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维生素A抗氧化功能的机制

发表时间:2020-10-25 16:20

1、维生素A对机体抗氧化功能的调节作用

动物机体抗氧化系统主要包括酶促与非酶促2个体系。酶促系统除了超氧化物歧化酶(superoxidedismutase,SOD)过氧化氢酶(catalase,CAT)等外,还包括硒蛋白谷胱甘肽过氧化物酶(glutathioneperoxidase,GPx)、硫氧还蛋白还原酶(thioredoxinreductase,TrxR)、硒蛋白P(selenoproteinP,SelP)等;非酶促系统主要包括维生素、氨基酸、金属蛋白质等。

CAT和SOD等抗氧化酶活性总抗氧化能力(totalantioxidantcapacity,T⁃AOC)和脂质过氧化物丙二醛(malonaldehyde,MDA)含量是反映机体抗氧化功能的重要指标,同时也能够反映出维生素A的添加剂量,是判断肉牛体内维生素A营养状况的指标[5]

在不同的维生素A营养状态下,大鼠血清中的视黄醇浓度与抗氧化酶SOD的活性呈正相关,与MDA含量呈负相关,提示血清中视黄醇浓度对机体的抗氧化酶的活性和脂质过氧化物的水平具有直接影响作用[6]

据报道,适量补充维生素A有助于提高大鼠体中维生素A的储存水平,并且能够增强机体抗氧化能力[7]

妊娠后期母羊饲粮中添加不同剂量的维生素A后,1100IU/kg维生素A可以显著提高血清中SOD活性,2200IU/kg维生素A可以显著降低血清MDA含量,1100~2200IU/kg维生素A可以显著提高T⁃AOC[8]。维生素A也可显著降低奶牛血清中MDA含量,并能够使血清GPx的活性有提高趋势[9]

这些结果说明饲粮中添加维生素A可以提高机体的抗氧化功能,但最佳的维生素A剂量还有待于进一步的探讨。

此外,Jin等[10]和马露[11]研究表明,奶牛饲粮中添加220IU/kgBW维生素A可不同程度地提高其血清中SOD、GPx、CAT活性,T⁃AOC和羟自由基抑制力的活性,并且能够降低脂质代谢产物MDA含量,进而提高了奶牛机体的抗氧化能力。硒蛋白是一类以硒代半胱氨酸形式参入到多肽链的蛋白质,是硒在机体内存在的主要功能形式。所有已发现的硒蛋白都具有氧化还原活性,且大多数是具有重要作用的酶,又称其为硒酶。

因此,硒蛋白的合成直接影响其抗氧化功能,可以作为反映抗氧化功能的一项重要指标。硒蛋白有多种,如GPx、TrxR、SelP等,但目前的研究主要集中在GPx上,对于TrxR和SelP的研究则很少。GPx是生物体内最主要的具有抗氧化作用的硒蛋白,可以使有毒的过氧化物还原成无毒的羟基化合物,保护组织免受氧化损伤的伤害[12]。与GPx相似,TrxR也具有直接减少脂质过氧化物的作用[11]。TrxR是一种含硒的二聚体硒酶,是目前已知的唯一一种可以还原氧化态硫氧还蛋白(thioredoxin,Trx)的酶类,可以将电子通过与酶结合的黄素腺嘌呤二核苷酸转移到自身的二硫化物的活性位点,然后传送给氧化态的Trx,所以它属于吡啶核苷酸-二硫化物氧化还原酶家族。

TrxR通过对Trx的还原作用使氧化态的Trx得到还原并继续发挥生物抗氧化作用,从而维持和促进细胞的生存与生长[13]

在表皮细胞中,Trx/TrxR/硫氧还蛋白过氧化物酶系统协调地调节氧化还原状态,有效地抵御伤害[14]

SelP是一种胞外的糖蛋白,与硒的转运和抗氧化作用有关,可防止脂类活性的代谢产物的产生[15]。极其有限的资料报道,维生素A作为一种抗氧化维生素,可以调控硒蛋白的合成。

目前,国内外对于维生素A调控硒蛋白活性的研究均较少。乔良[9]研究表明饲粮中添加165IU/kgBW维生素A,可以显著增加奶牛血清中硒蛋白GPx的活性,但对于TrxR活性和SelP含量未做研究[9]

Bruzelius等[16]发现在奶牛乳腺上皮细胞系MAC⁃T中,使用同位素蛋白质组学的研究方法显示RA可以影响硒蛋白的形成模式。

此外,也有研究表明MAC⁃T细胞系中添加RA可上调GPx1和TrxR1的基因表达,进而提高了细胞的抗氧化功能[17]。但目前关于维生素A究竟如何发挥其抗氧化作用的机理并不清楚。

