谷胱甘肽是抗氧化之王？那抗氧化王母SAG了解一下
美白的人对谷胱甘肽都不陌生，大S在《美容大王》一书中经常提起它，许多美容院里包装的很高大上的美白针里是它，好莱坞很多女星称其为“抗氧化之王”。
如果谷胱甘肽是抗氧化之王的话，那么能力上讲SAG可以说是王母了！
这篇是纯科普SAG的，比较冗长，只是为了将相关科研资料分享给大家，可能很多人读不下去，enjoy：
一
谷胱甘肽的介绍
谷胱甘肽
英文名为Glutathione（GSH），分子式为C10H17N3O6S，分子量约307kD，是一种白色粉末，水溶性为：50mg/mL，熔点为182~192℃，沸点为410.1℃。
谷胱甘肽由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸组成，有两种形式，分别为还原型谷胱甘肽（GSH）和氧化型谷胱甘肽（GSSG）。GSH发挥生物学功能所必须的结构，是其分子中半胱氨酸上的巯基（-SH-）。
在微生物、动植物细胞中GSH以高浓度（0.1~10mmol/L）普遍存在（且以还原态为主要存在形式），动物和人体中肝脏GSH含量最高，肝脏是主要的GSH合成器官，并且其合成的GSH可以通过胆汁和肝门静脉大量转出。
GSH在一个细胞中并不是均匀分布的，在真核细胞细胞器中，GSH有90%分布于细胞质，10%左右分布于线粒体（95%以上以还原型谷胱甘肽的形式存在），极少数剩余GSH分布在内质网中（60%以上以还原型谷胱甘肽的形式存在）。
🔺动物细胞细胞器结构简图🔺
GSH的合成步骤如下🔻
一分子的L-半胱氨酸和一分子的L-谷氨酸在γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶（GSHI）的催化下生成二肽γ-谷氨酰半胱氨酸 ➡ γ-谷氨酰半胱氨酸和一分子的甘氨酸在谷氨酰胺合成酶（GSHII）的催化下生成谷胱甘肽（GSH）。
该合成过程由ATP提供能量。为防止谷胱甘肽的过量堆积，胞内GSH可以和其他氨基酸在γ-谷氨酰转肽酶（γ-GTP）的催化下生成谷氨酰成分化合物，这对氨基酸的转运非常重要。
GSH是迄今为止哺乳动物细胞内最主要的非蛋白巯基和含量最大的小分子多肽，直接参与许多生化反应，包括但不限于：
①参与细胞内许多化合物、药物、激素代谢；
②运输半胱氨酸，是体内半胱氨酸的储存库；
③参与DNA、RNA和蛋白质等大分子的生物合成；
④协助维持红细胞的完整性，防止血红蛋白氧化变性；
⑤作为各种代谢途径中的多种酶（如乙二醛酶、马来酰乙酰乙酸异构酶、前列腺内过氧化异构酶）的辅助因子；
⑥对内源性和外源性毒素的解毒作用；
⑦协助保护细胞内蛋白质、脂质等结构使之免受氧化损伤；
⑧保持维生素C、维生素E的还原态。
二
GSH的细胞保护和解毒作用
GSH保护细胞免受氧化损伤和内源性、外源性毒素影响的机制主要分为2方面：
前面说到GSH分子结构中的巯基（-SH-）对其生物学功能至关重要，因为巯基中的硫原子（S）具有亲核性（亲核性：指容易与带正电荷的基团结合的特性）；同时，GSH分子中的谷氨酸和含有亲核性硫原子的半胱氨酸均属于极性氨基酸（极性氨基酸：强亲水性，水溶性好），并带负电荷，因此可以提高与GSH结合后的亲电子物质分子的亲脂部分的水溶性（亲脂的结构具有疏水性，而GSH的结构使得疏水的亲电子物质水溶性增加），使其更利于被清除排出。GSH的分子量＞300kD，结合亲电子物质后的大分子结合物适合从胆汁排出（胆汁由肝细胞不间断分泌）。
