L-茶氨酸抗氧化作用的研究进展

李成舰, 罗 乐, 黄春花

(1.永州职业技术学院药学系,湖南永州 425100;2.湖南环境生物职业技术学院医药技术学院,湖南衡阳 421005)

茶氨酸是源自茶叶中的一种特有的非蛋白氨基酸,化学名为 N-乙基-γ-谷氨酰胺(N-ethyl-γ-L-glutamine),极易溶于水,在体内降解为谷氨酸和乙胺。茶叶中的茶氨酸均为L型,而合成的茶氨酸大部分为L型和D型的混合物,其中前者在体内的生物活性远高于后者[1]。L-茶氨酸是茶叶中的主要功能成分之一,而且还具有抗氧化[2]、抗衰老[3]、增强机体免疫[4-5]、松弛神经紧张[6]等生理活性功能。

亚急性和慢性毒性试验研究表明,L-茶氨酸在每天4 000 mg/kg剂量范围未出现任何不良反应和毒副作用[7],其急性、亚急性、亚慢性、慢性、遗传毒性与诱变性的相关研究结果也显示安全[8-9],L-茶氨酸作为食品添加剂在日本和欧美发达国家等已得到广泛应用,中国国家卫生和计划生育委员会2014年发布公告(2014年第15号)批准茶叶茶氨酸(L-茶氨酸)作为新食品原料使用。为促进L-茶氨酸进一步开发利用,本文就L-茶氨酸抗氧化作用及其机理的研究进展进行综述,以期为L-茶氨酸的进一步研究和功能产品的开发利用提供参考。

1 L-茶氨酸的生物学作用

1.1 抗氧化作用

1.1.1 提高内脏组织和细胞的抗氧化能力

L-茶氨酸能提高内脏组织和细胞的抗氧化能力,减轻氧化应激所致的损伤。郭晨等[10]研究表明,在热应激条件下,灌喂L-茶氨酸(300 mg/kg)提高了雄性小鼠(8周龄)肝脏超氧化物歧化酶(super oxide dismutase,SOD)、谷胱甘肽过氧物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)、过氧化氢酶(catalase,CAT)活性,降低丙二醛(malonaldehyde,MDA)含量,从而减轻肝脏氧化损伤。研究表明,L-茶氨酸经口服,提高雌性大鼠(7～8周龄)肝脏MnSOD和Gpx1的活性,减少肝脏活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)的产生,减缓肠毒素大肠埃希杆菌(enterotoxic Escherichia coli,ETEC)诱导肝脏氧化损伤[11]。据报道,经L-茶氨酸(8 mg/kg)处理后,减少CCl4(0.4 g/kg)诱导大鼠(3周龄)肝脏脂质过氧化物(lipid peroxide,LPO)和自由基含量,降低白介素(interleukins,IL)-1、IL-6、P65及肝脏中β型转化生长因子(transforming growth factors,tgf-β)和结缔组织生长因子(connective tissue growth factor,CTGF)的表达,降低肝损伤和预防肝硬化[12]。据报道,L-茶氨酸抑制CCl4引起小鼠肝脏谷胱甘肽(glutathione,GSH)水平的下降和 SOD、CAT、谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase,GR)活性的降低,降低肝脏LPO,从而减轻了肝脏氧化损伤[13]。研究表明,腹腔注射L-茶氨酸(10 mg/kg)能使小鼠肝脏中GSH增加从而降低酒精引起的肝脏氧化损伤[14]。还有研究结果显示L-茶氨酸(1 mmol/L)处理提高ICR小鼠肝(18～22 g)细胞GSH含量和 SOD活性,恢复被乙醇(200 mmol/L)导致的肝细胞抗氧化能力的降低[15]。

