plik

Postępy Biochemii 58 (3) 2012

235

Małgorzata Czaplińska

Jan Czepas
Krzysztof Gwoździński

Zakład Badań Struktur Biopolimerów, Katedra

Biofizyki Molekularnej, Uniwersytet Łódzki,

Łódź

Zakład Badań Struktur Biopolimerów,

Katedra Biofizyki Molekularnej, Uniwersytet

Łódzki, ul. Pomorska 141/143, 90-236 Łódź;

e-mail: czaplinska.malgorzata@gmail.com

Artykuł otrzymano 22 listopada 2011 r.

Artykuł zaakceptowano 20 kwietnia 2012 r.

Słowa kluczowe: flawonoidy, podział flawo-

noidów, właściwości przeciwutleniające, wła-

ściwości przeciwnowotworowe

Wykaz skrótów: ADA — adenozynodeami-

naza; ALL (ang. acute lymphoblastic leukaemia)

— ostra białaczka limfoblastyczna; AML (ang.

acute myeloid leukaemia) — ostra białaczka szpi-

kowa; AP-1 (ang. activator protein 1) — czynnik

transkrypcyjny AP-1; Bax (ang. Bcl-2 associated

X protein) — białko X związane z Bcl-2; Bcl-XL

— białko antyapoptotyczne; BCR (ang. B cell

receptor) — receptor limfocytów B; EGFR (ang.

epidermal growth factor receptor) — receptor na-

skórkowego czynnika wzrostu; EpRE (ang.

electrophile-responsive element) — element kon-

trolujący ekspresję genów kodujących enzymy

detoksykacyjne; FAK (ang. focal adhesion kinase)

— kinaza ogniskowo-adhezyjna; GABA (ang.

γ-aminobutyric acid) — kwas γ-aminomasłowy;

HDL (ang. high density lipoproteins) — lipopro-

teiny o wysokiej gęstości; HTZ – hormonalna

terapia zastępcza; IAP (ang. inhibitor of apop-

tosis protein) — białko inhibitorowe apoptozy;

LDL (ang. low density lipoproteins) — lipoprote-

iny o małej gęstości; NADPH (ang. nicotinamide

adenine dinucleotide phosphate reduced) — zredu-

kowana forma fosforanu dinukleotydu niko-

tynamidoadeninowego; NF-κB (ang. nuclear

factor κB) — jądrowy czynnik transkrypcyjny

κB; OUN (ang. central nervous system) — ośrod-

kowy układ nerwowy; PAL (ang. phenylalanine

ammonia-lyase) — amoniakoliaza fenyloalani-

nowa; P-gp (ang. p-glycoprotein) — glikopro-

teina P; PKC (ang. protein kinase C) — kinaza

białkowa C; PLA

(ang. phospholipase A

) — fos-

folipaza A

; PST — sulfotransferaza fenolowa;

PTK (ang. protein tyrosine kinase) — kinaza tyro-

zynowa; RFT — reaktywne formy tlenu; SHBG

(ang. sex hormone binding globulin) — białko

wiążące hormony płciowe

Budowa, właściwości przeciwutleniające i przeciwnowotworowe flawonoidów

STRESZCZENIE

lawonoidy należą do substancji pochodzenia roślinnego, które występują m.in. w owocach

i warzywach. Do flawonoidów należą: flawony, flawonole (3-hydroksyflawony), flawanony,

flawanole (flawan-3-ole, flawanonole), antocyjanidyny, izoflawony i neoflawonoidy. Dzięki spe-

cyficznej budowie flawonoidy mogą chronić komórkę przed reaktywnymi formami tlenu (RFT)

generowanymi w organizmie. Ich właściwości przeciwutleniające związane są ze zdolnością do

zmiatania RFT (w tym rodników tlenopochodnych), udostępniania atomu wodoru lub elektro-

nu, chelatowania jonów metali przejściowych (głównie miedzi i żelaza), stymulacją właściwości

przeciwutleniających enzymów przez wzrost ich aktywności, dotyczy to m.in. dysmutazy po-

nadtlenkowej, peroksydazy glutationowej i katalazy. Flawonoidy hamują aktywność enzymów

proutleniających, lipooksygenazy, cyklooksygenazy, oksydazy ksantynowej oraz mają wpływ

na produkcję indukowalnej syntazy tlenku azotu. Związki te regenerują również rodnik askor-

bylowy i tokoferyloksylowy do odpowiednich witamin. Wykazują działanie przeciwwirusowe,

przeciwalergiczne, przeciwzapalne i przeciwnowotworowe, ograniczają także rozwój chorób

neurodegeneracyjnych (choroba Alzheimera, Parkinsona) i miażdżycy. Wykazują efekt ochron-

ny przed szkodliwym działaniem promieniowania nadfioletowego. W pracy omówiono wła-

ściwości przeciwutleniające, działanie przeciwnowotworowe flawonoidów, uwzględniając ich

działanie na enzymy naprawcze DNA, zatrzymanie cyklu komórkowego, uaktywnianie szlaków

apoptozy oraz hamowanie procesu karcenogenezy przez inaktywację niektórych kancerogenów.

WPROWADZENIE

Flawonoidy należą do grupy związków pochodzenia roślinnego. Występują

w wielu owocach (aronii, owocach cytrusowych, jagodach, borówkach, winogro-

nach, czereśniach, itp.) oraz warzywach (np. cebuli, pomidorach, papryce, soi,

brokułach), obecne są także w ziarnach kakaowca i kawy, w liściach zielonej her-

baty, winie oraz oliwie z oliwek [1,2]. Pełnią one rolę atraktantów, funkcję barwni-

kową (nie wszystkie) i przeciwutleniającą, a także naturalnych insektycydów oraz

fungicydów. Wykazują dSziałanie przeciwwirusowe, przeciwalergiczne, prze-

ciwzapalne, przeciwmiażdżycowe i przeciwnowotworowe [3-5]. Ponadto, chro-

nią młode rośliny przed szkodliwym działaniem promieniowania nadfioletowe-

go w czasie syntezy chlorofilu oraz przed atakiem ze strony owadów i grzybów.

Flawonoidy są uważane za jedne z najlepszych substancji o właściwościach prze-

ciwutleniających, które wspomagają endogenne systemy o takim działaniu [1,6].

Wykazują korzystne efekty zdrowotne oraz opóźniają procesy starzenia się [7-9].

Ich ochronne działanie stwierdzono m.in. w doświadczeniach z wykorzystaniem

linii komórkowych PC12 (model choroby Parkinsona), jak również w badaniach

procesu apoptozy indukowanej amyloidem-b w komórkach neuronów (model

choroby Alzheimera) [10]. Należy jednak podkreślić, że w wielu pracach badaw-

czych (in vivo i in vitro) stosowane są ekstrakty roślinne, a nie wyizolowane flawo-

noidy. Ekstrakty te często stanowią złożone mieszaniny, w skład których (oprócz

flawonoidów) wchodzą również inne składniki, takie jak fenole (kwasy fenolo-

we), taniny, chalkony [11]. Stąd też, nie zawsze można jednoznacznie stwierdzić,

który ze składników wchodzących w skład ekstraktu wykazuje wpływ dominu-

jący. Z drugiej strony, wszystkie wymienione substancje charakteryzują się tak-

że (w mniejszym lub większym stopniu) właściwościami przeciwutleniającymi,

przeciwwirusowymi, przeciwmiażdżycowymi, przeciwnowotworowymi, itp.

Do pozytywnych aspektów działania flawonoidów należą uszczelnianie naczyń

krwionośnych poprzez hamowanie aktywności enzymów proteolitycznych (ela-

stazy, hialuronidazy), co prowadzi do wzmocnienia tkanki łącznej w śródbłonku

naczyń, zwiększenia ich elastyczności i uszczelnienia ścianek. Takie działanie pro-

wadzi do efektu przeciwwysiękowego i przeciwobrzękowego [12,13].

BUDOWA CHEMICZNA I BIOSYNTEZA

Podstawową strukturą flawonoidów wg nomenklatury IUPAC jest heterocy-

kliczny układ chromanu (benzo-γ-piranu) z grupą ketonową w pozycji cztery

(chroman-4-on lub benzopiron). Po wprowadzeniu podstawnika fenylowego w

236

www.postepybiochemii.pl

pozycję dwa powstają odpowiednio, 2-fenylochroman i 2-fe-

nylochroman-4-on (Ryc. 1). Do tej grupy należą flawanole,

np. flawan-3-ol i flawan-4-ol oraz flawano-2,3-diole (leukocy-

janidyny) oraz flawonoidy posiadajace grupę karbonylową

w pozycji cztery (2-fenylochroman-4-on), czyli flawanony

oraz flawanonole oparte na strukturze 3-hydroksy-2-feny-

lochromanonu-4 (czasem zapisywany jako 3-hydroksy-2,3-

dihydrofenylochromen-4-on). Natomiast flawony (2-fenylo-

chromen-4-on) i flawonole (3-hydroksyflawony; pochodne

3-hydroksy-2-fenylochromen-4-onu) posiadają wiązanie

podwójne w pierścieniu chromanu. Z kolei izoflawony

posiadają podstawnik fenylowy w pozycji trzy pierścienia

chromanu (3-fenylochromen-2-on-4 lub 3-fenylochromen-

-4-on). Neoflawonoidy, które są pochodnymi 4-fenylokuma-

ryny posiadają podstawnik fenylowy w pozycji cztery, a gru-

pę karbonylową w pozycji dwa (4-fenylochromen-3-on-2).

