Dołącz do czytelników
Brak wyników

Suplementy

28 czerwca 2019

NR 3 (Czerwiec 2019)

Kwas alfa-ketoglutarowy – wyjątkowa molekuła

0 169

Kwas alfa-ketoglutarowy (AKG) jest organicznym związkiem chemicznym, kwasem dikarboksylowym, naturalnie występuje w organizmie człowieka. Jest związkiem pośrednim w jednym z najważniejszych szlaków metabolicznych zachodzących w organizmie – cyklu Krebsa, w którym podlega przemianom chemicznym [1]. 
Codzienna dieta nie zawiera AKG, tylko jego prekursory. Jedynym źródłem tego związku dla organizmu jest jego synteza przez mikrobiom jelitowy lub suplementacja wraz z dietą. AKG jest metabolizowany w enterocytach błony śluzowej jelit. Z uwagi na swoje chemiczne i funkcjonalne właściwości AKG jest bardzo interesującym związkiem w kontekście aplikacyjnym. Wykorzystanie AKG (czystego kwasu lub w kompleksach np. z aminokwasami), jako dodatku do żywności, jest ściśle powiązane z jego właściwościami prozdrowotnymi. 

AKG i ochrona komórek przed stresem oksydacyjnym

Wolne rodniki, znane również jako reaktywne formy tlenu (ROS), są ważnymi mediatorami w procesach degradacji komórek i ich śmierci. Uczestniczą w szeregu stanów patologicznych, atakując różne makrocząsteczki komórkowe. ROS powodują peroksydację lipidów tworzących błonę komórkową, strukturalne i funkcjonalne zmiany w białkach, a nawet uszkodzenia kwasów nukleinowych. Dane literaturowe wskazują, że w przypadkach indukowanego stresu oksydacyjnego w warunkach in vitro lub in vivo, AKG wykazuje silne właściwości przeciwutleniające, co świadczy o tym, że może stanowić skuteczną broń przeciwko ROS [2]. 

AKG a metabolizm białek

AKG jest kluczową cząsteczką w efektywnym metabolizmie białek. Bierze udział w transaminacji aminokwasów jako główny akceptor grup aminowych. W wyniku tych transformacji powstają glutaminian i ketokwas. Glutaminian następnie podlega oksydatywnej deaminacji, która prowadzi do całkowitego usunięcia z organizmu grup aminowych w postaci amoniaku. Natomiast powstający w wyniku transaminacji ketokwas może być wykorzystany do produkcji energii lub stanowić substrat w syntezie kwasów tłuszczowych lub glukozy [3]. Utlenienie glutaminianu przez dehydrogenazę glutaminianową jest główną reakcją umożliwiającą usunięcie azotu z ustrojowej puli aminokwasów w formie toksycznego amoniaku (NH4+), który następnie zostaje przekształcony do mniej toksycznego mocznika w cyklu mocznikowym w wątrobie. W reakcji utleniania glutaminianu akceptorem protonu i dwóch elektronów jest NAD+ lub NADP+. Wynikiem tej transformacji oprócz amoniaku jest alfa-ketoglutaran. Wysoki poziom amoniaku we krwi aktywuje reakcję katalizowaną przez syntazę glutaminową, w wyniku której grupa aminowa zostaje przyłączona do kwasu glutaminowego i powstaje glutamina. Wówczas spada stężenie kwasu glutaminowego w organizmie, który jest ważnym neuroprzekaźnikiem. Z kolei spadek stężenia kwasu glutaminowego przyczynia się do odwrócenia reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę glutaminianu, w wyniku której kwas alfa-ketoglutarowy oraz amoniak przekształcane są w glutaminian. AKG jako prekursor glutaminy bierze udział w procesach związanych z katabolizmem (rozkładem) białek [4]. 
Szczególnie ma znaczenie w procesach regeneracyjnych, po urazach, ciężkich infekcjach i poparzeniach lub po zabiegach chirurgicznych. W wielu niezależnych badaniach klinicznych podjęto próby podawania AKG w celu łagodzenia skutków tych stanów patologicznych, zwłaszcza przez wprowadzenie do diety suplementów z ornityną alfa-ketoglutaranu (OKG) [5]. 

