1 Laborator cheie al proceselor agroecologice în regiunea subtropicală, Institutul de agricultură subtropicală, Academia chineză de științe, Laboratorul național de inginerie pentru controlul poluării și utilizarea deșeurilor în producția de animale și păsări, Changsha, Hunan 410125, China

sulf

2 Universitatea Academiei de Științe din China, Beijing 10049, China

Abstract

Aminoacizii de sulf sunt un fel de aminoacizi care conțin sulfhidril și joacă un rol crucial în structura proteinelor, metabolismul, imunitatea și oxidarea. Revizuirea noastră demonstrează efectul rezistenței la oxidare a metioninei și cisteinei, doi dintre cei mai reprezentativi aminoacizi de sulf și a metaboliților acestora. Metionina și cisteina sunt extrem de sensibile la aproape toate formele de specii reactive de oxigen, ceea ce le face antioxidante. Mai mult, metionina și cisteina sunt precursori ai S-adenosilmetioninei, hidrogenului sulfurat, taurinei și glutationului. S-a raportat că aceste produse ameliorează stresul oxidant indus de diverși oxidanți și protejează țesutul de deteriorări. Cu toate acestea, deficiența și excesul de metionină și cisteină din dietă afectează creșterea normală a animalelor; prin urmare, este important un nou studiu privind definirea nivelurilor adecvate de aport de metionină și cisteină.

1. Introducere

Aminoacizii de sulf (SAA) sunt un fel de aminoacizi care conțin sulfhidril. Dintre SAA, metionina și cisteina sunt considerate drept SAA primare. Metionina este un aminoacid indispensabil la mamifere, deoarece nu poate fi sintetizat în cantități suficiente pentru a menține creșterea normală a mamiferelor. Cu toate acestea, cisteina este un aminoacid semi-esențial la mamifere, deoarece cisteina poate fi produsă pe calea transsulfurării de la degradarea L-metioninei. Astfel, conținutul de metionină și cisteină este considerat a reprezenta cerința SAA în dieta mamiferelor. Dovezi din ce în ce mai mari arată că SAA joacă un rol crucial în structura proteinelor, metabolismul, imunitatea și oxidarea [1-4]. Ei exercită funcții importante prin metaboliții lor, cum ar fi S-adenosilmetionina (SAM), poliamine, taurină și glutation (GSH) (Figura 1).


Homeostazia redox este premisa menținerii echilibrului homeostatic al organismului și depinde în mare măsură de echilibrul sistemului prooxidativ și antioxidant [5, 6]. Speciile reactive de oxigen (ROS) sunt un factor major în formarea daunelor oxidative, deoarece ROS poate oxida biomoleculele (inclusiv lipidele, proteinele și ADN-ul) cu ușurință și astfel afectează sistemul antioxidant și provoacă stres oxidativ [7, 8]. Prin urmare, antioxidarea SAA-urilor atrage treptat interesul oamenilor, iar cercetătorii au făcut multe cercetări pe această temă [9, 10]. Un număr mare de cercetări raportează că ASA au o acțiune de atenuare asupra diferitelor modele de stres oxidant, precum diabetul [11, 12], infecția cu HIV [13] și îmbătrânirea [14]. Astfel, analiza noastră reorganizează și evidențiază efectul antioxidant al două SAA principale (metionină și cisteină).

2. Metionina

În structura proteinelor, toate reziduurile de aminoacizi sunt predispuse să fie oxidate de forme diversificate de ROS, în special reziduuri de metionină, deoarece sunt sensibile la aproape toate formele de ROS și oxidarea reziduurilor de metionină este reversibilă [15]. Este principalul motiv pentru care metionina are capacitatea de a rezista la oxidare.

