Przeciwutleniacz - Antioxidant

Struktura przeciwutleniacza, glutation

Przeciwutleniacze to związki, które hamują utlenianie , reakcję chemiczną, która może wytwarzać wolne rodniki i reakcje łańcuchowe, które mogą uszkadzać komórki organizmów. Przeciwutleniacze, takie jak tiole lub kwas askorbinowy (witamina C), mogą hamować te reakcje. Aby zrównoważyć stres oksydacyjny , rośliny i zwierzęta utrzymują złożone systemy nakładających się przeciwutleniaczy, takich jak glutation .

Jedyne diety przeciwutleniacze witaminy , C i E . Termin przeciwutleniacz jest również używany w odniesieniu do chemikaliów przemysłowych dodawanych podczas produkcji w celu zapobiegania utlenianiu w kauczuku syntetycznym , tworzywach sztucznych i paliwach lub jako konserwanty w żywności i kosmetykach .

Nie wykazano, aby suplementy diety sprzedawane jako przeciwutleniacze poprawiały stan zdrowia lub zapobiegały chorobom u ludzi. Suplementy beta-karotenu , witaminy A i witaminy E nie mają pozytywnego wpływu na śmiertelność ani ryzyko zachorowania na raka . Dodatkowo suplementacja selenem lub witaminą E nie zmniejsza ryzyka chorób układu krążenia .

Badania zdrowotne

Stosunek do diety

Chociaż pewien poziom witamin przeciwutleniających w diecie jest wymagany dla dobrego zdrowia, nadal toczy się poważna debata na temat tego, czy żywność bogata w przeciwutleniacze lub suplementy mają działanie przeciwchorobowe. Co więcej, jeśli rzeczywiście są one korzystne, nie wiadomo, które przeciwutleniacze są prozdrowotne w diecie iw jakich ilościach wykracza poza typowe spożycie. Niektórzy autorzy kwestionują hipotezę, że witaminy przeciwutleniające mogą zapobiegać chorobom przewlekłym, a niektórzy twierdzą, że hipoteza ta jest niesprawdzona i błędna. Polifenole , które mają właściwości przeciwutleniające in vitro , wykazują nieznaną aktywność przeciwutleniającą in vivo z powodu intensywnego metabolizmu po trawieniu i niewielkich klinicznych dowodów skuteczności.

Interakcje

Powszechnie stosowane leki (i suplementy) o właściwościach przeciwutleniających mogą zakłócać skuteczność niektórych leków przeciwnowotworowych i radioterapii .

Niekorzystne skutki

Struktura kwasu fitowego chelatującego metale

Stosunkowo silne kwasy redukujące mogą mieć działanie przeciwodżywcze , wiążąc się z minerałami pokarmowymi, takimi jak żelazo i cynk, w przewodzie pokarmowym i zapobiegając ich wchłanianiu. Przykładami są kwas szczawiowy , garbniki i kwas fitynowy , które są bogate w dietę roślinną. Wapń braki i żelaza nie są rzadkością w diecie w krajach rozwijających się , gdzie mięso jest spożywane mniej i istnieje wysokie spożycie kwasu fitynowego z fasoli i przaśnego pełnoziarnisty chleb. Jednak kiełkowanie, moczenie lub fermentacja mikrobiologiczna to strategie domowe, które zmniejszają zawartość fitynianów i polifenoli w nierafinowanych płatkach zbożowych. Zwiększenie wchłaniania Fe, Zn i Ca odnotowano u dorosłych karmionych zbożami pozbawionymi fitynianów w porównaniu ze zbożami zawierającymi ich natywny fitynian.

Żywność Zmniejszenie obecności kwasu
Ziarno kakaowe i czekolada, szpinak , rzepa i rabarbar Kwas szczawiowy
Produkty pełnoziarniste , kukurydza, rośliny strączkowe Kwas fitynowy
Herbata, fasola , kapusta Taniny

Wysokie dawki niektórych przeciwutleniaczy mogą mieć szkodliwe skutki długoterminowe. Badanie Beta-Caroten and Retinol Efficacy Trial (CARET) przeprowadzone na pacjentach z rakiem płuc wykazało, że palacze otrzymujący suplementy zawierające beta-karoten i witaminę A mieli zwiększoną zachorowalność na raka płuc. Kolejne badania potwierdziły te niekorzystne skutki. Te szkodliwe skutki można również zaobserwować u osób niepalących, ponieważ jedna metaanaliza obejmująca dane od około 230 000 pacjentów wykazała, że ​​suplementacja β-karotenem, witaminą A lub witaminą E wiąże się ze zwiększoną śmiertelnością, ale nie wykazała znaczącego wpływu witaminy C. Nie zaobserwowano żadnego ryzyka dla zdrowia, gdy wszystkie randomizowane badania kontrolowane były badane razem, ale wzrost śmiertelności wykryto, gdy osobno badano tylko badania ryzyka wysokiej jakości io niskim poziomie błędu systematycznego. Ponieważ większość tych badań o niskim poziomie błędu systematycznego dotyczyła osób starszych lub chorych, wyniki te mogą nie mieć zastosowania do populacji ogólnej. Ta metaanaliza została później powtórzona i rozszerzona przez tych samych autorów, potwierdzając wcześniejsze wyniki. Te dwie publikacje są zgodne z niektórymi wcześniejszymi metaanalizami, które również sugerowały, że suplementacja witaminą E zwiększa śmiertelność, a suplementy przeciwutleniaczy zwiększają ryzyko raka okrężnicy . Beta-karoten może również nasilać raka płuc . Ogólnie rzecz biorąc, duża liczba badań klinicznych przeprowadzonych nad suplementami antyoksydacyjnymi sugeruje, że albo te produkty nie mają wpływu na zdrowie, albo powodują niewielki wzrost śmiertelności w starszych lub wrażliwych populacjach.

