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穀胱甘肽

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穀胱甘肽
IUPAC名
γ-Glutamylcysteinylglycine
別名 γ-L-Glutamyl-L-cysteinylglycine
(2S)-2-Amino-4-({(1R)-1-[(carboxymethyl)carbamoyl]-2-sulfanylethyl}carbamoyl)butanoic acid
縮寫 GSH
識別
CAS號 70-18-8
PubChem 124886
ChemSpider 111188
SMILES
 
  • NC(CCC(=O)NC(CS)C(=O)NCC(O)=O)C(O)=O
ChEBI 16856
DrugBank DB00143
KEGG C00051
MeSH Glutathione
性質
化學式 C10H17N3O6S
摩爾質量 307.325 g·mol⁻¹
熔點 195[1]
溶解性（水） 易溶[1]
溶解性（甲醇, 乙醚） 不溶[1]
藥理學
ATC代碼 V03AB32（V03）
若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。

穀胱甘肽（英語：Glutathione，簡稱：GSH），又稱麩胱甘肽或麩氨基硫，[1]屬於三肽，由穀氨酸、半胱氨酸及甘氨酸所構成，其中第一個肽鍵與普通的肽鍵不同，是由穀氨酸的γ-羧基與半胱氨酸的氨基組成的，在分子中半胱氨酸巰基是該化合物的主要功能基團。穀胱甘肽是植物、動物、真菌和一些細菌和古菌中的一種抗氧化劑。穀胱甘肽能夠防止活性氧、自由基、過氧化物、脂質過氧化物和重金屬等來源對重要細胞成分造成的損害。[2] 作為動物細胞中的抗氧化劑，存在於充滿水的細胞內部，可以保護DNA免於氧化。穀胱甘肽以兩種型態存在於人體，一是還原型態、另一是氧化型態。菠菜含有穀胱甘肽。

生物合成和儲存

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穀胱甘肽生物合成涉及兩個三磷酸腺苷依賴的步驟：

  • 首先，γ-穀氨酰半胱氨酸由 L-穀氨酸和 L-半胱氨酸合成。此轉化需要酶穀氨酸-半胱氨酸連接酶 (GCL，穀氨酸半胱氨酸合酶)。此反應是穀胱甘肽合成中的限速步驟。[3]
  • 其次，將甘氨酸添加到γ-穀氨酰半胱氨酸的C末端。該縮合反應由穀胱甘肽合成酶催化。

雖然所有動物細胞都能夠合成穀胱甘肽，但已證明肝臟中的穀胱甘肽合成至關重要。GCLC基因敲除小鼠由於缺乏肝臟GSH合成而在出生後一個月內死亡。[4][5] 穀胱甘肽中不尋常的γ酰胺鍵保護它免受肽酶的水解。[6]

儲存

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穀胱甘肽是動物細胞中最豐富的非蛋白硫醇（含 R-SH 的化合物），含量範圍為 0.5 至 10 mmol/L。它存在於細胞質和細胞器中。在健康細胞和組織中，[6]總穀胱甘肽池的 90% 以上為還原形式（GSH），其餘為二硫化物氧化形式（GSSG）。[7]80-85% 的細胞GSH存在於細胞質中，10-15% 存在於線粒體中。[8]

人體能夠合成穀胱甘肽，但少數真核生物不會合成穀胱甘肽，包括豆科植物、內阿米巴屬和賈第鞭毛蟲屬的部分成員。已知唯一能合成穀胱甘肽的古細菌是鹽桿菌綱。某些細菌，如「藍藻」和假單胞菌，可以生物合成穀胱甘肽。[9][10]

口服穀胱甘肽的全身利用度生物利用度較差，因為三肽是消化道蛋白酶（肽酶）的底物，並且由於細胞膜水平上缺乏穀胱甘肽的特定載體。[11][12]服用半胱氨酸前體藥物 N-乙酰半胱氨酸 (NAC) 有助於補充細胞內 GSH 水平。[13]專利化合物 RiboCeine 已被研究作為一種補充劑，可增強穀胱甘肽的產生，從而有助於緩解高血糖。[14][15]

