Abstract
Gli aminoacidi solforati sono un tipo di aminoacidi che contengono solfidrile, e svolgono un ruolo cruciale nella struttura delle proteine, nel metabolismo, nell’immunità e nell’ossidazione. La nostra rassegna dimostra l’effetto di resistenza all’ossidazione della metionina e della cisteina, due degli aminoacidi solforati più rappresentativi, e dei loro metaboliti. La metionina e la cisteina sono estremamente sensibili a quasi tutte le forme di specie reattive dell’ossigeno, il che le rende antiossidative. Inoltre, la metionina e la cisteina sono precursori di S-adenosilmetionina, idrogeno solforato, taurina e glutatione. Questi prodotti sono segnalati per alleviare lo stress ossidativo indotto da vari ossidanti e proteggere il tessuto dai danni. Tuttavia, la carenza e l’eccesso di metionina e cisteina nella dieta influenzano la normale crescita degli animali; quindi è importante un nuovo studio sulla definizione di livelli adeguati di assunzione di metionina e cisteina.
1. Introduzione
Gli aminoacidi solforati (SAA) sono un tipo di aminoacidi che contengono solfidrile. Tra i SAA, la metionina e la cisteina sono considerati i SAA principali. La metionina è un aminoacido indispensabile nei mammiferi poiché non può essere sintetizzata in quantità sufficiente per mantenere la crescita normale dei mammiferi. Tuttavia, la cisteina è un aminoacido semiessenziale nei mammiferi, perché la cisteina può essere prodotta attraverso la via della transulfurazione dalla degradazione della L-metionina. Così, il contenuto di metionina e cisteina è considerato rappresentare il requisito di SAA nella dieta dei mammiferi. Prove crescenti rivelano che i SAA svolgono un ruolo cruciale nella struttura delle proteine, nel metabolismo, nell’immunità e nell’ossidazione. Esercitano funzioni importanti attraverso i loro metaboliti, come la S-adenosilmetionina (SAM), le poliammine, la taurina e il glutatione (GSH) (Figura 1).
L’omeostasi redox è la premessa del mantenimento dell’equilibrio omeostatico dell’organismo, e dipende fortemente dall’equilibrio del sistema proossidativo e antiossidativo. Le specie reattive dell’ossigeno (ROS) sono un fattore importante nella formazione del danno ossidativo, perché le ROS possono ossidare facilmente le biomolecole (compresi i lipidi, le proteine e il DNA) e quindi compromettere il sistema antiossidativo e causare lo stress ossidativo. Pertanto, l’antiossidazione dei SAA attira gradualmente l’interesse della gente e i ricercatori hanno fatto molte ricerche su di esso. Un gran numero di ricerche riferisce che gli ASA hanno un’azione alleviante su vari modelli di stress ossidante, come il diabete, l’infezione da HIV e l’invecchiamento. Così, la nostra revisione riorganizza e mette in evidenza l’effetto antiossidante di due SAA principali (metionina e cisteina).
2. Metionina
Nella struttura della proteina, tutti i residui di aminoacidi sono inclini ad essere ossidati da forme diversificate di ROS, soprattutto i residui di metionina, in quanto sono sensibili a quasi tutte le forme di ROS e l’ossidazione dei residui di metionina è reversibile. È la ragione principale per cui la metionina ha la capacità di resistere all’ossidazione.
2.1. Ciclo di riduzione dell’ossidazione della metionina
I residui di metionina sono estremamente sensibili ai ROS, e sono inclini a combinarsi con i ROS per poi convertirsi in solfossido di metionina (MetO); in questo modo il ROS perde la sua attività. Il prodotto di reazione del MetO è una miscela che consiste di due stereoisomeri, MetO-S e MetO-R. MetO-S e MetO-R possono essere ridotti a metionina dalla tioredossina attraverso la catalisi delle metionina solfossido reduttasi A (MsrA) e metionina solfossido reduttasi B (MsrB), rispettivamente (Figura 2). Ogni ciclo di ossidazione e riduzione dei residui di metionina elimina le sostanze pericolose (es, idroperossido, ipocloroso, ozono e perossido lipidico), che potrebbe rappresentare un importante sistema naturale di pulizia delle sostanze pericolose.
MrsA e MsrB sono considerati i meccanismi di difesa antiossidanti per eccellenza perché sono incaricati della riduzione di MetO . Molti esperimenti in diversi oggetti hanno evidenziato che il livello di MsrA è correlato all’eliminazione del danno ossidativo accumulato. Marchetti et al. hanno proposto che la riduzione dei livelli di MsrA ha causato l’accumulo di ROS nelle cellule del cristallino umano. Inoltre, Yermolaieva e i suoi colleghi hanno scoperto che la sovraespressione di MsrA ha ridotto significativamente l’aumento di ROS indotto dall’ipossia e ha mantenuto la crescita normale delle cellule PC12. MrsB è stata scoperta solo da poco tempo, e la sua funzione principale era ormai nota per ridurre il MetO ossidato insieme a MsrA. Le altre funzioni di MsrB rimangono da esplorare ulteriormente.