Wyzwanie oksydacyjne w biologii

Struktura antyoksydacyjnej witaminy kwasu askorbinowego (witaminy C)

Paradoksem w metabolizmie , że chociaż większość złożonego życia na Ziemi wymaga tlenu do istnienia tlen jest silnie reaktywnym elementem szkody organizmów żywych przez wytwarzanie reaktywnych form tlenu . W konsekwencji organizmy zawierają złożoną sieć metabolitów i enzymów przeciwutleniających , które współpracują ze sobą, aby zapobiegać uszkodzeniom oksydacyjnym składników komórkowych, takich jak DNA , białka i lipidy . Ogólnie rzecz biorąc, systemy przeciwutleniaczy albo zapobiegają tworzeniu się tych reaktywnych form, albo usuwają je, zanim zdążą uszkodzić ważne składniki komórki. Jednak reaktywne formy tlenu mają również przydatne funkcje komórkowe, takie jak sygnalizacja redoks . Zatem funkcją systemów przeciwutleniaczy nie jest całkowite usuwanie utleniaczy, ale utrzymywanie ich na optymalnym poziomie.

Reaktywne formy tlenu wytwarzane w komórkach obejmują nadtlenek wodoru (H 2 O 2 ), kwas podchlorawy (HClO) oraz wolne rodniki, takie jak rodnik hydroksylowy (·OH) i anion ponadtlenkowy (O 2 ). Rodnik hydroksylowy jest szczególnie niestabilny i będzie reagował szybko i niespecyficznie z większością cząsteczek biologicznych. Ten związek jest wytwarzany z nadtlenku wodoru w katalizowanych metalem reakcjach redoks, takich jak reakcja Fentona . Te utleniacze mogą uszkadzać komórki, rozpoczynając chemiczne reakcje łańcuchowe, takie jak peroksydacja lipidów lub utleniając DNA lub białka. Uszkodzenie DNA może powodować mutacje i prawdopodobnie raka, jeśli nie zostaną odwrócone przez mechanizmy naprawy DNA , podczas gdy uszkodzenie białek powoduje hamowanie enzymów, denaturację i degradację białek .

Zastosowanie tlenu jako części procesu wytwarzania energii metabolicznej wytwarza reaktywne formy tlenu. W tym procesie anion ponadtlenkowy powstaje jako produkt uboczny kilku etapów łańcucha transportu elektronów . Szczególnie istotna jest redukcja koenzymu Q w kompleksie III , ponieważ jako produkt pośredni powstaje wysoce reaktywny wolny rodnik (Q · ). Ten niestabilny produkt pośredni może prowadzić do „wycieku” elektronów, gdy elektrony przeskakują bezpośrednio do tlenu i tworzą anion ponadtlenkowy, zamiast przechodzić przez normalną serię dobrze kontrolowanych reakcji łańcucha transportu elektronów. Nadtlenek wodoru jest również wytworzona z utleniania zredukowanych flawoprotein , takich jak kompleksu I . Jednak chociaż te enzymy mogą wytwarzać utleniacze, względne znaczenie łańcucha przenoszenia elektronów dla innych procesów generujących nadtlenek jest niejasne. W roślinach, algach i sinicach podczas fotosyntezy powstają również reaktywne formy tlenu , szczególnie w warunkach dużego natężenia światła . Efekt ten jest częściowo kompensowany przez udział karotenoidów w fotoinhibicji , a w glonach i sinicach przez dużą ilość jodku i selenu , co wiąże się z reagowaniem tych przeciwutleniaczy z nadmiernie zredukowanymi formami centrów reakcji fotosyntezy, aby zapobiec wytwarzaniu reaktywnych form tlenu .

