靶向肽代谢作用及其对健康的影响

营养科学的最新进展

 

靶向肽代谢作用及其对健康的影响

郭耀武、方云忠、杨升、Joanne R. Lupton和Nancy D. Turner

德州农工大学营养学院，生物化学和分子生物学系；北京放射医学研究所；中国农业大学动物营养学系

 

抽象的靶向肽(Targeted Peptides;TP)是最丰富的低分子量硫醇，而TP/靶向肽二硫化物是动物细胞中主要的氧化还原偶。由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸合成靶向肽，由两种胞质酶-谷氨酰半胱氨酸合成酶和TP合成酶催化。证据表明，TP的合成主要是由-谷氨酰半胱氨酸合成酶活性、半胱氨酸可用性和TP反馈抑制调控的。动物和人类的研究表明，充足的蛋白质营养对于维持TP体内平衡至关重要。此外，肠内或肠外胱氨酸、甲硫氨酸、n -乙酰半胱氨酸和L -2-氧噻唑烷-4-羧酸盐是用于组织TP合成的胱氨酸的有效前体。靶向肽在抗氧化防御、营养代谢和细胞调控(包括基因表达、DNA和蛋白质合成、细胞增殖和凋亡、信号转导、细胞因子产生和免疫应答、蛋白靶向肽)等方面发挥重要作用。靶向肽缺乏会导致氧化应激，它在衰老和许多疾病的发病机制中起着关键作用(包括夸休可尔症（恶性营养不良）、癫痫、阿尔茨海默病、帕金森病、肝病、囊性纤维化、镰状细胞性贫血、HIV、艾滋病、癌症、心脏病、中风和糖尿病)。对TP代谢的营养调节的新知识对于制定有效的改善健康和治疗这些疾病的策略至关重要。

关键词：氨基酸 氧化应激 半胱氨酸 疾病

 

 

在过去的一百多年里，在生物化学和营养科学领域对于靶向肽做了大量的研究。具体地说，这些研究促进了人类疾病的自由基理论和提高营养疗法的诞生，以及在各种病理条件下提高了靶向肽的地位(2,3)。值得注意的是，在过去的十年中，TP在信号转导、基因表达、细胞凋亡、蛋白靶向肽和一氧化氮(NO)代谢中发现了新的作用(2,4)。最近，对人类体内TP流动率的研究开始提供关于TP合成和分解代谢在整个身体和特定细胞类型(如红细胞)(3,5-7)的数量方面的迫切需要的信息。本文综述了近年来靶向肽代谢作用研究发展及其对健康和疾病的影响。

 

细胞和血液中存在大量靶向肽

靶向肽是动物细胞中主要的低分子量硫醇(0.5-10 mmol/L)。大多数细胞靶向肽(85 - 90%)出现在胞质中,剩余的在许多细胞器(如线粒体、核矩阵,和过氧化物酶体)(8)中,细胞外的靶向肽浓度相对较低(例如,在等离子体2 - 20 mol / L)(4、9)。由于半胱氨酸残基，TP容易被亲电物质(如自由基和活性氧/氮)的非酶性氧化为氧化型靶向肽。细胞的氧化型靶向肽流出物导致细胞内TP的净损失。由于蛋白质营养不良、氧化应激和许多病理条件(8,9)，细胞TP浓度显著降低。靶向肽及其还原形式的浓度通常表示为细胞中总靶向肽浓度，其中很大一部分(高达15%)可能与蛋白质结合(1)。(靶向肽):[ 氧化型靶向肽]的比率,常常被用来作为细胞氧化还原状态的一个指标。

靶向肽合成

谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸的合成是由两种胞质酶-谷氨酰半胱氨酸合成酶(GCS)和TP合成酶催化合成的，这种途径几乎在所有的细胞类型中都存在，肝脏是TP的主要生产和出口。在GCS反应中，谷氨酸的-羧基与半胱氨酸的氨基反应形成一个肽链，通过胞内肽酶保护TP水解。虽然-谷氨酰半胱氨酸可以作为-谷氨酰环转移酶的底物，但由于TP合成酶(9)的亲和力和活性较高，TP合成在动物细胞中得到了广泛的应用。

