Informatie

Waar komt de zwavel vandaan bij de biosynthese van cysteïne en methionine?


Methionine en cysteïne zijn de twee aminozuren die zwavel bevatten. Volgens wikipedia is cysteïne opgebouwd uit methionine. De wikipedia beweert echter ook dat methionine wordt gesynthetiseerd uit cysteïne.
Dus een kip-en-ei-probleem (vooral omdat eieren een rijke bron zijn voor die eiwitten). Waar halen levende wezens hun zwavel vandaan om deze aminozuren te bouwen, in welke vormen is zwavel biologisch beschikbaar?


Micro-organismen (en planten) maken cysteïne uit serine met H2S als de zwavelbron. Condensatie van deze twee geeft in sommige bacteriën direct cysteïne, maar meestal is de reactievolgorde:

serine + acetyl-CoA >>> O-acetylserine + CoA-SH

O-acetylserine + H2S >>> cysteïne + acetaat + H2O

Zoals je zegt, in termen van zwavel, zijn cysteïne en methionine onderling converteerbaar.

Dieren vertrouwen op hun dieet voor methionine en kunnen cysteïne van dat methionine maken.


Allereerst staat in het wikipedia-artikel dat u citeert dat methionine wordt gesynthetiseerd uit cysteïne in planten en micro-organismen, niet bij mensen. Bij mensen zijn zowel cysteïne als methionine essentiële aminozuren, wat betekent dat ze niet door het menselijk lichaam kunnen worden aangemaakt, maar elders moeten worden verkregen.

Nu gebeurt dit meestal door eiwitten te eten die deze aminozuren bevatten. De eiwitten worden afgebroken en de aminozuren (of hun bestanddelen, zoals zwavel) worden hergebruikt. Bij zoogdieren wordt cysteïne geproduceerd uit serine, maar de zwavel komt van methionine via homocysteïne:

Methionine komt dus uit de voeding en wordt vervolgens gebruikt om cysteïne te produceren.


Methionine

Martin Kohlmeier, in Nutriëntenmetabolisme, 2003

Voedingsbronnen

Het Met-gehalte van eiwitten varieert aanzienlijk, afhankelijk van de voedselbron. Voedingsmiddelen met een bijzonder hoog percentage zijn onder meer eieren (31 mg/g eiwit), kabeljauw (30 mg/g) en kip (28 mg/g). Tussenproducten bevinden zich in rundvlees (26 mg/g), varkensvlees (26 mg/g), melk (25 mg/g) en rijst (24 mg/g). Granen en andere plantaardige eiwitbronnen bevatten doorgaans een lager percentage. Voorbeelden zijn maïs (21 mg/g), tarwe en haver (18 mg/g), rogge en bonen (15 mg/g) en bloemkool (14 mg/g). Het koken van voedsel bij hoge temperaturen (bruin worden) kan de biologische beschikbaarheid van Met verminderen door oxidatie (Dworschak, 1980).

Aangezien Met niet in het lichaam kan worden gesynthetiseerd, moeten voldoende hoeveelheden worden verstrekt. Met en Cys zijn metabolisch nauw met elkaar verbonden, en daarom worden vaak aanbevelingen gegeven voor de som van beide zwavelaminozuren (SAA). Gezonde volwassenen moeten in combinatie ten minste 13 mg/kg per dag krijgen (Raguso et al., 2000 ). Adequate inname van Cys minimaliseert de voldeed aan de vereisten ( Di Buono et al., 2001 ), maar een hoge inname van Cys heeft geen enkel sparend effect behalve bij gezonde mensen (Raguso et al., 2000 ).

Afbeelding 8.44 . Intestinale absorptie van L-methionine

De gemiddelde dagelijkse Met-inname bij oudere niet-vegetarische Amerikanen werd geschat op 1450 mg, die van ovo-lacto-vegetariërs op 770 mg (Sachan et al., 1997 ).


Albers E (2009) Metabole kenmerken en belang van de universele methionine-recyclageroute die methionine uit 5'-methylthioadenosine recycleert. IUBMB Life 61 (12): 1132-1142. doi:10.1002/iub.278

Bauchart-Thevret C, Stoll B, Chacko S, Burrin DG (2009) Zwavelaminozuurdeficiëntie reguleert de intestinale methioninecyclusactiviteit en onderdrukt epitheliale groei bij neonatale varkens. Am J Physiol Endocrinol Metab 296 (6): 1239-1250. doi: 10.1152/ajpendo.91021.2008

Ben-Shachar D, Laifenfeld D (2004) Mitochondriën, synaptische plasticiteit en schizofrenie. Int Rev. Neurobiol 59:273-296. doi:10.1016/S0074-7742(04)59011-6

Blachier F, Mariotti F, Huneau JF, Tome D (2007) Effecten van aminozuur-afgeleide luminale metabolieten op het colonepitheel en fysiopathologische gevolgen. Aminozuren 33(4):547-562. doi:10.1007/s00726-006-0477-9

Blachier F, Wu G, Yin Y (2013) Nutritionele en fysiologische functies van aminozuren bij varkens. Springer, Wenen

Campbell K, Vowinckel J, Keller MA, Ralser M (2016) Het metabolisme van methionine verandert de weerstand tegen oxidatieve stress via de pentosefosfaatroute. Antioxid Redox-teken 24 (10): 543-547. doi:10.1089/ars.2015.6516

Carew LB, McMurtry JP, Alster FA (2003) Effecten van methioninetekorten op plasmaspiegels van schildklierhormonen, insuline-achtige groeifactoren-I en -II, lever- en lichaamsgewichten en voeropname bij groeiende kippen. Poult Sci 82 (12): 1932-1938. doi:10.1093/ps/82.12.1932

Cassano T, Serviddio G, Gaetani S, Romano A, Dipasquale P, Cianci S, Bellanti F, Laconca L, Romano AD, Padalino I (2012) Glutamaterge veranderingen en mitochondriale stoornissen in een muizenmodel van de ziekte van Alzheimer. Neurobiol veroudering 33(6):1121.e1121. doi:10.1016/j.neurobiolaging.2011.09.021

Chen L, Yin YL, Jobgen WS, Jobgen SC, Knabe DA, Hu WX, Wu G (2007) In vitro oxidatie van essentiële aminozuren door jejunale mucosale cellen van groeiende varkens. Levend Sci 109 (1-3): 19-23. doi:10.1016/j.livsci.2007.01.027

Clay H, Sillivan S, Konradi C (2011) Mitochondriale disfunctie en pathologie bij bipolaire stoornis en schizofrenie. Int J Dev Neurosci 29 (3): 311-324. doi:10.1016/j.ijdevneu.2010.08.007

Costa MZ, Silva TMD, Flores NP, Schmitz F, Scherer EBDS, Viau CM, Saffi J, Barschak AG, Wyse ATDS, Spanevello RM (2013) Methionine en methioninesulfoxide veranderen parameters van oxidatieve stress in de lever van jonge ratten: in vitro en in vivo-onderzoeken. Mol Cell Biochem 384(1):21-28. doi:10.1007/s11010-013-1777-5

D'Mello JPF, D'Mello J (2003) Een overzicht van routes in het aminozuurmetabolisme. In: D'Mello (ed) Aminozuren in diervoeding. CABI Publishing, Wallingford, pp 71-86

Dash PK, Hergenroeder GW, Jeter CB, Choi HA, Kobori N, Moore AN (2016) Traumatisch hersenletsel verandert methioninemetabolisme: implicaties voor pathofysiologie. Front Syst Neurosci 10:36. doi:10.3389/fnsys.2016.00036

Dauer W, Przedborski S (2003) De ziekte van Parkinson: mechanismen en modellen. Neuron 39(6):889-909

Del BC, Martini D, Porrini M, Klimiszacas D, Riso P (2015) Bessen en oxidatieve stressmarkers: een overzicht van menselijke interventiestudies. Voedselfunctie 6(9):2890–2917. doi:10.1039/c5fo00657k

Deng D, Yao K, Chu W, Li T, Huang R, Yin Y, Liu Z, Zhang J, Wu G (2009) Verminderde activering van translatie-initiatie en verminderde eiwitsynthese bij gespeende biggen die een eiwitarm dieet kregen. J Nutr Biochem 20(7):544-552. doi:10.1016/j.jnutbio.2008.05.014

Fang Z, Yao K, Zhang X, Zhao S, Sun Z, Tian G, Yu B, Lin Y, Zhu B, Jia G (2010) Voeding en gezondheidsrelevante regulering van het intestinale zwavelaminozuurmetabolisme. Aminozuren 39(3):633-640. doi:10.1007/s00726-010-0502-x

Finkelstein JD, Martin JJ, Harris BJ (1988) Methioninemetabolisme bij zoogdieren. Het methionine-sparende effect van cystine. J Biol Chem 263(24):11750-11754

Freitas I, Boncompagni E, Tarantola E, Gruppi C, Bertone V, Ferrigno A, Milanesi G, Vaccarone R, Tira ME, Vairetti M (2016) In situ evaluatie van oxidatieve stress in rattenleververvetting veroorzaakt door een methionine- en choline- gebrekkige voeding. Oxid Med-cel Longev 201 (2016): 9307064. doi: 10.1155/2016/9307064

Garg SK, Yan Z, Vitvitsky V, Banerjee R (2011) Differentiële afhankelijkheid van cysteïne van transsulfuratie versus transport tijdens T-celactivering. Antioxid Redox-teken 15(1):39-47. doi:10.1089/ars.2010.3496

Gonsette RE (2008) Neurodegeneratie bij multiple sclerose: de rol van oxidatieve stress en excitotoxiciteit. J Neurol Sci 274 (1-2): 48-53. doi:10.1016/j.jns.2008.06.029

He Q, Yin Y, Zhao F, Kong X, Wu G, Ren P (2011) Metabonomics en zijn rol in voedingsonderzoek naar aminozuren. Voorzijde Biosci Landmark 16(26):2451–2460

Hidiroglou N, Gilani GS, Long L, Zhao X, Madere R, Cockell K, Belonge B, Ratnayake WMN, Peace R (2004) De invloed van vitamine E, vet en methionine in de voeding op het cholesterolprofiel in het bloed, homocysteïnegehalte en oxideerbaarheid van lipoproteïne met lage dichtheid in de woestijnrat. J Nutr Biochem 15(12):730-740. doi:10.1016/j.jnutbio.2004.04.009

Ho A, Michelson D, Aaen G, Ashwal S (2010) Cerebrale folaatdeficiëntie die zich presenteert als catatonische schizofrenie bij adolescenten: een casusrapport. J Kind Neurol 25(7):898-900. doi:10.1177/0883073809343475

Hoffman RM (1985) Veranderd methioninemetabolisme en transmethylering bij kanker. Antikanker Res 5(1):1–30

Hosseini SA, Zaghari M, Lotfollahian H, Shivazad M, Moravaj H (2012) Herevaluatie van de methionine-behoefte op basis van prestaties en immuunresponsen bij vleeskuikenouderdieren. J Poult Sci 49(1):26-33. doi:10.2141/jpsa.011021

Hyelin H, Hyejun S, Feitelson MA, Yu DY (2010) Oxidatieve stress en antioxidanten bij hepatische pathogenese. Wereld J Gastroenterol 16(48):6035-6043

Jackson SP, Bartek J (2009) De reactie op DNA-schade in de menselijke biologie en ziekte. Natuur 461(7267):1071-1078. doi:10.1038/natuur08467

Kasahara A, Scorrano L (2014) Mitochondria: van celdoodbeulen tot regulatoren van celdifferentiatie. Trends Cell Biol 24(12):761-770. doi:10.1016/j.tcb.2014.08.005

