Karotenoidy
Są to żółte, pomarańczowe i czerwone polienowi barwniki roślinne rozpuszczalne w tłuszczach. Tworzą grupę kilkuset związków, z których ok. 50 występuje w żywności, a 14 zidentyfikowano w ludzkiej surowicy. Dzielą się na:
Karoteny – węglowodory izoprenu o wzorze sumarycznym C40H56, zawierające w cząsteczce 11 wiązań podwójnie sprzężonych
Ksantofile – pochodne tlenowe karotenów
Karoteny:
α – karoten (marchew)
β – karoten (marchew)
γ - karoten
Likopen (pomidory)
α , β , γ - karoten wykazują aktywność wit. A i zaliczane są do odżywczych produktów spożywczych.
Ksantofile
Luteina (brokuły)
Zeaksantyna (kukurydza)
Kapsantyna (czerwona papryka)
Kapsorubina (czerwona papryka)
β – kryptoksantyna (owoce cytrusowe)
neoksantyna (szpinak)
wiolaksantyna (zielone rośliny)
Karotenoidy zbudowane są z 8 jednostek izoprenowych, połączonych w taki sposób, że układ reszt izoprenu jest odwrócony w środku cząsteczki. Związki te różnią się położeniem wiązań podwójnych oraz brakiem lub obecnością pierścienia alicyklicznego (β – jononu) w cząsteczce.
Karotenoidy w ludzkiej surowicy
Zostało 14 karotenoidów zidentyfikowanych w ludzkiej surowicy. 80-85% karotenoidów jest skumulowane w tkance tłuszczowej małymi ilościami w wątrobie, mięśniach, nadnerczach. 1% krąży w surowicy związany z HDL i LDL. Główne karotenoidy w surowicy to:
β – karoten
α – karoten
luteina
zeaksantyna
likopen
kryptoksantyna
Właściwości antyoksydacyjne karotenoidów
Właściwości przeciwutleniające karotenoidów wiążą się z efektywnym wygaszaniem tlenu singletowego 1O2 . Ta forma tlenu może uszkadzać reszty aminokwasowe białek, szczególnie metioniny, tryptofanu, tyrozyny i cysteiny oraz przyłączać się do podwójnych wiązań wielonienasyconych reszt kwasów tłuszczowych, powodując powstawanie nadtlenków lipidowych bez pośrednictwa reakcji wolnorodnikowej.
Dezaktywacja 1O2 przez karotenoidy może przebiegać na 2 sposoby:
na drodze fizycznej, pobierając energię wzbudzenia (wygaszanie tlenu singletowego)
na drodze chemicznej – wchodząc z nim w reakcje.
Związki te reagują również z nadtlenkiem wodoru (H2O2), który w warunkach fizjologicznych jako obojętny elektrycznie związek może przenikać przez błony komórkowe i utleniać grupy tiolowe białek, względnie poprzez utlenienie jonów żelaza i miedzi prowadzić do powstania niebezpiecznego rodnika hydroksylowego •OH.
Karotenoidy są również zdolne do zmiatania organicznych wolnych rodników powstających w procesie peroksydacji lipidów, a także mogą (szczególnie likopen) redukować rodniki tiylowe (RS), sulfonylowe (RSO2) i dwutlenek azotu. Chronią one również lipoproteiny LDL przed peroksydacją, co zapobiega miażdżycy.
Karotenoidy są induktorami enzymów II fazy. Reagują z grupami komórkowymi –SH i wzbudzają syntezę glutationu. Dzięki indukcji enzymów II fazy zwiększa się potencjał antyoksydacyjny komórki.
Autooksydacja
Zdolność β – karotenu i innych karotenoidów do wyłapywania wolnych rodników jest limitowana, ponieważ karoten może być sam utleniony w czasie tego procesu (autooksydacja). W wysokich stężeniach tlenu β – karoten może działać jak pro oksydant i aktywować proteazy.
β – karoten:
naturalny, rozpuszczalny w tłuszczach barwnik
występuje głównie w roślinach, algach i fotosyntetyzujących bakteriach, które chroni przed toksycznym wpływem tlenu
jest prowitaminą A (prekursorem Wit. A)
β – karoten retinal retinol
występuje naturalnie jako trans – β – karoten i 9 – cis – β – karoten
również niewielkie ilości 13 – cis – β – karotenu występują w żywności
posiada aktywność antyoksydacyjną
wzmacnia komunikacje międzykomórkową
posiada aktywność immunomodulacyjną, antykancerogenną i przeciwmiażdżycową (sporne przy żołądku)
zapobiega kurzej ślepocie
Antyoksydacyjny mechanizm działania
β – karoten posiada zdolność wygaszania tlenu singletowego
wymiatanie rodników nadtlenkowych
hamowanie peroksydacji lipidów
Niektóre badania wykazały (przy dużych dawkach β – karotenu):
zmniejszenie oksydacji LDL
zmniejszenie przerw w łańcuchu DNA i spadek utlenionych zasad piramidowych w limfocytach
zmniejszenie poziomu oxLDL w surowicy
spadek stężenia dialdehydu malonowego w surowicy
wzrost w erytrocytach aktywności dysmutazy ponadtlenkowej Cu/Zn
Inne badania z niskimi średnimi dawkami β – karotenu nie wykazały istotnych różnic.
