Grupa karotenoidów jest wszechobecna w przyrodzie i zidentyfikowano i scharakteryzowano ponad 600 różnych karotenoidów . Są one odpowiedzialne za pigmentację u zwierząt, roślin i mikroorganizmów, ale co najważniejsze pełnią również ważne, często krytyczne, role w systemach biologicznych. Rzeczywiście, w ostatnich latach większość uwagi skupionej na tej grupie pigmentów dotyczyła zrozumienia ich funkcji, zwłaszcza jako przeciwutleniaczy. „Rdzeniem” strukturalnym karotenoidów jest szkielet polieenowy składający się z szeregu sprzężonych wiązań C=C. Ta szczególna cecha jest przede wszystkim odpowiedzialna zarówno za ich właściwości pigmentacyjne, jak i zdolność wielu z tych związków do interakcji z wolnymi rodnikami i tlenem singletowym, a zatem działają jako skuteczne przeciwutleniacze. Modyfikacje tego szkieletu polienowego, zmiana liczby sprzężonych wiązań podwójnych wraz z dodaniem tlenowych grup funkcyjnych, z kolei zmieniają reaktywność karotenoidów. Co ważne, na funkcję karotenoidów ma również istotny wpływ ich bezpośrednie środowisko, które z kolei zależy od ich struktury (np. ). Jest to prawdopodobnie najbardziej widoczne w układach fotosyntetycznych w wyższych roślinach i glonach, gdzie ksantofile są ograniczone do kompleksów świetlnych (pełniących zarówno funkcję przechwytywania światła, jak i fotoprotekcyjną), podczas gdy β-karoten znajduje się w centrach reakcji (rola ochronna) (np. ).
podczas gdy karotenoidy są szeroko rozpowszechnione w systemach naturalnych, badania w dużej mierze koncentrują się na zaledwie kilku związkach, które są zaangażowane w aspekty zdrowia człowieka (zwłaszcza związki dietetyczne β-karoten, luteina i likopen) lub w procesach fotosyntetycznych w roślinach i bakteriach fotosyntetycznych (np. β-karoten, sferoiden, luteina, wiolaksantyna i zeaksantyna). W dziedzinie zdrowia ludzkiego badania epidemiologiczne na dużą skalę wykazały silny związek między dietami bogatymi w owoce i warzywa (w tym dietą „śródziemnomorską”) a redukcją niektórych chorób, w tym niektórych nowotworów i chorób serca . To z kolei doprowadziło do dużych badań interwencyjnych dotyczących diety, z których niektóre badały stosowanie wysokich dawek β-karotenu u palaczy i pracowników zajmujących się azbestem. Dwa najbardziej wpływowe badania to badanie skuteczności Beta-karotenu i retinolu (CARET) oraz badanie profilaktyki raka alfa-tokoferolu Beta-karotenu (ATBC). Wyniki takich badań okazały się jednak sprzeczne z poprzedzającymi je badaniami dietetycznymi, podkreślając potrzebę lepszego zrozumienia, jak karotenoidy zachowują się w biologicznych, zwłaszcza ludzkich, układach i, w rzeczywistości, czy karotenoidy mogą działać zarówno jako przeciwutleniacze, jak i proutleniacze w różnych warunkach.
to specjalne wydanie składa się z zestawu artykułów, które podkreślają niektóre z tych ostatnich osiągnięć dotyczących właściwości przeciwutleniających karotenoidów, odzwierciedlających szeroki zakres badań nad tą fascynującą grupą naturalnych produktów. Edge i Truscott recenzują najnowsze prace na temat interakcji między tlenem singletowym, wolnymi rodnikami oraz karotenoidami i retinoidami. Podczas gdy właściwości przeciwutleniające tych związków są dobrze znane, w artykule podkreślono kilka ważnych, często mniej dobrze zbadanych, problemów. Najnowsze badania przeprowadzone przez autorów pokazują, że karotenoidy mogą zmienić zachowanie z przeciwutleniacza na proutleniacz w funkcji stężenia tlenu. Wykorzystując system modelowy oparty na komórkach, zaobserwowali całkowitą ochronę przed narażeniem na wysokoenergetyczne promieniowanie γ przez likopen przy 0% tlenu, ale zerową ochronę przy 100% tlenu. Może to mieć wpływ na zachowanie karotenoidów w tkankach, w których obecne są różne częściowe ciśnienia tlenu. Fizyczna „organizacja” (np. tendencja karotenoidów do agregowania w różnych rozpuszczalnikach) karotenoidu jest ważnym czynnikiem, który wpływa na jego zdolności przeciwutleniające, poprzez interakcje z reaktywnymi formami tlenu, a także z innymi przeciwutleniaczami, takimi jak α-tokoferol i witamina C. właściwości przeciwutleniające astaksantyny karotenoidowej są badane przez Focsan i wsp. . Pigment ten związany jest z białym mięśniem łososiowatych, nadając rybom charakterystyczne różowe zabarwienie i znajduje się w kompleksach pigmentowo-białkowych karapaksu wielu skorupiaków. Astaksantyna gromadzi się również w słodkowodnej mikroaldze Haematococcus pluvialis w warunkach stresowych (np. brak składników odżywczych, ekspozycja na wysokie natężenie promieniowania lub w obecności reaktywnych form tlenu). Wykorzystując szereg technik, w tym elektronowy rezonans paramagnetyczny, Foscan i współpracownicy wskazują, że szereg czynników wpływa na aktywność przeciwutleniającą astaksantyny. Należą do nich: tworzenie kompleksów chelatowych z metalami; estryfikacja i jej niezdolność do agregowania w postaci estru; wysoki potencjał utleniania; i tworzenie neutralnych rodników pod wysokim napromieniowaniem w obecności jonów metali.