Przykłady bioaktywnych związków przeciwutleniających

Przeciwutleniacze dzielą się na dwa szerokie działy, w zależności od tego, czy są rozpuszczalne w wodzie ( hydrofilowe ) czy w lipidach ( lipofilowe ). Ogólnie rzecz biorąc, przeciwutleniacze rozpuszczalne w wodzie reagują z utleniaczami w cytozolu komórki i osoczu krwi , podczas gdy przeciwutleniacze rozpuszczalne w tłuszczach chronią błony komórkowe przed peroksydacją lipidów . Związki te mogą być syntetyzowane w organizmie lub pozyskiwane z diety. Różne przeciwutleniacze są obecne w szerokim zakresie stężeń w płynach ustrojowych i tkankach, przy czym niektóre, takie jak glutation lub ubichinon, są obecne głównie w komórkach, podczas gdy inne, takie jak kwas moczowy, są rozmieszczone bardziej równomiernie (patrz tabela poniżej). Niektóre przeciwutleniacze znajdują się tylko w kilku organizmach, a związki te mogą odgrywać ważną rolę w patogenach i mogą być czynnikami wirulencji .

Względne znaczenie i interakcje między tymi różnymi przeciwutleniaczami to bardzo złożone zagadnienie, przy czym różne związki przeciwutleniające i układy enzymów przeciwutleniających mają na siebie synergiczny i współzależny wpływ. Działanie jednego antyoksydantu może zatem zależeć od prawidłowego funkcjonowania pozostałych członków systemu antyoksydacyjnego. Stopień ochrony zapewniany przez dowolny przeciwutleniacz będzie również zależeć od jego stężenia, jego reaktywności wobec poszczególnych rozważanych reaktywnych form tlenu oraz stanu przeciwutleniaczy, z którymi oddziałuje.

Niektóre związki przyczyniają się do obrony antyoksydacyjnej, chelatując metale przejściowe i zapobiegając ich katalizowaniu produkcji wolnych rodników w komórce. Szczególnie ważna jest zdolność sekwestracji żelaza, które jest funkcją białek wiążących żelazo, takich jak transferyna i ferrytyna . Selen i cynk są powszechnie określane jako minerały przeciwutleniające , ale te pierwiastki chemiczne same w sobie nie mają działania przeciwutleniającego, a zamiast tego są wymagane do aktywności enzymów przeciwutleniających.

Przeciwutleniacz Rozpuszczalność Stężenie w surowicy ludzkiej ( μM ) Stężenie w tkance wątroby ( μmol/kg )
Kwas askorbinowy ( witamina C ) Woda 50-60 260 (człowiek)
Glutation Woda 4 6400 (człowiek)
Kwas liponowy Woda 0,1–0,7 4-5 (szczur)
Kwas moczowy Woda 200–400 1600 (człowiek)
Karoteny Lipid β-karoten : 0,5-1

retinol (witamina A): 1–3

5 (człowiek, karotenoidy ogółem)
α-Tokoferol (witamina E) Lipid 10-40 50 (człowiek)
Ubichinol (koenzym Q) Lipid 5 200 (człowiek)

Kwas moczowy

Kwas moczowy jest zdecydowanie największym przeciwutleniaczem w ludzkiej krwi. Kwas moczowy (UA) jest przeciwutleniaczem oksypuryną wytwarzanym z ksantyny przez enzym oksydazę ksantynową i jest produktem pośrednim metabolizmu puryn . U prawie wszystkich zwierząt lądowych oksydaza moczanowa dalej katalizuje utlenianie kwasu moczowego do alantoiny , ale u ludzi i większości wyższych naczelnych gen oksydazy moczanowej nie działa, tak że UA nie jest dalej rozkładany. Ewolucyjne przyczyny utraty konwersji moczanów do alantoiny pozostają przedmiotem aktywnych spekulacji. Działanie przeciwutleniające kwasu moczowego doprowadziło naukowców do sugestii, że ta mutacja była korzystna dla wczesnych naczelnych i ludzi. Badania aklimatyzacji na dużych wysokościach potwierdzają hipotezę, że moczan działa jako przeciwutleniacz, łagodząc stres oksydacyjny spowodowany niedotlenieniem na dużych wysokościach.

Kwas moczowy ma najwyższe stężenie spośród wszystkich przeciwutleniaczy we krwi i zapewnia ponad połowę całkowitej zdolności antyoksydacyjnej ludzkiej surowicy. Aktywność przeciwutleniająca kwasu moczowego jest również złożona, biorąc pod uwagę, że nie reaguje on z niektórymi utleniaczami, takimi jak ponadtlenek , ale działa przeciwko nadtlenoazotynom , nadtlenkom i kwasowi podchlorawemu . Obawy dotyczące zwiększonego udziału UA w dnie moczanowej należy uznać za jeden z wielu czynników ryzyka. Samo ryzyko wystąpienia dny moczanowej związane z UA na wysokim poziomie (415–530 μmol/L) wynosi tylko 0,5% rocznie, przy wzroście do 4,5% rocznie przy poziomach przesycenia UA (535+ μmol/L). Wiele z tych wyżej wymienionych badań określiło działanie antyoksydacyjne UA na normalnych poziomach fizjologicznych, a niektóre wykazały aktywność przeciwutleniającą na poziomie nawet 285 μmol/L.