β – karoten może wykazywać aktywność antyoksydacyjną w niektórych warunkach zwiększonego stresu oksydacyjnego.
Działanie immunomodulacyjne
u zdrowych, niepalących mężczyzn, suplementacja β – karotenem (15mg/dzień) znacząco zwiększyła % monocytów wykazujących ekspresję MHC klasy II, zwiększyła ekspresję molekuł adhezyjnych (ICAM-1), zwiększyła aktywność leukocytów i zwiększyła sekrecję TNF – α przez monocyty krwi.
Działanie przeciwnowotworowe
β – karoten hamował wzrost komórek złośliwych raka, włączając komórki raka prostaty in vitro.
β – karoten moduluje ekspresję genu enzymu reduktazy HMG-CoA, hamując w ten sposób syntezę cholesterolu.
Dawka: 3-15 mg/dzień, a w preparatach aptecznych 6-20 mg/dzień.
Likopen
Jest acyklicznym izomerem β – karotenu
Zawiera pierścień β – jononu na każdym końcu cząsteczki
Jest syntetyzowany przez rośliny przy udziale enzymu β – katalazy likopenowej
Zbudowany jest z 40 atomów C i ma postać otwartego łańcucha poliizoprenoidowego
Głównym źródłem likopenu są czerwone i pomarańczowe owoce i warzywa, tj.: pomidory, arbuzy, różowe grejpfruty, brzoskwinie i guawa. Pomidory i ich przetworzone produkty: soki, ketchup, koncentraty, sosy i zupy stanowią powszechny element codziennej diety i pokrywają ponad 80% jego dziennego zapotrzebowania.
Izomery likopenu
Trans izomery likopenu SA dominujące w roślinach. Cis izomery likopenu są również obecne w naturze, włączając izomery 5 – cis, 9 – cis, 13 – cis i 15 – cis. Likopen w ludzkiej surowicy jest mieszaniną 50% cis i 50% trans likopenu. Likopen w przetworzonej żywności występuje głównie w formie cis (ketchup, sosy pomidorowe, zupy).
Ze względu na swój charakter koncentruje się w LDL i HDL. Ponadto występuje w nadnerczach, jądrach, wątrobie i gruczole krokowym.
Likopen posiada aktywność:
Antyoksydacyjną
Przeciwnowotworową
Przeciwmiażdżycową
Brak właściwości prowitaminy A
Mechanizm działania oksydacyjny
Wolne rodniki tlenowe i uszkodzenia oksydacyjne są związane z patogenezą różnych przewlekłych chorób. Sprawność bariery antyoksydacyjnej, zależna od poziomu roślinnych antyoksydantów pokarmowych (m.in. likopenu) odpowiada za eliminację wolnych rodników i odporność na choroby.
Likopen jest wyjątkowo aktywnym antyoksydantem i buforem hormonalnym, najintensywniej gromadzonym w tkankach narażonych na uszkodzenia wolnorodnikowe oraz w tkankach hormonozależnych – wrażliwych na zmiany nowotworowe.
Antyoksydacyjny mechanizm działania likopenu polega na ochronie takich krytycznych biomolekuł jak: lipidy, LDL, białka i DNA, co może zapobiegać karcynogenezie i powstawaniu miażdżycy oraz w konsekwencji choroby wieńcowej. Kilka badań wykazało, że likopen jest skutecznym zmiataczem wolnych rodników. Wykazuje większą zdolność do wygaszania tlenu singletowego niż β – karoten i α – tokoferol. W układach in vitro likopen inaktywował nadtlenek wodoru i podtlenek azotowy. In vitro likopen i inne karotenoidy są zdolne do hamowania oksydacji LDL (oksydacyjna modyfikacja LDL odgrywa kluczową rolę w procesie miażdżycowym). Obniża oksydacje LDL , zapobiega peroksydacji lipidów w błonie lizosomalnej i zapobiega uszkodzeniom błon przez NO2.
Nie-oksydacyjny mechanizm działania likopenu:
Naukowcy na podstawie przeprowadzonych badań zasugerowali, że mechanizm działania likopenu w zapobieganiu nowotworom może być inny niż oksydacyjny. Pewna ilość badań przeprowadzonych z wykorzystaniem kultur tkankowych i układów in vitro zademonstrowała aktywność chemioprewencyjną przeciwnowotworową we wstępnych etapach procesu nowotworzenia.
Polegał na regulacji komunikacji między połączeniami szczelinowymi w fibroblastach mysich embrionów. Sugeruje się, że powoduje on odbudowanie połączeń miedzykomórkowych. Zdrowe komórki komunikują się ze sobą za pośrednictwem specjalnych struktur w błonie komórkowej. Jeżeli wystąpią w nich jakieś nieprawidłowości, komórki ulegają natychmiastowej apoptozie. Komórki nowotworowe tracą te właściwości i nie są wrażliwe na sygnały, dlatego namnażają się bez żadnych ograniczeń. Odbudowanie tych połączeń następuje dzięki uruchomieniu pewnych genów.