生物學功能

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穀胱甘肽以還原（GSH)和氧化（GSSG）狀態存在。[16]細胞內還原穀胱甘肽與氧化穀胱甘肽的比率是細胞氧化應激的量度，[17][8]其中 GSSG 與 GSH 比率增加表明氧化應激更大。

穀胱甘肽的氧化過程


在還原狀態下，半胱氨酰殘基的硫醇基團是一個還原當量的來源。由此生成穀胱甘肽二硫化物 (GSSG)的氧化狀態通過NADPH[18]轉化為還原狀態(GSH)。該轉化由穀胱甘肽還原酶催化

NADPH + GSSG + H2O → 2 GSH + NADP+ + OH−
GSH和GSSG的轉化過程

作用

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抗氧化劑

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GSH通過中和（減少）活性氧來保護細胞。[19][6]這種轉化可以通過過氧化物的還原來說明：

2 GSH + R2O2 → GSSG + 2 ROH  (R = 氫,烷基 )

以及自由基：

GSH + R• → 1/2 GSSG + RH

簡單來說，GSH穀胱甘肽是細胞內最重要的抗氧化劑之一，可以清除自由基，保護細胞免受氧化應激的損害。它對維持細胞的健康至關重要。[20]

調節

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除了使自由基和活性氧化劑失活外，穀胱甘肽還參與硫醇保護和氧化應激下細胞硫醇蛋白的氧化還原調節，通過蛋白質「S」-穀胱甘肽化，一種氧化還原調節的翻譯後硫醇修飾。一般反應涉及從可保護蛋白質 (RSH) 和 GSH 形成不對稱二硫化物：[21]

RSH + GSH + [O] → GSSR + H2O

它維持外源性抗氧化劑如維生素C和維生素E處於還原（活性）狀態。[22][23][24]

GSH通過調節免疫細胞的功能，增強免疫反應，從而在感染和疾病防護中發揮作用。該引文描述了 GSH 在免疫和炎症背景下在肺中的作用[25]

解毒

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GSH穀胱甘肽參與肝臟的解毒過程，通過結合有毒物質促進其排出，尤其是重金屬和藥物代謝中的重要角色。還用於解毒氧化應激產生的有毒代謝物甲基乙二醛和甲醛。該解毒反應由乙二醛酶系統進行。乙二醛酶I (EC 4.4.1.5) 催化甲基乙二醛和還原穀胱甘肽轉化為 S-D-乳酰穀胱甘肽。乙二醛酶II (EC 3.1.2.6) 催化 S-D-乳酰穀胱甘肽水解為穀胱甘肽和D-乳酸。穀胱甘肽相關酶與抗癌藥物耐藥性[26]

人體可以自然生成少量的穀胱甘肽，隨着時間推移，這一生成的量可能會逐步減少，低 GSH 含量與許多慢性促炎性疾病有關，例如代謝綜合徵、心血管、腎臟和肝臟疾病，以及神經退行性疾病和自身免疫性疾病，而對線粒體的代謝則具有直接保護作用[27][28]

穀胱甘肽 S-轉移酶 (GST) 將 GSH 與外來化合物結合，產生無毒產物，從而實現其解毒作用。[29]

神經保護

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GSH在神經系統中具有保護作用，有助於對抗神經退行性疾病如帕金森病和阿爾茨海默病等。由於氧氣消耗量高，人類大腦極易受到活性氧的產生的影響。GSH 在大腦抗氧化防禦中起着至關重要的作用，可維持氧化還原穩態。在屍檢和體內 MRS 研究中也觀察到了大腦 GSH 的消耗，這些研究涉及衰老和各種神經系統疾病（阿爾茨海默病、帕金森病等）。因此，通過補充劑來豐富 GSH 是治療這些神經系統疾病的一種有希望的途徑。[30][31]