Witamina C

Kwas askorbinowy lub witamina C jest katalizatorem utleniania i redukcji ( redoks ) monosacharydów występującym zarówno u zwierząt, jak i roślin. Ponieważ jeden z enzymów potrzebnych do wytworzenia kwasu askorbinowego został utracony w wyniku mutacji podczas ewolucji naczelnych , ludzie muszą pozyskać go ze swojej diety; jest zatem witaminą dietetyczną. Większość innych zwierząt jest w stanie wytworzyć ten związek w swoim ciele i nie wymaga go w swojej diecie. Kwas askorbinowy jest niezbędny do przemiany prokolagenu w kolagen poprzez utlenianie reszt proliny do hydroksyproliny . W innych komórkach jest utrzymywany w formie zredukowanej poprzez reakcję z glutationem, którą katalizuje białkowa izomeraza disiarczkowa i glutaredoksyny . Kwas askorbinowy jest katalizatorem redoks, który może redukować, a tym samym neutralizować reaktywne formy tlenu, takie jak nadtlenek wodoru. Oprócz bezpośredniego działania przeciwutleniającego, kwas askorbinowy jest również substratem dla enzymu redoks, peroksydazy askorbinianowej , funkcji wykorzystywanej w odporności roślin na stres. Kwas askorbinowy występuje w dużych ilościach we wszystkich częściach roślin i może osiągać stężenie 20  milimolowe w chloroplastach .

Glutation

Wolnorodnikowy mechanizm peroksydacji lipidów

Glutation to peptyd zawierający cysteinę występujący w większości form życia tlenowego. Nie jest wymagany w diecie, a zamiast tego jest syntetyzowany w komórkach z aminokwasów składowych . Glutation ma właściwości przeciwutleniające, ponieważ grupa tiolowa w jego ugrupowaniu cysteinowym jest środkiem redukującym i może być odwracalnie utleniana i redukowana. W komórkach glutation jest utrzymywany w formie zredukowanej przez enzym reduktazę glutationową i z kolei redukuje inne metabolity i układy enzymatyczne, takie jak askorbinian w cyklu glutation-askorbinian , peroksydazy glutationowe i glutaredoksyny , a także reagując bezpośrednio z utleniaczami. Ze względu na swoje wysokie stężenie i kluczową rolę w utrzymaniu stanu redoks komórki, glutation jest jednym z najważniejszych antyoksydantów komórkowych. W niektórych organizmów glutationu zastąpione innymi tiolami, takie jak przez mycothiol w Actinomycetes , bacillithiol w pewnych bakterii Gram-dodatnich bakterii , lub trypanothione w kinetoplastydy .

Witamina E

Witamina E to zbiorcza nazwa zestawu ośmiu pokrewnych tokoferoli i tokotrienoli , które są witaminami rozpuszczalnymi w tłuszczach o właściwościach przeciwutleniających. Spośród nich najwięcej zbadano α-tokoferolem, ponieważ ma on najwyższą biodostępność , a organizm preferencyjnie wchłania i metabolizuje tę formę.

Stwierdzono, że forma α-tokoferolu jest najważniejszym przeciwutleniaczem rozpuszczalnym w lipidach i chroni błony przed utlenianiem poprzez reakcję z rodnikami lipidów powstającymi w łańcuchowej reakcji peroksydacji lipidów. Usuwa to wolne rodniki pośrednie i zapobiega kontynuacji reakcji propagacji. W wyniku tej reakcji powstają utlenione rodniki α-tokoferoksylowe, które można zawrócić z powrotem do aktywnej formy zredukowanej poprzez redukcję innymi przeciwutleniaczami, takimi jak askorbinian, retinol lub ubichinol. Jest to zgodne z odkryciami pokazującymi, że α-tokoferol, ale nie rozpuszczalne w wodzie przeciwutleniacze, skutecznie chroni komórki z niedoborem peroksydazy glutationowej 4 ( GPX4 ) przed śmiercią komórkową. GPx4 jest jedynym znanym enzymem, który skutecznie redukuje wodoronadtlenki lipidów w błonach biologicznych.

Jednak role i znaczenie różnych form witaminy E są obecnie niejasne, a nawet sugerowano, że najważniejszą funkcją α-tokoferolu jest cząsteczka sygnalizacyjna , przy czym ta cząsteczka nie odgrywa znaczącej roli w metabolizmie przeciwutleniaczy. Funkcje innych form witaminy E są jeszcze gorzej poznane, chociaż γ-tokoferol jest nukleofilem, który może reagować z mutagenami elektrofilowymi , a tokotrienole mogą być ważne w ochronie neuronów przed uszkodzeniem.

Działania prooksydacyjne

Przeciwutleniacze, które są czynnikami redukującymi, mogą również działać jako prooksydanty. Na przykład witamina C ma działanie przeciwutleniające, gdy redukuje substancje utleniające, takie jak nadtlenek wodoru; jednak zmniejszy również jony metali, które generują wolne rodniki w reakcji Fentona .