Kim SW, Mateo RD, Yin YL, Wu G (2007) Functionele aminozuren en vetzuren voor het verbeteren van de productieprestaties van zeugen en biggen. Aziatische Austral J Anim 20 (2): 295–306. doi:10.5713/ajas.2007.295

Kumagai H, Katoh S, Hirosawa K, Kimura M, Hishida A, Ikegaya N (2002) Niertubulo-interstitiële schade bij gespeende ratten met hyperhomocysteïnemie. Nier Int 62(4):1219–1228. doi:10.1111/j.1523-1755.2002.kid558.x

Li T, Yin Y, Huang R, Zhong H (2004) Dieetcellulose-effect op de stroom van aminozuur en endogeen aminozuur aan het terminale ileum van varken. Acta Veterinaria et Zootechnica Sinica 35(4):473-476

Li P, Yin YL, Li D, Kim SW, Wu G (2007) Aminozuren en immuunfunctie. BrJ Nutr 98(2):237-252. doi:10.1017/S000711450769936X

Li TJ, Dai QZ, Yin YL, Zhang J, Huang RL, Ruan Z, Deng Z, Xie M (2008) Dieetzetmeelbronnen beïnvloeden het uiterlijk van aminozuren en glucose bij groeiende varkens. Dier 2 (5): 723-729. doi:10.1017/S1751731108001614

Li S, Tan HY, Wang N, Zhang ZJ, Lao L, Wong CW, Feng Y (2015) De rol van oxidatieve stress en antioxidanten bij leverziekten. Int J Mol Sci 16(11):26087-26124. doi:10.1111/j.1523-1755.2002.kid558.x

Liu G, Yu L, Fang J, Hu CA, Yin J, Ni H, Ren W, Duraipandiyan V, Chen S, Al-Dhabi NA, Yin Y (2017) Methioninebeperking op oxidatieve stress en immuunrespons bij door dss geïnduceerde colitis muizen. Oncotarget 8 (27):44511-44520. doi:10.18632/oncotarget.17812

Libao-Mercado AJ, Yin Y, Van EJ, de Lange CF (2006) Echte ileale aminozuurverteerbaarheid en endogene ileale aminozuurverliezen bij groeiende varkens die tarweshorts of caseïne-gebaseerde diëten krijgen. J Anim Sci 84(6):1351-1361

Lowe F (2014) Biomarkers van oxidatieve stress. In: Laher I (ed) Systeembiologie van vrije radicalen en antioxidanten, vol 2, 1st edn. Springer, Berlijn, pp 65-87 (hoofdstuk 3)

Mackay DS, Brophy JD, Mcbreairty LE, McGowan RA, Bertolo RF (2012) Intra-uteriene groeibeperking leidt tot veranderingen in het zwavelaminozuurmetabolisme, maar niet tot wereldwijde DNA-methylatie. Yucatan miniatuur biggen. J Nutr Biochem 23(9):1121-1127. doi:10.1016/j.jnutbio.2011.06.005

Maddineni S, Nichenametla S, Sinha R, Wilson RP, Richie JP (2013) Methioninebeperking beïnvloedt oxidatieve stress en glutathion-gerelateerde redox-routes bij de rat. Exp Biol Med 238(4):392-399. doi:10.1177/1535370213477988

Maddocks ODK, Labuschagne CF, Adams PD, Vousden KH (2016) Serinemetabolisme ondersteunt de methioninecyclus en DNA/RNA-methylatie door middel van de novo ATP-synthese in kankercellen. Mol-cel 61(2):210-221. doi:10.1016/j.molcel.2015.12.014

Manji H, Kato T, Di PN, Ness S, Beal MF, Krams M, Chen G (2012) Verminderde mitochondriale functie bij psychiatrische stoornissen. Nat Rev Neurosci 13 (5): 293-307. doi:10.1038/nrn3229

Molero-Luis M, Serrano M, O'Callaghan MM, Sierra C, Pérez-Dueñas B, García-Cazorla A, Artuch R (2015) Klinische, etiologische en therapeutische aspecten van cerebrale folaatdeficiëntie. Expert Rev Neurother 15 (7): 793–802. doi:10.1586/14737175.2015.1055322

Nicholson JK, Lindon JC, Holmes E (2008) 'Metabonomics': inzicht in de metabole reacties van levende systemen op pathofysiologische stimuli via multivariate statistische analyse van biologische NMR-spectroscopische gegevens. Xenobiotica 29(11):1181-11189. doi:10.1080/004982599238047

Nimse SB, Pal D (2015) Vrije radicalen, natuurlijke antioxidanten en hun reactiemechanismen. RSC Adv 5(35):27986-28006. doi:10.1039/C4RA13315C

Papakostas GI, Shelton RC, Zajecka JM, Etemad B, Rickels K, Clain A, Baer L, Dalton ED, Sacco GR, Schoenfeld D (2012) l -Methylfolaat als aanvullende therapie voor SSRI-resistente ernstige depressie: resultaten van twee gerandomiseerde, dubbelblinde, parallel-sequentiële proeven. Am J Psychiatrie 169 (12): 1267. doi:10.1176/appi.ajp.2012.11071114

Patra RC, Swarup D, Dwivedi SK (2001) Antioxiderende effecten van α-tocoferol, ascorbinezuur en l-methionine op door lood geïnduceerde oxidatieve stress voor de lever, nier en hersenen bij ratten. Toxicologie 162(2):81-88

Pirkov I, Norbeck J, Gustafsson L, Albers E (2008) Een volledige inventaris van alle enzymen in de eukaryote methionine-reddingsroute. FEBS J 275 (16): 4111-4120. doi:10.1111/j.1742-4658.2008.06552.x

Rezzi S, Ramadan Z, Fay LB, Kochhar S (2007) Nutritionele metabonomics: toepassingen en perspectieven. J Proteome Res 6(2):513-525. doi:10.1021/pr060522z

Riedijk MA, Stoll B, Chacko S, Schierbeek H, Sunehag AL, van Goundoever JB, Burrin DG (2007) Methionine transmethylering en transsulfuratie in het maagdarmkanaal van de big. Proc Natl Acad Sci VS 104 (9): 3408-3413. doi:10.1073/pnas.0607965104

Romano A, Serviddio G, Calcagnini S, Villani R, Giudetti AM, Cassano T, Gaetani S (2017) Koppeling van lipideperoxidatie en neuropsychiatrische stoornissen: focus op 4-hydroxy-2-nonenal. Vrije Radic Biol Med 111: 281-293. doi:10.1016/j.freeradbiomed.2016.12.046

Scola G, Kim HK, Young LT, Andreazza AC (2013) Een frisse kijk op complexe I in microarray-gegevens: aanwijzingen voor het begrijpen van ziektespecifieke mitochondriale veranderingen bij bipolaire stoornis. Biol Psychiatrie 73 (2): e4-e5. doi:10.1016/j.biopsych.2012.06.028

Serviddio G, Romano AD, Cassano T, Bellanti F, Altomare E, Vendemiale G (2011) Principes en therapeutische relevantie voor het richten op mitochondriën bij veroudering en neurodegeneratieve ziekten. Curr Pharm Des 17(20):2036-2055

Shoveller AK, Brunton JA, Pencharz PB, Bal RO (2003) De behoefte aan methionine is lager bij neonatale biggen die parenteraal worden gevoed dan bij die welke enteraal worden gevoerd. J Nutr 133 (5): 1390-1397

Soares MS, Oliveira PS, Debom GN, da Silveira Mattos B, Polachini CR, Baldissarelli J, Morsch VM, Schetinger MR, Tavares RG, Stefanello FM, Spanevello RM (2017) Chronische toediening van methionine en/of methioninesulfoxide verandert oxidatieve stressparameters en ALA-D-activiteit in lever en nieren van jonge ratten. Aminozuren 49(1):129-138. doi:10.1007/s00726-016-2340-y

Stefanello FM, Kreutz F, Scherer EBS, Breier AC, Vianna LP, Trindade VMT, Wyse ATS (2007) Vermindering van gangliosiden, fosfolipiden en cholesterol in de hersenschors van ratten veroorzaakt door chronische hypermethioninemie. Int J Dev Neurosci 25(7):473-477. doi:10.1016/j.ijdevneu.2007.08.004

Stefanello FM, Matte C, Pederzolli CD, Kolling J, Mescka CP, Lamers ML, de Assis AM, Perry ML, dos Santos MF, Dutra CS, Wyse ATS (2009) Hypermethioninemie veroorzaakt oxidatieve schade en histologische veranderingen in de lever van ratten. Biochimie 91(8):961-968. doi:10.1016/j.biochi.2009.04.018

Stoll B, Burrin DG, Henry J, Yu H, Jahoor F, Reeds PJ (1999) Substraatoxidatie door de door het portaal gedraineerde ingewanden van gevoede biggen. Am J Physiol 277 (1 Pt 1): E168-E175

Stover PJ, Durga J, Field MS (2017) Foliumzuurvoeding en disfunctie van de bloed-hersenbarrière. Curr Opin Biotechnol 44:146-152. doi:10.1016/j.copbio.2017.01.006

Swain BK, Johri TS (2000) Effect van aanvullende methionine, choline en hun combinaties op de prestaties en immuunrespons van slachtkuikens. Br Poult Sci 41(1):83–88

Torre LA, Bray F, Siegel RL, Ferlay J, Lortet-Tieulent J, Jemal A (2015) Wereldwijde kankerstatistieken, 2012. Cancer J Clin 65 (2): 87-108. doi: 10.3322/caac.21262

Troen AM, Lutgens E, Smith DE, Rosenberg IH, Selhub J (2003) Het atherogene effect van overmatige methionine-inname. Proc Natl Acad Sci USA 100(25):15089-15094. doi:10.1073/pnas.2436385100

Trumbo PR (2008) Uitdagingen bij het gebruik van eindpunten voor chronische ziekten bij het vaststellen van voedingsreferentie-innames. Nutr Rev 66(8):459-464. doi:10.1111/j.1753-4887.2008.00077.x

Tsiagbe VK, Cook ME, Harper AE, Sunde ML (1987) Verbeterde immuunresponsen bij vleeskuikens die met methionine aangevulde diëten kregen. Pluimvee Sci 66 (7): 1147-1154

Uttara B, Singh AV, Zamboni P, Mahajan RT (2009) Oxidatieve stress en neurodegeneratieve ziekten: een overzicht van stroomopwaartse en stroomafwaartse therapeutische opties voor antioxidanten. Curr Neuropharmacol 7(1):65-74. doi:10.2174/157015909787602823

Valko M, Rhodes CJ, Moncol J, Izakovic M, Mazur M (2006) Vrije radicalen, metalen en antioxidanten bij door oxidatieve stress geïnduceerde kanker. Chem Biol Interact 160(1):1–40. doi:10.1016/j.cbi.2005.12.009

Vieira SL, Lemme A, Goldenberg DB, Brugalli I (2004) Reacties van groeiende slachtkuikens op diëten met verhoogde zwavelaminozuren tot lysine-verhoudingen op twee eiwitniveaus in de voeding. Pluimvee Sci 83(8):1307-1313

Wang W, Shi C, Zhang J, Gu W, Li T, Gen M, Chu W, Huang R, Liu Y, Hou Y (2009) Moleculaire klonering, distributie en ontogenetische expressie van het oligopeptidetransporter PepT1-mRNA in Tibetaanse zogende biggen. Aminozuren 37(4):593-601. doi:10.1007/s00726-008-0178-7

Wu G, Bazer FW, Davis TA, Jaeger LA, Johnson GA, Kim SW, Knabe DA, Meininger CJ, Spencer TE, Yin YL (2007) Belangrijke rollen voor aminozuren uit de argininefamilie in de voeding en productie van varkens. Livest Sci 112(1–2):8–22. doi:10.1016/j.livsci.2007.07.003

