愛華網(wǎng)谷胱甘肽的水平及氧化還原狀態(tài)與炎癥性腸病的關(guān)系
北京市武警總醫(yī)院南一科王英，羅敏，李卉，張菁，魏巍，高娃，李嶸，鄧馨
北京協(xié)和醫(yī)院消化內(nèi)科 張靜
氧化還原反應(yīng)（redoxreactions)是細胞新陳代謝和動態(tài)平衡中的一個完整的部分。在氧化還原反應(yīng)中產(chǎn)生親電子副產(chǎn)物是不可避免的，而且細胞要消耗相當多的能量用于合成許多蛋白質(zhì)及利用內(nèi)源性和食物中的抗氧化物，以維持氧化還原的平衡并保護細胞的重要大分子物質(zhì)免于損傷。在眾多的抗氧化物中，最重要的一種抗氧化物就是還原型谷胱甘肽(reducedglutathione)。谷胱甘肽(GSH)是一種水溶性的三肽，由谷氨酸鹽、半胱氨酸和甘氨酸組成。GSH是細胞內(nèi)含量最豐富的巰基化合物，作為一種重要的抗氧化物，GSH通過谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶(GST)和谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)在對多種親電子化合物和過氧化物的解毒過程中起著重要的作用。除了解毒作用之外，GSH還在包括乙二醛酶系統(tǒng)、核苷酸還原成脫氧核苷酸及通過巰基/二硫化物的轉(zhuǎn)化反應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)和基因的表達等過程中起著重要的作用。
GSH能以氧化型〔谷胱甘肽二硫化物(GSSG)〕或還原型GSH狀態(tài)存在于細胞內(nèi)。保持細胞中GSH/GSSG的最佳比例對于細胞存活是至關(guān)重要的，GSH的缺乏將使細胞處于氧化損傷的危險之中。在廣泛的病理學領(lǐng)域內(nèi)如癌癥、神經(jīng)退化性疾病、肺泡纖維化、HIV、衰老和炎癥性腸病等均已發(fā)現(xiàn)GSH的失平衡。
一、GSH在細胞內(nèi)和血漿中的含量
GSH是動物細胞中主要的低分子巰基化合物(O.5～10mmol/L)。大部分細胞內(nèi)的GSH(85％～9O％)存在于細胞質(zhì)中，其余部分存在于線粒體、核基質(zhì)和過氧物酶體等細胞器中。細胞外的GSH濃度相對較低(例如血漿中濃度2～20μmol/L)。由于半胱氨酸的殘余，GSH比較容易被親電子物質(zhì)(如自由基和反應(yīng)性氧簇或氮簇等)氧化成為GSSG。GSSG從細胞流出導致了細胞內(nèi)GSH的凈損失。在蛋白質(zhì)營養(yǎng)不良，氧化應(yīng)激和多種病理條件下，細胞的GSH濃度明顯減少。通常細胞內(nèi)總的GSH含量用GSH+2GSSG的濃度表示．其中15％可能是與蛋白相結(jié)合的。GSH/GSSG的比值常用作細胞氧化還原狀態(tài)的指標。GSH/GSSG是主要的氧化還原對，決定著細胞的抗氧化能力，但是其比值可受其他氧化還原對影響，如NADPH/NADP+。
二、GSH的合成及氧化還原循環(huán)
GSH的合成是從氨基酸甘氨酸、半胱氨酸和谷氨酸的更新開始的。GSH的合成需要兩個酶的連續(xù)作用完成，它們分別是γ-谷氨酸半胱氨酸合成酶(γ-GCS)和谷胱甘肽合成酶。半胱氨酸的生物有效性可以限制GSH合成的比率。半胱氨酸和其氨基酸的氧化形式胱氨酸可以分別通過鈉離子依賴或非依賴方式轉(zhuǎn)運入細胞內(nèi)。氧化物可以促進胱氨酸的攝取并隨之增加γ-GCS的表達。γ-GCS的轉(zhuǎn)化后修飾也可以影響GSH的合成。特別是γ-GCS的磷酸化可抑制GSH的合成。GSH本身能通過負反饋機制調(diào)節(jié)γ-GCS的活性。因此，GSH的損耗可以增加GSH合成的速率。
過多反應(yīng)性氧簇(ROS)的形成，包括過氧化氫(H2O2)和超氧陰離子(O2-.)具有細胞毒性。GPx與過氧化氫酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)的功能是一致的，都可以保護細胞免受ROS的損傷。在還原反應(yīng)中，GPx通過將GSH作為電子供體使H2O2解毒，并生成終產(chǎn)物GSSG。GSSG的還原是由谷胱甘肽還原酶(GR)催化的，這個過程需要NADPH的參與。GR是黃素蛋白二硫化物氧化還原酶家族中的一員，并以二聚體的形式存在。在氧化應(yīng)激條件下，GR在轉(zhuǎn)錄水平及通過轉(zhuǎn)化后修飾起調(diào)節(jié)作用GR表達和活性的改變與癌癥和衰老有關(guān)。氧化應(yīng)激可誘導GPx的表達，GPx異常表達與多種病理過程相關(guān)，包括肝炎、HIV以及多種器官組織的癌癥。
