Antioxidační účinky sulfanové síry


Antioxidant effects of sulfane sulfur

Sulfane sulfur is a reactive, divalent sulfur atom bonded to another sulfur. It modifies cysteine residues in proteins and thus changes enzyme activities. Also, it may be bound to glutathione and this greatly increases its antioxidative properties. Analytical methods used for the determination of sulfane sulfur are discussed and our developed method using an extractive alkylation technique is mentioned. The sulfane sulfur donor compounds are described and categorized. The potential use and future perspectives of this monoelemental antioxidant are summarised and discussed.

Keywords:

antioxidant – sulfane sulfur – sulfate sulfur donor compounds


Autori: R. Hyšpler 1,2;  A. Tichá 1,2;  Z. Zadák 2
Pôsobisko autorov: Ústav klinické biochemie a diagnostiky, Fakultní nemocnice Hradec Králové 1;  Centrum pro vývoj a výzkum, Fakultní nemocnice Hradec Králové 2
Vyšlo v časopise: Klin. Biochem. Metab., 30, 2022, No. 3, p. 79-82

Súhrn

Sulfanová síra je reaktivní, divalentní atom síry vázaný k jiné síře. Modifikuje cysteinové zbytky v řetězcích proteinů a takto mění aktivitu řady enzymů. Je vázána také v molekulách glutathionu a v tomto místě významně zvyšuje antioxidační vlastnosti této sloučeniny. V článku jsou diskutovány analytické možnosti stanovení sulfanové síry a je zmíněna i metoda extraktivní alkylace vyvinutá a využívaná naším pracovištěm. Donorové sloučeniny sulfanové síry jsou kategorizovány do jednotlivých skupin. V článku je diskutováno potenciální využití a efekty tohoto monoelementárního antioxidantu.

Klíčová slova:

antioxidanty – sulfanová síra – donory sulfanové síry

Metabolismus a fyziologické účinky reaktivní sulfanové síry in vivo

Termín sulfanová síra byl zaveden v 70. letech minulého století [1], i když přítomnost reaktivních atomů síry v buňkách byla známa už dříve [2]. Sulfanová síra představuje značně reaktivní, labilní atom síry kovalentně vázaný k dalšímu atomu síry. Tyto atomy síry mohou nabývat oxidačního stupně 0 nebo -1 a snadno jsou ze své mateřské sloučeniny přemisťovány na další akceptory. Nejdéle známým akceptorem je kyanidový aniont, který reakcí vytvoří stabilní thiokyanát. Dalšími akceptory mohou být siřičitany, thioláty nebo trifenylfosfin.

Sloučeniny obsahující sulfanovou síru, které mohou být přítomny v biologických systémech, jsou: elementární síra (S8), persulfidy (RSS-), polysulfidy (RSnR), thiosulfát (SSO3 2-) a thiosulfonát (RSO2S-). Sulfanová síra neexistuje ve své volné formě a je vždy vázána na další atom síry. Sulfan jako sloučenina sensu stricto (H2S) vzniká redukcí sulfanové síry.

Sulfanovou síru můžeme rozdělit do dvou částí. Acidolabilní síra je uvolňována z buněčných struktur působením kyseliny chlorovodíkové jako sulfan. Primárním zdrojem jsou proteiny obsahující komplexy železa a síry, které se nacházejí především v mitochondriích [3]. Druhá část, „vázaná síra“, může být uvolněna z buněčných struktur jako sulfan působením dithiothreitolu [4].

