het een ontstekingsremmende, antioxidant en neuroprotectieve stof is en een zeer belangrijke rol speelt in vele fysiologische functies. L-Cysteïne is een belangrijk substraat om ongeveer 70% endogene H2S te produceren door een van beide enzymen (cystathionine β-synthase en cystathionine γ-lyase) . En, in de afgelopen jaren, is waargenomen dat D-cysteïne H2S produceert door een nieuwe route en het kan effectiever zijn dan L-cysteïne in het beschermen van primaire culturen van cerebellaire neuronen van oxidatieve stress geïnduceerd door waterstofperoxide . H2S is een krachtige antioxidant, behalve voor het direct wegvangen van de reactieve zuurstof-en stikstofspecies om weefsels te beschermen ; het verhoogt ook de activiteit van γ-glutamylcysteïne synthetase en upreguleert cystine transport, waardoor de productie van GSH te weerstaan oxidant stress . Bovendien wordt gerapporteerd dat H2S gastrische mucosale epitheelcellen kan beschermen tegen oxidatieve stress door stimulatie van MAP kinase pathways . Deze paden bieden de mechanismen voor H2S om de weefsels te beschermen tegen oxidatieve stress.
3.3. Taurine
Taurine is het meest voorkomende vrije aminozuur in zoogdieren, en het speelt een belangrijke rol in vele fysiologische functies, zoals visuele ontwikkeling, neurale ontwikkeling, ontgifting, anti-oxidatie, anti-inflammatoire, enzovoort. Twee belangrijke bronnen dragen bij tot de synthese van taurine in de zoogdieren: absorptie uit de voeding en het metabolisme van cysteïne. Taurine wordt in drie stappen gesynthetiseerd: ten eerste wordt cysteïne gekatalyseerd tot cysteïnesulfaat door de katalyse van cysteïnedioxygenase; ten tweede verwijdert cysteïnesulfaat carboxyl om hypotaurine te vormen door cysteïnesulfaatdecarboxylase; ten derde wordt hypotaurine geoxideerd tot taurine. Veel onderzoeken bevestigen dat het verhogen van de dosering cysteïne in de voeding bijdraagt aan de activering van cysteïne dioxygenase , en voedingssuppletie van cysteïne verhoogde plasma taurine niveau in HIV-geïnfecteerde mensen .
In het bijzonder, taurine toont zijn bescherming voor weefsel in vele modellen die worden geïnduceerd door variëteiten oxidanten . De antioxiderende capaciteit van taurine is geassocieerd met het wegvangen van ROS. Chang et al. toonden aan dat taurine supplementen in het ratten dieet de hyperhomocysteinemia-geïnduceerde ROS productie verlaagden, en Palmi et al. rapporteerden dat taurine de productie van ROS remde door de mitochondriale Ca2+ absorptie te stimuleren. Bovendien verhoogt taurine ook de activiteiten van vele antioxidant-enzymen in door oxidantia geïnduceerde modellen. Het is bevestigd dat taurine de activiteiten van Mn-SOD en GSH-Px in muizen mitochondrion herstelt na tamoxifen infectie . Verder wezen Choi en Jung er in hun studie op dat taurine suppletie de lever SOD activiteit verhoogde op de calcium deficiëntie conditie, maar de activiteiten van GSH-Px en catalase (CAT) waren niet significant verschillend tussen normale muizen en calcium deficiënte muizen.
4. Conclusie
In conclusie, als de krachtige anti-oxidanten, spelen SAA’s een curiale rol in het handhaven van het evenwicht en de stabiliteit van vrije radicalen in het lichaam. Vandaar dat SAA’s op grote schaal worden gebruikt als voedseladditief en worden toegepast in de medische zorg en de veeteelt. Hoewel SAA’s een uitstekende antioxidantcapaciteit hebben, is de toediening van SAA’s in het proces van dierlijke productie van bijzonder belang, omdat verschillende doseringen van SAA’s verschillende effecten op dieren kunnen hebben. Verdere studie naar de juiste dosering van SAA’s in diervoeding zal dus worden onderzocht.
Afkortingen
| SAA: | Zwavelaminozuren |
| SAM: | S-Adenosylmethionine |
| GSH: | Glutathion |
| ROS: | Reactieve zuurstofsoorten |
| MetO: | Methioninesulfoxide |
| Thioredoxine | |
| MsrA: | Methioninesulfoxidereductase A |
| MsrB: | Methioninesulfoxidereductase B |
| MAT: | Methionine adenosyltransferase |
| CBS: | Cystathionine γ-synthase |
| GSH-Px: | Glutathion peroxidase |
| GST: | Glutathion-S-transferase |
| SOD: | Superoxide dismutase |
| Waterstofsulfide | |
| γ-Glucys: | γ-Glutamylcysteïne |
| GCS: | γ-Glutamylcysteïnesynthetase |
| GSSG: | Glutathiondisulfide. |
Disclosure
Dit overzichtsartikel bevat geen studies met menselijke deelnemers of dieren die door een van de auteurs zijn uitgevoerd.
Belangenconflicten
De auteurs verklaren dat er geen belangenconflicten zijn met betrekking tot de publicatie van dit artikel.
Erkenningen
Dit onderzoek werd ondersteund door National Natural Science Foundation of China (nos. 31702125, 31772642, 31330075, en 31110103909), Hunan Provincial Science and Technology Department (2017NK2322), National Key Research and Development Program of China (2016YFD0500504, 2016YFD0501201), International Partnership Program of Chinese Academy of Sciences (161343KYSB20160008), en Natural Science Foundation of Hunan Province (2017JJ3373).