3-те най-важни ендогенни антиоксиданти за човека – супероксид дисмутаза (SOD), каталаза (CAT) и глутатион пероксидаза (GPx)
Коментар от Orange Pear
Тази статия е съставена от 4 различни публикации. Избрано е само на-важното относно оксидативния стрес, свободните радикали и 3-те най-важни ендогенни антиоксиданта за човека. В края сме поставили линкове към оригиналните публикации, които са от Националната Медицинска Библиотека на САЩ
Резюме
През последните години има нарастващ интерес към приложението на антиоксиданти в храните и фармацевтичните продукти поради връзката им с благоприятни ефекти върху здравето срещу множество човешки заболявания, свързани с оксидацията. Антиоксидантният потенциал може да бъде измерен чрез различни анализи със специфични механизми на действие, включително пренос на водородни атоми, пренос на единичен електрон и целенасочени дейности за почистване.
Разбирането на химията на механизмите, предимствата и ограниченията на методите е от решаващо значение за правилния избор на техники за валидна оценка на антиоксидантната активност в специфични проби или условия.
Антиоксидантите са широко изследвани в областта на биологията, медицината, храните и науката за храненето. Имаше обширна работа по разработването на анализи за храни и биологични системи. Научните общности са приели добре ефективността на ендогенните (вътрешни) антиоксиданти, генерирани в тялото.
Въпреки това, здравната ефикасност и възможното действие на екзогенните (външни) диетични антиоксиданти все още са под въпрос. Това може да се дължи на няколко фактора, включително липса на основно разбиране на взаимодействието на екзогенните антиоксиданти в тялото, липсата на съгласие на различните антиоксидантни анализи и липсата на специфичност на анализите, което води до невъзможност за свързване специфични диетични антиоксиданти за здравни резултати.
Въведение
От началото на 21 век са проведени много изследвания, свързани с окислителния произход на свободните радикали и общата роля на антиоксидантите. Този интерес е генериран, защото свободните радикали са силно реактивни и нестабилни молекули със значително въздействие върху човешката биологична система, въпреки че са неутрални.
Всъщност някои важни съединения, получени от липиди, като алдехиди, могат да предизвикат отрицателни ефекти върху човешкото здраве, въпреки че тези съединения могат естествено да се образуват по време на обработката на храната, главно свързана с термична обработка [1.1 ] . Значителната активност на радикалите е резултат от атом, който носи несдвоен електрон. Поради тази липса на електрони от външната обвивка, те непрекъснато търсят да се свържат с друг атом или молекула, за да се стабилизират [ 1.2].
Въпреки антиоксидантните защитни механизми, увреждането на човешките клетки ускорява стареенето и може да играе критична роля в развитието на други заболявания [ 1.3 , 1.4 ]. Допълнителна окислителна модификация на биологични макромолекули (напр. липиди, протеини и ДНК) може да доведе до увреждане на тъканите [ 1.5 ]. При разбирането на тези явления и предотвратяването им може да се постигне по-високо качество на живот.
Напоследък обширни изследвания са класифицирани в различни видове свободни радикали. Трите основни категории са: реактивни кислородни видове (ROS), реактивни азотни видове (RNS) и реактивни серни видове (RSS), които се образуват съответно от кислородни, азотни и серни атоми [1.6 ] .
Примери за ROS, RNS и RSS включват водороден оксид, водороден пероксид, синглетен кислород, алко-ксирадикал, пероксил-радикал, азотен моноксид, супероксиден анион на азотен оксид, хидроксилни аниони, алкилтиол и др. [ 1.2 , 1.6 , 1.7].
По-конкретно, ROS групата включва продукти на липидна пероксидация и протеинови карбонилни видове, докато RNS групата включва азотен оксид и пероксинитрити.
Азотният оксид играе ключова роля при увреждане на ДНК, възпаление, растеж на ракови клетки и апоптотична неизправност, въпреки че има продължителност на живота само за част от секундата. В допълнение, пероксинитритите имат потенциал да причинят липидна пероксидация, увреждане на ДНК и дълготрайно увреждане на всички биомолекули.
По същия начин серните видове (RSS) могат да действат в унисон, за да повредят биомолекулите и следователно обширното увреждане на гените в ДНК може да доведе до гени, които произвеждат неефективни протеини [ 1.4 , 1.8 ].].
Произходът на радикалите все още не е добре дефиниран, но собственото ни тяло често произвежда свободни радикали в процеса на разграждане на хранителните вещества, за да създаде енергия, която позволява на тялото ни да функционира.
Ендогенните източници са множество в митохондриите, пероксизомите, ендоплазмения ретикулум, фагоцитните клетки и т.н., докато някои екзогенни източници могат да бъдат замърсяването на въздуха, ултравиолетовата радиация, алкохола, тютюнопушенето, контакта с тежки метали, пестициди и някои лекарства, като халотан и парацетамол [1.9] . ].
За щастие, антиоксидантите могат да неутрализират свободните радикали и да намалят риска от увреждане [ 1.10 ]. Антиоксидантите бързо станаха известни със своите способности за насърчаване на здравето.
По дефиниция терминът „антиоксидант“ се отнася до клас съединения със синтетична или естествена ориентация, които могат да действат, като прекъсващи веригата антиоксидантни инхибитори, спирайки верижната реакция на свободните радикали чрез комплексиране с тях [ 1.11 ] .
Освен спиране на механизма на образуване, едно антиоксидантно съединение трябва да може да улавя радикалите и да образува нови, които са стабилни [ 1.12 ]. Естествени съединения като тези могат да бъдат намерени в плодове, корени, зеленчуци и растения [ 1.13 , 1.14 , 1.15 , 1.16]. В допълнение към това, проучване, проведено от Yashin et al. [ 1.17 ] предполага, че най-много биологично активни съединения се съдържат в различни подправки и билки.
Основните представители на антиоксидантите са витамините А, С и Е; бета каротин; антоцианидини; феноли; флавоноиди; фенолни киселини и др [ 1.17 ]. Разбира се, естествените антиоксиданти, които се консумират ежедневно в нашата диета, могат да защитят телата ни и да действат като антиканцерогенни агенти. По-високи антиоксидантни и противоракови активности също се демонстрират в случаите, когато има синергичен ефект между различни антиоксидантни естествени молекули [ 1.18 , 1.19 , 1.20 ].
Ендогенната защита при хората постепенно се подобрява с течение на времето, което води до баланс между свободните радикали и оксидативния стрес. Ензимните антиоксиданти и неензимните оксиданти са двата основни вида антиоксиданти, които се срещат при хората [ 1.6].
Антиоксидантните защитни механизми се опитват да почистят реактивните кислородни видове и да предотвратят образуването им, въпреки че не винаги са успешни.
Антиоксидантната мрежа е сложна и съдържа вещества, които са както ендогенни (вътрешни), така и погълнати (екзогенни). Ензимите, наречени супероксид дисмутаза (SOD), превръщат O 2 в H 2 O 2 и го елиминират от тялото [ 1.21 ]. Въпреки това, поради кръвно-мозъчната бариера, антиоксидантите понякога не успяват да осигурят адекватна защита [ 1.22].
По дефиниция антиоксидантите предотвратяват/инхибират/намаляват окислителните процеси [ 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 ]. В исторически план индустрията е използвала антиоксиданти за предотвратяване на корозия на метали и вулканизация на каучук [ 2 ]. Съвсем наскоро антиоксидантите се използват, като хранителни консерванти, лубриканти и стабилизатори [ 2]. Пазарните проучвания показват, че стойността на световния промишлен пазар за естествени и синтетични антиоксиданти през 2015 г. е била 2,9 милиарда щатски долара и се прогнозира над 50% общ ръст до над 4,5 милиарда щатски долара до 2022 г.
В друго проучване Grand View Research прогнозира, че световният пазар за естествени антиоксиданти се очаква да бъде 4,1 милиарда щатски долара до 2022 г. [ 12 ]. Във всеки случай функциите на тези антиоксиданти отговарят на строгата химична дефиниция и не са свързани с телесни функции.
През последните години има значителен интерес към въздействието на естествено срещащите се фитохимикали в храните, които могат да действат като антиоксиданти в човешкото тяло. Този интерес е възникнал от популярната литература, която определя оксидантите като вредни, а антиоксидантите като антитеза и следователно като здравословни. Има много прегледи на всички аспекти на антиоксидантните анализи и връзката на антиоксидантите със здравето, включително тяхната активност, класификация и приложения [ 2 , 3 , 5 , 10 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 ].
Апак и др. [ 15 , 16 ,17 ] публикува прегледи на различни антиоксидантни анализи, техните механизми, предимства и ограничения. Наскоро Gulcin et al. [ 18 ] публикува подробен преглед на in vitro антиоксидантни методи, използвани за определяне на антиоксидантния капацитет на хранителните съставки. По подобен начин Shahidi et al. [ 3 ] и Alam et al. [ 13 ] публикува статии за преглед на in vitro и in vivo антиоксидантни анализи и техните експериментални процедури.