Xiao Q, Freedman ND, Ren J, Hollenbeck AR, Abnet CC, Park Y (2014) Inname van foliumzuur, methionine, vitamine B6 en vitamine B12 met risico op slokdarm- en maagkanker in een groot cohortonderzoek. Br J Kreeft 110(5):1328–1333. doi:10.1038/bjc.2014.17

Yao JK, Keshavan MS (2011) Antioxidanten, redox-signalering en pathofysiologie bij schizofrenie: een integratieve kijk. Antioxid Redox-teken 15 (7): 2011-2035. doi:10.1089/ars.2010.3603

Yin YL, Bie T (2010) Manipulatie van voedingsstikstof, aminozuren en fosfor om de milieu-impact van de varkensproductie te verminderen en de diergezondheid te verbeteren. J Food Agric Environ 8(3):447-462

Yin YL, Deng ZY, Huang HL, Zhong HY, Hou ZP, Gong J, Liu Q (2004) Voedings- en gezondheidsfuncties van koolhydraten voor varkens. J Anim Feed Sci 13 (4): 523-538. doi:10.22358/jafs/67623/2004

Yin FG, Zhang ZZ, Ju H, Yin YL (2010) De verteringssnelheid van voedingszetmeel beïnvloedt de systemische circulatie van aminozuren bij gespeende varkens. BrJ Nutr 103(10)::1404. doi:10.1017/S0007114509993321

Zhou XH, He LQ, Wan D, Yang HS, Yao K, Wu GY, Wu X, Yin YL (2016) Methioninebeperking op het lipidenmetabolisme en de mogelijke mechanismen ervan. Aminozuren 48(7):1533-1540. doi:10.1007/s00726-016-2247-7


Invoering

Voor de meeste onderzoekers is methionine onveranderlijk verbonden met het begin van eiwittranslatie, omdat het typisch het eerste aminozuur is dat in een polypeptideketen wordt gecodeerd. Deze metaboliet is echter biochemisch uniek onder de 20 natuurlijke aminozuren. Alleen methionine en cysteïne hebben zwavel in hun zijketens. Hoewel cysteïne een reactieve thiolgroep heeft, die de redoxbalans beïnvloedt en toxiciteit veroorzaakt bij hogere concentraties (Deshpande et al., 2017), is de zwavelgroep in methionine op unieke wijze beschermd, waardoor het redox-ongevoelig is. Bovendien wordt het maskeren van zwavel in methionine elegant gebruikt voor nog een functie, namelijk de overdracht van een methylgroep. Geschikte omzettingen van methionine in zijn derivaten [voornamelijk S-adenosylmethionine (SAM)], en hun verbindingen met belangrijke metabole en signaalroutes laten zien dat de rol van methionine niet beperkt is tot het initiëren van alleen translatie (figuren 1A,B). Deze mini-review richt zich op de rol van methionine als anabool signaal.

Figuur 1. Methioninemetabolisme en zijn verbindingen met celsignalering en proliferatieresultaten. (EEN) Verbindingen van de methioninecyclus met één koolstofmetabolisme. SAM, S-adenosylmethionine SAH, S-adenosylhomocysteïne THF, tetrahydrofolaat. (B) Opname van zwavelmetabolieten, hun assimilatie en gebruik. De koppeling van methionine en zijn derivaten aan verschillende cellulaire processen en daarmee aan de uiteindelijke cellulaire uitkomsten wordt getoond.

Verschillende studies met verschillende modelorganismen suggereren een rol voor methionine als een krachtige, universele groei-aanwijzing. Onder die studies met behulp van Saccharomyces cerevisiae hebben geconserveerde facetten van methionine-gemedieerde effecten onthuld, zoals de remming van autofagie (Wu en Tu, 2011 Sutter et al., 2013), de regulatie van tRNA-thiolering, die de algehele metabolische toestand regelt (Laxman et al., 2013 Gupta et al., 2013 al., 2019), en verhoogde celproliferatie door de activering van geconserveerde signaalroutes (Sutter et al., 2013 Walvekar et al., 2018). Bij zoogdieren hebben verschillende tumoren methionine nodig voor hun overleving en metastase (Sugimura et al., 1959 Halpern et al., 1974 Breillout et al., 1990 Komninou et al., 2006 Mehrmohamadi et al., 2016 Gao et al., 2019 Sanderson et al., 2019). Studies met behulp van Drosophila die een dieet met veel methionine hebben gekregen, laten zien dat methionine hun vruchtbaarheid en groei verhoogt (Troen et al., 2007), en de beperking ervan correleert met een langere levensduur (Lee et al., 2014, 2016). Deze studies suggereren dat de beschikbaarheid van methionine de celgroei regelt en het lot van de cel bepaalt. In de volgende paragrafen vatten we belangrijke kenmerken van methionine en van methionine afgeleide metabolieten samen, en benadrukken we de rol ervan in signalering en metabolisme, evenals in translatie (behalve dat het het eerste aminozuur is dat in een polypeptide wordt gecodeerd). We benadrukken met name de metabole kosten die worden gemaakt tijdens de biosynthese van methionine en verwante metabolieten, die wijzen op diepere verbindingen met het NADPH-metabolisme en de reductieve biosynthetische capaciteit van een cel.


Waar komt de zwavel vandaan bij de biosynthese van cysteïne en methionine? - Biologie

Als een enzymnaam vetgedrukt wordt weergegeven, is er experimenteel bewijs voor deze enzymatische activiteit.

Synoniemen: L-methionine biosynthese van L-homoserine L-methionine biosynthese door transsulfuratie

BioCyc-ID: HOMOSER-METSYN-PWY

Samenvatting:
Algemene achtergrond

Methionine kan worden gebiosynthetiseerd door micro-organismen en planten, hoewel zoogdieren methionon niet kunnen biosynthetiseren de novo. Methionine is nodig voor veel belangrijke cellulaire functies. Het is een basisbouwsteen van eiwitten en is nodig voor het initiëren van eiwitsynthese (via N-formyl-L-methionine). Methionine wordt ook gebruikt bij de synthese van S-adenosyl-L-methionine, de belangrijkste methylgroepdonor in het cellulaire metabolisme. S-adenosyl-L-methionine wordt ook gebruikt in routes zoals autoinducer AI-2 biosynthese I en spermidine biosynthese I.

Sommige bacteriën, waaronder: Escherichia coli synthetiseren methionine met behulp van organische zwavel door middel van transsulfuratie van O- geacyleerde homoserine met cysteïne om cystathionine te vormen. Cystathionine wordt vervolgens gesplitst tot homocysteïne en gemethyleerd tot methionine zoals getoond in deze route [Soda87]. Andere bacteriën, gisten en schimmels kunnen een andere route gebruiken waarbij ze anorganische zwavel direct assimileren door een sulfhydrylering (zie MetaCyc-routes assimilerende sulfaatreductie I, L-homocysteïne biosynthese en L-methionine biosynthese III). Hoewel veel organismen beide routes voor methioninebiosynthese lijken te bevatten, E coli en andere darmbacteriën wordt alleen de transsulfuratieroute gebruikt. Beoordeeld in Greene, R.C. (1996) "Biosynthese van Methionine" in [Neidhardt87] blz. 542-560).

De O-acylgroep van homoserine is een succinylgroep in darmbacteriën en sommige andere Gram-negatieve bacteriën, zoals Pseudomanas aeruginosa en Pseudomonas putida. Het is een acetylgroep in schimmels, gisten en de meeste Gram-positieve bacteriën ([Vermeij99, Soda87, Thomas97]). In beide routes wordt homocysteïne gemethyleerd tot methionine via ofwel een cobalamine-onafhankelijk enzym, ofwel een cobalamine-afhankelijk enzym, afhankelijk van de soort of groeiomstandigheden [Ruckert03, Thomas97].

De de novo biosynthese van methionine is een energie-kostbaar proces waarbij input van verschillende andere routes betrokken is. Het koolstofskelet van methionine is afgeleid van aspartaat (zie de biosynthese van L-homoserine). De zwavel is afgeleid van cysteïne (zie route L-cysteïne biosynthese I) die zijn zwavel ontleent aan sulfaatassimilatie (zie route assimilerende sulfaatreductie I). De methylgroep is afgeleid van serine via één-koolstofmetabolisme (zie routes folaattransformaties III (E coli) en folaatpolyglutamylering). Methionine wordt ook omgezet in S-adenosyl-L-methionine, een methylgroepdonor, door het product van gen metK (zie pad) S-adenosyl-L-methionine salvage I). De belangrijkste stappen van methioninebiosynthese uit homoserine worden hier getoond.

Homoserine wordt eerst geactiveerd door O-succinylering in een reactie gekatalyseerd door MetA. Het product O-succinyl-L-homoserine combineert met cysteïne om cystathionine te vormen in een reactie die wordt gekatalyseerd door MetB. Lyase-splitsing van cystathionine door MetC vormt homocysteïne. Deze &bèta-cystathionase-activiteit kan ook worden geleverd door MalY, zoals aangetoond in vivo door het vermogen van constitutieve MalY-expressie om te complementeren metC mutanten auxotroof voor methionine [Zdych95]. Homocysteïne wordt vervolgens gemethyleerd door MetH of MetE om methionine te produceren. In E coli MetH kan alleen functioneren in aanwezigheid van exogeen geleverde vitamine B12 (cobalamine), die MetE-expressie onderdrukt. B12 waarschijnlijk in de darm aanwezig is. Bij afwezigheid van exogeen geleverd B12, MetE katalyseert deze laatste stap van de novo methionine biosynthese. Hoewel de route grotendeels op transcriptioneel niveau wordt gereguleerd, remt feedback van het eerste enzym homoserine O-succinyltransferase (MetA) door methionine en S-adenosyl-L-methionine is aangetoond.

Onder stressvolle omstandigheden is er verdere regulatie van de route-enzymen. Onder hitteshock-omstandigheden wordt de groei vertraagd door de thermische instabiliteit van MetA. Oxidatieve stress beïnvloedt MetE dat een oxidatiegevoelig cysteïneresidu bevat op positie 645 nabij de actieve plaats. Oxidatie van methionon zelf kan ook optreden, hoewel de cel methioninesulfoxidereductasen MsrA en MsrB bevat om dit tegen te gaan. Zwakke organische zuren genereren ook oxidatieve stress, met complexere effecten. Zwavelbeperking put homocysteïne uit, dat dient als een co-activator voor MetR-activering van MetE-expressie.

Door de afwezigheid van deze route bij zoogdieren, zijn sommige van de bacteriële biosynthetische enzymen potentiële doelwitten voor geneesmiddelen [Ejim04]. Bovendien, hoewel methionine wordt gebruikt als voedseladditief en medicijn, is de productie op industriële schaal in micro-organismen nog niet bereikt vanwege de complexiteit en sterke regulatie van de biosynthetische route [Usuda05].


Methionine-beperkt dieet'8230 Wie heeft het nodig?

Methionine is een essentieel aminozuur - een van de bouwstenen van eiwitten die niet door het menselijk lichaam kunnen worden geproduceerd en dus uit ons voedsel moeten komen. Het is een van de twee zwavelhoudende aminozuren (de andere is cysteïne). Methionine is een intermediair bij de synthese van cysteïne, carnitine, taurine en andere verbindingen. Het beschermt levercellen en helpt lipideperoxidatie en mogelijk atherosclerose en verhoogd cholesterol te voorkomen. Hoewel methionine essentieel is voor het menselijk leven, hebben sommige mensen er baat bij door methionine in hun dieet te beperken, maar niet te elimineren. Voor dergelijke personen kan een methioninebeperkt dieet worden geadviseerd.