2 Fe 3+ + askorbinian → 2 Fe 2+ + dehydroaskorbinian
2 Fe 2+ + 2 H 2 O 2 → 2 Fe 3+ + 2 OH · + 2 OH

Względne znaczenie przeciwutleniających i prooksydacyjnych działań przeciwutleniaczy jest obszarem aktualnych badań, ale witamina C, która wywiera swoje działanie jako witamina poprzez utlenianie polipeptydów, wydaje się mieć głównie działanie przeciwutleniające w ludzkim ciele.

Systemy enzymatyczne

Enzymatyczny szlak detoksykacji reaktywnych form tlenu

Podobnie jak w przypadku chemicznych przeciwutleniaczy, komórki są chronione przed stresem oksydacyjnym przez oddziałującą sieć enzymów przeciwutleniających. Tutaj nadtlenek uwalniany w procesach, takich jak fosforylacja oksydacyjna, jest najpierw przekształcany w nadtlenek wodoru, a następnie redukowany do wody. Ten szlak detoksykacji jest wynikiem działania wielu enzymów, przy czym dysmutazy ponadtlenkowe katalizują pierwszy etap, a następnie katalazy i różne peroksydazy usuwają nadtlenek wodoru. Podobnie jak w przypadku metabolitów przeciwutleniaczy, udział tych enzymów w obronie przeciwutleniającej może być trudny do oddzielenia od siebie, ale pokolenie transgenicznych myszy pozbawionych tylko jednego enzymu przeciwutleniającego może być pouczające.

Dysmutaza ponadtlenkowa, katalaza i peroksyredoksyny

Dysmutazy ponadtlenkowe (SOD) to klasa blisko spokrewnionych enzymów, które katalizują rozkład anionu ponadtlenkowego na tlen i nadtlenek wodoru. Enzymy SOD są obecne w prawie wszystkich komórkach tlenowych oraz w płynach pozakomórkowych. Enzymy dysmutazy ponadtlenkowej zawierają kofaktory jonów metali, którymi w zależności od izoenzymu mogą być miedź, cynk, mangan lub żelazo. U ludzi SOD miedzi/cynku występuje w cytozolu , podczas gdy SOD manganu występuje w mitochondriach . W płynach pozakomórkowych istnieje również trzecia forma SOD , która w swoich miejscach aktywnych zawiera miedź i cynk. Izozym mitochondrialny wydaje się być najważniejszym biologicznie z tych trzech, ponieważ myszy pozbawione tego enzymu umierają wkrótce po urodzeniu. W przeciwieństwie do tego, myszy pozbawione miedzi/cynku SOD (Sod1) są żywotne, ale mają liczne patologie i skróconą długość życia (patrz artykuł o ponadtlenkach ), podczas gdy myszy bez zewnątrzkomórkowej SOD mają minimalne defekty (wrażliwe na hiperoksję ). W roślinach izoenzymy SOD są obecne w cytozolu i mitochondriach, przy czym w chloroplastach występuje żelazo SOD, którego nie ma u kręgowców ani drożdży .

Katalazy to enzymy, które katalizują konwersję nadtlenku wodoru do wody i tlenu przy użyciu kofaktora żelaza lub manganu. Białko to jest zlokalizowane w peroksysomach w większości komórek eukariotycznych . Katalaza jest niezwykłym enzymem, ponieważ chociaż nadtlenek wodoru jest jego jedynym substratem, działa w mechanizmie ping-ponga . Tutaj jego kofaktor jest utleniany przez jedną cząsteczkę nadtlenku wodoru, a następnie regenerowany poprzez przeniesienie związanego tlenu do drugiej cząsteczki substratu. Pomimo jego widocznego znaczenia w usuwaniu nadtlenku wodoru, ludzie z genetycznym niedoborem katalazy — „ akatalazemią ” — lub myszy, których genetycznie zmodyfikowano tak, aby całkowicie brakowało katalazy, cierpią na niewiele objawów chorobowych .

Decameric struktura AhpC, A bakterii 2-cysteiny peroksyredok- z Salmonella typhimurium

Peroksyredoksyny to peroksydazy, które katalizują redukcję nadtlenku wodoru, organicznych wodoronadtlenków , a także nadtlenoazotynów . Dzielą się na trzy klasy: typowe peroksyredoksyny 2-cysteinowe; atypowe peroksyredoksyny 2-cysteinowe; i peroksyredoksyny 1-cysteiny. Enzymy te mają ten sam podstawowy mechanizm katalityczny, w którym cysteina o aktywności redoks (cysteina nadtlenkowa) w miejscu aktywnym jest utleniana do kwasu sulfenowego przez substrat nadtlenkowy. Nadmierne utlenianie tej reszty cysteinowej w peroksyredoksynach inaktywuje te enzymy, ale można to odwrócić pod wpływem działania sulfiredoksyny . Peroksyredoksyny wydają się być ważne w metabolizmie przeciwutleniaczy, ponieważ myszy pozbawione peroksyredoksyny 1 lub 2 mają skróconą żywotność i cierpią na anemię hemolityczną , podczas gdy rośliny wykorzystują peroksyredoksyny do usuwania nadtlenku wodoru wytwarzanego w chloroplastach.

