Abstrakt

Organizm człowieka dysponuje wieloma mechanizmami obronnymi, które neutralizują szkodliwe działanie reaktywnych form tlenu. Ważną rolę w zmniejszaniu uszkodzeń oksydacyjnych pełnią antyoksydanty. Do silnych antyoksydantów należą karotenoidy, zbudowane z 11 sprzężonych wiązań podwójnych, dzięki którym można je zaliczyć do grupy poliizoprenoidów. Mogą występować w postaci acyklicznej, monocyklicznej lub bicyklicznej. Do grupy karotenoidów, charakteryzujących się najsilniejszymi właściwościami antyoksydacyjnymi, należą: astaksantyna, likopen, luteina oraz β-karoten. Karotenoidy dzięki dobrym właściwościom antyoksydacyjnym znalazły szerokie zastosowanie w medycynie, przemyśle farmaceutycznym i kosmetycznym. Związki te charakteryzują się dużą aktywnością, zarówno wobec reaktywnych form tlenu, jak i wolnych rodników. Porównując β-karoten, astaksantynę i likopen z innymi antyoksydantami (np. witaminą C i E) można stwierdzić, że związki te wykazują większą aktywność antyoksydacyjną np. wobec tlenu singletowego. Astaksantyna jest silniejszym antyoksydantem w porównaniu do β-karotenu, witaminy E i witaminy C, odpowiednio 54, 14 i 65 razy. Karotenoidy mają zbawienny wpływ na nasz organizm, czynią go bardziej odpornym i silnym do walki z chronicznymi chorobami. W pracy omówiono literaturę dotyczącą wolnych rodników, ich niekorzystnego działania na organizm człowieka oraz karotenoidów, jako silnych, naturalnych antyoksydantów.

Wstęp

Wolne rodniki

Tlen (oxygenium) jest składnikiem powietrza (20,95% obj.), wody (89% mas.) i litosfery (46,5% mas.), reaguje ze związkami organicznymi, pobierając od nich elektron, utlenia je, a jednocześnie ulega redukcji. Jako cząsteczka może występować w stanie singletowym (postać bez niesparowanych elektronów: O::O lub O=O oznaczanym symbolicznie jako 1 O2 ) i trypletowym (postać podstawowa, dwurodnik, · O:O· lub · O-O· oznaczany także jako 3 O2 ) [32,59,76].

W wyniku fotoutleniania, stresu fizjologicznego, a nawet zwykłego działania systemu odpornościowego, organizm człowieka może wygenerować szkodliwe formy tlenu. Zaliczamy do nich bardziej reaktywne niż tlen cząsteczkowy: nadtlenki organiczne i  nieorganiczne, tlen singletowy oraz wolne rodniki [5,13,40,46]. Tlen singletowy jest stanem wzbudzonym tlenu cząsteczkowego i powstaje podczas prawidłowych procesów biologicznych, zachodzących w organizmach. Charakteryzuje się długim czasem życia oraz dużą reaktywnością. Aby z powrotem przeszedł do stanu podstawowego, nadmiar energii musi przekazać innej cząsteczce, np. antyoksydantowi, a proces taki nazywa się wygaszaniem [8,53].

Rodniki nadtlenkowe powstają z tlenu podstawowego w wyniku przejęcia elektronu (ryc. 1). Mogą się z nich wygenerować kolejne niebezpieczne cząsteczki, takie jak: anionorodnik ponadtlenkowy O2 ·- oraz produkty jego przemiany, tj. rodnik hydroksylowy · OH, nadtlenek diwodoru H2 O2, które atakują białka, kwasy nukleinowe oraz kwasy tłuszczowe, prowadząc do ich uszkodzeń [13]. Wolne rodniki są strukturami, które zawierają niesparowany elektron. Podobnie jak tlen singletowy charakteryzują się dużą reaktywnością elektronów, zdolnością do kompilacji z innymi rodnikami oraz dysmutacji [16,40]. Wolne rodniki mogą przyjmować postać:

• reaktywnych form tlenu (ROS, reactive oxygen species):

– anionorodnik ponadtlenkowy (O2 ·-),

– rodnik wodoronadtlenkowy (HO2 · ),

– rodnik hydroksylowy (OH· )

– rodnik peroksylowy (RO2 · ),

• reaktywnych form azotu (RNS – reactive nitrogenspecies):

– anion nadtlenoazotanu(III) (ONOOˉ),

– rodnik tlenku azotu (NO· ),

• reaktywnych form siarki:

• rodnik tiolowy (RS· ),

•rodniki oksysiarkowe: RSO· (sulfinylowy), RSO2 · (sulfonylowy), RSOO· (ponadtlenkowy tiolowy), RSO2 OO· (ponadtlenkowy sulfonylowy) [68],

• rodnik dwutlenku siarki (SO2 · ) [7,54].

Wśród reaktywnych form tlenu wyróżnia się:

• nadtlenek wodoru (H2 O2 ),

• tlen singletowy (1 O2 ),

• ozon (O3 ).

W celu uzupełnienia niedoborów, wolne rodniki pobierają brakujące elektrony od innych cząsteczek, dzięki czemu same stają się stabilne i  jednocześnie zostają wygenerowane nowe rodniki, które atakują kolejne cząsteczki. W ten sposób dochodzi do kaskady reakcji, które wiążą się z uszkadzaniem głównych składników komórkowych [13,46]. Anionorodnik ponadtlenkowy (tab. 1) jest słabym utleniaczem i silnym reduktorem. Stanowi prekursor dla reaktywnych form tlenu. Anionorodnik częściej wchodzi w reakcje z innymi rodnikami, niż ze strukturami biologicznymi, takimi jak białka i tłuszcze. Rodnik wodoronadtlenkowy jest stosunkowo silnym utleniaczem i dlatego może się przyczyniać do inicjacji peroksydacji lipidów. Dla organizmu ludzkiego jest to dodatkowe zagrożenie ze względu na dobrą przenikalność przez błony biologiczne [56].