jak ilustrują te prace, nie ma wątpliwości, że interakcja karotenoidów z reaktywnymi gatunkami utleniającymi jest wysoce złożona. Losy tych karotenoidów i właściwości otrzymanych produktów reakcji, w tym izomerów geometrycznych, adduktów i związków rozpadu lub rozszczepiania są nadal stosunkowo słabo poznane. W tym specjalnym numerze dwa artykuły rozważają odrębne aspekty tego zagadnienia. Po pierwsze, Haider i współpracownicy badają potencjalne genotoksyczne i cytotoksyczne role oksydacyjnych produktów rozpadu karotenoidów. Efekty prooksydacyjne wynikające z narażenia na wysokie dawki karotenoidów obserwowane in vivo (jak w badaniach CARET i ATBC) lub zwiększone uszkodzenia DNA obserwowane w badaniach in vitro (np. ) są często związane z akumulacją i późniejszymi szkodliwymi działaniami szeregu domniemanych produktów rozkładu. Haider et al. stwierdzono, że niskie dawki (1 µM) produktów rozszczepiania β-karotenu (wytworzonych w wyniku obróbki podchlorynowej) powodowały znaczne poziomy przerw nici DNA w pierwotnych komórkach pneumocytów typu II, które były poddawane stresowi oksydacyjnemu. Natomiast sam β-karoten działał jako skuteczny przeciwutleniacz, a efekty cytotoksyczne obserwowano tylko przy znacznie wyższych stężeniach (50 µM). In vivo oksydacyjne generowanie izomerów geometrycznych innego głównego karotenoidu dietetycznego, likopenu, jest rozważane przez Grahama i wsp. . Badania in vitro wykazały, że ekspozycja na złożoną mieszaninę wolnych rodników znajdujących się w dymie papierosowym indukuje wybielanie karotenoidów, takich jak likopen i β-karoten, poprzez szereg reakcji, w tym rozszczepienie i izomeryzację . Wykrywanie takich produktów reakcji in vivo jest szczególnie trudne ze względu na ich (często) przejściowy charakter i poziomy śladowe. Graham et al. stwierdzono, że osocze palaczy zawierało podwyższone proporcje (13Z)-likopenu w stosunku do innych izomerów geometrycznych tego karotenoidu. To odkrycie jest zgodne z obserwacjami in vitro, że ta szczególna, niekorzystna energetycznie, geometryczna forma została preferencyjnie wygenerowana w obecności dymu papierosowego . Potrzebne są dalsze prace w celu określenia pełnego zakresu produktów reakcji karotenoidów dietetycznych pod wpływem reaktywnych form tlenu, wyjaśnienia szlaków, w których zachodzi taka degradacja i lepszego zrozumienia ich możliwej funkcji.
rola karotenoidów w plamce ludzkiej jest omawiana przez Gong i wsp. . Luteina i zeaksantyna ksantofili gromadzą się w plamce żółtej i chronią ją. W badaniu tym zbadano zachowanie trzech dietetycznych karotenoidów, a mianowicie β-karotenu, likopenu i luteiny w komórkach nabłonka barwnikowego siatkówki. Luteina i likopen, ale nie β-karoten, hamowały wzrost niezróżnicowanych komórek ARPE-19. Ponadto zmniejszono żywotność komórek w warunkach niedotlenienia. Warto zauważyć, że karotenoidy plamki żółtej (luteina i zeaksantyna) mają również dobrze zdefiniowane funkcje w Wyższej fotosyntezie roślin, zarówno w wychwytywaniu światła, jak i gaszeniu energii . Zdolność tych cząsteczek do funkcjonowania zarówno u roślin, jak i u ludzi zależy od tych samych właściwości chemicznych i fizycznych.
karotenoidy są szeroko rozpowszechnione w świecie przyrody i aby to odzwierciedlić, Galasso et al. przegląd występowania i różnorodności karotenoidów w środowisku morskim oraz ich potencjału gospodarczego (np. jako naturalnych źródeł pigmentów dla przemysłu spożywczego i paszowego lub jako źródła przeciwutleniaczy). Karotenoidy są uznawane za najczęstszą klasę pigmentów w środowisku morskim, o znacznie większej różnorodności struktur niż w środowisku lądowym . Jednak poza garstką związków, takich jak astaksantyna i Fukoksantyna, pozostają one stosunkowo słabo zbadane. Kontynuując temat ekonomiczny, Fu et al. zbadaj rozmieszczenie pigmentów i ich działanie przeciwutleniające we frakcjach mielenia pszenicy durum.
podsumowując, karotenoidy pozostają fascynującą grupą naturalnych pigmentów. Nie tylko są odpowiedzialne za szeroki wachlarz ubarwień w przyrodzie, ale, co ważniejsze, pełnią kluczową rolę funkcjonalną w biologii. Badania nad ich funkcją w ludzkim zdrowiu i chorobie zbyt często koncentrowały się wyłącznie na tym, co może być uważane za polowanie na efekt „magicznej kuli”, tj. konkretny karotenoid (np. β-karoten) znajduje się w „zdrowej” diecie, a ponieważ jest przeciwutleniaczem (przynajmniej in vitro), zakłada się, że Wysokie dawki muszą mieć korzystny wpływ. Niestety zbyt często takie podejście okazało się zbyt uproszczone, zaniedbując interakcje z innymi składnikami diety (w tym innymi przeciwutleniaczami) i Los samych przeciwutleniaczy, zwłaszcza gdy są obecne w dużych dawkach. Podczas gdy niektórzy badacze (np. Truscott i Edge) zawsze rozważali niektóre z tych aspektów, obecnie obserwujemy wiele innych badań dotyczących tych złożonych i trudnych technicznie problemów.