2.2. SAM
SAM è il prodotto diretto della metionina nella catalisi della metionina adenosiltransferasi (MAT), ed è ben noto come il donatore di metile per la maggior parte delle metiltransferasi che modificano il DNA, RNA e altre proteine. SAM esercita la capacità antiossidante attraverso questa via: SAM aumenta l’attività della cistationina γ-sintetasi (CBS) che è l’enzima principale nella trans-solfurazione e contribuisce alla sintesi della cisteina, aumentando così il livello di GSH. Molti studi dimostrano che la somministrazione di SAM allevia lo stress ossidante e ripristina i tessuti. Per esempio, Li et al. hanno scoperto che la somministrazione di SAM protegge le cellule e inibisce lo stress ossidativo indotto dall’amiloide-β, e attiva il sistema antiossidante endogeno ripristinando il normale rapporto GSH/GSSG e aumentando le attività di glutatione perossidasi (GSH-Px), glutatione-S-transferasi (GST) e superossido dismutasi (SOD).
2.3. Somministrazione di metionina
È stato riportato che la supplementazione di metionina ha mitigato il danno indotto da ROS aumentando l’attività di GSH. È interessante notare che la restrizione di metionina, che limita l’integrazione di metionina nella dieta animale, è anche riportata per alleviare lo stress ossidante. Per esempio, la restrizione di metionina riduce significativamente la generazione di ROS mitocondriale. Inoltre, la carenza di metionina in un modello di dieta provoca una serie di danni al corpo, come la patologia epatica, la soppressione della crescita epiteliale intestinale, il deterioramento delle prestazioni di crescita, e così via, mentre l’eccessiva integrazione di metionina può portare ad avvelenamento da metionina e anche accorciare la durata della vita degli animali. Per di più, il requisito di metionina in diverse fasi degli animali è discrepante. Quindi, la somministrazione di metionina per la produzione animale è un prezioso argomento di ricerca.
3. Cisteina
Simile ai residui di metionina, anche i residui di cisteina soffrono facilmente di ossidazione. I residui di cisteina hanno la proprietà di regolare la redox poiché le sue caratteristiche chimiche speciali la fanno reagire facilmente con H2O2 . Inoltre, servendo come precursore del GSH, la cisteina è l’amminoacido limitante della sintesi del glutatione nella via della transulfurazione. Inoltre, la proprietà antiossidante della cisteina si riflette principalmente nel prodotto di GSH, solfuro di idrogeno (H2S) e taurina.
3.1. GSH
Nei mammiferi, il GSH è sintetizzato principalmente da due reazioni enzimatiche ATP-dipendenti da cisteina, glutammato e glicina: (1) La cisteina e il glutammato consumano ATP per formare γ-glutamilcisteina (γ-Glucys) attraverso la catalisi della γ-glutamilcisteina sintetasi (GCS). (2) La GSH sintetasi catalizza la γ-Glucys e la glicina per formare GSH, e questa reazione consuma anche ATP (Figura 1). Nella sintesi del GSH nella cellula, la cisteina è il substrato di reazione limitante e l’integrazione con L-cisteina nell’uomo migliora il tasso di sintesi e la concentrazione di GSH. Inoltre, Yin et al. hanno quantificato la fonte principale dei precursori di GSH integrando con diverse concentrazioni di L-cisteina, L-glutammato e glicina nella dieta dei topi, e il loro risultato ha rivelato che la dieta con L-cisteina e L-glutammato ha aumentato la concentrazione di GSH nel fegato, mentre hanno anche trovato che l’integrazione eccessiva di L-cisteina ha inibito la sintesi di GSH.
GSH è un tripeptide contenente cisteina e svolge un ruolo vitale nell’antiossidazione cellulare negli animali. Il GSH è facilmente ossidato dai radicali liberi e da altri ROS (per esempio, radicale perossile lipidico, H2O2 e radicale idrossile) per formare il disolfuro di glutatione (GSSG) tramite la catalisi del GSH-Px. E poi con la catalisi della glutatione reduttasi, GSSG viene ridotto a GSH. Pertanto, il ciclo GSH/GSSG contribuisce allo scavenging dei radicali liberi e di altre specie reattive e alla prevenzione dell’ossidazione delle biomolecole. Inoltre, come substrato di GSH-Px, GSH gioca anche un ruolo di assistente nella perossidazione antilipidica di GSH-Px. Si ritiene generalmente che il basso livello di GSH possa portare alla perossidazione dei lipidi. Per esempio, Agar et al. hanno impiegato l’etanolo per consumare il GSH nel cervelletto dei topi e poi hanno trovato che la perossidazione lipidica era aumentata significativamente. Così, la concentrazione di GSH e le attività dell’enzima legato al GSH hanno agito come segno dello stato antiossidante nel corpo.