AKG jako środek immunomodulujący

Glutamina jest znanym immunogenem in vivo i modulatorem wzrostu i funkcji komórek odpornościowych in vitro [6]. AKG reguluje funkcję komórek układu immunologicznego (monocytów, neutrofili, makrofagów) zaangażowanych we wczesną odpowiedź immunologiczną [7]. Dodatkowo glutamina stanowi „paliwo” dla limfocytów, stymulując ich proliferację i wytwarzanie glutationu lub cytokin. Wykazano, że AKG, jako homolog glutaminy, ma również właściwości wzmacniające odporność – wpływa zarówno na niespecyficzną, jak i specyficzną odpowiedź immunologiczną, szczególnie w sytuacjach stresowych [8, 9]. 

Wpływ AKG na tkankę kostną

W ostatnich latach opublikowano wiele prac naukowych, które sugerują, że AKG może mieć pożądane działanie na tkankę kostną. Badania in vivo prowadzone przez Tatara i współpracowników w latach 2006 i 2007 wykazały, że uzupełnienie diety w AKG podczas wzrostu ma pozytywny wpływ na rozwój układu kostnego – przyczynia się do poprawy właściwości mechanicznych kości [10]. W badaniach kobiet w okresie menopauzy zaobserwowano, że podawanie suplementów zawierających AKG (w połączeniu z wapniem) hamowało resorpcję kości i zmniejszało prawdopodobieństwo występowania osteoporozy. U kobiet leczonych solą sodową kwasu alfa-ketoglutarowego po 24 tygodniach leczenia zaobserwowano zwiększenie gęstości kości odcinka lędźwiowego kręgosłupa (w porównaniu do grupy kontrolnej) [11]. Wyniki powyższych badań sugerują, że AKG nie tylko może hamować resorpcję kości, ale może również wspomagać rekonstrukcję tkanki kostnej w stanach osteopenii i osteoporozy. Wprawdzie pozytywny wpływ AKG na gęstość i siłę kości jest dobrze udokumentowany w wielu badaniach in vivo, to mechanizm działania nie został do tej pory wyjaśniony [12]. Dodatkowo uważa się, że AKG może przyczynić się do zwiększenia puli aminokwasów niezbędnych do syntezy kolagenu typu I, a tym samym mieć pozytywny wpływ na jakość kości [13].

AKG jako czynnik przeciwnowotworowy

Literatura naukowa donosi, że AKG i jego strukturalne analogi mogą być zaangażowane w regulację szlaków sygnałowych zaangażowanych w promowanie procesu kancerogenezy [14]. Fakt ten jest ściśle powiązany z tym, że rozwój guzów wiąże się z powstawianiem obszarów niedotlenienia. W odpowiedzi na niedotlenienie dochodzi do zmian w metabolizmie komórek nowotworowych, co umożliwia im przeżycie i dostosowanie się do zmienionego, bardzo stresującego mikrośrodowiska. Zmiany metaboliczne obejmują zintensyfikowanie procesu glikolizy, a także zwiększoną syntezę glikogenu i wykorzystanie glutaminy (a nie glukozy) jako głównego substratu do syntezy kwasów tłuszczowych. Te zmiany metaboliczne dotyczą także czynnika transkrypcyjnego HIF-1, który indukuje ekspresję genów regulujących proces angiogenezy i proliferacji komórek nowotworowych. W warunkach niedoboru tlenu lub w przypadku obniżonego stężenia AKG lub Fe+2 następuje akumulacja czynnika HIF-1 w cytoplazmie, co sprzyja zachodzeniu niekorzystnych zmian w organizmie [15].

