El grupo de pigmentos carotenoides es omnipresente en la naturaleza y se han identificado y caracterizado más de 600 carotenoides diferentes . Son responsables de la pigmentación en animales, plantas y microorganismos, pero también desempeñan funciones importantes, a menudo críticas, en los sistemas biológicos. De hecho, en los últimos años, la mayor atención que se ha prestado a este grupo de pigmentos se ha centrado en la comprensión de su función, especialmente como antioxidantes. El elemento estructural «núcleo» de los carotenoides es una columna vertebral de polieno que consiste en una serie de enlaces conjugados C=C. Esta característica en particular es la principal responsable de sus propiedades de pigmentación y de la capacidad de muchos de estos compuestos para interactuar con los radicales libres y el oxígeno singlete y, por lo tanto, actuar como antioxidantes efectivos. Las modificaciones en esta columna vertebral de polieno, alterando el número de enlaces dobles conjugados junto con la adición de grupos funcionales de oxígeno, a su vez, alteran la reactividad de los carotenoides. Es importante destacar que la función de los carotenoides también se ve afectada sustancialmente por su entorno inmediato, que, a su vez, depende de su estructura (por ejemplo,). Esto es posiblemente más evidente en los sistemas fotosintéticos en plantas superiores y algas, donde las xantofilas se limitan a complejos de recolección de luz (que realizan funciones tanto de captura de luz como fotoprotectoras), mientras que el β-caroteno se encuentra en los centros de reacción (una función protectora) (por ejemplo,).
Mientras que los carotenoides están ampliamente distribuidos en los sistemas naturales, la investigación se ha concentrado en gran medida en solo unos pocos compuestos que están involucrados en aspectos de la salud humana (especialmente los compuestos dietéticos β-caroteno, luteína y licopeno) o en procesos fotosintéticos en plantas y bacterias fotosintéticas (por ejemplo, β-caroteno, esferoideno, luteína, violaxantina y zeaxantina). En el ámbito de la salud humana, los estudios epidemiológicos a gran escala han demostrado una fuerte asociación entre las dietas ricas en frutas y verduras (incluida la dieta «mediterránea») y la reducción de ciertas enfermedades, incluidos algunos cánceres y enfermedades cardíacas . Esto a su vez condujo a grandes estudios de intervención dietética, algunos de los cuales exploraron el uso de altas dosis de β-caroteno en fumadores y trabajadores de asbesto. Dos de los estudios más influyentes fueron el Ensayo de Eficacia de Betacaroteno y Retinol (CARET ) y el Ensayo de Prevención del Cáncer de Betacaroteno con Alfa-Tocoferol (ATBC ). Sin embargo, los resultados de dichos estudios parecían contradecir los estudios dietéticos que los precedieron, destacando la necesidad de comprender mejor cómo se comportan los carotenoides en los sistemas biológicos, especialmente humanos, y, de hecho, si los carotenoides pueden actuar como antioxidantes y prooxidantes en diferentes condiciones.
Este número especial consiste en un conjunto de artículos que destacan algunos de estos avances recientes en relación con las propiedades antioxidantes de los carotenoides, reflejando la amplia gama de estudios sobre este fascinante grupo de productos naturales. Edge y Truscott revisan el trabajo más reciente sobre la interacción entre oxígeno singlete, radicales libres y carotenoides y retinoides. Si bien las propiedades antioxidantes de estos compuestos son bien conocidas, el artículo destaca algunos temas importantes, a menudo menos estudiados. Investigaciones recientes de los autores demuestran que los carotenoides pueden cambiar de comportamiento antioxidante a prooxidante en función de la concentración de oxígeno. Empleando un sistema modelo basado en células, observaron una protección total contra la exposición a la radiación γ de alta energía por licopeno al 0% de oxígeno, pero una protección cero al 100% de oxígeno. Esto puede tener implicaciones para el comportamiento de los carotenoides en tejidos donde están presentes diferentes presiones parciales de oxígeno. La «organización» física (por ejemplo, la tendencia de los carotenoides a agregarse en diferentes disolventes) del carotenoide es una consideración importante que afecta sus capacidades antioxidantes, a través de sus interacciones con las propias especies reactivas de oxígeno, así como con otros antioxidantes como el α-tocoferol y la vitamina C. Focsan et al.estudian las propiedades antioxidantes del carotenoide astaxantina. . Este pigmento está unido al músculo blanco de los salmónidos, impartiendo la coloración rosada característica de los peces, y se encuentra en los complejos de pigmento y proteína del caparazón de varios crustáceos. La astaxantina también se acumula en la microalga de agua dulce Haematococcus pluvialis en condiciones de estrés (por ejemplo, privación de nutrientes, exposición a altas irradiancias o en presencia de especies reactivas de oxígeno). Utilizando una serie de técnicas que incluyen resonancia paramagnética electrónica, Foscan y sus colegas indican que una serie de factores influyen en la actividad antioxidante de la astaxantina. Estos incluyen: la formación de complejos de quelatos con metales; esterificación y su incapacidad para agregarse en forma de éster; un alto potencial de oxidación; y la formación de radicales neutros bajo alta irradiación en presencia de iones metálicos.