Има също така множество статии, поставящи под съмнение ползите за здравето от много съединения, които са in vitro антиоксиданти и дали те проявяват подобна in vivo активност [ 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 ]. Американската администрация по храните и лекарствата (FDA) и Европейският орган за безопасност на храните (EFSA) разрешават здравни претенции за витаминни антиоксиданти (т.е. витамини A, C и E, тези с препоръчителен дневен прием (RDI) [ 25 , 26 ] . Въпреки това, дори и за тези съединения, има някои противоречия по отношение на тяхната ефективност, като антиоксиданти in vivo [ 22 ].
В настоящия преглед описваме накратко оксидативния стрес, видовете антиоксиданти и in vitro анализите. Ние също така сравнихме аналитичните вариации между докладваните методологии и дейности за шест често консумирани хранителни субстрата (плодове, зеленчуци, преработени храни, зърнени храни, бобови растения, мляко и млечни продукти). Важно е потребителите, диетолозите и другите здравни специалисти да разбират ползите за здравето от консумацията на плодове и зеленчуци и да разграничават фактите от рекламните послания относно антиоксидантите.
Оксидативен стрес
Оксидативният стрес се определя, като дисбаланс между появата на реактивни кислородни/азотни видове (ROS/RNS) и клетъчната антиоксидантна защита [ 1 , 4 ]. Оксидативният стрес е резултат от излишък на ROS/RNS, който възниква поради липса на противодействие от страна на клетъчните антиоксидантни системи [ 1 , 5 ].
Повишеният оксидативен стрес може да има тежки последици в биологичните системи, включително молекулярни увреждания (като нуклеинови киселини, липиди и протеини), които могат сериозно да засегнат здравето, както е показано в Фигура 1A [ 1 , 5 ]. Увреждането на биомолекулите или индуцирането на няколко вторични реактивни вида поради оксидативен стрес в крайна сметка води до клетъчна смърт (апоптоза или некроза). Потвърдено е, че оксидативният стрес е свързан с повече от 100 заболявания, включително сърдечно-съдови заболявания, рак, хипертония, диабет, неврогенеративни заболявания, стареене и т.н. [1 , 5 ] .
Схематично представяне на ( A ) въздействието на радикалите върху човешкото здраве и ( B ) генерирането на различни радикали in vivo.
Противно на техните вредни ефекти върху здравето, ROS/RNS могат да имат благоприятни ефекти в зависимост от тяхната функция, местоположение и количество. Например супероксид (O 2 −• ) и азотен оксид ( • NO) радикали при ниски или средни концентрации участват в клетъчните реакции и участват в сигналните пътища [ 1 ]. H 2 O 2 , образуван от различни ензими оксидаза и действието на супероксид дисмутаза (SOD), позволява използването му, като важна сигнална молекула, също така той е субстрат за генериране на други реактивни видове като HOCl [27 , 28 ] . ROS също участват в имунологични реакции, разграждайки ксенови съединения и организми чрез фагоцитоза.
ROS са съдържащи кислород молекули, включително радикали (като супероксидния анион) и нерадикали (като H 2 O 2 ), които значително варират в своите химични способности, като дифузия в живи клетки и химическа реактивност с биомолекули. Примерите за ROS включват синглетен кислород, супероксид, водороден пероксид и хидроксилни радикали (Фигура 1Б).
Синглетният кислород е най-високото енергийно спиново състояние на молекулния кислород. За разлика от молекулярния кислород в основно състояние, двата валентни електрона са сдвоени в антисвързваща орбитала. Следователно синглетният кислород се генерира само, когато молекулярният кислород се захранва чрез радиация.
Важно е и за разлика от други подвидове ROS, че по време на този процес не се извършва трансфер на електрони. Синглетният кислород е много реактивен спрямо органичните съединения и играе вредна роля в биологичните системи, например, като участва в окисляването на LDL холестерола, което може да доведе до сърдечно-съдови заболявания. Освен това повишената ROS може да предизвика мутации на mtDNA, както и да насърчи неконтролирана пролиферация и канцерогенеза [ 29] .].
Деликатният баланс на вредните и полезните ефекти на свободните радикали е от решаващо значение за жизнените процеси, а антиоксидантите играят съществена роля за постигането на този баланс.
Процес на окисление и радикали
Както бе споменато по-горе, свободните радикали са химически единици (атоми, молекули или йони), които имат един несдвоен електрон в една от външните си орбити, което ги прави нестабилни и реактивни [1.28] .]. Резултатът е образуването на повече радикали или нежелани странични продукти, тъй като един електрон се опитва да се свърже с друг.
Повечето имат период на полуразпад, който зависи от околната среда. Например полуживотът на NO• или повечето кислородни видове е няколко минути, докато полуживотът на свободния радикал на серния анион е секунди.
Инициирането на генерирането на радикали е всеки източник на топлина, ултравиолетово лъчение и замърсяване на въздуха или естествено се среща в митохондриите. При хората малките молекули, пептидите, протеините и ензимите съдържат предимно азот, кислород и сяра, които изпълняват различни функции в живите същества [ 1.29 ].
Азотът и кислородът обикновено са свързани във „вериги“ от два до три атома (пероксиди, озон, азотен триоксид и др.), докато серните вериги могат да бъдат значително по-дълги (Таблица 1.1).
Тези атоми имат много степени на окисление и понякога, по време на определени събития и при определени обстоятелства, те освобождават свободни радикали като странични продукти [ 2 , 28 , 29 ]. По време на етапа на разпространение свободните радикали реагират с други молекули до тяхното прекратяване, където свободните радикали се свързват заедно по начин, по който веригата вече не се разпространява.
Реактивни видове кислород (ROS), азот (RNS) и сяра (RSS) се образуват, както ендогенно, така и екзогенно [ 1.2 ]. Най-разпространените свободни радикали, които причиняват вреда на биологичните системи, са свободните от кислород радикали, известни също като ROS [ 1.30 ]. Те се произвеждат, като страничен продукт от биохимични реакции от неутрофили и макрофаги в митохондриите, пероксизомите и други органели [ 31 ].
Активираните форми на ROS са илюстрирани в Таблица 1.1 и обикновено се разделят, като малки частици, които не съдържат въглеродни атоми, като •OH, за разлика от форми като ROO•. Реактивните видове сяра също са получили внимание за тяхната роля в оксидативния стрес, феномен, причинен от дисбаланс между производството и натрупването на реактивни видове в клетките и тъканите и способността на биологичната система да детоксикира тези реактивни продукти [1.32 ] .
Обикновено серните радикали могат да бъдат произведени чрез донорство на водород, ензимно окисляване и взаимодействие с реактивни кислородни видове, като водороден пероксид, синглетен кислород, пероксинитрит и супероксид [1.29] .].
Когато клетъчните тиоли се окисляват, те образуват видове, които могат да окисляват и инхибират действието на протеини и ензими. Понастоящем известните свободни от сяра радикали включват дисулфиди и моносулфиди, дисулфидни-S-оксиди и агенти на сулфенова киселина (Таблица 1.1). Според Abedinzadeh et al. [ 1.33 ], образуването на силно реактивни серни радикали участва в няколко различни реакции, които водят до дисулфиден радикален анион, тиил пероксилен радикал и други.
От друга страна, реактивните азотни видове (RNS) са клас антимикробни съединения, произведени от азотен оксид и супероксид. Когато се комбинират, те се превръщат в свободен радикал пероксинитрит. Бързото протониране на пероксинитритен анион in vivo дава пероксинитризна киселина (ONOOH), която действа като електрофилно нитриращо средство за страничните вериги на тирозин и триптофан в протеините.
Разграждането на пероксиазотиста киселина може да генерира хидроксилни радикали, които впоследствие могат да увредят човешката ДНК [ 1.34] .]. Съобщава се за допълнително увреждане на ДНК клонове, тъй като наличието на свободен радикал азотен оксид е свързано със зависими от дозата разкъсвания на ДНК вериги и трансформация от цитозин в урацил и 5-метилцитозин в тимин [1.35 ] .
Ендогенната антиоксидантна защитна система може също да бъде претоварена от ROS, RNS и RSS, което води до клетъчно увреждане и дисфункция, което води до различни заболявания. ROS и RNS са ключови регулаторни медиатори в сигналните пътища при ниски концентрации, но те са токсични в умерени и високи количества, като инактивират критични клетъчни компоненти [ 1.36 ].
Азотният оксид (NO•) има две цели за здравето и болестта и неговото ниво влияе и на двете.
