© Borgis - Postepy Fitoterapii 2, s. 127-131
*Agnieszka Klepacka
Przeciwglikacyjne właściwości ekstraktów roślinnych bogatych w polifenole**
Antyglycative properties of polyphenol extracts of plant origin
Zakład Zaburzeń Krzepnięcia Krwi, Katedra Diagnostyki Laboratoryjnej, Uniwersytet Medyczny w Łodzi
Kierownik Zakładu: prof. dr hab. Cezary Watała
Summary
It is believed that the hyperglycemia is the major reason of the development of late diabetic complications, such as retinopathy, neuropathy and nephropathy, macrovascular disease, Alzheimer’s disease, cataract. One of the hypotheses, explaining the correlation between high glucose levels in blood and the development of long-term complications is protein dysfunction, resulting from protein glycation. Protein glycation is initiated by the reaction of nucleophilic addition between a free amino group from protein and carbonyl group from reducing sugar (and their derivatives). It results in formation of Schiff Base, which rearranges to a more stable product – Amadori product, converted to advance glycation end-products (AGEs). It has been documented that AGEs accumulated in tissues, impaired the protein’s structure and function. So far, there is no effective treatment against AGEs forming, which has passed clinical trials. There are many researches testing antyglicative properties of polyphenol plant’s extracts. Polyphenols are aromatic polyhydroxy compounds of the group of phenols, naturally occurring in plants. They are antioxidants, dyes, insecticides and fungicides, protection from ultraviolet radiation. Among these, phenolic compounds have received considerable attention for their biological effects, antiplatelet, cardioprotective, anti-inflammatory, antioxidant, antiproliferative, diuretics. Antyglicative properties of plant extracts and commercially available polyphenols were analyzed both as well. This article focus on protein glycation, related consequences and the role of a diet rich in fruits and vegetables preventing and reducing the adverse effects of hyperglycemia.
Key words: polyphenols, nonenzymatic glycation, advances glycation end products
Wstęp
Uważa się, iż hiperglikemia, charakterystyczna dla przebiegu cukrzycy, jest główną przyczyną stanów patomorfologicznych związanych z tą chorobą. Wśród późnych powikłań cukrzycy, będących następstwem mikro- i makroangipatii, możemy wymienić retinopatię, neuropatię, nefropatię, kataraktę, miażdżycę i chorobę Alzheimera (1). Wśród wielu hipotez, próbujących wyjaśnić związek między wysokim stężeniem glukozy we krwi a rozwojem późnocukrzycowych powikłań, zwraca się uwagę na znaczenie dysfunkcji białek, spowodowanej ich potranslacyjnymi nieenzymatycznymi modyfikacjami, wśród których dominującą rolę przypisuje się nieenzymatycznej glikozylacji, tzw. glikacji białek. Glikacja i towarzysząca jej glikooksydacja, przyczyniają się do powstania tzw. końcowych produktów zaawansowanej glikacji (AGE). Prowadzone są liczne badania nad mechanizmem powstawania AGE oraz znalezieniem skutecznej terapii w zapobieganiu jej powstawania w organizmie. Coraz częściej mówi się o przeciwglikacyjnych właściwościach polifenolowych ekstraktów roślinnych, które uważa się za potencjalny terapeutyk chroniący przed niekorzystnym wpływem glukozy na tkanki i narządy organizmu ludzkiego.
Końcowe produkty późnej glikacji białek
Nieenzymatyczna N-glikozylacja białek, zwana potocznie glikacją, jest zjawiskiem zachodzącym w każdym żywym organizmie. W jej wyniku dochodzi do wytworzenia wiązania między grupą karbonylową cukrowca (glukozy, galaktozy, fruktozy) lub jego pochodnych (glioksal, metyloglioksal, 3-deoksyglukoson, sorbitol, aldehyd glicerynowy), a pierwszorzędową aminową grupą białka (1-3). Proces ten nasilony jest głównie w stanach hiperglikemii, charakterystycznej dla przebiegu cukrzycy. W wyniku szeregu przemian glukozy (np. autooksydacji, reakcji szlaku poliolowego) powstają inne niż glukoza cukry i ich pochodne (sorbitol, fruktoza, galaktoza i α-oksyaldehydy: glioksal, metyloglioksal, aldehyd glicerynowy), charakteryzujące się obecnością silnie reaktywnej grupy karbonylowej. Wykazują one silne powinowactwo do N-terminalnych grup aminowych lizyny i argininy. W wyniku ataku nukleofilowego karbonyli na grupy aminowe białek powstają labilne zasady Schiffa, które poprzez liczne przegrupowania (reakcje Amadoriego) przekształcają się w produkty Amadoriego. Z upływem tygodni związki te podlegają reakcjom oksydacji, dehydratacji, fragmentacji i kondensacji z innymi grupami aminowymi w biomakrocząsteczkach (reakcje Maillarda), których efektem jest powstanie tzw. końcowych produktów zaawansowanej glikacji (advanced glycation end-products, AGEs). Do tej pory zidentyfikowano około piętnaście produktów zaawansowanej glikacji białek, wśród nich pentozydynę, karboksymetylolizynę, pyrralinę, argpirymidynę, pochodne imidazolowe (1). Udowodniono, iż nagromadzone w tkankach struktury AGE upośledzają funkcję białek ustrojowych organizmu, zmieniają strukturę macierzy pozakomórkowej i właściwości enzymów, zwiększają stres oksydacyjny i karbonylowy, a wszystko to prowadzi do licznych niekorzystnych zmian funkcjonalnych tkanek i narządów (1, 3-5).