进一步研究显示,小鼠(6～8周龄)口服L-茶氨酸(10 mg/kg)能抑制印多新(消炎药,18 mg/kg)造成的胃溃疡,降低胃组织MDA和羰基蛋白含量,促进胃溃疡的修复[16]。刘遵莹等[17]研究中,L-茶氨酸(100～500 mg/kg)提高小鼠回肠组织中GSH-Px和CAT活性,减少MDA含量和降低iNOS活性,降低血清中肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF-α)、IL-1β 和细胞间黏附分子 1(intercellular adhesion molecules-1,ICAM-1)的表达,减少ETEC引起的小鼠肠道组织氧化损伤及其介导的炎症。Tsai等[18]的研究显示,L-茶氨酸灌胃(15 mg/kg)能够清除 P物质(substance P,SP,60μg/kg)引起大鼠(220～250 g)膀胱活性氧(reactive oxygen species,ROS)、H2O2及次氯酸(HOCl)含量增加,有效地减轻SP引起的雌性大鼠膀胱氧化损伤。此外,L-茶氨酸(100 mg/kg)可显著减少支气管肺泡的ROS,降低免疫球蛋白E(immunoglobulin E,IgE)、白介素、干扰素等水平,从而减轻卵蛋白素激发的雌性ICR小鼠(6周龄)过敏性哮喘[19]。笔者近期研究表明,灌服L-茶氨酸两周增加了大鼠心脏总SOD与CAT活性,减少了一氧化氮含量,从而对心脏起到保护作用[20]。李宁等[21]实验表明,在育肥猪日粮中添L-茶氨酸(1 000 mg/kg),可提高育肥猪血液中GSH-Px,增加育肥猪机体抗氧化能力。

1.1.2 提高脑组织的抗氧化能力

L-茶氨酸能提高脑组织的抗氧化能力,减轻氧化应激所致的神经细胞损伤。王庆利等[22]研究表明,L-茶氨酸能显著提高大鼠血清、脑组织SOD活性,降低 MDA含量,从而减少了大鼠脑缺血氧化损伤。刘显明等[3]认为,L-茶氨酸能够显著提高D-半乳糖诱导的亚急性衰老小鼠机体组织的SOD活性和乙酰胆碱酯酶活性,降低MDA含量,从而减轻脂质过氧化程度,增强中枢胆碱能系统的功能,从而提高记忆力。研究表明,用L-茶氨酸(4 mg/kg)预处理,可使认知障碍模型小鼠大脑以及血清中抗氧化因子SOD、GSH、CAT恢复正常水平,预防CRS引起的小鼠认知障碍和脑组织氧化损伤[23]。

茶氨酸可通过增加 PLC-β1、PLC-γ1 的表达,保护大鼠皮层神经细胞神经细胞免于氧化应激损伤[24]。彭彬等[25]的研究显示,灌服L-茶氨酸(100 mg/kg)的抑郁大鼠血清与大脑皮层中SOD活力与GSH-Px含量显著上升,减轻抑郁大鼠脑组织氧化损伤,达到抗抑郁的作用。还有研究表明,口服L-茶氨酸(200 mg/kg),明显降低铝化物(AlCl3,4.2 mg/kg)所致的大鼠(200～250 g)大脑、小脑、海马区LPO含量升高,提高了脑组织抗氧化酶GSH、SOD、GSH-Px、GR含量,改善脑神经损伤,恢复脑功能结构[26]。进一步研究表明,L-茶氨酸(200 mg/kg,口服)预处理,降低多氯联苯(Aroclor 1254,2 mg/kg)诱导的蛋白羰基、LPO的含量、使脑组织 CAT、GSH、SOD 的含量、GSH-Px、GR、乙酰胆碱酯酶活性的活性恢复至正常水平,减缓多氯联苯所致脑组织氧化损伤和神经毒性,使大鼠学习与认知功能趋于正常[27]。此外,L-茶氨酸还通过恢复细胞抗氧化物质的含量和抗氧化酶的活性而减少神经毒剂(鱼藤酮和狄氏剂)所致的多巴胺能细胞(SH-SY5Y)毒性损伤[28]。

1.1.3 与其他物质合用增强抗氧化功能

1.1.3.1 与胱氨酸合用增强机体抗氧化能力

L-茶氨酸与胱氨酸合用,能增强机体抗氧化能力。机体的GSH水平与谷氨酰半胱氨酸合成酶的基因表达随着机体衰老而减少。L-茶氨酸在体内的主要代谢产物L-谷氨酸与半胱氨酸及甘氨酸共同合成GSH,L-茶氨酸与胱氨酸单用或联用能增加细胞中GSH合成,增强抗氧化能力[29-30]。给老龄(24个月)小鼠口服胱氨酸和茶氨酸能通过增加细胞内GSH合成,从而增强老龄动物的抗氧化能力[31]。