三、GSH水平穩(wěn)定的重要性
GSH是維持細胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)和蛋白質(zhì)功能和完整性的重要體系。GSH執(zhí)行著許多重要的生理功能，包括抗氧化防御功能，儲存、轉(zhuǎn)運半胱氨酸，脫氧核苷酸的合成和調(diào)節(jié)自三烯和前列腺素的代謝。GSH是GPx使過氧化物失活的基礎(chǔ)，是谷胱甘肽脫氫酶產(chǎn)生抗氧化分3079子的基礎(chǔ)，如抗壞血酸，并且是GST使異型生化物質(zhì)解毒的基礎(chǔ)。
在氧化應(yīng)激方面，GSH的作用為：調(diào)制氧化還原調(diào)節(jié)信號的轉(zhuǎn)導，基因的表達，調(diào)節(jié)細胞增殖和凋亡。通過上述機制，GSH可調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，免疫反應(yīng)的削弱與免疫組織谷胱甘肽濃度的降低相關(guān)。
例如大鼠給予半胱氨酸和甲硫氨酸缺乏的低蛋白飲食時，研究中發(fā)現(xiàn)炎性細胞浸潤入肺組織，并可以通過食物中增加上述氨基酸阻止該現(xiàn)象發(fā)生。另外，大鼠給予二乙基馬來酸鹽后使得一個非致死性劑量的α腫瘤壞死因子可以導致大鼠死亡，但是如果動物能夠增加和維持GSH的合成則上述情況就不會出現(xiàn)在核因子κB(NF-κB)的作用中，GSH和血清淀粉樣蛋白A可以降低氧化性分子的刺激性影響。同樣在對炎性刺激物反應(yīng)的過程中，維持和增強GSH組織的能力在控制細胞因子產(chǎn)生方面可能有特殊的重要性。
四、GSH與免疫的關(guān)系
GSH與相關(guān)酶在細胞免疫中起著重要的作用，例如GSH水平和抗原提呈細胞(APC)決定著Th1或Th2反應(yīng)方式哪一個占優(yōu)勢。Thl反應(yīng)是以產(chǎn)生IL-12和干擾素α為特征的，而且可以增強遲發(fā)型超敏反應(yīng)。Th2反應(yīng)是以IL-4和IL-1O的產(chǎn)生為特征，并上調(diào)許多抗體反應(yīng)上述差別的分子基礎(chǔ)還不清楚，但是有意義的是與未治療對照組比較，HIV患者應(yīng)用NAC治療后生存時間延長。在HIV等疾病中，Th2反應(yīng)占優(yōu)勢是免疫反應(yīng)的關(guān)鍵組成部分，因此在決定疾病進展方面，APC中的GSH水平可能起著完整性的作用。Hamuro等和Peterson等曾報道鼠的APC或腹腔定居的巨噬細胞中GSH的損耗可使IL-12的分泌減少并導致典型的Thl細胞因子形式向Th2反應(yīng)模式轉(zhuǎn)化。Peterson等的研究還顯示應(yīng)用GSH損耗或補充藥物時巨噬細胞內(nèi)GSH的水平可以影響Thl/Th2細胞因子的傾向。且將來源于GSH損耗小鼠的T細胞與未處理的BALB/C鼠的巨噬細胞一起培養(yǎng)可產(chǎn)生正常量的IFN-γ，因此IFN-γ產(chǎn)量減少是由于巨噬細胞而不是T細胞中GSH損耗造成的。另外Jeannin等在研究易于產(chǎn)生IL-4的培養(yǎng)細胞系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)液中增加GSH的水平可使IL-4的產(chǎn)量以量效依賴的方式減低。這些研究結(jié)果充分表明巨噬細胞內(nèi)的GSH水平對于調(diào)節(jié)在免疫反應(yīng)中向Thl或Th2細胞因子反應(yīng)的發(fā)展趨勢具有重要的作用。
五、GSH與炎癥的關(guān)系
在對巨噬細胞、肺泡細胞和支氣管上皮細胞進行的體外實中，顯示氧化劑可導致炎癥調(diào)節(jié)因子的釋放如TNF-αIL-8、IL-1和NO，并提高致炎基因的表達。硫醇抗氧化劑如NAC通過增加細胞內(nèi)GSH水平和降低NF-κB活性的機制，在體外和體內(nèi)均可以抑制這些炎癥調(diào)節(jié)因子從巨噬細胞和上皮細胞中釋放。通過BSO使細胞內(nèi)GSH減少或降低GSH/GSSG的比值也與炎癥調(diào)節(jié)因子的基因轉(zhuǎn)錄增強相關(guān)。GSH氧化還原狀態(tài)對于這些炎癥調(diào)節(jié)因子基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)起著關(guān)鍵的作用。