穀胱甘肽有兩種狀態——氧化和還原。在細胞穩態的正常生理條件下，穀胱甘肽主要保持還原形式。然而，許多人體代謝途徑涉及穀胱甘肽的氧化，導致細胞穩態失衡，GSH 耗竭會增強氧化應激，也可能增加興奮毒性分子的水平；這兩種作用都可以在不同神經元群體中引發細胞死亡。大腦中穀胱甘肽相關功能的受損與衰老過程中神經元的損失與亨廷頓氏病、帕金森氏病、中風和阿爾茨海默氏病等神經系統疾病的結果有關，[32][33][34]

GSH 在中樞神經系統中發揮許多關鍵功能，包括調節細胞分化和增殖、細胞凋亡、酶活化、神經傳遞，以及作為蛋白質合成過程中半胱氨酸的來源。[29]

新陳代謝

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在其參與的眾多代謝過程中，穀胱甘肽是白三烯和前列腺素生物合成所必需的。它在半胱氨酸的儲存中發揮作用。穀胱甘肽增強了瓜氨酸作為一氧化氮循環一部分的功能。[35]它是一種輔因子並作用於穀胱甘肽過氧化物酶。[36] 穀胱甘肽用於生成 S-硫烷基穀胱甘肽，它是硫化氫代謝的一部分。[37]

結合

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穀胱甘肽促進外來化合物代謝。穀胱甘肽S-轉移酶催化其與親脂性外來化合物結合，促進其排泄或進一步代謝。[38]結合過程以N-乙酰基-p-苯醌亞胺(NAPQI) 的代謝為例。NAPQI 是一種活性代謝物，由細胞色素 P450作用於對乙酰氨基酚(乙酰氨基酚) 而形成。穀胱甘肽與 NAPQI 結合，並將所得複合物排出體外。

在植物中

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在植物中，穀胱甘肽參與活性氧壓力管理。它是穀胱甘肽-抗壞血酸循環的組成部分，該系統可減少有毒的過氧化氫。[39] 它是植物螯合素、穀胱甘肽低聚物的前體，可以螯合鎘等重金屬。[40]穀胱甘肽是有效防禦植物病原體（例如「丁香假單胞菌」和「芸苔疫黴菌」）所必需的。[41]腺苷酸硫酸還原酶是硫同化途徑的一種酶，它使用穀胱甘肽作為電子供體。其他使用穀胱甘肽作為底物的酶是谷氧還蛋白。這些小的氧化還原酶參與了花的發育、水楊酸和植物防禦信號傳導。[42]

用途

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美白護膚品與保健食飲

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在美容行業，GSH被廣泛用於美白產品中，因其能夠抑制黑色素的生成，改善膚色，已常見於各類高檔化妝品的成分，其皮膚美白效果來自對酪氨酸酶的直接和間接抑制以及從真黑素到褐黑素的產生。儘管如此，建議的使用方法僅有口服或外用輔料（如保健食品或化妝品等），且需要長期適量使用才能有顯著的改善，而非流行的靜脈注射，且靜脈注射穀胱甘肽已被明確為一種具有副作用和潛在健康危害的使用方式。[43]

釀酒

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葡萄酒的第一個原料形式葡萄漿中的穀胱甘肽含量決定了白葡萄酒生產過程中的褐變或焦糖化效果，因為它可以捕獲酶氧化產生的咖啡酰酒石酸醌作為葡萄反應產物。[44]可以通過UPLC-MRM質譜法測定葡萄酒中的該物質的濃度。[45]

其他相關

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衰老與抗衰老

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科學研究表明，GSH水平的下降與衰老過程相關，補充GSH有助於改善衰老相關的生理功能。但要注意的是，由於人體可以自然生成少量穀胱甘肽，引文所給出的是一種更為方便快捷的途徑：通過飲食補充半胱氨酸和甘氨酸等來促進自然生成穀胱甘肽，而不是直接補充穀胱甘肽。[46]

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