Γλουταθειόνη

Η γλουταθειόνη (glutathione, GSH), γνωστή (ιδίως παλαιότερα) και ως γλουταθείο, είναι οργανική χημική ένωση με σημαντική αντιοξειδωτική δράση στους ζωντανούς οργανισμούς. Από βιοχημικής πλευράς είναι ένα τριπεπτίδιο, το μόριο του οποίου αποτελείται από μόρια τριών διαφορετικών αμινοξέων: του γλουταμινικού οξέος, της κυστεΐνης (που περιέχει και το μοναδικό άτομο θείου σε όλη την ένωση) και της γλυκίνης. Από γενικότερης χημικής απόψεως, η γλουταθειόνη είναι μία θειόλη και ταυτόχρονα δικαρβονικό οργανικό οξύ. Ο μοριακός χημικός τύπος της γλουταθειόνης είναι C10H17N3O6S και η συστηματική χημική της ονομασία κατά IUPAC είναι (2S)-2-αμινο-4-{[(1R)-1-[(καρβοξυμεθυλ)καρβαμοϋλο]-2-σουλφανυλεθυλ]καρβαμοϋλο}βουτανοϊκό οξύ. To μοριακό βάρος της είναι 307,32. Η καθαρή γλουταθειόνη είναι στερεό με σημείο τήξεως 195 °C, πολύ ευδιάλυτο στο νερό, αλλά αδιάλυτο στη μεθανόλη και στον διαιθυλαιθέρα. Η γλουταθειόνη, που απομονώθηκε για πρώτη φορά το 1921 από τον Χόπκινς στη ζυθοζύμη και το ήπαρ των θηλαστικών, βρίσκεται σε αφθονία στους ζωικούς ιστούς και στις ζύμες, και λιγότερο στους ιστούς των φυτών. Η φυσιολογική περιεκτικότητα του ανθρώπινου αίματος σε γλουταθειόνη είναι 0,35 ως 0,45 gr ανά λίτρο. Μέσα στους οργανισμούς η ουσία υπάρχει σε δύο μορφές: μία αναγμένη και μία οξειδωμένη. Αυτό της επιτρέπει να παίρνει μέρος στα φαινόμενα οξειδοαναγωγής των ιστών, να διαδραματίζει τον ρόλο μεταφορέα του υδρογόνου και να αποτελεί έναν από τους κύριους παράγοντες σταθερότητας του δυναμικού οξειδοαναγωγής του κυττάρου. Η μεταβολή του ποσοστού της αναγμένης γλουταθειόνης στο αίμα και της σχέσεώς του με το ποσοστό της οξειδωμένης συνιστά ένδειξη μυικής κοπώσεως ή διάφορων νοσηρών καταστάσεων, όπως ο διαβήτης και η αβιταμίνωση.

 Η γλουταθειόνη ανήκει στις χρήσιμες για τον οργανισμό ουσίες που μπορεί να συνθέσει ο οργανισμός μόνος του από τα αμινοξέα που την αποτελούν. Η υδροθειομάδα (SH) της κυστεΐνης χρησιμεύει ως δότης πρωτονίων και είναι υπεύθυνη για τη βιολογική της δράση. Η κυστεΐνη καθορίζει τον ρυθμό της κυτταρικής βιοσυνθέσεως της γλουταθειόνης, καθώς αυτό το αμινοξύ είναι το σπανιότερο από τα τρία στην τροφή. Τα κύτταρα παράγουν γλουταθειόνη σε δύο βήματα πoυ εξαρτώνται από την τριφωσφορική αδενοσίνη: Πρώτα συντίθεται γ-γλουταμυλοκυστεΐνη από L-γλουταμινικό οξύ και κυστεΐνη δια του ενζύμου «συνθετάση της γ-γλουταμυλοκυστεΐνης» (ή «λιγάση της γλουταμικής κυστεΐνης», GCL). Μετά προστίθεται η γλυκίνη στο C-άκρο του μορίου της γ-γλουταμυλοκυστεΐνης από το ένζυμο συνθετάση της γλουταθειόνης.