Le groupe de pigments caroténoïdes est omniprésent dans la nature et plus de 600 caroténoïdes différents ont été identifiés et caractérisés. Ils sont responsables de la pigmentation chez les animaux, les plantes et les micro-organismes, mais jouent également un rôle important, souvent critique, dans les systèmes biologiques. En effet, ces dernières années, la plus grande attention portée à ce groupe de pigments a concerné la compréhension de leur fonction, notamment en tant qu’antioxydants. L’élément structurel « central » des caroténoïdes est un squelette polyénique constitué d’une série de liaisons C = C conjuguées. Cette caractéristique particulière est principalement responsable à la fois de leurs propriétés pigmentaires et de la capacité de beaucoup de ces composés à interagir avec les radicaux libres et l’oxygène singulet et à agir ainsi comme des antioxydants efficaces. Les modifications de ce squelette polyénique, en modifiant le nombre de doubles liaisons conjuguées avec l’ajout de groupes fonctionnels oxygénés, modifient à leur tour la réactivité des caroténoïdes. Fait important, la fonction des caroténoïdes est également considérablement affectée par leur environnement immédiat, qui, à son tour, dépend de leur structure (par exemple,). Ceci est sans doute le plus évident dans les systèmes photosynthétiques des plantes supérieures et des algues où les xanthophylles sont limités aux complexes de récupération de la lumière (jouant à la fois des rôles de capture de la lumière et de photoprotection), tandis que le β-carotène se trouve dans les centres de réaction (un rôle protecteur) (par exemple).
Alors que les caroténoïdes sont largement distribués dans les systèmes naturels, la recherche s’est largement concentrée sur quelques composés impliqués dans des aspects de la santé humaine (notamment les composés alimentaires β-carotène, lutéine et lycopène) ou dans les processus photosynthétiques chez les plantes et les bactéries photosynthétiques (par exemple, β-carotène, sphéroïdène, lutéine, violaxanthine et zéaxanthine). En santé humaine, des études épidémiologiques à grande échelle ont démontré une forte association entre les régimes riches en fruits et légumes (y compris le régime « méditerranéen ») et la réduction de certaines maladies, dont certains cancers et maladies cardiaques. Cela a à son tour conduit à de grandes études d’intervention alimentaire, dont certaines ont exploré l’utilisation de fortes doses de β-carotène chez les fumeurs et les travailleurs de l’amiante. Deux des études les plus influentes ont été l’Essai d’efficacité du Bêta-Carotène et du Rétinol (CARET) et l’Essai de Prévention du cancer du Bêta-Carotène à l’Alpha-Tocophérol (ATBC). Cependant, les résultats de ces études semblaient contredire les études diététiques qui les ont précédées, soulignant la nécessité de mieux comprendre comment les caroténoïdes se comportent dans les systèmes biologiques, en particulier humains, et, en effet, si les caroténoïdes peuvent agir à la fois comme antioxydants et pro-oxydants dans différentes conditions.
Ce numéro spécial se compose d’un ensemble d’articles qui mettent en lumière certaines de ces avancées récentes concernant les propriétés antioxydantes des caroténoïdes, reflétant le large éventail d’études sur ce groupe fascinant de produits naturels. Edge et Truscott passent en revue les travaux les plus récents sur l’interaction entre l’oxygène singulet, les radicaux libres et les caroténoïdes et les rétinoïdes. Bien que les propriétés antioxydantes de ces composés soient bien connues, l’article met en évidence certaines questions importantes, souvent moins bien étudiées. Des recherches récentes des auteurs démontrent que les caroténoïdes peuvent passer d’un comportement antioxydant à un comportement pro-oxydant en fonction de la concentration en oxygène. En utilisant un système de modèle cellulaire, ils ont observé une protection totale contre l’exposition au rayonnement γ à haute énergie par le lycopène à 0% d’oxygène, mais une protection nulle à 100% d’oxygène. Cela peut avoir des implications sur le comportement des caroténoïdes dans les tissus où différentes pressions partielles d’oxygène sont présentes. L ‘ »organisation » physique (par exemple, la tendance des caroténoïdes à s’agréger dans différents solvants) du caroténoïde est une considération importante qui affecte ses capacités antioxydantes, à travers ses interactions avec les espèces réactives de l’oxygène elles-mêmes ainsi qu’avec d’autres antioxydants tels que l’α-tocophérol et la vitamine C. Les propriétés antioxydantes du caroténoïde astaxanthine sont étudiées par Focsan et al. . Ce pigment est lié au muscle blanc des salmonidés, conférant la coloration rose caractéristique du poisson, et se trouve dans les complexes pigments-protéines de la carapace d’un certain nombre de crustacés. L’astaxanthine s’accumule également dans le microalgue d’eau douce Haematococcus pluvialis dans des conditions de stress (par exemple, privation de nutriments, exposition à des irradiations élevées ou en présence d’espèces réactives de l’oxygène). En utilisant une gamme de techniques, y compris la résonance paramagnétique électronique, Foscan et ses collègues indiquent qu’une gamme de facteurs influencent l’activité antioxydante de l’astaxanthine. Ceux-ci comprennent: la formation de complexes de chélates avec des métaux; l’estérification et son incapacité à s’agréger sous forme d’ester; un potentiel d’oxydation élevé; et la formation de radicaux neutres sous forte irradiation en présence d’ions métalliques.
