Karotenoidy – antioxidanty a pro-oxidanty

Reaktivní formy kyslíku jsou potenciálně škodlivé molekuly, které jsou spojovány se vznikem celé řady nemocí. Základní funkcí antioxidantů je udržovat rovnováhu organizmu. Takže nejdůležitější funkcí antioxidantů je zachytit přebytečné reaktivní stavy kyslíku (ROS) a zajistit tak ochranu organismu před jejich negativním působením.

Antioxidanty lze obecně rozdělit do tří kategorií:

1. vynikající antioxidanty, které dokonale potlačují excitované stavy i radikály základního stavu (např. astaxanthin);

1. dobré antioxidanty, které silně inhibují tvorbu peroxidů, ale jsou méně účinné při hašení excitovaných stavů (např. flavonoly, tokoferoly (vitamin E)) nebo vedou ke značné degradaci samotného antioxidantu (např. β-karoten, lykopen);

1. mírné antioxidanty, které nevynikají v obou reaktivitách (např. ζ-karoten, flavon).

Buněčná membrána je tvořena tzv. fosfolipidovou dvojvrstvou. Některé, nepolární karotenoidy, jako je lykopen a β-karoten, tuto membránovou dvojvrstvu narušují a stimulují peroxidaci lipidových membrán (dochází k > 85% zvýšení hladin hydroperoxidů lipidů). Astaxanthin (polární karotenoid) však zachovává strukturu membrány a vykazuje významnou antioxidační aktivitu (dochází k > 40% poklesu v hladinách lipidových hydroperoxidů). Tyto výsledky naznačují, že antioxidační potenciál karotenoidů závisí na jejich odlišných membránových lipidových interakcích (zda jsou polární či nepolární). Tento vztah struktury a funkce může vysvětlit rozdíly v biologické aktivitě různých karotenoidů [1].

Je dobře známo, že karotenoidy vykazují silné antioxidační vlastnosti tím že, zháší singletový kyslík účinným přenosem energie [2].

 Ve studii [2] autoři provedli kvantitativní hodnocení antioxidačních vlastností karotenoidů. Takzvané „pro-oxidační účinky“ se týkají především samotného antioxidantu a jeho degradace, protože při tomto typu experimentu nedochází k žádnému nebo velmi malému poškození substrátu. Na druhou stranu produkty degradace můžou mít pro-oxidační účinek [6] (viz. bod 2 rozdělení antioxidantů).

Díky své chemické struktuře, je astaxanthin nejlepším přírodním antioxidantem bez  pro-oxidačních vlastností. 

Kdy pro-oxidace prospívá?

Přesto existuje jedna situace, kdy pro-oxidační účinek karotenoidů může naopak být velice prospěšný.

V rakovinných buňkách s přirozeně vysokou úrovní intracelulárních reaktivních forem kyslíku (ROS) totiž mohou karotenoidy působit jako silné pro-oxidanty a spouštět apoptózu (programovaná buněčná smrt), kterou zprostředkují právě ROS. V posledních letech byla zkoumána pro-oxidační funkce běžných karotenoidů, včetně astaxanthinu, β-karotenu, fukoxanthinu a lykopenu, z hlediska jejich účinnosti v eliminaci různé buněčné linie rakoviny. Kromě toho, že jsou karotenoidy podávány s cytotoxickými léky indukujícími tvorbu ROS (např. antracykliny), kdy mohou minimalizovat nepříznivé účinky těchto léčiv na normální buňky tím, že působí jako antioxidanty, aniž by zasahovaly do jejich cytotoxických účinků, tak jsou schopny působit na rakovinné buňky jako pro-oxidanty. Tyto dynamické účinky karotenoidů mohou optimalizovat oxidační stres v normálních buňkách a zvyšovat oxidační stres v rakovinných buňkách [3].  

Nedávná studie ukázala [4], že astaxanthin při koncentraci 20 µM má podstatný pro-oxidační účinek (53,3% zvýšení ROS, ve srovnání se 17,3 % zvýšením u kontroly) na buňkách MCF-7 (buněčná linie rakoviny prsu) a tento účinek je synergicky zvýšen, když je použita směs astaxanthinu, β-karotenu a luteinu (68,1% nárůst ROS). Tato pozorování naznačují, že zatímco astaxanthin je dobře známý antioxidant, který chrání buňky před oxidačním poškozením [5], může také vyvolat oxidační stres v rakovinných buňkách.

ZDROJE:

[1] McNulty, Hyesun, Robert F. Jacob, and R. Preston Mason. „Biologic activity of carotenoids related to distinct membrane physicochemical interactions.“ The American journal of cardiology 101.10 (2008): S20-S29.

[2] Beutner, Stefan, et al. „Quantitative assessment of antioxidant properties of natural colorants and phytochemicals: carotenoids, flavonoids, phenols and indigoids. The role of β‐carotene in antioxidant functions.“ Journal of the Science of Food and Agriculture 81.6 (2001): 559-568.

[3] Shin, Juhyun, et al. „Pro-oxidant actions of carotenoids in triggering apoptosis of cancer cells: A review of emerging evidence.“ Antioxidants 9.6 (2020): 532.

[4] Sowmya, Poorigali Raghavendra-Rao, et al. „Astaxanthin from shrimp efficiently modulates oxidative stress and allied cell death progression in MCF-7 cells treated synergistically with β-carotene and lutein from greens.“ Food and Chemical Toxicology 106 (2017): 58-69.

[5] Park, Jean Soon, et al. „Astaxanthin decreased oxidative stress and inflammation and enhanced immune response in humans.“ Nutrition & metabolism 7.1 (2010): 18.

[6]  Martin, Hans‐Dieter, et al. „Anti‐and prooxidant properties of carotenoids.“ Journal für praktische Chemie 341.3 (1999): 302-308.