Inną grupę pochodnych chromenu stanowią antocyjanidyny,

sole flawyliowe (2-fenylochromenyliowe) z podstawnikiem

fenylowym w pozycji dwa, ładunkiem dodatnim zloka-

lizowanym na atomie tlenu, zawierające dwa wiązania pod-

wójne w pierścieniu heterocyklicznym chromanu.

W wielu pracach dotyczących flawonoidów stosowane

są również oznaczenia literowe dla każdego z pierścieni od-

dzielnie. Literami A i B oznaczone są pierścienie benzenowe,

a literą C pierścień heterocykliczny piranu. Takie oznaczenia

stosowane są dla prostych flawonoidów i mają charakter hi-

storyczny związany z ich biosyntezą, w której jednym z sub-

stratów jest chalkon. Nazewnictwo takie jest oczywiście do-

puszczone, tak jak nazwy zwyczajowe odpowiednich grup

flawonoidów oraz samych flawonoidów. W niniejszej pracy

uwzględniono pierścień heterocykliczny chromanu (wg no-

menklatury IUPAC), podobnie jak ma to miejsce w innych

związkach heterocyklicznych złożonych z

dwóch pierścieni, takich na przykład jak chi-

nolina, indol, adenina i akrydyna.

Prekursorem flawonoidów jest chalkon

(Ryc. 1), powstający na drodze biosyntezy z

fenyloalaniny. Synteza zaczyna się od kwasu

szikimowego będącego związkiem wyjścio-

wym w biosyntezie aminokwasów aroma-

tycznych (fenyloalanina, tyrozyna, trypto-

fan). Fenyloalanina w wyniku deaminacji jest

przekształcana do kwasu cynamonowego

przy udziale amoniakoliazy fenyloalaninowej

(PAL). Następnie 4-hydroksylaza cynamono-

wa katalizuje reakcję wprowadzenia grupy –

OH do pierścienia benzenowego i powstanie

kwasu kumarowego (4-hydroksycynamono-

wego). Kolejno ligaza kwasu kumarowego-

:koenzym A przekształca p-kumarynian do

odpowiedniego estru CoA aktywując go do

reakcji z malonylo-CoA. W wyniku kondensa-

cji jednej cząsteczki 4-kumaroilo-CoA i trzech

cząsteczek malonylo-CoA w obecności syn-

tazy chalkonu powstaje chalkon. W kolejnej

reakcji następuje cyklizacja chalkonu do fla-

wanonu przy udziale izomerazy chalkon-fla-

wanon. Na tym etapie główny szlak syntezy

rozgałęzia się na kilka dróg syntez, prowadzą-

cych do innych klas flawonoidów. Utlenianie

przebiega w obecności hydroksyhydrolazy, a

następnie kolejno biorą udział dwa enzymy: 3’-hydroksyla-

za flawonoidowa oraz 3’,5’-hydroksylaza. Kolejnym etapem

jest redukcja przy udziale reduktazy dihydroflawonolu-4 do

leukocyjanidyny, utlenianej przez syntazę antocyjanidynową

(dioksygenazę leukocyjanidynową) do antocyjanidyn. Do tej

grupy związków należą antocyjanidyny (cyjanidyny), leuko-

antocyjanidyny i katechiny [14,15].

Ogromna różnorodność flawonoidów, obecnie znanych

jest ponad 5000 związków (niektórzy podają nawet 8000),

wynika z faktu, że atomy węgla w pierścieniu chromanu

(heterocyklicznym) lub benzenowym mogą ulegać reakcjom

podstawienia (hydroksylacji lub metoksylacji). Natomiast

wolne grupy hydroksylowe mogą być poddane glikozylacji

(tworząc glikozydy), a także acylacji [16-18]. Dotychczas po-

znane pochodne występujące w przyrodzie różnią się mię-

dzy sobą: liczbą i pozycją grup hydroksylowych w obu pier-

ścieniach, różnym stopniem utlenienia atomu węgla w po-

zycji dwa (najczęściej) pierścienia heterocyklicznego, typem

wiązania glikozydowego (O-glikozydowe, C-glikozydowe)

z cukrami prostymi lub złożonymi, kwasami cukrowymi i

innymi kwasami organicznymi (np. octowy, malonowy, fe-

rulowy, galusowy i in.). W większości naturalnych flawono-

idów pierścień heterocykliczny występuje prawie zawsze z

grupami hydroksylowymi lub rzadziej z grupami metoksy-

lowymi w pozycji 3, 5 i 7, a w pierścieniu benzenowym pod-

stawniki te lokują się w pozycjach 3’,4’, czasem 5’,6’. Flawo-

noidy mogą ulegać kondensacji tworząc oligomery (dimery,

trimery, tetramery, pentamery) lub polimery złożone z 14-15

cząsteczek monomerów (taniny). W roślinach flawonoidy

występują najczęściej w postaci glikozydów: ramnozydów,

glukoramnozydów, galaktozydów i arabinozydów [19].

Rycina 1. Wzory strukturalne różnych grup flawonoidów: A. chalkon, prekursor flawonoidów; B. fla-

wan; C. flawanony; D. izoflawany; E. neoflawany; F. flawony; G. izoflawony; H. jon flawyliowy; I. neo-

flawony (nazewnictwo wg IUPAC).

Postępy Biochemii 58 (3) 2012

237

Reszta cukrowa przyłączona jest do aglikonu poprzez atom

tlenu (wiązanie O-glikozydowe) w pozycji C3, jeśli go nie ma

przy tym atomie węgla, wówczas w pozycji C7, rzadziej w

pozycjach C5, C3’, C4’, czy C5’. Sporadycznie powstają wią-

zania C-glikozydowe w pozycji C8, np. witeksyna, (8-C-glu-

kozyd apigeniny) i orientyna. Znane są również pochodne

C-glikozydowe z resztami cukrowymi w pozycjach C2 i C6.

Stwierdzono, in vitro, że zablokowanie przez resztę cukrową

grup hydroksylowych w glikozydach wpływa na ich słabsze

właściwości przeciwutleniające w porównaniu do odpowied-

nich aglikonów [19]. O właściwościach przeciwutleniających

flawonoidów decyduje obecność grup hydroksylowych w

obu pierścieniach, izomeria ich położenia oraz obecność po-

dwójnego wiązania i grupy karbonylowej w pierścieniu he-

terocyklicznym. Silniejszy potencjał przeciwutleniający wy-

kazują flawonoidy posiadające większą liczbę grup hydrok-

sylowych oraz położenie ich w pozycji para. Stwierdzono

ponadto, że różnice we właściwościach przeciwutleniających

zależą również od rodzaju reszty sacharydowej obecnej w

cząsteczce. Zaobserwowano, że glikozylacja grupy hydrok-

sylowej przy węglu w pozycji trzy cząsteczką monosachary-

du nie obniża zdolności przeciwutleniających flawonoidów

in vivo, natomiast aktywność przeciwutleniająca jest istotnie

niższa w przypadku glikozylacji resztą disacharydową [19].

Badacze wyróżniają następujące klasy powszechnie wy-

stępujących flawonoidów [20] (Ryc. 2):

— flawan-3-ole (pochodne 3-hydroksy-2-fenylochroman-

-4-onu): (+) katechina, gallokatechina, (-) epikatechina, (-)

epigallokatechina oraz estry kwasu galusowego, np. 3-galu-

san epigallokatechiny; wykazują właściwości przeciwutle-

Rycina 2. Wzory chemiczne: A. kemferol; B. kwercetyna; C. rutyna; D. witeksyna; E. cyjanidyna; F. delfinidyna; G. diosmina; H. apigenina; I. hesperedyna; J. hesperetyna;

K. genisteina; L. pinobanksyna; M. taksyfolina.

238

www.postepybiochemii.pl

niające i ochronne przed utlenianiem cząstek LDL, a także

w ochronie szpiku przed promieniowaniem jonizującym

[21,22];

— flawonole (pochodne 3-hydroksy-2-fenylochromen-

-4-onu): kwercetyna, kemferol, mirycetyna, fisetyna, mo-

ryna oraz glikozydy, np. izokwercetyna, rutyna, kemfery-

tryna, mirycetyna. Podobnie jak inne flawonoidy, katechiny

posiadają właściwości przeciwutleniające, przeciwmiaż-

dżycowe, przeciwnowotworowe oraz chronią skórę przed

promieniowaniem UV [4,5,23];

— antocyjany (kationy 2-fenylochromenyliowe) są solami

oksoniowymi (kationowymi pochodnymi flawyliowymi):

cyjanidyna, pelargonidyna, delfinidyna, malwidyna, peoni-

dyna; posiadają właściwości przeciwutleniające, przeciwno-

wotworowe, przeciwzapalne, przeciwobrzękowe. Hamują

procesy starzenia, stany zapalne [24,25]. Ich właściwości

przeciwutleniające związane są m.in. z efektywnym hamo-

waniem enzymatycznej i nieenzymatycznej peroksydacji

lipidów w porównaniu z klasycznymi przeciwutleniacza-

mi, m.in. z α-tokoferolem [26]. W roślinach pełnią rolę filtru

ochronnego przed promieniowaniem słonecznym (również

UV). Hamują agregację płytek krwi, przeciwdziałają utle-

nianiu lipoprotein o małej gęstości (LDL). Z cukrami tworzą

odpowiednie 3-glikozydy;