在各種炎性疾病中嗜中性粒細胞-內(nèi)皮細胞的相互作用對于炎癥反應(yīng)過程是必需的。近年來的研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細胞中GSH/GSSG的比值的改變可以在細胞表面表達不同的黏附分子。使GSH氧化成GSSG的藥物能通過上調(diào)細胞間黏附分子1(ICAM-1)和血管細胞黏附分子1(VCAM-1)而增強嗜中性粒細胞與內(nèi)皮細胞的黏附。相反，應(yīng)用NAC增加細胞內(nèi)硫醇的水平,可以削弱氧化劑或細胞因子介導的嗜中性粒細胞與內(nèi)皮細胞的黏附。近期的研究顯示，在內(nèi)皮和上皮細胞中氧化應(yīng)激和GSH氧化還原狀態(tài)通過激活轉(zhuǎn)錄因子NF-κB和催化蛋白1(AP-1)調(diào)節(jié)IL-8和ICAM-1基因轉(zhuǎn)錄的方式是不同的。因此，細胞內(nèi)GSH氧化還原平衡的改變可能是嗜中性粒細胞-內(nèi)皮細胞黏附的一種重要的機制。多種基因如單核細胞化學誘導蛋白-1(MCP-1)、基質(zhì)金屬蛋白酶、前列腺素E合成酶、環(huán)氧化酶和可誘導的N0合酶(在炎癥的始動和長期存在的過程中具有重要的作用)等，都受到GSH氧化還原狀態(tài)的調(diào)節(jié)。
六、GSH與IBD
IBD的腸道炎癥和黏膜損壞也與氧化前和抗氧化的失衡、GSH的水平及GSH的氧化還原狀態(tài)相關(guān)。
以往對抗氧化劑作用的研究已經(jīng)報道了在IBD患者和實驗性腸炎中包括GSH在內(nèi)的抗氧化劑水平的降低。對IBD的黏膜抗氧化反應(yīng)的研究中發(fā)現(xiàn)，IBD黏膜中初級抗氧化酶-SOD和次級抗氧化酶-CAT和谷胱甘肽過氧化物酶的比率的不平衡，內(nèi)源性抗氧化反應(yīng)的效率低下可能是IBD的發(fā)病和炎癥過程持續(xù)存在的原因。
GSH對于維持胃腸道結(jié)構(gòu)和功能的完整性具有重要的作用。GSH缺乏的小鼠表現(xiàn)出空腸和結(jié)腸黏膜的嚴重退化，并出現(xiàn)體重下降和腹瀉。口服含混合成分的氨基酸可有效增加胃腸道黏膜的GSH水平。在Sido等的研究中發(fā)現(xiàn)，克羅恩病和潰瘍性結(jié)腸炎患者血漿中GSH的氨基酸前體的濃度在手術(shù)前后均有明顯變化。炎癥及無炎癥小腸黏膜GSH顯著減少，而GSSG明顯增多。炎癥回腸部位GSH的氧化狀態(tài)(GSH/GSSG比值)較對照組顯著減低，且GSH合成酶γGT和γGCs的活性降低。
在三硝基苯硫酸(TNBS)誘導的實驗性腸炎中，GSH及GST、SOD濃度均減低。而近期對DSS誘導的小鼠實驗性腸炎的研究發(fā)現(xiàn)，小鼠病變結(jié)腸的局部GSH的減少與病變結(jié)腸局部分泌的細胞因子IL-4增加、IFN-γ減低及結(jié)腸黏膜損傷有相關(guān)性：而腹腔巨噬細胞內(nèi)和脾細胞內(nèi)的GSH降低，GSH/GSSG比值降低與DSS誘導的實驗性腸炎結(jié)腸黏膜的炎癥損傷及IL-4分泌增加相關(guān)。
另外在NAC對TNBS+乙醇誘導的大鼠實驗性腸炎的治療作用研究中，發(fā)現(xiàn)TNBS+乙醇處理后4h口服NAC(40mmol/L)可以提高GSH儲備量2倍，并可在NAC治療24h后減輕黏膜損傷(6O％～70％)，提示NAC可以通過提高黏膜GSH水平起到減輕急性腸炎的作用。上述結(jié)果均說明GSH的不足和(或)GSH氧化還原狀態(tài)的改變與IBD和實驗性腸炎的炎癥相關(guān)。但機制還不清楚。
總之，GSH是細胞內(nèi)一種有多種不同功能的重要的抗氧化物質(zhì)，GSH/GSSG是最重要的氧化還原對，在抗氧化防御、營養(yǎng)代謝、免疫反應(yīng)、炎癥調(diào)節(jié)中起著關(guān)鍵的作用，是整個機體穩(wěn)態(tài)的基本調(diào)節(jié)途徑。GSH的缺乏可以引起氧化應(yīng)激，并因此在多種疾病的發(fā)病機制中具有重要的作用。將來的研究還要進一步闡明GSH在一些疾病發(fā)病機制中的作用，并有可能將其作為有效的治療策略應(yīng)用于人類疾病的預(yù)防和治療之中。
轉(zhuǎn)載自【實用醫(yī)學雜志】2008年 第24卷 第17期