1.1.3.2 与化疗药物合用减轻化疗药物的毒副作用

L-茶氨酸与化疗药物合用,能减轻化疗药物的毒副作用。抗肿瘤药物阿霉素产生的细胞内氧化作用,导致小鼠内脏(心、肝)中GSH的耗竭,L-茶氨酸的处理增加了心脏与肝脏中谷氨酸的浓度,抑制阿霉素引起的GSH减少[32],使心、肝中抗氧化物质恢复至正常水平从而减少了阿霉素引起的不良反应[33-34]。L-茶氨酸通过增加磷脂酶 C-β1、磷脂酶C-γ1 mRNA表达而减少了3-硝基苯酸所致的纹状体神经细胞毒性[35],保护大脑皮层神经细胞[24]。还可以增加小鼠骨髓细胞中抗氧化物质的含量而减少伊立替康诱导的DNA氧化损伤和基因毒性[36]。

1.1.3.3 与茶叶中其他物质合用增强机体的抗氧化能力

L-茶氨酸与茶叶中其他物质合用,能增强机体的抗氧化能力。汪丽伟等[37]研究发现,在热应激条件下,饲喂含有 L-茶氨酸(200 mg/kg)和茶多酚(200 mg/kg)的饲料,可显著增强仔鸡(1日龄)肝脏CAT的活性,降低MDA含量。茶氨酸(1 mg/kg)与咖啡因(10 mg/kg)联用,提高脑组织抗氧化因子(SOD、GSH、GSH-Px等)水平,同时降低MDA含量,明显减轻大鼠缺血再灌注引起的脑梗塞与脑水肿,修复脑缺血再灌注损伤[38]。刘晓慧等[39]研究表明,没食子儿茶素没食子酸醋(EGCG)和茶氨酸可协同降低细胞小鼠巨噬细胞(RAW264.7)内活性氧自由基及LPO水平,提高GSH-Px的活性,提高细胞抗氧化能力。

1.2 抗衰老作用

氧化应激是导致细胞损伤、凋亡和衰老的重要原因,衰老过程中,机体脂质过氧化程度加重,同时抗氧化防御系统机能下降,体内GSH不足以清除过多的自由基,自由基浓度升高导致体内蛋白质变性、酶活性降低、DNA损伤,造成细胞结构和功能的损伤进而导致机体衰老[40]。L-茶氨酸可在体内被代谢为L-谷氨酸和乙胺,谷氨酸、半胱氨酸及甘氨酸共同合成GSH,GSH是机体抗氧化防御系统的重要因素,能清除超氧负离子、羟自由基和LPO等,从而增强机体的抗氧化能力,降低细胞损伤和凋亡率[41],起到抗凋亡和抗衰老作用[3]。研究显示,茶氨酸(100 mg/mL)通过上调热休克蛋白的表达而显著增加了热应激和氧化应激下的线虫寿命[42]。L-茶氨酸还能增加与百草枯接触的线虫的存活率,并促进线虫对百草枯的抵抗力,延长线虫寿命[43]。此外还有研究表明,给亚急性衰老小鼠灌胃茶氨酸,能够显著提高动物脑组织中SOD活性,降低MDA含量,延长生存时间,延缓衰老[3]。

2 L-茶氨酸的作用机理

2.1 下调炎症因子的表达减少氧化应激损伤

L-茶氨酸下调炎症因子的表达,减少氧化应激损伤。 ROS等促炎因子(如 TNF-a、IL-10、IL-6、IL-1等)可激活核转录因子(NF-Kb)与细胞核结合,促进炎症因子转录,产生炎症过敏反应,ROS(超氧负离子、过氧化氢、氢二氧自由基、羟基等)能穿过细胞膜,氧化不饱和脂肪酸、蛋白质、DNA等,产生过氧化产物(如MDA)破坏细胞膜的结构与功能,激活凋亡通路,导致抗氧化酶的耗竭或失活,最终造成细胞衰老或凋亡[44]。据报道,L-茶氨酸减少大鼠肝脏产生的ROS、TNF-α和白介素对NF-kB信号激活,降低CCL4诱导大鼠肝损伤[12-13]。研究表明,L-茶氨酸抑制ETEC氧化应激产生ROS、对NF-KB,细胞外信号调节蛋白激酶(extracellular regulating kinase,ERK),p38 MAPK信号通路的激活,减少肝细胞炎症反应,降低肝细胞损伤[11]。研究发现,L-茶氨酸减少小鼠支气管肺泡ROS、抑制ROS、TNF-α对NFKB信号的激活,减少支气管肺泡炎症,从而减轻卵蛋白诱导的小鼠过敏性哮喘[19]。Tsai等[18]研究显示L-茶氨酸能减少 ROS对 PKC、ERK、IL-33以及NF-kB、ICAM-1信号的激活,进而抑制LC3 II介导的细胞自噬以及caspase-3、PARP介导的细胞凋亡,降低P物质引起的大鼠膀胱损伤。

