Glutathion (GSH) je tripeptid, který obsahuje neobvyklou peptidovou vazbu mezi aminovou skupinou cysteinu (která je navázána normální peptidovou vazbou na glycin) a karboxylovou skupinou postranního řetězce glutamátu. Je to antioxidant zabraňující poškození důležitých buněčných složek způsobených reaktivními druhy kyslíku, jako jsou volné radikály a peroxidy.
Thiolové skupiny jsou redukční činidla, existující v živočišných buňkách v koncentraci přibližně 5 mM. Glutathion redukuje disulfidové vazby tvořené uvnitř cytoplazmatických proteinů na cysteiny tím, že slouží jako dárce elektronů. V tomto procesu se glutathion přeměňuje na svou oxidovanou formu glutathion disulfid (GSSG), nazývanou také L(-)-Glutathion.
Glutathion se nachází téměř výhradně ve své redukované formě, protože enzym, který jej převrací z jeho oxidované formy, glutathionreduktázy, je konstitučně aktivní a indukovatelný při oxidačním stresu. Poměr redukovaného glutathionu k oxidovanému glutathionu v buňkách se ve skutečnosti často používá jako měřítko buněčné toxicity.
Deficit glutathion syntetázy je vzácná autozomálně recesivní metabolická porucha, která zabraňuje tvorbě glutathionu. U jedinců postižených závažnou formou této poruchy se mohou objevit neurologické příznaky. Tyto problémy mohou zahrnovat záchvaty, generalizované zpomalení fyzických reakcí, pohybů a řeči (psychomotorická retardace), mentální retardaci a ztrátu koordinace (ataxie).
Glutathion není základní živinou (to znamená, že nemusí být získáván potravou), protože může být v těle syntetizován z aminokyselin L-cysteinu, L-glutamové kyseliny a glycinu. Sulfhydrylová (thiolová) skupina (SH) cysteinu slouží jako dárce protonů a je zodpovědná za biologickou aktivitu glutathionu. Poskytování této aminokyseliny je faktorem limitujícím rychlost syntézy glutathionu buňkami, protože cystein je v potravinách poměrně vzácný. Navíc, pokud je cystein uvolněn jako volná aminokyselina, je toxický a spontánně katabolizován v gastrointestinálním traktu a krevní plazmě.
Glutathion je syntetizován ve dvou krocích závislých na adenosintrifosfátu:
Zvířecí glutamátová cysteinová ligasa (GCL) je heterodimerní enzym složený z katalytické (GCLC) a modulační (GCLM) podjednotky. GCLC představuje veškerou enzymatickou aktivitu, zatímco GCLM zvyšuje katalytickou účinnost GCLC. Myši, kterým chybí GCLC (tj. veškerá de novo syntéza GSH), umírají před narozením. Myši, kterým chybí GCLM, nevykazují žádný vnější fenotyp, ale vykazují výrazný pokles GSH a zvýšenou citlivost na toxické inzuliny.
Zatímco všechny buňky v lidském těle jsou schopny glutathion syntetizovat, syntéza glutathionu v játrech se ukázala jako nezbytná. Myši s geneticky vyvolanou ztrátou GCLC (tj. syntézou GSH) pouze v játrech umírají do 1 měsíce po narození.
Rostlinná glutamátová cysteinová ligasa (GCL) je homodimerický enzym citlivý na redoxy, konzervovaný v rostlinné říši. V oxidačním prostředí vznikají intermolekulární disulfidové můstky a enzym přechází do dimerického aktivního stavu. Střední bodový potenciál kritického cysteinového páru je -318 mV. Kromě kontroly závislé na redoxu je v rostlinné GCL enzymatická zpětná vazba inhibovaná GSH. GCL se nachází výhradně v plastidech a glutathionová syntetáza je zaměřená na plastidy a cytosol, proto se z plastidů vyváží GSH a gama-glutamylcystein. Oba enzymy glutathionové biosyntézy jsou v rostlinách nezbytné; knock-out GCL a GS je smrtelný pro embryo a sazenice.
Cesta biosyntézy glutathionu se nachází v některých bakteriích, jako jsou sinice a proteobakterie, ale v mnoha jiných bakteriích chybí. Většina eukaryot glutathion syntetizuje, včetně lidí, ale někteří ne, jako jsou Leguminosae, Entamoeba a Giardia. Jediné archee, které glutathion tvoří, jsou halobakterie.
Glutathion existuje ve sníženém (GSH) a oxidovaném (GSSG) stavu. Ve sníženém stavu je thiolová skupina cysteinu schopna darovat redukční ekvivalent (H++ e-) jiným nestabilním molekulám, například reaktivním druhům kyslíku. Při darování elektronu se glutathion sám stává reaktivním, ale snadno reaguje s jiným reaktivním glutathionem za vzniku glutathion disulfidu (GSSG). Taková reakce je možná díky relativně vysoké koncentraci glutathionu v buňkách (až do 5 mM v játrech). GSH lze regenerovat z GSSG enzymem glutathion reduktázou.