Азотният оксид има потенциала да действа, като активен маркер за прогресия на рака по време на физиологични и патологични процеси, като насърчава ангиогенезата или производството на нови кръвоносни съдове [ 1.37] .]. Освен това, чрез регулиране на р53, поли (ADP-рибоза) полимераза и ДНК-зависима протеин киназа, NO• може да повлияе процесите на възстановяване на туморната ДНК (DNA-PK). Използването на NO• в изследванията на рака има значителни терапевтични последици за откриване и лечение на заболявания. В същото време съотношението ROS/RNS участва в редица физиологични дейности, включително имунологична функция (т.е. защита срещу вредни микроорганизми), клетъчни сигнални пътища, митогенен отговор и редокс регулация, и има благоприятни ефекти при умерени или ниски нива.
Въпреки това, при по-високи съотношения на ROS/RNS, може да възникне оксидативен и нитрозативен стрес, който може да унищожи биомолекулите, тъй като нивата на антиоксидант и оксидант са небалансирани [ 1.9 , 1.38 ].]. Все повече свободни радикали се натрупват, причинявайки големи щети на макромолекулите, включително нуклеинови киселини, протеини и липиди.
Пероксидацията на липидните продукти и протеиновите карбонили е само един от страничните ефекти на ROS, когато азотният оксид и пероксинитритите се произвеждат от азотни радикали [ 1.4 ]. Следователно, всички аномалии, които се появяват в тези важни структурни компоненти, са свързани с появата на различни невродегенеративни заболявания, като болестта на Алцхаймер, Паркинсон и т.н. [1.39 ] .
Проучване на Porter et al. [ 1.40 ] посочва, че малондиалдехидът (MDA, ROS агент) взаимодейства с липопротеините с ниска плътност и в резултат на това се образува липидна пероксидация, която индиректно причинява атеросклероза.
Освен това, ONOO − е друг основен играч на RNS, който действа, като катализатор на липидна пероксидация, което причинява разрушаване на мембраната и липопротеините.
В растежа на рака, ONOO− и MDA действат, като цитотоксични и мутагенни агенти, насърчавайки увреждане на ДНК чрез мутации, което води до намалена експресия на туморен супресорен ген или повишена експресия на онкоген [ 1.41 ].
Възможните последици от ефектите на липидите и протеините включват увреждане на тъканите, неврологични заболявания, рак, сърдечно-съдови заболявания, катаракта, ревматоиден артрит, астма, инсулт, инфаркт на миокарда, хронична сърдечна недостатъчност, диабет и много други невродегенеративни заболявания [ 1.4 , 1.22 , 1.34 ].
Биологични резултати от окисление от ROS
Очаква се всички клетки да бъдат третирани за потенциално вредни ефекти всеки ден в резултат на активността на ROS. Действието на антиоксидантите инхибира източника на ендогенни или екзогенни реактивни кислородни видове при балансирани условия. Организмът работи ефективно, докато те са в баланс.
Въпреки това, когато има нарастване на свободните кислородни радикали или спад в антиоксидантния потенциал по някаква причина, възниква ситуация, идентифицирана, като оксидативен стрес.
Много проблеми могат да се развият, като следствие от такова болестно състояние. Голяма част от радикалите могат да засегнат и двете (тъкани и органи). Обратно, свободните радикали влияят на протеините, които са от решаващо значение за ефективното функциониране на нашите клетки, включително мастни киселини, пептиди и захари. В допълнение, ROS причинява мутации в ДНК и генетична нестабилност [ 98 ,99 , 100 ].
Реактивни кислородни видове и липиди
Най-типичната реакция на кислородните радикали, взаимодействаща с клетъчната функция, е цикличното разграждане на мембраната, което включва разграждането на полиненаситените мастни радикали, открити в мембранните липиди и липидите. Хидроксилният радикал е първичният радикал, който уврежда липидите на клетъчните мембрани по време на неензимна пероксидация на липидите.
Н2 атомът се отделя от ненаситената липидна структура на липозомите в първия етап на иницииране и се генерират алкилни радикали (L • ). Двойните връзки се пренареждат и в резултат на процеса се образуват спрегнати връзки. След това алкиловите радикали за усилване на сигнала могат да се комбинират с O 2 или мастни киселини, което води до генериране на допълнителни алифатни алкални радикали или мастни пероксилни радикали (LOO •).
Това е цикличен процес, който може да доведе до автоокисление на стотици полиненаситени мастни молекули. Следващата стъпка е да се инхибира пероксидацията, която може да възникне при реакция на деоксигениране, включваща два липидни алкил/пероксилни радикала или два отделни радикала [ 101 , 102] .]. По време на реакцията на липидна пероксидация се образуват димери на мастни киселини и оксо/хидрокси мастни киселини с променени и разградени структури.
Допълнителни условия, свързани с хидролиза, произвеждат силно реактивни алдехиди и хидроксил алдехиди, като MDA [малондиалдехид] и 4-HNE [4-хидрокси-2-ноненал]. Вторичните трансмисии на пероксидация са частици, които взаимодействат с пептидни аминокиселинни остатъци, като по този начин модифицират тяхната структура и функция. Това е особено важно в сигналните мрежи, където конформационните промени в аминокиселините в зависимост от MDA или 4-HNE често водят до предотвратяване или стимулиране на работата на няколко важни ензима по пътя. Освен това, 4-HNE и MDA взаимодействат с азотните основи на ДНК, предизвиквайки скъсване на веригата и предотвратявайки репликацията на ДНК [ 103 , 104] ., 105 ].
Доказано е, че тези изключително химически окислителни междинни продукти намаляват антиоксидантния капацитет и увреждат активността на антиоксидантните ензими. Освен това, ненаситените алдехиди участват в много канали на клетъчно сигнализиране или регулиране на метаболитен процес, като допринасят за тяхното разрушаване чрез блокиране или насърчаване на активността на множество ензими. Митохондриите са особено податливи на оксидативно увреждане. Промените в окисляването на митохондриалната матрица нарушават последователността на пренос на електрони и засилват генерирането на ROS [ 106 , 107 ]. Фигура 2 представлява липидна пероксидация и натрупване, медиирано от ROS [ 108 ].
Реактивни кислородни видове и протеини
Структурираните и ензимните пептиди, в допълнение към липозомите, са чувствителни към реактивни кислородни видове. Пептидното окисление се причинява най-вече от най-реактивния хидроксилен радикал, въпреки че други пептидни модификации, включително окисление на тиолова връзка, могат да се случат в присъствието на синглетен кислород с пероксиди.
Оксидативният стрес, включващ ROS, е свързан с мастната пероксидация, тъй като включва полинуклеотидната верига и амино остатъците, въпреки че не винаги е верижен процес. Поведението на липидното окисление на свободните радикали причинява няколко нежелани структурни промени в протеините, като хидроксилирането на алифатни и ароматни аминокиселинни последователности, структурата на хранителните хидропероксиди, окисляването на тиоли и метионинови остатъци, трансформацията на определени цистеинови остатъци в и извън на съвместни производни, трансформацията на пептидните връзки и образуването на мост вътре за същите протеинови молекули.
Хидроксилният радикал допринася за инициирането на процеса на окисляване на пептидната верига. Той индуцира отделянето на водородния йон върху въглерода на аминокиселината. Произведеният алифатен радикал взаимодейства енергично, използвайки кислород, за да произведе алифатен хидропероксид. Тази молекула може да се трансформира в такъв алкилов радикал, който би бил пряко отговорен за разделянето на протеиновите молекули.
Алкилът, алкилпероксидът и алкиловите радикали могат да реагират с някои други остатъци от аминокиселини в рамките на същия или други свързани протеини, генерирайки повече заряди. Сега е широко прието, че химичните модификации в протеините, медиирани от ROS окисление, могат да се появят на всяка аминокиселинна позиция. Хетероцикличните протеини тирозин и триптофан, както и цистеинът и метионинът са сред най-чувствителните към унищожаване на свободните радикали.
Доказано е, че пептидната модификация, предизвикана от ROS, се развива в генезиса на различни заболявания, както и по време на процеса на стареене. Жизненоважните аминокиселини в ензимите и сигналните молекули редовно се разрушават. Загубата на физиологичните свойства на протеина изглежда е най-честият резултат от структурни промени, които могат да доведат до ограничаване на важна ензимна активност или нередности за протеини, които имат регулация през цялата транскрипция, както и през целия процес на стареене [109 , 110 , 111 ].
Доказано е, че увеличаването на ROS, зависимото протеиново окисление корелира с възрастта на микроорганизма. Въпреки това е жизненоважно да се подчертае, че повишаването на дела на протеините за увреждане на клетките е компонент на няколко свързани с възрастта патологии. Докато трансформираните пептиди са по-малко чувствителни към протеолиза, те се натрупват в клетките, причинявайки в някои случаи некроза [112 , 113].
Различни изследвания са установили също, че окислителното увреждане на полипептидите и съотношението на техните редуцирани производни имат съществена роля в прогресията на сърдечните заболявания [ 114] .], особено атерома и диабет, както и неврологични заболявания като Алцхаймер и Паркинсон. Освен разградените LDL фракции на мастни киселини, окислително променени протеини бяха идентифицирани във водните отлагания на диабетици с атеросклероза.