— flawony (2-fenylochromen-2-on-4 lub 2- fenylochromen-

-4-on): apigenina, tangeretyna, bajkaleina, wogonina, lute-

olina; wpływają na przepływ wieńcowy w mięśniu serco-

wym, przeciwzapalnie, przeciwalergicznie. Tonizują pracę

serca, obniżają podwyższone ciśnienie krwi. Przedłużają i

wzmagają działanie witaminy C. Uszczelniają i wzmacniają

naczynia krwionośne;

— flawanony (2-fenylochroman-4-on lub 2,3-dihydro-2-fe-

nylochromen-4-on): naringenina, naringina, hesperetyna,

hesperydyna, narirutyna, taksyfolina, poncyryna, rutyna;

nadają gorzki smak owocom, są obecne w grejpfrutach, ale

np. niewielkie stężenia naringeniny wykryto również w po-

midorach. Działają estrogennie, przeciwzapalnie i obniżają

poziom cholesterolu [27-29];

— izoflawony (3-fenylochromen-2-on-4 lub 3-fenylochro-

men-4-on): daidzeina, genisteina, glicyteina, biochanina A;

działają estrogennie, hamują wzrost komórek raka piersi

(zarówno estrogenozależnych, jak i estrogenoniezależnych),

chronią rośliny przed atakiem grzybów [30,31]. Wpływają

hamująco na rozwój raka gruczołu mlekowego, osteopo-

rozę oraz choroby układu krążenia; wykazują zdolność do

wiązania się z receptorami estrogenowymi α i β (ERα i β)

[32];

— neoflawonoidy (4-fenylokumaryna lub 4-fenylochro-

men-2-on): dalbergina, dalbergichromen, niwetyna.

WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNE

Flawonoidy są najczęściej substancjami stałymi o barwie

żółtej lub bezbarwnymi, wyjątkiem są wielobarwne anto-

cyjanidyny. W formie glikozydów są często rozpuszczalne

w wodzie i etanolu, natomiast nierozpuszczalne w eterze,

chloroformie i benzenie. Aglikony zaś są prawie nieroz-

puszczalne w wodzie, z wyjątkiem katechin i antocyjani-

dyn, rozpuszczają się natomiast w rozpuszczalnikach orga-

nicznych. Hydroliza kwaśna glikozydów flawonoidowych

prowadzi do otrzymania aglikonu i części cukrowej, jest

ona stosowana w badaniach tych związków. Do identyfika-

cji poszczególnych flawonoidów wykorzystuje się spektro-

skopię w nadfiolecie i świetle widzialnym, spektroskopię w

podczerwieni oraz radiospektroskopię (spektroskopię ma-

gnetycznego rezonansu jądrowego) [15].

Obecność dodatkowych grup np. nitrowej w pierścieniu

aromatycznym podnosi toksyczność flawonoidów. Z kolei

dodatkowa grupa karbonylowa zwiększa rozpuszczalność

związków w wodzie, co ułatwia wydalanie z moczem, a także

ułatwia ich metabolizm [33]. Nitrofenole podstawione w pozy-

cji para-, wywołują efekty cyto- i embriotoksyczne, kancero- i

mutagenne [34]. Podstawienie drugiej grupy hydroksylowej w

położeniu orto- lub para- [35] oraz grupy metoksylowej, sulfo-

nowej i acetylowej zmniejsza toksyczność fenoli [33].

WŁAŚCIWOŚCI PRZECIWUTLENIAJĄCE

Podczas oddziaływania różnych drobnoustrojów na orga-

nizm oraz podczas rozwoju zakażenia dochodzi do aktywacji

fagocytów przez lipopolisacharyd (LPS), konsekwencją jest

wybuch tlenowy prowadzący do wytwarzania dużych ilości

reaktywnych form tlenu takich jak, anionorodnik ponadtlen-

kowy, nadtlenek wodoru, tlenek azotu oraz kwas chlorowy

(I) (podchlorawy), które podczas dalszych przemian stano-

wią źródło innych RFT, np. nadtlenoazotynu. Mechanizm

właściwości przeciwutleniających flawonoidów jest złożony.

Z jednej strony wpływ ma obecność w cząsteczce znacznej

liczby grup hydroksylowych (głównie w pozycjach C3, C5,

C7, C3’, C4’), z drugiej strony wiązania podwójnego w po-

zycji C2, a także grupy karbonylowej w pozycji C4. Choć

nie wszystkie flawonoidy posiadają wiązanie podwójne

oraz grupę karbonylową, to również wykazują właściwości

przeciwutleniające. Potencjał przeciwutleniający zależy od

liczby i położenia grup hydroksylowych w pierścieniu hete-

rocyklicznym i aromatycznym [34]. Spośród obecnych w czą-

steczce grup hydroksylowych szczególnie istotna jest obec-

ność dwóch grup w pierścieniu benzenowym (B) w pozycji

orto- [17,36]. Hydroksylacja pierścienia heterocyklicznego w

pozycjach 5 i 7 może podwyższać właściwości przeciwutle-

niające flawonoidów, co na przykład ma miejsce w kwercety-

nie mającej grupy hydroksylowe w tych pozycjach w stosun-

ku do flawonoidów, które posiadają tylko jedną taką grupę,

np. fisetyna, daidzeina [37,38].

Elementy struktury flawonoidów decydujące o ich wyso-

kiej aktywności przeciwutleniającej, zgodnie z postulatami

Borsa, są następujące:

— obecność ugrupowania katecholowego w pierścieniu

benzenowym (B) w połączeniu z grupą hydroksylową w

położeniu C3 sprzyja właściwościom przeciwutleniającym.

W przypadku braku grupy hydroksylowej w pozycji C3

rolę tę przejmują grupy hydroksylowe w pierścieniu ben-

zenowym (C3’, C4’) uaktywnione (wzrost gęstości elektro-

nowej) przez grupy hydroksylowe w pierścieniu heterocy-

klicznym (C5 i C7);

Postępy Biochemii 58 (3) 2012

239

— ugrupowanie pirogalolowe (trihydroksylowe) w pier-

ścieniu benzenowym (B) nadaje cząsteczce wyższą aktyw-

ność przeciwutleniającą niż katecholowe;

— podwójne wiązanie pomiędzy węglem C2 i C3 przyczy-

nia się do wzrostu zdolności wychwytywania rodników,

ponieważ po reakcji powstają bardziej trwałe rodniki fenok-

sylowe niż w przypadku kiedy nie ma wiązania podwójne-

go;

— grupa karbonylowa w połączeniu z podwójnym wiąza-

niem pomiędzy atomami węgla (C2 i C3 w pierścieniu hete-

rocyklicznym), wzbogaca pierścień piranu w kolejne wiąza-

nie podwójne sprzężone i prowadzi do wyższej efektywno-

ści flawonoidu w zdolności do wychwytywania rodników

dzięki delokalizacji elektronów w tym pierścieniu;

— grupy hydroksylowe w pozycjach C5 i C7 pierścienia

heterocyklicznego mogą nasilać właściwości przeciwutle-

niające cząsteczki flawonoidu, szczególnie w przypadku

obecności grupy w położeniu C4’ w pierścieniu benzeno-

wym [39].

Ponadto wykazano, że flawonoidy zawierające w czą-

steczce ugrupowanie pirogalolowe (np. epigallokatechina)

charakteryzuje wyższa aktywność przeciwutleniająca w po-

równaniu ze związkami z ugrupowaniem katecholowym

(np. epikatechina) w warunkach niskiego pH. Obecność resz-

ty kwasu galusowego w cząsteczce katechiny (np. galusan

epikatechiny w porównaniu do epikatechiny) wpływa na

podwyższenie aktywności przeciwutleniającej flawonoidu

[40].

Stwierdzono, że flawonoidy charakteryzują się następu-

jącymi właściwościami przeciwutleniającymi:

— hamują powstawanie RFT [38,41,42] poprzez obniżenie

aktywności oksydazy ksantynowej, enzymu katalizującego

powstawanie anionorodnika ponadtlenkowego [43]. Obni-

żają także aktywność błonowej oksydazy NADPH [44,45]

oraz mieloperoksydazy, enzymu katalizującego wytwarza-

nie anionu chloranu (I) (podchlorynowego);

— chelatują jony metali przejściowych, głównie miedzi i

żelaza, będące katalizatorami reakcji Fentona i/lub Habera-

-Weissa prowadzących do powstania rodnika hydroksylo-

wego [46,47];

— zmiatają anionorodniki ponadtlenkowe, rodniki wodo-

ronadtlenkowe, hydroksylowe, lipoksylowe, nadtlenkowe

oraz wygaszają tlen singletowy [41];

— przerywają kaskady reakcji wolnorodnikowych prowa-

dzących do peroksydacji lipidów w licznych komórkach i

organellach komórkowych, w mitochondriach, mikroso-

mach [18];

— wpływają na utrzymanie askorbinianu w cytosolu oraz

tokoferolu w błonach biologicznych poprzez redukcję od-

powiednich rodników: askorbylowego i tokoferyloksylo-

wego [48];

— przyczyniają się do wzrostu aktywności enzymów prze-

ciwutleniających: dysmutazy ponadtlenkowej, peroksyda-

zy glutationowej i katalazy [38,49] oraz regeneracji utlenio-

nych form przeciwutleniaczy o małej masie cząsteczkowej:

askorbinianu, α-tokoferolu, β-karotenu i innych [38];

— hamują enzymy związane z enzymatycznym utlenia-

niem lipidów, fosfolipazę A

, cyklooksygenazę oraz lipook-

sygenazę;

— stabilizują błony biologiczne na skutek obniżania ich

płynności [50], hamują utlenianie α-tokoferolu w komór-

kach oraz regenerują utlenioną jego formę;

— zmiatają tlenek azotu oraz nadtlenozaotyn [51].

