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1、 谷胱甘肽的生理功能和医学用途 摘 要：还原型谷胱甘肽(glutathione, GSH)是细胞抗氧化防御系统的主要成分，具有维持细胞正常代谢、调节机体免疫应答等重要生理功能。GSH在调节肺上皮细胞功能和控制炎症过程中发挥着关键作用。本文对GSH的抗氧化、控制炎症等生理功能，抗细菌感染、抗病毒等临床应用，以及其在肺部炎症和损伤中的潜在作用作一综述。关键词：谷胱甘肽; 氧化应激; 肺部炎症;Abstract：As a major component of the cellular antioxidant defense system, glutathione(GSH) has important
2、 physiological functions such as maintaining normal cellular metabolism and regulating immune response. GSH plays a key role in regulating lung epithelial cell function and controlling inflammatory processes. This review describes the physiological functions of GSH such as antioxidation and inflamma
3、tion control, clinical applications including antimicrobial and antiviral effects, as well as its potential role in lung inflammation and injury.Keyword：glutathione; oxidative stress; lung inflammation;由诺贝尔奖获得者、英国皇家学会会长Hopkins在1921年发现的谷胱甘肽(glutathione)，是一种由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽，所有器官均可合成。谷胱甘肽有还原性谷胱甘肽(-gl
4、utamylcysteinylglycine,GSH)和氧化型谷胱甘肽(GSSG)两种存在形式，还原型和氧化型谷胱甘肽的比例(GSH/GSSG)常被用作细胞毒性或细胞抗氧化能力的评估因子。还原型谷胱甘肽，即-谷酰半胱氨酰甘氨酸，分子式为C10H17O6SN3，相对分子质量为307.33，等电点为5.93，作为一种非蛋白巯基分子，有很强的供电子或质子氢的能力。GSH作为特定酶的辅酶，具有清除自由基、修饰蛋白质、保护细胞膜中含巯基的蛋白质和酶不被氧化、二硫键交换反应催化剂、信号转导等功能1。性别、年龄和生理条件等许多因素都可能影响GSH水平，谷胱甘肽-血红蛋白也被用作氧化应激的标志物2。GSH的这
5、些特点决定了其在生物体内发挥重要的生理作用，如抗氧化应激、解毒排毒、消除炎症、抗辐射损伤、参与氨基酸的转运吸收抗衰老作用等，因此，GSH被广泛应用于医药等领域3,4,5,6。1 、谷胱甘肽：一种内源性活性肽还原型谷胱甘肽在人体中起到重要的代谢调节作用。GSH在肝脏内合成最多，广泛分布于人体各组织内，胞内浓度相对较高(0.5 mmol)1，在包括红细胞在内的许多细胞中其浓度可高达10 mmol5。谷胱甘肽具有两个主要结构：巯基(SH)基团和y-谷氨酰键。作为活细胞抗氧化防御系统的主要非蛋白硫醇成分，谷胱甘肽不仅是细胞内含量最高的非蛋白硫醇，也是含量最高的-谷氨酰化合物。谷胱甘肽(图1)的生物合成