Systemy tioredoksyny i glutationu

Tioredoksyno System zawiera 12-k Da tioredoksynę białka i jego towarzysz tioredoksyno reduktazy . Białka związane z tioredoksyną są obecne we wszystkich organizmach sekwencjonowanych. Rośliny, takie jak Arabidopsis thaliana , charakteryzują się szczególnie dużą różnorodnością izoform. Miejsce aktywne tioredoksyny składa się z dwóch sąsiadujących cystein, stanowiących część wysoce konserwatywnego motywu CXXC , który może przechodzić pomiędzy aktywną formą ditiolu (zredukowaną) a utlenioną formą dwusiarczkową . W stanie aktywnym tioredoksyna działa jako skuteczny środek redukujący, wymiatając reaktywne formy tlenu i utrzymując inne białka w stanie zredukowanym. Po utlenieniu aktywna tioredoksyna jest regenerowana przez działanie reduktazy tioredoksyny, przy użyciu NADPH jako donora elektronów .

Glutation System obejmuje glutation, reduktaza glutationowa , peroksydazę glutationu i glutationu S -transferases . System ten znajduje się w zwierzętach, roślinach i mikroorganizmach. Peroksydaza glutationowa to enzym zawierający cztery selenkofaktory, które katalizują rozkład nadtlenku wodoru i organicznych wodoronadtlenków. U zwierząt występują co najmniej cztery różne izoenzymy peroksydazy glutationowej . Peroksydaza glutationowa 1 jest najpowszechniejsza i jest bardzo skutecznym zmiataczem nadtlenku wodoru, podczas gdy peroksydaza glutationowa 4 jest najbardziej aktywna z wodoronadtlenkami lipidów. Co zaskakujące, peroksydaza glutationowa 1 jest zbędna, ponieważ myszy pozbawione tego enzymu mają normalną długość życia, ale są nadwrażliwe na indukowany stres oksydacyjny. Ponadto S- transferazy glutationowe wykazują wysoką aktywność z nadtlenkami lipidów. Enzymy te są szczególnie wysokie w wątrobie i służą również w metabolizmie detoksykacyjnym .

Zastosowania w technologii

Konserwanty żywności

Przeciwutleniacze są stosowane jako dodatki do żywności, które chronią przed psuciem się żywności . Wystawienie na działanie tlenu i światła słonecznego to dwa główne czynniki utleniania żywności, więc żywność jest przechowywana w ciemności i zamykana w pojemnikach, a nawet pokrywana woskiem, jak w przypadku ogórków. Ponieważ jednak tlen jest również ważny dla oddychania roślin , przechowywanie materiałów roślinnych w warunkach beztlenowych wytwarza nieprzyjemne smaki i nieprzyjemne kolory. W związku z tym opakowania świeżych owoców i warzyw zawierają ~8% atmosfery tlenowej. Przeciwutleniacze są szczególnie ważną klasą środków konserwujących, ponieważ w przeciwieństwie do psucia się bakterii lub grzybów , reakcje utleniania nadal zachodzą stosunkowo szybko w żywności mrożonej lub schłodzonej. Konserwanty te obejmują naturalne przeciwutleniacze, takie jak kwas askorbinowy (AA, E300) i tokoferole (E306), a także syntetyczne przeciwutleniacze, takie jak galusan propylu (PG, E310), trzeciorzędowy butylohydrochinon (TBHQ), butylowany hydroksyanizol (BHA, E320) i butylowany hydroksytoluen (BHT, E321).

Najczęstszymi cząsteczkami atakowanymi przez utlenianie są tłuszcze nienasycone; utlenianie powoduje, że jełczeją . Ponieważ utlenione lipidy są często odbarwione i zwykle mają nieprzyjemny smak, taki jak metaliczny lub siarkowy , ważne jest, aby unikać utleniania w produktach bogatych w tłuszcze. Tak więc te produkty spożywcze są rzadko konserwowane przez suszenie; zamiast tego są konserwowane przez wędzenie , solenie lub fermentację . Jeszcze mniej tłuste produkty, takie jak owoce, są spryskiwane siarkowymi przeciwutleniaczami przed suszeniem na powietrzu. Utlenianie jest często katalizowane przez metale, dlatego tłuszcze takie jak masło nigdy nie powinny być zawijane w folię aluminiową ani przechowywane w metalowych pojemnikach. Niektóre tłuste produkty, takie jak oliwa z oliwek, są częściowo chronione przed utlenianiem dzięki naturalnej zawartości przeciwutleniaczy, ale pozostają wrażliwe na fotooksydację. Konserwanty przeciwutleniające są również dodawane do kosmetyków na bazie tłuszczu, takich jak szminki i środki nawilżające, aby zapobiec jełczeniu.