W medycynie największe zainteresowanie budzą reaktywne formy tlenu (ROS) oraz rodniki wielonasyconych kwasów tłuszczowych. Najważniejszymi grupami cząsteczek uszkadzanych przez ROS są białka, DNA oraz lipidy. W  przypadku białek, ROS mogą utleniać m.in. reszty aminokwasowe czy grupy prostetyczne (np. centra Fe-S, grupy hemowe), natomiast uszkodzenia DNA obejmują uszkodzenia zasad azotowych, reszt cukrowych oraz pękanie nici [3]. Za uszkadzanie lipidów jest odpowiedzialny proces zwany peroksydacją lipidów. Wśród produktów peroksydacji znajdują się reaktywne związki odpowiedzialne za dalsze uszkodzenia biocząsteczek. Wyróżniono trzy mechanizmy peroksydacji lipidów: wolnorodnikowy, enzymatyczny oraz niezależny od wymienionych. W peroksydacji wolnorodnikowej biorą udział ROS: OH· , HO2 · , RO2 · , a w reakcji utleniania lipidów, niezależnej od enzymów i rodników, biorą udział 1 O2 i O3 , w wyniku czego powstają ROOH oraz cykliczne nadtlenki [55]. Działanie ROS w komórce nie musi się ograniczać jedynie do niekorzystnych działań [71]. Jeśli występują w stężeniu fizjologicznym, mogą odgrywać ważną rolę w prawidłowym funkcjonowaniu komórek (ryc. 2) [62]. Obecność ROS potwierdzono w wielu reakcjach metabolicznych: inaktywacji wirusów i bakterii, regulowaniu wzrostu komórek, sygnalizacji międzykomórkowej i  wewnątrzkomórkowej, tworzeniu hormonów tkankowych w postaci prostacyklin, tromboksanów i leukotrienów z  wielonasyconych kwasów tłuszczowych, aktywacji cytochromu P 450, aktywacji wielu genów [15]. Reaktywne formy tlenu wpływają także na czynnik rozkurczowy pochodzenia śródbłonkowego (EDRF – endothelium-derived relaxing factor), mają działanie rozszerzające lub obkurczające ściany naczyń krwionośnych, zwiększają przepuszczalność ścian naczyń włosowatych, stymulują transport glukozy do komórek, regulują syntezę prostanoidów w procesie oksygenacji i lipooksygenacji [24]. W organizmach żywych istotne jest utrzymywanie odpowiedniej homeostazy prooksydacyjno-antyoksydacyjnej.

Źródłem wolnych rodników mogą być również czynniki związane ze stylem życia. Do najważniejszych czynników egzogennych, zwiększających stres oksydacyjny, należą:

• palenie papierosów,

• picie alkoholu,

• przyjmowanie różnych leków,

• infekcje,

• niedobór antyoksydantów w diecie,

• nadmiar zanieczyszczeń chemiczych w diecie,

• promieniowanie radiacyjne,

• światło ultrafioletowe

, • substancje zanieczyszczające środowisko (O3 , NO3 , SO2 ),

• duża aktywność fizyczna [23].

Jak wynika z badań, wolne rodniki wywołują wiele zmian w procesach oksydoredukcyjnych organizmu. Lista schorzeń spowodowanych działaniem wolnych rodników jest długa i została przedstawiona w tabeli 2.

Karotenoidy i ich działanie antyoksydacyjne

Organizm człowieka dysponuje wieloma mechanizmami obronnymi, które neutralizują szkodliwe działanie reaktywnych form tlenu. Ważną rolę w zmniejszaniu uszkodzeń oksydacyjnych w organizmie człowieka pełnią antyoksydanty. Są to związki, które nawet przy bardzo niskim stężeniu, w  porównaniu do substratu, mogą opóźnić lub zapobiec jego utlenieniu [22]. Można je podzielić na dwie grupy związków. Pierwsze to antyoksydanty przerywające reakcje rodnikowe przez przekazanie rodnikom atomów wodoru lub elektronów, co prowadzi do powstania związków o większej stabilności. Do takich związków należą: fenole (galusany), hydrochinony, trihydroksybutylofenony i tokoferole. Do drugiej grupy zalicza się substancje, których działanie ma charakter synergistyczny. Są zdolne do wychwytywania tlenu oraz do chelatowania jonów biorących udział w tworzeniu się rodników. Ich aktywność polega na przekazywaniu wodoru do fenoksyrodników, przez co przywracana jest im pierwotna aktywność przeciwutleniająca. Do substancji wychwytujących tlen należą: kwas askorbinowy, palmitynian askorbylu, aminokwasy, flawonoidy, witamina A, karotenoidy i wiele innych [49]. Do najbardziej znanych naturalnych antyoksydantów należą karotenoidy, zidentyfikowano ich już ponad 700, z czego 60 występuje w codziennej diecie, a 20 można wykryć również we krwi [3,10,15,29]. Karotenoidy to substancje nadające barwę od żółtej do czerwonej, zarówno roślinom, jak i zwierzętom [19,23,29,39]. Można ich podzielić na: karoteny (węglowodory C40, np. α-karoten ((6’R)-b,e-karoten skrót: α-Car), β-karoten (b,b-karoten, β-Car), likopen (ψ,ψ-karoten, Lyc), β-Apo-8’-karotenal (β-ACA), torulen (3’,4’-didehydro-β,ψ-karotenTor), izorenieraten i ich tlenowe pochodne ksantofile (zawierające w cząsteczce tlen w postaci grup hydroksylowych, epoksydowych lub karbonylowych, np. zeaksantyna (skrót: Zea), luteina (3R,3’R,6’R- -luteina, Lut), astaksantyna (Ast), kantaksantyna (Can), echinenon (β,β-karoten-4-on, Ech), 3,3’-dimetoksyizorenieraten, (DMIR) [39]. Aby karotenoidy nadawały zabarwienie od żółtego do czerwonego, muszą mieć w łańcuchu minimum 7 wiązań podwójnych. Substancje, takie jak fitoen czy fitofluen, zawierające odpowiednio 3 i 5 wiązań podwójnych, są bezbarwne. W wyniku połączenia z niektórymi białkami (zwanymi karotenoproteinami) mogą przyjmować zabarwienie od niebieskiego przez purpurowe aż do zielonego. Takie kompleksy karotenoidów występują u morskich bezkręgowców [23,64].

