Имена | |
---|---|
Предпочтительное название ИЮПАК 2-оксопентандиовая кислота | |
Другие имена 2-кетоглутаровая кислота альфа-кетоглутаровая кислота 2-оксоглутаровая кислота оксоглутаровая кислота | |
Идентификаторы | |
3D модель ( JSmol ) |
|
ЧЭБИ | |
ChemSpider | |
DrugBank | |
Информационная карта ECHA | 100.005.756 |
| |
КЕГГ | |
МеШ | альфа-кетоглутаровая+кислота |
CID PubChem |
|
УНИИ | |
Панель инструментов CompTox ( EPA ) |
|
| |
| |
Характеристики | |
С5Н6О5 | |
Молярная масса | 146,098 г·моль −1 |
Температура плавления | 115 °C (239 °F; 388 К) |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). |
α-Кетоглутаровая кислота — органическое соединение с формулой H 2 CC(O)(CH 2 ) 2 CO 2 H ). Белое, нетоксичное твердое вещество, это обычная дикарбоновая кислота . В соответствии со своими биологическими ролями она существует в воде в виде сопряженного основания α-кетоглутарата . Она также классифицируется как 2-кетокарбоновая кислота. β-Кетоглутаровая кислота — это изомер. «Кетоглутаровая кислота» и «кетоглутарат», если не определены как α или β, почти всегда относятся соответственно к α-кетоглутаровой кислоте или α-кетоглутарату. [2]
α-кетоглутарат является промежуточным продуктом в цикле лимонной кислоты , цикле, который снабжает клетки энергией. [2] Он также является промежуточным продуктом или продуктом нескольких других метаболических путей . [2] [3] К ним относятся его роль в метаболических путях, которые: производят аминокислоты и в процессе регулируют клеточные уровни углерода, азота и аммиака ; [3] снижают клеточные уровни потенциально токсичных активных форм кислорода ; [4] [5] и синтезируют нейротрансмиттер гамма-аминомасляную кислоту . [6] Он также действует как прямой стимулятор или кофактор (т. е. требуется, но сам по себе не стимулирует) различных клеточных функций, как определено в исследованиях, которые в основном являются доклиническими (т. е. проводились на животных моделях заболеваний или на тканях животных или человека). Эти исследования предоставили доказательства того, что α-кетоглутарат способствует регулированию: функции почек; [7] преимуществ, которые упражнения с отягощениями имеют в снижении ожирения, укреплении мышц и предотвращении атрофии мышц; [8] толерантность к глюкозе, определяемая в тестах на толерантность к глюкозе ; [9] старение и развитие изменений, связанных со старением, включая возрастные расстройства и заболевания; [10] развитие и/или прогрессирование определенных типов рака и воспалений ; [11] и дифференциация незрелых Т-клеток в зрелые Т-клетки. [12]
α-Кетоглутарат является компонентом цикла лимонной кислоты , циклического метаболического пути, расположенного в митохондриях . Этот цикл обеспечивает клетки энергией, которая необходима им путем последовательного метаболизма (обозначенного → ) цитрата через семь промежуточных метаболитов, а затем преобразования восьмого промежуточного метаболита, оксалоацетата, обратно в цитрат: [2]
В этом цикле фермент изоцитратдегидрогеназа 3 преобразует изоцитрат (изоцитрат имеет 4 изомера, из которых только (−)-d-трео-изомер является естественным изомером в цикле лимонной кислоты. [13] ) в α-кетоглутарат, который на следующем этапе преобразуется в сукцинил-КоА с помощью комплекса ферментов оксоглутаратдегидрогеназы .