Moet ik een methioninebeperkt dieet volgen?

Sommige personen moeten methionine beperken vanwege erfelijke aandoeningen die het methioninemetabolisme beïnvloeden. Er is een groeiende belangstelling voor methioninebeperkte diëten voor degenen die niet worden beïnvloed door deze genetische stofwisselingsstoornissen. Er zijn aanwijzingen dat dergelijke diëten de levensduur kunnen verlengen en bepaalde chronische gezondheidsproblemen kunnen helpen voorkomen of behandelen. De meest voorkomende indicaties voor een methioninebeperkt dieet zijn:

i) MTHFR-varianten. MTHFR-genmutaties kunnen leiden tot verhoogde homocysteïne. Beperking van methionine wordt vaak aanbevolen om de accumulatie van homocysteïne te helpen verminderen.

ii) Kanker. Hoewel studies bij mensen schaars zijn, zijn er aanwijzingen dat kankercellen minder sterk groeien en soms apoptose (celdood) ondergaan wanneer ze geen methionine krijgen.

iii) Depressie. Hoge inname van methionine kan het homocysteïnegehalte en het risico op depressie verhogen.

iv) Levensduurverlenging. Een dieet met weinig methionine verhoogt de metabole flexibiliteit en de algehele insulinegevoeligheid en verbetert het lipidenmetabolisme terwijl de systemische ontsteking wordt verminderd.

v) Insulineresistentie. Het is aangetoond dat methioninebeperking adipositas vermindert en de insulinegevoeligheid verbetert.

vi) Homocystinurie. Deze erfelijke stofwisselingsziekte vereist vaak een laag methionine-dieet.

Als methioninebeperking kankercellen kan doden en de levensduur kan verlengen, zou dan niet iedereen een methioninebeperkt dieet moeten volgen?

We weten het niet zeker, maar het is een optie voor diegenen die geïnteresseerd zijn in het toepassen van een nieuwe voedingsstrategie voor het verminderen van ziekterisico's. Hoewel ernstige methioninebeperking zelden wordt geadviseerd, kan een matige methioninebeperking gunstig zijn. De meest geconcentreerde methioninebronnen zijn dierlijke producten zoals vlees, gevogelte en vis. Je ziet aan de onderstaande tabel dat het eetpatroon dat het laagst is in methionine een puur plantaardig dieet of veganistisch dieet is. Andere vegetarische of bijna-vegetarische diëten bevatten minder methionine dan diëten van omnivoren, maar niet zo laag als veganistische diëten. Voor de meeste mensen is het eten van een plantaardig dieet waarschijnlijk voldoende om de inname van methionine te verminderen. Degenen met stofwisselingsstoornissen of andere aandoeningen die methioninebeperking kunnen rechtvaardigen, kunnen methionine verder beperken door plantaardig voedsel met veel methionine te beperken.

Als een methioninebeperkt dieet voor mij geïndiceerd is, hoeveel methionine moet ik dan elke dag eten?

De ADH (aanbevolen dagelijkse hoeveelheid) voor methionine + cysteïne (volwassenen 19 jaar +) is 19 mg/kg/dag, terwijl de EAR (geschatte gemiddelde behoefte) 15 mg/kg/dag is. Mensen moeten niet te veel onder deze niveaus duiken, omdat ze de onderkant vertegenwoordigen van wat nodig is voor de menselijke gezondheid. Methionine-beperkte diëten laten voor de meeste volwassenen 800-1200 mg methionine per dag toe. Voor methionine alleen wordt 15 mg/kg als een redelijke ondergrens beschouwd. Dus als een therapeutisch, methioninebeperkt dieet voor u geïndiceerd is, vermenigvuldig dan uw gezonde lichaamsgewicht met 15 om een ​​geschikt niveau van methionine-inname te vinden. Laten we zeggen dat uw gezonde lichaamsgewicht 60 kg is, dan heeft u 900 mg methionine per dag nodig.

Zijn er nadelen aan het ernstig beperken van methionine?

Absoluut. Er zijn aanwijzingen dat een gebrek aan methionine de niveaus van S-Adenosylmethionine of SAM-e kan verlagen, waardoor het risico op depressie toeneemt. Een gebrek aan methionine is ook in verband gebracht met seniele vergrijzing van het haar. Wanneer je methionine beperkt, beperk je van nature eiwitten, althans tot op zekere hoogte. Zorgen voor voldoende eiwitten is essentieel voor de gezondheid. Eiwit is nodig voor het opbouwen, versterken en repareren van lichaamsweefsels, voor het maken van antilichamen, hormonen, enzymen en andere verbindingen die essentieel zijn voor elk lichaamsproces. Een gebrek aan eiwit kan leiden tot spierverlies, verhoogd risico op botbreuken en ongewenste veranderingen in haar en huid. Senioren hebben de neiging om eiwitten minder efficiënt op te nemen, dus moeten ze mogelijk 15-25% meer eiwitten consumeren dan andere volwassenen om dezelfde hoeveelheid op te nemen. Dus hoewel methioninebeperking gunstig kan zijn, is het belangrijk dat we voldoen aan onze behoeften aan methionine en aan eiwitten.


Wij danken B. A. Halkier (Universiteit van Kopenhagen), I. Hara-Nishimura (Konan University), G. Jander (Boyce Thompson Institute) en het Arabidopsis Biological Resource Center voor het verstrekken van zaden van A. thaliana mutantlijnen Y. Kawara (de Universiteit van Tokyo) voor het assisteren bij de hydrocultuur GP Lomonossoff (John Innes Centrum) voor het leveren van de pEAQ-expressievector K. Shirasu en N. Kumakura (RIKEN Centrum voor Sustainable Resource Science) voor het assisteren bij de voorbijgaande uitdrukking in N. benthamiana en F. Hayashi en H. Zhang (RIKEN Yokohama NMR Facility) voor het verkrijgen van de NMR-spectra van de gesynthetiseerde verbindingen. Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI Grant nrs. 16H07449 en 18K14348 naar RS, 19H02859 naar NO-O., 20H04852 naar MYH, RIKEN Special Postdoctoral Researcher Program (RS), en het China Scholarship Council (19906610013 tot RL).

↵ 1 RS en R.L. hebben in gelijke mate bijgedragen aan dit werk.

↵ 2 Huidig ​​adres: Department of Pharmacy, National University of Singapore, Singapore 117544, Singapore.

↵ 4 Huidig ​​adres: Afdeling Biotechnologie, Graduate School of Agricultural and Life Sciences, The University of Tokyo, Tokyo 113-8657, Japan.

Auteursbijdragen: R.S. en M.Y.H. ontworpen onderzoek R.S., R.L., A.K., R.N., N.S., T.M., T.I., N.O.-O., T.F., K.S. en M.Y.H. verricht onderzoek R.S. droegen nieuwe reagentia/analysetools bij R.S., R.L., R.N., T.M., T.I., N.O.-O., R.T.N., P.B. en M.Y.H. geanalyseerde gegevens en R.S., R.T.N., P.B. en M.Y.H. schreef de krant.

De auteurs verklaren geen concurrerende belangen.

Dit artikel is een directe inzending van PNAS. R.L.L. is gastredacteur op uitnodiging van de redactieraad.

Dit open access-artikel wordt verspreid onder Creative Commons Attribution License 4.0 (CC BY).


Oxidatieweerstand van de zwavelaminozuren: methionine en cysteïne

1 Sleutellaboratorium voor agro-ecologische processen in subtropische regio, Instituut voor subtropische landbouw, Chinese Academie van Wetenschappen, National Engineering Laboratory for Pollution Control and Waste Utilization in Vee en Pluimveeproductie, Changsha, Hunan 410125, China

2 Universiteit van de Chinese Academie van Wetenschappen, Beijing 10049, China

Abstract

Zwavelaminozuren zijn een soort aminozuren die sulfhydryl bevatten en ze spelen een cruciale rol in de eiwitstructuur, het metabolisme, de immuniteit en oxidatie. Onze review demonstreert het oxidatieweerstandseffect van methionine en cysteïne, twee van de meest representatieve zwavelaminozuren, en hun metabolieten. Methionine en cysteïne zijn extreem gevoelig voor bijna alle vormen van reactieve zuurstofsoorten, waardoor ze antioxidatief zijn. Bovendien zijn methionine en cysteïne voorlopers van S-adenosylmethionine, waterstofsulfide, taurine en glutathion. Van deze producten wordt gemeld dat ze de stress door oxidatiemiddelen die door verschillende oxidatiemiddelen worden veroorzaakt, verminderen en het weefsel beschermen tegen de schade. De deficiëntie en overmaat aan methionine en cysteïne in de voeding beïnvloeden echter de normale groei van dieren, daarom is een nieuwe studie over het definiëren van adequate niveaus van methionine- en cysteïne-inname belangrijk.

1. Inleiding

Zwavelaminozuren (SAA's) zijn een soort aminozuren die sulfhydryl bevatten. Onder de SAA's worden methionine en cysteïne als de primaire SAA's beschouwd. Methionine is een onmisbaar aminozuur bij zoogdieren omdat het niet kan worden gesynthetiseerd in hoeveelheden die voldoende zijn om de normale groei van zoogdieren te behouden. Niettemin is cysteïne een semi-essentieel aminozuur bij zoogdieren, omdat cysteïne kan worden geproduceerd via de transsulfuratieroute van L-methionine-afbraak. Het gehalte aan methionine en cysteïne wordt dus beschouwd als de behoefte aan SAA's in het dieet van zoogdieren. Toenemend bewijs laat zien dat SAA's een cruciale rol spelen in de eiwitstructuur, het metabolisme, de immuniteit en oxidatie [1-4]. Ze oefenen gewichtige functies uit via hun metabolieten, zoals S-adenosylmethionine (SAM), polyaminen, taurine en glutathion (GSH) (Figuur 1).

Redox-homeostase is het uitgangspunt van het handhaven van het homeostatisch evenwicht van het organisme, en het hangt sterk af van de balans van het pro-oxidatieve en antioxidatieve systeem [5, 6].Reactieve zuurstofspecies (ROS) is een belangrijke factor bij de vorming van oxidatieve schade, omdat ROS biomoleculen (inclusief lipiden, eiwitten en DNA) gemakkelijk kan oxideren en daardoor het antioxidatieve systeem schaadt en oxidatieve stress veroorzaakt [7, 8]. Daarom trekt de antioxidatie van SAA's geleidelijk de aandacht van mensen en hebben onderzoekers er veel onderzoek naar gedaan [9, 10]. Een groot aantal onderzoeken meldt dat SAA's een verlichtende werking hebben op verschillende oxidant-stressmodellen, zoals diabetes [11, 12], HIV-infectie [13] en veroudering [14]. Onze review reorganiseert en benadrukt dus het antioxidatie-effect van twee belangrijke SAA's (methionine en cysteïne).

2. Methionine

In de eiwitstructuur zijn alle aminozuurresiduen vatbaar voor oxidatie door gediversifieerde vormen van ROS, vooral methionineresiduen, omdat ze gevoelig zijn voor bijna alle vormen van ROS en de oxidatie van methionineresiduen omkeerbaar is [15]. Het is de belangrijkste reden dat methionine het vermogen heeft om oxidatie te weerstaan.