Zdrojem sulfanové síry je vždy aminokyselina cystein. Tato aminokyselina může být deaminována cysteintransaminázou za vzniku 3-merkaptopyruvátu a enzym 3-merkaptopyruvátsulfurtransferáza za odštěpení molekuly pyruvátu přenese atom síry na vhodný akceptor. Druhou možností je oxidace cysteinu na molekulu cystinu a enzym cystathionine-gamma-lyáza za odštěpení pyruvátu vytvoří molekulu thiocysteinu (cystein s připojenou sulfanovou sírou). Její atomy pak na další vhodné akceptory přenáší enzym rhodanáza [5]. V extracelulárním prostoru je významným transportérem této formy síry plazmatický albumin [6,7]. Intracelulárně je přenášena svou vazbou na glutathion, což je thiol s nejvyšší koncentrací v intracelulární tekutině. Persulfidy cysteinu a glutathionu jsou přítomné v signifikantním množství jak u prokaryontních, tak eukaryontních organizmů [8]. Hlavním intracelulárním zdrojem persulfidů je cystin, který je činností enzymů přeměněn na 3-merkaptopyruvát, thiocystein nebo thiocystin.

Biologicky významnými sloučeninami s labilní sírou jsou rovněž molekuly, kdy je přítomna v blízkosti vazby uhlíku a síry dvojná vazba mezi atomy uhlíku nebo dvojná vazba v oxoskupině. Tato dvojná vazba umožňuje dvojici atomů síry tautomerizovat do formy thiosulfoxidu a tím nabídnout sulfanovou síru k transferu na další molekulu.

Vzhledem k dlouho známé reaktivitě sulfanové síry s kyanidovými anionty bylo předpokládáno, že tato forma síry slouží v buňce především k detoxifikaci kyanidového aniontu vznikajícího z kyanogenních látek potravy. Touto reakcí vznikají bezpečné thiokyanáty a této reakce je využíváno i v současnosti, kdy thiosulfát patří mezi použitelná antidota při otravě kyanidy [9]. V 90. letech bylo zjištěno, že persulfidy obsahující labilní síru jsou významně silnějšími antioxidanty než odpovídající thioly a tím byly tyto látky zařazeny na seznam antioxidantů [10]. Ve stejné době byla objevena sulfurace jako posttranskripční modifikace tRNA nezbytná pro syntézu komplexů se železem a sírou pro mitochondriální dýchací řetězec [11].

Sulfanová síra je také považována za třetí „gazotransmiter“ (spolu s oxidem dusnatým a oxidem uhelnatým), tedy látku regulující řadu důležitých biologických procesů, např. buněčný cyklus [12], angiogenezi [13], zánětlivé procesy [14] a podílí se rovněž na regulaci krevního tlaku [15]. Pominout nelze ani důležitou roli sulfanové síry při rozvoji renálních onemocnění [16] a jeho roli v regulaci inzulinové senzitivity a lipolýzy v adipocytu [17]. Relativně nedávno [18] byla prokázána úzká souvislost mezi volným sulfanem a sulfanovou sírou ve formě persulfidů. Toxicita sulfanu je velmi dobře známa, a proto jeho fyziologické koncentrace jsou udržovány na nízké úrovni. Některé zdroje dokonce zavádějí pojem aktivní formy síry v analogii aktivních forem kyslíku. Sloučeniny obsahující sulfanovou síru nebo samotný sulfan patří k těmto reaktivním formám síry a tyto jsou tvořeny fyziologicky v redukčním intracelulárním prostředí, případně metabolismem střevních bakterií.

Vznik persulfidů je považován primárně za posttranslační modifikací existující molekuly proteinu. Zcela recentní výzkum [19] však ukázal možnost přímé inkorporace persulfidu vázaného na cystein do molekuly proteinu při jeho translaci. Cysteinyl tRNA syntetázy jsou schopné syntetizovat cysteinyl persulfid ze dvou molekul cysteinu za vzniku tRNA adduktu a tento následně inkorporovat do proteinu. Tato situace je analogická k vložení molekuly selenocysteinu do primárního řetězce proteinu.

Kvantifikace sulfanové síry v biologických vzorcích

Vzhledem k vysoké reaktivitě sloučenin obsahujících sulfanovou síru je její detekce v biologických vzorcích stále obtížná a zatížena řadou nejistot. Klasickou metodou je reakce sulfanové síry s kyanidem za vzniku thiokyanátu, který následně reaguje s železitými ionty za vzniku červeného komplexu stanovovaného spektrofotometricky při 460 nm. Tato metoda je však zatížena značnou analytickou nespecifitou. Z tohoto důvodu byly vyvíjeny významně specifičtější metody chromatografické.

