karotenoidgruppen av pigment är allestädes närvarande i naturen och mer än 600 olika karotenoider har identifierats och karakteriserats . De är ansvariga för pigmentering hos djur, växter och mikroorganismer, men avgörande tjänar också viktiga, ofta kritiska, roller i biologiska system. Faktum är att de senaste åren mest uppmärksamhet fokuserad på denna grupp av pigment har berört att förstå deras funktion, särskilt som antioxidanter. Karotenoidernas” kärna ” strukturella element är en polyen-ryggrad bestående av en serie konjugerade C=C-bindningar. Denna speciella egenskap är främst ansvarig för både deras pigmenteringsegenskaper och förmågan hos många av dessa föreningar att interagera med fria radikaler och singlet syre och därför fungera som effektiva antioxidanter. Modifieringar av denna polyen-ryggrad, som förändrar antalet konjugerade dubbelbindningar tillsammans med tillsats av syrefunktionella grupper, förändrar i sin tur reaktiviteten hos karotenoider. Viktigt är att karotenoidernas funktion också påverkas väsentligt av deras omedelbara miljö, som i sin tur är beroende av deras struktur (t.ex.). Detta är utan tvekan tydligast i fotosyntetiska system i högre växter och alger där xantofyller är begränsade till ljusskörd komplex (utför både ljusfångst och fotoskyddande roller), medan cigarrkaroten finns i reaktionscentra (en skyddande roll) (t.ex.).
medan karotenoider är brett fördelade över naturliga system, har forskning i stor utsträckning koncentrerat sig på några få föreningar som är involverade i aspekter av människors hälsa (särskilt dietföreningarna sackarotenkaroten, lutein och lykopen) eller i fotosyntetiska processer i växter och fotosyntetiska bakterier (t.ex. I människors hälsa har storskaliga epidemiologiska studier visat en stark koppling mellan dieter rik på frukt och grönsaker (inklusive ”Medelhavsdieten”) och minskningar av vissa sjukdomar, inklusive vissa cancerformer och hjärtsjukdomar . Detta ledde i sin tur till stora kostinterventionsstudier, av vilka några undersökte användningen av höga doser av sackarotenkaroten hos rökare och asbestarbetare. Två av de mest inflytelserika studierna var betakaroten och Retinol Efficacy Trial (CARET) och alfa-tokoferol betakaroten Cancer Prevention Trial (ATBC). Resultaten från sådana studier tycktes emellertid motsäga de dietstudier som föregick dem, vilket belyser behovet av att bättre förstå hur karotenoider beter sig i biologiska, särskilt mänskliga system och faktiskt om karotenoider kan fungera som både antioxidanter och prooxidanter under olika förhållanden.
denna specialutgåva består av en uppsättning artiklar som lyfter fram några av dessa senaste framsteg när det gäller karotenoidernas antioxidantegenskaper, vilket återspeglar det stora utbudet av studier på denna fascinerande grupp av naturliga produkter. Edge och Truscott granskar det senaste arbetet med interaktionen mellan singlet syre, fria radikaler, och karotenoider och retinoider. Medan antioxidantegenskaperna hos dessa föreningar är välkända, framhäver artikeln några viktiga, ofta mindre väl studerade, problem. Ny forskning av författarna visar att karotenoider kan byta från antioxidant till prooxidantbeteende som en funktion av syrekoncentrationen. Med hjälp av ett cellbaserat modellsystem observerade de totalt skydd mot exponering för hög energi-strålning av lykopen vid 0% syre, men nollskydd vid 100% syre. Detta kan ha konsekvenser för uppförandet av karotenoider i vävnader där olika partiella tryck av syre är närvarande. Den fysiska ”organisationen” (t.ex. tendensen för karotenoider att aggregeras i olika lösningsmedel) av karotenoiden är ett viktigt övervägande som påverkar dess antioxidantförmåga, genom dess interaktioner med reaktiva syrearter själva såväl som med andra antioxidanter, såsom sackaros-tokoferol och vitamin C. karotenoid astaxantinets antioxidantegenskaper studeras av Focsan et al. . Detta pigment är bunden till den vita muskeln av laxfiskar, vilket ger den karakteristiska rosa färgen hos fisken och finns i pigmentproteinkomplexen i karpacen hos ett antal crustacea. Astaxanthin ackumuleras också i sötvattenmikroalgen Haematococcus pluvialis under stressförhållanden (t.ex. näringsbrist, exponering för höga bestrålningar eller i närvaro av reaktiva syrearter). Med hjälp av en rad tekniker inklusive elektronparamagnetisk resonans indikerar Foscan och kollegor att en rad faktorer påverkar antioxidantaktiviteten hos astaxantin. Dessa inkluderar: bildandet av kelatkomplex med metaller; förestring och dess oförmåga att aggregera i esterformen; en hög oxidationspotential; och bildandet av neutrala radikaler under hög bestrålning i närvaro av metalljoner.