2.1. Ciclul de reducere a oxidării metioninei

Reziduurile de metionină sunt extrem de sensibile la ROS și sunt predispuse să se combine cu ROS și apoi să se transforme în metionină sulfoxid (MetO); astfel ROS își pierde activitatea. Produsul de reacție al MetO este un amestec care constă din cei doi stereoizomeri, MetO-S și MetO-R. MetO-S și MetO-R pot fi reduse la metionină prin tioredoxină [Th (SH) 2] prin cataliza metioninei sulfoxid reductazelor A (MsrA) și a metioninei sulfoxid reductazelor B (MsrB), respectiv (Figura 2). Fiecare ciclu de oxidare și reducere a reziduurilor de metionină va elimina substanțele periculoase (de exemplu, hidroperoxid, hipoclor, ozon și peroxid lipidic), care ar putea reprezenta un sistem natural major de eliminare a substanțelor periculoase.


MrsA și MsrB sunt considerate drept mecanismele de apărare antioxidante finale, deoarece sunt responsabile de reducerea MetO [16]. Multe experimente pe diferite obiecte au evidențiat faptul că nivelul MsrA este corelat cu eliminarea daunelor oxidative acumulate [17-19]. Marchetti și colab. [20] a propus că reducerea nivelurilor de MsrA a cauzat acumularea de ROS în celula cristalinului uman. Mai mult, Yermolaieva și colegii săi [21] au constatat că supraexprimarea MsrA a redus semnificativ creșterea indusă de hipoxie a ROS și a menținut creșterea normală a celulelor PC12. MrsB a fost descoperit doar pentru o scurtă perioadă de timp [22], iar funcția sa principală era acum cunoscută pentru a reduce MetO oxidat împreună cu MsrA. Celelalte funcții ale MsrB rămân pentru explorarea ulterioară.

2.2. SAM

SAM este produsul direct al metioninei în cataliza prin metionină adenosiltransferază (MAT) și este bine cunoscut ca donator de metil pentru majoritatea metiltransferazelor care modifică ADN, ARN și alte proteine. SAM exercită capacitatea antioxidantă pe această cale: SAM crește activitatea cistationinei γ-sintaza (CBS), care este enzima primară în transsulfurare și contribuie la sinteza cisteinei, crescând astfel nivelul GSH. Multe studii arată că administrarea SAM ameliorează stresul oxidant și restabilește țesuturile. De exemplu, Li și colab. [23] a constatat că administrarea SAM protejează celulele și inhibă stresul oxidativ indus de amiloid-β, și activează sistemul antioxidant endogen prin restabilirea raportului normal GSH/GSSG și creșterea activităților de glutation peroxidază (GSH-Px), glutation-S-transferază (GST) și superoxid dismutază (SOD).

2.3. Administrarea de metionină

Se raportează că suplimentarea cu metionină a atenuat daunele induse de ROS prin creșterea activității GSH [24]. În mod interesant, restricția de metionină, care restricționează suplimentarea cu metionină în dieta animalelor, este, de asemenea, raportată pentru a atenua stresul oxidant. De exemplu, restricția metioninei reduce semnificativ generarea de mitocondria ROS [25, 26]. În plus, deficiența de metionină într-un model dietetic provoacă o serie de leziuni ale corpului, cum ar fi patologia hepatică [27], suprimarea creșterii epiteliale intestinale [28], afectarea performanței de creștere [29] și așa mai departe, în timp ce metionina excesivă suplimentarea poate duce la otrăvirea cu metionină și chiar poate scurta durata de viață a animalelor [30]. Mai mult, cerința de metionină în diferite etape ale animalelor este discrepanță. Astfel, administrarea metioninei pentru producția animală este un subiect valoros de cercetare.

3. Cisteina

Similar reziduurilor de metionină, reziduurile de cisteină au suferit cu ușurință de oxidare. Reziduurile de cisteină au proprietățile de a regla redox, deoarece caracteristicile sale chimice speciale l-au făcut să reacționeze ușor cu H2O2 [31, 32]. În plus, servind ca precursor al GSH, cisteina este aminoacidul limitativ al sintezei glutationului în calea transsulfurării. Mai mult, proprietatea antioxidantă a cisteinei este reflectată în principal de produsul GSH, hidrogen sulfurat (H2S) și taurină.