2.2 调控线粒体凋亡通路减少细胞凋亡

L-茶氨酸调控线粒体凋亡通路,减少细胞凋亡。线粒体调控体系中,Bax/Bcl-2比值变化反应细胞受损程度,Bax被激活后,从细胞浆转移到线粒体膜,改变线粒体膜渗透性,使释放出来的Apaf-1与细胞色素C结合,激活caspase-3[45];caspase-3的活化使PARP裂解,进而阻碍PARP(DNA修复酶)识别、翻译、修复结构受损的DNA片段,同时裂解相应的胞浆以及胞核底物,从而导致细胞凋亡[46]。李桂兰等[47]研究表明,L-茶氨酸能够抑制由H2O2引起的caspase-3活化和PARP的切割,降低Bax/Bcl-2比值,降低肝细胞凋亡率,减少H2O2氧化应激所致的L02肝细胞的损伤。还有研究结果显示,L-茶氨酸减少细胞色素C释放,阻止细胞色素C结合体对Caspase-3的激活,抑制PARP的裂解,上调Bcl-2的表达,抑制ERK以及JNK信号通路的激活,降低细胞的凋亡,减缓镉引起PC12神经细胞的毒性[48]。

2.3 抑制MAPK信号通路降低促凋亡信号引起的凋亡

L-茶氨酸抑制MAPK信号通路,降低促凋亡信号引起的凋亡。促分裂原蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)家族由细胞的增殖、凋亡、分化和生长相关的多种酶组成,包括凋亡和抗凋亡蛋白,这些蛋白激活JNK和p38激酶信号通路,进而影响凋亡蛋白caspase-3的激活,从而导致细胞凋亡[49]。当处于各种应激和促凋亡信号(如TNF-α、H2O2、化学疗法、生长因子剥夺)的环境,JNK和p38 MAPK被优先激活,汇集了胞外信号调节激酶(ERK)、c-Jun氨基端激酶(JNK)以及 p38 MAPK的促分离原蛋白激酶MAPK级联反应,诱导细胞损伤和凋亡[50]。据报道,L茶氨酸阻止细胞外信号调节激酶1/2(ERK1/2)的磷酸化,同时抑制神经营养因子(BDNF)的下调,减轻帕金森综合征(Parkinson's disease,PD)所致的神经损害[28]。研究表明,L-茶氨酸通过抑制ERK/p38激酶和NF-jB通路的信号传导,减少神经细胞蛋白质与脂质的氧化性损害,从而减轻了大分子(β-淀粉蛋白)诱导的认知障碍和神经毒性[51]。进一步研究表明,L-茶氨酸通过抑制 H2O2所致 L02细胞中 JNK与 p38 MAPK的激活,进而抑制Caspase-3的激活和PARP的裂解,减少人正常肝细胞(L02细胞)凋亡[2]。还有研究证实,茶氨酸通过抑制JNK信号通路的激活,上调DNA修复蛋白XRCC1,加强DNA修复功能,进而保护脑缺血再灌注造成的神经损伤[52]。

3 结束语

抗氧化作用是对L-茶氨酸作用机制研究的一大热点,L-茶氨酸抗氧化生理活性的发现及其机制的阐明,为氧化应激所致的各种疾病的临床治疗奠定基础。现尚未见有关于L-茶氨酸与药物具有相互作用和降低药物疗效报道,且至今中国市上没有该类产品出现,因此可以开发L-茶氨酸为无毒副作用治疗辅助类制剂或保健品,既可降低药物副作用增强药物疗效,又提高机体抗氧化能力,开发该类产品能产生较大的经济效益和社会价值。

但其中有些问题还需要进一步的研究：1)药物动力学的进一步研究,如用法用量等;2)与化疗药物的联合用药(如：伊立替康、阿霉素等),降低药物毒副作用的同时,作用机理是否协调(是否与药物具有相互作用,降低药物疗效)有待进一步研究;3)与其他生物活性物质(如胱氨酸等)联合应用等的协调效果需要进一步研究;4)开发为饲料添加剂的应用研究。由于L-茶氨酸的效价强度相对较弱,可以通过调整剂量,进行结构修饰等方法达到目的。