2.1. Methionine Oxidatie Reductie Cyclus

Methionineresiduen zijn extreem gevoelig voor ROS en ze zijn geneigd om te combineren met ROS en vervolgens om te zetten in methioninesulfoxide (MetO), waardoor ROS zijn activiteit verliest. Het reactieproduct van MetO is een mengsel dat bestaat uit de twee stereo-isomeren, MetO-S en MetO-R. MetO-S en MetO-R kunnen worden gereduceerd tot methionine door het thioredoxine [Th(SH)2] door de katalyse van respectievelijk methioninesulfoxidereductasen A (MsrA) en methioninesulfoxidereductasen B (MsrB) (Figuur 2). Elke cyclus van oxidatie en reductie van methionineresiduen zal gevaarlijke stoffen elimineren (bijv. hydroperoxide, hypochloor, ozon en lipideperoxide), die een belangrijk natuurlijk opruimingssysteem voor de gevaarlijke stoffen kunnen vormen.

MrsA en MsrB worden beschouwd als de ultieme antioxidantafweermechanismen omdat ze verantwoordelijk zijn voor de reductie van MetO [16]. Veel experimenten in verschillende objecten hebben aangetoond dat het niveau van MsrA gecorreleerd is met de eliminatie van de geaccumuleerde oxidatieve schade [17-19]. Marchetti et al. [20] stelde voor dat de verlaging van MsrA-niveaus de accumulatie van ROS in menselijke lenscellen veroorzaakte. Bovendien vonden Yermalaieva en zijn collega's [21] dat de overexpressie van MsrA de door hypoxie geïnduceerde toename van ROS significant verminderde en de normale groei van PC12-cellen handhaafde. MrsB is nog maar kort ontdekt [22], en het is nu bekend dat de belangrijkste functie ervan samen met MsrA geoxideerd MetO reduceert. De overige functies van MsrB blijven ter verdere verkenning.

2.2. SAM

SAM is het directe product van methionine in de katalyse door methionine-adenosyltransferase (MAT), en het staat bekend als de methyldonor voor de meeste methyltransferasen die DNA, RNA en andere eiwitten wijzigen. SAM oefent de antioxidantcapaciteit uit via deze route: SAM verhoogt de activiteit van cystathionine γ-synthase (CBS), het primaire enzym bij transsulfuratie en draagt ​​bij aan de synthese van cysteïne, waardoor het GSH-niveau wordt verhoogd. Veel onderzoeken tonen aan dat SAM-toediening oxidantstress verlicht en de weefsels herstelt. Bijvoorbeeld Li et al. [23] ontdekte dat SAM-toediening cellen beschermt en oxidatieve stress veroorzaakt door amyloïd-βen activeert het endogene antioxidantsysteem door de normale GSH/GSSG-verhouding te herstellen en de activiteiten van glutathionperoxidase (GSH-Px), glutathion-S-transferase (GST) en superoxide-dismutase (SOD) te verhogen.

2.3. Toediening van methionine

Het is gemeld dat de suppletie van methionine de ROS-geïnduceerde schade verzachtte door de activiteit van GSH te verhogen [24]. Interessant is dat methionine-beperking, die de methionine-suppletie in diervoeding beperkt, ook de oxidatieve stress verlicht. Methionine-restrictie vermindert bijvoorbeeld de mitochondriale ROS-generatie [25, 26]. Bovendien veroorzaakt methioninedeficiëntie in een voedingsmodel een reeks schade aan het lichaam, zoals leverpathologie [27], onderdrukking van de darmepitheelgroei [28], verslechtering van de groeiprestaties [29], enzovoort, terwijl overmatige methioninesuppletie kan leiden tot aan methioninevergiftiging en zelfs de levensduur van dieren verkorten [30]. Bovendien is de behoefte aan methionine in verschillende stadia van dieren verschillend. De toediening van methionine voor dierlijke productie is dus een waardevol onderzoeksonderwerp.

3. Cysteïne

Net als de methionineresiduen, hadden cysteïneresiduen ook gemakkelijk te lijden van oxidatie. Cysteïneresiduen hebben de eigenschappen van het reguleren van redox, omdat het dankzij de speciale chemische eigenschappen gemakkelijk met H . reageert2O2 [31, 32]. Bovendien, dat als voorloper voor GSH dient, is cysteïne het beperkende aminozuur van de glutathionsynthese in de transsulfuratieroute. Bovendien wordt de antioxiderende eigenschap van cysteïne voornamelijk weerspiegeld door het product van GSH, waterstofsulfide (H2S) en taurine.

3.1. GSH

Bij zoogdieren wordt GSH voornamelijk gesynthetiseerd door twee enzymatische ATP-afhankelijke reacties van cysteïne, glutamaat en glycine: (1) Cysteïne en glutamaat verbruiken ATP om γ-glutamylcysteïne (γ-Glucys) door de katalyse van γ-glutamylcysteïnesynthetase (GCS). (2) GSH-synthetase katalyseert γ-Glucys en glycine om GSH te vormen, en deze reactie verbruikt ook ATP (Figuur 1). Bij de synthese van GSH in cellen is cysteïne het snelheidsbeperkende reactiesubstraat [33] en suppletie met L-cysteïne bij mensen verbetert de synthesesnelheid en concentratie van GSH [34]. Wat meer is, Yin et al. [35] kwantificeerde de belangrijkste bron van GSH-precursoren door suppletie met verschillende concentraties van L-cysteïne, L-glutamaat en glycine in muizendieet, en hun resultaat onthulde dat voeding met L-cysteïne en L-glutamaat de concentratie van GSH in lever, terwijl ze ook ontdekten dat de overmatige suppletie van L-cysteïne de GSH-synthese remde.

GSH is een cysteïne-bevattend tripeptide en speelt een vitale rol bij cellulaire antioxidatie bij dieren [36]. GSH wordt gemakkelijk geoxideerd door de vrije radicalen en andere ROS (bijv. lipide peroxylradicaal, H2O2, en hydroxylradicaal) om glutathiondisulfide (GSSG) te vormen door de katalyse van GSH-Px. En dan door de katalyse van glutathionreductase, wordt GSSG gereduceerd tot GSH. Daarom draagt ​​de cyclus van GSH/GSSG bij aan het opruimen van vrije radicalen en andere reactieve soorten en aan het voorkomen van oxidatie van biomoleculen. Bovendien speelt GSH als substraat van GSH-Px ook een ondersteunende rol bij de antilipideperoxidatie van GSH-Px. Algemeen wordt aangenomen dat het lage GSH-gehalte kan leiden tot lipideperoxidatie. Agar et al. [37] gebruikte ethanol om de GSH in het cerebellum van muizen te consumeren en ontdekte toen dat de lipideperoxidatie aanzienlijk was toegenomen. De concentratie van GSH en de activiteiten van GSH-gerelateerd enzym fungeerden dus als een teken van de antioxidantstatus in het lichaam.

3.2. H2S

H2S wordt al lang beschouwd als een giftig gas dat in aanzienlijke hoeveelheden wordt geproduceerd door zoogdierweefsels, terwijl recent onderzoek onthult dat het een ontstekingsremmend, antioxidant en neuroprotectief middel is en een zeer belangrijke rol speelt in veel fysiologische functies [38]. L-cysteïne is een belangrijk substraat om ongeveer 70% endogeen H . te produceren2S door een van beide enzymen (cystathionine) β-synthase en cystathionine γ-lyase) [39]. En de laatste jaren wordt waargenomen dat D-cysteïne H . produceert2S door een nieuwe route en het kan effectiever zijn dan L-cysteïne bij het beschermen van primaire kweken van cerebellaire neuronen tegen oxidatieve stress veroorzaakt door waterstofperoxide [40]. H2S is een krachtige antioxidant, behalve dat het de reactieve zuurstof- en stikstofspecies direct opruimt om weefsels te beschermen [41] het verhoogt ook de activiteit van γ-glutamylcysteïnesynthetase en reguleert het cystinetransport, waardoor de productie van GSH wordt verbeterd om weerstand te bieden aan oxidatieve stress [42]. Verder wordt gemeld dat H2S kan maagslijmvliesepitheelcellen beschermen tegen oxidatieve stress door stimulatie van MAP-kinase-routes [43]. Deze routes bieden de mechanismen voor H2S om de weefsels te beschermen tegen oxidatieve stress.

3.3. Taurine

Taurine is het meest voorkomende vrije aminozuur bij zoogdieren en het speelt een belangrijke rol in veel fysiologische functies, zoals visuele ontwikkeling, neurale ontwikkeling, ontgifting, antioxidatie, ontstekingsremmend, enzovoort. Twee belangrijke bronnen dragen bij aan de taurinesynthese bij zoogdieren: opname uit de voeding en het metabolisme van cysteïne. Taurine wordt gesynthetiseerd door drie stappen: ten eerste wordt cysteïne gekatalyseerd om cysteïnesulfinaat te vormen door de katalyse van cysteïnedioxygenase ten tweede, cysteïnesulfinaat verwijdert carboxyl om hypotaurine te vormen door cysteïnesulfinaatdecarboxylase als derde, hypotaurine wordt geoxideerd tot taurine. Veel onderzoeken bevestigen dat het verhogen van de dosis cysteïne in de voeding bijdraagt ​​aan de activering van cysteïnedioxygenase [44], en voedingssuppletie van cysteïne verhoogde de plasmataurinespiegel bij mensen met een hiv-infectie [13].

In het bijzonder toont taurine zijn bescherming voor weefsel in veel modellen die worden geïnduceerd door verschillende oxidanten [45, 46]. De antioxidantcapaciteit van taurine wordt geassocieerd met ROS-opruiming. Chang et al. [46] bewees dat taurinesupplementen in het rattendieet de door hyperhomocysteïnemie geïnduceerde ROS-productie verlaagden, en Palmi et al. [47] rapporteerde dat taurine de productie van ROS remde door de mitochondriale Ca2+-absorptie te stimuleren. Bovendien verhoogt taurine ook de activiteiten van veel antioxidante enzymen in door oxidatiemiddel geïnduceerde modellen. Het is bevestigd dat taurine de activiteiten van Mn-SOD en GSH-Px in het mitochondrion van muizen herstelt na infectie met tamoxifen [48]. Verder wezen Choi en Jung [49] in hun studies erop dat suppletie met taurine de SOD-activiteit in de lever verhoogde op de calciumdeficiëntieconditie, maar de activiteiten van GSH-Px en catalase (CAT) waren niet significant verschillend tussen normale muizen en calciumdeficiënte muizen.

4. Conclusie

Kortom, als krachtige antioxidanten spelen SAA's een curieuze rol bij het handhaven van het evenwicht en de stabiliteit van vrije radicalen in het lichaam. Daarom worden SAA's veel gebruikt als voedseladditief en toegepast in medische zorg en het fokken van dieren. Hoewel SAA's een uitstekende antioxidantcapaciteit hebben, is de toediening van SAA's in het proces van dierlijke productie van bijzonder belang, omdat verschillende doseringen van SAA's verschillende effecten op dieren kunnen hebben. Daarom zal verder onderzoek worden gedaan naar de juiste dosering van SAA's in diervoeding.

Afkortingen

SAA:Zwavel aminozuren
SAM:S-Adenosylmethionine
GSH:glutathion
ROOS:Reactieve zuurstofsoorten
Ik ook:Methioninesulfoxide
Th(SH)2:Thioredoxine
mevrouwA:Methioninesulfoxidereductase A
mevrouwB:Methioninesulfoxidereductase B
MAT:Methionine-adenosyltransferase
CBS:Cystathionine γ-synthase
GSH-Px:Glutathionperoxidase
btw:Glutathion-S-transferase
ZODE:Superoxide dismutase
H2S:waterstofsulfide
γ-Glucy's:γ-Glutamylcysteïne
GCS:γ-Glutamylcysteïnesynthetase
GSSG:Glutathion disulfide.

Openbaring

Dit overzichtsartikel bevat geen studies met menselijke deelnemers of dieren die zijn uitgevoerd door een van de auteurs.