Помимо цикла лимонной кислоты, α-кетоглутарат образуется путем а) глутаминолиза , при котором фермент глутаминаза удаляет аминогруппу из глутамина с образованием глутамата, который преобразуется в α-кетоглутарат любым из трех ферментов: глутаматдегидрогеназой , аланинтрансаминазой или аспартаттрансаминазой (см. Глутаминолитические пути ); и различных реакций трансаминирования, зависящих от пиридоксальфосфата, опосредованных, например, ферментом аланинтрансаминазой [14] , при которых глутамат преобразуется в α-кетоглутарат путем «передачи» своего −NH2 другим соединениям (см . трансаминирование ). [3] [15] Действуя в этих путях, α-кетоглутарат способствует производству аминокислот, таких как глутамин , пролин , аргинин и лизин , а также снижению уровней клеточного углерода и азота (т. е. N); это предотвращает накопление избыточных уровней этих двух потенциально токсичных элементов в клетках и тканях. [ 4] [14] [15] Нейротоксин , аммиак (т. е. NH 3 ), также предотвращает накопление в тканях. В этом метаболическом пути группа −NH 2 на аминокислоте переносится на α-кетоглутарат; это образует α-кетокислоту исходной аминокислоты и аминосодержащий продукт α-кетоглутарата, глутамат. Клеточный глутамат попадает в кровообращение и поглощается печенью, где он доставляет свою приобретенную группу −NH 2 в цикл мочевины . По сути, последний путь удаляет избыток аммиака из организма в виде мочевины . [ 4] [5] [16]
α-Кетоглутарат является одним из неферментативных антиоксидантных агентов. Он реагирует с перекисью водорода (H 2 O 2 ) с образованием сукцината , диоксида углерода (т.е. CO 2 ) и воды (т.е. ( H 2 O ) тем самым снижая уровень H 2 O 2 . Кроме того, α-Кетоглутарат увеличивает активность супероксиддисмутазы , которая преобразует высокотоксичный ( O−
2) радикал на молекулярный кислород (т.е. O 2 ) и H
2О
2. [4] [5]
Исследование, проведенное на ГАМКергических нейронах (т. е. нервных клетках) в неокортексе мозга крыс, показало, что цитозольная форма фермента аспартаттрансаминазы метаболизирует α-кетоглутарат в глутамат , который в свою очередь метаболизируется декарбоксилазой глутаминовой кислоты в ингибирующий нейротрансмиттер гамма-аминомасляную кислоту . Эти метаболические реакции происходят на концах ингибирующих аксонов ГАМКергических нейронов и приводят к высвобождению гамма-аминомасляной кислоты, которая затем ингибирует активацию близлежащих нейронов. [6] [17]
OXGR1 (также известный как GPR99) представляет собой рецептор, сопряженный с G-белком , т. е. рецептор, расположенный на поверхностной мембране клеток , который связывает определенные лиганды и, таким образом, стимулируется для активации G-белков , которые вызывают заранее запрограммированные ответы в своих родительских клетках. OXRG1 был идентифицирован как рецептор для: a) α-кетоглутарата в 2004 году; [18] [19] b) трех лейкотриенов , а именно лейкотриенов E4 , C4 и D4 в 2013 году. [20] [21] и c) итаконата в 2023 году. [18] [19] Эти лиганды обладают следующей относительной эффективностью в стимуляции ответов в клетках, несущих OXGR1 (обратите внимание, что LTE4 может стимулировать OXGR1 в концентрациях, намного более низких, чем концентрации других четырех лигандов):
Может быть сложно определить, вызывает ли стимулирующий OXGR1 агент функциональный ответ, активируя OXGR1, а не какой-либо другой механизм. Чтобы провести это различие, исследования показали, что действие активирующего OXGR1 агента на культивируемые клетки, культивируемые ткани или животных не происходит или снижается, когда эти клетки, ткани или животные были изменены таким образом, что они не экспрессируют или экспрессируют значительно сниженные уровни белка OXGR1, [18] [19] [20] [22] или когда их действия ингибируются антагонистами рецептора OXGR1 . OXGR1 ингибируется Монтелукастом , известным ингибитором рецептора цистеиниллейкотриена 1 , т. е. рецептора для LTD4, LTC4 и LTE4. Монтелукаст также блокирует связывание этих лейкотриенов с OXGR1 и тем самым ингибирует их активацию. В одном исследовании были представлены доказательства, предполагающие, что α-кетоглутарат связывается с OXGR1. Предполагается, что Монтелукаст аналогичным образом блокирует связывание α-кетоглутарата с OXGR1 и тем самым подавляет его активацию. [20] [22]