Свободните радикали играят важна роля в развитието на невродегенерация. Невроните са особено уязвими към оксидативен стрес поради ускореното потребление на кислород и високото съдържание на ненаситени мазнини. Протеините са застрашени от комбинацията от изключително високи метаболитни и аеробни нива. Свързването на много висока метаболитна и дихателна активност в мозъчните клетки засяга протеините. Много фактори, включително анормални протеини и тяхното натрупване, както и аномалии в транскрипционните фактори, причинени от ROS, са замесени в патогенезата на деменцията [115 , 116 , 117 ].
ROS и ДНК
Нуклеиновите киселини имат повишена константност, както и толерантност към свободните радикали. След разрушаването такива клетъчни мембрани се възстановяват ефективно, докато мутиралите нуклеотидни секвенции се извличат и отстраняват от целевата ДНК.
OH радикалът, който може да предизвика разрушаване на свободните радикали, през практически всички нуклеотидни сегменти, е най-голямата опасност за нашата ДНК. Азотните бази, захарните остатъци и фосфодиестерните връзки могат да бъдат окислени, което води до промяна на нуклеотидите, увреждане на ДНК и дори разкъсване на верига.
Тимидинът е силно уязвим към действието на ОН радикали, които го разрушават и го превръщат в тимидинови димери и пероксиди. Взаимодействието на гуанинова нуклеобаза чрез ОН радикала, което води до създаването на 8-хидроксигуанин, също е изключително опасно. Важно е да се отбележи, че значителното въздействие на ROS върху ДНК, както и коригирането на азотни бази и делеции, или генетични промени, са наблюдавани при нарушения на асоциирането на транскрипционния фактор, примитивен растежен фактор, съкращения на генетичен код и разнообразие от други смъртоносни клетъчни странности [118 , 119 , 120 ].
Генетичната вариация е по-чувствителна към RFT, тъй като няма интронни последователности и не е покрита от хистонови протеини. Генетичният код показва значително по-висока чувствителност към разрушаването на свободните радикали, отколкото към ядрената ДНК, направо чрез ендогенно образуване на ROS. Това е критично за развитието на прогресивни разстройства, при които в повечето случаи се наблюдава индуциран от оксидативен стрес метаболизъм [ 121 , 122 , 123 ].
Фигура 3 представлява схема на индуцирано от метал разрушаване на ДНК при наличие на рак. Екстремният контакт с метали като Ni може да предизвика разрушаване на ДНК, най-вече чрез свързване на ДНК и генериране на ROS. Ni може също така да потисне пътищата за възстановяване на унищожаването на ДНК, с директен обратен, BER, MMR, NER, NHEJ и HR ремонт. Унищожаването на ДНК причинява генна нестабилност, която в крайна сметка може да допринесе за съществуването на рак [ 124 ].
Опростен модел на Ni-индуцирано увреждане на ДНК при появата на рак. Прекомерното излагане на Ni може да предизвика увреждане на ДНК, главно чрез директно свързване на ДНК и генериране на ROS. Ni може също така да потисне пътищата за възстановяване на увреждане на ДНК, включително директно обръщане, възстановяване на BER, NER, MMR, HR и NHEJ. Увреждането на ДНК причинява нестабилност на генома, което в крайна сметка може да допринесе за рак. Възпроизведено от разрешение на реф. [ 124 ].
Антиоксиданти
Антиоксидантите могат да бъдат широко категоризирани по много различни начини:
(i) естествени и синтетични;
(ii) полярни и неполярни;
(iii) ензимни и неензимни;
(iv) ендогенни и екзогенни;
(v) чрез механизмите, в които участват [ 30 ].
Антиоксидантите проявяват предимно дейности, базирани на три механизма, пренос на водороден атом, пренос на един електрон и метално хелиране [ 10 ]. Те показват своята активност чрез три различни пътя:
(i) превантивен: предотвратяване на образуването на свободни радикали и производни;
(ii) прекъсване: спиране на реакциите на радикално окисляване;
(iii) инактивация: инактивиране на реакционни продукти на свободен радикал/радикално производно [ 30].
Естествените антиоксиданти
Антиоксидантите могат да бъдат разделени на две основни категории: синтетични и естествени, които са производни на плодове, билки и растения [ 1.42 , 1.43 , 1.44 ]. Освен това различни странични растителни продукти също са икономически източник на естествени антиоксиданти [ 1.45 ].
В днешно време използването на синтетични антиоксиданти в храните, като бутилиран хидрокситолуен (BHT) или бутилиран хидроксианизол (BHA), предизвика социална загриженост, тъй като тези съединения са ефективни и сравнително евтини за производство, но могат да генерират алергии и сериозни проблеми за хората здраве в дългосрочен план [ 1.46 , 1.47]. Това е и основната причина, поради която много компании се опитват да заменят съединенията, синтезирани в лабораторията, с естествени антиоксиданти, за да предотвратят окисляването в хранителните продукти и да осигурят по-здравословен начин на живот [1.48 ] .
Въпреки това, антиоксидантите трябва да отговарят на някои от следните критерии, за да бъдат използвани в тази задача. Първо, те трябва да са ефикасни, а използването им трябва да е рентабилно. Второ, използването в голям мащаб не е практично, ако те са твърде скъпи или сложни за синтезиране или изолиране. И накрая, те трябва да се поддържат в ниски концентрации, тъй като тези вещества могат да бъдат вредни за хората при изключително високи нива.
Добре известно е, че растенията, плодовете, зеленчуците, билките, семената и други природни източници представляват голям коктейл от антиоксиданти, като фенолни съединения, каротеноиди и витамини [1.16 ] . Поради този факт обикновено се препоръчва диета, богата на плодове и зеленчуци, за да се получат всички ползи. По този начин е възможно да се предотвратят или забавят някои заболявания, като сърдечно-съдови заболявания или диабет [ 1.46 , 1.49 ].
Това разнообразие от фенолни киселини и флавоноиди, заедно с обща класификация на антиоксидантите, е показано в Фигура 4. Освен това, някои странични продукти от хранително-вкусовата и селскостопанската промишленост, като черупки или обелки, са били и продължават да бъдат изследвани за извличане на антиоксиданти.
Също така е важно да се отбележи, че в зависимост от вида на растението и неговите морфологични части, антиоксидантният капацитет може да варира значително, тъй като антиоксидантният капацитет на листата не е същият като този на стъблото [ 1.27 ] . Въз основа на това през годините са изследвани различни процеси като екстракция, разделяне и характеризиране на естествени антиоксиданти.
Ендогенни антиоксиданти
Ендогенните антиоксиданти са предимно ензими, като супероксид дисмутаза (SOD), каталаза (CAT), глутатион редуктаза (GR) и глутатион пероксидаза (GPx). От друга страна, неензимните ендогенни антиоксиданти, като глутатион и липоева киселина, са продукти на метаболизма на тялото [ 2 , 31 ].
Защитните антиоксиданти от първа линия (ензимни) превръщат реактивния супероксид и водороден пероксид във вода и кислород.
Неензимните антиоксиданти могат да действат, като защита от втора линия срещу ROS чрез бързо инактивиране на радикали и оксиданти.
Ензимните антиоксиданти освен това действат, като защита от трета линия, участваща в детоксикацията и отстраняването. Крайният резултат е, че два потенциално вредни вида, супероксид и водороден пероксид, се превръщат във вода (Фигура 5).
SOD и CAT не се нуждаят от кофактори („помощни молекули/йони“), за да функционират, докато GPx не само изисква няколко кофактора и протеини, но има и пет изоензима. В глутатионовата система глутатион редуктазата (GR) и глюкозо-6-фосфат дехидрогеназата (G-6-PD) не действат директно върху ROS, но позволяват на GPx да функционира 7.
Има три SOD ензима, които са силно разделени. Съдържащата манган супероксид дисмутаза (MnSOD) е локализирана в митохондриите; съдържаща мед и цинк супероксид дисмутаза (CuZnSOD) се намира в цитоплазмата и ядрото, а извънклетъчната SOD (ECSOD0 се експресира извънклетъчно в някои тъкани.
Други отделени антиоксидантни ензими включват каталаза (CAT), която се намира в пероксизомите и цитоплазмата, и глутатион пероксидаза (GPx), който може се намират в много субклетъчни отделения, включително митохондриите и ядрото в зависимост от члена на семейството.
По този начин многото форми на всеки от тези ензими намаляват оксидативния стрес в различните части на клетката.По този начин антиоксидантните протеини с подобна ензимна активност могат да имат различни ефекти след модулация поради различни локализации в клетките.
Различни подходи за класификация на антиоксидантите.