Właściwości przeciwutleniające flawonoidów potwier-

dzono in vivo [52,53]. Stwierdzono wpływ na zniwelowanie

stresu oksydacyjnego wywołanego dużym wysiłkiem fizycz-

nym. Flawonoidy podawane ochotnikom zmniejszały po-

ziom TBARS i kinazy kreatynowej w porównaniu do osób

poddanych wysiłkowi bez podawania flawonoidów [54].

Wykazano też pozytywny wpływ epikatechiny w związku z

rozwojem chorób serca. W indukowanej miażdżycy u szczu-

rów, kakao podawane w równoważnej dawce w stosunku

do człowieka (dwóch ciemnych czekolad dziennie) znacząco

hamowało rozwój miażdżycy, obniżało poziom cholesterolu

i chroniło lipoproteiny o małej gęstości przed utlenieniem

[55]. Flawonoidy zawarte w fasoli „mung” obniżały istotnie

poziom MDA, aktywność dehydrogenazy mleczanowej oraz

syntezę syntazy tlenku azotu w warunkach stresu cieplnego

[56]. Stwierdzono, że spożywanie flawonoidów wraz z dietą

przyczynia się do wzrostu zdolności pojemności przeciwu-

tleniającej organizmu. Przejawia się to przede wszystkim

wyższą aktywnością enzymów (dysmutazy ponadtlenkowej,

peroksydazy glutationowej i katalazy), obserwowaną głów-

nie w wątrobie, jelicie cienkim i płucach [38,57,58]. Ponadto

flawonoidy zwiększają wchłanianie askorbinianu z przewo-

du pokarmowego, a także stabilizują jego cząsteczkę [59].

Flawonoidy przyczyniają się do obniżenia poziomu RFT,

niwelując ich wpływ na składniki komórki, takie jak lipi-

dy, białka i kwasy nukleinowe. Stwierdzono, że flawonoidy

wykazują zdolność do hamowania peroksydacji lipidów za-

równo in vitro, jak i in vivo, w licznych komórkach i organel-

lach komórkowych, mitochondriach i mikrosomach [60,61].

Wykazano, że lokalizują się one w warstwie błonowej po-

między dwuwarstwą lipidową i fazą wodną zwiększając

jej stabilność, co czyni błony bardziej odpornymi na dzia-

łanie czynników utleniających [51,58]. Wykazują również

inny wpływ na nieenzymatyczną, jak i enzymatyczną pe-

roksydację lipidów [51,62]. Dzięki lokalizacji na powierzch-

ni dwuwarstwy lipidowej mogą one hamować utlenianie

α-tokoferolu w komórce oraz regenerować α-tokoferol

utleniony do formy rodnikowej. Stwierdzono, że 3-hydrok-

syflawony oraz izoflawony i ich pochodne znacznie silniej

hamują w komórkach peroksydację lipidów niż α-tokoferol.

Efekt przeciwutleniający flawonoidów in vitro, zależy od

wielu czynników, a generalnie od sposobu inicjacji peroksyda-

cji lipidów, rozpuszczalności poszczególnych flawonoidów w

240

www.postepybiochemii.pl

fazie lipidowej, czyli od współczynnika podziału lipid-woda.

Jeśli reakcja utleniania jest katalizowana przez jony metali, to

różne metale wykazują inne powinowactwo do odpowiednich

flawonoidów, zatem różna będzie także trwałość utworzo-

nych kompleksów. Ma to wpływ na dostępność jonów metali

jako katalizatorów reakcji wolnorodnikowych. Znaczenie ma

również użyty utleniacz, np. wodoronadtlenek t-butylowy,

wodoronadtlenek kumenu, czy 2,2’-bis(2-amidynopropan

(AAPH). Wykazano, na przykład, że kwercetyna wykazywa-

ła największą skuteczność przeciwutleniającą w indukowanej

jonami żelaza peroksydacji błon komórek mózgu (kwercetyna

> rutyna > hesperetyna), ale była już mniej skuteczna w przy-

padku peroksydacji linolenianu (rutyna > hesperetyna > kwer-

cetyna) [60]. Na właściwości przeciwutleniające flawonoidów

ma również wpływ szlak inicjacji peroksydacji, enzymatyczna

lub nieenzymatyczna [61,62]. Flawonoidy z dwoma lub trze-

ma grupami hydroksylowymi w pierścieniu benzenowym (B),

czyli kwercetyna, mirycetyna, luteolina oraz galusan epigallo-

katechiny wykazywały skuteczność w hamowaniu peroksy-

dacji lipidów indukowanej jonami żelaza w komórkach jelita

(Caco-2). Z kolei kemferol, genisteina i daidzeina nie chroniły

lipidów przed utlenianiem [63].

Flawonoidy przyczyniają się również do obniżenia ak-

tywności enzymów (fosfolipazy A

, cyklooksygenazy, li-

pooksygenazy), biorących udział w enzymatycznej perok-

sydacji błonowych fosfolipidów [38]. Proces peroksydacji

zaczyna się od fosfolipazy A

(PLA

), która katalizuje hy-

drolizę fosfolipidów z uwolnieniem kwasu arachidonowe-

go. Uwolniony kwas arachidonowy ulega dalszym prze-

mianom na drodze reakcji katalizowanych przez cyklook-

sygenazy i lipooksygenazy. Stwierdzono, że flawonoidy

wykazują zdolność obniżania aktywności enzymów obu

tych grup [64,65] i, że wiele spośród badanych flawonoidów

wykazuje wysoką selektywność względem lipooksygenz

lub cyklooksygenaz, a niektóre z nich modyfikują aktyw-

ność tych enzymów w stopniu zbliżonym [38].

Flawonoidy, podobnie jak inne przeciwutleniacze mogą w

pewnych warunkach wykazywać efekt proutleniający. Do-

tyczy to zwłaszcza wysokich stężeń niefizjologicznych. Na

przykład flawonoidy mające ugrupowanie pirogalolowe lub

katecholowe, w obecności jonów miedzi (II) ulegają autoutle-

nieniu, co w konsekwencji prowadzi do wytworzenia rodni-

ka semichinonowego (semichinonu). Powstały jon miedzi (I)

redukuje tlen cząsteczkowy do anionorodnika ponadtlenko-

wego, którego dysmutacja prowadzi do nadtleneku wodoru

[66,67]. Jon Cu (I) jest również katalizatorem reakcji typu Fen-

tona/Habera-Weissa. Utleniona forma flawonoidu w postaci

semichinonu lub benzochinonu, ulega nieenzymatycznej re-

dukcji z udziałem NADH i w konsekwencji, rozpoczyna cykl

reakcji redoks, w wyniku którego wytwarzane są duże ilości

reaktywnych form tlenu [65]. Semichinony reagują z tlenem

cząsteczkowym generując anionorodniki ponadtlenkowe i w

konsekwencji nadtlenek wodoru. Wytwarzanie H

stwier-

dzono w przypadku flawonoidów z resztą pirogalolową (baj-

kaleina) oraz galusanu epigallokatechiny [67-69]. Wspomnia-

na kwercetyna oraz hesperetyna, naringenina oraz moryna

wykazywały właściwości proutleniające w limfocytach [70].

Flawonoidy można zaliczyć do inhibitorów topoizome-

razy II; wykazano ich wpływ na rozwój białaczek niemow-

lęcych przez działanie hamujące na topoizomerazę II, które

powoduje wzrost ilości uszkodzeń w rejonie BCR (ang. Bre-

akpoint Cluster Region) genu MLL. Translokacje chromoso-

mowe w obrębie tego genu występują w około 80% biała-

czek dziecięcych ALL (ang. Acute Lymphoid Leukaemia) i w

65% AML (ang. Acute Myeloid Leukaemia). Dodatkową cechą,

wskazującą na rolę flawonoidów przy powstawaniu biała-

czek dziecięcych, jest ich zdolność do przenikania przez

barierę łożyska, bowiem obecność związków flawonowych

stwierdza się w tkankach płodowych [71]. Ostatnio opubli-

kowano prace wykazujące związek pomiędzy właściwo-

ściami redoks flawonoidów a ich działaniem na topoizome-

razy. Wykazano, że 3-galusan epigallokatechiny i myrycety-

na powodowały powstawanie kompleksów topoizomerazy

I i II z DNA w komórkach. Możliwy mechanizm działania

polega na wytwarzaniu H

przez flawonoidy posiadające

w cząsteczce ugrupowanie pirogalolowe i indukcji apopto-

zy przez tą RFT, w wyniku czego dochodzi do formowania

apoptotycznych kompleksów topoizomeraza-DNA [72].