Tyto metody lze rozdělit na analytické postupy využívající kapalinovou chromatografii a plynovou chromatografii. Veškeré metody však vždy využívají derivatizace atomu sulfanové síry, která umožní navázání tohoto atomu na vhodnou molekulu umožňující detekci. Metody kapalinové chromatografie obvykle využívají i účinků dithiothreitolu, který uvolní vázanou síru jako sulfid následně reagující s p-fenylendiaminem a železitými ionty na fluoreskující derivát thionin [20]. Jiná metoda [21] využívá reaktivity sulfanové síry s molekulou siřičitanu za vzniku thiosulfátu. Tento produkt je následně derivatizován monobromobimanem a výsledný derivát je stanovován na HPLC.

Analytické postupy využívající plynovou chromatografii lze rozdělit do dvou skupin. První skupina metod využívá vazby atomu síry na organický fosfin, obvykle trifenylfosfin. Vzniklý trifenylfosfinsulfid je následně detekován. Druhá skupina metod využívá postupů alkylace za pomoci organických chloridů nebo bromidů.

Metoda vypracovaná na našem pracovišti využívá postupu extraktivní alkylace, která sdružuje extrakci sulfanové síry z biologického vzorku plné krve a její derivatizaci alkylačním činidlem pentafluorobenzylbromidem do jednoho preanalytického kroku [22]. Výsledky této metody (u zdravých dobrovolníků je zjišťována koncentrace 35-80 μmol/L) ukazují na její schopnost specifického stanovení celkové labilní síry a je v souladu s údaji popisovanými v literatuře. Zjištěná hodnota musí být interpretována jako výslednice vzniku labilní síry anaerobní fermentací v tlustém střevě a intracelulární produkcí a její metabolizací. Metabolizační procesy jsou neenzymatická oxidace, enzymatická oxidace a oxidace v dýchacím řetězci mitochondrií. Jedná se o metodu relativně jednoduchou, citlivou a splňující ostatní předpoklady k jejímu využití v klinickém výzkumu.

Donory sulfanové síry

Protože metabolismus sulfanové síry je porušen za řady patofyziologických stavů, její prekurzorové a donorové sloučeniny jsou předmětem výzkumu posledních 10 let.

Základním substrátem pro syntézu sulfanové síry in vivo je aminokyselina L-cystein, která je však ve vyšších koncentracích neurotoxická [23]. Další možností je aplikace methioninu, ale jeho přeměna L-cystein vyžaduje energii ve formě ATP. V následující kapitole se budeme věnovat N-acetylcysteinu, isothiokyanátům, kyselině lipoové a allylsulfidům a vývoji nových sloučenin schopných poskytovat sulfanovou labilní síru.

N-acetylcystein

N-acetylcystein je široce používaným lékem s antioxidačním účinkem. Molekulární mechanismus jeho účinku však ještě není zcela vysvětlen. Všeobecně je přijímáno, že N-acetylcystein je prekurzorem cysteinu a následně glutationu. Některé studie ukazují, že N-acetylcystein chrání před oxidativním stresem, ale neovlivňuje koncentrace glutationu [24]. Tato látka naopak přispívá ke zvýšení koncentrací sulfanové síry v tkáňových kulturách [25,26]. Předpokládaným mechanizmem je vznik sulfanu z acetylcysteinu cytoplazmatickými enzymy a následně je tento oxidován v mitochondriích na sulfanovou síru. Ta je v současné době považována za klíčový mediátor antioxidačního účinku a cytoprotektivních efektů N-acetylcysteinu.

Isothiokyanáty

Tyto látky jsou přítomny v rostlinách z čeledi brukvovitých (Brassicaceae), pro lidskou dietu je významná košťálová zelenina rodu brukev (Brassica spp.). Jedná se o hlávkové zelí, kapustu, kadeřávek, květák, brokolici a kedlubny. Molekulární struktura různých isothiokyanátů je R-N=C=S. Tyto látky se primárně vyvinuly v rostlinách k odpuzování býložravců, a protože jsou cytotoxické, jejich prekurzory glukosinoláty jsou skladovány v buňkách odděleně od enzymu myrosinázy, jejímž působením isothiokyanáty vznikají. Ke kontaktu enzymu s prekurzorem dochází až při mechanickém zhmoždění tkání. I když molekulární struktura principiálně ukazuje na přítomnost labilní síry, experimentální důkaz byl podán až v roce 2014 [27]. Navazující studie [28] hodnotila efekt 4-hydroxybenzylisothiokyanátu (z hořčičných semen) na proliferaci buněk v tkáňové kultuře a bylo zjištěno zvýšení koncentrací sulfanu a thiosulfátu.

Kyselina lipoová

Kyselina lipoová je další látkou užívanou jako léčivo, jejichž účinek je spojen s metabolizmem sulfanové síry. Tato kyselina je kofaktorem nejméně pěti enzymových systémů. Je syntetizována de novo všemi rostlinami a živočichy, avšak koncentrace v těchto dietních zdrojích jsou velmi nízké. K uvolnění sulfanové síry dochází při degradaci molekuly kyseliny lipoové, jak bylo prokázáno ve studii z roku 2008 [29]. V této studii byl zjištěn významný vzestup koncentrace sulfanové síry v srdci, játrech a ledvinách potkanů po aplikaci kyseliny lipoové. Další studie ukázala závislost protizánětlivého působení kyseliny lipoové na uvolnění sulfanové síry [30]. Bylo zjištěno, že vznik otoku tlapek laboratorních myší je inhibován kyselinou lipoovou, ale tento účinek je zrušen působením glibenklamidu. To poskytuje nepřímý důkaz o podílu sulfanové síry jako protizánětlivého mediátoru.

Allylsulfidy

Tyto látky jsou typické pro rostlinný rod česnek (Allium spp.) a typickým zástupcem těchto látek je allicin v česneku kuchyňském (Allium sativum). Jedná se o značně nestabilní látku sulfoxidové povahy, která se v řádu hodin spontánně mění na diallyldisulfid a diallyltrisulfid. Obě tyto látky jsou zdrojem sulfanové síry. Tyto látky jsou vhodným zdrojem sulfanové síry pro buňky lidského těla, mají dobrou biologickou dostupnost a sulfanová síra uvolněná především v jaterních buňkách je dále transportována ve formě hydropersulfidů albuminu [31]. To se však týká pouze jejich perorální aplikace v dietě. Při lokální aplikaci na slizniční povrchy nebo přímo na tkáně je komplikováno jejich určitou cytotoxicitou a lipofilní povahou. Je proto žádoucí připravit deriváty těchto látek s výhodnějšími biologickými vlastnostmi.

Diskuse

V tomto přehledu je nastíněn metabolický vznik a degradace sulfanové síry včetně možností jejího analytického stanovení. Jedná se o produkt metabolismu cysteinu s řadou regulačních funkcí na aktivitu enzymů pomocí persulfidace klíčových thiolových skupin. Zanedbat nelze ani vliv donorů labilní síry z potravy. Metoda stanovení využívaná naším pracovištěm pomocí extraktivní alkylace je velmi vhodná pro výzkum změn koncentrace sulfanové síry v jednotlivých patologických situacích. Vazba sulfanové síry na redukovaný glutathion velmi výrazně zvyšuje jeho antioxidační účinky. Sulfanová síra a vlastní sulfan jsou redoxním párem a v biologických systémech vždy existují společně. I když je přítomnost těchto látek v tělních tekutinách známa již řadu desítek let, řada regulačních funkcí antioxidačních a redoxních efektů zůstává stále nejasná.

I když balneologické účinky sulfanové síry nebyly předmětem tohoto sdělení, tisíciletá obliba sirných pramenů v různých částech světa pacienty trpícími především zánětlivými onemocněními různých orgánů je nejlepším důkazem nenápadných, ale přesto jednoznačných účinků těchto látek na patologické procesy.

Autoři prohlašují, že nejsou ve střetu zájmů.

Do redakce došlo 19. 6. 2022

Adresa pro korespondenci

doc. MUDr. Radomír Hyšpler, Ph.D.

Ústav klinické biochemie a diagnostiky

FN Hradec Králové

Sokolská 581

500 05 Hradec Králové

e-mail: RHyspler@lfhk.cuni.cz


Zdroje

1. Abdolrasulnia, R., Wood, J. L. Transfer of persulfide sulfur from thiocystine to rhodanese. Biochim. Biophys. Acta, 1979, 567, 135-143.

2. Sorbo, B. Enzymic transfer of sulfur from mercaptopyruvate to sulfate or sulfinates. Biochim. Biophys., 1957, 24, 324-329.

3. Ogasawara, Y., Isoda, S., Tanabe, S. Tissue and subcelullar distribution of bound and acid-labile sulfur, and the enzymic capacity for sulfide production in the rat. Biol. Pharm. Bull., 1994, 17, 1535-1542.

4. Kotke, S., Ogasawara, Y. Sulfur Atom in its Bound State Is a Unique Element Involved in Physiological Functions in Mammals. Molecules, 2016, 21, E1753.

5. Koj, A., Frendo, J. The aktivity of cysteine desulphhydrase and rhodanase in animal tissues. Acta Biochim. Pol., 1962, 9, 373-379.

6. Toohey, J. Sulfur singaling: is the agent sulfide or sulfane? Anal. Biochem., 2011, 413, 1-7.

7. Iciek, M., Wlodek, L. Biosynthesis and biological properties of compounds containing highly reactive, reduced sulfane sulfur. Pol. J Pharmacol., 2001, 53, 215-225.

8. Sawa, T., Ono, K., Tsutsuki, H., et al. Reactive cysteine persulphides: occurrence, biosynthesis, antioxidant aktivity, methodologies, and bacterial persulphide signalling. Adv. Microb. Physiol., 2018, 72, 1-28.

9. Parker-Cote, J., Rizer, J., Vakkalanka, J., et al. Challenges in the diagnosis of acute cyanide poisoning. Clin. Toxicol., 2018, 56, 609-617.

10. Everett, S., Folkes, L., Wardman, P., et al. Freeradical repair by a novel perthiol: reversible hydrogen transfer and perthiyl radical formation. Free Radic. Res., 1994, 20, 387-400.

11. Yang, G., Wu, L., Wang, R. Pro-apoptotic effect of endogenous H2S on human aorta smooth muscle cells. FASEB J, 2006, 20, 553-555.

12. Baskar, R., Bian, J. Hydrogen sulfide gas has cell growth regulatory role. Eur. J Pharmacol., 2011, 656, 5-9.

13. Katsouda, A., Bibli, S., Pyriouchou, A., et al. Regulation and role of endogenously produced hydrogen sulphide in angiogenesis. Pharmacol. Res., 2016, 113, 175-185.

14. Zhang, H., Liu, S., Tang, X., et al. H2S Attenuates LPS-induced acute lung injury by reducing oxidative/ nitrative stress and inflammation. Cell Physiol. Biochem., 2016, 40, 1603-1612.

15. Drapala, A., Koszelewski, D., Tomasova, L., et al. Parenteral Na2S, a fast-releasing H2S donor, but not GYY4137, a slow-releasing H2S donor, lowers blood pressure in rats. Acta Biochim. Pol., 2017, 64, 561-566.

16. Feliers, D., Lee, H., Kasinath, B. Hydrogen sulfide in renal physiology and disease. Antioxid. Redox. Signal, 2016, 25, 720-731.

17. Beltowski, J., Wojcicka, G., Jamroz-Wisniewska, A. Hydrogen sulfide in the regulation of insulin secretion and insulin sensitivity: Implications for the pathogenesis and treatment of diabetes mellitus. Biochem. Pharmacol., 2018, 149, 60-76.