Belangenverstrengeling

De auteurs verklaren dat er geen belangenconflicten zijn met betrekking tot de publicatie van dit artikel.

Dankbetuigingen

Dit onderzoek werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China (nrs. 31702125, 31772642, 31330075 en 31110103909), Hunan Provincial Science and Technology Department (2017NK2322), National Key Research and Development Program of China (2016YFD050504, 2016YFD0501201), International Partnership Programma van de Chinese Academie van Wetenschappen (161343KYSB20160008) en de Natural Science Foundation van de provincie Hunan (2017JJ3373).

Referenties

  1. SW Kim, Aminozuren en immuunsysteem, Springer, Wenen, Oostenrijk, 2003.
  2. R.F. Grimble, "De effecten van de inname van zwavelaminozuren op de immuunfunctie bij mensen", Tijdschrift voor voeding, vol. 136, nee. 6, blz. 1660S–1665S, 2006. Bekijken op: Google Scholar
  3. G. Wu, "Aminozuren: metabolisme, functies en voeding", Aminozuren, vol. 37, nee. 1, pp. 1–17, 2009. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  4. J.T. Brosnan en M.E. Brosnan, "De zwavelhoudende aminozuren: een overzicht", Tijdschrift voor voeding, vol. 136, nee. 6, blz. 1636S-1640S, 2006. Bekijken op: Google Scholar
  5. J. Yin, W. Ren, G. Liu et al., "Oxidatieve stress bij de geboorte en de ontwikkeling van een antioxidantsysteem bij pasgeboren biggen", Onderzoek naar vrije radicalen, vol. 47, nee. 12, pp. 1027-1035, 2013. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  6. J. Duan, J. Yin, W. Ren et al., "Voedingssuppletie met l-glutamaat en l-aspartaat verlicht oxidatieve stress bij gespeende biggen die worden uitgedaagd met waterstofperoxide," Aminozuren, vol. 48, nee. 1, pp. 53-64, 2016. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  7. J. Yin, W. Ren, J. Duan et al., "Suppletie met arginine in de voeding verbetert de intestinale expressie van SLC7A7 en SLC7A1 en verbetert de groeidepressie bij varkens met mycotoxineproblematiek," Aminozuren, vol. 46, nee. 4, blz. 883–892, 2014. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  8. J. Yin, M. M. Wu, H. Xiao et al., "Ontwikkeling van een antioxidantsysteem na vroeg spenen bij biggen," Tijdschrift voor Dierwetenschappen, vol. 92, nee. 2, pp. 612-619, 2014. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  9. Y. Martínez, X. Li, G. Liu et al., "De rol van methionine op het metabolisme, oxidatieve stress en ziekten," Aminozuren, vol. 49, nee. 12, pp. 2091-2098, 2017. Bekijk op: Uitgeverssite | Google geleerde
  10. G. Liu, L. Yu, J. Fang et al., "Methioninebeperking op oxidatieve stress en immuunrespons bij dss-geïnduceerde colitis-muizen", Oncotarget, vol. 8, nee. 27, pp. 44511-44520, 2017. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  11. R.V. Sekhar, S.V. Mckay, S.G. Patel et al., "Glutathionsynthese is verminderd bij patiënten met ongecontroleerde diabetes en hersteld door voedingssuppletie met cysteïne en glycine," Diabetes Zorg, vol. 34, nee. 1, pp. 162-167, 2011. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  12. S.K. Jain, T. Velusamy, J.L. Croad, J.L. Rains en R. Bull, "suppletie met l-cysteïne verlaagt de bloedglucose, geglyceerde hemoglobine, CRP, MCP-1 en oxidatieve stress en remt NF-κB-activering in de levers van Zucker-diabetische ratten, " Vrije radicale biologie en geneeskunde, vol. 46, nee. 12, blz. 1633–1638, 2009. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  13. M.D. Borges-Santos, F. Moreto, P.C.M. Pereira, Y. Ming-Yu en R.C. Burini, "Plasma glutathion van HIV+-patiënten reageerden positief en verschillend op voedingssuppletie met cysteïne of glutamine," Voedingsdagboek, vol. 28, nee. 7-8, blz. 753-756, 2012. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  14. R.V. Sekhar, S.G. Patel, A.P. Guthikonda et al., "Deficiënte synthese van glutathion ligt ten grondslag aan oxidatieve stress bij veroudering en kan worden gecorrigeerd door suppletie met cysteïne en glycine in de voeding," American Journal of Clinical Nutrition, vol. 94, nee. 3, pp. 847–853, 2011. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  15. E.R. Stadtman, H. Van Remmen, A. Richardson, N.B. Wehr en R.L. Levine, "Methionine-oxidatie en veroudering", Biochimica en Biophysica Acta (BBA) - Eiwitten en Proteomics, vol. 1703, nee. 2, pp. 135-140, 2005. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  16. Q. Swennen, P.-A. Geraert, Y. Mercier et al., "Effecten van het eiwitgehalte in de voeding en 2-hydroxy-4-methylthiobutaanzuur of dl-methionine-suppletie op de prestaties en oxidatieve status van vleeskuikens," British Journal of Nutrition, vol. 106, nee. 12, pp. 1845-1854, 2011. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  17. H.M. Prentice, I.A. Moench, Z.T. Rickaway, C.J. Dougherty, K.A. Webster en H. Weissbach, "MsrA beschermt hartmyocyten tegen door hypoxie/reoxygenatie geïnduceerde celdood," Biochemische en biofysische onderzoekscommunicatie, vol. 366, nee. 3, blz. 775–778, 2008. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  18. J.W. Lee, N.V. Gordiyenko, M. Marchetti et al., "Genstructuur, lokalisatie en rol bij oxidatieve stress van methioninesulfoxidereductase a (MSRA) in het netvlies van de aap," Experimenteel oogonderzoek, vol. 82, nee. 5, pp. 816-827, 2006. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  19. H. Ruan, X.D. Tang, M.-L. Chen et al., "Hoogwaardige levensverlenging door het enzym peptide methioninesulfoxidereductase," Proceedings van de National Acadamy of Sciences van de Verenigde Staten van Amerika, vol. 99, nee. 5, pp. 2748-2753, 2002. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  20. M.A. Marchetti, W. Lee, T.L. Cowell, T.M. Wells, H. Weissbach en M. Kantorow, "Het tot zwijgen brengen van het methioninesulfoxidereductase A-gen resulteert in verlies van mitochondriaal membraanpotentieel en verhoogde ROS-productie in menselijke lenscellen," Experimenteel oogonderzoek, vol. 83, nee. 5, pp. 1281-1286, 2006. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  21. O. Yermolaieva, R. Xu, C. Schinstock et al., "Methioninesulfoxidereductase A beschermt neuronale cellen tegen korte hypoxie / reoxygenatie", Proceedings van de National Acadamy of Sciences van de Verenigde Staten van Amerika, vol. 101, nee. 5, blz. 1159-1164, 2004. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  22. G. Kim, S. J. Weiss en R. L. Levine, "Methionine-oxidatie en -reductie in eiwitten", Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Algemene vakken, vol. 1840, nee. 2, pp. 901–905, 2014. Bekijk op: Uitgeverssite | Google geleerde
  23. Q. Li, J. Cui, C. Fang et al., "S-Adenosylmethionine verzwakt oxidatieve stress en neuro-inflammatie veroorzaakt door amyloïde-β door modulatie van het glutathionmetabolisme,” Tijdschrift voor de ziekte van Alzheimer, vol. 58, nee. 2, pp. 549–558, 2017. Bekijk op: Uitgeverssite | Google geleerde
  24. A. P. del Vesco, E. Gasparino, D. O. Grieser et al., "Effecten van methioninesuppletie op de redoxtoestand van kwartels die aan acute hittestress worden blootgesteld," Tijdschrift voor Dierwetenschappen, vol. 92, nee. 2, pp. 806–815, 2014. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  25. P. Caro, J. Gomez, I.Sanchez et al., "Veertig procent methioninebeperking vermindert de productie van mitochondriale zuurstofradicalen en lekt bij complex I tijdens voorwaartse elektronenstroom en verlaagt oxidatieve schade aan eiwitten en mitochondriaal DNA in mitochondriën van rattennieren en hersenen," Verjongingsonderzoek, vol. 12, nee. 6, pp. 421-434, 2009. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  26. S. Maddineni, S. Nichenametla, R. Sinha, R.P. Wilson en J.P. Richie Jr., "Methioninebeperking beïnvloedt oxidatieve stress en glutathion-gerelateerde redox-routes bij de rat," Experimentele biologie en geneeskunde, vol. 238, nee. 4, pp. 392-399, 2013. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  27. H. S. Oz, T. S. Chen en M. Neuman, "Methionine-deficiëntie en leverbeschadiging in een voedingsmodel voor steatohepatitis", Spijsverteringsziekten en wetenschappen, vol. 53, nee. 3, blz. 767-776, 2008. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  28. C. Bauchart-Thevret, B. Stoll, S. Chacko en D.G. Burrin, "Zwavel-aminozuurdeficiëntie reguleert de intestinale methioninecyclusactiviteit en onderdrukt epitheliale groei bij neonatale varkens," American Journal of Physiology-Endocrinology and Metabolism, vol. 296, nee. 6, pp. E1239–E1250, 2009. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  29. C. Wen, X. Y. Jiang, L. R. Ding, T. Wang en Y. M. Zhou, "Effecten van methionine in de voeding op groeiprestaties, vleeskwaliteit en oxidatieve status van borstspier bij snel en langzaam groeiende vleeskuikens," Pluimvee Wetenschap, vol. 96, nee. 6, pp. 1707–1714, 2017. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  30. P. Chaturvedi, P.K. Kamat, A. Kalani, A. Familtseva en S.C. Tyagi, "Een hoog methioninedieet vormt een hartrisico: een moleculair inzicht," Journal of Cellular Physiology, vol. 231, nee. 7, pp. 1554-1561, 2016. Bekijk op: Uitgeverssite | Google geleerde
  31. B. D'Autréaux en M. B. Toledano, "ROS als signaalmoleculen: mechanismen die specificiteit genereren in ROS-homeostase," Natuurrecensies Moleculaire celbiologie, vol. 8, nee. 10, pp. 813-824, 2007. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  32. M.A.K. Azad, P. Huang, G. Liu et al., "Hyperhomocysteïnemie en hart- en vaatziekten in diermodel", Aminozuren, 2017. Bekijk op: Uitgeverssite | Google geleerde
  33. G. Atmaca, "Antioxidant effecten van zwavelhoudende aminozuren," Yonsei medisch tijdschrift, vol. 45, nee. 5, blz. 776–788, 2004. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  34. A. Badaloo, M. Reid, T. Forrester, W.C. Heird en F. Jahoor, "Cysteïnesuppletie verbetert de synthesesnelheid van erytrocytenglutathion bij kinderen met ernstige oedemateuze ondervoeding," American Journal of Clinical Nutrition, vol. 76, nee. 3, blz. 646-652, 2002. Bekijk op: Google Scholar
  35. J. Yin, W. Ren, G. Yang et al., "l-cysteïnemetabolisme en de voedingsimplicaties ervan", Moleculaire voeding en voedselonderzoek, vol. 60, nee. 1, pp. 134–146, 2016. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  36. G. Wu, Y.-Z. Fang, S. Yang, J.R. Lupton en N.D. Turner, "Glutathionmetabolisme en de implicaties ervan voor de gezondheid", Tijdschrift voor voeding, vol. 134, nee. 3, blz. 489-492, 2004. Bekijk op: Google Scholar
  37. E. Agar, . Demir, R. Amanvermez, M. Boşnak, M. Ayyildiz en C. Çelik, "De veranderingen in lipideperoxidatie en GSH-niveaus in het cerebellum van ratten veroorzaakt door ethanolconsumptie worden voorkomen door vitamine E," Neurowetenschappelijke onderzoekscommunicatie, vol. 27, nee. 3, blz. 191-197, 2000. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  38. E. Łowicka en J. Bełtowski, "Waterstofsulfide (H2S) - het derde interessante gas voor farmacologen," Farmacologische rapporten, vol. 59, nee. 1, blz. 4-24, 2007. Bekijk op: Google Scholar
  39. G. J. McBean, "De transsulfuratieroute: een bron van cysteïne voor glutathion in astrocyten," Aminozuren, vol. 42, nee. 1, pp. 199-205, 2012. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  40. N. Shibuya, S. Koike, M. Tanaka et al., "Een nieuwe route voor de productie van waterstofsulfide uit D-cysteïne in zoogdiercellen", Natuurcommunicatie, vol. 4, artikel 1366, 2013. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  41. C. Szabó, "Waterstofsulfide en zijn therapeutisch potentieel", Natuurrecensies Drug Discovery, vol. 6, nee. 11, pp. 917-935, 2007. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  42. Y. Kimura, Y.-I. Goto en H. Kimura, "Waterstofsulfide verhoogt de productie van glutathion en onderdrukt oxidatieve stress in mitochondriën," Antioxidanten en Redox-signalering, vol. 12, nee. 1, pp. 1-13, 2010. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  43. D. Yonezawa, F. Sekiguchi, M. Miyamoto et al., "Een beschermende rol van waterstofsulfide tegen oxidatieve stress in maagslijmvliesepitheel van de rat," Toxicologie, vol. 241, nee. 1-2, pp. 11-18, 2007. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  44. M. H. Stipanuk, "Zwavel-aminozuurmetabolisme: routes voor productie en verwijdering van homocysteïne en cysteïne", Jaaroverzicht van voeding, vol. 24, pp. 539-577, 2004. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  45. M. Sinha, P. Manna en P.C. Sil, "Taurine, een voorwaardelijk essentieel aminozuur, verbetert door arseen geïnduceerde cytotoxiciteit in muizenhepatocyten," Toxicologie in vitro, vol. 21, nee. 8, blz. 1419-1428, 2007. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  46. L. Chang, J. Xu, F. Yu, J. Zhao, X. Tang en C. Tang, "Taurine beschermde myocardiale mitochondriënbeschadiging veroorzaakt door hyperhomocysteïnemie bij ratten," Aminozuren, vol. 27, nee. 1, blz. 37-48, 2004. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  47. M. Palmi, G. Davey, K.F. Tipton en A. Meini, "Taurine, taurine-analogen en mitochondriale functie en dysfunctie," Vooruitgang in experimentele geneeskunde en biologie, vol. 583, pp. 469-479, 2006. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  48. S. Parvez, H. Tabassum, B.D. Banerjee en S. Raisuddin, "Taurine voorkomt door tamoxifen geïnduceerde mitochondriale oxidatieve schade bij muizen", Basis & Klinische Farmacologie & Toxicologie, vol. 102, nee. 4, pp. 382-387, 2008. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde
  49. M.-J. Choi en Y.-J. Jung, "Effecten van taurine en vitamine D op antioxidant-enzymactiviteit en lipidenprofielen bij ratten die calciumarm dieet kregen", in Taurine 10, D.-H. Lee, S.W. Schaffer, E. Park, en H.W. Kim, Eds., pp. 1081-1092, Springer, Dordrecht, Nederland, 2017. Bekijk op: Publisher Site | Google geleerde

