爱华网谷胱甘肽的水平及氧化还原状态与炎症性肠病的关系
北京市武警总医院南一科王英，罗敏，李卉，张菁，魏巍，高娃，李嵘，邓馨
北京协和医院消化内科 张静
氧化还原反应（redoxreactions)是细胞新陈代谢和动态平衡中的一个完整的部分。在氧化还原反应中产生亲电子副产物是不可避免的，而且细胞要消耗相当多的能量用于合成许多蛋白质及利用内源性和食物中的抗氧化物，以维持氧化还原的平衡并保护细胞的重要大分子物质免于损伤。在众多的抗氧化物中，最重要的一种抗氧化物就是还原型谷胱甘肽(reducedglutathione)。谷胱甘肽(GSH)是一种水溶性的三肽，由谷氨酸盐、半胱氨酸和甘氨酸组成。GSH是细胞内含量最丰富的巯基化合物，作为一种重要的抗氧化物，GSH通过谷胱甘肽-S-转移酶(GST)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)在对多种亲电子化合物和过氧化物的解毒过程中起着重要的作用。除了解毒作用之外，GSH还在包括乙二醛酶系统、核苷酸还原成脱氧核苷酸及通过巯基/二硫化物的转化反应调节蛋白质和基因的表达等过程中起着重要的作用。
GSH能以氧化型〔谷胱甘肽二硫化物(GSSG)〕或还原型GSH状态存在于细胞内。保持细胞中GSH/GSSG的最佳比例对于细胞存活是至关重要的，GSH的缺乏将使细胞处于氧化损伤的危险之中。在广泛的病理学领域内如癌症、神经退化性疾病、肺泡纤维化、HIV、衰老和炎症性肠病等均已发现GSH的失平衡。
一、GSH在细胞内和血浆中的含量
GSH是动物细胞中主要的低分子巯基化合物(O.5～10mmol/L)。大部分细胞内的GSH(85％～9O％)存在于细胞质中，其余部分存在于线粒体、核基质和过氧物酶体等细胞器中。细胞外的GSH浓度相对较低(例如血浆中浓度2～20μmol/L)。由于半胱氨酸的残余，GSH比较容易被亲电子物质(如自由基和反应性氧簇或氮簇等)氧化成为GSSG。GSSG从细胞流出导致了细胞内GSH的净损失。在蛋白质营养不良，氧化应激和多种病理条件下，细胞的GSH浓度明显减少。通常细胞内总的GSH含量用GSH+2GSSG的浓度表示．其中15％可能是与蛋白相结合的。GSH/GSSG的比值常用作细胞氧化还原状态的指标。GSH/GSSG是主要的氧化还原对，决定着细胞的抗氧化能力，但是其比值可受其他氧化还原对影响，如NADPH/NADP+。
二、GSH的合成及氧化还原循环
GSH的合成是从氨基酸甘氨酸、半胱氨酸和谷氨酸的更新开始的。GSH的合成需要两个酶的连续作用完成，它们分别是γ-谷氨酸半胱氨酸合成酶(γ-GCS)和谷胱甘肽合成酶。半胱氨酸的生物有效性可以限制GSH合成的比率。半胱氨酸和其氨基酸的氧化形式胱氨酸可以分别通过钠离子依赖或非依赖方式转运入细胞内。氧化物可以促进胱氨酸的摄取并随之增加γ-GCS的表达。γ-GCS的转化后修饰也可以影响GSH的合成。特别是γ-GCS的磷酸化可抑制GSH的合成。GSH本身能通过负反馈机制调节γ-GCS的活性。因此，GSH的损耗可以增加GSH合成的速率。
