Il gruppo di pigmenti carotenoidi è onnipresente in natura e sono stati identificati e caratterizzati più di 600 diversi carotenoidi . Sono responsabili della pigmentazione negli animali, nelle piante e nei microrganismi, ma servono anche ruoli importanti, spesso critici, nei sistemi biologici. In effetti, negli ultimi anni la maggior parte dell’attenzione focalizzata su questo gruppo di pigmenti ha riguardato la comprensione della loro funzione, specialmente come antiossidanti. L’elemento strutturale” core ” dei carotenoidi è una spina dorsale di poliene costituita da una serie di legami C=C coniugati. Questa particolare caratteristica è principalmente responsabile sia delle loro proprietà pigmentanti che della capacità di molti di questi composti di interagire con i radicali liberi e l’ossigeno singoletto e quindi agire come antiossidanti efficaci. Modifiche a questa spina dorsale di poliene, alterando il numero di doppi legami coniugati insieme all’aggiunta di gruppi funzionali di ossigeno, a loro volta, alterano la reattività dei carotenoidi. È importante sottolineare che la funzione dei carotenoidi è anche sostanzialmente influenzata dal loro ambiente immediato, che a sua volta dipende dalla loro struttura (ad esempio ). Questo è probabilmente più evidente nei sistemi fotosintetici nelle piante superiori e nelle alghe dove le xantofille sono limitate a complessi di raccolta della luce (che svolgono sia ruoli di cattura della luce che fotoprotettivi), mentre il β-carotene si trova nei centri di reazione (un ruolo protettivo) (ad esempio, ).
Mentre i carotenoidi sono ampiamente distribuiti tra i sistemi naturali, la ricerca è in gran parte concentrata su pochi composti che sono coinvolti in aspetti della salute umana (in particolare i composti dietetici β-carotene, luteina e licopene) o in processi fotosintetici delle piante e batteri fotosintetici (ad esempio, β-carotene, spheroidene, luteina, violaxantina, e zeaxantina). Nella salute umana, studi epidemiologici su larga scala hanno dimostrato una forte associazione tra diete ricche di frutta e verdura (compresa la dieta “mediterranea”) e riduzioni di alcune malattie, tra cui alcuni tumori e malattie cardiache . Questo a sua volta ha portato a grandi studi di intervento dietetico, alcuni dei quali hanno esplorato l’uso di alte dosi di β-carotene nei fumatori e nei lavoratori dell’amianto. Due degli studi più influenti sono stati il Beta-carotene e retinolo efficacia Trial (CARET) e l’Alfa-tocoferolo Beta-carotene Cancer Prevention Trial (ATBC). Tuttavia, i risultati di tali studi sembravano contraddire gli studi dietetici che li hanno preceduti, evidenziando la necessità di capire meglio come si comportano i carotenoidi nei sistemi biologici, specialmente umani, e, in effetti, se i carotenoidi possono agire sia come antiossidanti che pro-ossidanti in condizioni diverse.
Questo numero speciale consiste in una serie di articoli che evidenziano alcuni di questi recenti progressi riguardanti le proprietà antiossidanti dei carotenoidi, riflettendo l’ampia gamma di studi su questo affascinante gruppo di prodotti naturali. Edge e Truscott esaminano il lavoro più recente sull’interazione tra ossigeno singoletto, radicali liberi e carotenoidi e retinoidi. Mentre le proprietà antiossidanti di questi composti sono ben note, l’articolo evidenzia alcuni problemi importanti, spesso meno studiati. Recenti ricerche degli autori dimostrano che i carotenoidi possono passare dal comportamento antiossidante a quello pro-ossidante in funzione della concentrazione di ossigeno. Impiegando un sistema modello basato su cellule, hanno osservato una protezione totale dall’esposizione a radiazioni γ ad alta energia da parte del licopene allo 0% di ossigeno, ma una protezione zero al 100% di ossigeno. Ciò può avere implicazioni per il comportamento dei carotenoidi nei tessuti in cui sono presenti diverse pressioni parziali di ossigeno. Il fisico “organizzazione” (ad esempio, la tendenza per i carotenoidi di aggregazione in solventi diversi) dei carotenoidi è una considerazione importante che influisce sulla sua capacità antiossidanti, attraverso le sue interazioni con le specie reattive dell’ossigeno e con altri antiossidanti come α-tocoferolo e vitamina C. Le proprietà antiossidanti del carotenoide astaxantina sono studiati da Focsan et al. . Questo pigmento è legato al muscolo bianco dei salmonidi, impartendo la caratteristica colorazione rosa del pesce, e si trova nei complessi pigmentati-proteici del carapace di un certo numero di crostacei. L’astaxantina si accumula anche nella microalga d’acqua dolce Haematococcus pluvialis in condizioni di stress (ad esempio, privazione di nutrienti, esposizione ad alte irradianze o in presenza di specie reattive dell’ossigeno). Utilizzando una gamma di tecniche tra cui la risonanza paramagnetica elettronica, Foscan e colleghi indicano che una serie di fattori influenzano l’attività antiossidante dell’astaxantina. Questi includono: la formazione di complessi chelati con metalli; esterificazione e la sua incapacità di aggregarsi nella forma estere; un alto potenziale di ossidazione; e la formazione di radicali neutri sotto alta irradiazione in presenza di ioni metallici.