Zastosowania przemysłowe

Podstawione fenole i pochodne fenylenodiaminy są powszechnymi przeciwutleniaczami stosowanymi do hamowania tworzenia się gum w benzynie (benzynie).

Do produktów przemysłowych często dodaje się przeciwutleniacze. Powszechne zastosowanie to stabilizatory w paliwach i smarach, aby zapobiec utlenianiu, oraz w benzynach, aby zapobiec polimeryzacji, która prowadzi do powstawania osadów zanieczyszczających silnik. W 2014 roku światowy rynek naturalnych i syntetycznych przeciwutleniaczy wynosił 2,25 miliarda dolarów z prognozą wzrostu do 3,25 miliarda dolarów do 2020 roku.

Polimerowe stabilizatory przeciwutleniające są szeroko stosowane w celu zapobiegania degradacji polimerów, takich jak gumy, tworzywa sztuczne i kleje, co powoduje utratę wytrzymałości i elastyczności tych materiałów. Szczególnie podatne na utlenianie i ozonolizę są polimery zawierające wiązania podwójne w swoich głównych łańcuchach, takie jak kauczuk naturalny i polibutadien . Mogą być zabezpieczone antyozonantami . Stałe produkty polimerowe zaczynają pękać na odsłoniętych powierzchniach, gdy materiał ulega degradacji i pękają łańcuchy. Sposób pękania różni się w zależności od ataku tlenu i ozonu , przy czym ten pierwszy powoduje efekt „szalonej nawierzchni”, podczas gdy atak ozonu powoduje powstawanie głębszych pęknięć ustawionych pod kątem prostym do naprężenia rozciągającego w produkcie. Utlenianie i degradacja UV są również często powiązane, głównie dlatego, że promieniowanie UV tworzy wolne rodniki poprzez zerwanie wiązania. Wolne rodniki reagują następnie z tlenem, tworząc rodniki nadtlenowe , które powodują dalsze uszkodzenia, często w reakcji łańcuchowej . Inne polimery podatne na utlenianie obejmują polipropylen i polietylen . Ten pierwszy jest bardziej czuły ze względu na obecność drugorzędowych atomów węgla obecnych w każdej powtarzającej się jednostce. Atak następuje w tym momencie, ponieważ utworzony wolny rodnik jest bardziej stabilny niż ten utworzony na pierwotnym atomie węgla . Utlenianie polietylenu ma tendencję do występowania w słabych ogniwach łańcucha, takich jak rozgałęzienia w polietylenie o małej gęstości .

Dodatek do paliwa składniki Aplikacje
AO-22 N,N'-di-2-butylo-1,4-fenylenodiamina Oleje turbinowe, oleje transformatorowe , płyny hydrauliczne , woski , smary
AO-24 N,N'-di-2-butylo-1,4-fenylenodiamina Oleje niskotemperaturowe
AO-29 2,6-di-tert-butylo-4-metylofenol Oleje turbinowe, oleje transformatorowe, płyny hydrauliczne, woski, smary i benzyny
AO-30 2,4-dimetylo-6-tert-butylofenol Paliwa i benzyny do silników odrzutowych , w tym benzyny lotnicze
AO-31 2,4-dimetylo-6-tert-butylofenol Paliwa i benzyny do silników odrzutowych, w tym benzyny lotnicze
AO-32 2,4-dimetylo-6-tert-butylofenol i 2,6-di-tert-butylo-4-metylofenol Paliwa i benzyny do silników odrzutowych, w tym benzyny lotnicze
AO-37 2,6-di-tert-butylofenol Paliwa i benzyny do silników odrzutowych, szeroko dopuszczone do paliw lotniczych

Poziomy w jedzeniu

Owoce i warzywa są dobrym źródłem antyoksydacyjnych witamin C i E.

Witaminy przeciwutleniające znajdują się w warzywach, owocach, jajach, roślinach strączkowych i orzechach. Witaminy A, C i E mogą zostać zniszczone przez długotrwałe przechowywanie lub długotrwałe gotowanie. Skutki gotowania i przetwarzania żywności są złożone, ponieważ procesy te mogą również zwiększać biodostępność przeciwutleniaczy, takich jak niektóre karotenoidy w warzywach. Przetworzona żywność zawiera mniej witamin antyoksydacyjnych niż żywność świeża i niegotowana, ponieważ przygotowywanie naraża żywność na działanie ciepła i tlenu.