Auteursrechten

Copyright © 2017 Peng Bin et al. Dit is een open access-artikel dat wordt gedistribueerd onder de Creative Commons Attribution-licentie, die onbeperkt gebruik, distributie en reproductie in elk medium toestaat, op voorwaarde dat het originele werk correct wordt geciteerd.


Het complexe productieproces van methionine

Bedrijven benutten de natuur om via fermentatie aminozuren te maken, maar de aanwezigheid van een zwavelatoom heeft een vergelijkbare aanpak voor methionine gedwarsboomd. In plaats daarvan wordt het gemaakt via een complexe chemische synthese met moeilijk te hanteren grondstoffen zoals methylmercaptaan, propyleen en waterstofcyanide. Fabrikant Adisseo bood onlangs een kijkje achter de schermen om te laten zien welke beperkingen hun pad kruisen in hun fabriek in Les Roches de Condrieu, ten zuiden van Lyon in Frankrijk.

Methionine (Met) wordt gedefinieerd als een essentieel aminozuur, omdat het niet door zoogdieren kan worden gesynthetiseerd en via voedsel moet worden ingenomen. Omdat het methioninegehalte in plantaardige grondstoffen onvoldoende is, moeten synthetische methioninecomplementen aan diervoeder worden toegevoegd. In diervoeding is het het tweede beperkende aminozuur na lysine en bij pluimvee zelfs het eerste beperkende aminozuur. Waar lysine door bacteriën kan worden geproduceerd via een relatief eenvoudig fermentatieproces, moet methionine chemisch worden opgebouwd uit minerale en organisch afgeleide verbindingen. Samen met cysteïne is methionine een van de twee zwavelhoudende proteïnogene aminozuren. Methionine is een tussenproduct in de biosynthese van cysteïne, carnitine, taurine, lecithine, fosfatidylcholine en andere fosfolipiden. Niet-essentiële L-cysteïne kan alleen door het lichaam worden gesynthetiseerd uit L-methionine, en als er een tekort is aan methionine, wordt cysteïne ook een essentieel aminozuur. De productielocatie van Adisseo in Les Roches, Frankrijk, vormt het hart van het bedrijf Europese productie van methionine en maakt zwavelproducten (zwavelzuur en koolstofdisulfide) en Methionine MMP (methylmercaptan-propionaldehyde, het eerste tussenproduct in de synthese van methionine). Figuur 1 geeft een schematisch overzicht van de productie van methionine en de daarbij betrokken materialen. Zoals te zien is, zijn de basisproducten afkomstig uit de petrochemische industrie. Zodra MMP is vastgesteld, wordt het via een 11 kilometer lange pijpleiding naar een productiefabriek in Roussillon getransporteerd waar het wordt omgezet in DL-methionine.

Alle huidige methioninefabrikanten hebben een vergelijkbaar productieproces, maar het niveau van upstreamintegratie varieert. Adisseo heeft alle productiestadia in eigen hand, maar sommige producenten nemen bijvoorbeeld MMP over van de petrochemische industrie. Aangezien de meeste bestanddelen gevaarlijke producten zijn, staat veiligheid centraal in de productie-eenheden en heeft Adisseo zeer strikte veiligheidsregels op de productielocaties.

Enorme en beveiligde logistiek
Het productieproces van methionine vereist zes hoofdgrondstoffen: zwavel, methanol, ammoniak, propyleen, zwavelzuur en energie (gas & ndash CH4). De lange keten van processtappen wordt beperkt door de zwakste stap. Grondstoffen en tussenproducten moeten in hoeveelheid en op tijd beschikbaar zijn, aangezien de fabriek elke dag van het jaar 24/7 draait. Dit kan ingewikkeld zijn omdat de opslagcapaciteit van grondstoffen beperkt is, wat betekent dat logistiek een groot probleem is, evenals het onderhoud van de fabriek. De inkoopdivisie van Adisseo heeft haar grondstoffenvoorziening veiliggesteld door middel van partnerships met grote spelers in de chemische en olie-industrie.

Om de bevoorrading zeker te stellen zijn er altijd twee transportmiddelen voor een product. Methanol komt per boot, van grote fabrieken over de hele wereld, naar de opslag van 20.000 ton Marseille van het bedrijf. De uiteindelijke bevoorrading van de fabrieken vindt plaats per binnenschip langs de rivier de Rhône met vrachtwagentransport als back-up. Zwavel komt per bloktrein en vrachtwagens. Propyleen wordt geleverd via een pijpleiding vanuit de Feyzin-raffinaderij en per spoor. Ammoniak en zwavelzuur worden voornamelijk aangevoerd door bloktreinen met vrachtwagens als back-up.

Propeen problemen
Propyleen is de belangrijkste strategische grondstof voor de productie van methionine. Adisseo heeft 30.000 ton ondergrondse opslag voor propyleen die via een pijpleiding wordt gevuld. De twee belangrijkste bronnen van propyleen zijn een bijproduct van het stoomkraken van vloeibare grondstoffen zoals nafta en LPG's, en van afgassen die worden geproduceerd in eenheden voor gefluïdiseerd katalytisch kraken (FCC) in raffinaderijen. De primaire bron van propyleen is het kraken van nafta en andere vloeistoffen zoals gasolie en condensaten om ethyleen te produceren. Door de ernst van het kraken en de leisteen van het uitgangsmateriaal te veranderen, kan de verhouding propyleen:ethyleen variëren van 0,4:1 tot 0,75:1. Een groeiende bron van propyleen, met name in de VS, is afkomstig van raffinaderijen waar splitters het propyleen terugwinnen uit de afgassen die door FCC's worden geproduceerd. Propeen van de raffinaderij moet echter worden gezuiverd voor chemisch en polymeergebruik. Er zijn nu nieuwe katalysatoren beschikbaar die de propyleenoutput van de FCC's verhogen.

Nu de vraag naar propyleen sneller groeit dan ethyleen, in combinatie met de bouw van meer ethaankrakers (die geen propyleen produceren) in plaats van naftakrakers, worden in toenemende mate doelgerichte technologieën gebruikt om propyleen te maken. De productie van propyleen is dus sterk afhankelijk van de productie van ethyleen. In hun zoektocht naar een meer onafhankelijke energievoorziening heeft het gebruik van schaliegas de Amerikaanse markt volledig veranderd. Amerikaanse crackers &ndash die flexibeler zijn dan de Europese&ndash &ndash grepen de kans om op deze goedkope energievoorziening te draaien. Maar schaliegas bevat geen C3 dat nodig is voor de productie van propyleen en de output van de krakers is verschoven naar ethyleen. Hierdoor worstelt de Amerikaanse markt voor propyleen en liggen de prijzen in de VS 20% hoger dan in de rest van de wereld. Dit is waarschijnlijk een structurele en blijvende verandering.

In Europa zal de productie beperkt blijven, waarbij de krakeractiviteiten gedreven zullen blijven worden door de vraag naar etheen. De invoer van polyethyleen (PE) en glycol (MEG) uit het Midden-Oosten zal de lokale productie beïnvloeden. De raffinaderijactiviteiten zullen worden beïnvloed door een beperkte vraag naar benzine en een lage winstgevendheid. West-Europa heeft momenteel geen plannen om de doelgerichte propyleenproductie verder te verhogen. Importvolumes zullen moeilijk te verkrijgen blijven en logistiek zal de sleutel zijn.

zwavel afhankelijkheid
Als een fundamentele en essentiële grondstof voor de productie van methionine, is zwavel geëvolueerd van afvalstof tot belangrijke grondstof. Zwavel vertegenwoordigt de derde waarde voor methionine, net achter aardgas (nr. 2) en propyleen (nr. 1). In de afgelopen vijf jaar is de markt drastisch veranderd en schoten de prijzen in 2008 omhoog van $ 50-60 per ton tot meer dan $ 800 per ton. Sindsdien zijn de prijzen gedaald, maar de markt blijft volatiel en hoger dan voor 2008. Omdat zwavel een bijproduct is van chemische processen, is de productie noch vraag- noch prijsgedreven. De vraag naar zwavel wordt echter vooral gedreven door het gebruik van kunstmest, dat wereldwijd toeneemt. Er wordt verwacht dat er een korte markt zal blijven tot 2015, wanneer enkele petrochemische fabrieken in productie komen en het aanbod zou moeten toenemen. Zwavel is een speciaal product, het is een ontvlambare en corrosieve vloeistof, met een stolpunt van 120 SDgrC. Dit vraagt ​​om een ​​specifieke en toegewijde logistiek. Er zijn twee vormen van zwavel op de markt: vloeibaar, dat een aandeel van 7% in volume op de wereldmarkt heeft, maar 95% van de Europese markt en een markt voor vaste zwavel (93%). Het gebruik op de wereldmarkt is ongeveer 50 miljoen ton per jaar.