哺乳动物的GCS是一种由催化活性重亚基(73 kDa)和光(调节亚基(31 kDa)(8))组成的异二聚体，重亚基包含所有基体结合位点，而轻亚基则调节重子基与抑制剂之间的亲和力。哺乳动物的Km值GCS对谷氨酸,半胱氨酸更易与1.7和0.15 L,分别,这类似于细胞内浓度的谷氨酸(2 - 4更易/ L)和半胱氨酸(0.15 - 0.25更易/ L)在大鼠肝脏(9)。为哺乳动物的靶向肽合成酶(52 kDa /单元),是一种变构酶与合作结合谷酰基衬底(10)。哺乳动物TP合成酶对ATP和甘氨酸的Km值分别为0.04和0.9 mmol/L，比大鼠肝脏中ATP (2-4 mmol/L)和甘氨酸(1.5-2 mmol/L)的胞内浓度低。对大鼠GCS和TP合成酶的亚基进行了克隆和测序，促进了TP合成的分子调控研究。

有关体内GSH合成的知识是有限的，部分原因是由于在器官和亚细胞水平上底物的复杂分区和它们的代谢。例如，谷氨酸对GCS的来源不同于小肠和肾脏(例如，饮食与动脉血液)。此外，肝对靶向肽的合成主要发生在周围的肝细胞，在较小的程度上，在周门细胞(11)。因此，血浆TP水平的变化不一定反映特定细胞类型中TP合成的变化。然而，最近涉及稳定同位素的研究(5-7)扩大了我们对TP代谢的理解。在健康的成人中，TP的内生消失率(利用率)为25 mol/(kgh)(6)，占全身半胱氨酸流量的65% [38.3 mol/(kgh)]。这一发现支持了TP作为半胱氨酸在体内的主要运输形式的观点。在健康成人(6)的饮食半胱氨酸摄入量[9 mol/(kg h)]的基础上，估计大多数用于内源性TP合成的半胱氨酸来源于细胞内蛋白降解和/或内源性合成。有趣的是，在肝外细胞中，红细胞的周转率相对较高。例如，健康成人受试者TP的全血分数合成率为65%/d(6)，这意味着TP在1.5 d中完全被取代;这一数值相当于3 mol/(kg h)，因此，全血(主要是红细胞)可以贡献人体TP合成的10%(5,6)。

GCS对TP合成的调控。氧化应激，硝化应激，炎性细胞因子，癌症，癌症化疗，电离辐射，热休克，GCS活性的抑制，TP耗损，TP结合，前列腺素A2，重金属，抗氧化剂，胰岛素增加GCS的转录或活性在多种细胞中(2,8)。相比之下，膳食蛋白缺乏、地塞米松、促红细胞生成素、肿瘤生长因子、高血糖、GCS磷酸化降低GCS的转录或活性。核因子B介导了GCS表达对氧化应激、炎性细胞因子和巯基嘌呤诱导的TP耗竭的反应(2,8)。无供体(例如，s -亚硝基- l -半胱氨酸和s -亚硝基- L-cysteinylglycine)对GCS蛋白的s -硝基化降低了酶活性(8)，提示NO (l -精氨酸的代谢物)和TP代谢之间的联系。事实上，由于诱导不产生合成酶而导致GCS抑制和TP耗竭的细胞因子激活的巨噬细胞和神经元(12)。在这方面，氨基葡萄糖、牛磺酸、n-3 PUFAs、植物雌激素、多酚类、类胡萝卜素和锌，抑制了诱导型无合成酶的表达，也没有生产(13)，可预防或减弱细胞内的TP耗损。相反地，高脂饮食、饱和长链脂肪酸、低密度脂蛋白、亚油酸和铁，可以增强诱导的无合成酶的表达，也没有生产(13)，可能会加剧细胞中TP的损失。

氨基酸的TP合成调控。半胱氨酸是早产儿和新生婴儿的一种必需氨基酸，在受疾病困扰的人群中(14)。如上所述，细胞内的半胱氨酸的池相对较小，而细胞中TP的代谢活性更大(15)。最近的研究提供了令人信服的数据，证明半胱氨酸通常是人体内TP合成的限制性氨基酸，就像老鼠、猪和鸡一样(6、14、15)。因此,因素(如胰岛素和生长因子)刺激半胱氨酸(胱氨酸)吸收细胞通常增加细胞内靶向肽浓度(8)。此外,增加供应的半胱氨酸或其前体(如胱氨酸,n -乙酰半胱氨酸常和L-2-氧噻唑烷-4-羧酸盐)通过口服或静脉注射管理提高靶向肽合成,防止在人体和动物体内各种营养和病理条件下(包括蛋白质营养不良,成人呼吸困难综合征，HIV，和AIDS)(2) 缺靶向肽，因为从蛋氨酸分解代谢产生的半胱氨酸(主要是肝细胞)作为GCS的底物，膳食蛋氨酸可以取代半胱氨酸来支持体内的TP合成。

