de carotenoïdengroep van pigmenten is alomtegenwoordig van aard en meer dan 600 verschillende carotenoïden zijn geïdentificeerd en gekarakteriseerd . Ze zijn verantwoordelijk voor pigmentatie in dieren, planten en micro-organismen, maar dienen ook belangrijke, vaak kritische, rollen in biologische systemen. Inderdaad, in de afgelopen jaren de meeste aandacht gericht op deze groep van pigmenten heeft betrekking op het begrijpen van hun functie, vooral als antioxidanten. Het” kern ” structurele element van carotenoïden is een polyeen backbone bestaande uit een reeks geconjugeerde C=C bindingen. Dit bijzondere kenmerk is primair verantwoordelijk voor zowel hun pigmenterende eigenschappen en het vermogen van veel van deze verbindingen om te interageren met vrije radicalen en singlet zuurstof en daarom fungeren als effectieve antioxidanten. Wijzigingen aan deze polyeen backbone, het veranderen van het aantal geconjugeerde dubbele bindingen samen met de toevoeging van zuurstof functionele groepen, op zijn beurt, veranderen de reactiviteit van carotenoïden. Belangrijk is dat de functie van carotenoïden ook aanzienlijk wordt beïnvloed door hun directe omgeving, die op zijn beurt afhankelijk is van hun structuur (bijvoorbeeld ). Dit is aantoonbaar het meest duidelijk in fotosynthetische systemen in hogere planten en algen waar xanthofylen beperkt zijn tot licht-oogstcomplexen (die zowel licht-vangst als fotoprotectieve rollen vervullen), terwijl β-caroteen wordt gevonden in reactiecentra (een beschermende rol) (bijv. ).
terwijl carotenoïden wijd verspreid zijn over natuurlijke systemen, heeft het onderzoek zich voornamelijk geconcentreerd op slechts enkele verbindingen die betrokken zijn bij aspecten van de menselijke gezondheid (met name de voedingsverbindingen β-caroteen, luteïne en lycopeen) of in fotosynthetische processen in planten en fotosynthetische bacteriën (bijvoorbeeld β-caroteen, spheroideen, luteïne, violaxanthine en zeaxanthine). Op het gebied van de menselijke gezondheid hebben grootschalige epidemiologische studies aangetoond dat er een sterk verband bestaat tussen voedingspatronen die rijk zijn aan groenten en fruit (waaronder het “mediterrane” dieet) en een vermindering van bepaalde ziekten, waaronder bepaalde vormen van kanker en hartziekten . Dit leidde op zijn beurt tot grote voedingsinterventiestudies, waarvan sommige het gebruik van hoge doses β-caroteen bij rokers en asbestarbeiders onderzochten. Twee van de meest invloedrijke studies waren de Beta-caroteen en Retinol Efficacy Trial (CARET ) en de alfa-tocoferol Beta-caroteen Cancer Prevention Trial (ATBC ). De resultaten van dergelijke studies bleken echter in tegenspraak te zijn met de voedingsstudies die eraan vooraf gingen, en benadrukten de noodzaak om beter te begrijpen hoe carotenoïden zich in biologische, met name menselijke systemen gedragen en, inderdaad, of carotenoïden zowel als antioxidanten als pro-oxidanten onder verschillende omstandigheden kunnen werken.