AGE w cukrzycy
Białkami najbardziej narażonymi na zaawansowaną glikację w stanach hiperglikemii są białka długo żyjące, tj. kolagen, krystalina, białka macierzy zewnątrzkomórkowej. Również albumina, enzymy, np. cyklooksygenaza, insulina, dehydrataza kwasu d-aminolewulinowego (ALA-D), hemoglobina, narażone są na modyfikacje, lecz z uwagi na krótki czas obrotu metabolicznego tych białek, modyfikacje te prowadzą do powstania wczesnych produktów glikacji, niezostawiających trwałych zmian w organizmie. Skutkiem długotrwających przemian jest powstawanie usieciowań w białku, powstawanie nowych wiązań, odszczepianie grup hydroksylowych i karbonylowych, jak również addycja nowych grup funkcyjnych. Związane jest to ze zmianami strukturalnymi białek, zmniejszaniem ich rozpuszczalności, powstawaniem usieciowań (cross-linków), utratą właściwości funkcjonalnych enzymów. Produkty autooksydacji glukozy i obecność związków z reaktywnymi grupami karbonylowymi, przyczyniają się do wzrostu stresu oksydacyjnego i karbonylowego w komórkach. Uważa się, że AGE przyczyniają się również do zainicjowania reakcji zapalnej w organizmie. Znajdujące się na komórkach receptory dla AGEs – RAGE – po połączeniu z ligandami na komórkach śródbłonka i leukocytach, aktywują je do wytwarzania cytokin zapalnych i białka CRP.
Wymienione zjawiska skutkują niszczeniem tkanek i narządów, dysfunkcją białek strukturalnych i enzymów. W przypadku modyfikacji kolagenu w ścianach naczyń krwionośnych, dochodzi do ich sztywnienia, wzrostu ciśnienia krwi i w następstwie – rozwoju chorób sercowo-naczyniowych (1, 6), które są przyczyną śmierci u ponad połowy chorych na cukrzycę (wg raportów WHO). Niszczenie naczyń krwionośnych o charakterze mikroangiopatii ma swój udział w rozwoju retinopatii. Trwała ekspozycja krystaliny – białka obecnego w soczewce oka – na związki z reaktywną grupą karbonylową, skutkuje rozwojem katarakty (2). Innym stanem patofizjologicznym, będącym następstwem hiperglikemii, jest polineuropatia cukrzycowa lub choroba Alzheimera. Gromadzona w komórkach układu nerwowego glukoza i produkty jej przemian zwiększają stres oksydacyjny i karbonylowy, powodują wzrost stężenia sorbitolu i fruktozy w komórkach Schwanna i w aksonach pnia mózgu, zmniejszają ilość mioinozytolu (7). Zaburzona gospodarka sodowo-potasowa w neuronach powoduje obrzęk neuronów i mieliny, przyczyniając się do ich niszczenia. Neuropatie związane są również z zamykaniem światła włośniczek wewnątrznerwowych, co skutkuje niedotlenieniem i złym odżywieniem komórek. Podobny mechanizm uszkodzenia komórek obserwowany jest w nerkach i prowadzi do stwardnienia kłębuszków nerkowych, włóknienia miąższu nerek, a także rozwoju niewydolności nerek. Wśród innych stanów chorobowych należy wymienić stopę cukrzycową, sztywność stawów i zwiększenie łamliwości kości (uszkodzenie białek osteocytów i chondrocytów).
Terapia przeciwglikacyjna
Oprócz skutecznej terapii regulującej poziom glukozy we krwi, naukowcy próbują znaleźć substancje interferujące w powstawanie i gromadzenie struktur AGE w tkankach ustroju, jak również w niszczenie powstałych już produktów późnej glikacji białek.