Белок пендрин способствует электронейтральному обмену тканевого хлорида (Cl − ) на мочевой бикарбонат (HCO 3 − ) на апикальных поверхностях (т. е. поверхностях, обращенных к моче) почечных β-интеркалированных клеток (также называемых интеркалированными клетками типа B) и не-α не-β интеркалированных клеток (также называемых не-A не-B интеркалированными клетками) в системе собирательных трубочек почек ( т. е. CDS). [23] Исследование на мышах показало, что OXGR1 колокализуется с пендрином в β-интеркалированных клетках и не-α не-β интеркалированных клетках, выстилающих канальцы CDS их почек. Интеркалированные клетки в канальцах CDS, выделенные у мышей, использовали пендрин в сотрудничестве с электронейтральным белком-обменником бикарбоната натрия 1 для опосредования обмена Cl − на HCO 3 − . α-Кетоглутарат стимулировал скорость этого обмена в канальцах CDS, изолированных от контрольных мышей (т. е. мышей, имеющих ген и белок Oxgr1 ), но не в канальцах CDS, изолированных от мышей с нокаутом гена Oxgr1 (т. е. мышей, у которых отсутствовал ген и белок Oxgr1 ). Это исследование также показало, что α-кетоглутарат в крови мышей фильтруется через клубочки их почек в проксимальные канальцы и петли Генле , где он реабсорбируется. Мыши, пьющие воду с основным pH (т. е. >7) из-за добавления бикарбоната натрия , и мыши, у которых отсутствует ген и белок Oxgr1 , которые пьют воду без бикарбоната натрия, имели мочу, которая была более основной (т. е. pH около 7,8) и содержала более высокие уровни мочевого α-кетоглутарата, чем контрольные мыши, пьющие воду без этой добавки. Кроме того, у мышей с нокаутированным геном Oxgr1 , которые пили воду, богатую бикарбонатом натрия, развился метаболический алкалоз (уровень pH тканей тела выше нормы), который был связан с уровнем бикарбоната крови значительно выше и уровнем хлорида крови значительно ниже, чем у контрольных мышей, которые пили воду, богатую бикарбонатом натрия. [7] Несколько других исследований подтвердили эти результаты и сообщили, что клетки в проксимальных канальцах мышей синтезируют α-кетоглутарат и либо расщепляют его, тем самым снижая его уровень в моче, либо секретируют его в просветы канальцев, тем самым увеличивая его уровень в моче. [24] Другое исследование показало, что а) Компьютерное моделирование in silico настоятельно предполагалось, что α-кетоглутарат связывается с мышиным OXGPR1; б) суспензии клеток канальцевых протоков, изолированных из собирательных трубочек, петель Генле, прямых сосудов и интерстиция почек мышей, повышали уровень цитозольного ионного кальция, т. е. уровни Ca 2+ в ответ на α-кетоглутарат, но эта реакция (которая является показателем активации клеток) блокировалась предварительной обработкой клеток монтелукастом; и в) по сравнению с мышами, не получавшими стрептозотоцин , мыши с диабетом, вызванным стрептозотоцином ( модель заболевания животных, связанного с диабетом ), выделяли с мочой лишь небольшое количество ионного натрия ( Na + ), которое они пили или получали внутривенно; монтелукаст устранял этот дефект у мышей, предварительно получавших стрептозотоцин. [22] Эти результаты показывают, что у мышей: а) α-кетоглутарат стимулирует почечный OXGR1 для активации пендрино-опосредованной реабсорбции натрия и хлорида интеркалированными клетками типа