dit speciale nummer bestaat uit een reeks artikelen die enkele van deze recente ontwikkelingen met betrekking tot de antioxiderende eigenschappen van carotenoïden belichten, een weerspiegeling van de brede waaier van studies over deze fascinerende groep natuurlijke producten. Edge en Truscott bespreken het meest recente werk over de interactie tussen singlet zuurstof, vrije radicalen en carotenoïden en retinoïden. Hoewel de antioxiderende eigenschappen van deze verbindingen bekend zijn, benadrukt het artikel enkele belangrijke, vaak minder goed bestudeerde, kwesties. Recent onderzoek door de auteurs toont aan dat carotenoïden kunnen overschakelen van antioxidant naar pro-oxidant gedrag als functie van zuurstofconcentratie. Gebruikmakend van een op cellen gebaseerd modelsysteem, observeerden zij totale bescherming tegen blootstelling aan hoge energie γ-straling door lycopeen bij 0% zuurstof, maar nul bescherming bij 100% zuurstof. Dit kan gevolgen hebben voor het gedrag van carotenoïden in weefsels waar verschillende partiële druk van zuurstof aanwezig is. De fysische “organisatie” (bijvoorbeeld de neiging van carotenoïden om samen te voegen in verschillende oplosmiddelen) van de carotenoïde is een belangrijke overweging die zijn antioxidant vermogen beïnvloedt, door zijn interacties met reactieve zuurstofsoorten zelf en met andere antioxidanten zoals α-tocoferol en vitamine C. De antioxidant eigenschappen van de carotenoïde astaxanthine worden bestudeerd door Focsan et al. . Dit pigment is gebonden aan de witte spier van zalmachtigen, waardoor de karakteristieke roze kleuring van de vis wordt overgedragen, en wordt aangetroffen in de pigment-eiwitcomplexen van de carapax van een aantal schaaldieren. Astaxanthine hoopt zich ook op in het zoetwater Microalga Haematococcus pluvialis onder stressomstandigheden (bijv. nutriëntengebrek, blootstelling aan hoge bestralingsniveaus, of in aanwezigheid van reactieve zuurstofsoorten). Met behulp van een reeks technieken, waaronder elektron paramagnetische resonantie, geven Foscan en collega ‘ s aan dat een reeks factoren de antioxidantactiviteit van astaxanthine beïnvloeden. Deze omvatten: de vorming van chelaatcomplexen met metalen; verestering en het onvermogen om samen te voegen in de estervorm; een hoog oxidatiepotentieel; en de vorming van neutrale radicalen onder hoge bestraling in aanwezigheid van metaalionen.
zoals deze artikelen illustreren, bestaat er geen twijfel dat de interactie van carotenoïden met reactieve oxiderende soorten zeer complex is. Het lot van deze carotenoïden en de eigenschappen van de resulterende reactieproducten, met inbegrip van geometrische isomeren, adducten, en afbraak-of splitsingsverbindingen zijn nog relatief slecht begrepen. In dit speciale nummer, twee papers beschouwen afzonderlijke aspecten van deze. Eerst onderzoeken Haider en collega ‘ s de mogelijke genotoxische en cytotoxische rollen van oxidatieve afbraakproducten van carotenoïden. De pro-oxidant effecten als gevolg van blootstelling aan hoge doses carotenoïden waargenomen in vivo (zoals in de CARET en ATBC studies ), of verhoogde DNA schade gezien in in vitro studies (bijvoorbeeld ) worden vaak geassocieerd met de accumulatie en daaropvolgende schadelijke effecten van een reeks veronderstelde afbraakproducten. Haider et al. gevonden dat lage doses (1 µM) van splitsingsproducten van β-caroteen (gegenereerd door hypochloriet behandeling) induceerde significante niveaus van DNA-streng breuken in primaire pneumocyt type II cellen die werden onderworpen aan oxidatieve stress. Β-caroteen zelf daarentegen fungeerde als een effectieve antioxidant en cytotoxische effecten werden alleen gezien bij veel hogere concentraties (50 µM). De in vivo oxidatieve generatie van geometrische isomeren van een andere belangrijke voedingscarotenoïde, lycopeen, wordt overwogen door