半胱氨酸在氧合细胞外溶液中容易氧化为胱氨酸。因此，与胱氨酸(50 - 150 mol/L)相比，半胱氨酸的血浆浓度低(10-25 mol/L)。半胱氨酸和胱氨酸由不同的膜载体运输，细胞通常比另一种更高效地运输(8)。有趣的是，一些细胞类型(如肝细胞)很少或没有能力直接运输细胞外胱氨酸。然而，从肝脏流出的TP可以将胱氨酸减少到外细胞膜上的半胱氨酸，由此产生的半胱氨酸被肝细胞吸收。其他细胞类型(如内皮细胞)可以吸收胱氨酸并在细胞内减少到半胱氨酸(图1);细胞还原条件通常有利于在动物细胞中存在半胱氨酸。

细胞外和细胞内生成的谷氨酸可以用于TP合成(16)。由于膳食谷氨酸几乎完全被小肠(16)所利用，血浆谷氨酸主要来源于它的从头合成和蛋白质降解。磷酸盐依赖的谷氨酰胺酶、谷氨酸脱氢酶、吡咯-5羧酸脱氢酶、BCAA转氨酶和谷氨酰胺:果糖-6-磷酸转氨酶可以催化谷氨酸的形成(图1)，但是这些酶的相对重要性在细胞和组织中可能有所不同。有趣的是,鼠红细胞不吸收或释放谷氨酸(17)和谷氨酰胺和/或BCAAs可能在这些细胞谷氨酸的前体(图1)。实际上,谷氨酰胺是一种有效的谷氨酸对靶向肽合成的前体在许多细胞类型,包括肠上皮细胞、神经细胞、肝细胞、淋巴细胞(18)。因此，谷氨酰胺对全肠外营养的补充维持组织TP水平，在再灌注损伤、缺血、乙酰氨基酚毒性、化疗、炎症应激和骨髓移植(19)后提高生存率。

谷氨酸通过两种机制在TP合成中发挥调节作用:1)对胱氨酸的吸收，抑制GCS的TP抑制作用。谷氨酸和胱氨酸分享系统Xc -氨基酸转运体(8),当细胞外谷氨酸浓度很高,在晚期癌症患者中,艾滋病毒感染,和脊髓或大脑损伤以及细胞培养基含有高水平的谷氨酸,胱氨酸吸收是由谷氨酸竞争性抑制,导致减少靶向肽合成(20)。TP是GCS的一种非变构反馈抑制剂，但TP对酶的结合与谷氨酸(9)相竞争，当细胞内谷氨酸浓度异常高时，如在犬类红细胞中，TP合成得到增强，其浓度特别高(9)。

由于蛋白质营养不良、败血症和炎性刺激(21、22)，甘氨酸的可用性可能会降低。当肝甘氨酸氧化在高胰高血糖素或糖尿病(23)的反应增强时，这种氨基酸可能成为TP合成的限制因子。在体内研究表明，甘氨酸的可用性限制了烧伤患者(7)和从严重营养不良(21)中恢复的儿童的红细胞TP合成。值得注意的是，饮食中甘氨酸的补充增加了蛋白质不足大鼠肝脏的TP浓度，这对TNF-(22)有挑战。

证据表明，膳食氨基酸平衡对蛋白质营养和TP稳态(8)有重要影响，特别是含硫氨基酸、谷氨酸(谷氨酰胺或BCAAs)和甘氨酸(或丝氨酸)的充分供应对TP合成的最大化至关重要。因此,在儿童的红细胞与水肿的蛋白质能量营养不良和小猪蛋白质缺乏症,靶向肽合成受损,导致缺乏靶向肽(3)。5-氧脯氨酸尿排泄,增加一个中间谷酰基周期的(图1),是一个有用的指标,减少可用性靶向肽合成的半胱氨酸和甘氨酸在体内(7,21)

器官间的靶向肽运输。靶向肽可以通过依赖于载体的促进机制(2)从细胞中转运出来。血浆TP主要来源于肝脏，但是一些膳食和肠道中靶向肽可以进入门户静脉血浆(8)。靶向肽分子由于外膜质膜上的谷氨酰转肽酶活性而离开肝脏完整或AS -Glu（Cys）2。跨质膜的极限浓度梯度使细胞外的运输细胞靶向肽或还原型靶向肽热动力不利。然而，- glu -(Cys)2很容易被肝外细胞吸收，用于TP合成。肾、肺、肠是肝源性TP(8)的主要使用者，TP功能的器官间代谢在组织间以无毒形式转运半胱氨酸，也有助于维持细胞内TP浓度和氧化还原状态(8)。