som dessa papper illustrerar är det ingen tvekan om att interaktionen mellan karotenoider och reaktiva oxiderande arter är mycket komplex. Ödet för dessa karotenoider och egenskaperna hos de resulterande reaktionsprodukterna, inklusive geometriska isomerer, addukter och nedbrytnings-eller klyvningsföreningar är fortfarande relativt dåligt förstådda. I denna specialutgåva överväger två artiklar separata aspekter av detta. Först undersöker Haider och kollegor de potentiella genotoxiska och cytotoxiska rollerna hos oxidativa nedbrytningsprodukter av karotenoider. Prooxidanteffekterna till följd av exponering för höga doser karotenoider som ses in Vivo (som i CARET-och ATBC-studierna) eller förbättrad DNA-skada som ses i in vitro-studier (t.ex.) är ofta förknippade med ackumulering och efterföljande skadliga effekter av en rad förmodade nedbrytningsprodukter. Haider et al. fann att låga doser (1 oc h) av klyvningsprodukter av oc h-karoten (genererad genom hypokloritbehandling) inducerade signifikanta nivåer av DNA-strängbrott i primära pneumocyt typ II-celler som utsattes för oxidativ stress. Däremot fungerade självkokaroten som en effektiv antioxidant och cytotoxiska effekter sågs endast vid mycket högre koncentrationer (50 kg). Den in vivo oxidativa generationen av geometriska isomerer av en annan viktig dietkarotenoid, lykopen, anses av Graham et al. . In vitro-studier har visat att exponering för den komplexa blandningen av fria radikaler som finns i cigarettrök inducerar blekning av karotenoider, såsom lycopen och sackarotenkaroten, via en serie reaktioner inklusive klyvning och isomerisering . Detekteringen av sådana reaktionsprodukter in vivo är särskilt utmanande på grund av deras (ofta) övergående natur och spårnivåer. Graham et al. fann att plasma av rökare innehöll förhöjda proportioner av (13z) – lykopen i förhållande till de andra geometriska isomererna av denna karotenoid. Detta resultat överensstämmer med in vitro-observationer att denna speciella, energiskt ogynnsamma geometriska form företrädesvis genererades i närvaro av cigarettrök . Ytterligare arbete behövs för att bestämma hela spektret av reaktionsprodukter av dietkarotenoider när de utsätts för reaktiva syrearter, belysa de vägar genom vilka sådan nedbrytning sker och bättre förstå deras möjliga funktion.
karotenoidernas roll i den mänskliga makula diskuteras av Gong et al. . Xantofyllerna lutein och zeaxantin ackumuleras i och skyddar makula. Denna studie undersökte uppförandet av tre dietkarotenoider, nämligen AUC-karoten, lykopen och lutein, i retinala pigmentepitelceller. Lutein och lykopen, men inte AX-karoten, inhiberade tillväxten av odifferentierade Arpe-19-celler. Dessutom minskade cellens livskraft under hypoxiska förhållanden. Det är värt att notera att makulakarotenoiderna (lutein och zeaxantin) också har väldefinierade funktionella roller i högre växtfotosyntes, både i ljusfångst och energisläckning . Förmågan hos dessa molekyler att fungera i både växter och människor är beroende av samma kemiska och fysikaliska egenskaper.
karotenoider är brett fördelade över den naturliga världen och för att återspegla detta, Galasso et al. granska förekomsten och mångfalden av karotenoider i den marina miljön samt deras potential för ekonomiskt utnyttjande (t.ex. som naturliga källor till pigment för livsmedels-och foderindustrin eller som en källa till antioxidanter). Karotenoider erkänns som den vanligaste klassen av pigment i den marina miljön, med en mycket större mångfald av strukturer än den som ses i den markbundna miljön . Men utöver en handfull föreningar som astaxantin och fucoxantin förblir de relativt dåligt studerade. Fortsätter det ekonomiska temat, Fu et al. undersök fördelningen av pigment och deras antioxidantaktiviteter i fräsfraktioner av durumvete.
Sammanfattningsvis förblir karotenoider en fascinerande grupp av naturliga pigment. Inte bara är de ansvariga för ett brett spektrum av färg i naturen, men, ännu viktigare, de har viktiga funktionella roller i biologi. Studier av deras funktion i människors hälsa och sjukdom har alltför ofta fokuserat enbart på vad som kan betraktas som en jakt på en ”magisk kula”-effekt, dvs en viss karotenoid (t.ex. Tyvärr har alltför ofta detta tillvägagångssätt visat sig vara alltför förenklat, försummar som det gör interaktionen med andra dietkomponenter (inklusive andra antioxidanter) och antioxidanternas öde, särskilt när de är närvarande vid höga doser. Medan vissa forskare (t.ex. Truscott och Edge) alltid har beaktat några av dessa aspekter, ser vi nu många fler studier som hanterar dessa komplexa och tekniskt utmanande problem.