Wykazano, że likopen powodował zahamowanie karcinogenezy przez regulację ekspresji genu koneksyny 43, która koduje główne białko połączeń międzyszczelinowych. Likopen zapobiegał również rakowi wątroby, indukowanego u myszy microcystiną CR przez supresję fosforylacji białek regulatorowych p53 i Rb oraz zahamowanie fazy G0 – G1 cyklu komórkowego. Likopen działając synergistycznie z wit. D3 hamował progresję cyklu komórkowego i różnicowanie promielocytów HL60 w linii komórkowej rozwoju białaczki.
Wykazano również, że zmniejsza proliferację komórkową wywołaną przez insulinopodobny czynnik wzrostu IGF-1 (czynnik mitogenny dla licznych linii komórek rakowych) oraz obniża poziom cholesterolu poprzez hamowanie aktywności reduktazy HMG-CoA.
Wysoki poziom cholesterolu w surowicy jest głównym czynnikiem ryzyka choroby niedokrwiennej serca i jest związany ze wzrostem stężenia LDL w surowicy. Obecnie ogromną rolę w patogenezie wielu chorób przewlekłych przypisuje się reaktywnym formom tlenu (ROS). Oksydacja krążących lipoprotein LDL do utlenionych LDL (LDLox) stanowi kluczowy etap w rozwoju miażdżycy i choroby niedokrwiennej serca. Likopen może chronić natywne cząsteczki LDL przed oksydacją, jak również hamować syntezę cholesterolu. Głównych dowodów na poparcie roli likopenu w zapobieganiu chorobie niedokrwiennej serca dostarczają badania epidemiologiczne.
W jednym z takich badań litewską populację z wysoką śmiertelnością z powodu chorób sercowo-naczyniowych porównano ze szwedzką obciążoną niskim ryzykiem i stwierdzono u niej niższe poziomy likopenu we krwi. Te obserwacje sugerują, że niski poziom likopenu jest związany ze zwiększonym ryzykiem zapadalności i umieralności z powodu chorób sercowo-naczyniowych.
W innych kontrolnych badaniach populacyjnych stwierdzono, że osoby, u których występowało 90% zmniejszenie grubości warstwy wewnętrznej i środkowej ściany tętnic, miały niższy poziom likopenu.
Największe badanie epidemiologiczne przeprowadzone przez EURAMIC, w którym analizowano związek pomiędzy statusem antyoksydacyjnym tkanki tłuszczowej a ostrym zawałem mięśnia sercowego. W przeprowadzonych badaniach wzięli udział pacjenci z 10 krajów, z ostrym zawałem serca oraz zdrowe osoby stanowiące grupę kontrolną. Próbki tkanki tłuszczowej pobrano za pomocą biopsji aspiracyjnej, wykonanej krótko po zawale i użyte do oznaczenia stężenia α- i β – karotenu, likopenu i α-tokoferolu. Spośród wszystkich antyoksydantów tylko likopen wykazał znaczną ujemną korelację z ryzykiem zawału serca.
Kolejne badanie wykazało, że mężczyźni z najniższym poziomem likopenu w surowicy byli najbardziej narażeni na wystąpienie ostrych incydentów wieńcowych i udarów, w porównaniu z innymi. Potwierdza to fakt, że niskie stężenie likopenu jest związane z podwyższonym ryzykiem miażdżycy i chorób sercowo-naczyniowych.
Badania epidemiologiczne i doświadczalne wykazały, że spożywanie produktów zawierających likopen jest związane ze zmniejszeniem ryzyka nowotworów. Likopen hamował wzrost komórek nowotworowych raka macicy, gruczołu sutkowego i płuc dwa razy skuteczniej niż α- i β – karoten. W ostatnich badaniach likopen wspólnie z α-tokoferolem hamował proliferację komórek nowotworowych raka prostaty.
Dieta śródziemnomorska, która obfituje w owoce i warzywa, włączając pomidory, jest odpowiedzialna za niską zapadalność na choroby nowotworowe w tym regionie. Znaczącą odwrotną zależność między podażą likopenu, a ryzykiem raka stwierdzono w szczególności w przypadku nowotworów: prostaty, trzustki i żołądka. W niektórych badaniach likopen był jedynym karotenoidem odpowiedzialnym za spadek ryzyka wystąpienia tych chorób.
Wyniki ostatnich meta-analiz pokazały najsilniejszą zależność między spożywaniem likopenu a ryzykiem raka w przypadku raka prostaty, płuc i żołądka, nieco mniejszą w przypadku raka piersi i szyjki macicy.
Najnowsze dane wskazują, że likopen może również odgrywać dobroczynną rolę w zapobieganiu rozwojowi raja jajnika i szyjki macicy. W badaniu populacyjnym z udziałem 549 kobiet stwierdzono, że spożywanie niektórych witamin i karotenoidów, włączając likopen obniża ryzyko wystąpienia raka jajnika, w szczególności u kobiet postmenopauzalnych.