靶向肽的作用。

靶向肽参与许多细胞反应。首先，TP可以有效清除自由基和其他活性氧(如羟自由基、脂质过氧自由基、过氧化亚硝酸盐、H₂O₂)，通过酶促反应(24)。在这种反应中，TP被氧化形成氧化型靶向肽，然后由依赖型靶向肽还原酶(Fig. 1)将其还原为TP。此外，靶向肽过氧化物酶(一种含硒的酶)催化了H₂O₂和其他过氧化物(25)的TP依赖型还原。

其次，靶向肽与各种亲电体、生理代谢产物(如雌激素、黑色素、前列腺素、白三烯)以及异种生物(如溴苯和乙酰氨基酚)反应，形成硫醇(24)。这些反应是由靶向肽-转移酶(一种II期解毒酶家族)引起的。

第三，TP与NO结合形成S-亚硝基谷胱甘肽加合物，通过硫氧还蛋白系统裂解以释放TP和NO（24）。最近的证据表明，内源性NO的靶向是由细胞内TP（26）介导的。此外，NO和TP都是胰岛素增敏剂（27）的肝脏作用所必需的，表明它们在调节脂质、葡萄糖和氨基酸利用中的关键作用。

第四，靶向肽作为甲醛脱氢酶的底物，将甲醛和TP转化为S-甲酰-谷胱甘肽（2）。甲醛（致癌物）的去除具有生理意义，因为它是由甲硫氨酸、胆碱、甲醇（醇脱氢酶）、肌氨酸（肌氨酸氧化酶）和外源物质(通过细胞色素P450-dependent内质网的单氧酶系统)。

第五，TP需要将前列腺素H2(一种花生四烯酸的代谢物)转化为前列腺素D2和E2，通过endoper氧化物异构酶(8)。

第六，TP参与了乙二醛酶系统，该系统将甲基乙二醛转化为d -乳酸，这是一种活跃于微生物的途径。最后，蛋白质的靶向肽(例如，硫氧还蛋白、泛素结合酶和细胞色素c氧化酶)在细胞生理(2)中起着重要的作用。

因此，TP在身体中起重要作用。在细胞的增殖中，包括淋巴细胞和肠上皮细胞(28)，需要足够的TP浓度。靶向肽在精子发生和精子成熟(1)也扮演着重要的角色。此外,靶向肽是至关重要的激活淋巴细胞、多形核白细胞以及细胞因子的生产,因此越来越多的免疫反应挑战成功(2)。此外,在体外和体内的证据表明靶向肽抑制感染的流感病毒(29)。重要的是要注意,转移向氧化靶向肽(氧化还原状态激活多种信号通路(包括蛋白激酶B蛋白磷酸酶1和2,磷酸酶,核因子B,c-Jun Nterminal激酶,凋亡signal-regulated激酶1,和有丝分裂原激活蛋白激酶),从而减少细胞增殖,增加细胞凋亡(30)。因此,氧化应激(有害的不平衡生产和清除活性氧/氮物种)在许多疾病的发病机制中发挥着关键作用,包括癌症、炎症、夸希奥科病(主要是蛋白质缺乏)、癫痫、阿尔茨海默氏症、帕金森病、镰状细胞性贫血,肝疾病,囊性纤维化,艾滋病毒、艾滋病、感染、心脏病、中风和糖尿病(2,31)。

 

结论和观点。靶向肽具有显著的代谢和调节功能。靶向肽及其氧化型在抗氧化防御、营养代谢和调节整个机体内稳态的通路中起着至关重要的作用。靶向肽缺乏症导致氧化应激，因此可能在许多疾病的衰老和发病机制中发挥关键作用。这对营养研究提出了一个新的挑战。由于营养供应不足、恶心和呕吐、早产、艾滋病毒、艾滋病、癌症、癌症化疗、酒精中毒、烧伤和慢性消化疾病，蛋白质(或氨基酸)缺乏仍然是世界上一个重要的营养问题。因此，关于有效利用膳食蛋白或TP合成的前体及其营养状况的新知识对于制定有效的治疗策略，以预防和治疗包括心血管并发症、癌症和严重急性呼吸系统综合症在内的一系列人类疾病是至关重要的。

 

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