Karotenoidy zbudowane z 11 sprzężonych wiązań podwójnych, dzięki którym można je zaliczyć do grupy poliizoprenoidów, są substancjami mało polarnymi [23,27,29]. Mogą występować w postaci acyklicznej, monocyklicznej lub bicyklicznej. W odróżnieniu od roślin, zwierzęta nie potrafią samodzielnie syntetyzować karotenoidów w wyniku procesów biochemicznych, dlatego substancje te muszą być dostarczane do organizmu z dietą [27,49,63]. Wchłaniane są przez jelita do krwi, która dzięki lipoproteinom transportuje je do różnych tkanek w organizmie [66]. Karotenoidy rozpuszczają się w tłuszczach, a parametr ten wpływa na wiele biologicznych procesów, takich jak fotosynteza u roślin, czy zdolność widzenia u zwierząt i człowieka (po uprzednim przekształceniu niektórych z nich do retinolu – wit. A) [11,29,34,37,38]. Związki te są syntetyzowane na dwa sposoby. Dziewięćdziesiąt pięć procent powstaje w wyniku procesu kondensacji 2 cząsteczek difosforanu digeranylu (GGPP, C20PP), z czego powstaje symetryczny szkielet fitoenu C40 (ryc. 3). Proces zachodzi w obecności syntazyfitoenu (PSY; phytoene synthase). Powstały fitoen ulega 4-stopniowej przemianie w reakcjach katalizowanych oksydazami, w wyniku których powstają cząsteczki likopenu. Dalsza reakcja cyklizacji prowadzi do utworzenia dwóch związków: α-karotenu i β-karotenu. β-Karoten może ulegać reakcji hydroksylacji i przekształcać się w zeaksantynę, natomiast α-karoten – w luteinę. Enzym epoksydazazeaksantynowy (ZEP; zeaxanthine poxidase) w dwustopniowej reakcji powoduje powstawanie z zeaksantyny anteraksantyny i wiolaksantyny [70]. U roślin wyższych wiolaksantyna jest przekształcana z udziałem syntazy neoksantynowej (NSY; neoxanthin synthase) w neoksantynę. Dzięki dużej ilości światła wiolaksantyna może ulec powrotnej przemianie w anteraksantynę za pomocą deepoksydazy wiolaksantynowej (VDE; violaxanthin de-epoxidase). Przemiana wiolaksantyny i zeaksantyny nazywana jest cyklem ksantofilowym. Przy częściowym niedoborze światła lub w ciemności przemiana zeaksantyny do wiolaksantyny jest przemianą uprzywilejowaną w jej wyniku powstaje duża zawartość wiolaksantyny [49]. W procesie kondensacji dwóch cząsteczek difosforanu farnezylu (FPP, C15PP) powstaje prawie 5% karotenoidów; tworzy się łańcuch zawierający 30 atomów węgla [47,65,75].

Karotenoidy występują w dużych ilościach w warzywach, przykładem mogą być: jarmuż, szpinak, czerwona papryka, marchew, biała i czerwona kapusta, brokuły, brukselka, kalafior, sałata, pomidor [74]. Mają cenne właściwości biologiczne, z których najlepiej jest udokumentowana ich aktywność prowitaminowa. Aktywność witaminy A wykazują tylko związki zawierające w swojej cząsteczce fragment o strukturze takiej samej jak retinol, czyli β-jonon. Największą aktywność karotenoidową wykazuje β-karoten, zawierający dwa pierścienie β-jononowe [73].

Wykazują także szeroki zakres działania antyoksydacyjnego. Zaliczane są zarówno do antyoksydantów prewencyjnych, jak i antyoksydantów interwencyjnych [25,34]. Karotenoidy mogą hamować działanie wolnych rodników za pomocą dwóch mechanizmów: (1) redukcji, w przypadku większości rodników (hydroksylowych, alkoksylowych, nadtlenków lipidów i fenoksylowych), wymiatanych przez β-karoten lub (2) utleniania, w przypadku anionu nadtlenkowego, który jest skutecznie wygaszany przez astaksantynę [2,73]. Karotenoidy powinny być zatem rozpatrywane jako potencjalne elektronoakceptory:

Car + O2 ·- ® Car·- + O2

jak i elektronodonory w warunkach stresu oksydacyjnego:

Car + O2 ·- ® Car·+ O2 2- .

Dlatego też ważnymi parametrami, określającymi właściwości utleniająco-redukujące są: wskaźnik akceptorów elektronów (Ra ) oraz wskaźnik donoru elektronów (Rd), które definiuje się w stosunku odpowiednio do atomów fluoru i sodu. W tabeli 3 przedstawiono klasyfikację zdolności akceptorowo-donorowych i wskazano związki, które są zarówno dobrymi akceptorami, jak i dobrymi donorami. Najskuteczniejszymi antyoksydantami zdolnymi do przerywania łańcucha utleniania lipidów są związki, będące dobrymi donorami elektronów, natomiast słabymi akceptorami elektronów. Astaksantyna jest dobrym akceptorem, ale złym donorem elektronów, dlatego nie dochodzi do przerwania łańcucha utleniania (jak na ryc. 4). Za tę cechę są odpowiedzialne grupy tlenowe występujące w strukturze astaksantyny [73].

Badania wykonane z wykorzystaniem radiolizy pulsacyjnej pozwoliły na ustalenie następującego szeregu łatwości transferu elektronów dla siedmiu biologicznie aktywnych kationorodników karotenoidów: astaksantyna> 8’-apo-β-karotenal>kantaksantyna> luteina > zeaksantyna>β,β-karoten>likopen. Likopen jest najsilniejszym reduktorem (najłatwiej zostaje utleniony), a astaksantyna, najsłabszym i działa, jak już wcześniej wspomniano, jako akceptor elektronów. Ważne podkreślenia jest również to, że luteina i zeaksantyna są redukowane przez likopen, ale nie przez β-karoten [19]. Jako antyoksydanty, karotenoidy mogą działać na trzy różne sposoby [25,34], tj. poprzez:

transfer elektronów (electron transfer, ET), w wyniku którego powstaje kationorodnik karotenoidowy (np. reakcja z NO2 ˙ + ):

Car + ROO· → Car·+ + ROOˉ

powstały kationorodnik karotenoidowy jest niereaktywny w odpowiednich warunkach biologicznych, nie oddziałuje z tlenem cząsteczkowym, ale ulega reakcji dysmutacji, w wyniku której powstaje kation karotenoidowy na drugim stopniu utlenienia oraz odtwarza się cząsteczka karotenoidu:

Car·+ → Car + Car 2+,

addycję, w wyniku której powstaje addukt rodnikowy (radical adduct formation, RAF) (np. reakcja z RS˙):

Car + ROO· → [ROO···Car]·

w tym przypadku następuje bezpośrednia addycja wolnego rodnika do nienasyconego łańcucha karotenoidu, w efekcie czego powstaje struktura stabilna rezonansowo, która również charakteryzuje się brakiem reaktywności wobec tlenu, przeniesienie atomu wodoru na rodnik (hydrogen atom transfer, HAT) (np. reakcja z · OH):

Car(H) + ROO· → Car· + ROOH [16,39,58].

