Die Carotinoidgruppe der Pigmente ist in der Natur allgegenwärtig und mehr als 600 verschiedene Carotinoide wurden identifiziert und charakterisiert . Sie sind für die Pigmentierung in Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen verantwortlich, spielen aber auch eine wichtige, oft kritische Rolle in biologischen Systemen. In der Tat hat sich in den letzten Jahren die meiste Aufmerksamkeit auf diese Gruppe von Pigmenten konzentriert, um ihre Funktion zu verstehen, insbesondere als Antioxidantien. Das „Kern“ -Strukturelement von Carotinoiden ist ein Polyenrückgrat, das aus einer Reihe konjugierter C = C-Bindungen besteht. Dieses besondere Merkmal ist in erster Linie für ihre Pigmentierungseigenschaften und die Fähigkeit vieler dieser Verbindungen verantwortlich, mit freien Radikalen und Singulettsauerstoff zu interagieren und daher als wirksame Antioxidantien zu wirken. Modifikationen an diesem Polyenrückgrat, die die Anzahl der konjugierten Doppelbindungen zusammen mit der Zugabe von sauerstofffunktionellen Gruppen verändern, verändern wiederum die Reaktivität von Carotinoiden. Wichtig ist, dass die Funktion von Carotinoiden auch wesentlich von ihrer unmittelbaren Umgebung beeinflusst wird, die wiederum von ihrer Struktur abhängt (z. B. ). Dies ist wohl am deutlichsten in photosynthetischen Systemen in höheren Pflanzen und Algen, wo Xanthophylle auf Lichtsammelkomplexe beschränkt sind (die sowohl Lichteinfangs- als auch Lichtschutzfunktionen erfüllen), während β-Carotin in Reaktionszentren (eine schützende Rolle) (z. B.) gefunden wird.
Während Carotinoide weit über natürliche Systeme verteilt sind, hat sich die Forschung weitgehend auf wenige Verbindungen konzentriert, die an Aspekten der menschlichen Gesundheit beteiligt sind (insbesondere die Nahrungsverbindungen β-Carotin, Lutein und Lycopin) oder an Photosyntheseprozessen in Pflanzen und photosynthetischen Bakterien (z. B. β-Carotin, Sphäroiden, Lutein, Violaxanthin und Zeaxanthin). Im Bereich der menschlichen Gesundheit haben groß angelegte epidemiologische Studien einen starken Zusammenhang zwischen obst- und gemüsereichen Diäten (einschließlich der „mediterranen“ Ernährung) und der Verringerung bestimmter Krankheiten, einschließlich einiger Krebsarten und Herzerkrankungen, gezeigt . Dies wiederum führte zu großen diätetischen Interventionsstudien, von denen einige die Verwendung von hohen Dosen von β-Carotin bei Rauchern und Asbestarbeitern untersuchten. Zwei der einflussreichsten Studien waren die Beta-Carotin- und Retinol-Wirksamkeitsstudie (CARET ) und die Alpha-Tocopherol-Beta-Carotin-Krebspräventionsstudie (ATBC ). Die Ergebnisse solcher Studien schienen jedoch den vorangegangenen Ernährungsstudien zu widersprechen, was die Notwendigkeit hervorhob, besser zu verstehen, wie sich Carotinoide in biologischen, insbesondere menschlichen Systemen verhalten und ob Carotinoide unter verschiedenen Bedingungen sowohl als Antioxidantien als auch als Prooxidantien wirken können.