2维生素A发挥抗氧化作用的机理

2.1促进了硒蛋白的基因表达

维生素A的衍生物RA可以调控基因转录,进入细胞内可以与RA结合蛋白结合,二者结合后一起被转运到细胞核内,与RA核受体结合后形成二聚体,调节多种关键基因的表达,并且可以有效地与靶基因启动子附近的RA反应元件结合,进而调节某些基因的转录[18]。有限的研究资料报道,RA可诱导乳腺癌患者的乳腺上皮细胞中GPx2的基因表达和提高GPx的活性,其中,GPx2的mRNA表达量比对照组增加了3~11倍,GPx活性增加4倍[18]。在MAC⁃T细胞系中,采用同位素蛋白质组学的研究方法显示RA可以影响硒蛋白的形成模式[16]。Bruzelius等[17]研究表明添加1μmol/LRA会上调MAC⁃T细胞系中GPx1和TrxR1mRNA表达量。

这些结果提示,维生素A可以增强机体的抗氧化功能可能与维生素A促进了硒蛋白的基因表达,进而提高了GPx和TrxR的活性有关,然而,相关的研究很少,值得进一步探讨。

2.2通过TrxR调节ARA的释放

ARA是一种广泛分布于机体的属于n⁃6系列的多不饱和必需脂肪酸,是在细胞膜中以磷脂形式存在的类花生酸类物质的前体。在通常情况下,机体中大部分的ARA以酯化的形式存在于细胞膜磷脂sn⁃2位置上,并且没有生理活性,也有一小部分有正常生理活性的ARA存在于细胞质和体液中[19]。当细胞受到各种炎症介质[如:脂多糖肿瘤坏死因子白细胞介素1一氧化氮(NO)供体]刺激时,细胞就会在磷脂酶A2(phospholipaseA2,PLA2)的作用下释放出大量的ARA[20]。过多的ARA会诱导氧化应激的发生进而产生大量的活性氧,对细胞产生毒性和损害作用[21]

即一定浓度的ARA具有正向的生理功能,但过多的ARA则对细胞产生毒性作用。因此,机体存在有效的调节体系以保持细胞一定浓度的ARA,这是细胞执行正常生理功能的前提。

据报道,RA可以抑制人关节滑液中和大鼠的腹膜巨噬细胞由钙离子(Ca2+)激活的PLA2的活性和ARA的释放的升高[22]。Kurosawa等[23]研究了Trx对小鼠的纤维肉瘤细胞中ARA释放细胞毒性和细胞内信号传导途径的抑制作用。结果提示,硒蛋白TrxR对细胞中胞浆型磷脂酶A2(cytosolicphospholipaseA2,cPLA2)的活性有抑制作用,可以降低ARA的释放,进而减少对细胞的毒性作用。

同时,Bruzelius等[16]研究了RA对MAC⁃T系内硒蛋白生物合成的影响后发现,RA可以上调TrxR1的mRNA表达量。由此推测,维生素A可能通过TrxR调节cPLA2的活性,以调节细胞内ARA浓度的平衡,进而保障细胞的抗氧化功能。

ARA在体内主要有2条代谢途径:

一是通过环氧化酶(cyclooxygenase,COX)途径产生环内过氧化物前列腺素G2和前列腺素H2,前列腺素H2在酶的催化下生成前列腺素E2和血栓素A2

二是通过脂氧化酶(lipoxygenase,LOX)途径生成过氧羟基二十四碳四烯酸(hydroxyperoxidetetracosenicarachidonicacid,HPETE),然后被氧化生成白三烯A4和羟基二十四碳四烯酸(hydroxyeicosatetraenoicacid,HETE),白三烯A4再进一步生成白三烯B4等激素类物质[24]

其中,15⁃LOX能够将ARA代谢生成活性的过氧化物中间体,如15HETE及其氧化前体物15⁃HPETE[25]。然而,有报道指出,15⁃HPETE释放的增多会抑制TrxR的活性[26]

而Kelavkar等[27]研究表明硒蛋白TrxR可以直接地减少过氧化氢脂质,潜在性的抑制15HPETE在体内的蓄积。

由此可见,TrxR的活性与15⁃HPETE的含量呈现反比的关系。因此也可以推测,维生素A可能通过提高TrxR的活性来调控ARA经LOX的代谢,进而减少脂质过氧化物的累积,减轻其对细胞的伤害,发挥维生素A的抗氧化功能,但相关的研究报道罕见,值得进一步研究。

此外,Straif等[28]研究表明,硒蛋白GPx1可有效抑制单核细胞内5⁃LOX的活性。

Schnurr等[29]报道GPx也可以减少由15⁃LOX代谢产生的脂质过氧酯的含量。

SelP也是一种具有脂质过氧化物酶活性的硒蛋白,可以减少在15⁃LOX的作用下生成脂类活性代谢产物,进而保护细胞免受脂类活性代谢产物的损伤[15]