Flawonoidy mogą chronić lipoproteiny o małej gęstości

(LDL) przed utlenianiem [73,74] oraz prowadzić do wzro-

stu stężenia lipoprotein o dużej gęstości (HDL) [75]. Znane

i udokumentowane jest działanie ochronne takich flawono-

idów jak, hiperozyd i witeksyna na mięsień sercowy [76,77]

oraz ich działanie ochronne w stosunku do witaminy C i

innych związków łatwo ulegających utlenianiu, a będących

ważnymi przeciwutleniaczami. Flawonoidy wpływają na

ośrodkowy i obwodowy układ nerwowy, działanie to wy-

nika z powinowactwa do receptorów benzodiazepinowych

GABA i aktywowania tych receptorów [78,79]. Inne badania

wykazały, że szkodliwe działanie enzymu, syntazy tlenku

azotu wpływające na niedokrwienie mózgu jest hamowane

przez flawonoidy z grupy flawan-3-oli [80].

DZIAŁANIE PRZECIWNOWOTWOROWE

Działanie przeciwnowotworowe flawonoidów jest moż-

liwe nie tylko dzięki ich właściwościom przeciwutleniają-

cym, ale również dzięki innym mechanizmom związanym

z indukcją apoptozy, obniżeniem aktywności białkowej

kinazy tyrozynowej, działaniem hamującym prolifererację

komórek, angiogenezę i metastazę. Flawonoidy modelują

również aktywność enzymów związanych z przekazywa-

niem sygnału przez błonę komórkową, mają też związek z

transformacją komórek i wzrostem guzów.

Flawonoidy mają wpływ na aktywność enzymów I i II

fazy biotransformacji endo- i egzogennych związków, czy

blokowanie replikacji DNA przez hamowanie aktywności

enzymów biorących udział w tym procesie (np. polimerazy II

DNA, topoizomerazy I i II). Kwercetyna i kemferol są inhibi-

torami polimerazy II DNA. Luteolina hamuje aktywność topo-

izomerazy I [81]. Flawonoidy przez blokowanie cyklu komór-

kowego (fazy G1/S lub G2/M) mogą hamować proliferację

oraz indukować apoptozę komórek nowotworowych. Jest to

możliwe, ponieważ związki te wykazują wpływ na aktywność

białek odpowiedzialnych za regulację cyklu komórkowego

(np. cykliny), białek pro- i antyapoptotycznych (np. p21, p53,

czy Bcl-2) oraz enzymów odpowiedzialnych za biotransfor-

mację mutagenów i kancerogenów [82]. Na uwagę zasługuje

zdolność flawonoidów do modulowania aktywności enzy-

Postępy Biochemii 58 (3) 2012

241

mów odpowiedzialnych za metabolizm ksenobiotyków. Jeśli

chodzi o enzymy I fazy biotransformacji, flawonoidy mogą

zarówno aktywować, jak i hamować aktywność różnych

izoform cytochromu P-450 (np. genisteina) [50]. Są one także

odpowiedzialne za pobudzenie aktywności enzymów II fazy.

Zaobserwowano, że działanie niektórych flawonoidów, np.

tangeretyny podwyższa aktywność transferazy glutationowej

oraz UDP-glukuronowej [82-84]. Wykazano, że kwercetyna,

fisetyna, mirycetyna, kemferol, chryzyna, kurkumina, geniste-

ina, apigenina i kwas elagowy hamują aktywność formy P sul-

fotransferazy fenolowej (PST), która pośredniczy w reakcjach

sulfonowania, będących jednym z etapów aktywacji takich

substancji kancerogennych, jak aromatyczne węglowodory

hydroksymetylopolicykliczne, alkohole allilowe i benzylowe,

N-hydroksyaryloaminy [85]. Wykazano również, że ekstrakty

z zielonej i czarnej herbaty, zawierające znaczne ilości katechin,

silnie podwyższają aktywność S-transferazy glutationowej,

oksydoreduktazy NAD(P)H:chinon i UDP-glukuronylotrans-

ferazy [83,86]. Enzymy te uczestniczą w detoksykacji przy-

spieszając usuwanie z organizmu substancji kancerogennych.

Aktywność proutleniająca flawonoidów może prowadzić do

utworzenia reaktywnych metabolitów chinonowych, których

obecność wpływa na aktywację ekspresji genów enzymów II

fazy detoksykacji zależną od EpRE [87,88]. W ten sposób reak-

tywne metabolity flawonoidów mogą wywoływać pozytyw-

ny efekt w postaci indukcji ważnych enzymów

detoksykacji

organizmu [89]. Obniżenie aktywności cytochromu P-450, a

także indukcja enzymów fazy II, wpływa na przyspieszenie

usuwania związków prokancerogennych, lecz jednocześnie

powoduje nasilenie metabolizmu wielu związków o działaniu

terapeutycznym.

Wykazano, że flawan-3-ole mają wpływ na przekaźnic-

two sygnałów w komórkach, na przykład hamują aktywność

czynnika transkrypcyjnego NF-kB [90]. 3-galusan epigallo-

katechiny oprócz bezpośredniego wpływu na enzymy bio-

rące udział w procesie nowotworzenia, jest zdolny do mo-

dyfikowania metabolizmu komórkowego przez obniżenie

aktywności czynników AP-1 i NF-κB, pod których kontrolą

znajduje się wiele genów regulujących proliferację, apoptozę

oraz angiogenezę. Hamujące działanie flawonoidów na AP-1

i NF-κB wynika nie tylko z ich właściwości przeciwutlenia-

jących, ale również zdolności do hamowania aktywności ki-

naz, które odpowiedzialne są za aktywację czynnika NF-κB

poprzez jego fosforylację i odłączenie od inhibitora (I-κB);

hamowania aktywności kinaz MAP, które aktywują czynnik

AP-1 [40,91]. Sugeruje się, że flawonoidy wiążą się z centrum

aktywnym tych enzymów, konkurując z ATP.

Flawonoidy mają wpływ na trzy główne kinazy białko-

we: PKC, EGFR oraz FAK, które odgrywają ważną rolę w

biologii nowotworów. Wykazują wpływ na wzrost komó-

rek nowotworowych, co jest związane z aktywnością kina-

zy białkowej zaangażowanej w regulację proliferacji oraz

apoptozy [92,93]. Przeprowadzone badania wykazały, że

kwercetyna jest najbardziej skutecznym inhibitorem kinazy

PKC [94]. Flawonoid ten obniżał aktywność procesu fos-

forylacji wirusa Rous sarcoma in vivo i in vitro [95]. Z kolei

genisteina hamowała wzrost i różnicowanie komórek HL-

60 człowieka oraz obniżała aktywność kinazy tyrozynowej

EGFR w komórkach A431 [96]. Przypuszcza się, że geni-

steina może być odpowiedzialna za kontrolę cyklu komór-

kowego w liniach komórkowych raka sutka oraz prostaty

[97-99].

Aktywność białkowej kinazy C, katalizującej fosforylację

reszty seryny oraz reszty treoniny, uczestniczącej w powsta-

waniu stanów zapalnych oraz nowotworowych, jest in vitro

obniżana przez flawonoidy, np. kwercetynę w stężeniach

rzędu 50 mM, które są trudne do osiągnięcia in vivo [100].

Jednak niektóre flawonoidy obniżają aktywność enzymów,

nie wykorzystując mechanizmu kompetycyjnego, jak ma

to miejsce podczas hamowania aktywności kinaz histono-

wych [101]. Również aktywność kinaz tyrozynowych (PTK)

jest hamowana przez flawonoidy, szczególnie genisteinę i

kwercetynę [36]. Stwierdzono, że najsilniej aktywność fos-

forylaz hamuje kwercetyna i fisetyna, podczas gdy hespe-

retyna, będąca flawanonem, stymuluje ich aktywność [36].

Zgromadzone dotychczas dane dotyczące przeciwnowo-

tworowego działania flawonoidów nie są jednoznaczne. Do-

kładny mechanizm ich przeciwnowotworowego działania

poznano głównie w układach doświadczalnych in vitro, jak

również in vivo i tylko dla kilku flawonoidów, np. genisteiny

i daidzeiny, w mniejszym stopniu kwercetyny, czy luteoliny.

Wykazano między innymi, że genisteina i daidzeina dostar-

czane w diecie są zdolne do blokowania wzrostu i podziału

komórek zależnego od receptorów EGF oraz do hamowania

angiogenezy. Hamowanie aktywności kinaz tyrozynowych

przez te związki zaburza przekazywanie sygnału między ko-

mórkami i w konsekwencji prowadzi do zaburzenia wzrostu

i podziału komórek, co ma istotne znaczenie w ograniczaniu

namnażania się komórek nowotworowych. Izoflawony mogą

również hamować syntezę aromatazy i jednocześnie pobu-

dzać syntezę globuliny wiążącej hormony płciowe (SHBG).

Takie działanie prowadzi do hamowania wytwarzania an-

drogenów, estrogenów endogennych, a tym samym zahamo-

wania wzrostu nowotworów zależnych od hormonów [102].

Ciekawych wyników dostarczyły badania zastosowania

flawonoidów w chemioterapii nowotworów. Stwierdzono,

że w liniach komórek nowotworowych opornych na dzia-

łanie chemioterapeutyków flawonoidy mogą powodować

wzrost stężenia niektórych z zastosowanych cytostatyków.