Como ilustran estos documentos, no hay duda de que la interacción de carotenoides con especies oxidantes reactivas es altamente compleja. El destino de estos carotenoides y las propiedades de los productos de reacción resultantes, incluidos los isómeros geométricos, los aductos y los compuestos de descomposición o escisión, todavía se conocen relativamente poco. En este número especial, dos documentos consideran aspectos separados de esto. En primer lugar, Haider y sus colegas exploran las posibles funciones genotóxicas y citotóxicas de los productos de degradación oxidativa de los carotenoides. Los efectos prooxidantes resultantes de la exposición a altas dosis de carotenoides observados in vivo (como en los ensayos CARET y ATBC ), o el aumento del daño al ADN observado en estudios in vitro (por ejemplo, ) a menudo se asocian con la acumulación y las acciones perjudiciales posteriores de una gama de productos de degradación putativos. Haider et al. se encontró que dosis bajas (1 µM) de productos de escisión de β-caroteno (generados por el tratamiento con hipoclorito) indujeron niveles significativos de roturas de cadenas de ADN en células primarias de neumocitos de tipo II que fueron sometidas a estrés oxidativo. Por el contrario, el propio β-caroteno actuó como un antioxidante eficaz y solo se observaron efectos citotóxicos a concentraciones mucho más altas (50 µM). La generación oxidativa in vivo de isómeros geométricos de otro carotenoide dietético importante, el licopeno, es considerada por Graham et al. . Los estudios in vitro han demostrado que la exposición a la compleja mezcla de radicales libres que se encuentra en el humo del cigarrillo induce el blanqueo de carotenoides, como el licopeno y el β-caroteno, a través de una serie de reacciones que incluyen escisión e isomerización . La detección de estos productos de reacción in vivo es especialmente difícil debido a su naturaleza (a menudo) transitoria y a sus niveles de trazas. Graham et al. se encontró que el plasma de los fumadores contenía proporciones elevadas de (13Z) – licopeno en relación con los otros isómeros geométricos de este carotenoide. Este hallazgo es consistente con las observaciones in vitro de que esta forma geométrica particular, energéticamente desfavorable, se generó preferentemente en presencia de humo de cigarrillo . Es necesario seguir trabajando para determinar la gama completa de productos de reacción de los carotenoides dietéticos cuando se exponen a especies reactivas de oxígeno, dilucidar las vías por las que se produce dicha degradación y comprender mejor su posible función.
El papel de los carotenoides en la mácula humana es discutido por Gong et al. . Las xantofilas luteína y zeaxantina se acumulan dentro de la mácula y la protegen. Este estudio examinó el comportamiento de tres carotenoides dietéticos, a saber, β-caroteno, licopeno y luteína, en células epiteliales pigmentarias de la retina. La luteína y el licopeno, pero no el β-caroteno, inhibieron el crecimiento de células ARPE-19 indiferenciadas. Además, la viabilidad celular disminuyó en condiciones hipóxicas. Vale la pena señalar que los carotenoides de la mácula (luteína y zeaxantina) también tienen papeles funcionales bien definidos en la fotosíntesis superior de las plantas, tanto en la captura de luz como en la extinción de energía . La capacidad de estas moléculas para funcionar en plantas y humanos por igual depende de las mismas propiedades químicas y físicas.
Los carotenoides están ampliamente distribuidos en el mundo natural y para reflejar esto, Galasso et al. revisar la presencia y diversidad de carotenoides en el medio marino, así como su potencial de explotación económica (por ejemplo, como fuentes naturales de pigmentos para la industria de alimentos y piensos o como fuente de antioxidantes). Los carotenoides son reconocidos como la clase de pigmentos más común en el medio marino, con una diversidad de estructuras mucho mayor que la observada en el medio terrestre . Sin embargo, más allá de un puñado de compuestos como la astaxantina y la fucoxantina, siguen siendo relativamente poco estudiados. Continuando con el tema económico, Fu et al. examinar la distribución de pigmentos y sus actividades antioxidantes en fracciones de molienda de trigo duro.
En conclusión, los carotenoides siguen siendo un grupo fascinante de pigmentos naturales. No solo son responsables de una amplia gama de coloración en la naturaleza, sino que, lo que es más importante, tienen roles funcionales clave en la biología. Los estudios sobre su función en la salud y la enfermedad humanas con demasiada frecuencia se han centrado únicamente en lo que podría considerarse como una búsqueda de un efecto de «bala mágica», es decir, un carotenoide en particular (por ejemplo, β-caroteno) se encuentra en dietas «saludables» y, como es un antioxidante (al menos in vitro), se asume que las dosis altas deben tener un efecto beneficioso. Lamentablemente, con demasiada frecuencia se ha demostrado que este enfoque es demasiado simplista, descuidando la interacción con otros componentes de la dieta (incluidos otros antioxidantes) y el destino de los antioxidantes en sí, especialmente cuando están presentes en dosis altas. Si bien algunos investigadores (por ejemplo, Truscott y Edge) siempre han considerado algunos de estos aspectos, ahora estamos viendo muchos más estudios que abordan estos problemas complejos y técnicamente desafiantes.