Burk等[30]研究表明SelP通过降低脂质过氧化反应进而可以保护大鼠免受敌草快诱导的肝脏损伤。

由此可见,维生素A对ARA释放的调节作用可能也与GPx和SelP有密切的联系。然而,更确切的机理有待于更进一步的研究。

2.3通过丝裂原激活蛋白激酶信号通路调节

ARA的释放

丝裂原激活蛋白激酶(mitogen-activatedproteinkinase,MAPK)家族包括p38MAPK、c⁃Jun氨基末端激酶(c⁃JunN⁃terminalkinase,JNK)和胞外信号调节激酶(extracellularsignal⁃regulatedkinase1/2,ERK1/2)3个主要成员,它们分别可被上游相应的丝裂原激活蛋白激酶激酶(mitogen⁃activatedproteinkinasekinase,MAP2K,也可表示为MEK)MEK3/6、MEK1/2和MEK4/7活化,而MEK又可被上游丝裂原激活蛋白激酶激酶激酶(MAP3K)活化,其中,细胞凋亡信号激酶-1(apoptosissignalingkinase⁃1,ASK⁃1)是MAP3K家族的重要成员,还原型硫氧还蛋白结合在ASK⁃1的N端区域,起抑制其活性的作用,当硫氧还蛋白由于TrxR活性降低转变为氧化形式时,ASK⁃1被激活,从而激活MAPK信号通路中JNK和p38MAPK[31]

此外,氧化应激脂多糖细胞因子等刺激也可激活MAPK信号通路[32]。cPLA2作为MAPK的底物可直接被磷酸化而激活,磷酸化位点位于丝氨酸(Ser)⁃505

MAPK被磷酸化后,也会增强cPLA2酶的活性,导致ARA的大量释放[33]。Bruzelius等[17]发现RA可以增加奶牛腺细胞中TrxR1的mRNA表达量。由此推测,维生素A可能通过调节TrxR抑制ASK1活性,从而调控MAPK信号通路来进一步平衡细胞中ARA的释放,保障细胞的抗氧化功能。

可见,维生素A发挥抗氧化的作用可能与多种信号通路途径有关,其具体的机理有待于进一步的研究。

2.4通过维生素A自身的结构降低脂质过氧化反应

目前,已知维生素A抑制脂质过氧化的作用不是清除引发脂质过氧化的自由基,而是作为阻断反应链的抗氧化剂,与有机过氧化自由基结合。这可能是由于维生素A是含有β-白芷酮环和2分子2-甲基丁二烯构成的不饱和一元醇,自身容易被氧化,从而避免了机体内脂质过氧化反应的发生[5]

而且维生素A结构侧链中含有的双烯共轭键,能够有效地淬灭和捕捉过氧化反应中产生的单线态氧羟自由基脂质过氧化自由基等,防止过氧化物对机体的伤害[34]

另外,由于维生素A是脂溶性维生素,容易进入细胞膜,可以降低细胞膜上的脂质过氧化链式反应,从而减少了脂质代谢反应中MDA的产生,间接地提高了机体的抗氧化能力[8]。这些都从维生素A的自身结构角度解释了维生素A的抗氧化功能。

2.5通过TrxR调节NO的生成

NO是一种结构简单分子质量小的生物自由基,可自由穿过细胞膜作用于细胞内的靶分子,能以相对特异的方式控制多种细胞功能或生理功能。

研究证实诱导型一氧化氮合酶(induciblenitricoxidesynthase,iNOS)可以在多种炎症因子诱导下激活生成大量的NO,而大量生成的NO能够与超氧阴离子反应产生过氧化亚硝基阴离子,它进一步能够造成细胞发生脂质过氧化巯基氧化蛋白质酪氨酸硝基化等许多生化反应,从而可以诱发产生炎症和多种疾病[35]。机体产生的NO具有双向调节功能。一方面,巨噬细胞产生的NO在体内和体外都有抗菌及抗肿瘤的作用,保护动物免除外界环境的感染[36]

另一方面,过高浓度的NO会对细胞造成损害,导致蛋白质类脂膜和DNA损伤。据报道,过高浓度的NO还会导致活性氮的产生,导致细胞信号通路的阻断和全身性不可控制的炎症,对机体产生氧化应激[37]。因此,机体在正常情况下存在复杂的调控体系以保证NO浓度处于平衡状态。

有报道指出,Trx体系可保护人单核巨噬细胞免受NO对其引起的损伤[38]。在体外培养条件下利用RA对人单核巨噬细胞进行处理后,可减弱NO引起的细胞损伤,同时细胞的TrxR和Trx基因表达显著上调,提示Trx体系在保护细胞免受NO引起的损伤方面具有重要的作用。

由此推测,维生素A对抗氧化功能的影响可能通过对硒蛋白TrxR合成的调节作用影响iNOS的活性进而影响NO的生成有关,但相关的研究甚少,需要进一步研究探讨。

3小结

综上所述可知维生素A主要通过调控硒蛋白TrxR的基因表达及信号通路MAPK调节ARA释放,通过调控硒蛋白TrxR的基因表达调节NO的合成以发挥其抗氧化功能。动物机体氧化应激是导致细胞抗氧化功能降低引起细胞凋亡增加的主要诱因,进而引发动物的一系列疾病。因此,深入探讨维生素A对动物机体抗氧化功能的影响机理,对保障动物健康提高动物生产性能和改善畜产品品质方面具有重要的理论和实践意义。





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