Kwercetyna, in vitro zwiększała stężenie doksorubicyny w

komórkach raka piersi, a genisteina cisplatyny. Natomiast

in vivo kwercetyna podwyższała przeciwnowotworowe

działanie cisplatyny i busulfanu, ale nie wpływała na ak-

tywność doksorubicyny i etopozydu [103]. W badaniach in

vitro wykazano również, że apigenina i fisetyna powodo-

wały znaczące podwyższenie stężenia doksorubicyny w ko-

mórkach nowotworowych z nadprodukcją glikoproteiny P

(Pgp) opornych na ten lek, poprzez hamowanie aktywności

Pgp [104]. Jest to korzystny wynik, ponieważ Pgp, podczas

chemioterapii, usuwa cytostatyki z komórek nowotworo-

wych wywołując zjawisko oporności wielolekowej.

Dotychczas opublikowane prace o aktywności biologicz-

nej flawonoidów w stosunku do komórek nowotworowych

są obiecujące i coraz bliższe jest zastosowanie tych związ-

ków w terapii nowotworów. Podjęto już próby wprowadze-

nia niektórych z nich, np. kwercetyny, 3-galusanu katechi-

ny i flawopirydolu do zastosowania klinicznego [103,105].

Efekt przeciwnowotworowego działania flawonoidów za-

242

www.postepybiochemii.pl

leży również od ich dawek oraz częstotliwości podawania.

W przeciwieństwie do danych wskazujących na działanie

przeciwnowotworowe istnieją doniesienia, że flawonoidy

użyte w wysokich stężeniach mogą wpływać na nasilenie

procesów nowotworowych. Wykazano, że może wtedy do-

chodzić do mutacji genowych, aberracji chromosomalnych i

wymiany siostrzanych chromatyd [106].

PODSUMOWANIE

Obecność flawonoidów w diecie, a zwłaszcza zachowa-

nie odpowiednich proporcji w ich spożyciu jest bardzo waż-

nym elementem w profilaktyce powstawania wielu chorób

o etiopatologii wolnorodnikowej, m.in. miażdżycy i cukrzy-

cy, będących główną przyczyną choroby niedokrwiennej

serca, udaru mózgu, chorób naczyń obwodowych, a także

chorób degeneracyjnych i nowotworowych. Szeroki zakres

działania flawonoidów stwarza nadzieję na ich zastosowa-

nie z lekami przeciwnowotworowymi (np.: antracyklinami

i taksanami) w celu wyeliminowania/złagodzenia efektów

ubocznych leków takich jak, kardiotoksyczność, neurotok-

syczność, nefrotoksyczność oraz hepatotoksyczność.

PIŚMIENNICTWO

1. Timberlake CF, Henry BS (1986) Plant pigments as natural foods col-

ors. Endeavour 10: 31-36

2. Ding EL, Hutfless SM, Xin Ding (2006) Chocolate and prevention of

cardiovascular disease: a systematic review. Nutr Metab 3: 1-12

3. Heber D (2008) Food and phytochemicals in human health. Handbook

of Nutrition and Food, Second Edition

4. Chyu KY, Babbidge SM, Zhao X, Dandillaya R, Rietveld AG, Yano J,

Dimayuga P, Cercek B (2004) Different effect of green tea-derived cate-

chin on developing versus established atherosclerosis in apolipoprote-

in E-null mice. Circulation 109: 2448-2453

5. Mittal A, Pate MS, Wylie RC, Tollefsbol TO, Katiyar SK (2004) EGCG

down-regulates telomerase in human breast carcinoma MCF-7 cells,

leading to suppression of cell viability and induction of apoptosis. Int

J Oncol 24: 703-710

6. Smith DA, Banks SW (1988) Formation and biological properties of

isoflavonoid phytoalexins in plant flavonoids in biology and medi-

cine: biochemical, cellular and medicinal properties. Alan R Liss Inc,

New York, 113-119

7. Schmitt-Schillig S, Schaffer S, Weber CC, Eckert GP, Müller WE (2005)

Flavonoids and the aging brain. J Physiol 1: 23-36

8. Spencer J (2008) Food for thought: the role of dietary flavonoids in en-

hancing human memory, learning and neuro-cognitive performance.

Proc Nutr Soc 67: 238-257

9. Letenneur L, Proust-Lima C, Le Gouge A, Dartigues JF, Barberger-Ga-

teau P (2007) Flavonoid intake and cognitive decline over a 10-year

period. Am J Epidem 165: 1364-1371

10. Zhao B (2005) Natural antioxidants for neurogenerative diseases. Mo-

lec Microbiol 31: 283-293

11. Seeram NP, Adams LS, Zhang Y, Lee R, Sand D, Scheuller HS, Heber

D (2006) Blackberry, black raspberry, blueberry, cranberry, red rasp-

berry, and strawberry extracts inhibit growth and stimulate apoptosis

of human cancer cells in vitro. J Agric Food Chem 54: 9329-9339

12. Huxley RR, Neil HA (2003) The relation between dietary flavonol in-

take and coronary heart disease mortality: a meta-analysis of prospec-

tive cohort studies. Eur J Clin Nutr 57: 904-908

13. Rimm EB, Katan MB, Ascherio A (1996) Relation between intake of

flavonoids and risk for coronary heart disease in male health profes-

sionals. Ann Intern Med 125: 384-389

14. Geissmann TA (1962) The chemistry of flavonoid compounds. Per-

gamon Press, Oxford

15. Kohlmünzer S (1998) Farmakognozja, PZWL, Warszawa

16. Mc Michael-Phillips DF, Harding C, Morton M, Roberts SA, Howell A,

Potten CHS, Bunder NJ (1998) Effects of soy-protein supplementation

on epithelial proliferation in the histologically normal human breast.

Am J Clin Nutr 68: 1431-1436

17. Ratty AK, Das NP (1988) Effects of flavonoids on nonenzymatic lipid

peroxidation: strucuture–activity relationship. Biochem Med Metab

Biol 39: 69-79

18. Simon Al, Renouf M, Hendrich S, Murphy P (2005) Human gut mi-

crobial degradation of flavonoids: structure-function relationships. J

Agric Food Chem 53: 4258-4263

19. de Groot H, Rauen U (1998) Tissue injury by reactive oxygen species

and the protective effects of flavonoids. Fundam Clin Pharmacol 12:

249-255

20. Wilska-Jeszka J, Podsędek A (2001) Bioflavonoids as natural antioxi-

dants. Wiad Chem 55: 987-1003

21. Castillo J, Benavente-García O, Lorente J,

Alcaraz M, Redondo A, Or-

tuño A, Del Rio JA (2000) Antioxidant activity and radioprotective

effects against chromosomal damage induced in vivo by X-rays of

flavan-3-ols (Procyanidins) from grape seeds (Vitis vinifera): compara-

tive study versus other phenolic and organic compounds. J Agric Food

Chem 48: 1738-1745

22. Miura Y, Chiba T, Miura S, Tomita I, Umegaki K, Ikeda M, Tomita T

(2000) Green tea polyphenols (flavan 3-ols) prevent oxidative modifi-

cation of low density lipoproteins: an ex vivo study in humans. J Nutr

Biochem 11: 216-222

23. Katiyar S, Elmets CA, Katiyar SK (2007) Green tea and skin cancer:

photo-immunology, angiogenesis and DNA repair. J Nutr Biochem

18: 287-296

24. Korte G, Dreiseitel A, Schreier P, Oehme A, Locher S, Hajak G, Sand

PG (2009) An examination of anthocyjanins and anthocyanidins affin-

ity for cannabinoid receptors. J Med Food 12: 1407-1410

25. Stoner GD, Wang LS, Zikri N, Chen T, Hecht SS, Huang C, Sardo C,

Lechner JF (2007) Cancer prevention with freeze-dried berries and ber-

ries components. Sem Canc Biol 17: 403-410

26. Makowska-Wąs J, Janeczko Z (2004) Biodostępność polifenoli roślin-

nych. Post Fitoter 3: 126-137

27. Dahan A, Altman H (2004) Food-drug interaction: grapefruit juice

augments drug bioavailability - mechanism, extend and relevance.