GSH对亲电子物质的亲核进攻，既可以是非酶促的自然结合，也可以是酶促结合反应。参与酶促结合反应的酶叫做谷胱甘肽-S-转移酶（Glutathione-S-trans-ferase，GST）。
GST是一组多功能的解毒酶，由两个单位构成，有同二聚体和异二聚体两种，它广泛存在于哺乳动物、鸟类、植物和微生物体内，主要存在各种组织细胞的细胞质内。GST已被证实是启动GSH结合亲电子物质的关键酶，因为该酶分子上具有一个能与GSH谷氨酸酰基结合的部位，GST结合GSH后促使GSH巯基攻击亲电子物质的正电中心（即亲电子中心），GSH和亲电子物质的结合物最终以惰性硫醚氨酸的形式从胆汁排出。
Ps.GSH加合物经g-GTP和半胱氨酰甘氨酸酶转移谷氨酰氨基，去掉甘氨酸，再经N-乙酰化酶作用，最终生成硫醚。
其实GST的生物活性并不高，但是因为解毒时，肝微粒体中的NADPH CYP450促外源性毒素转化的速率慢，加之细胞内通常有丰富的GST，因此能够确保顺利解毒外源性毒素的亲电子代谢产物。
Ps.亲电子物质的来源：有可能是外源毒素本身，但更可能是外源毒素经肝微粒体NADPH CYP450活化代谢产生的烷化、芳化、酰化中间产物。
但当GST浓度不足时，亲电子物质可以和细胞内大分子（如各种功能蛋白）结合改变细胞内的生化环境和细胞结构，对细胞造成严重损伤甚至导致细胞死亡。
GSH与肿瘤治疗🔻
值得一提的是，很多抗癌药物在细胞内的中间代谢物都是亲电子性的，胞内高水平的GSH将导致化疗药的灭活和化疗失败。胞内GSH水平偏高和肿瘤化疗耐药性密切相关，很多化疗无效患者在化疗前就查出GSH水平明显高于化疗有效患者。因此从抑制肿瘤的角度，GSH的胞内水平应该被降低。
文章开头我们谈到，线粒体中的GSH只占细胞内GSH总量的10%左右，但是，这些GSH却对线粒体的生物功能有至关重要的作用。我们知道线粒体是细胞进行氧化呼吸（一系列电子传递运动产生生物必须能量的反应）的重要场所，在正常生理条件下，线粒体氧化呼吸的一系列酶促、非酶促反应也会产生少量氧自由基，我们时常在抗老化的专题见到“自由基”这个词，它作为抗老化产品热门的靶点，究竟是什么呢？
什么是自由基和ROS？
自由基包括氧自由基和其他元素自由基（如氮自由基、甲基自由基、氢自由基等），我们主要要介绍的，也是抗衰老话题议论最多的，是氧自由基。氧自由（即活性氧簇）基全名Reactive oxygen species（ROS），包括超氧化物阴离子、过氧化阴离子、过氧化氢、氢氧自由基、羟基离子几种。根据来源可将ROS分为内源性ROS（如线粒体氧化呼吸产生的少量ROS）和外源性ROS（如药物、化学污染、放疗）。各种ROS电子式如下图所示：
2
细胞里的ROS都是从哪儿来的？
线粒体氧化呼吸作用传递电子
NADPH氧化酶类
细胞因子和生长因子受体
代谢
胞内ROS的主要来源是线粒体氧化呼吸（80%ROS由此而来），尤其是传递电子的部分。其次，NADPH氧化酶也会在传递电子过程中产生超氧化物自由基。此外某些细胞因子释放也会造成生成ROS的信号通路激活。新陈代谢多种酶在参与非特定的各种生化反应时，也会产生ROS等副产物。