Witaminy antyoksydacyjne Pokarmy zawierające wysoki poziom witamin przeciwutleniających
Witamina C (kwas askorbinowy) Świeże lub mrożone owoce i warzywa
Witamina E (tokoferole, tokotrienole) Oleje roślinne , orzechy i nasiona
Karotenoidy ( karoteny jako prowitamina A ) Owoce, warzywa i jajka

Inne przeciwutleniacze nie są pozyskiwane z pożywienia, lecz wytwarzane w organizmie. Na przykład ubichinol (koenzym Q) jest słabo wchłaniany z jelit i wytwarzany na drodze mewalonianu . Innym przykładem jest glutation , który składa się z aminokwasów. Ponieważ każdy glutation w jelitach jest rozkładany do wolnej cysteiny, glicyny i kwasu glutaminowego przed wchłonięciem, nawet duże spożycie doustne ma niewielki wpływ na stężenie glutationu w organizmie. Chociaż duże ilości aminokwasów zawierających siarkę, takich jak acetylocysteina, mogą zwiększać glutation, nie ma dowodów na to, że spożywanie dużych ilości tych prekursorów glutationu jest korzystne dla zdrowych osób dorosłych.

Pomiar i unieważnienie ORAC

Pomiar zawartości polifenoli i karotenoidów w żywności nie jest prostym procesem, ponieważ przeciwutleniacze łącznie stanowią zróżnicowaną grupę związków o różnej reaktywności z różnymi reaktywnymi formami tlenu. W analizach nauk o żywności in vitro zdolność absorpcji rodników tlenowych (ORAC) była kiedyś standardem branżowym do szacowania siły przeciwutleniającej całej żywności, soków i dodatków do żywności, głównie na podstawie obecności polifenoli . Wcześniejsze pomiary i oceny przeprowadzone przez Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych zostały wycofane w 2012 r. jako biologicznie nieistotne dla zdrowia ludzkiego, powołując się na brak fizjologicznych dowodów na to, że polifenole mają właściwości przeciwutleniające in vivo . W związku z tym od 2010 r. metoda ORAC, wywodząca się wyłącznie z eksperymentów in vitro , nie jest już uważana za odpowiednią dla diety lub biologii człowieka .

Alternatywne pomiary zawartości przeciwutleniaczy in vitro w żywności – również oparte na obecności polifenoli – obejmują odczynnik Folin-Ciocalteu oraz równoważny test zdolności antyoksydacyjnej Trolox.

Historia

W ramach adaptacji z życia morskiego, rośliny lądowe zaczęły wytwarzać niemorskie przeciwutleniacze, takie jak kwas askorbinowy ( witamina C ), polifenole i tokoferole . Ewolucja roślin okrytonasiennych między 50 a 200 milionami lat temu doprowadziła do rozwoju wielu pigmentów przeciwutleniających – szczególnie w okresie jurajskim – jako chemicznej obrony przed reaktywnymi formami tlenu, które są produktami ubocznymi fotosyntezy . Pierwotnie termin przeciwutleniacz odnosił się konkretnie do substancji chemicznej, która zapobiegała zużyciu tlenu. Pod koniec 19 i na początku 20 wieku, szerokie badania koncentrowały się na użycie antyutleniaczy w ważnych procesów przemysłowych, takich jak zapobieganie metalu na korozję , w wulkanizacji gumy, a polimeryzację paliw na zanieczyszczenia w silnikach spalinowych .

Wczesne badania nad rolą przeciwutleniaczy w biologii koncentrowały się na ich zastosowaniu w zapobieganiu utlenianiu tłuszczów nienasyconych , co jest przyczyną jełczenia . Aktywność przeciwutleniającą można zmierzyć po prostu umieszczając tłuszcz w zamkniętym pojemniku z tlenem i mierząc szybkość zużycia tlenu. Jednak to identyfikacja witamin C i E jako przeciwutleniaczy zrewolucjonizowała tę dziedzinę i doprowadziła do uświadomienia sobie znaczenia przeciwutleniaczy w biochemii organizmów żywych . Możliwe mechanizmy działania przeciwutleniaczy zostały po raz pierwszy zbadane, gdy uznano, że substancja o działaniu przeciwutleniającym prawdopodobnie sama w sobie łatwo ulega utlenieniu. Badania nad sposobem, w jaki witamina E zapobiega procesowi peroksydacji lipidów, doprowadziły do ​​identyfikacji przeciwutleniaczy jako czynników redukujących, które zapobiegają reakcjom oksydacyjnym, często poprzez wymiatanie reaktywnych form tlenu, zanim zdążą uszkodzić komórki.

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Halliwell, Barry. i John MC Gutteridge, Wolne rodniki w biologii i medycynie (Oxford University Press, 2007), ISBN  0-19-856869-X
  • Lane, Nick, Tlen: cząsteczka, która stworzyła świat (Oxford University Press, 2003), ISBN  0-19-860783-0
  • Pokorny, Jan, Nelly Yanishlieva i Michael H. Gordon, Przeciwutleniacze w żywności: praktyczne zastosowania (CRC Press, 2001), ISBN  0-8493-1222-1

Zewnętrzne linki