Eur J Clin Nutr 58: 1-9

28. Erlund I (2002) Chemical analysis and pharmacokinetics of the flavo-

noids quercetin, hesperetin and naringenin in humans. Academic dis-

sertation. Helsinki. National Public Health Institute (KTL) A27

29. Manach C, Gil-Izquierdo A, Bouteloup-Demange C, Rémésy C (2003)

Bioavailability in humans of the flavanones hesperidin and narirutin

after the ingestion of two doses of orange juice. Eur J Clin Nutr 57:

235-242

30. Allred C, Twaddle N, Allred K, Goeppinger T, Churchwell M, Ju Y,

Helefrich W, Doerge D (2005) Soy processing affects metabolism and

disposition of dietary isoflavones in ovariectomized balb/c mice. J Ag-

ric Food Chem, 53: 8542-8550

31. Lundh T (1995) Metabolism of estrogenic isoflavones in domestic ani-

mals. Proc Soc Exp Biol Med 208: 33-39

32. Kuiper G, Lemmen J, Carlosson B, Corton J, Safe S, Van der Saag P,

van der Burg B, Gustafsson J (1998) Interaction of estrogenic chemi-

cals and phytoestrogens with estrogen receptor b. Endocrinology 139:

4252-4263

33. Dreosti IE (2000) Antioxidant polyphenols in tea, cocoa, and wine. Nu-

trition 16: 692-694

34. Glinka Ł, Ochocki J (2004) Flawonoidy i ich syntetyczne pochodne we

współczesnej medycynie schorzeń układu sercowo-naczyniowego i

moczowego. Pol J Cosmet 2: 70-80

35. Rice-Evans CA, Miller NJ, Paganga G (1996) Structure-antioxidant ac-

tivity relationships of flavonoids and phenolic acids. Free Radic Biol

Med 20: 933-956

36. Ross JA, Kasum CM (2002) Dietary flavonoids: bioavailability, meta-

bolic effects, and safety. Annu Rev Nutr 22: 19-34

Postępy Biochemii 58 (3) 2012

243

37. Feldman EB (2002) The scientific evidence for a beneficial health re-

lationship between walnuts and coronary heart disease. J Nutr 132:

1062-1101

38. Middleton E, Kandaswami C, Theoharides T (2000) The effects of plant

flavonoids on mammalian cells: implications for inflammation, heart

disease and cancer. Pharmacol Rev 52: 673-751

39. Amic D, Davidovic-Amic D, Beslo D, Rastija V, Lucic B, Trinajstic N

(2007) SAR and QSAR of the antioxidant activity of flavonoids. Curr

Med Chem 14: 827-845

40. Muzolf M, Szymusiak H, Gliszczyńska-Świgło A, Rietjens IMCM,

Tyrakowska B (2008) pH-dependent radical scavenging capacity of

Green Tea catechins. J Agric Food Chem 56: 816-823

41. Harborne JB, Williams CA (2000) Advances in flavonoid research since

1992. Phytochemistry 55: 481-504

42. Higdon JV, Frei B (2003) Tea catechins and polyphenols: health effects,

metabolism and antioxidant functions. Crit Rev Food Sci Nutr 43: 89-

143

43. Nagao A, Michiko S, Hidetaka K (1999) Inhibition of xanthine oxidase

by flavonoids. Biosci Biotechnol Biochem 63: 1787-1790

44. Aucamp J, Gaspar A, Hara Y, Apostolides Z (1997) Inhibition of xan-

tine oxidase by catechins from tea (Camelia sinensis). Anticancer Res

17: 4381-4385

45. Hodnick WF, Duval DL, Pardini RS (1994) Inhibition of mitochondrial

respiration and cyanide-stimulated generation of ROS by selective fla-

vonoids. Biochem Pharmacol 47: 573-580

46. Abu-Amsha R, Croft KD, Puddey IB, Proudfoot JM, Beilin LJ (1996)

Phenolic content of various beverages determines the extent of inhibi-

tion of human serum and LDL oxidation in vitro: identification and

mechanism of action of some cinnamic acid derivatives from red wine.

Clin Scien 91: 449-458

47. Hadi SM, Asad SF, Singh S, Ahmad A (2000): Putative mechanism for

anticancer and apoptosis-inducing properties of plant-derived poly-

phenolic compounds. IUBMB Life 50: 167-171

48. Hughes RE, Wilson HK (1977) Flavonoids: some physiological and nu-

tritional consideration. Prog Med Chem 14: 285-308

49. Kano K, Mabuchi T, Uno B, Esaka Y, Tanaka T, Linuma M (1994): Su-

peroxide anion radical-induced dioxygenolysis of quercetin as a mim-

ic of quercetinase. J Chem Soc Chem Commun 5: 593-594

50. Arora A, Byrem TM, Nair MG, Strasburg GM (2000) Modulation of

liposomal membrane fluidity by flavonoids and isoflavonoids. Arch

Biochem Biophys 373: 102-109

51. van Acker SA, Tromp MN, Haenen GR, van der Vijgh WJ, Bast A

(1995) Flavonoids as scavengers of nitric oxide radical. Biochem Bio-

phys Res Commun 214: 755-759

52. Ren W, Qiao Z, Wang H, Zhu L, Zhang L (2003) Flavonoids: promising

anticancer agents. Med Res Rev 23: 519-534

53. Heim K, Tagliaferro A, Bobilya D (2002) Flavonoid antioxidants: che-

mistry, metabolism and structure-activity relationships. J Nutr Bio-

chem 13: 572-584

54. Morillas-Ruiz JM, Villegas García JA, López FJ, Vidal-Guevara ML,

Zafrilla P (2006) Effects of polyphenolic antioxidants on exercise-indu-

ced oxidative stress. Clin Nutr 25: 444-453

55. Vinson JA, Proch J, Bose P, Muchler S, Taffera P, Shuta D, Samman

N, Agbor GA (2006) Chocolate is a powerful ex vivo and in vivo antio-

xidant, an antiatherosclerotic agent in an animal model, and a signifi-

cant contributor to antioxidants in the European and American diets. J

Agric Food Chem 54: 8071-8076

56. Cao D, Li H, Yi J, Zhang J, Che H, Cao J, Yang L, Zhu C, Jiang W (2011)

Antioxidant properties of the mung bean flavonoids on alleviating

heat stress. PLoS One 6: e21071

57. Sorata Y, Takahama U, Kimura M (1984) Protective effect of quercetin

and rutin on photosensitized lysis of human erythrocytes in the pres-

ence of hematoporphyrin. Biochim Biophys Acta 799: 313-317

58. Terao J (1999) Dietary flavonoids as antioxidants in vivo: conjugated

metabolites of (-)-epicatechin and quercetin participate in antioxida-

tive defense in blood plasma. J Med Inv 46: 159-168

59. Van Acker FA, Schouten O, Haenen GR, van der Vijgh WJ, Bast A

(2000) Flavonoids can replace alpha-tocopherol as an antioxidant.

FEBS Lett 473: 145-148

60. Pobłocka-Olech L, Marcinkowska K, Krauze-Baranowska M (2006)

Naryngenina i jej pochodne — flawanony o wielokierunkowej aktyw-

ności farmakologicznej. Post Fitoter 1: 16-22

61. Peng IW, Kuo SM (2003) Flavonoid structure affects the inhibition of

lipid peroxidation in Caco-2 intestinal cells. Physiol Concent J Nutr

13: 2184-2187

62. Galveza J, Cruzb J, Zarzueloa A, Cuesta F (1995) Flavonoid inhibition

of enzymic and nonenzymic lipid peroxidation in rat liver differs from

its influence on the glutathione-related enzymes. Int J Exp Clin Pharm

51: 127-133

63. Peng IW, Kuo SM (2003) Flavonoid structure affects the inhibition of

lipid peroxidation in Caco-2 intestinal cells at physiological concentra-

tions. J Nutr 133: 2184-2187

64. Laughton MJ, Evans PJ, Moroney MA, Hoult JRS, Halliwell B (1991)

Inhibition of mammalian 5-lipoxygenase and cyclooxygenase by fla-

vonoids and phenolic dietary additives: relationship to antioxidant

activity and to iron ion-reducing ability. Biochem Pharmacol 42: 1673-

1681

65. Galati G, O’Brien P (2004) Potential toxicity of flavonoids and other

dietary phenolics: Significance for their chemopreventive and antican-

cer properties. Free Radic Biol Med 37: 287-303

66. Mira L, Fernandez M, Santos M, Rocha R, Florêncio

MH, Jennings KR

(2002) Interactions of flavonoids with iron and copper ions: a mecha-

nism for their antioxidant activity. Free Radic Res 36: 1199-1208

67. Heim KE, Tagliaferro AR, Bobilya DJ (2002) Flavonoid antioxidants:

chemistry, metabolism and structure activity relationships. J Nutr Bio-

chem 13: 572-584

68. Hodnick WF, Kung FS, Roettger WJ, Bohmont CW, Pardini RS (1986)

Inhibition of mitochondrial respiration and production of toxic oxygen

radicals by flavonoids: a structure-activity study. Biochem Pharmacol

35: 2345-2357

69. Nakagawa HK, Hasumi JT, Nagai K, Wachi M (2004) Generation of

hydroxideperoxide primarily contributes to the induction of Fe(II)-

dependent apoptosis in Jurkat cells by (−)-epigallocatechin-3-gallate.