Η ζωική λιγάση της γλουταμικής κυστεΐνης (GCL) είναι ένα πρωτεϊνικό ετεροδιμερές, που αποτελείται από μία καταλυτική (GCLC) και μία ρυθμιστική (GCLM) μονάδα. Η GCLC αντιπροσωπεύει όλη την ενζυματική δράση, ενώ η GCLM αυξάνει την καταλυτική αποδοτικότητα της GCLC. Μία ένδειξη της σημασίας της γλουταθειόνης είναι ότι ποντίκια χωρίς την GCLC πεθαίνουν πριν καν γεννηθούν. Αντιθέτως, ποντίκια χωρίς την GCLM δεν επιδεικνύουν ιδιάζοντα φαινότυπο, αλλά έχουν σημαντικά μειωμένη γλουταθειόνη GSH και αυξημένη ευαισθησία σε τοξικές προσβολές. Παρότι όλα τα κύτταρα στο ανθρώπινο σώμα είναι ικανά να συνθέτουν γλουταθειόνη, η σύνθεσή της από το ήπαρ έχει αποδειχθεί καίριας σημασίας: Ποντίκια με γενετικώς επαχθείσα απώλεια της GCLC μόνο στο ήπαρ πεθαίνουν μέσα στον πρώτο μήνα μετά τη γέννησή τους. Η φυτική λιγάση της γλουταμικής κυστεΐνης (GCL) είναι ομοδιμερές ένζυμο ευαίσθητο στο οξειδοαναγωγικό περιβάλλον και διατηρείται στο φυτικό βασίλειο. Σε οξειδωτικό περιβάλλον σχηματίζονται διαμοριακές «γέφυρες» δισουλφιδίων και το ένζυμο μεταπίπτει στην ενεργό κατάσταση, με δυναμικό μέσου σημείου του κρίσιμου ζεύγους κυστεΐνης -318 mV. Εκτός αυτού, η δράση του ενζύμου ρυθμίζεται από το ίδιο το προϊόν, τη γλουταθειόνη, που καταστέλλει τη δράση αυτή. Στα φυτά η GCL εντοπίζεται αποκλειστικά στα πλαστίδια. Βιοσύνθεση της γλουταθειόνης γίνεται και σε βακτηρίδια, όπως τα κυανοβακτήρια και τα πρωτεοβακτήρια, αλλά απουσιάζει σε πολλά άλλα βακτηρίδια. Οι περισσότεροι ευκαρυωτικοί οργανισμοί συνθέτουν γλουταθειόνη, αλλά μερικοί όχι, όπως τα ψυχανθή, και τα γένη Entamoeba, and Giardia. Τα μοναδικά αρχαιοβακτήρια που συνθέτουν γλουταθειόνη είναι τα αλοβακτήρια. Μέσα στους οργανισμούς η γλουταθειόνη υπάρχει σε δύο καταστάσεις, την αναγμένη (GSH) και την οξειδωμένη (GSSG). Στην πρώτη, η υδροθειομάδα (SH) της κυστεΐνης είναι ικανή να δώσει ένα αναγωγικό ισοδύναμο (H++ e−) σε άλλα ασταθή μόρια, όπως οι δραστικές ρίζες του οξυγόνου. Με την παροχή ενός ηλεκτρονίου η ίδια η γλουταθειόνη καθίσταται δραστική, αλλά γρήγορα αντιδρά με ένα άλλο μόριο δραστικής γλουταθειόνης και σχηματίζει διθειούχο γλουταθειόνη (GSSG). Μία τέτοια αντίδραση γίνεται αρκετά πιθανή εξαιτίας της σχετικώς υψηλής συγκεντρώσεως γλουταθειόνης μέσα στα κύτταρα (μέχρι και 5 mM στο ήπαρ). Η GSH μπορεί να αναδημιουργηθεί από την GSSG με τη μεσολάβηση του ενζύμου αναγωγάση της γλουταθειόνης (GSR). Στα υγιή κύτταρα και ιστό περισσότερο από το 90% του ολικού αποθέματος γλουταθειόνης βρίσκεται στην αναγμένη κατάσταση (GSH) και λιγότερο από το 10% στην οξειδωμένη (GSSG). Αυξημένος λόγος GSSG προς GSH θεωρείται ένδειξη οξειδωτικού στρες. Η γλουταθειόνη επιτελεί πολλές λειτουργίες στους ζωντανούς οργανισμούς: Είναι το κυριότερο ενδογενές αντιοξειδωτικό που παράγεται από τα κύτταρα, συμμετέχοντας απευθείας στην εξουδετέρωση