B и не-A–не-B; б) высокое потребление щелочи (т. е. бикарбоната натрия) приводит к значительному повышению pH мочи и уровня α-кетоглутарата и ухудшает секрецию бикарбоната в просветы канальцев CDS; в) кислотно -щелочной баланс (т. е. уровни кислот по отношению к их основаниям) в условиях высокого потребления щелочи зависит от активации OXGR1 α-кетоглутаратом; [7] [24] г) щелочная нагрузка напрямую или косвенно стимулирует секрецию α-кетоглутарата в проксимальные канальцы почек, где далее по этим канальцам она активирует OXGR1 и, таким образом, абсорбцию и секрецию различных агентов, которые способствуют восстановлению физиологически нормального кислотно-щелочного баланса; [24] и e) α-кетоглутарат стимулирует клетки CDS, несущие OXGR1, повышая их уровень цитозольного Ca 2+ ), а у мышей с диабетом (и, предположительно, при других состояниях, связанных с высоким уровнем глюкозы в крови и/или моче) - повышая поглощение этими клетками Na + . [7] [22] [23] [24]
Упражнения с отягощениями — это тренировка мышцы или группы мышц против внешнего сопротивления (см. силовые тренировки ). Исследования показали, что: а) мыши, питающиеся высокожирной или нормальной пищей и получающие упражнения с отягощениями в виде многократного подъема по лестнице высотой 1 метр в течение 40 минут, имели более высокий уровень α-кетоглутарата в крови и семи мышцах, чем нетренирующиеся мыши, питающиеся соответственно высокожирной или нормальной пищей; б) мыши, проводящие подъем по лестнице в течение нескольких недель и питающиеся высокожирной пищей, развили более низкую массу жировой ткани и более высокую массу мышечной ткани, чем нетренирующиеся мыши на этой диете; в) мыши, не участвующие в тренировках, которых кормили α-кетоглутаратом, также развили более низкую жировую ткань и более высокую массу мышечной ткани, чем мыши, не получающие α-кетоглутарата и не тренирующиеся; г) OXGR1 был сильно экспрессирован во внутреннем мозговом веществе надпочечников мышей, и либо тренировки с отягощениями, либо пероральный прием α-кетоглутарата увеличивали уровни мРНК в этой ткани , которая отвечает за синтез OXGR1; e) α-кетоглутарат стимулировал хромаффинные клетки, выделенные из надпочечников мышей, к высвобождению адреналина , но снижение уровня OXGR1 в этих клетках с помощью малой интерферирующей РНК снижало эту реакцию; f) α-кетоглутарат повышал уровень адреналина в сыворотке крови у мышей, экспрессирующих OXGR1, но не у мышей с нокаутом гена Oxgr1 (т. е. у мышей, у которых отсутствовали ген и белок OXGR1 ); g) у мышей на диете с высоким содержанием жиров, которым вводили α-кетоглутарат, повышался уровень адреналина в сыворотке крови и развивалась более низкая масса жировой ткани и более высокая масса мышечной ткани, но ни у мышей с нокаутом гена OXGR1 , ни у мышей, у которых был нокаутирован только ген OXGR1 надпочечников, не наблюдалось таких реакций; и h) у мышей с нокаутом гена OXGR1, получавших диету с высоким содержанием жиров, наблюдалась деградация мышечного белка, атрофия мышц (т. е. истощение) и снижение массы тела, тогда как у контрольных мышей не наблюдалось этих изменений, вызванных диетой с высоким содержанием жиров. Эти результаты показывают, что у мышей силовые упражнения увеличивают производство мышечной массы, а также уровень α-кетоглутарата в сыворотке, что в свою очередь подавляет ожирение, вызванное диетой (т.