Graham et al. . In vitro studies hebben aangetoond dat blootstelling aan het complexe mengsel van vrije radicalen in sigarettenrook het bleken van carotenoïden, zoals lycopeen en β-caroteen, veroorzaakt via een reeks reacties, waaronder splitsing en isomerisatie . De detectie van dergelijke reactieproducten in vivo is vooral uitdagend vanwege hun (vaak) voorbijgaande aard en sporenniveaus. Graham et al. bleek dat het plasma van rokers verhoogde proporties van (13Z)-lycopeen bevatte ten opzichte van de andere geometrische isomeren van deze carotenoïde. Deze bevinding is consistent met in vitro waarnemingen dat deze specifieke, energetisch ongunstige, geometrische vorm bij voorkeur werd gegenereerd in de aanwezigheid van sigarettenrook . Er is verder werk nodig om het volledige scala aan reactieproducten van carotenoïden in de voeding te bepalen wanneer deze worden blootgesteld aan reactieve zuurstofsoorten, de routes te verduidelijken waardoor dergelijke afbraak optreedt en de mogelijke functie ervan beter te begrijpen. De rol van carotenoïden in de menselijke macula wordt besproken door Gong et al. . De xanthophyllen luteïne en zeaxanthine worden binnen verzameld en beschermen de macula. In deze studie werd het gedrag onderzocht van drie carotenoïden in de voeding, namelijk β-caroteen, lycopeen en luteïne, in retinale pigmentepitheliale cellen. Luteïne en lycopeen, maar niet β-caroteen, remde de groei van ongedifferentieerde ARPE-19-cellen. Bovendien was de levensvatbaarheid van de cellen onder hypoxische omstandigheden afgenomen. Het is de moeite waard op te merken dat de macula carotenoïden (luteïne en zeaxanthine) ook goed gedefinieerde functionele rollen hebben in de hogere plant fotosynthese, zowel bij het opvangen van licht als bij het doven van energie . Het vermogen van deze moleculen om te functioneren in planten en mensen is afhankelijk van dezelfde chemische en fysische eigenschappen.
carotenoïden zijn wijd verspreid over de natuurlijke wereld en om dit te weerspiegelen, Galasso et al. onderzoek naar het voorkomen en de diversiteit van carotenoïden in het mariene milieu en hun potentieel voor economische exploitatie (bijvoorbeeld als natuurlijke bron van pigmenten voor de voedsel-en diervoederindustrie of als bron van antioxidanten). Carotenoïden worden erkend als de meest voorkomende klasse van pigmenten in het mariene milieu, met een veel grotere diversiteit van structuren dan die gezien in de terrestrische omgeving . Echter, buiten een handvol van verbindingen zoals astaxanthine en fucoxanthine, blijven ze relatief slecht bestudeerd. Voortzetting van het economische thema, Fu et al. onderzoek de verdeling van pigmenten en hun antioxiderende activiteiten in fracties van durumtarwe.Concluderend, carotenoïden blijven een fascinerende groep natuurlijke pigmenten. Ze zijn niet alleen verantwoordelijk voor een breed scala aan kleuringen in de natuur, maar, nog belangrijker, ze hebben een belangrijke functionele rol in de biologie. Studies over hun functie in de menselijke gezondheid en ziekte hebben maar al te vaak uitsluitend gericht op wat zou kunnen worden beschouwd als een jacht op een “magische kogel” effect, dat wil zeggen dat een bepaalde carotenoïde (b.v. β-caroteen) wordt gevonden in “gezonde” diëten en, aangezien het een antioxidant is (althans in vitro), wordt aangenomen dat hoge doses een gunstig effect moeten hebben. Helaas is al te vaak aangetoond dat deze aanpak veel te simplistisch is, waarbij de interactie met andere voedingscomponenten (waaronder andere antioxidanten) en het lot van de antioxidanten zelf worden verwaarloosd, vooral wanneer ze in hoge doses aanwezig zijn. Terwijl sommige onderzoekers (bijvoorbeeld Truscott en Edge) altijd een aantal van deze aspecten hebben overwogen, zien we nu veel meer studies die deze complexe en technisch uitdagende kwesties aanpakken.