Схема на антиоксидантен ензим
Има три основни типа първични вътреклетъчни антиоксидантни ензими в клетките на бозайниците – SOD, каталаза и пероксидаза, от които глутатион пероксидазата (GPx) е най-известният. SOD превръщат O 2 •- в H 2 O 2 , докато каталазите и пероксидазите превръщат H 2 O 2 във вода. Ако отстраняването на H 2 O 2 е инхибирано, тогава има пряка токсичност в резултат на H 2 O 2-медиирана вреда. GPx изисква няколко вторични ензима, включително глутатион редуктаза (GR) и глюкозо-6-фосфат дехидрогеназа (G-6-PD) и кофактори, включително глутатион (GSH), NADPH и глюкозо 6-фосфат, за да функционират с висока ефективност. Ако GR е инхибиран, клетките не могат да отстранят H 2 O 2 чрез глутатион пероксидазната система и повишаване на нивата на глутатион дисулфид (GSSG). Ако синтезът на глутатион е инхибиран или чрез инхибиране на глутатион синтетазата (GS) или γ -глутамил цистеин синтетазата ( γ -GCS), глутатионът ще бъде изчерпан и GPx няма да може да отстрани H 2 O 2 . Ако каталазата е инхибирана, клетките също не могат да отстранят H 2 O2 . И накрая, ако усвояването на глюкозата е инхибирано, създавайки химически индуцирано състояние на лишаване от глюкоза, детоксикацията на хидропероксид също ще бъде инхибирана.
CuZnSOD съдържа приблизително 90% от общата активност на SOD в еукариотна клетка 7 . Освен първичното му разпределение в цитозола, малка част от този ензим е открита в клетъчни органели като лизозоми, пероксизоми и ядрото 8 .
Наскоро имаше някои доказателства, показващи наличието на CuZnSOD (приблизително 2%) в междумембранното пространство на митохондриите 9 , 10и тази локализация се предполага, че е важна за осигуряване на допълнителна защита срещу ROS и за предотвратяване на изтичане на супероксидни радикали от митохондриите.
Въпреки че ECSOD също използва мед и цинк като каталитични кофактори по подобен начин като CuZnSOD, ECSOD е единствената изоформа на SOD, която се експресира извънклетъчно и се разпространява в извънклетъчната матрица на много тъкани 11 , 12 . ECSOD е силно ограничен до специфични типове клетки и тъкани като бял дроб, сърце, бъбрек, плазма, лимфа, асцит и цереброспинална течност 12 .
За разлика от другите SODs, ECSOD има афинитет към хепарин сулфат протеогликани, разположени върху клетъчните повърхности и в извънклетъчния матрикс поради своя хепарин-свързващ домейн 13. Хепарин-свързващият домейн е важен, защото медиира свързването на ECSOD към клетките. Също така, ECSOD е гликозилиран хомотетрамер с високо молекулно тегло (155 kDa), докато CuZnSOD е негликозилиран хомодимер (32 kDa). MnSOD (88 kDa) се намира в митохондриалната матрица и е индуцируем в еукариоти след лечение с паракват, облъчване и хипероксия, което предполага, че индукцията на MnSOD е важна за защита срещу оксидативен стрес 14 . Освен това е установено, че MnSOD е намален в много типове ракови клетки и повишаването на нивата на MnSOD обръща in vitro и in vivo злокачествения фенотип на много ракови заболявания 15 , 16 , 17 .
Каталазата превръща водородния пероксид във вода и кислород. Каталазната активност е до голяма степен разположена в субклетъчни органели, известни като пероксизоми. Целевата доставка на каталаза в черния дроб чрез галактозилиране потиска чернодробните метастази и намалява активността на матриксната металопротеиназа (ММР), докато намаляването на каталазата корелира с инициираната от карциноген поява на злокачествен фенотип в миши кератиноцити 18 . Каталазата също намалява, както базалната, така и MnSOD-зависимата експресия на MMPs и отлагането на колаген 19 .
Цитозолната глутатион пероксидаза (GPx, GPx1) е селенопротеин, описан за първи път като ензим, който предпазва хемоглобина от окислително разграждане в червените кръвни клетки 20 . Както се вижда в Фигура 5, GPx изисква няколко вторични ензима (глутатион редуктаза и глюкозо-6-фосфат дехидрогеназа) и кофактори (редуциран глутатион, NADPH и глюкозо 6-фосфат), за да функционира с висока ефективност. Както беше споменато по-рано, има пет GPx изоензима 21, като GPx1 се счита за основен ензим, отговорен за отстраняването на H 2 O 2 . Свръхекспресията на този ензим предпазва клетките от оксидативно увреждане 22 , 23 , потиска апоптозата, индуцирана от H 2 O 2 24 , 25 , и обръща злокачествения фенотип при рак на панкреаса 7 .
Наблюдаваните различия между различните проучвания могат да се обяснят с няколко причини. Както бе споменато по-рано, голям брой биологични променливи се намесват в биоактивния състав на плодовете, като зрялост, географски произход или климатични условия [ 26 , 31 , 32 , 36 ].
От друга страна, използваните техники за екстракция, използваните разтворители за извличане и използваните техники за количествено определяне могат да доведат до различни резултати [ 9 , 43 ]. Като цяло зрелите плодове се свързват с огромни количества биоактивни съединения със здравословни ефекти.
Естествен антиоксидантен механизъм при отстраняване на радикали
Антиоксидантите имат различна способност да спират разпространението на свободните радикали. Важните фактори, които влияят върху това, са както структурата на антиоксиданта, така и структурата на съединението, което ще се окислява, наличието на прооксиданти и концентрацията на всички тях. Освен това трябва да се има предвид регионът в организма, където всички тези вещества присъстват и реагират заедно.
Има различни начини, по които антиоксидантите изпълняват своята работа и има множество променливи, които могат да повлияят на антиоксидантния капацитет [ 26 ]. Този раздел ще покаже някои от известните механизми, използвани от естествените антиоксиданти за справяне с разпространението на свободните радикали. Тъй като броят на естествените антиоксиданти е много голям, ще бъдат обсъдени само някои от най-известните и най-важните.
Започвайки с фенолните киселини, които са сред най-разпространените екзогенни антиоксиданти, способността им да неутрализират свободните радикали зависи от няколко неща, включително броя на хидроксилните групи, присъстващи в техния ароматен пръстен, позицията им върху него и наличието на други заместители.
Като общо правило, колкото по-голямо е заместването на ароматния пръстен, толкова по-голяма е разликата в антиоксидантната активност на тези съединения. Ароматен пръстен, който е незаместен, не може да действа като донор на водород и следователно има по-нисък антиоксидантен капацитет [ 1.51 , 1.52] .].
Има много различни механизми, чрез които едно антиоксидантно съединение може да изпълнява своята функция. Първият и най-често срещан е известен, като HAT или водородно-електронен трансфер. Този механизъм се използва не само от фенолните киселини, но и от всички антиоксиданти, които имат лабилен водороден атом в структурата си. Тези съединения се отказват от своя водород, за да стабилизират радикала. След като това се извърши, самото антиоксидантно съединение се превръща в радикал, но може да бъде стабилизирано и да достигне състояние, в което е безвредно [ 1.53 ].
Начин за измерване колко лесно водороден атом на антиоксидантно съединение може да реагира със свободен радикал е енергията на дисоциация на връзката. Колкото по-ниска е стойността, толкова по-лесно се пренася водороден атом [ 1.54 ].
Производно на фенолна киселина, неутрализиращо свободен радикал чрез HAT [ 1.46 ].
Третият и четвъртият механизъм, чрез които различните фенолни киселини упражняват своя антиоксидантен капацитет, са известни като хелиране на преходни метали и последователен трансфер на електрони със загуба на протон (SPLET). Механизмът за хелиране на метали е способността на някои антиоксиданти да хелатират преходните метали, като им пречат да катализират реакции, които произвеждат свободни радикали вътре в организма. Някои от тези метали са Fe, Cu и Mn [ 1.53 , 1.55 ].
От друга страна, SPLET или пренос на електрон с последователна загуба на протон се получава, когато антиоксидантното съединение отдава протон на свободен радикал и се трансформира в анион, който впоследствие отдава електрон, за да се стабилизира [1.53 ] .
Производно на фенолна киселина, неутрализиращо свободен радикал чрез SPLET [ 1.53 ].
В предишния раздел беше посочено, че антиоксидантите, получени директно от канелена киселина, имат по-висок антиоксидантен капацитет от тези, получени от бензоена киселина. Това се дължи на наличието на двойна връзка на канелената киселина, която може да се конюгира с електронния облак на ароматния пръстен, което му придава по-голям капацитет за стабилизиране на реактивни видове.
Освен това, тъй като карбонилната група на производните на канелената киселина е отдалечена от ароматния пръстен, тяхната антиоксидантна активност е по-висока от тази на производните на бензоената киселина [ 1.26] .].
Флавоноидите, като фенолни структури, също представят тези механизми. Способността им да неутрализират свободните радикали се влияе, както от вида на катехолния пръстен, присъстващ в структурата им, така и от наличието на хидроксилни групи. Освен това, тяхната двойна връзка играе критична роля, тъй като може да бъде конюгирана и да осигури по-голяма структурна стабилност [ 1.46 ].