Ve zdravých buňkách a tkáních je více než 90 % celkového glutathionového poolu ve snížené formě (GSH) a méně než 10 % ve formě disulfidu (GSSG). Zvýšený poměr GSSG-k-GSH je považován za známku oxidačního stresu.
Glutathion má více funkcí:
GSH je znám jako substrát při konjugačních i redukčních reakcích, katalyzovaný enzymy glutathion S-transferázy v cytosolu, mikrozomech a mitochondriích. Je však také schopen podílet se na neenzymatické konjugaci s některými chemickými látkami.
V případě N-acetyl-p-benzochinoiminu (NAPQI), reaktivního metabolitu cytochromu P450 tvořeného paracetamolem (nebo acetaminofenem, jak je znám v USA), který se stane toxickým při vyčerpání GSH v důsledku předávkování acetaminofenem, je Glutathion nezbytným antidotem předávkování. Glutathion se konjuguje s NAPQI a napomáhá jeho detoxikaci. V této funkci chrání buněčné proteinové skupiny thiolů, které by se jinak kovalentně modifikovaly; po vyčerpání všech GSH začne NAPQI reagovat s buněčnými proteiny a buňky přitom usmrtí. Preferovanou léčbou předávkování tímto lékem proti bolesti je podání (obvykle v atomizované formě) N-acetyl-L-cysteinu (často jako ochranný přípravek nazývaný Mucomyst® ), který je buňkami zpracován na L-cystein a použit v de novo syntéze GSH.
Glutathion (GSH) se podílí na syntéze leukotrienů a je kofaktorem enzymu glutathion peroxidázy. Je také důležitý jako hydrofilní molekula, která se přidává k lipofilním toxinům a odpadu v játrech během biotransformace předtím, než se mohou stát součástí žluči. Glutathion je také potřebný pro detoxikaci methylglyoxalu, toxinu produkovaného jako vedlejší produkt metabolismu.
Tato detoxikační reakce se provádí glyoxalázovým systémem. Glyoxaláza I (EC 4.4.1.5) katalyzuje přeměnu methylglyoxalu a redukovaného glutathionu na S-D-laktoyl-glutathion. Glyoxaláza II (EC 3.1.2.6) katalyzuje hydrolýzu S-D-laktoyl-glutathionu na glutathion a kyselinu D-laktovou.
Glutathion se v poslední době používá jako inhibitor melaninu v kosmetickém průmyslu. V zemích jako Japonsko a Filipíny se tento přípravek prodává jako bělící mýdlo. Glutathion kompetitivně inhibuje syntézu melaninu v reakci tyrosinázy a L-DOPA tím, že během syntézy melaninu přerušuje schopnost L-DOPA vázat se na tyrosinázu. Inhibice syntézy melaninu byla zvrácena zvýšením koncentrace L-DOPA, nikoli však zvýšením tyrosinázy. Ačkoli byl syntetizovaný melanin agregován během 1 hodiny, agregace byla inhibována přidáním glutathionu. Tyto výsledky naznačují, že glutathion inhibuje syntézu a agregaci melaninu tím, že přerušuje funkci L-DOPA.“
Zvýšení hladin GSH přímým suplementací glutathionu je obtížné. Výzkumy naznačují, že perorálně užívaný glutathion není dobře vstřebáván přes gastrointestinální trakt. Ve studii akutního perorálního podání velmi velké dávky (3 gramy) perorálního glutathionu Witschi a spolupracovníci zjistili, že „není možné zvýšit cirkulující glutathion v klinicky prospěšné míře perorálním podáním jedné dávky 3 g glutathionu“.
Kalcitriol, aktivní metabolit vitaminu D syntetizovaného v ledvinách, zvyšuje hladiny glutathionu v mozku a zdá se, že je katalyzátorem tvorby glutathionu.
Koncentrace GSH v plazmě a játrech mohou být navíc zvýšeny podáním některých doplňků, které slouží jako prekurzory GSH. N-acetylcystein, běžně označovaný jako NAC, je nejvíce biologicky dostupný prekurzor glutathionu. Bylo rovněž prokázáno, že další doplňky, včetně S-adenosylmethioninu (SAMe) a syrovátkového proteinu, zvyšují obsah glutathionu v buňce.