Inne właściwości AKG

AKG nie tylko sprzyja produkcji energii, ale także chroni mięśnie przed rozpadem rozgałęzionych aminokwasów i stanowi czynnik sygnalny dla wydzielania hormonu wzrostu. W sposób bezpieczny dla zdrowia wzmaga również neurotransmisję, utrzymując tym samym dobry mentalny status organizmu, przyczynia się do bardziej efektywnego spalania tkanki tłuszczowej, wzmaga libido i redukuje stres tlenowy [4, 16]. Dodatkowo AKG odgrywa w organizmie rolę naturalnego „odtruwacza”. Ten mechanizm związany jest z transportem azotu drogą transaminacji w wyniku przeniesienia grup aminowych pochodzących z katabolizowanych aminokwasów. Proces ma miejsce w wątrobie i nosi nazwę cyklu ornitynowego (mocznikowego) [17]. Ważnym zastosowaniem medycznym AKG jest jego działanie przeciwbakteryjne. Dzięki zdolności AKG do wiązania jonów amonowych może odgrywać istotną rolę w zapobieganiu i leczeniu zakażeń wywołanych przez Helicobacter pylori oraz w zakażeniach dróg moczowo-płciowych wywoływanych bakteriami ureolityczynymi. Mechanizm jest ściśle powiązany ze zdolnością H. pylori do syntezy ureazy, co w konsekwencji zapewnia drobnoustrojom z tego gatunku możliwość zaadaptowania się do silnie kwasowego środowiska żołądka (proces alkalizacji, który zachodzi w najbliższym otoczeniu komórek bakterii). Obecność kwasu alfa-ketoglutarowego ogranicza ten mechanizm, powodując w konsekwencji redukcję bądź całkowitą eliminację tej grupy bakterii z organizmu [18].
Dodatkowo AKG może być wykorzystywany do modyfikacji magnetycznych nanocząstek opłaszczonych chitozanem, które z kolei mogą służyć jako nanoadsorbenty zdolne do usuwania barwników oraz toksycznych jonów Cu2+ z roztworów wodnych, co ma szczególne znaczenie w procesach uzdatniania wody [19]. AKG w połączeniu z jednym z trzech trioli (glicerol, 1,2,4-butanotriol, 1,2,6-heksanotriol) poddany termicznej polikondensacji pozwala na otrzymanie elastomerów o cennych właściwościach mechanicznych. Przykładowo poli(triol)-alfa-ketoglutaran posiada duży potencjał aplikacyjny jako biomateriał i znalazł zastosowanie w inżynierii tkankowej, a także w farmacji. AKG może być także wykorzystywany jako substrat w biochemicznej diagnostyce wielu chorób (zapalenie wątroby, zawał mięśnia sercowego, dystrofia mięśniowa itp.) [20].

Mikrobiologiczna synteza AKG 

Ciekawą alternatywą dla syntezy chemicznej AKG jest biosynteza biotechnologiczna z wykorzystaniem mikroorganizmów. Do naturalnych producentów AKG zalicza się bakterie z gatunku Arthrobacter paraffineus, Bacillus natto, Bacillus megatherium, Bacterium succinicum, Pseudomonas fluorescens oraz Serratia marcescens, a także grzybów drożdżopodobnych Yarrowia lipolytica [21]. Najwyższe stężenie AKG wykazano podczas hodowli szczepu Yarrowia lipolytica H355, który hodowany w pożywce zawierającej n-alkany wyprodukował AKG w ...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów.

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • Roczną prenumeratę dwumiesięcznika Food Forum w wersji papierowej lub cyfrowej,
  • Nielimitowany dostęp do pełnego archiwum czasopisma,
  • Możliwość udziału w cyklicznych Konsultacjach Dietetycznych Online,
  • Specjalne dodatki do czasopisma: Food Forum CASEBOOK...
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy