麥角硫因:一種抗氧化保健食品

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摘要

麥角硫因 (Ergothioneine, ERG) 是一種不常見的硫代組氨酸甜菜鹼氨基酸,具有強大的抗氧化活性。它由多種微生物合成,尤其是真菌(包括在蘑菇子實體中)和放線菌,但植物和動物不會分別通過土壤和飲食獲得它。動物已經為它進化出一種高度選擇性的轉運蛋白,稱為溶質載體家族 22,在人類中的成員 4 (SLC22A4),表明其重要性,麥角硫因甚至可能具有維生素的地位。根據 SLC22A4 的表達,麥角硫因在各種組織中的積累有所不同,有利於可能受到氧化壓力的紅細胞等組織。食用蘑菇的麥角硫因似乎可以有效預防多種系統中的氧化壓力。麥角硫因也具有很強的細胞保護作用,在許多慢性炎症疾病中其濃度降低。它已被監管機構認定為安全的,並且可能更普遍地具有作為營養品和抗氧化劑的價值。

麥角硫因 (ERG)是一種重要的營養素,可能是維生素的一種。此類營養素當添加量高於正常飲食通常提供的濃度時會提供健康益處,被稱為營養保健品。在這樣的營養品,也被稱為“功能食品”,這在過去的幾十年裡極大地增加我們的飲食健康狀況的重要功能認識,因此在營養學研究評論的期刊中將其廣泛的生物學知識彙整,以便可以更容易地了解它。

圖1. 麥角硫因(ERG)的功能概述。

麥角硫因 (Ergothioneine, ERG)論述備註
發現歷史Charles Tanret 於 1909 年在調查麥角真菌Claviceps purpurea 時發現的。 (IUPAC) 的名稱為(2S)-3-(2-thioxo-2,3-dihydro-1H-imidazol-4-yl)-2-(trimethylammonio)propanoate。
生物合成真菌和某些酵母菌,以及放線菌和某些其他微生物。高等植物含有它但不合成它;相反,它們和其他生物從土壤中的真菌生產。
生理分布紅血球、骨髓、肝臟和腎臟、精液以及眼睛的晶狀體和角膜。被認為具有氧化壓力潛力的組織中的分佈特別高。
ERG的轉運蛋白一種溶質載體,稱為 SLC22A4(人類版本為 Uniprot Q9H015)。SLC22A4甚至在微生物系統中也能很好地表達,並且對氨基酸置換具有廣泛的耐受性。
在真菌中扮演的角色ERG 可以起到抗氧化劑的作用,也可以作為緩解壓力的緩衝劑。可能抑制氧化酶酪氨酸酶。
天然食物來源及麥角硫因含量金頂側耳 (10.65 mg/g DM)最高,秀珍菇(4 mg/g DM),香菇 (約 1 mg/g DM),美味牛肝菌 (> 7 mg/g DM)。天貝(tempeh) 是一種固體底物低孢根黴發酵的結果,也含有高水平的 ERG。
安全已被歐洲,日本等地食品標準局宣佈為安全。即使在非常高的劑量,它也缺乏在這樣的測定任何可檢測的致突變性或遺傳毒性。
分析毛細管電泳或色譜法與吸光度耦合,螢光檢測,電化學檢測或MS。麥角硫因僅在 275-276°C 下分解,可使其在接近沸水的溫度下隔離。由其酸鹼滴定的可逆性判斷,它對極端的 pH 值也很穩定。
血清和其他濃度典型值為 20–100 µg/ml。麥角硫因也存在於精液和人類母乳中。 也存在於晶狀體中,在白內障患者中其濃度較低。
代謝和排泄麥角硫因被代謝和排泄十分緩慢。尿排泄很少 (<4 %)。
SLC22A4 的作用與缺血性中風相關、紅血球分化、聽力損失、類風濕關節炎、狼瘡、克羅恩氏病、 1 型糖尿病和胚胎糖尿病相關。疾病共通點為涉及氧化壓力、炎症和細胞死亡的機制。
細胞保護在高濃度,麥角硫因被視為一種出色的細胞保護劑。可抵禦各種細胞損傷。
氧化壓力減少大鼠肝臟和腎臟中的氧化壓力。從β-澱粉樣蛋白誘導的細胞凋亡中拯救細胞,防止棕櫚酸誘導的細胞死亡,氯化汞誘導的細胞死亡與功能障礙,並防止銅誘導的 DNA 氧化損傷。
治療慢性炎症性疾病?麥角硫因是一種有用的抗氧化劑,在疾病,如急性呼吸窘迫綜合徵,CVD、慢性阻塞性肺疾病、先兆子癇、過度水合遺傳性口細胞增多症,並且在某些白血病等其他疾病中顯著降低。麥角硫因消耗與長壽之間存在顯著關係與較低的冠心病風險。
神經系統疾病與認知功能麥角硫因已被證明對認知功能具有非常顯著的影響。每週食用 麥角硫因5毫克與輕度認知障礙(失智前期)的發生率減半有關,而每週攝入 9 份則減少五倍。
加工食品中作為抗氧化劑的用途麥角硫因抑制多酚氧化酶。麥角硫因已被用於日本對蝦與螃蟹中的黑變病。
在化妝品中的應用麥角硫因也被廣泛使用,因為很多皮膚損傷是由紫外線介導的活性氧產生造成的。麥角硫因被稱為皮膚保護劑。

表格1. 麥角硫因的研究整理。

麥角硫因的發現與結構

麥角硫因(ERG) 是一種有點不常見的甜菜鹼氨基酸。它是由 Charles Tanret 於 1909 年在調查麥角真菌Claviceps purpurea 時發現的。它也被稱為 2-巰基組氨酸三甲基甜菜鹼,其正式的國際純粹與應用化學聯盟 (IUPAC)稱為(2S)-3-(2-thioxo-2,3-dihydro-1H-imidazol-4-yl)-2-(trimethylammonio)propanoate。

麥角硫因的生物合成與生理分布

麥角硫因(ERG)的一個特殊特徵是,雖然它或多或少普遍分佈在高等生物中,但高等生物無法合成,實際上它是一種外源性的維生素。能夠合成它的主要生物體是真菌(菇類)和某些酵母菌,以及放線菌和某些其他微生物。生物通過轉運蛋白介導的攝取獲得麥角硫因。因此高等植物含有它但不合成它;動物也被認為不會生物合成它,而是使用特定的轉運蛋白通過它們吃的植物和動物來積累它。

此外,純l- ERG 已可化學合成,基因工程微生物的發酵也能順利表達。ERG 合成的初步努力是在粟酒裂殖酵母中使用egt1在誘導型啟動子下過表達進行的。導致長時間靜止的 N 飢餓和葡萄糖飢餓條件導致最大 ERG 產量為 1606.3 µm,而野生型菌株產生 0.3 µm。水生甲基桿菌菌株、 表達恥垢分枝桿菌等均能透過基因工程法產生合成的麥角硫因,最近,麵包酵母Saccharomyces cerevisiae的遺傳工程也被用於生產ERG。

在分化的生物體中,組織間溶質轉運蛋白的分佈特別是異質的,預計 SLC22A4 和 ERG 也可能分佈不均。它們在被認為在具有氧化壓力潛力的組織中的分佈特別高,例如大腦中的海馬迴、紅血球、骨髓、肝臟和腎臟、精液以及眼睛的晶狀體和角膜,因此推估麥角硫因度這些組織有特殊的作用。

大多數麥角硫因是在全血中的紅血球中,有趣的是,麥角硫因也存在於精液和人類母乳中, 雖然尚未證明麥角硫因與雄性生育能力之間的可能相關性,但有研究指出麥角硫因改善了雌性乳牛和綿羊的卵母細胞質量和成熟度。此外,麥角硫因也存在於晶狀體中,尤其在白內障患者中其濃度較低。

麥角硫因具特定轉運蛋白SLC22A4(OCTN1)

一種溶質載體,以前稱為有機陽離子轉運蛋白 N1 (OCTN1),現在稱為 SLC22A4(人類版本為 Uniprot Q9H015),這是一種具有三個糖基化位點的 551 個氨基酸轉運蛋白,具有特殊意義。在一篇真正具有開創性的論文中,Gründemann等人是轉運蛋白機轉的發現者。他們在血清中培養了兩種細胞。第一個是正常HEK293細胞,不具顯著水平表達轉運蛋白 SLC22A4,第二個是被設計過具顯著表達的轉運蛋白。發現SLC22A4對麥角硫因的吸收速度比四乙基銨快 100 倍,從而將 SLC22A4 指定為“ERG 轉運蛋白”。SLC22A4甚至在微生物系統中也能很好地表達,並且對氨基酸置換具有廣泛的耐受性。這特性也使其成為潛在的有趣藥物靶標。

麥角硫因的天然來源-菇類

儘管燕麥等各種食品都含有麥角硫因,因為它們是從外源性來源中攝取的,但實際上蘑菇才是人類外源性攝入的主要來源。儘管不同的蘑菇通常含有不同的含量,而且這些含量會隨著生理或環境條件而變化。麥角硫因含量最高的菇類第一為金頂側耳Pleurotus citrinopileatus ( 10.65 mg/g DM),其次為美味牛肝菌(Boletus edulis , 7 mg/g DM),秀珍菇(Pleurotus spp.,高達 4 mg/g DM),香菇 ( Lentinula edodes , 約 1 mg/g DM)和普通蘑菇(0.4 mg/g  DM)。

儘管很多研究已經證明蘑菇的營養和健康益處及其抗氧化活性,但比較少試圖解構它們的成分,如麥角硫因(ERG),但顯然麥角硫因是主要的蘑菇天然抗氧化劑。

安全性高

眾所周知蘑菇等生產者會產生許多次生代謝物,個體之間的攝入量差異很大,然而,許多高劑量研究表明,麥角硫因對哺乳動物來說是安全的,並已被日本和歐洲食品標準局等相關委員會宣佈為安全。即使在非常高的劑量,也沒有檢測到致突變性或遺傳毒性等危險因素。

長效

麥角硫因被代謝十分緩慢。在最近的一項詳細研究中,Cheah等人對人類志願者每天服用 5-25 毫克麥角硫因,持續 7 天。觀察到尿中很少麥角硫因被代謝 (<4 %),在老鼠身上也有類似的觀察。

在人體研究中,氧化壓力的各種其他生物標誌物(例如,脂質過氧化產生的 8-iso-PGF2α)同時降低,證明麥角硫因在體內的抗氧化功能,儘管在這種情況下,健康的年輕受試者可能沒有遭受氧化壓力。個體之間的攝取也存在相當多的差異,大概反映了他們轉運蛋白SLC22A4 表達的差異。放射性土壤桿菌 ( 403 )和其他細菌( 404 – 409 )含有麥角硫磷酶,可將麥角硫因 (ERG) 降解為硫脲烷酸 (3-(1H-imidazol-5-yl)prop-2-enethioic S-acid) 和三甲胺,這也意味著此類細胞具有一種或多種麥角硫因 (ERG) 轉運蛋白。其中硫脲烷酸又可進一步降解為谷氨酸(或稱麩胺酸)是動物體內中樞神經系統的一種重要的興奮性神經傳遞物。

麥角硫因的明顯健身益處和生物活性

麥角硫因的轉運蛋白SLC22A4中的研究中,多與缺血性中風、紅血球分化、聽力損失、類風濕關節炎、狼瘡、克羅恩氏病、 1 型糖尿病和胚胎糖尿病等研究相關。這些疾病的多樣性自然而然地說明了一個廣泛而共同的潛在原因,其中最簡單的原因涉及氧化壓力、炎症和細胞死亡的機制。

麥角硫因的細胞保護力

高濃度麥角硫因被視為一種出色的細胞保護劑,可抵禦各種細胞損傷。

麥角硫因的抗氧化、抗發炎能力

麥角硫因已被證明可以減少大鼠肝臟和腎臟中的氧化壓力,從β-澱粉樣蛋白誘導的細胞凋亡中拯救細胞,防止棕櫚酸誘導的細胞死亡,氯化汞誘導的細胞死亡與功能障礙,並防止銅誘導的 DNA 氧化損傷。它對多種分子的氧化具有保護作用,包括蝦青素,並在非酒精性脂肪性肝病豚鼠模型中大量積累,在心肌梗塞小鼠模型中大量積累。和心力衰竭,以及在大鼠視神經擠壓模型中。它用於抵抗 H 2 O 2誘導的細胞死亡,連苯三酚-誘導的毒性,順鉑或奧沙利鉑引起的的毒性,葡萄糖誘導的衰老,以及脂多醣 (LPS)誘導的炎症。特別是,它對缺血-再灌注損傷具有保護作用,並可能用於延長儲存血液的壽命。這種抗氧化活性是其核心。

可以說這是因為名義上的抗氧化劑分子如抗壞血酸鹽具有復雜的多電子氧化還原化學,並且實際上可以充當促氧化劑,尤其是在存在游離 Fe或 Cu 的情況。這不是ERG的問題,但是,部分是因為它能螯合它們,ERG水平降低,或ERG已經被提出作為一種有用的抗氧化劑,在疾病,如急性呼吸窘迫綜合徵,CVD、慢性阻塞性肺疾病、先兆子癇、過度水合遺傳性口細胞增多症,並且在某些白血病等其他疾病中顯著降低。

麥角硫因與長壽的關係

炎症和氧化壓力齊頭並進,因為活性氧物質(以及可導致其產生的細菌細胞壁成分等物質)會導致炎症細胞因子的產生。儘管許多慢性炎症性疾病被認為具有氧化壓力成分,但用抗壞血酸等抗氧化劑治療在歷史失敗的,效果比安慰劑更差。造成這種情況的證據來自多種來源,包括在人受試者中的代謝物的測量,和干預研究在動物和細胞。

然而麥角硫因(ERG)消耗與長壽之間卻存在顯著關係,在一項有 3236 名參與者的瑞典研究中,麥角硫因被稱為與“健康意識食物模式”最密切相關的代謝物’ ,而且受試者有較低的冠心病風險。

麥角硫因改善神經系統疾病與認知功能

在人類實驗中,麥角硫因對神經系統疾病的改善證據,經由雙盲、對照臨床試驗和橫斷面研究指出,每天食用5毫克麥角硫因可使輕度認知障礙(失智症前期)的認知功能獲得改善。目前觀察到帕金森病患者的腦和血清中麥角硫因的濃度水平顯著低下,可能是缺乏了麥角硫因對 β-澱粉樣蛋白誘導的神經元損傷和細胞毒性的保護力。此外,麥角硫因還有抗憂鬱的相關證據,這方面的證據來自小鼠的實驗。

麥角硫因在化妝品中的應用

皮膚等組織也會“老化”,因此麥角硫因也可被應用於化妝品,因為很多皮膚損傷是由紫外線介導的活性氧產生造成的,麥角硫因可作為皮膚保護劑。

結論

人們越來越意識到,可以通過攝入量高於正常水平的營養素來增強健康,這些被稱為機能營養保健品。麥角硫因是一種強效且有效的抗氧化劑,更是重要的營養素。 麥角硫因具有特定轉運蛋白SLC22A4 來增益麥角硫因的吸收並產生對身體有益的諸多功效。

麥角硫因無法從身體自動產生,它是外源性攝取的,而蘑菇普遍都還有麥角硫因,其中含量最高的天然菇類為金頂側耳Pleurotus citrinopileatus ( 10.65 mg/g DM),其天然、安全、長效的特性可以帶來抗氧化、抗發炎、改善失智症前期認知功能、改善憂鬱症等多重益處。

#樂憶家金頂側耳 #麥角硫因

參考文獻

Borodina, I., Kenny, L. C., McCarthy, C. M., Paramasivan, K., Pretorius, E., Roberts, T. J., … & Kell, D. B. (2020). The biology of ergothioneine, an antioxidant nutraceutical. Nutrition Research Reviews33(2), 190-217.

The biology of ergothioneine, an antioxidant nutraceutical

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