ps.NADPH氧化酶传递电子生成ROS的反应方程式为：NADPH + 2O2 ↔ NADP+ + 2O2− + H+
3
ROS如何伤害细胞？
ROS常常被称为细胞衰老的“帮凶”，是因为它能通过以下几方面对细胞造成损害（这些损害统称为氧化损伤）：
损伤DNA、RNA
脂质过氧化（氧化脂质中的多不饱和脂肪酸）
氧化蛋白中的氨基酸
通过氧化辅酶因子使某些酶失活
在生理状态下，正常含量的ROS参与一系列正常生理、生化过程，比如调节花生四烯酸代谢，刺激吞噬细胞、中性粒细胞的杀菌功能和免疫活性。机体的ROS生成、利用、清除，需要维持动态平衡，将ROS控制在有利无害的生理性适宜浓度。
而当①内源性、外源性ROS显著增多，或者②细胞抗氧化防御系统（由谷胱甘肽过氧化物酶( GPx) 、过氧化氢酶（CAT） 、超氧化物歧化酶（SOD）一起构成）被抑制时，就会使胞内ROS生成和清除平衡被破坏，ROS堆积在细胞内，氧化损伤反过来干扰线粒体氧化呼吸工作效率，进一步提高内源性ROS产量，从而伤害细胞结构及功能。
严重的ROS累积会造成脂质（细胞膜主要成分）、蛋白质、DNA等生物大分子损伤，使细胞内钙离子和铁离子从稳定储存形式更多变为游离形式，最终导致细胞死亡
ps.在动物试验水平，GSH含量大量下降会造成严重的脂质过氧化，从而造成肝脏损伤，而使用能有效升高血液和细胞内GSH含量的乙酰半胱氨酸（N-Acetyl cysteine，NAC）治疗和常规疗法对照发现，使用NAC治疗组动物生存率显著提升。
4
GSH如何保护细胞不受ROS伤害？
① GSH间接清除自由基（过氧化氢或其他含氢过氧化物）
GSH保护细胞抵御脂质过氧化损伤的作用，主要依赖于GSH-过氧化物酶-还原酶系统（GSH-GPx-GRx系统）。
👑GPx可以把还未作用与细胞膜的过氧化氢（自由基）转变成水，或者将已经被过氧化的脂质转变成无毒的醇类。这个过程中GSH作为GPx的反应底物被消耗，从还原型谷胱甘肽（GSH）生成为氧化型谷胱甘肽（GSSG）
👑随后GSH-GPx-GRx系统的第三个重要分子——谷胱甘肽还原酶（Glutathione reductase，GRx）登场，将GSSG重新还原为GSH以备下次使用（NADPH/NADP+参与氧化还原）。
GSH-GPx-GRx系统共同抑制脂质过氧化的产生，或者转化脂质过氧化产物为无毒醇，都是属于GSH间接地清除自由基。
② 直接清除自由基（°O2-、HO2-°、HO°）
除此之外，号称抗氧化最强的GSH能否直接清除ROS呢？当然是可以的。
GSH直接与自由基反应的方程式为（依赖巯基）：
G-SH+°O2-+H+→GS°+H2O2
G-SH+HO2-°→GS°+H2O2
G-SH+HO°+H+→GS°+H2O
GS°可以两个结合生成GSSG（氧化型谷胱甘肽），但这不是主要的清除GS°的方法，机体在正常生理pH条件下就有少量的硫醇基（GS-）存在，GS°更倾向于和GS-结合生成°[GSSG]-，°[GSSG]-是个还原性十分强的自由基，很容易将电子转移给O2 而生成GSSG（这一步反应由化学热力学驱动，及底物的和产物的氧化还原电位决定），反应式如下：°[GSSG]-+O2→GSSG+°O2-，生成的超氧阴离子（°O2-）主要通过超氧岐化酶（Superoxide dismutase，SOD）清除。