过多反应性氧簇(ROS)的形成，包括过氧化氢(H2O2)和超氧阴离子(O2-.)具有细胞毒性。GPx与过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)的功能是一致的，都可以保护细胞免受ROS的损伤。在还原反应中，GPx通过将GSH作为电子供体使H2O2解毒，并生成终产物GSSG。GSSG的还原是由谷胱甘肽还原酶(GR)催化的，这个过程需要NADPH的参与。GR是黄素蛋白二硫化物氧化还原酶家族中的一员，并以二聚体的形式存在。在氧化应激条件下，GR在转录水平及通过转化后修饰起调节作用GR表达和活性的改变与癌症和衰老有关。氧化应激可诱导GPx的表达，GPx异常表达与多种病理过程相关，包括肝炎、HIV以及多种器官组织的癌症。
三、GSH水平稳定的重要性
GSH是维持细胞内氧化还原状态和蛋白质功能和完整性的重要体系。GSH执行着许多重要的生理功能，包括抗氧化防御功能，储存、转运半胱氨酸，脱氧核苷酸的合成和调节自三烯和前列腺素的代谢。GSH是GPx使过氧化物失活的基础，是谷胱甘肽脱氢酶产生抗氧化分3079子的基础，如抗坏血酸，并且是GST使异型生化物质解毒的基础。
在氧化应激方面，GSH的作用为：调制氧化还原调节信号的转导，基因的表达，调节细胞增殖和凋亡。通过上述机制，GSH可调节免疫反应，免疫反应的削弱与免疫组织谷胱甘肽浓度的降低相关。
例如大鼠给予半胱氨酸和甲硫氨酸缺乏的低蛋白饮食时，研究中发现炎性细胞浸润入肺组织，并可以通过食物中增加上述氨基酸阻止该现象发生。另外，大鼠给予二乙基马来酸盐后使得一个非致死性剂量的α肿瘤坏死因子可以导致大鼠死亡，但是如果动物能够增加和维持GSH的合成则上述情况就不会出现在核因子κB(NF-κB)的作用中，GSH和血清淀粉样蛋白A可以降低氧化性分子的刺激性影响。同样在对炎性刺激物反应的过程中，维持和增强GSH组织的能力在控制细胞因子产生方面可能有特殊的重要性。
四、GSH与免疫的关系
GSH与相关酶在细胞免疫中起着重要的作用，例如GSH水平和抗原提呈细胞(APC)决定着Th1或Th2反应方式哪一个占优势。Thl反应是以产生IL-12和干扰素α为特征的，而且可以增强迟发型超敏反应。Th2反应是以IL-4和IL-1O的产生为特征，并上调许多抗体反应上述差别的分子基础还不清楚，但是有意义的是与未治疗对照组比较，HIV患者应用NAC治疗后生存时间延长。在HIV等疾病中，Th2反应占优势是免疫反应的关键组成部分，因此在决定疾病进展方面，APC中的GSH水平可能起着完整性的作用。Hamuro等和Peterson等曾报道鼠的APC或腹腔定居的巨噬细胞中GSH的损耗可使IL-12的分泌减少并导致典型的Thl细胞因子形式向Th2反应模式转化。Peterson等的研究还显示应用GSH损耗或补充药物时巨噬细胞内GSH的水平可以影响Thl/Th2细胞因子的倾向。且将来源于GSH损耗小鼠的T细胞与未处理的BALB/C鼠的巨噬细胞一起培养可产生正常量的IFN-γ，因此IFN-γ产量减少是由于巨噬细胞而不是T细胞中GSH损耗造成的。另外Jeannin等在研究易于产生IL-4的培养细胞系统中发现在培养液中增加GSH的水平可使IL-4的产量以量效依赖的方式减低。这些研究结果充分表明巨噬细胞内的GSH水平对于调节在免疫反应中向Thl或Th2细胞因子反应的发展趋势具有重要的作用。
五、GSH与炎症的关系
在对巨噬细胞、肺泡细胞和支气管上皮细胞进行的体外实中，显示氧化剂可导致炎症调节因子的释放如TNF-αIL-8、IL-1和NO，并提高致炎基因的表达。硫醇抗氧化剂如NAC通过增加细胞内GSH水平和降低NF-κB活性的机制，在体外和体内均可以抑制这些炎症调节因子从巨噬细胞和上皮细胞中释放。通过BSO使细胞内GSH减少或降低GSH/GSSG的比值也与炎症调节因子的基因转录增强相关。GSH氧化还原状态对于这些炎症调节因子基因转录的调节起着关键的作用。