Carcinogenesis 25: 1567-1574

70. Yen GC, Duh PD, Tsai HL, Huang SL (2003) Pro-oxidative properties

of flavonoids in human lymphocytes. Biosci Biotechnol Biochem 67:

1215-1222

71. Boos G, Stopper H (2000) Genotoxicity of several clinically used topoi-

somerase II inhibitors. Toxicol Lett 116: 7-16

72. Lopez-Lazaro M, Calderon-Montano JM, Burgos-Moron E, Austin CA

(2011) Green tea constituents (2)-epigallocatechin-3-gallate (EGCG)

and gallic acid induce topoisomerase I– and topoisomerase II–DNA

complexes in cells mediated by pyrogallol-induced hydrogen perox-

ide. Mutagenesis 26: 489-498

73. Kurzer MS, Xu X (1997) Dietary phytoestrogens. Annu Rev Nutr 17:

353-381

74. Olas B, Wachowicz B (2002) Resveratrol and vitamin C as antioxidants

in blood platelets. Thromb Res 106: 143-148

75. Wang Z, Huang Y, Zou J, Cao K, Xu Y, Wu JM (2002) Effects of red

wine and polyphenol resveratrol on platelet aggregation in vivo and in

vitro. Inter J Mol Med 9: 77-79

76. Trumbeckaite S, Bernatoniene J, Majiene D, Jakštas V, Savickas A,

Toleikis A (2006) The effect of flavonoids on rat heart mitochondrial

function. Biomed Pharmacother 60: 245-248

77. Dong L, Fan Y, Shao X, Chen Z (2011) Vitexin protects against myocar-

dial ischemia/reperfusion injury in Langendorff-perfused rat hearts

by attenuating inflammatory response and apoptosis. Food Chem

Toxicol 49: 3211-3216

78. Balcerek M, Matławska I (2006) Wpływ związków fenolowych na re-

ceptory GABA i interakcje z pochodnymi benzodiazepiny. Post Fitoter

52: 3-8

244

www.postepybiochemii.pl

Structure, antioxidative and anticancer properties of flavonoids

Małgorzata Czaplińska

, Jan Czepas, Krzysztof Gwoździński

The Division of Biopolymers’ Structure Research, Department of Molecular Biophysics, University of Łódź, 141/ 143 Pomorska St., 90-236 Łódź, Poland

e-mail: czaplinska.malgorzata@gmail.com

Key words: flavonoids, classification of flavonoids, antioxidant properties, anticancer properties

ABSTRACT

Flavonoids are compounds occuring in plants, e.g. in fruits and vegetables. Flavonoids have been identified as: flavones, flavanones, flavanols

(flavan-3-ols), flavonols, anthocyanidines, isoflavonoids and neoflavonoids. Their antioxidative properties are connected with their ability to scav-

enge free radicals. Their antioxidant properties are linked to the ability to chelate transitional metal ions, mainly copper and iron and to increase

antioxidant capacity by the stimulation of the activity of important antioxidant enzymes: superoxide dismutase, glutathione peroxidase and catalase.

Flavonoids are able to inhibit the activities of prooxidant enzymes such as cyclooxygenase, lipooxygenase, xanthine oxidase and expression of in-

ducible nitric oxide synthase. These compounds can also regenerate ascorbyl and tocoferoxyl radicals to corresponding vitamins. Pharmacological

properties of flavonoids are manifested in different ways. They display antiviral, anti-allergic, anti-inflammatory and anticancer properties. Flavo-

noids play also a role as inhibitors of neurodegenerative diseases (Alzheimer and Parkinson’s diseases) and ageing. Moreover, protective effects

against ionizing and UV radiation have been shown for flavonoids. In this paper the antioxidative properties and antitumour action of flavonoids,

such as blockade of cell cycle, activation of apoptosis pathways and inhibition of cancerogenesis by inactivation of some carcinogens are reviewed.

79. Miller E, Rutkowski M (2006) Udział i rola ważniejszych czynników

biochemicznych w udarze niedokrwiennym mózgu. Pol Mer Lek 117:

3-15

80. Rotsztejn H (2005) Znaczenie fitoestrogenów w świetle obecnej wie-

dzy. Przegl Menopauz 4: 47-50

81. Webb MR, Ebeler SE (2004) Comparative analysis of topoisomerase

IB inhibition and DNA intercalation by flavonoids and similar com-

pounds: structural determinates of activity. Biochem J 384: 527-541

82. Benavente-Garci’a O, Castillo J (2008) Update on uses and properties

of citrus flavonoids: new findings in anticancer, cardiovascular, and

anti-inflammatory activity. J Agric Food Chem 56: 6185-6205

83. Myhrstad MCW, Carlsen H, Nordström O, Blomhoff R, Moskaug J

(2002) Flavonoids increase the intracellular glutathione level by trans-

activation of the gamma-glutamylcysteine synthetase catalytical sub-

unit promoter. Free Rad Biol Med 32: 386-393

84. Moon YJ, Wang X, Morris ME (2006) Dietary flavonoids: effects on xe-

nobiotic and carcinogen metabolism. Toxicol In Vitro 2: 187-210

85. Steele VE, Kelloff GJ, Balentine D, Boone CW, Mehta R, Bagheri D,

Sigman CC, Zhu S, Sharma S (2000) Comparative chemopreventive

mechanisms of green tea, black tea and selected polyphenol extracts

measured by in vitro bioassays. Carcinogenesis 21: 63-67

86. Weisburger JM (1999) Tea and health: the underlying mechanisms.

Proc Soc Exp Biol Med 220: 271-277

87. Lee-Hilz YY, Boerboom AM, Westphal AH, van Berkel WJ, Aarts JM-

MJG, Rietjens IMCM (2007) Pro-oxidant activity of flavonoids induces

EpRE-mediated gene expression. Chem Res Toxicol 19: 1499-1505

88. Muzolf-Panek M, Tyrakowska B (2010) Znaczenie pro-utleniających

właściwości flawonoidów w indukcji ekspresji genów kodujących en-

zymy detoksykacyjne. Postepy Biochem 56: 284-289

89. Rietjens IMCM, Al Huseiny W, Boersma MG (2011) Flavonoids and

alkenylbenzenes: New concepts in bioactivation studies. Chem-Biol

Interact 192: 87-95

90. Fraga CG, Oteiza PI (2011) Dietary flavonoids: role of (−)-epicatechin

and related procyanidins in cell signaling. Free Rad Biol Med 51: 813-

823

91. Kakeya H, Imoto M, Tabata Y, Iwami J, Matsumoto H, Nakamura K,

Koyano T, Tadano K, Umezawa K (1993) Isolation of novel substrate-

competitive tyrosine kinase inhibition desmal, from the plant Desmos

chinensis. FEBS Lett 320: 169-172

92. Huang YT, Hwang JJ, Lee PP, Ke FC, Huang JH, Huang CJ, Kandas-

wami C, Middleton E Jr, Lee MT (1999) Effects of luteolin and querce-

tin, inhibitors of tyrosine kinase, on growth and metastasis-associated

properties in A431 cells overexpressing epidermal growth factor re-

ceptor. Br J Pharmacol 128: 999-1010

93. Lee LT, Huang YT, Hwang JJ, Lee HPP, Ke FC, Nair MP, Kandaswain

C, Lee MT (2002) Blockade of the epidermal growth factor receptor

tyrosine kinase activity by quercetin and luteolin leads to growth in-

hibition and apoptosis of pancreatic tumor cells. Anticancer Res 22:

1615-1628

94. Ferriola PC, Cody V, Middleton E (1989) Protein kinase C inhibition

by plant flavonoids, kinetic mechanism and structure activity relation-

ships. Biochem Pharmacol 38: 1617-1624

95. Graziani Y, Erikson E, Erikson RL (1983) The effect of quercetin on the

phosphorylation activity of the Rous sarcoma virus transforming gene

product in vitro and in vivo. Eur J Biochem 135: 583-589

96. Constantinou A, Kiguchi K, Huberman E (1990) Induction of differen-

tiation and DNA strand breakage in human HL-60 and K-562 leuke-

mia cells by genistein. Cancer Res 50: 2618-2624

97. Merlino GT, Xu YH, Ishii S, Clark AJ, Semba K, Yamamoto T, Pas-

tan I (1994) Amplification and enhanced expression of the epidermal

growth factor receptor gene in A431 human carcinoma cells. Science

224: 417-419

98. Peterson G, Barnes S (1991) Genistein inhibition of the growth of hu-

man breast cancer cells: independence from estrogen receptors and

the multi-drug resistance gene. Biochem Biophys Res Commun 179:

661-667

99. Pagliacci MC, Smacchia M, Migliorati G, Grignani F, Riccardi C, Nico-

letti I (1994) Growth-inhibitory effects of the natural phyto-oestrogen

genistein in MCF-7 human breast cancer cells. Eur J Cancer 30A: 1675-

1682

100. Navarro-Núñez L, Lozano ML, Martínez C, Vicente V, Rivera J (2010)

Effect of quercetin on platelet spreading on collagen and fibrinogen

and on multiple platelet kinases. Fitoterapia 81: 75-80

101. Kyriakidis SM, Sotiroudis TG, Evangelopoulos AE (1986) Interaction

of flavonoids with rabbit muscle phosphorylase kinase. Biochim Bio-

phys Acta 871: 121-129

102. Fotsis T, Pepper M, Adlercreutz H, Fleischmann G, Hase T, Monte-

sano R, Schweigerer L (1993) Genistein, a dietary-derived inhibitor of

in vitro angiogenesis. Proc Natl Acad Sci USA 90: 2690-2694

103. Lamson DW, Brignall MS (1999) Antioxidants in Cancer Therapy;

Their actions and interactions with oncologic therapies. Altern Med

Rev 4: 304-329

104. Angelini A, Di Ilio C, Castellani ML, Conti P, Cuccurullo F (2010)

Modulation of multidrug resistance p-glycoprotein activity by fla-

vonoids and honokiol in human doxorubicin- resistant sarcoma cells

(MES-SA/DX-5): implications for natural sedatives as chemosensitiz-

ing agents in cancer therapy. J Biol Regul Homeost Agents 24: 197-205

105. Wang HK (2000) The therapeutic potential of flavonoids. Expert Opin

Investig Drugs 9: 2103-2119

106. Sedlacek HH (2001) Mechanisms of action of flavopiridol. Crit Rev

Oncol Hematol 38: 139-170