GSH水平和相关酶活性，目前被视为机体抗氧化状态的标志物，一些病患如肾透析病人，虽然检测抗氧化维生素（如维他命C、E）指标正常，但GSH以及GSH相关酶活性降低，仍然伴随机体抗氧化能力的下降。许多疾病都与GSH浓度下降或GSH氧化-还原的反应循环受阻相关。
三
GSH保护不同器官组织
氧化损伤对组织器官衰老的促进程度取决于损伤发生的组织类型，在大脑中氧化损伤会导致大脑功能衰退，尤其是与年龄增长、认知相关的功能蛋白，显著受到ROS影响。大量研究证明神经退行性疾病（如阿尔兹海默症）患者的大脑伴随着大量的氧化损伤；动物实验证明大龄痴呆沙鼠在治疗期间氧化蛋白水平降低、认知提升，而停药后氧化蛋白水平回升、认知降低，说明细胞蛋白的氧化损伤程度是影响大脑认知的重要因素。
在皮肤衰老方面，环境应激导致自由基的积累是皮肤衰老症状出现的重要原因之一，角质层过量的自由基积聚会使皮肤出现色斑、皱纹等问题。皮肤本身具有完善的初级抗氧化防御系统，然而外界环境和内在的氧化压力超出皮肤抗氧化系统的能力时，将会产生过多的自由基，加速皮肤衰老。
前文所提到的清除自由基过程中发挥重要作用的：谷胱甘肽过氧化物酶( GPx) 、过氧化氢酶（CAT） 、超氧化物歧化酶（SOD） 一起构成了机体的抗氧化防御系统。GSH在GPx的催化下将有毒的过氧化氢和脂质过氧化物还原为无毒的羟基化合物，从而保护肌肤细胞膜结构不被过氧化物氧化损伤。
谷胱甘肽不仅是细胞解毒、核酸稳定、能量代谢的重要功能分子，同时也是免疫系统维持正常运作不可或缺的原材料。当机体GSH水平过低时，会引发慢性炎症，因为GSH能帮助平衡细胞免疫（T细胞介导）和体液免疫（B细胞介导）的两种免疫模式。当体内谷胱甘肽过少时，免疫系统的体液免疫起主导作用，产生细胞因子和抗体，随之引发大量组织炎症。补充GSH有助于恢复机体两种免疫系统的平衡，缓解慢性炎症循环。
ps.人类免疫缺陷病毒（HIV）感染者体内抗氧化防御系统受阻，血浆、红细胞、淋巴细胞等GSH水平显著下降，并且随着艾滋病病情发展持续下降，因此较多学者认为HIV感染者处于慢性氧化应激状态。ROS和低GSH水平可提高HIV复制速率，补充GSH控制HIV、增强病人体质也是目前的治疗手段之一。
对于眼部疾病，白内障作为医学研究热点，晶状体内正常状态下GSH含量较高（4~6mmol/L），并且GSH是晶状体主要的抗氧化物质，健康人的晶状体内有合成、循环GSH的体系以确保GSH维持高水平。而晶状体GSH含量降低，是白内障发病的最早表现之一，当GSH缺乏时，ROS即可破坏晶状体上皮细胞的Na+/K+-ATP酶活性[9]，破坏细胞骨架蛋白和与膜通透性相关的蛋白；在白内障发生过程中，晶状体膜表面会堆积大量脂质过氧化有害产物。
动物实验已经证明，皮下注射GSH可以防治大鼠白内障，因此提高晶状体GSH水平是近年来治疗白内障的研究方向之一。
抑制炎症细胞因子
抑制炎症细胞因子, 如TNF-α、IL-6 、IL-8、巨噬细胞炎症蛋白(MIP)-2 、单核细胞趋化蛋白(MCP)-1 的产生。
2
调节NO活性
NO 既可作为细胞保护剂, 又能促进细胞凋亡或坏死。NO 供体可时间、剂量依赖性地诱导大鼠肾小球系膜细胞凋亡, 但若有GSH 的存在使同时生成O2 -（详见上一部分GSH直接清除自由基反应机理）, 则NO/O2-可共同发挥细胞保护作用, 反之, 若GSH 缺乏, 则C-Jun末端激酶1/2(JNK1/ 2)被激活产生细胞毒性。