Come illustrano questi documenti, non c’è dubbio che l’interazione dei carotenoidi con specie ossidanti reattive sia altamente complessa. Il destino di questi carotenoidi e le proprietà dei prodotti di reazione risultanti, inclusi isomeri geometrici, addotti e composti di rottura o scissione sono ancora relativamente poco conosciuti. In questo numero speciale, due documenti considerano aspetti separati di questo. In primo luogo, Haider e colleghi esplorano i potenziali ruoli genotossici e citotossici dei prodotti di degradazione ossidativa dei carotenoidi. Gli effetti pro-ossidanti derivanti dall’esposizione ad alte dosi di carotenoidi osservati in vivo (come negli studi CARET e ATBC ), o danni al DNA migliorati osservati negli studi in vitro (ad esempio ) sono spesso associati all’accumulo e alle successive azioni deleterie di una serie di prodotti di degradazione putativi. Haider et al. ha scoperto che basse dosi (1 µM) di prodotti di scissione di β-carotene (generato dal trattamento con ipoclorito) hanno indotto livelli significativi di rotture del filamento di DNA nelle cellule pneumocitarie primarie di tipo II che sono state sottoposte a stress ossidativo. Al contrario, il β-carotene stesso ha agito come un efficace antiossidante e gli effetti citotossici sono stati osservati solo a concentrazioni molto più elevate (50 µM). La generazione ossidativa in vivo di isomeri geometrici di un altro importante carotenoide alimentare, il licopene, è considerata da Graham et al. . Studi in vitro hanno dimostrato che l’esposizione alla complessa miscela di radicali liberi presenti nel fumo di sigaretta induce lo sbiancamento dei carotenoidi, come il licopene e il β-carotene, attraverso una serie di reazioni tra cui la scissione e l’isomerizzazione . Il rilevamento di tali prodotti di reazione in vivo è particolarmente impegnativo a causa della loro natura (spesso) transitoria e dei livelli di traccia. Graham et al. scoperto che il plasma dei fumatori conteneva elevate proporzioni di (13Z) – licopene rispetto agli altri isomeri geometrici di questo carotenoide. Questo risultato è coerente con le osservazioni in vitro che questa particolare forma geometrica, energeticamente sfavorevole, è stata generata preferenzialmente in presenza di fumo di sigaretta . Sono necessari ulteriori lavori per determinare l’intera gamma di prodotti di reazione dei carotenoidi dietetici quando esposti a specie reattive dell’ossigeno, chiarire le vie attraverso le quali si verifica tale degradazione e comprendere meglio la loro possibile funzione.
Il ruolo dei carotenoidi nella macula umana è discusso da Gong et al. . Le xantofille luteina e zeaxantina si accumulano all’interno e proteggono la macula. Questo studio ha esaminato il comportamento di tre carotenoidi dietetici, vale a dire β-carotene, licopene e luteina, nelle cellule epiteliali del pigmento retinico. Luteina e licopene, ma non β-carotene, hanno inibito la crescita delle cellule ARPE-19 indifferenziate. Inoltre, la vitalità cellulare è diminuita in condizioni ipossiche. Vale la pena notare che i carotenoidi della macula (luteina e zeaxantina) hanno anche ruoli funzionali ben definiti nella fotosintesi delle piante più elevate, sia nella cattura della luce che nell’estinzione dell’energia . La capacità di queste molecole di funzionare sia nelle piante che negli esseri umani dipende dalle stesse proprietà chimiche e fisiche.
I carotenoidi sono ampiamente distribuiti in tutto il mondo naturale e per riflettere questo, Galasso et al. esaminare la presenza e la diversità dei carotenoidi nell’ambiente marino nonché il loro potenziale di sfruttamento economico (ad esempio, come fonti naturali di pigmenti per le industrie alimentari e dei mangimi o come fonte di antiossidanti). I carotenoidi sono riconosciuti come la classe di pigmenti più comune nell’ambiente marino, con una diversità di strutture molto maggiore rispetto a quella osservata nell’ambiente terrestre . Tuttavia, al di là di una manciata di composti come astaxantina e fucoxantina, rimangono relativamente poco studiati. Continuando il tema economico, Fu et al. esaminare la distribuzione dei pigmenti e le loro attività antiossidanti nelle frazioni di macinazione del grano duro.
In conclusione, i carotenoidi rimangono un affascinante gruppo di pigmenti naturali. Non solo sono responsabili di una vasta gamma di colorazione in natura, ma, ancora più importante, hanno ruoli funzionali chiave in biologia. Gli studi sulla loro funzione nella salute umana e nella malattia si sono troppo spesso concentrati esclusivamente su ciò che potrebbe essere considerato come una caccia all’effetto “pallottola magica”, cioè un particolare carotenoide (ad esempio, β-carotene) si trova nelle diete “sane” e, poiché è un antiossidante (almeno in vitro), si presume che alte dosi debbano avere un effetto benefico. Purtroppo, troppo spesso questo approccio ha dimostrato di essere troppo semplicistico, trascurando l’interazione con altri componenti dietetici (inclusi altri antiossidanti) e il destino degli antiossidanti stessi, specialmente se presenti a dosi elevate. Mentre alcuni ricercatori (ad esempio, Truscott e Edge) hanno sempre considerato alcuni di questi aspetti, ora stiamo assistendo a molti altri studi che affrontano questi problemi complessi e tecnicamente impegnativi.