е. низкий уровень жира в организме и высокую массу безжировой ткани), по крайней мере частично, стимулируя OXGR1 на хромаффинных клетках надпочечников для высвобождения адреналина. [8] [9] [25]В другом исследовании сообщалось, что мыши среднего возраста, т. е. 10-месячные, имели более низкие уровни α-кетоглутарата в сыворотке, чем мыши 2-месячного возраста. Мыши среднего возраста, получавшие диету с высоким содержанием жиров, набирали массу тела и жировую массу в нижних частях тела и имели нарушенную толерантность к глюкозе, что определялось в тестах на толерантность к глюкозе. Добавление α-кетоглутарата в питьевую воду этих мышей подавляло развитие этих изменений. Эти результаты свидетельствуют о том, что употребление воды, богатой α-кетоглутаратом, восполняло в противном случае уменьшенные запасы α-кетоглутарата у мышей среднего возраста; таким образом, восполненный запас α-кетоглутарата становился доступным для подавления ожирения и улучшения толерантности к глюкозе. [26] Наконец, исследование на крысах, которые питались диетой с низким или высоким содержанием жиров в течение 27 недель и пили воду, богатую α-кетоглутаратом, в течение последних 12 недель этого 27-недельного периода, уменьшило их жировые отложения и увеличило их чувствительность к инсулину во всем теле, как было определено в тестах на толерантность к глюкозе. Крысы, которых кормили любой из этих диет, но не давали воду, богатую α-кетоглутаратом, не показали этих изменений. Это исследование показывает, что α-кетоглутарат регулирует массу жира в организме и чувствительность к инсулину как у крыс, так и у мышей. [27]
Следующие действия α-кетоглутарата не были оценены на предмет их зависимости от активации OXGR1 и здесь предполагаются независимыми от OXGR1. Необходимы будущие исследования, чтобы определить, вносит ли OXGR1 вклад полностью или частично в эти действия α-кетоглутарата.
Сообщалось, что α-кетоглутарат увеличивает продолжительность жизни и/или задерживает развитие заболеваний, связанных со старением, у одного из видов круглых червей и у мышей. Он почти удвоил продолжительность жизни и задержал возрастные ухудшения (например, снижение быстрых, координированных движений тела) круглых червей Caenorhabditis elegans при добавлении к их клеточным культурам . [3] [28] Аналогичным образом, мыши, получавшие диету с высоким содержанием связанного с кальцием α-кетоглутарата, имели более длительную продолжительность жизни и более короткий период времени, в течение которого они страдали от заболеваний, связанных со старением (например, повышенная слабость, выпадение волос и изменения массы тела). Клеточные культуры спленоцитов ( т. е., в первую очередь Т-клеток ) от мышей, получавших α-кетоглутарат, производили более высокие уровни противовоспалительного цитокина , интерлейкина -10 , чем спленоциты от мышей, не получавших α-кетоглутарат. [10] [15] (Хроническое слабовыраженное воспаление, которое может подавляться интерлейкином-10, связано с развитием заболеваний и расстройств, связанных со старением. [29] )
По мере того, как люди стареют, их ДНК развивает добавления метильной группы (- CH 3 ) к цистину , соседнему с гуанином (называемым островком CpG ) во все большем количестве островков CpG, близких к определенным генам. Эти метилирования часто подавляют экспрессию генов, к которым они близки. Анализы (называемые тестами эпигенетических часов ), которые определяют наличие метилирования цистинов в островках CpG для генов, использовались для определения биологического возраста человека. [30] [31] [32] Исследование Rejuvant® показало, что медиана и диапазон биологического возраста женщин до лечения составляли 62,15 (диапазон от 46,4 до 73) лет и снизились до 55,55 (диапазон от 33,4 до 63,7) лет после в среднем 7 месяцев лечения. Эти значения для мужчин составили 61,85 (диапазон от 41,9 до 79,7) лет до лечения и 53,3 (от 33 до 74,9) лет после лечения. [15] [33] В целом, объединенная группа мужчин и женщин показала среднее снижение биологического возраста на 8 лет по сравнению с периодом до лечения. Значение p для этой разницы было чрезвычайно значимым, т. е. 6,538x10-12, показывая, что это лечение снизило биологический