Най-често срещаната структура на флавоноидите. R1-R5 може да варира от водородни атоми до хидроксилни или метокси групи [ 1.46 ].
Освен фенолни структури, в екзогенните антиоксиданти има много други съединения. Сред витамините токоферолът или витамин Е е мастноразтворим витамин, присъстващ в клетъчните мембрани. Въпреки че това съединение има фенолна структура, то се класифицира в групата на витамините. От своя страна има различни класове токофероли в зависимост от тяхната структура. α-токоферолът е най-разпространената форма на витамин Е в природата [ 1.46 , 1.49 ]. Това съединение използва механизма SPLET, за да упражни своята антиоксидантна активност.
В случай на ендогенни естествени антиоксиданти, неензимните, като трансферин и албумин, използват механизма на метално хелиране, за да уловят металните йони, както вече беше споменато. Що се отнася до тези, които са ензимни, като SOD и CAT, те катализират поредица от реакции, които са от съществено значение за правилното функциониране на организма [ 1.56 ]:
H2O2+Catalase−Fe (III)→H2O+Catalase−Fe (IV)
H2O+Catalase−Fe (III)→H2O2+Catalase−Fe (IV)
Антиоксидантни анализи
Разработени са различни аналитични методи за оценка на антиоксидантните свойства на фитохимикали на растителна основа [ 11 , 13 , 32 , 33 ]. Антиоксидантната активност зависи от химичната им структура; по-специално, това зависи от тяхната способност да даряват водород с електрон, хелатиране на метали и способността им да делокализират несдвоения електрон в ароматната структура. Многобройни аналитични методи за оценка на всеки аспект от тяхното антиоксидантно действие, включително in vitro или in vivo, са докладвани и обсъждани в литературата [ 34 ].
Антиоксидантните анализи могат да бъдат категоризирани в пет механични пътя, както са обобщени в Фигура 3.
(i) Тестове, базирани на електронен трансфер:
При тези анализи се осъществява единичен електронен трансфер между антиоксиданта и субстрата, който се измерва, за да се оцени потенциалът на вторичните метаболити на растението. Анализи като меден йон редуциращ антиоксидантен капацитет (CUPRAC) [ 35 , 36 , 37 ], N,N-диметил-р-фенилендиамин дихидрохлорид (DMPD) [ 38 ], желязо редуцираща антиоксидантна мощност (FRAP) [ 39 , 40 ], Folin -Ciocalteu (FC), метод на еквивалентен антиоксидантен капацитет Trolox (TEAC)/тест за обезцветяване на радикални катиони ABTS [ 41 ] попадат в тази категория.
(ii) Анализи, базирани на пренос на водороден атом:
При тези анализи водороден атом се прехвърля от антиоксиданта към субстрата. Анализи като капацитет за абсорбция на кислородни радикали (ORAC) [ 42 ] и методи за улавяне на антиоксидантни радикали (TRAP) [ 43 ] попадат в тази категория.
(iii) Тестове, базирани на пренос на електрон/водороден атом (смесен):
При тези анализи преносът на водороден атом се осъществява чрез двустепенни механизми (Фигура 3(iii)). Анализи като DPPH очистваща активност [ 39 , 44 , 45 ] и TEAC следват този механизъм.
(iv) Анализи, базирани на хелиране на метали:
В тези анализи антиоксидантите хелатират с преходни метали като Fe(II) и Cu(II). Хелатиращата активност на железни йони и медни йони са примери за тази категория.
(v). Тестове за липидно окисление и ROS/RNS изчистваща активност:
Тези анализи се основават на способността на антиоксидантите да намаляват/предотвратяват липидното окисление и изчистват ROS и RNS. Метод на β-каротин линолова киселина/конюгиран диенов анализ [ 45 ], метод на железен тиоцианат (FTC) [ 39 , 46 ], метод на тиобарбитурова киселина (TBA), анализ на изчистване на водороден пероксид (H 2 O 2 ) [ 39 , 47 ], хидроксил метод на капацитет за предотвратяване на радикали (HORAC) [ 42 ], активност на отстраняване на азотен оксид [ 48 ], активност на отстраняване на пероксинитрилни радикали, активност на отстраняване на супероксидни радикали (SRSA/SOD) и методи на ксантиноксидаза попадат в тази категория.
(vi). Ензимни антиоксидантни анализи:
Антиоксидантните ензимни системи, които катализират реакции за противодействие на свободните радикали и реактивните кислородни видове, включват супероксид дисмутаза и каталаза. Каталаза [ 49 , 50 ], желязо-редуцираща способност на плазмата [ 40 , 51 , 52 ], γ-глутамил транспептидаза [ 53 ], оценка на глутатион пероксидаза [ 49 , 54 ], оценка на глутатион (редуциран) GSH [ 55 ], глутатион-S -трансфераза [ 56 , 57 ], LDL анализ [ 58 ], анализ на липидна пероксидация [ 59 ] и метод на супероксид дисмутаза [ 60]] могат да бъдат категоризирани при ензимни антиоксидантни анализи.
В Таблица 1 обобщава различните методи, използвани за измерване на антиоксидантната активност. Представени са също принципите, предимствата и ограниченията, свързани с всеки метод, заедно с последните препратки [ 13 , 14 , 18 , 36 , 46 , 51 , 61 , 62 , 63 , 64 , 65 , 66 , 67 , 68 , 69 , 70 , 71 , 72 , 73 , 74 , 75 , 76 , 77, 78 , 79 , 80 , 81 , 82 , 83 , 84 , 85 , 86 , 87 , 88 ]. Предимствата на анализите за пренос на електрони включват по-бързи скорости на реакция, лекота на експериментиране, пропускателна способност на пробите и възпроизводимост.
Основните предимства, свързани с анализите за пренос на водородни атоми, включват близка физиологична прилика, като се вземат предвид инициирането и разпространението и използването на физиологично значими радикали. Освен това, ORAC анализът може да се извърши за антиоксиданти с широк диапазон от полярности, от липофилни до хидрофилни [ 64] .].
По подобен начин анализите за активност на почистване на ROS/RNS/липидно окисляване, смесени ET/HAT, хелиране на метали и анализи за инхибиране на липидна пероксидация имат предимствата, изброени в Таблица 1.
Основното ограничение, свързано с всички тези анализи, е тяхната липса на специфичност. Специфичните ограничения обаче включват разтворимостта на антиоксиданти в екстракционния разтворител, намеси с оцветяващи вещества и други редуциращи фитохимикали, игнориране на кинетиката на реакцията и непредставяне на физиологичните радикали, използвани в тези анализи.
Второ основно ограничение е липсата на еквивалентност на методите. Не е възможно да се преобразуват ORAC във FRAP стойности с прост фактор на пропорционалност. Както е показано в следващия раздел, някои храни с високи стойности на FRAP може да имат ниски стойности на ORAC и обратното може да е вярно.
Тази ситуация най-добре се обобщава, като се каже, че FRAP анализът генерира FRAP стойности, ORAC генерира ORAC стойности, DPPH генерира DPPH стойности и т.н. и няма фактори за еквивалентност.
Антиоксидантна активност на избрани известни храни
Обобщихме (Таблица 2) [89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117 ,118, 119, 120, 121] рецензирани литературни доклади относно данните за антиоксидантната активност/капацитет за шест видни групи храни и свързани продукти, които се консумират в световен мащаб:
a) плодове (ябълки и горски плодове)
b) зеленчуци (спанак и маслини)
c) преработени продукти (вино, кафе и чай )
d) млечни продукти (мляко и кисело мляко)
e) бобови растения (соя, боб)
f) зърнени храни (пшеница и царевица)
документирани от различни изследователи, използващи различни процедури за анализ. Резултатите от всяка група са представени поотделно по-долу. Във всеки случай се използват методи за анализ на антиоксиданти, за да се документират промените в състава и да се подчертае влиянието на генетиката и обработката върху състава.
Все пак трябва да се помни, че специфична антиоксидантна активност може да бъде постигната буквално по множество начини чрез различни възможни комбинации от компоненти. Без данни за конкретни компоненти е невъзможно да се свържат антиоксидантните стойности със състава или здравните резултати.
Плодове – ябълки и горски плодове
Ябълките са богат източник на фитохимикали, а епидемиологичните проучвания показват, че консумацията на ябълки намалява риска от някои видове рак, сърдечно-съдови заболявания, астма и диабет.
Антиоксидантната активност на ябълките се приписва на различни фитохимикали, по-специално на кверцетин, катехин, флоридин и хлорогенова киселина [ 122 ]. Антиоксидантните свойства на различни ябълкови матрици (листа, пресни плодове, пулп и кора и кюспе) са изследвани с помощта на различни колориметрични анализи (FC, DPPH, ABTS и FRAP).
Резултатите от различни матрици бяха изразени, като еквиваленти на галова киселина (GAE), еквиваленти на аскорбинова киселина (AAE), еквиваленти на тролокс (TE) и IC50 (50 % концентрация на инхибиране) (Таблица 2).