Adisseo is de grootste zwavelverbruiker in Frankrijk, die wordt gebruikt in de fabriek van Les Roches, waar het alleen in vloeibare vorm kan worden gelost. Het wordt geleverd in verwarmde railkarren om het vloeibaar te houden. De belangrijkste zwavelbronnen voor Les Roches zijn de Leuna (Duitsland) raffinaderij, Franse raffinaderijen, het Lacq (Frankrijk) gasveld en andere spotbronnen. De Europese markt wordt krapper, dat is bijna 100% vloeibare methionine. Er is de reductie en de voorspelde sluiting van het Lacq-gasveld, het Duitse BEB-gasveld neemt af en de Europese raffinaderijcapaciteit heeft een overschot van 20%, wat ertoe zou moeten leiden dat &lsquogo slow&rsquo en sommige raffinaderijen moeten sluiten. De vraag naar zwavel is echter groot. De Franse markt zal het zwaarst worden getroffen (alleen al door de sluiting van Lacq wordt 300.000 ton verwijderd), gaande van netto-exporteur naar netto-importeur. Om deze bedreigingen op de zwavelmarkt het hoofd te bieden, overweegt Adisseo drie opties: (1) toegang zoeken tot nieuwe bronnen van vloeibare zwavel, (2) investeren in hersmeltcapaciteit in Les Roches en (3) toegang krijgen tot een vaste zwavelterminal en een hersmeltcapaciteit in een haven. Dat laatste besluit is al genomen en er is een project gestart in een haven om de toekomstige zwavelaanvoer veilig te stellen. De opstart is gepland medio 2012.

Biofermentatie

Industrieel geproduceerde methionine bestaat voornamelijk uit DL-methionine, dat wordt geproduceerd door middel van chemische synthese. Wanneer L-methionine nodig is, wordt dit geleverd door acetylering van DL-methionine. Voor de productie van L-methionine door fermentatie zijn methoden beschreven die gebruik maken van een L-methionine-analoog-resistente mutante bacteriestam. Hun productiehoeveelheid is echter klein en factoren die de L-methionineproductie beïnvloeden, zijn nog niet opgehelderd. Daarom is L-methionine nog steeds een van de aminozuren die het moeilijkst te produceren is door fermentatie.

French Metabolic Explorer (MetEx) bezit patenten voor de verbetering van een E. coli-stam voor de productie van methionine. De Franse zetmeel- en diervoedermaker Roquette bezit patenten voor het extraheren van L-methionine uit fermentatiebouillon. Dit proces leidt tot 85-95% zuivere L-methionine. Roquette is in 2009 begonnen met het testen van vleeskuikens met een voer dat MetEx-methionine bevat. Deze tests zouden minstens 18-24 maanden duren, dus de resultaten kunnen tegen het einde van dit jaar worden verwacht. De Japanse fabrikant van voeradditieven Ajinomoto heeft in 2009 ook patenten aangevraagd voor een methode om L-methionine te produceren met behulp van een recombinant E coli bacteriën. De Franse chemieproducent Arkema en CJ CheilJedang uit Zuid-Korea werken samen om 's werelds eerste commerciële faciliteit te bouwen voor de productie van methionine uit hernieuwbare bronnen. De faciliteit, die in Maleisië zal worden gebouwd, zal een capaciteit hebben om 80.000 ton L-methionine per jaar te produceren, voornamelijk uit plantaardige grondstoffen. Het zal naar verwachting $ 400 miljoen kosten, gelijkelijk verdeeld over de partners, en eind 2013 opengaan. De winstgevendheid van een dergelijke plant zou afhangen van de kosten van glucose, het belangrijkste groeimedium voor de bacteriën. Er is ook coproductie van barnsteenzuur en/of azijnzuur, die afzonderlijk kunnen worden gewaardeerd. Uitgaande van toekomstige opbrengsten en glucosekosten, lijkt op dit moment geen van de twee processen een voordeel te hebben ten opzichte van de productie van synthetische methionine.

Adisseo in het kort
De geschiedenis van Adisseo gaat terug tot 1939 toen Marcel Lingot voeradditieven begon te verkopen onder de naam Alimentation Equilibrée de Commentry (AEC). In 1945 was AEC het eerste bedrijf dat succesvol methionine synthetiseerde. In 1971 werd AEC overgenomen door Rhôcircne-Poulenc, een Frans chemisch bedrijf. Na de fusie tussen Hoechst en Rhôcircne-Poulenc tot Aventis in 1999 werd het bedrijf omgedoopt tot Aventis Animal Nutrition (AAN). In april 2002 verwierven CVC Capital Partners en het management van AAN 75% van AAN van Aventis en vormden de Adisseo Group als dochterondernemingen van Drakkar Holdings, een Belgische houdstermaatschappij. Sinds oktober 2005 opereert Adisseo France als een dochteronderneming van China National Bluestar (Group) Corporation.

Adisseo ontwerpt, ontwikkelt en produceert vitamines, enzymen en methionine, waaronder poedermethionine en hydroxyanaloog vloeibaar methionine. Het bedrijf heeft regionale centra in Antony (Frankrijk), Atlanta (GA, VS), Sao Paolo (Brazilië) en Singapore, evenals productiefaciliteiten in Commentry, Les Roches en Roussillon (Frankrijk), Burgos (Spanje) en Instituut (WV, VS).


DISCUSSIE

De L. meyeri metY gen werd gekloond door functionele complementatie van an E. coli metB gemuteerd. De resultaten suggereren echter dat cystathionine geen intermediaire metaboliet is van de methioninesynthese in L. meyeric. De gegevens komen overeen met de enzymatische activiteit die in vitro door MetY wordt vertoond. MetY-eiwit kan inderdaad sulfide gebruiken voor reactie met O-acetylhomoserine om homocysteïne op te leveren (Fig. ​ (Fig.1B, 1B, stap 4). In tegenstelling tot E coli MetB-eiwit (Fig. ​ (Fig.1A, 1A, stap 2), MetY-eiwit gebruikt geen cysteïne als substraat, wat aangeeft dat MetY-eiwit geen cystathionine-γ-synthase-activiteit heeft. Het is duidelijk dat complementatie van E. coli metB mutanten door de L. meyeri metY gen, hoe slecht ook, werd mogelijk door marginaal gebruik van E coli substraten. In feite verschillen twee substraten die door het MetY-eiwit worden gebruikt, van de substraten die worden gebruikt in E coli: het homoserinederivaat is an O-acetylderivaat, en de bron van zwavel is niet cysteïne. Een eerdere studie van ons laboratorium heeft ook aangetoond dat de L. meyeri metX Product, O-acetylhomoserinetransferase, het enzym dat de stap stroomopwaarts van MetY (2) katalyseert, draagt ​​de acetylgroep van acetylco-enzym A niet over aan serine, wat zijn exclusieve specificiteit voor homoserine aantoont.

In S. cerevisiae, vertoont het Met17 (of Met25) enzym beide O-acetylserinesulfhydrylase en O-acetylhomoserinesulfhydrylase-activiteiten in vitro (32). Helaas was het niet mogelijk om te bepalen of L. meyeric MetY had een O-acetylserinesulfhydrylase-activiteit in vitro aangezien deze laatste activiteit ook aanwezig was in E coli extracten (zie Resultaten). De synthese van cysteïne door MetY werd dus in vivo experimenteel getest door functionele complementatie van de dubbele E. coli cysK cysM mutant (deze twee genen specificeren twee iso-enzymen met O-acetylserinesulfhydrylase-activiteit) (16). Er werd echter geen complementatie gevonden (gegevens niet getoond). Dit zou erop kunnen wijzen dat L. meyeric MetY lijkt inderdaad op S. cerevisiae Met17 (of Met25), waarvan uiteindelijk werd vastgesteld dat het zich in vivo alleen als een O-acetylhomoserinesulfhydrylase (5), en dat MetY ook kan zijn geëvolueerd uit dezelfde gemeenschappelijke voorouder van de γ-familie van de transsulfureringsenzymen (24).

Op dit punt is het belangrijkste doel het bepalen van de fysiologische rol van de O-acetylhomoserinesulfhydrylase-activiteit van L. meyeric MetY en of het een belangrijke of alternatieve route vertegenwoordigt. De organisatie van de twee genen metX en metY in een operon (2) suggereert de deelname van beide genen aan de methionineroute. Sinds de aanvulling van an E. coli metB mutant door de L. meyeri metY gen effectief was, verwachtten we eerder dat we een L. meyeric gen dat codeert voor cystathionine-γ-synthase. echter, de L. meyeric inserts van de zeven recombinante cosmiden die beide kunnen aanvullen metA en metB E. coli mutanten overlapten, wat aangeeft dat ze afkomstig waren uit hetzelfde gebied van het chromosoom. We stellen dus voor dat de transsulfuratieroute via cystathionine niet bestaat in L. meyeric dit in tegenstelling tot de gevonden situatie voor schimmels, die beide werkingsroutes hebben voor methioninebiosynthese (transsulfuratie en sulfhydrylering). De voorgestelde route voor methioninebiosynthese voor L. meyeric wordt getoond in Fig. ​ Fig.4. 4 . Met betrekking tot metabole regulatie hebben we gemeld dat MetX, het eerste enzym van de L. meyeric route, wordt niet geremd door feedback (2). De concentratie van methionine en S-adenosylmethionine geeft 67 en 75% remming van O-acetylhomoserinesulfhydrylase (MetY) was respectievelijk 10 mM. De methionine of S-adenosylmethionine remming van O-acetylhomoserinesulfhydrylase lijkt fysiologisch niet significant te zijn. Verdere studies zijn nodig om de regulering op het niveau van repressie door methionine of zijn metabolieten te onderzoeken.

Voorgestelde route voor methionine biosynthese in L. meyeric. MetX, O-acetylhomoserinetransferase MetY, O-acetylhomoserinesulfhydrylase.

Het was interessant om de biosynthetische route van methionine te vergelijken in een pathogene soort van Leptospira naar dat in de saprofytische L. meyeric soort. Een DNA-fragment van 525 bp van Leptospira interrogans serovar icterohaemorrhagiae stam Verdun werd geamplificeerd door PCR-assay met geschikte oligonucleotiden gekozen binnen metY (data niet weergegeven). De afgeleide aminozuursequentie van het geamplificeerde product (Fig. ​ (Fig.3, 3 , aminozuren 110 tot 285) was 86 identiek aan de aminozuursequentie van MetY. Interessant is dat de grote insertie van 40 aminozuren kenmerk van MetY-eiwit (Fig. ​ (Fig. 3, 3 , aminozuren 234 tot 276) en van gistenzymen werd gevonden in de overeenkomstige aminozuursequentie van deze pathogene soort. Deze resultaten zouden kunnen suggereren dat de directe sulfhydryleringsroute voor methionine werkt ook in een pathogene soort van Leptospira.


Bekijk de video: Waar komt CO2 vandaan? (Januari- 2022).