Ogólnie przyjmuje się, że zdolność karotenoidów do zmiatania ROS wynika z redukcji anionorodnika ponadtlenkowego i wytworzenia anionorodnika karotenoidów oraz tlenu cząsteczkowego. Badania Galano i wsp. wykazały, że astaksantyna jest lepszym zmiataczem wolnych rodników niż likopen [26,59].

W badaniach nad skutecznością antyoksydantów wykorzystuje się ich zdolność do dezaktywacji wolnych rodników. Jedną z częściej stosowanych metod jest metoda z użyciem odczynnika DPPH (1,1-difenylo-2-pikrylohydrazylu), który jest stabilnym wolnym rodnikiem. Ma niesparowany elektron na powłoce walencyjnej na jednym z atomów azotu, tworzących mostek azotowy [14]. DPPH tworzy stabilny kationorodnik (fioletowy kolor), a w reakcji z substancją, która może oddać atom wodoru, tworzy postać zredukowaną DPPH (bezbarwny roztwór). Spadek absorbancji jest proporcjonalny do ilości postaci utlenionej DPPH, jaka pozostaje w roztworze. Produkty peroksydacji lipidów oznacza się także metodą spektrofotometryczną przez pomiar ilości związków reagujących z kwasem tiobarbiturowym (TBARS). Równie chętnie wykorzystywaną metodą jest test, w którym wolnym rodnikiem jest związek ABTS. Zastosowanie odczynnika ABTS [2,2’-azobis(3- etylobenzotiazolino-6-sulfonianu)] umożliwia pomiar całkowitej aktywności antyoksydacyjnej próbek. Rodniki generowane podczas reakcji mają barwę niebieskozieloną, antyoksydanty powodują redukcję kationorodników w stopniu zależnym od czasu trwania reakcji, stężenia przeciwutleniacza oraz jego aktywności (następuje zanik barwy roztworu). W tabeli 4 przedstawiono aktywność antyoksydacyjną karotenoidów w różnych układach pomiarowych, opisanych powyżej [52,69].

Spośród karotenoidów najskuteczniejszym zmiataczem ABTS.+ i DPPH okazał się likopen, który wykazuje dużą aktywność antyoksydacyjną w  stosunku do lipidów w liposomach. Działanie karotenoidów polega głównie na zapobieganiu utleniania frakcji lipoprotein o  niewielkiej gęstości (low density lipoprotein, LDL), cholesterolu i obniżeniu ogólnego stężenia cholesterolu, a w konsekwencji na ograniczaniu ryzyka wystąpienia chorób układu krążenia (cardiovascular disease,CVD). Dzięki badaniom epidemiologicznym wykazano silny związek między spożyciem świeżych owoców a zmniejszeniem się ryzyka choroby wieńcowej. Do najbardziej aktywnych antyoksydantów, chroniących frakcję LDL należą: likopen, luteina, β-karoten, kryptoksantyna i zeaksantyna [17,24].

Związki te wykazują również działanie antymutagenne i przeciwnowotworowe, dotyczy to zwłaszcza raka płuc. Dzięki karotenoidom starzenie organizmu opóźnia się, skóra szybciej się regeneruje, staje się nawilżona i odżywiona. α-Karoten lepiej niż inne karotenoidy hamuje proliferację komórek [15,31,51,67]. Niżej opisano najbardziej znane karotenoidy, ich właściwości oraz działanie antyutleniające.

Likopen

Likopen (C40H56) jest jednym z najważniejszych przedstawicieli karotenoidów (ryc. 5) [9]. Rozpuszcza się w tłuszczach, heksanie, chloroformie, acetonie, eterze i innych rozpuszczalnikach organicznych. Charakteryzuje się czerwoną barwą, absorbuje światło o długości fali λ= 466-472 nm. Likopen jest nienasyconym węglowodorem polienowym, zbudowanym z  40 atomów węgla, zawiera 11 sprzężonych i 2 niesprzężone podwójne wiązania (ryc. 5). Oba pierścienie jononowe są otwarte, przez co likopen nie ma właściwości prowitaminy A. Wiązania podwójne, zawarte w likopenie, ulegają izomeryzacji z pozycji all-trans do mono- lub policis izomerów pod wpływem światła, temperatury oraz reakcji chemicznych [9,36].

Głównym zadaniem likopenu w komórkach roślinnych i mikroorganizmach jest pochłanianie światła i udział w procesach fotosyntezy [58,61,66]. Bardzo często jest związkiem pośrednim w biosyntezie licznych karotenoidów [73]. Źródłem likopenu w  diecie są warzywa o czerwonej barwie oraz niektóre owoce [6]. Badania potwierdzają korzystne działanie likopenu, skutkujące zmniejszeniem zachorowalności na raka przełyku, żołądka, okrężnicy, odbytnicy, a także w mniejszym stopniu na raka jamy ustnej, gardła, raka stercza i raka szyjki macicy [60].

Luteina

Luteina należy do ksantofili [73], związek ten jest nienasyconym węglowodorem polienowym, zbudowanym z ośmiu reszt izoprenowych, tworzących łańcuch węglowy o  40 atomach węgla i  dwóch grupach –OH w pierścieniach β- i ε-jononowych (ryc. 6). Charakteryzuje się większą polarnością niż pozostałe karotenoidy, ze względu na obecność grup hydroksylowych w pier- ścieniu węglowym [41]. Nie ulega przekształceniu do witaminy A. Luteina jest związkiem dobrze rozpuszczalnym w  tłuszczach i  rozpuszczalnikach organicznych, charakteryzuje się barwą żółto-pomarańczową, absorbuje światło o długości fali λ= 444-448 nm [43]. Wiele wiązań podwójnych, występujących w  alifatycznym łańcuchu cząsteczki luteiny, umożliwia tworzenie licznych izomerów geometrycznych [18]. Luteina występuje w żółtych i pomarańczowych warzywach i owocach oraz zielonych liściach warzyw, w których zawartość omawianego związku jest maskowana przez zielony barwnik chlorofil [42,72].