NAC je dostupný jako lék i jako generický doplněk. Bylo také prokázáno, že kyselina alfa-lipoová obnovuje intracelulární glutathion. Bylo prokázáno, že melatonin stimuluje příbuzný enzym, glutathion peroxidázu, a silymarin, extrakt ze semen bodláku mléčného (Silybum marianum) také prokázal schopnost doplňovat hladiny glutathionu.
Glutathion je přísně regulovaná intracelulární složka a jeho tvorba je omezena negativní zpětnou vazbou inhibicí vlastní syntézy enzymem gama-glutamylcystein syntetázou, čímž se výrazně minimalizuje možnost předávkování. Augmentace glutathionu pomocí prekurzorů syntézy glutathionu nebo intravenózního glutathionu je strategie vyvinutá k řešení stavů nedostatku glutathionu, vysokého oxidačního stresu, imunodeficience a xenobiotického přetížení, při kterých hraje glutathion roli v detoxikaci dotyčného xenobiotika (zejména jaterní cestou). Stavy nedostatku glutathionu zahrnují mimo jiné HIV/AIDS, chemickou a infekční hepatitidu, myalgickou encefalomyelitidu chronický únavový syndrom ME / CFS, rakovinu prostaty a jiné, šedý zákal, Alzheimerovu chorobu, Parkinsonovu chorobu, chronickou obstrukční plicní nemoc, astma, otravu radiací, podvýživní stavy, svízelnou fyzickou zátěž a stárnutí a byly spojovány s neoptimální imunitní odpovědí. Mnoho klinických patologií je spojováno s oxidačním stresem a jsou rozpracovány v mnoha lékařských odkazech.,
Nízká hladina glutathionu se také silně podílí na plýtvání a negativní bilanci dusíku, jak je vidět u rakoviny, AIDS, sepse, úrazu, popálenin a dokonce atletického přetrénování. Suplementace glutathionu může tomuto procesu bránit a například u AIDS vede ke zlepšení míry přežití. Studie u mnoha těchto stavů však nebyly schopny rozlišit mezi nízkou hladinou glutathionu v důsledku akutního (jako u septických pacientů) nebo chronicky (jako u HIV) zvýšeného oxidačního stresu a zvýšené patologie v důsledku již existujících nedostatků.
Schizofrenie a bipolární porucha jsou spojovány se sníženým obsahem glutathionu. Údaje, které se přiostřují, naznačují, že oxidační stres může být základním faktorem patofyziologie bipolární poruchy (BD), depresivní poruchy (MDD) a schizofrenie (SCZ). Glutathion (GSH) je hlavním vychytávačem volných radikálů v mozku. Snížené hladiny GSH zvyšují buněčnou zranitelnost vůči oxidačnímu stresu; vyznačují se hromaděním reaktivních druhů kyslíku. Bylo prokázáno, že doplnění glutathionu pomocí N-acetyl cysteinu snižuje příznaky obou poruch.[citace nutná]
Předběžné výsledky naznačují, že glutathion mění hladinu reaktivních druhů kyslíku v izolovaných buňkách pěstovaných v laboratoři, což může snižovat rozvoj nádorových onemocnění.
Žádný z těchto testů nebyl proveden u lidí.
Jakmile se však rakovina již rozvinula, jsou zvýšené hladiny glutathionu v nádorových buňkách schopny chránit nádorové buňky kostní dřeně, prsu, tlustého střeva, hrtanu a rakoviny plic.
Nadbytek glutamátu v synapsích, který se může uvolňovat v podmínkách, jako je traumatické poranění mozku, může zabránit vychytávání cysteinu, nezbytného stavebního kamene glutathionu. Bez ochrany před oxidativním poraněním, kterou poskytuje glutathion, mohou být buňky poškozeny nebo usmrceny.
Metody pro stanovení glutathionu
Redukovaný glutathion může být vizualizován pomocí Ellmanova činidla nebo bimanových derivátů, například monobromobimanu. Metoda monobromobimanu je citlivější. Při této proceduře jsou buňky lyzovány a thioly extrahovány pomocí HCl pufru. Thioly jsou poté redukovány dithiothreitolem (DTT) a značeny monobromobimanem. Monobromobiman se po vazbě na GSH stává fluorescenčním. Thioly jsou poté odděleny pomocí HPLC a fluorescence kvantifikována fluorescenčním detektorem. Biman může být také použit ke kvantifikaci glutathionu in vivo. Kvantifikace se provádí konfokální laserovou skenovací mikroskopií po aplikaci barviva na živé buňky. Jiný přístup, který umožňuje měřit glutathionový redoxní potenciál ve vysokém prostorovém a časovém rozlišení v živých buňkách, je založen na redoxním zobrazování pomocí redoxně citlivého zeleného fluorescenčního proteinu (roGFP) nebo redoxně citlivého žlutého fluorescenčního proteinu (rxYFP).