6、由连续两步的酶催化反应组成，其原料为谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸(三种人体内均可合成的氨基酸)，由腺苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)供能，并需要Mg2+作激活剂7,8。谷氨酰胺首先被跨膜氨基酸转运蛋白ASCT2转运至胞内，由谷氨酰胺酶GLS1/2水解形成谷氨酸。半胱氨酸可以直接被氨基酸转运体ASC转运至胞内，胱氨酸进入胞内后经过还原反应也能够生成半胱氨酸。甘氨酸则由甘氨酸转运体GlyT吸收进入细胞内。谷胱甘肽的合成受多种因素影响，其中包括-GCS水平、-GCS催化亚基和调节亚基的比例、半胱氨酸和谷胱甘肽水平对-GCS的负反馈抑制作用7,8。谷胱甘肽生物合成的第一步是
7、由-谷氨酸-半胱氨酸合成酶-GCS催化半胱氨酸与谷氨酸反应生成-谷氨酰半胱氨酸，该步骤是谷胱甘肽生物合成的限速步骤，-GCS亚基的表达具有组织特异性，肾脏中表达水平最高，其表达还受到氧化剂、炎症反应和抗炎因子等因素的调节1,9，生理条件下胞质中约有80%的-GCS会与GSH结合，呈无活性状态8；第二步则在谷胱甘肽合成酶GS的催化下，-谷氨酰半胱氨酸与甘氨酸结合生成谷胱甘肽。肾脏是血浆GSH在人体中的主要代谢器官，GSH降解的两个重要水解酶-谷氨酰转移酶GGT和双肽酶DP都位于肾小管刷状缘膜上。-谷氨酰转移酶GGT是唯一能水解这一特定基团的水解酶。胞外的GSH与GGT活性位点结合后会被降解为L-
8、谷氨酰胺和胱甘氨酸或半胱甘氨酸，然后在双肽酶DP的催化下进一步水解为谷氨酸、半胱氨酸、胱氨酸和甘氨酸。这些氨基酸或二肽则会被细胞吸收来合成新的GSH，该循环能够防止细胞内GSH耗竭10。图1 谷胱甘肽化学结构2、 GSH的生理功能2.1、 抗氧化GSH的抗氧化功能主要依赖于参与细胞抵抗活性氧(reactive oxygen species,ROS)的酶催化途径。ROS是由氧诱发的，具有一个不配对电子的原子和原子团，包括含氧的高活性分子，如超氧阴离子自由基、羟自由基、单线激发态氧、过氧化氢和过氧化物，化学性质十分活泼。ROS是细胞正常氧化代谢的产物，线粒体是细胞氧化呼吸的部位，同时也是ROS产生
9、的主要部位。ROS是许多生理生化过程的重要参与者，其生成和消除之间的动态平衡对于保持良好的生理环境意义重大。当正常氧化还原平衡状态被破坏时，会引起氧化应激反应。虽然在正常情况下细胞能够应承受轻微的氧化应激反应，但严重的氧化应激会对碳水化合物、脂质、蛋白质和DNA进行破坏，引起生物膜损伤、酶活性丧失、DNA断裂、DNA复制错误等氧化性损伤，甚至导致细胞死亡，所以维持细胞氧化还原的平衡对细胞命运至关重要。GSH系统就是ROS的重要抗氧化屏障之一。两分子GSH可在谷胱甘肽过氧化物酶GPX的作用下氧化为一分子的GSSG，同时将有毒的有氧代谢产物过氧化物还原为无毒的羟基化合物，从而保护细胞膜的结构和功能
10、免受过氧化物的干扰和损伤。GSSG在谷胱甘肽还原酶的作用下还原成GSH，同时将递氢体NADPH氧化为NADP+，从而形成一个氧化还原循环，避免氧化损伤9,11。这种相互转化的循环可以使细胞中的自由基能持续被消除。另外，酵母细胞还能够调配更多的NADPH促进ROS和O2与成对的GSH发生化学反应，GSH被氧化成GSSG的同时，ROS和O2被还原，从而更好地应对氧化应激12。细胞内GSH含量还能够调控谷胱甘肽S-转移酶(glutathione S-transferase,GST)基因的表达。当胞内GSH水平较低时，ROS会激活调控元件ARE，诱导GST家族表达水平的上调13。GST不仅可以抑制微粒