18. Toohey, J. Sulfur signaling: is the agent sulphide or sulfane? Anal. Biochem., 2011, 413, 1-7.

19. Akaike, T., Ida, T., Wei, F., et al. Cysteinyl-tRNA synthetase governs cysteine polysulfidation and mitochondrial bioenergetics. Nat. Commun., 2017, 8, 1177.

20. Ogasawara, Y., Ishii, K., Togawa, T., et al. Determination of bound sulfur in serum by gas dialysis/ high-performance liquid chromatography. Anal. Biochem., 1993, 215, 73-81.

21. Ran, M., Wang, T., Shao, M., et al. Sensitive method for reliable quantification of sulfane sulfur in biological samples. Anal. Chem., 2019, 91, 11981-11986.

22. Hyšpler, R., Tichá, A., Indrová, M., Zadák, Z., Hyšplerová, L., Gasparič, J., Churáček, J. A simple, optimized method for the determination of sulphide in whole blood by GC-MS as a marker of bowel fermentation processes. J Chromatography B, 2002, 770, 255-259.

23. Janáky, R., Varga, V., Hermann, A., Saransaari, P., Oja, S. Mechanisms of L-cysteine neurotoxicity. Neurochem. Res., 2000, 25, 1397-1405.

24. Patriarca, S., Furfaro, A., Domenicotti, C., Odetti, P., Cottalasso, D., Marinari, U., Pronzato, M., Traverso, N. Supplementation with N-acetylcysteine and taurine failed to restore glutathione content in oxidative stress. Biochim. Biophys. Acta, 2005, 1741, 48-54.

25. Jurkowska, H., Wróbel, M. N-acetyl-L-cysteine as a source of sulfane sulfur in astrocytoma and astrocyte cultures: correlations with cell proliferation. Amino Acids, 2008, 34, 231-237.

26. Ezerina, D., Takano, Y., Hanaoka, K., Urano, Y., Dick, T. N-Acetyl cysteine functions as a fast-acting antioxidant by triggering intracellular H2S and sulfane sulfur production. Cell. Chem. Biol., 2018, 25, 447-459. e4.

27. Citi, V., Martelli, A., Testai, L., Marino, A., Breschi, M., Calderone, V. Hydrogen sulphide releasing capacity of natural isothiocyanates: is it a reliable explanation for the multiple biological effects of Brassicaceae? Planta Med., 2014, 80, 610-613.

28. Jurkowska, H., Wróbel, M. Inhibition of human neuroblastoma cell proliferation by N-acetyl-L-cysteine as a result of increased sulfane sulfur level. Anticancer Res., 2018, 38, 5109-5113.

29. Bilska, A., Dudek, M., Iciek, M., Kwiecień, I., Sokolowska-Jezewicz, M., Filipek, B., Wlodek, L. Biological actions of lipoic acid associated with sulfane sulfur metabolism. Pharmacol. Rep., 2008, 60, 225-232.

30. Dudek, M., Bilska-Wilkosz, A., Knutelska, J., Mogiiski, S., Bednarski, M., Zygmunt, M., Iciek, M., Sapa, J., Bugajski, D., Filipek, B., Wlodek, L. Are anti-inflammatory properties of lipoic acid associated with the formation of hydrogen sulfide? Pharmacol. Rep., 2013, 65, 1018-1024.

31. Iciek, M., Bilska, A., Ksiazek, L., Srebro, Z., Wlodek, L. Allyl disulfide as donor and cyanide as acceptor of sulfane sulfur in the mouse tissues. Pharmacol. Rep., 2005, 57, 212-218.

Štítky
Biochémia Nukleárna medicína Nutričný terapeut
Prihlásenie
Zabudnuté heslo

Zadajte e-mailovú adresu, s ktorou ste vytvárali účet. Budú Vám na ňu zasielané informácie k nastaveniu nového hesla.

Prihlásenie

Nemáte účet?  Registrujte sa