3
维持氧化/抗氧化平衡
清除过量自由基、过氧化物， 防止膜脂质过氧化，增强粘膜上皮防御作用。
维持GSH相对高水平的益处太多，目前主要还是体现在解毒和抗氧化两个方面，以下表格列出了近年来研究GSH应用于各种疾病治疗的信息：
表格来自：程时，丁海勤.谷胱甘肽及其抗氧化作用今日谈，生理科学进展，2002，33(1),85-90
四
GSH补充和S-Acetyl glutathione
随着年龄增长，人体的GSH水平在20岁以后（或取决于环境毒害程度）下降明显，由于自由基造成的损伤会加速组织器官的损伤和机体的衰老，因此保持体内GSH相对高水平有助于从抗自由基角度延迟衰老。
对于衰老或者慢性疾病患者，能否直接补充GSH提高机体抗氧化能力，从而提高老人、患者生活质量呢？
人们想简单直接地补充GSH，也曾经试过，但是GSH作为多肽，口服进入消化道即被胃酸降解为更小的分子。我们知道蛋白质不仅要保持化学结构的完整性，还需要保持二级三级结构（即空间构象）的稳定，才能够执行原有的生物学功能，因此即使氨基酸残基种类未被替换，降解后的小分子肽也很难具有和GSH相同的功能。
在直接补充GSH吸收、转化困难的情况下，一些人想到补充GSH前体N-乙酰半胱氨酸（N-acetyl-cysteine，NAC），补充NAC已经被公认能够提高体内GSH水平，不过有的长期处于重金属接触环境或者镁缺乏的人并不能利用补充的半胱氨酸自身合成充足的GSH。除此之外，NAC由于分子结构的缘故，硫原子携带的气味非常具有刺激性，口服NAC之后消化道所释放的气体气味明显，取出NAC服用时异味大，都是降低患者依从性的重要原因。
如果说既要高效地补充GSH，又要考虑自身合成GSH障碍以及前体补充剂半胱氨酸依从性差的话，似乎只剩一条路可走，就是直接注射谷胱甘肽。
注射谷胱甘肽在数年前走入大众（尤其是女性）视野时还有一个神秘高贵，仿佛娱乐圈特享的名字，美白针。GSH和氨甲环酸（别名：传明酸）一起组成了美白针最有力的成分，注射一定是直接、高效的，但是也是昂贵、费时的，现代人的生活节奏，要周期性抽出时间去医院挂号排队注射GSH保健身体、协助治病或者美白养颜，时间和财物的耗费实在不小。
今时今日，其实人们并不需要去医院也能安全有效地补充GSH，一种能够口服，同时直接以谷胱甘肽的形式被吸收，并且不具备刺激气味的补充剂已经问世，就是S-乙酰谷胱甘肽（S-Acetyl glutathione，SAG），SAG是比NAC更优越的谷胱甘肽补充剂，是在GSH的巯基处添加乙酰基进行修饰的化合物。因为巯基的乙酰化，解决了直接口服谷胱甘肽和NAC都无法克服的问题：
①乙酰化修饰使得SAG口服进入消化道不会被胃酸降解，并由于乙酰化使得脂溶性增强，被消化道乳糜微粒完整吸收，在小肠经小肠绒毛吸收，随后进入血液循环，由于乙酰基修饰SAG不会被血液中的肽酶降解，当进入细胞后，被细胞质的硫酯酶水解，通过乙酰基基团水解产生还原的 GSH，其可用于其所需的全部生物功能。此外，研究证明SAG比GSH本身更容易穿过细胞膜。
②乙酰化修饰使GSH巯基（-SH-）上硫原子明显的刺鼻气味消失，相比NAC，SAG不再具有臭鸡蛋气味，服用依从性大大提高。
参考文献：
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