Likopen i  luteina zwiększają syntezę białek budujących połączenia typu neksus, zapobiegając tworzeniu się przerw w komunikacji i nie pozwalając na niekontrolowany wzrost nieprawidłowych komórek, również nowotworowych. Związki te wpływają na system immunologiczny, zwiększają liczbę komórek obronnych, limfocytów T oraz limfocytów T cytotoksycznych. W badaniach udowodniono, że dodatek luteiny do diety na poziomie 0,002-0,02% ogranicza ryzyko pojawiania się guzów sutka lub hamuje ich wzrost [57,78]. Przyczynia się również do obniżania zachorowalności na raka piersi u kobiet w okresie przedmenopauzalnym [21]. W organizmie człowieka luteina pełni dwie bardzo ważne funkcje, jest antyoksydantem oraz stanowi żółty filtr pochłaniający szkodliwe dla oka promieniowanie UV. Jako antyoksydant razem z zeaksantyną, neutralizuje wolne rodniki w oku i zapobiega zwyrodnieniu plamki żółtej, zwyrodnieniu barwnikowemu siatkówki oraz katarakcie [38].

Astaksantyna

Astaksantyna to jeden z najsilniejszych, nowo odkrytych bioaktywnych składników diety, niezbędnych do zachowania zdrowia. Zaopatrywanie organizmu w astaksantynę, pozwala skutecznie ograniczyć niekorzystne procesy utleniania i degradacji elementów komórkowych. Zwana również „królową karotenoidów”, jest ksantofilem, zawierającym w  strukturze chemicznej dwie grupy hydroksylowe oraz dwie grupy karbonylowe. Związek ten ma dwa chiralne centra (grupy hydroksylowe w pozycji S i *S), co prowadzi do czterech róż- nych konfiguracji: pary enancjomerów: 3S,3*S i 3R,3*R oraz pary tożsamych strukturalnie form mezo: 3S,3*R, 3R,3*S (ryc. 7) [48,50]. Dzięki swoistości budowy astaksantyna wykazuje silniejsze działanie antyoksydacyjne niż inne karotenoidy (astaksantyna>kantaksantyna>β- karoten>zeaksantyna) [48]. Astaksantyna nie wykazuje aktywności do witaminy A, ponieważ nie zawiera minimum jednego niepodstawionego pierścienia β-jononu, które muszą zawierać karotenoidy będące prowitaminą A [20]. Karotenoidy zawierające takie struktury przypominają budową trans-retinol, czyli aktywną postać witaminy A [30]. Astaksantyna charakteryzuje się fioletowym zabarwieniem. Występuje w ciele jednokomórkowych glonów, drożdży, łososi, pstrągów, kryli, krewetek, raków i innych skorupiaków, a także w piórach niektórych ptaków. Jest odpowiedzialna za czerwony kolor mięsa łososia i krewetek. Powszechnie występuje w ciele kriofilnych glonów, takich jak zawłotnia śnieżna [12,35]. Absorbuje światło o długości fali λ= 480 nm. Podobnie jak inne karotenoidy, jest substancją lipofilową [28].

Astaksantyna wykazuje następujące właściwości:

• przeciwdziała procesom starzenia i związanym z nimi zmianom (zmarszczki, wysuszenie skóry, piegi, plamy starcze, degradacja kolagenu),

• wzmacnia ochronę przeciwko promieniowaniu UV,

• zmniejsza stany zapalne,

• zwiększa siłę mięśni i przyspiesza ich regenerację,

• przeciwdziała nowotworom,

• wzmacnia ochronę przeciw wrzodom żołądka, wywołanym przez Helicobacter pylorii,

• działa ochronnie na wątrobę, serce, oczy, stawy i stercz,

• zmniejsza liczbę uszkodzeń DNA [33].

Moc astaksantyny, jako przeciwutleniacza, jest 14 razy silniejsza niż witaminy E, 54 razy silniejsza niż β-karotenu oraz 65 razy silniejsza niż witaminy C [37].

β-karoten

Charakteryzuje się żółtą barwą; absorbuje światło o długości fali λ= 450 nm; β-karoten wykazuje właściwości antyoksydacyjne. Źródłem pokarmowym β-karotenu są m.in. marchew, słodkie ziemniaki, papryka czerwona, arbuz, morele, dynia, brzoskwinia, papaja oraz szpinak [50,69]. β-karoten jest zbudowany z 40 atomów węgla, zawiera 11 sprzężonych i 2 niesprzężone podwójne wiązania (ryc. 8).

Właściwości β-karotenu:

• korzystnie wpływa na funkcjonowanie systemu immunologicznego,

• zapewnia prawidłowe funkcjonowanie narządu wzroku, zwłaszcza o zmierzchu,

• zmniejsza liczbę komórek nowotworowych w organizmie ludzkim,

• chroni wyściółkę przewodu pokarmowego i dróg oddechowych przed infekcjami,

• zapobiega rozedmie płuc i bronchitowi,

• odgrywa istotną rolę w profilaktyce przeciwmiażdżycowej, wpływając na obniżenie stężenia cholesterolu,

• warunkuje prawidłowe rogowacenie nabłonków,

• opóźnia procesy starzenia organizmu [11,31,77].

Na podstawie badań epidemiologicznych stwierdzono, że β-karoten ogranicza ryzyko zachorowania na choroby nowotworowe, ponadto hamuje promocję i progresję nowotworów [77]. Stwierdzono, że antyoksydant ten zwiększa wytwarzanie komórek cytotoksycznych, aktywuje je do wydzielania dużych ilości cytokin i ułatwia ich migrację do komórek rakowych. W taki sposób dochodzi do niszczenia proliferującej postaci guza. Wykazano również, że β-karoten ma właściwości supresji innych onkogenów. Pełni istotną rolę w kontroli aktywności genu p53. Ponadto β-karoten stymuluje niektóre białka szoku termicznego, np. hsp70 [77]. β-Karoten, spożywany w nadmiarze w postaci suplementów, ma właściwości prooksydacyjne i zwiększa u palaczy ryzyko nowotworu płuc [44].