11、体过氧化反应，还是一种重要的抗氧化酶，该家族中的GST-能够催化过氧化脂肪酸的还原，GST-能够将前列腺素H2转化为有抗氧化作用的前列腺素E214。GST的表达受细胞氧化还原状态的影响，同时GST也是一个通过调节压力激酶通路将细胞氧化还原状态传输给细胞凋亡机制的传感器15。2.2、 解毒排毒谷胱甘肽是谷胱甘肽过氧化物酶和谷胱甘肽S-转移酶GST的特有底物，是一个复杂的多方面解毒酶系统的核心，它的解毒功能主要是通过这两种酶来完成的。GSH为多种反应提供还原能力，在过氧化氢、超氧化物和单分子氧等自由基的解毒反应中起着关键作用，通过其巯基与自由基结合转化成容易代谢的酸类物质，而加速自由基的代谢4。谷
12、胱甘肽不仅能够清除ROS，而且对有毒性的下游产物也具有防御功能。另外，GSH还能够帮助代谢外源毒性物质。在多种与三肽相互作用的外源性物质(包括药物)的解毒过程中，外源毒性物质先经肝脏细胞色素P-450代谢酶系氧化，随后GST催化GSH巯基与亲电化合物共价结合，使其失活并增加其可溶性，最终以硫醚氨酸的形式随尿液和粪便排出体外5。2.3、 调节免疫反应和控制炎症GSH在固有免疫和获得性免疫中都扮演着重要角色，不仅能够调节中性粒细胞和树突细胞的活性，还能调控T细胞增殖和活性。Th细胞即辅助性T细胞(helper T cell)，在与抗原呈递细胞(antigenpresenting cells,APC
13、)提供的抗原肽的刺激和不同细胞因子的诱导下分化为Th1和Th2细胞。Th1细胞主要介导细胞毒性和局部炎症有关的免疫应答，辅助抗体生成，参与细胞免疫及迟发型超敏性炎症的发生，而Th2可辅助B淋巴细胞分化为抗体分泌细胞，参与体液免疫应答。GSH水平通过调节细胞因子模式以及抗原呈递细胞的细胞环境16，从而控制Th1/Th2平衡。GSH耗竭会导致Th2反应占优势，抑制淋巴细胞CD8+和细胞毒性淋巴细胞功能，并激活CD4+T淋巴细胞，导致炎症/免疫介导性疾病17。多种炎性病变和免疫失调症均与GSH胞内水平变化、Th1/Th2平衡发生漂移有关，包括类风湿性关节炎、自身免疫性甲状腺炎、肌萎缩侧索硬化症、艾滋
14、病、阿尔茨海默病、酒精性肝病、白内障和急性呼吸窘迫综合征等。急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)是临床上常见的危重症，据国内外报道死亡率高达38.5%70%18,19,20。ARDS的主要病理特征为弥散性肺泡上皮以及肺部毛细血管严重损伤，从而严重影响患者的呼吸功能，引发呼吸衰竭，临床表现为顽固性低氧血症，晚期多并发器官损害、心功能衰竭，最终导致死亡21。根据致病因素ARDS可分为肺源性和肺外源性两种，肺内因素包括严重肺部炎症、肺挫伤、误吸等，其中肺炎是引起直接肺损伤的最常见原因，而肺外因素则有脓毒血症、手术创伤等导致的间接性肺部
15、损伤。两份对重症监护房患ARDS致病因素及致死率的分析均表明22,23，所有病例中肺外源性ARDS的发病率及死亡率均更高，但是严重炎症感染患者更容易发生肺源性ARDS。同时临床研究表明，SARS-CoV-2病毒感染诱导的低氧血症会导致心肌细胞酸中毒和氧化应激，是引起心肌细胞变性坏死的重要原因24,COVID-19患者中有16.7%出现心律失常25,7.2%的病人出现急性心肌损伤，而10.5%的患者最终死于心脏疾病26。ARDS病理生理学机制与炎症反应的失控密切相关。研究表明，ARDS的发生发展是由肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF-)、白介素1(interleukin-1,IL-1)、IL-2、IL-6和IL-8等促炎因子与抗炎因子的失衡导致的27，当患者的血浆和肺泡灌洗液中炎症因子浓度相对较高时，ARDS患者的病死率也相应增高21,28。ARDS患者肺泡上皮细胞和血管内皮细胞损伤，当肺泡上皮细胞凋亡、血管内皮细胞功能失调时，血管通透性增加，炎性细胞及蛋白液渗出，最终导致肺泡腔内巨噬细胞NF-B激活29，释放IL-1、IL-6、TNF-等炎症因子29，肺泡腔内中性粒细胞聚集并活化被激活，活化的中性粒细胞分泌ROS等因子进一步攻击肺泡细胞及血管内皮细胞，形成一