возраст участников. Однако исследование: a) не включало контрольную группу (т. е. параллельное исследование лиц, принимавших плацебо вместо Rejuvant®); b) не определяло, способствовали ли ретинилпальмитат, витамин А и/или кальций, принимаемые с α-кетоглутаратом, изменениям биологического возраста; и c) не раскрывало, какие гены отслеживались для метилирования их CpG-островка. Исследование рекомендовало, чтобы исследования включали контрольные группы, принимающие плацебо или соответствующие дозы ретинилпальмитата, витамина А и кальция. Кроме того, TruMe Labs, которые были производителем и продавцом анализа биологического возраста, использованного в этом исследовании, спонсировали часть исследования и предоставили трех своих сотрудников в качестве авторов для исследования. [33]
α-Кетоглутарат является кофактором, который активирует суперсемейство белков гистон-лизин деметилазы . Это суперсемейство состоит из двух групп: FAD-зависимые аминоксидазы, которым не требуется α-кетоглутарат для активации, и Fe2+/α-кетоглутарат-зависимые диоксигеназы (Fe2+ является двухвалентной формой железа, т. е. Fe2 + ). Последняя группа из более чем 30 ферментов подразделяется на 7 подсемейств, называемых гистон-лизин деметилазами, т. е. HDM2 - HDM7, причем каждое подсемейство имеет несколько членов. Эти HDM характеризуются содержанием домена белка Jumonji C (JmjC) . Они функционируют как диоксигеназы или гидроксилазы, удаляя метильные группы из остатков лизина на гистонах , обертывающих ДНК, и тем самым изменяя экспрессию различных генов. [34] [35] Эти измененные экспрессии генов приводят к широкому спектру изменений в функциях различных типов клеток и тем самым вызывают развитие и/или прогрессирование различных видов рака, патологических воспалений и других расстройств (см. биологические функции α-кетоглутарат-зависимой деметилазы ). [11] [36] Ферменты TET (т. е. семейство ферментов метилцитозиндиоксигеназы ten-eleven translocation (TET)) состоят из трех членов: TET-1, TET-2 и TET-3. Как и диоксигеназы, зависящие от Fe2+/α-кетоглутарата, все три фермента TET требуют Fe2 + и α-кетоглутарата в качестве кофакторов для активации. Однако, в отличие от диоксигеназ, они удаляют метильные группы из 5-метилцитозинов участков ДНК , которые регулируют экспрессию близлежащих генов. Эти деметилирования имеют различные эффекты, включая, подобно Fe2+/α-кетоглутарат-зависимым диоксигеназам, изменение развития и/или прогрессирования различных видов рака, иммунных реакций и других расстройств (см. функции ферментов TET ). [37] [38]
β-кетоглутаровая кислота была обнаружена в слюне людей, жующих бетель квид , сложную смесь, полученную из орехов бетеля, смешанных с различными другими материалами. Хроническое жевание бетеля квид связано с развитием некоторых видов рака, особенно в полости рта . Исследование показало, что β-кетоглутаровая кислота связывается с белком TET-2 , способствующим развитию рака , тем самым ингибируя связывание α-кетоглутарата с этим белком. Поскольку считается, что связывание α-кетоглутарата с TET-2 необходимо для активации TET-2, исследование предположило, что β-кетоглутаровая кислота может не соответствовать требованиям для активации TET-2 и, следовательно, может оказаться способной блокировать способствующие развитию рака, а также способствующие воспалению и другие действия α-кетоглутарата, которые включают активацию TET-2. [39]
В условиях недостатка глутамина α-кетоглутарат способствует дифференциации наивных CD4+ Т-клеток в способствующие воспалению клетки T h 1, одновременно подавляя их дифференциацию в подавляющие воспаление клетки Treg , тем самым способствуя определенным воспалительным реакциям. [12]
Нажмите на гены, белки и метаболиты ниже, чтобы перейти к соответствующим статьям. [§ 1]