3.2. H2S
H2S è stato a lungo considerato come un gas tossico prodotto in quantità sostanziali dai tessuti dei mammiferi, mentre la ricerca recente rivela che è un agente antinfiammatorio, antiossidante e neuroprotettivo e gioca ruoli molto importanti in molte funzioni fisiologiche. La L-Cisteina è un substrato importante per produrre circa il 70% di H2S endogeno da entrambi gli enzimi (cistationina β-sintetasi e cistationina γ-liasi). E, negli ultimi anni, è stato osservato che la D-cisteina produce H2S attraverso un nuovo percorso e può essere più efficace della L-cisteina nel proteggere le colture primarie di neuroni cerebellari dallo stress ossidativo indotto dal perossido di idrogeno. L’H2S è un potente antiossidante, a parte lo scavenging diretto delle specie reattive dell’ossigeno e dell’azoto per proteggere i tessuti; aumenta anche l’attività della γ-glutamilcisteina sintetasi e regola il trasporto della cistina, aumentando così la produzione di GSH per resistere allo stress ossidante. Inoltre, è stato riferito che l’H2S può proteggere le cellule epiteliali della mucosa gastrica dallo stress ossidativo attraverso la stimolazione delle vie di MAP kinase. Queste vie forniscono i meccanismi per H2S per proteggere i tessuti dallo stress ossidativo.
3.3. Taurina
La taurina è l’aminoacido libero più abbondante nei mammiferi, e gioca un ruolo importante in molte funzioni fisiologiche, come lo sviluppo visivo, lo sviluppo neurale, la disintossicazione, l’antiossidazione, l’antinfiammatorio e così via. Due fonti principali contribuiscono alla sintesi della taurina nei mammiferi: l’assorbimento dalle diete e il metabolismo della cisteina. La taurina è sintetizzata da tre fasi: in primo luogo, la cisteina è catalizzata per formare cisteina solfinato dalla catalisi della cisteina diossigenasi; in secondo luogo, la cisteina solfinato rimuove il carbossile per formare ipotaurina dalla cisteina solfinato decarbossilasi; in terzo luogo, l’ipotaurina è ossidata a taurina. Molte ricerche confermano che l’aumento del dosaggio di cisteina nella dieta contribuisce all’attivazione della cisteina diossigenasi, e l’integrazione alimentare di cisteina ha aumentato il livello di taurina nel plasma nelle persone con infezione da HIV. La capacità antiossidante della taurina è associata al ROS scavenging. Chang et al. hanno dimostrato che i supplementi di taurina nella dieta dei ratti hanno abbassato la produzione di ROS indotta dall’iperomocisteinemia, e Palmi et al. hanno riportato che la taurina ha inibito la produzione di ROS stimolando l’assorbimento mitocondriale di Ca2+. Inoltre, la taurina aumenta anche le attività di molti enzimi antiossidanti in modelli indotti da ossidanti. È stato confermato che la taurina ripristina le attività di Mn-SOD e GSH-Px nel mitocondrio dei topi dopo l’infezione da tamoxifene. Inoltre, Choi e Jung nei loro studi hanno sottolineato che l’integrazione di taurina ha aumentato l’attività epatica SOD nella condizione di carenza di calcio, ma le attività di GSH-Px e catalasi (CAT) non erano significativamente diverse tra topi normali e topi con carenza di calcio.
4. Conclusione
In conclusione, come potenti antiossidanti, le SAA svolgono un ruolo curioso nel mantenere l’equilibrio e la stabilità dei radicali liberi nel corpo. Quindi, gli ASA sono ampiamente utilizzati come additivi alimentari e applicati alle cure mediche e all’allevamento di animali. Anche se gli ASA hanno un’eccellente capacità antiossidante, di particolare importanza è la somministrazione di ASA nel processo di produzione animale, perché diversi dosaggi di ASA possono avere effetti diversi sugli animali. Quindi, ulteriori studi sul dosaggio appropriato di SAA saranno esplorati nell’alimentazione animale.
Abbreviazioni
| SAA: | Amminoacidi solforati | |
| SAM: | S-Adenosylmethionine | |
| GSH: | Glutathione | |
| ROS: | Specie reattive dell’ossigeno | |
| MetO: | Metionina solfossido | |
| Th(SH)2: | Thioredoxin | |
| MsrA: | Metionina solfossido reduttasi A | |
| MsrB: | Metionina solfossido reduttasi B | |
| MAT: | Metionina adenosiltransferasi | |
| CBS: | Cistationina γ-sintetasi | |
| GSH-Px: | Glutathione perossidasi | |
| GST: | Glutathione-S-transferase | |
| SOD: | Superossido dismutasi | |
| H2S: | Hydrogen sulfide | |
| γ-Glucys: | γ-Glutamilcisteina | |
| GCS: | γ-Glutamilcisteina sintetasi | |
| GSSG: | disolfuro di glutatione. |
Disclosure
Questo articolo di revisione non contiene studi con partecipanti umani o animali eseguiti da uno degli autori.
Conflitti di interesse
Gli autori dichiarano che non ci sono conflitti di interesse relativi alla pubblicazione di questo articolo.
Riconoscimenti
Questa ricerca è stata sostenuta dalla National Natural Science Foundation of China (nn. 31702125, 31772642, 31330075, e 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), e Natural Science Foundation of Hunan Province (2017JJ3373).