3.1. GSH

La mamifere, GSH este sintetizat în principal de două reacții enzimatice dependente de ATP de la cisteină, glutamat și glicină: (1) Cisteina și glutamatul consumă ATP pentru a forma γ-glutamilcisteină (γ-Glucys) prin cataliza γ-glutamilcisteina sintetaza (GCS). (2) GSH sintetaza catalizează γ-Glucizii și glicina formează GSH, iar această reacție consumă și ATP (Figura 1). În sinteza GSH în celule, cisteina este substratul de reacție care limitează viteza [33], iar suplimentarea cu L-cisteină la om îmbunătățește viteza sintetică și concentrația de GSH [34]. Mai mult, Yin și colab. [35] a cuantificat principala sursă de precursori GSH prin suplimentarea cu diferite concentrații de L-cisteină, L-glutamat și glicină în dieta șoarecilor, iar rezultatul lor a relevat că alimentația cu L-cisteină și L-glutamat a crescut concentrația de GSH în ficat, în timp ce au constatat că suplimentarea excesivă de L-cisteină inhibă sinteza GSH.

GSH este o tripeptidă care conține cisteină și joacă un rol vital în antioxidarea celulară la animale [36]. GSH este ușor oxidat de radicalii liberi și de alți ROS (de exemplu, radical peroxil lipidic, H2O2 și radical hidroxil) pentru a forma disulfură de glutation (GSSG) prin cataliza GSH-Px. Și apoi prin cataliza glutation reductazei, GSSG este redus la GSH. Prin urmare, ciclul GSH/GSSG contribuie la eliminarea radicalilor liberi și a altor specii reactive și la prevenirea oxidării biomoleculelor. În plus, ca substrat al GSH-Px, GSH joacă, de asemenea, un rol asistent în peroxidarea antilipidă a GSH-Px. În general, se crede că nivelul scăzut de GSH poate duce la peroxidarea lipidelor. De exemplu, Agar și colab. [37] a folosit etanol pentru a consuma GSH în cerebelul șoarecilor și apoi a constatat că peroxidarea lipidelor a crescut semnificativ. Astfel, concentrația de GSH și activitățile enzimei legate de GSH au acționat ca semn al stării antioxidante în organism.

3.2. H2S

H2S a fost considerat mult timp ca un gaz toxic produs în cantități substanțiale de țesuturile mamiferelor, în timp ce cercetările recente relevă că este un agent antiinflamator, antioxidant și neuroprotector și joacă roluri foarte importante în multe funcții fiziologice [38]. L-cisteina este un substrat major care produce aproximativ 70% H2S endogen de către oricare dintre enzime (cistationina β-sintază și cistationină γ-lyase) [39]. Și, în ultimii ani, s-a observat că D-cisteina produce H2S printr-o cale nouă și poate fi mai eficientă decât L-cisteina în protejarea culturilor primare de neuroni cerebeloși de stresul oxidativ indus de peroxidul de hidrogen [40]. ]. H2S este un puternic antioxidant, cu excepția eliminării directe a speciilor reactive de oxigen și azot pentru a proteja țesuturile [41]; crește și activitatea de γ-glutamilcisteina sintetaza și reglează în sus transportul cistinei, sporind astfel producția de GSH pentru a rezista stresului oxidant [42]. Mai mult, s-a raportat că H2S poate proteja celulele epiteliale ale mucoasei gastrice împotriva stresului oxidativ prin stimularea căilor MAP kinazei [43]. Aceste căi asigură mecanismele H2S pentru a proteja țesuturile de stresul oxidativ.