Diese Sonderausgabe besteht aus einer Reihe von Artikeln, die einige dieser jüngsten Fortschritte in Bezug auf die antioxidativen Eigenschaften von Carotinoiden hervorheben und die breite Palette von Studien zu dieser faszinierenden Gruppe von Naturprodukten widerspiegeln. Edge und Truscott überprüfen die neuesten Arbeiten zur Wechselwirkung zwischen Singulettsauerstoff, freien Radikalen und Carotinoiden und Retinoiden. Während die antioxidativen Eigenschaften dieser Verbindungen bekannt sind, hebt der Artikel einige wichtige, oft weniger gut untersuchte Probleme hervor. Neuere Forschungen der Autoren zeigen, dass Carotinoide in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration vom antioxidativen zum prooxidativen Verhalten wechseln können. Mit einem zellbasierten Modellsystem beobachteten sie einen vollständigen Schutz vor hochenergetischer γ-Strahlung durch Lycopin bei 0% Sauerstoff, aber keinen Schutz bei 100% Sauerstoff. Dies kann Auswirkungen auf das Verhalten von Carotinoiden in Geweben haben, in denen unterschiedliche Sauerstoffpartialdrücke vorhanden sind. Die physikalische „Organisation“ (z. B. die Tendenz von Carotinoiden, sich in verschiedenen Lösungsmitteln zu aggregieren) des Carotinoids ist eine wichtige Überlegung, die seine antioxidativen Fähigkeiten beeinflusst, durch seine Wechselwirkungen mit reaktiven Sauerstoffspezies selbst sowie mit anderen Antioxidantien wie α-Tocopherol und Vitamin C. Die antioxidativen Eigenschaften des Carotinoids Astaxanthin werden von Focsan et al. . Dieses Pigment ist an den weißen Muskel der Salmoniden gebunden, verleiht den Fischen die charakteristische rosa Färbung und findet sich in den Pigment-Protein-Komplexen des Panzers einer Reihe von Krebstieren. Astaxanthin reichert sich auch in der Süßwassermikroalge Haematococcus pluvialis unter Stressbedingungen an (z. B. Nährstoffmangel, Exposition gegenüber hohen Bestrahlungsstärken oder in Gegenwart reaktiver Sauerstoffspezies). Unter Verwendung einer Reihe von Techniken, einschließlich elektronenparamagnetischer Resonanz, zeigen Foscan und Kollegen, dass eine Reihe von Faktoren die antioxidative Aktivität von Astaxanthin beeinflussen. Dazu gehören: die Bildung von Chelatkomplexen mit Metallen; Veresterung und ihre Unfähigkeit, in der Esterform zu aggregieren; ein hohes Oxidationspotential; und die Bildung neutraler Radikale unter hoher Bestrahlung in Gegenwart von Metallionen.
Wie diese Arbeiten veranschaulichen, besteht kein Zweifel, dass die Wechselwirkung von Carotinoiden mit reaktiven oxidierenden Spezies hochkomplex ist. Das Schicksal dieser Carotinoide und die Eigenschaften der resultierenden Reaktionsprodukte, einschließlich geometrischer Isomere, Addukte und Abbau- oder Spaltverbindungen, sind noch relativ wenig verstanden. In dieser Sonderausgabe, Zwei Papiere betrachten getrennte Aspekte davon. Zunächst untersuchen Haider und Kollegen die potenziellen genotoxischen und zytotoxischen Rollen oxidativer Abbauprodukte von Carotinoiden. Die prooxidierenden Wirkungen, die sich aus der Exposition gegenüber hohen Dosen von Carotinoiden ergeben, die in vivo (wie in den CARET- und ATBC-Studien) beobachtet wurden, oder die verstärkten DNA-Schäden, die in In-vitro-Studien (z. B.) beobachtet wurden, sind häufig mit der Akkumulation und den nachfolgenden schädlichen Wirkungen einer Reihe von mutmaßlichen Abbauprodukten verbunden. Haider et al. es wurde festgestellt, dass niedrige Dosen (1 µM) von Spaltprodukten von β-Carotin (erzeugt durch Hypochlorit-Behandlung) signifikante Mengen an DNA-Strangbrüchen in primären Pneumozyten-Typ-II-Zellen induzierten, die oxidativem Stress ausgesetzt waren. Im Gegensatz dazu wirkte β-Carotin selbst als wirksames Antioxidans und zytotoxische Wirkungen wurden nur bei viel höheren Konzentrationen (50 µM) beobachtet. Die in vivo oxidative Erzeugung geometrischer Isomere eines anderen wichtigen diätetischen Carotinoids, Lycopin, wird von Graham et al. . In-vitro-Studien haben gezeigt, dass die Exposition gegenüber der komplexen Mischung freier Radikale im Zigarettenrauch das Bleichen von Carotinoiden wie Lycopin und β-Carotin über eine Reihe von Reaktionen einschließlich Spaltung und Isomerisierung induziert . Der Nachweis solcher Reaktionsprodukte in vivo ist aufgrund ihrer (oft) transienten Natur und Spuren besonders schwierig. Graham et al. es wurde festgestellt, dass das Plasma von Rauchern im Vergleich zu den anderen geometrischen Isomeren dieses Carotinoids erhöhte Anteile an (13Z) -Lycopin enthielt. Dieser Befund steht im Einklang mit In-vitro-Beobachtungen, dass diese besondere, energetisch ungünstige, geometrische Form bevorzugt in Gegenwart von Zigarettenrauch erzeugt wurde . Weitere Arbeiten sind erforderlich, um das gesamte Spektrum der Reaktionsprodukte von Carotinoiden aus der Nahrung zu bestimmen, wenn sie reaktiven Sauerstoffspezies ausgesetzt sind, die Wege aufzuklären, auf denen ein solcher Abbau stattfindet, und ihre mögliche Funktion besser zu verstehen.