των ελεύθερων ριζών και των ενεργών μορφών του οξυγόνου, ενώ συντηρεί και εισαγόμενα αντιοξειδωτικά, όπως οι βιταμίνες C και E στις αναγμένες (ενεργές) μορφές τους Ρυθμίζει τον κύκλο του μονοξειδίου του αζώτου, που είναι κρίσιμος για τη ζωή. Επιδρά σε μεταβολικές και βιοχημικές αντιδράσεις όπως η σύνθεση και επισκευή του DNA, η πρωτεϊνοσύνθεση, η σύνθεση προσταγλανδίνης, η μεταφορά αμινοξέων και η ενεργοποίηση ενζύμων. Για τον λόγο αυτό, κάθε σύστημα του σώματος μπορεί να επηρεασθεί από την κατάσταση του συστήματος της γλουταθειόνης, ιδίως το ανοσοποιητικό, το νευρικό, το γαστρεντερικό και οι πνεύμονες. Ζωτική είναι επίσης η δράση της στον μεταβολισμό του σιδήρου. Κύτταρα μαγιάς χωρίς ή με τοξικά επίπεδα γλουταθειόνης δείχνουν έντονες παρενέργειες από έλλειψη σιδήρου, όπως αδρανοποίηση των εξωμιτοχονδριακών ενζύμων ISC, και μετά πεθαίνουν. Η γλουταθειόνη δρα ως υπόστρωμα σε συζευκτικές και αναγωγικές αντιδράσεις, που καταλύονται από το ένζυμο S-τρανσφεράση της γλουταθειόνης στο κυτταροπλασματικό υγρό, στα μικροσώματα και στα μιτοχόνδρια. Είναι επίσης ικανή να συμμετέχει σε μη ενζυματικές συζευκτικές αντιδράσεις με κάποιες ουσίες. Στην περίπτωση της NAPQI (N-ακετυλο-p-βενζοκινονιμίνης), ο ενεργός στο κυτόχρωμα P450 μεταβολίτης που σχηματίζεται από την παρακεταμόλη και καθίσταται ηπατοτοξικός όταν η γλουταθειόνη εξαντλείται από υπερβολική δόση του φαρμάκου (που είναι η δραστική ουσία του Depon), η γλουταθειόνη είναι ένα ουσιώδες αντίδοτο στην υπερβολική δόση. Η γλουταθειόνη συζεύγνυται με το NAPQI και βοηθά να το καταστήσει μη τοξικό, προστατεύοντας έτσι τις θειολικές κυτταρικές πρωτεΐνες. Η γλουταθειόνη συμμετέχει στη σύνθεση της λευκοτριένης. Είναι επίσης σημαντικό υδρόφιλο μόριο που προστίθεται στις λιπόφιλες τοξίνες και απόβλητα του ήπατος πριν γίνουν μέρος της χολής. Η γλουταθειόνη χρειάζεται και για την εξουδετέρωση της μεθυλογλυοξάλης, μιας τοξίνης που παράγεται ως παραπροϊόν του μεταβολισμού, μέσω των ενζύμων γλυοξαλάσες: η γλυοξαλάση I (EC 4.4.1.5) καταλύει τη μετατροπή της μεθυλογλυοξάλης και της αναγμένης γλουταθειόνης σε S-D-λακτοϋλογλουταθειόνη και στη συνέχεια η γλυοξαλάση II (EC 3.1.2.6) καταλύει την υδρόλυση της S-D-λακτοϋλογλουταθειόνης σε γλουταθειόνη και D-γαλακτικό οξύ. Στα φυτά η γλουταθειόνη είναι απαραίτητη για τον λεγόμενο «κύκλο γλουταθειόνης-ασκορβικού οξέος, ένα σύστημα αντιδράσεων που ανάγει το δηλητηριώδες υπεροξείδιο του υδρογόνου. Αποτελεί επίσης την πρόδρομη ένωση των φυτοχηλατινών (phytochelatins), ολιγομερών της γλουταθειόνης που αιχμαλωτίζουν βαρέα μέταλλα όπως το κάδμιο. Από την άλλη, η γλουταθειόνη απαιτείται για την αποτελεσματική άμυνα εναντίον φυτοπαθογόνων