Например, Bahukhandi et al. [ 89 ] изследват антиоксидантната активност на ябълките след стриването им на фина текстура. Те изследват антиоксидантната активност на ябълките по отношение на общото фенолно съдържание с помощта на FC реагент и резултатите са изразени в GAE (10,87 mmol/kg). Антиоксидантният капацитет за DPPH, ABTS и FRAP е докладван в AAE съответно като 10,87, 24,57 mmol/kg и 24,05 mmol/kg (прясна ябълка).
Те също така оценяват корелацията между общото фенолно съдържание, флавоноид, флавонол, TEAC ABTS , TEAC FRAP и определят положителните стойности на корелация съответно като 0,895, 0,843, 0,812, 0,856 и 0,830 [ 89 ]].
Както беше отбелязано, в зависимост от вида на използвания анализ отчетените стойности са значително различни. Освен това се наблюдават значителни вариации в антиоксидантната активност в различни матрици на проби (листа, пресни плодове, пулп и кора и кюспе), дори когато се използва един и същ анализ. В скорошен систематичен преглед от Antonic et al. [ 123 ] относно ябълковото кюспе, авторите показаха, че високото съдържание на антиоксиданти и диетичните фибри, присъстващи в ябълковото кюспе, играят съществена роля като съставка за обогатяване на храната в хранително-вкусовата промишленост. Прегледът подчертава, че подсиленото ябълково кюспе повишава антиоксидантната активност и съдържанието на диетични фибри в различни хранителни продукти.
В скорошно проучване Li et al. [ 124] съобщават, че червеномесестите ябълки, показват по-голяма антиоксидантна активност, съдържание на феноли и флавоноиди, отколкото обикновените ябълки Fuji. По-специално, един червеномесест сорт „A38“, показва около 3 пъти по-високи активности на FRAP, DPPH и ABTS от ябълката Fuji [ 124 ]. Горните резултати показват, че правилното документиране на генотипите е важно. За съжаление нито едно от тези изследвания не документира разликата в специфичните химични компоненти.
Счита се, че плодовете, като ябълките, имат няколко ползи за здравето, тъй като съдържат фенолни киселини, флавоноиди и антоцианини, които са локализирани главно в плодовете, семената, кожите и листата [125 ] .
Антоцианините от боровинки са най-мощните природни антиоксиданти [ 125 ]. По същия начин къпините показват висока антиоксидантна активност, тъй като имат изобилие от фенолни съединения, като галова киселина, елагова киселина, елагитанини, танини, кверцетин, цианидини и антоцианини [126 , 127 ] .
Антиоксидантната активност на горските плодове е представена в Таблица 2. Данните ясно показват значителни вариации в резултатите, получени от различни анализи. В друго изследване на боровинки, Liović et al. [ 128] изследва влиянието на сушенето чрез замразяване, ултразвука с висока интензивност и пастьоризацията върху стомашно-чревната стабилност и антиоксидантната активност.
Авторите установяват, че както общото фенолно съдържание, така и антиоксидантният капацитет са подобрени за лиофилизираните и симулирани стомашно смлени проби в сравнение с контролните нетретирани проби, изследвани в това проучване. Тези резултати предполагат, че външни фактори, като изсушаване и смилане, също могат да окажат значително влияние върху биоактивността.
По подобен начин Далмау и колегите предположиха, че процесът на сушене може да промени микроструктурите на зеленчуците, тъй като откриха, че както конвективното сушене (CD), така и сушенето чрез замразяване (FD) намаляват TPC и антиоксидантната активност на пробите от цвекло [129] .]. Авторите обаче твърдят, че тези процеси на сушене улесняват по-доброто освобождаване на биоактивни съединения по време на процеса на смилане и на свой ред водят до по-високи TPC и антиоксидантни активности [129 ] .
Зеленчуци – спанак и маслини
Спанакът ( Spinacia oleracea ) е зеленчук с широк спектър от фитоконституенти като полифеноли, флавоноиди, токофероли, каротеноиди, аскорбати, р -кумарини, витамини и полизахариди, които са отговорни за неговите хранителни свойства [ 130 , 131 ].
Известните антиоксиданти от спанака, идентифицирани от различни изследователи, включват хлорогенова киселина и спанацетини и техните аналози [ 132 ]. Въпреки това, Mzoughi et al. съобщават за антиоксидантната активност на полизахаридите от спанак, използвайки DPPH, ABTS и FRAP анализи [ 90 ].
Водоразтворимите полизахариди от Spinacia oleracea бяха извлечени и характеризирани с помощта на FT-IR, UV-vis, 1H-NMR, SEC (хроматография с изключване по размер)/MALS (многоъгълно разсейване на светлината) и DRI (диференциален индекс на пречупване) техники. Средната молекулна маса на полизахарида е 408 kDa, съставен от монозахариди като арабиноза, глюкоза, галактоза, маноза и рамноза. Полизахаридът от Spinacia значително предотвратява индуцираното от окисление Cd увреждане на HEK293 и HCT116 клетки [ 90 ].
Резултатите както от DPPH, така и от ABTS анализа бяха представени като процентно инхибиране (68,51 ± 0,89% и 70,12 ± 0,04%, съответно), докато резултатите от FRAP бяха показани като редуциращ капацитет в μmol/L (1590 ± 53,98 μmol/L при 10 mg/l mL). От друга страна, Galla et al. [ 91] съобщават за антиоксидантната активност на метаноловия екстракт от листа от спанак, анализирана от DPPH, ABTS и FRAP.
В тези два случая единият анализ използва водна екстракция за измерване на полизахаридната активност, а другият използва метанолова екстракция за измерване на активността на хидрофобни аналити. Следователно става изключително трудно да се идентифицира истинската антиоксидантна активност на храните, като се използва един анализ или методология за екстракция. Друго предизвикателство, свързано с тези методи, са единиците, използвани за отчитане на дейността. Например, за същия анализ (FRAP), Galla et al. [ 91 ] докладват резултати по отношение на процентно инхибиране, Hussain et al. [ 100 ] съобщават за EC50 , а Mzoughi et al. [ 90 ] съобщават за намаляване на капацитета в μmol/L [ 91]. Допълнителни подробности за антиоксидантната, антимикробната активност и клиничната ефикасност на Spinacia oleracea бяха представени в скорошен преглед от Salehi et al. [ 131 ].
Наскоро, през 2020 г., Камилоглу [ 133 ] докладва ефектите на промишленото замразяване върху фенолното съдържание и свързания антиоксидантен капацитет на спанака. Резултатите както от TPC, така и от TAC (тестове CUPRAC, ABTS, DPPH и FRAP) показват, че процесът на замразяване увеличава както TPC, така и TAC на спанака. Интересното е, че несмлени замразени проби са показали по-високи резултати за TPC и TAC, отколкото смлени (орални, стомашни и чревни) проби [ 133].
Тези наблюдения допълнително илюстрират, че е предизвикателство да се сравняват здравни претенции само въз основа на колориметрични анализи, които обикновено се използват за отчитане на антиоксидантните активности в храните.
Маслините и зехтинът имат няколко ползи за здравето поради наличието на фитохимикали [ 134 , 135 ]. Маслините съдържат фенолни киселини (кафеена киселина, галова киселина) и техните производни, фенолни алкохоли (тирозол, хидрокситирозол), секоиридоиди (олеуропеин, олеокантал), лигнани (пинорезинол) и флавони (лутеолин), които отчитат тяхната антиоксидантна активност [ 134 , 135 ].
Хидрокситирозолът (HyT) е един от основните полифеноли, открити в необработеното маслиново масло и отпадъците от мелницата за маслини [ 136] и е доказано, че има силни свойства за почистване на ROS. HyT е единственото фенолно съединение, което е получило одобрение за здравна претенция от Европейския орган за безопасност на храните (EFSA).
Според EFSA, консумацията на полифеноли от зехтин като HyT и неговите производни играят защитна роля за предотвратяване на окислителното увреждане на кръвните липиди [ 136 ]. Въпреки това, антиоксидантните анализи не са специфични за HyT.
Наскоро Fernández-Poyatos et al. [ 92 ] изследват антиоксидантния потенциал на трапезни маслини от Olea europaea L. Те определят активността, използвайки конвенционалните спектрофотометрични методи ABTS и DPPH, като съответно 308,68 μM и 228,46 μM Trolox еквивалент на грам изсушени екстракти. Cheurfa и др. [ 105 ] изследват антиоксидантния потенциал на екстракта от маслинови листа, използвайки поотделно вода и воден етанол. Етаноловият екстракт от листата на O. europeae показва значителна антиоксидантна активност (IC50 69,15 mg/mL, % инхибиране 54,98, % инхибиране 49,71, 82,63 mg еквивалент на аскорбинова киселина/g екстракт и 7,53 mol Fe 2+/g екстракт за DPPH, β-каротин избелване, железен тиоцианат, TAC и FRAP анализи, съответно) [ 105 ]. Както беше отбелязано по-горе, има значителни вариации в стойностите на антиоксидантния капацитет за маслини в зависимост от използвания анализ и единиците за резултатите.