Comme l’illustrent ces articles, il ne fait aucun doute que l’interaction des caroténoïdes avec les espèces oxydantes réactives est très complexe. Le devenir de ces caroténoïdes et les propriétés des produits de réaction qui en résultent, y compris les isomères géométriques, les adduits et les composés de dégradation ou de clivage, sont encore relativement mal compris. Dans ce numéro spécial, deux articles examinent des aspects distincts de cela. Tout d’abord, Haider et ses collègues explorent les rôles génotoxiques et cytotoxiques potentiels des produits de dégradation oxydative des caroténoïdes. Les effets pro-oxydants résultant de l’exposition à de fortes doses de caroténoïdes observés in vivo (comme dans les essais CARET et ATBC), ou les dommages accrus de l’ADN observés dans les études in vitro (par exemple) sont souvent associés à l’accumulation et aux actions délétères subséquentes d’une gamme de produits de dégradation présumés. Haider et coll. a constaté que de faibles doses (1 µM) de produits de clivage du β-carotène (générés par un traitement à l’hypochlorite) induisaient des niveaux significatifs de ruptures de brins d’ADN dans les cellules primaires de pneumocyte de type II soumises à un stress oxydatif. En revanche, le β-carotène lui-même a agi comme un antioxydant efficace et les effets cytotoxiques n’ont été observés qu’à des concentrations beaucoup plus élevées (50 µM). La génération oxydative in vivo d’isomères géométriques d’un autre caroténoïde alimentaire majeur, le lycopène, est considérée par Graham et al. . Des études in vitro ont démontré que l’exposition au mélange complexe de radicaux libres présent dans la fumée de cigarette induit le blanchiment des caroténoïdes, tels que le lycopène et le β-carotène, via une série de réactions comprenant le clivage et l’isomérisation. La détection de tels produits de réaction in vivo est particulièrement difficile en raison de leur nature (souvent) transitoire et de leurs niveaux à l’état de traces. Graham et coll. a constaté que le plasma des fumeurs contenait des proportions élevées de (13Z)-lycopène par rapport aux autres isomères géométriques de ce caroténoïde. Cette découverte est cohérente avec les observations in vitro selon lesquelles cette forme géométrique particulière, énergiquement défavorable, a été générée préférentiellement en présence de fumée de cigarette. D’autres travaux sont nécessaires pour déterminer la gamme complète des produits de réaction des caroténoïdes alimentaires lorsqu’ils sont exposés à des espèces réactives de l’oxygène, élucider les voies par lesquelles une telle dégradation se produit et mieux comprendre leur fonction possible.
Le rôle des caroténoïdes dans la macula humaine est discuté par Gong et al. . La lutéine et la zéaxanthine des xanthophylles s’accumulent à l’intérieur de la macula et la protègent. Cette étude a examiné le comportement de trois caroténoïdes alimentaires, à savoir le β-carotène, le lycopène et la lutéine, dans les cellules épithéliales pigmentaires de la rétine. La lutéine et le lycopène, mais pas le β-carotène, ont inhibé la croissance des cellules ARPE-19 indifférenciées. De plus, la viabilité cellulaire a été diminuée dans des conditions hypoxiques. Il convient de noter que les caroténoïdes de la macula (lutéine et zéaxanthine) ont également des rôles fonctionnels bien définis dans la photosynthèse supérieure des plantes, à la fois dans la capture de la lumière et la trempe de l’énergie. La capacité de ces molécules à fonctionner chez les plantes et les humains dépend des mêmes propriétés chimiques et physiques.
Les caroténoïdes sont largement distribués dans le monde naturel et pour refléter cela, Galasso et al. examiner la présence et la diversité des caroténoïdes dans le milieu marin ainsi que leur potentiel d’exploitation économique (p. ex., en tant que sources naturelles de pigments pour les industries alimentaires et des aliments pour animaux ou en tant que source d’antioxydants). Les caroténoïdes sont reconnus comme la classe de pigments la plus courante dans le milieu marin, avec une diversité de structures beaucoup plus grande que celle observée dans le milieu terrestre. Cependant, au-delà d’une poignée de composés tels que l’astaxanthine et la fucoxanthine, ils restent relativement peu étudiés. Poursuivant le thème économique, Fu et al. examiner la distribution des pigments et leurs activités antioxydantes dans les fractions de mouture du blé dur.
En conclusion, les caroténoïdes restent un groupe fascinant de pigments naturels. Non seulement ils sont responsables d’un large éventail de colorations dans la nature, mais, plus important encore, ils ont des rôles fonctionnels clés en biologie. Les études sur leur fonction dans la santé et la maladie humaines se sont trop souvent concentrées uniquement sur ce qui pourrait être considéré comme une chasse à l’effet de « balle magique », c’est-à-dire qu’un caroténoïde particulier (par exemple, le β-carotène) se trouve dans les régimes alimentaires « sains » et, comme il s’agit d’un antioxydant (au moins in vitro), on suppose que des doses élevées doivent avoir un effet bénéfique. Malheureusement, trop souvent, cette approche s’est avérée beaucoup trop simpliste, négligeant l’interaction avec d’autres composants alimentaires (y compris d’autres antioxydants) et le devenir des antioxydants eux-mêmes, en particulier lorsqu’ils sont présents à fortes doses. Alors que certains chercheurs (par exemple, Truscott et Edge) ont toujours pris en compte certains de ces aspects, nous voyons maintenant de nombreuses autres études s’attaquer à ces questions complexes et techniquement difficiles.