Przypisy

• 1. Abheri Das S., Anisur R.M., Ghosh A.: Free radicals and their rolein different clinical conditions: an overview. Int. J. Pharma Sci. Res.,2010; 1: 185-192
  Google Scholar
• 2. Alvarez R., Vaz B., Gronemeyer H., de Lera A.R.: Functions, therapeuticapplications, and synthesis of retinoids and carotenoids. Chem.Rev., 2014; 114: 1-125
  Google Scholar
• 3. Andersson S.C.: Carotenoids, tocochromanols and chlorophylls in seabuckthorn berries and rose hips. Doctoral Thesis Swedish University ofAgricultural Sciences, Alnarp 2009
  Google Scholar
• 4. Apel K., Hirt H.: Reactive oxygen species: metabolism, oxidativestress, and signal transduction. Annu. Rev. Plant. Biol., 2004; 55: 373-399
  Google Scholar
• 5. Badarinath A.V., Mallikarjuna K., Madhu Sudhana Chetty C., RamkanthS., Rajan T.V., Gnanaprakash K.: A review on in-vitro antioxidantmethods: comparisons, correlations and considerations. Int. J. Pharm.Tech. Res., 2010; 2: 1276-1285
  Google Scholar
• 6. Bendich A.: Carotenoids and the immune response. J. Nutr., 1989;119: 112-115
  Google Scholar
• 7. Bland J.S.: Oxidants and antioxidants in clinic medicine. J. Nutr. Environ.Med., 1995; 5: 255-262
  Google Scholar
• 8. Blokhina O., Virolainen E., Fagerstedt K.V.: Antioxidants, oxidativedamage and oxygen deprivation stress: a review. Ann. Bot., 2003; 91:179-194
  Google Scholar
• 9. Bobrowska B., Olędzka R.: Współczesne poglądy na rolę żywieniowąluteiny i likopenu. Bromat. Chem. Toksykol., 2002; 35: 289-296
  Google Scholar
• 10. Boon C.S., McClements D.J., Weiss J., Decker E.A.: Factorsinfluencing the chemical stability of carotenoids in foods. Crit.Rev. Food Sci. Nutr., 2010; 50: 515-532
  Google Scholar
• 11. Burri B.J.: Beta-carotene and human health: a review of currentresearch. Nutr. Res., 1997; 17: 547-580
  Google Scholar
• 12. Capelli B.: Astaksantyna- naturalna astaksantyna królowąkarotenoidów. Cyanotech Corporation, Holualoa 2007
  Google Scholar
• 13. Carocho M., Ferreira I.C.: A review on antioxidants, prooxidantsand related controversy: natural and synthetic compounds,screening and analysis methodologies and future perspectives.Food Chem. Toxicol., 2013; 51: 15-25
  Google Scholar
• 14. Cybul M., Nowak R.: Przegląd metod stosowanych w analiziewłaściwości antyoksydacyjnych, Herba Polonica, 2008, 54; 68-78
  Google Scholar
• 15. Del Rio L.A., Corpas F.J., Sandalio L.M., Palma J.M., GomezM., Barroso J.B.: Reactive oxygen species, antioxidant systemsand nitric oxide in peroxisomes. J. Exp. Bot., 2002; 53: 1255-1272
  Google Scholar
• 16. Dharmaraj S., Dhevendaran K.: Application of microbial carotenoidsas a source of colouration and growth of ornamentalfish Xiphophorus helleri. World J. Fish Marine Sci., 2011; 2: 137-144
  Google Scholar
• 17. Drewnowski A., Kurth C., Holden-Wiltse J., Saari J.: Food preferences in human obesity: carbohydrates versus fats. Appetite,1992; 18: 207-221
  Google Scholar
• 18. Dwyer J.H., Navab M., Dwyer K.M., Hassan K., Sun P., ShircoreA., Hama-Levy S., Hough G., Wang X., Drake T., Merz C.N.,Fogelman A.M.: Oxygenated carotenoid lutein and progressionof early atherosclerosis: the Los Angeles atherosclerosis study.Circulation, 2001; 103: 2922-2927
  Google Scholar
• 19. Edge R., Land E.J., McGarvey D., Mulroy L., Truscott T.G.:Relative one electron reduction potentials of carotenoid radicalcations and the interactions of carotenoids with the vitamin Eradical cation. J. Am. Chem. Soc., 1998; 120, 4087-4090
  Google Scholar
• 20. El-Agamey A., Lowe G.M., McGarvey D.J., Mortensen A., PhillipD.M., Truscott T.G., Young A.J.: Carotenoid radical chemistryand antioxidant/pro-oxidant properties. Arch. Biochem. Biophys.,2004; 430, 37-48
  Google Scholar
• 21. El-Raey M.A., Ibrahim G.E., Eldahshan O.A.: Lycopene andlutein: a review for their chemistry and medical uses. Journal ofPharmacognosy and Phytochemistry, 2013; 2: 245-254
  Google Scholar
• 22. Fiedor J., Burda K.: Potential role of carotenoids as antioxidantsin human health and disease. J. Nutrients, 2014; 6: 466-488
  Google Scholar
• 23. Fratianni A., Cinquanta L., Panfili G.: Degradation of carotenoidsin orange juice during microwave heating. Food Sci. Technol.,2010; 43: 867-871
  Google Scholar
• 24. Furchgott R.F., Vanhoutte P.M.: Endothelium-derived relaxingand contracting factor. FASEB J., 1989; 3: 2007-2018
  Google Scholar
• 25. Galano A.: Relative antioxidant efficiency of a large series ofcarotenoids in terms of one electron transfer reactions. J. Phys.Chem. B, 2007; 111: 12898-12908
  Google Scholar
• 26. Galano A., Vargas R., Martinez A.: Carotenoids can act as antioxidantsby oxidizing the superoxide radical anion. Phys. Chem.Chem. Phys., 2010; 12: 193-200
  Google Scholar
• 27. Geens A., Dauwe T., Eens M.: Does anthropogenic metal pollutionaffect carotenoid colouration, antioxidative capacity andphysiological condition of great tits (Parus major)? Comp. Biochem.Physiol. C Toxicol. Pharmacol., 2009; 150: 155-163