3.3. Taurina

Taurina este cel mai abundent aminoacid liber la mamifere și joacă un rol important în multe funcții fiziologice, cum ar fi dezvoltarea vizuală, dezvoltarea neuronală, detoxifiere, antioxidare, antiinflamatoare și așa mai departe. Două surse principale contribuie la sinteza taurinei la mamifere: absorbția din diete și metabolismul cisteinei. Taurina este sintetizată prin trei etape: în primul rând, cisteina este catalizată pentru a forma cisteină sulfinat prin cataliza cisteinei dioxigenazei; în al doilea rând, cisteina sulfinat îndepărtează carboxilul pentru a forma hipotaurina prin cisteina sulfinat decarboxilaza; în al treilea rând, hipotaurina este oxidată în taurină. Multe cercetări confirmă că creșterea dozei de cisteină în dietă contribuie la activarea cisteinei dioxigenazei [44], iar suplimentarea dietetică a cisteinei a crescut nivelul taurinei plasmatice la persoanele infectate cu HIV [13].

În special, taurina își arată protecția pentru țesuturi în multe modele care sunt induse de oxidanți variați [45, 46]. Capacitatea antioxidantă a taurinei este asociată cu eliminarea ROS. Chang și colab. [46] a demonstrat că suplimentele de taurină din dieta șobolanilor au redus producția de ROS indusă de hiperhomocisteinemie și Palmi și colab. [47] a raportat că taurina a inhibat producția de ROS stimulând absorbția mitocondrială a Ca 2+. În plus, taurina crește, de asemenea, activitățile multor enzime antioxidante în modelele induse de oxidant. Se confirmă că taurina restabilește activitățile Mn-SOD și GSH-Px la mitocondriile șoarecilor după infecția cu tamoxifen [48]. Mai mult, Choi și Jung [49] în studiile lor au arătat că suplimentarea cu taurină a crescut activitatea SOD hepatică în condițiile deficitului de calciu, dar activitățile GSH-Px și catalazei (CAT) nu au fost semnificativ diferite între șoarecii normali și șoarecii cu deficit de calciu.

4. Concluzie

În concluzie, ca puternici antioxidanți, SAA joacă un rol curial în menținerea echilibrului și stabilității radicalilor liberi din organism. Prin urmare, SAA sunt utilizate pe scară largă ca aditivi alimentari și aplicate îngrijirilor medicale și creșterii animalelor. Deși SAA au o capacitate antioxidantă excelentă, o remarcă deosebită este administrarea de SAA în procesul de producție animală, deoarece dozele diferite de SAA pot avea efecte diferite asupra animalelor. Astfel, va fi explorat un studiu suplimentar cu privire la doza adecvată de SAA în hrana animalelor.

Abrevieri

SAA:Aminoacizi de sulf
SAM:S-adenosilmetionina
GSH:Glutation
ROS:Specii reactive de oxigen
MetO:Sulfoxid de metionină
Th (SH) 2:Tioredoxina
MsrA:Metionina sulfoxid reductaza A
MsrB:Metionina sulfoxid reductaza B
MAT:Metionina adenosiltransferaza
CBS:Cistationina γ-sintază
GSH-Px:Glutation peroxidază
GST:Glutation-S-transferaza
GAZON:Superoxid dismutază
H2S:Sulfat de hidrogen
γ-Glucys:γ-Glutamilcisteina
GCS:γ-Glutamilcisteina sintetaza
GSSG:Glutation disulfură.

Dezvăluire

Acest articol de revizuire nu conține studii efectuate de oricare dintre autori cu participanți umani sau animale.

Conflicte de interes

Autorii declară că nu există conflicte de interese cu privire la publicarea acestui articol.

Mulțumiri

Această cercetare a fost susținută de Fundația Națională pentru Științe Naturale din China (nr. 31702125, 31772642, 31330075 și 31110103909), Departamentul științei și tehnologiei provinciale din Hunan (2017NK2322), Programul național de cercetare și dezvoltare cheie din China (2016YFD0500504, 2016YFD0501201), Internațional Programul de parteneriat al Academiei de Științe din China (161343KYSB20160008) și Fundației de Științe Naturale din provincia Hunan (2017JJ3373).

Referințe