Die Rolle von Carotinoiden in der menschlichen Makula wird von Gong et al. . Die Xanthophylle Lutein und Zeaxanthin sammeln sich in der Makula an und schützen sie. Diese Studie untersuchte das Verhalten von drei diätetischen Carotinoiden, nämlich β-Carotin, Lycopin und Lutein, in retinalen Pigmentepithelzellen. Lutein und Lycopin, aber nicht β-Carotin, hemmten das Wachstum von undifferenzierten ARPE-19-Zellen. Darüber hinaus war die Zelllebensfähigkeit unter hypoxischen Bedingungen verringert. Es ist erwähnenswert, dass die Makula-Carotinoide (Lutein und Zeaxanthin) auch eine genau definierte funktionelle Rolle bei der Photosynthese höherer Pflanzen spielen, sowohl bei der Lichterfassung als auch bei der Energieabschreckung . Die Fähigkeit dieser Moleküle, in Pflanzen und Menschen gleichermaßen zu funktionieren, hängt von denselben chemischen und physikalischen Eigenschaften ab.
Carotinoide sind in der Natur weit verbreitet, und um dies widerzuspiegeln, haben Galasso et al. überprüfen Sie das Vorkommen und die Vielfalt von Carotinoiden in der Meeresumwelt sowie ihr Potenzial für die wirtschaftliche Nutzung (z. B. als natürliche Pigmentquellen für die Lebens- und Futtermittelindustrie oder als Quelle von Antioxidantien). Carotinoide gelten als die häufigste Klasse von Pigmenten in der Meeresumwelt mit einer viel größeren Vielfalt an Strukturen als in der terrestrischen Umwelt . Abgesehen von einer Handvoll Verbindungen wie Astaxanthin und Fucoxanthin bleiben sie jedoch relativ schlecht untersucht. Fortsetzung des wirtschaftlichen Themas, Fu et al. untersuchen Sie die Verteilung von Pigmenten und ihre antioxidativen Aktivitäten in Hartweizenmahlfraktionen.
Zusammenfassend bleiben Carotinoide eine faszinierende Gruppe natürlicher Pigmente. Sie sind nicht nur für eine breite Palette von Färbungen in der Natur verantwortlich, sondern spielen vor allem eine wichtige funktionelle Rolle in der Biologie. Studien über ihre Funktion in der menschlichen Gesundheit und Krankheit haben sich allzu oft nur auf das konzentriert, was als Jagd nach einem „Magic Bullet“ -Effekt angesehen werden könnte, d. H. Ein bestimmtes Carotinoid (z. B. β-Carotin) kommt in „gesunden“ Diäten vor und da es ein Antioxidans ist (zumindest in vitro), wird davon ausgegangen, dass hohe Dosen eine positive Wirkung haben müssen. Leider hat sich dieser Ansatz allzu oft als viel zu simpel erwiesen, wobei die Wechselwirkung mit anderen Nahrungsbestandteilen (einschließlich anderer Antioxidantien) und das Schicksal der Antioxidantien selbst, insbesondere in hohen Dosen, vernachlässigt wurden. Während einige Forscher (z. B. Truscott und Edge) einige dieser Aspekte immer berücksichtigt haben, sehen wir jetzt viele weitere Studien, die sich mit diesen komplexen und technisch herausfordernden Fragen befassen.