  Google Scholar
• 28. Grajek W.: Rola przeciwutleniaczy w zmniejszeniu ryzykawystąpienia nowotworów i chorób układu krążenia. Żywność,Nauka, Technologia, Jakość, 2004; 1: 3-11
  Google Scholar
• 29. Gryszczyńska A., Gryszczyńska B., Opala B.: Karotenoidy.Naturalne źródła, biosynteza, wpływ na organizm ludzki. Post.Fitoter., 2011; 12: 127-143
  Google Scholar
• 30. Guerin M., Huntley M.E., Olaizola M.: Haematococcus astaxanthin:applications for human health and nutrition. Trends Biotechn.,2003; 21: 210-216
  Google Scholar
• 31. Guz J., Dziaman T., Szpila A.: Czy witaminy antyoksydacyjnemają wpływ na proces karcynogenezy? Postępy Hig. Med. Dośw.,2007; 61: 185-198
  Google Scholar
• 32. Halliwell B., Zhao K., Whiteman M.: Nitric oxide and peroxynitrite.The ugly, the uglier and the not so good: a personalview of recent controversies. Free Radic. Res., 1999; 31: 651-669
  Google Scholar
• 33. Han R.M., Zhang J.P., Skibsted L.H.: Reaction dynamics offlavonoids and carotenoids as antioxidants. Molecules, 2012; 17:2140-2160
  Google Scholar
• 34. Igielska-Kalwat J., Gościańska J., Nowak I.: Antyoksydacyjnewłaściwości karotenoidów. Kosmetyka i Kosmetologia, 2013; 96: 3-4
  Google Scholar
• 35. Igielska-Kalwat J., Gościańska J., Nowak I.: Astaksantyna cennyskładnik preparatów kosmetycznych. Kosmet. Estet., 2013;2: 83-85
  Google Scholar
• 36. Igielska-Kalwat J., Gościańska J., Nowak I.: Use of lycopene indermocosmetics. Przem. Chem., 2014; 93: 1057-1240
  Google Scholar
• 37. Igielska-Kalwat J., Nowak J.: Zastosowanie kantaksantynyw przemyśle kosmetycznym, Dokonania Młodych Naukowców,Wrocław 2014
  Google Scholar
• 38. Igielska-Kalwat J., Wawrzyńczak A., Nowak I.: Karotenoidyi ich zastosowanie w przemyśle kosmetycznym. Chemik, 2012;66: 140-144
  Google Scholar
• 39. Juola F.A., McGraw K., Dearborn D.C.: Carotenoids and throatpouch coloration in the great frigatebird (Fregata minor). Comp.Biochem. Physiol. B Biochem. Mol. Biol., 2008; 149: 370-377
  Google Scholar
• 40. Kisała J.: Antyutleniacze pochodzenia roślinnego i syntetycznego- ich rola i właściwości. Zeszyt Naukowy, 2009; 11: 109-114
  Google Scholar
• 41. Krinsky N.I., Landrum J.T., Bone R.A.: Biologic mechanismsof the protective role of lutein and zeaxanthin in the eye. Annu.Rev. Nutr., 2003; 23: 171-201
  Google Scholar
• 42. Kwiatkowska E.: Luteina- źródło w diecie i potencjalna rolaprozdrowotna. Post. Fitoter., 2010; 58: 97-100
  Google Scholar
• 43. Lee, E.H., Faulhaber D. Hanson K.M., Ding W., Peters S., KodaliS., Granstein R.D.: Dietary lutein reduces ultraviolet radiationinducedinflammation and immunosuppression. J. Invest. Dermatol.,2004; 122: 510-517
  Google Scholar
• 44. Leja M., Mareczek A., Nanaszko B: Antyoksydacyjne wła-ściwości owoców wybranych gatunków dziko rosnących drzewi krzewów. Roczniki Akademii Rolniczej w Poznaniu, 2007; 327-331
  Google Scholar
• 45. Liang J., Tian Y.X., Yang F., Zhang J.P., Skibsted L.H.: Antioxidantsynergism between carotenoids in membranes. Astaxanthinas a radical transfer bridge. Food Chem., 2009; 115: 1437-1442
  Google Scholar
• 46. Lorenz R.T.: Astaxanthin nature’s super carotenoid. BioastinTechnical Bulletin, 2000; 62: 1-19
  Google Scholar
• 47. Lucas A., Morales J., Velando A.: Differential effects of specificcarotenoids on oxidative damage and immune response ofgull chicks. J. Exp. Biol., 2014; 217: 1253-1262
  Google Scholar
• 48. Martin H.D., Jaeager C., Ruck C., Schmidt M., Walsh R., Paust J.J.:Astaxanthin uptake in domestic dogs and cats. ESPEN, 1999; 52: 1-8
  Google Scholar
• 49. Moise A.R., Al-Babili S., Wurtzel E.T.: Mechanistic aspects ofcarotenoid biosynthesis. Chem. Rev., 2014; 114: 164-193
  Google Scholar
• 50. Mortensen A., Skibsted L.H., Sampson J., Rice-Evans C., EverettS.A.: Comparative mechanisms and rates of free radical scavengingby carotenoid antioxidants. FEBS Lett., 1997; 418: 91-97
  Google Scholar
• 51. Müller H., Bub A., Watzl B., Rechkemmer G.: Plasma concentrationsof carotenoids in healthy volunteers after interventionwith carotenoid rich foods. Eur. J. Nutr., 1999; 38: 35-44
  Google Scholar
• 52. Müller L., Frohlich K., Bohm V.: Comparative antioxidant activitiesof carotenoids measured by ferric reducing antioxidantpower (FRAP), ABTS bleaching assay (α TEAC), DPPH assay andperoxyl radical scavenging assay. Food Chem., 2011; 129: 139-148
  Google Scholar
• 53. Naguib Y.M.: Antioxidant activities of astaxanthin and relatedcarotenoids. J. Agric. Food Chem., 2000; 48: 1150-1154
  Google Scholar
• 54. Nguyen M.L., Schwartz S.J.: Lycopene: chemical and biologicalproperties. Food Technol., 1999; 53: 38-45
  Google Scholar
• 55. Niki E.: Lipid peroxidation: physiological levels and dual biologicaleffects. Free Radic. Biol. Med., 2009; 47: 469-484