Преработени продукти – вино, кафе и чай
Виното се прави предимно от грозде, но се прави и от няколко други плодове, включително ябълка, череша, круша, праскова, слива, банан, манго, ягода, боровинка, къпина и малина [137 ] . Тези плодове са широко известни със своята антиоксидантна активност.
По същия начин се счита, че кафето и чаят също имат значителна антиоксидантна активност [ 138 ]. Кафената напитка се приготвя от кафеени зърна, а чаят се приготвя от пресни екстракти от чаени листа. Антиоксидантната активност на тези три преработени хранителни продукта (вино, кафе и чай) е широко изследвана с помощта на различни анализи, включително FRAP, ABTS, DPPH, ORAC и TPC [ 110 , 111 , 112 , 113 , 139 ,140 , 141 , 142 ]. Въпреки това данните в Таблица 2 показаха значителни вариации в резултатите от различни анализи, въпреки използването на една и съща проба за анализ [ 110 , 111 , 112 , 113 , 139 , 140 , 141 , 142 ].
Таблица 2 представя DPPH и ABTS изследвания от Jung et al. [ 110 ] съобщават в проценти радикална активност (RSA), докато, за същите анализи, Bravo et al. [ 111 ] съобщава за резултати в μM TE/g. Освен това, резултатите от двете проучвания (DPPH срещу ABTS) са ясно различни, което може да се отдаде на механизмите, включени в анализите. Подобни вариации се наблюдават при антиоксидантните активности на чая и виното (Таблица 2).
Бобови растения – боб, соя
Соята ( Glycine max (L.) Merr.) е един от най-важните източници на растителен протеин, консумиран от хора и животни, и получава нарастващ интерес като източник на култури с високо съдържание на протеини в Европа, Северна Америка, Южна Азия и Япония [ 115 ].
Антиоксидантната активност на различни матрици от соеви зърна е изследвана, както е показано в Таблица 2. Въпреки това, за всеки анализ са докладвани различни единици, което затруднява сравняването на антиоксидантния потенциал на различни храни. Например, Peiretti et al. [ 115 ] съобщават за TPC активността в катехин eq/g, докато Handa et al. [ 93 ] отчетени в GA eq/g.
Обикновеният фасул ( Phaseolus vulgaris L.) е едно от най-важните бобови растения, консумирани в световен мащаб и се използва за хранителни и медицински цели [ 125 ]. Фасулът е богат на полифеноли, флавоноиди, антоцианидини и процианидини, което може да обясни тяхната антиоксидантна активност.
Джао и др. [ 101 ] и Cid-Gallegos et al. [ 114 ] съобщава за антиоксидантна активност на нахута. Резултатите, представени от авторите, не са сравними, тъй като те са използвали различни разтворители за екстракции и са изразили резултатите си в различни единици (Таблица 2).
Зърна – царевица, пшеница
Епидемиологичните проучвания показват, че консумацията на пълнозърнести храни и продукти на зърнена основа е свързана с намален риск от свързани с оксидативен стрес хронични заболявания и свързани с възрастта разстройства, като сърдечно-съдови заболявания, карциногенеза, диабет тип II и затлъстяване [ 143 ] .
Ползите за здравето от пълнозърнестите брашна се дължат на наличието на антиоксиданти, като токофероли и токотриеноли, витамин Е, каротеноиди, фенолни киселини и флавоноиди [144 ] . През 2019 г. Ranjbar et al. [ 117] изследва антиоксидантния потенциал на пшеничното брашно с обогатяване с желязо, използвайки DPPH и FRAP анализи. Въпреки това, авторите съобщават за съдържание на фенолна киселина като μg еквивалент на ферулова киселина/g, докато обикновено TAC се отчита като еквиваленти на галова киселина или аскорбинова киселина/g. Следователно сравнението на антиоксидантните резултати става сложно за изследователите и потребителите.
Царевицата е сред най-често произвежданите основни храни по света. Царевицата е добре известна със своите антиоксидантни свойства, които могат да се дължат на наличието на високи количества антоцианини [ 145 ]. Антиоксидантни изследвания от Ramos-Escudero et al. [ 94 ] и Horvat et al. [ 95 ] не показва значима връзка между TPC и DPPH радикално отстраняване в царевични проби (r = 0.202) [ 95 ]. Тази липса на корелация може да се дължи на няколко причини, като експериментални условия, механизми, смущения и видове анализирани аналити [ 95 ].
Млечни продукти-мляко, кисело мляко и други
Млечните продукти съставляват около 25-30% от средната диета на индивида [ 146 ]. Млякото и млечните продукти са богати на основни хранителни вещества като витамини (токоферол, ретинол и каротеноиди), минерали, олеинова киселина, омега-3 мастни киселини, конюгирана линолова киселина, антиоксиданти като млечни казеини, аскорбат, тиоли с ниско молекулно тегло и суроватка протеини и други биоактивни съединения [ 146 , 147 ].
Zulueta и др. [ 120 ] съобщават за антиоксидантния капацитет на множество търговски проби от пастьоризирано и обработено с ултрависока температура (UHT) пълномаслено мляко, суроватка и депротеинизирано мляко, използвайки ORAC FL анализ [ 120 ]]. Според проучването TAC на пълномасленото мляко се дължи главно на казеинови фракции, албумин и суроватъчен протеин, докато хидрофилните антиоксидантни съединения, като аскорбинова киселина и пикочна киселина, са основният фактор, допринасящ за общия TAC на депротеинизираното мляко.
Установена е значителна корелация между процента на мазнини и TAC на проби от мляко. Освен това беше установено, че пастьоризираното мляко има значително по-висок TAC от UHT-третираното мляко както за суроватката, така и за проби от депротеинизирано мляко. Обратно, стойностите на TAC на пастьоризирано и UHT пълномаслено мляко не се различават значително [ 120 ].
Докладваните антиоксидантни резултати са изцяло базирани на един ORAC FLанализ, което е основното ограничение на този доклад, тъй като нито един анализ не се очаква да осигури точно измерване на общия антиоксидантен капацитет. В допълнение, този доклад също предполага, че обработката на пробите играе много важна роля в цялостната антиоксидантна активност/капацитет на хранителния субстрат.
В скорошно проучване на de Carvalho et al. [ 121 ], пробите от кисело мляко са обогатени с 0,25% и 0,5% лиофилизиран екстракт от стевия (FSE). Контролните и обогатените със стевия кисели млека бяха оценени и сравнени за TPC и антиоксидантна активност (използвайки FRAP и ABTS).
Таблица 2 показва резултатите от TPC, FRAP и ABTS за киселото мляко съответно 0,14 ± 0,01 mg GAE/g, 0,40 ± 0,03 μmol Trolox/g, 0,40 ± 0,04 μmol Trolox/g. При добавяне на 0,25% FSE, антиоксидантната активност на киселото мляко значително се повишава (TPC- 0,43 ± 0,02 mg GAE/g, FRAP- 2,57 ± 0,09 μmol Trolox/g, ABTS- 3,63 ± 0,08 μmol Trolox/g. Освен това, при добавяне на 0,5% FSE, антиоксидантната активност допълнително повишава TPC- 0,65 ± 0,02, FRAP- 4,19 ± 0,05 μmol Trolox/g, ABTS- 5,34 ± 0,23 μmol Trolox/g.Освен FSE, симулираното храносмилане също повишава антиоксидантната активност на обогатения кисели млека в сравнение с неразградените фракции [ 121 ].
Изводи
Естествените и мощни антиоксиданти са в търсене на хранителни и фармацевтични продукти. Ефективното идентифициране на източници на естествено срещащи се антиоксиданти и проектирането на нови антиоксидантни съединения изискват надеждни методи за оценка на антиоксидантната активност.
Разбирането на химията на механизмите, предимствата и ограниченията на методите е от решаващо значение за правилния подбор на техники за валидна оценка на антиоксидантната активност в специфични проби или условия. Разработени са редица химични анализи и хранителни и биологични моделни системи за определяне на способността за извличане на радикали, редуцираща сила и други специфични характеристики на антиоксидантите на молекулярно или клетъчно ниво в допълнение към цялостното инхибиране на окислението в по-сложни хранителни и биологични системи .
Антиоксидантният потенциал може да бъде определен чрез различни анализи със специфични механизми на действие, включително пренос на водородни атоми, пренос на единичен електрон и целенасочени дейности за почистване. Тези методи се различават по отношение на антиоксидантния механизъм, вида на субстрата, инициатора на окисление, получената експресия и лекотата на работа.
Изборът на подходящ метод или комбинация от анализи е от съществено значение за валидна оценка на антиоксидантната активност и евентуално потенциала на антиоксидантите, като укрепващи здравето агенти или консервиращи хранителни добавки.