μικροοργανισμών, όπως η Pseudomonas syringae και η Phytophthora brassicae. Η αναγωγάση APS, ένα ένζυμο της οδού αφομοιώσεως του θείου, χρησιμοποιεί τη γλουταθειόνη ως δότη ηλεκτρονίων. Υπάρχουν και άλλα ένζυμα που χρησιμοποιούν τη γλουταθειόνη ως υπόστρωμα, όπως οι γλουταρεδοξίνες, μικρά οξειδοαναγωγικά ένζυμα που συμμετέχουν στην ανάπτυξη των ανθέων και στα αμυντικά χημικά σήματα των φυτών. Μετά την ανάπτυξη ενός όγκου, αυξημένα επίπεδα γλουταθειόνης μπορεί να δρουν προστατευτικά για τα καρκινικά κύτταρα, προσφέροντάς τους αντίσταση κατά των χημειοθεραπευτικών φαρμάκων. Η αναγμένη γλουταθειόνη μπορεί να ανιχνευθεί και να μετρηθεί δια της υδροθειομάδας της, με χρήση του αντιδραστηρίου του Ellman ή μονοβρομοβιμάνης (monobromobimane). Η δεύτερη μέθοδος είναι πιο ευαίσθητη. Σε αυτή τα κύτταρα λύονται και οι θειόλες εξάγονται με τη χρήση ρυθμιστικού διαλύματος υδροχλωρίου. Στη συνέχεια οι θειόλες ανάγονται με διθειοθρεϊτόλη και γίνονται ορατές με τη μονοβρομοβιμάνη, το μόριο της οποίας φθορίζει όταν προσδένεται στο μόριό τους. Κατόπιν οι θειόλες διαχωρίζονται με υγρή χρωματογραφία υψηλής αποδόσεως (HPLC) και ο φθορισμός ποσοτικοποιείται με ανιχνευτή φθορισμού. Η βιμάνη μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για τη μέτρηση της γλουταθειόνης in vivo, με συνεστιακή μικροσκοπία λέιζερ μετά την προσθήκη βιμάνης σε ζωντανά κύτταρα. Μία άλλη προσέγγιση, που επιτρέπει τη μέτρηση του οξειδοαναγωγικού δυναμικού της γλουταθειόνης με υψηλή χωρική και χρονική ανάλυση σε ζώντα κύτταρα, βασίζεται στην απεικόνιση της οξειδοαναγωγής με χρήση της «οξειδοαναγωγικά ευαίσθητης πράσινης φθορίζουσας πρωτεΐνης» (redox-sensitive green fluorescent protein, roGFP), ή της αντίστοιχης κίτρινης φθορίζουσας πρωτεΐνης (rxYFP). Η περιεκτικότητα του μούστου σε γλουταθειόνη καθορίζει τη μεταβολή του χρώματος προς το σκούρο κίτρινο-καφέ κατά την παραγωγή λευκού κρασιού, παγιδεύοντας τις κινόνες του καφταρικού οξέος που παράγονται κατά την ενζυμική οξείδωση. Οφθαλμικό οξύ Θειορεδοξίνες, μικρές πρωτεΐνες που περιέχουν κυστεΐνη και έχουν πολύ παρόμοια αναγωγική λειτουργία Drevet, J (2006). «The antioxidant glutathione peroxidase family and spermatozoa: A complex story». Molecular and Cellular Endocrinology 250 (1–2): 70–9. doi:10.1016/j.mce.2005.12.027. PMID 16427183. Wu, Guoyao; Fang, Yun-Zhong; Yang, Sheng; Lupton, Joanne R.; Turner, Nancy D. (2004). «Glutathione metabolism and its implications for health». The Journal of nutrition 134 (3): 489–92. PMID 14988435. http://jn.nutrition.org/cgi/content/full/134/3/489. Το αντίστοιχο λήμμα στη Νέα Ελληνική Εγκυκλοπαίδεια («Χάρη Πάτση»), τόμος 10, σελ. 111 Η γλουταθειόνη ως μέρος πρωτεϊνών στην PDB