  Google Scholar
• 56. Nowicka B., Kruk J.: Reaktywne formy tlenu w roślinach –więcej niż trucizna. Kosmos, 2013; 62: 583-596
  Google Scholar
• 57. Park H.H., Lee S., Son H.Y., Park S.B., Kim M.S., Choi E.J., SinghT.S., Ha J.H., Lee M.G., Kim J.E., Hyun M.C., Kwon T.K., Kim Y.H.,Kim S.H.: Flavonoids inhibit histamine release and expression ofproinflammatory cytokines in mast cells. Arch. Pharmacol. Res.,2008; 31: 1303-1311
  Google Scholar
• 58. Profumo E., Di Franco M., Buttari B., Masella R., Filesi C., TostiM.E., Scrivo R., Scarno A., Spadaro A., Saso L., Rigano R.: Biomarkers of subclinical atherosclerosis in patients with autoimmunedisorders. Mediators Inflamm., 2012; 2012: 503942
  Google Scholar
• 59. Puzanowska-Tarasiewicz H., Starczewska B., Kuźmicka L.: Reaktywneformy tlenu. Bromat. Chem. Toksykol., 2008; 4: 1007-1015
  Google Scholar
• 60. Rao A.V., Agarwal S.: Bioavailability and in vivo antioxidantproperties of lycopene from tomato products and their possiblerole in the prevention of cancer. Nutr. Cancer, 1998; 31: 199-203
  Google Scholar
• 61. Rao A.V., Rao L.G.: Carotenoids and human health. PharmacolRes., 2007; 55: 207-216
  Google Scholar
• 62. Ray P.D., Huang B.W., Tsuji Y.: Reactive oxygen species (ROS)homeostasis and redox regulation in cellular signaling. Cell. Signal.,2012; 24: 981-990
  Google Scholar
• 63. Rodriguez-Amaya D.: Carotenoids and food preparation: theretention of provitamin A carotenoids in prepared, processed,and stored. Food John Snow. Inc/OMNI Project, Campinas, Brasil,1997
  Google Scholar
• 64. Rodriguez-Bernaldo de Quiros A., Costa H.S.: Analysis of carotenoidsin vegetable and plasma samples. J. Food Compos. Anal.,2006; 19: 97-111
  Google Scholar
• 65. Saniewski M., Ueda J., Miyamoto K., Horbowicz M., PuchalskiJ.: Methyl jasmonate induces gummosis in plants. Human Environm.Sci., 2000; 9: 93-100
  Google Scholar
• 66. Scarmo S., Cartmel B., Lin H., Leffell D.J., Welch E., Bhosale P.,Bernstein P.S., Mayne S.T.: Significant correlations of dermal totalcarotenoids and dermal lycopene with their respective plasmalevels in healthy adults. Arch. Biochem. Biophys., 2010; 504: 34-39
  Google Scholar
• 67. Schopfer P., Plachy C., Frahry G.: Release of reactive oxygenintermediates (superoxide radicals, hydrogen proxide, andhydroxyl radicals) and peroxidase in germinating radish seedscontrolled by light, gibberellin, and abscisic acid. Plant Physiol.,2001; 125: 1591-1602
  Google Scholar
• 68. Sevilla M.D., Becker D., Yan M.: The formation and structureof the sulfoxyl radicals RSO(.), RSOO(.), RSO2(.), and RSO2OO(.)from the reaction of cysteine, glutathione and penicillamine thiylradicals with molecular oxygen. Int. J. Radiat. Biol., 1990; 57: 65-81
  Google Scholar
• 69. Sikora E., Cieślik E., Topolska K.: The sources of natural antioxidants.Acta Sci. Pol. Technol. Aliment., 2008; 7: 5-17
  Google Scholar
• 70. Simkin A.J., Moreau H., Kuntz M., Pagny G., Lin C., TranksleyS., McCarthy J.: An investigation of carotenoid biosynthesis onCoffea canephora and Coffea arabica. J. Plant Physiol., 2008; 165:1087-1106
  Google Scholar
• 71. Simon H.U., Haj-Yehia A., Levi-Schaffer F.: Role of reactiveoxygen species (ROS) in apoptosis induction. Apoptosis, 2000;5: 415-418
  Google Scholar
• 72. Sinha R., Patterson B.H., Mangels A.R., Levander O.A., GibsonT., Taylor P.R., Block G.: Determinants of plasma vitamin E in healthymales. Cancer Epidemiol. Biomarkers Prev., 1993; 2: 473-479
  Google Scholar
• 73. Skibsted L.H.: Carotenoids in antioxidant networks. Colorantsor radical scavengers. J. Agric. Food Chem., 2012; 60: 2409-2417
  Google Scholar
• 74. Surh Y.J.: Molecular mechanisms of chemopreventive effectsof selected dietary and medicinal phenolic substances. Mutat.Res., 1999; 428: 305-327
  Google Scholar
• 75. Umeno D., Tobias A.V., Arnold F.H.: Diversifying carotenoidbiosynthetic pathways by directed evolution. Microbiol. Mol.Biol. Rev., 2005; 69: 51-78
  Google Scholar
• 76. Valko M., Leibfritz D., Moncol J., Cronin M.T., Mazur M., TelserJ.: Free radicals and antioxidants in normal physiological functionsand human disease. Int. J. Biochem. Cell Biol., 2007; 39: 44-84
  Google Scholar
• 77. Widomska J., Kostecka-Gugała A., Latowski D., Gruszecki W.,Strzałka K.: Calorimetric studies of the effect of cis-carotenoidson the thermotropic phase behavior of phosphatidylcholine bilayers.Biophys. Chem., 2009; 140: 108-114
  Google Scholar
• 78. Zhang Y., Kreger, B.E.; Dorgan, J.F., Splansky G.L., Cupples L.A.,Ellison R.C.: Alcohol consumption and risk of breast cancer: TheFramingham Study revisited. Am. J. Epidemiol., 1999; 149: 93-101
  Google Scholar
• 79. Ziemlański Ś., Wartanowicz M.: Rola wolnych rodnikóww procesie starzenia się ustroju. Pol. Tyg. Lek., 1982; 37: 1453-1456
  Google Scholar

Pełna treść artykułu