在各种炎性疾病中嗜中性粒细胞-内皮细胞的相互作用对于炎症反应过程是必需的。近年来的研究发现内皮细胞中GSH/GSSG的比值的改变可以在细胞表面表达不同的黏附分子。使GSH氧化成GSSG的药物能通过上调细胞间黏附分子1(ICAM-1)和血管细胞黏附分子1(VCAM-1)而增强嗜中性粒细胞与内皮细胞的黏附。相反，应用NAC增加细胞内硫醇的水平,可以削弱氧化剂或细胞因子介导的嗜中性粒细胞与内皮细胞的黏附。近期的研究显示，在内皮和上皮细胞中氧化应激和GSH氧化还原状态通过激活转录因子NF-κB和催化蛋白1(AP-1)调节IL-8和ICAM-1基因转录的方式是不同的。因此，细胞内GSH氧化还原平衡的改变可能是嗜中性粒细胞-内皮细胞黏附的一种重要的机制。多种基因如单核细胞化学诱导蛋白-1(MCP-1)、基质金属蛋白酶、前列腺素E合成酶、环氧化酶和可诱导的N0合酶(在炎症的始动和长期存在的过程中具有重要的作用)等，都受到GSH氧化还原状态的调节。
六、GSH与IBD
IBD的肠道炎症和黏膜损坏也与氧化前和抗氧化的失衡、GSH的水平及GSH的氧化还原状态相关。
以往对抗氧化剂作用的研究已经报道了在IBD患者和实验性肠炎中包括GSH在内的抗氧化剂水平的降低。对IBD的黏膜抗氧化反应的研究中发现，IBD黏膜中初级抗氧化酶-SOD和次级抗氧化酶-CAT和谷胱甘肽过氧化物酶的比率的不平衡，内源性抗氧化反应的效率低下可能是IBD的发病和炎症过程持续存在的原因。
GSH对于维持胃肠道结构和功能的完整性具有重要的作用。GSH缺乏的小鼠表现出空肠和结肠黏膜的严重退化，并出现体重下降和腹泻。口服含混合成分的氨基酸可有效增加胃肠道黏膜的GSH水平。在Sido等的研究中发现，克罗恩病和溃疡性结肠炎患者血浆中GSH的氨基酸前体的浓度在手术前后均有明显变化。炎症及无炎症小肠黏膜GSH显著减少，而GSSG明显增多。炎症回肠部位GSH的氧化状态(GSH/GSSG比值)较对照组显著减低，且GSH合成酶γGT和γGCs的活性降低。
在三硝基苯硫酸(TNBS)诱导的实验性肠炎中，GSH及GST、SOD浓度均减低。而近期对DSS诱导的小鼠实验性肠炎的研究发现，小鼠病变结肠的局部GSH的减少与病变结肠局部分泌的细胞因子IL-4增加、IFN-γ减低及结肠黏膜损伤有相关性：而腹腔巨噬细胞内和脾细胞内的GSH降低，GSH/GSSG比值降低与DSS诱导的实验性肠炎结肠黏膜的炎症损伤及IL-4分泌增加相关。
另外在NAC对TNBS+乙醇诱导的大鼠实验性肠炎的治疗作用研究中，发现TNBS+乙醇处理后4h口服NAC(40mmol/L)可以提高GSH储备量2倍，并可在NAC治疗24h后减轻黏膜损伤(6O％～70％)，提示NAC可以通过提高黏膜GSH水平起到减轻急性肠炎的作用。上述结果均说明GSH的不足和(或)GSH氧化还原状态的改变与IBD和实验性肠炎的炎症相关。但机制还不清楚。
总之，GSH是细胞内一种有多种不同功能的重要的抗氧化物质，GSH/GSSG是最重要的氧化还原对，在抗氧化防御、营养代谢、免疫反应、炎症调节中起着关键的作用，是整个机体稳态的基本调节途径。GSH的缺乏可以引起氧化应激，并因此在多种疾病的发病机制中具有重要的作用。将来的研究还要进一步阐明GSH在一些疾病发病机制中的作用，并有可能将其作为有效的治疗策略应用于人类疾病的预防和治疗之中。
转载自【实用医学杂志】2008年 第24卷 第17期