Rozpatruje się trzy aspekty terapeutyczne (8, 9):
– stosowanie związków oligo/poliaminowych konkurujących z grupami aminowymi białek o przyłączanie reaktywnych grup karbonylowych,
– substancje niszczące produkty usieciowania białek (tzw. AGEs-breakers),
– stosowanie związków obniżających stres oksydacyjny i karbonylowy, np. zmiataczy wolnych rodników.
Do pierwszej grupy terapeutyków zaliczamy pochodne hydrazyny, np. aminoguanidynę. Związek ten nie przeszedł prób klinicznych, nie jest stosowany w praktyce lekarskiej, jednakże trwają badania kliniczne nad jego pochodnymi, np. ALT- 946, wykazującymi przeciwglikacyjne właściwości w badaniach in vitro oraz in vivo na zwierzętach. Uważa się, iż związki te konkurencyjnie wiążą się z grupami karbonylowymi cukrów redukujących, chroniąc reszty lizynowe i argininowe białek ustrojowych przed ich modyfikacją. Podobne działanie wykazują leki obniżające poziom glukozy we krwi, tj. metformina i pioglitazon. Wykazano, że bromek fenalcytiazolu i jego pochodna ALT-711, podawane szczurom z cukrzycą indukowaną streptozotocyną, istotnie statystycznie zmniejszały sztywność ścian aorty brzusznej i ścięgien obecnych w ogonach, co może świadczyć o niszczeniu niepożądanych usieciowań w zmodyfikowanych białkach. Badania te prowadzone są na razie na modelach zwierzęcych (8-10).
Ogromne nadzieje pokładane są w substancjach o właściwościach przeciwutleniających. W literaturze pojawia się coraz więcej prac dotyczących przeciwglikacyjnych właściwości ekstraktów roślinnych bogatych w polifenole.
Polifenole
Polifenole są to aromatyczne, wielohydroksylowe związki z grupy fenoli, naturalnie występujące w roślinach. Pełnią one wielorakie funkcje w organizmach roślin: przeciwutleniaczy, barwników, insektycydów i fungicydów, chronią przed promieniowaniem ultrafioletowym. Ze względu na budowę szkieletu węglowego polifenole podzielono na kilka grup (tab. 1). Związki te wykazują szereg interesujących właściwości biologicznych. Wśród nich należy wymienić działanie przeciwutleniające, przeciwzapalne, kardioochronne, w tym przeciwpłytkowe, moczopędne, czy antyproliferacyjne, w tym przeciwnowotworowe. Przykładem kardioochronnego działania polifenoli jest zjawisko tzw. francuskiego paradoksu (11, 12). We Francji zaobserwowano mniejszy wskaźnik występowania incydentów sercowo-naczyniowych, w tym miażdżycy, zawałów serca i udarów mózgu w stosunku do mieszkańców innych krajów Europy Zachodniej (11, 12), pomimo dużego spożycia tłuszczów zwierzęcych, nadużywania tytoniu, czy braku aktywności fizycznej. Zjawisko to tłumaczy się regularnym spożywaniem czerwonego wina, bogatego w związki polifenolowe, w tym w resweratrol (11, 12). Koncepcja paradoksu francuskiego akcentuje fakt, iż dieta bogata w składniki roślinne o wysokiej aktywności przeciwutleniającej może być skuteczną metodą w profilaktyce chorób cywilizacyjnych, w tym powikłań cukrzycowych.
Tabela 1. Klasyfikacja polifenoli.
| Szkielet węglowy | Grupa | Przykłady | Źródło |
C6-C1
C6-C2 | pochodne kwasu benzoesowego i hydroksybenzoesowego | kwas galusowy | żurawina, grzyby, kora czereśni, malina, anyż |
| C6-C3 | kumaryny, pochodne kwasu hydroksycynamonowego | kumaryna, kwas kawowy, ferulowy | kawa, fasola, jabłka, rzodkiewka, pomidor |
| C6-C4 | naftochinony | juglon, droseron | orzech włoski, rosiczka |
| C6-C1-C6 | ksantony | gartanina, garcinon | żmijowiec, roślina noni, mangostan |
| C6-C2-C6 | stylbeny, antrachinony | resweratrol | winogrono |
| C6-C3-C6 | flawonoidy:
– flawony
– flawonole
– flawanony
– chalkony
– antocyjany
– izoflawony | luteolina, apigenina
kwercetyna, kemferol
hesperydyna, naryngenina
ksantohumanol
delfinidyna, petunidyna
daidzeina, genisteina | rumianek, seler, dalia
pomidory, brokuły, cebula, porzeczka
pomarańcze, grejpfruty
chmiel, astrowate
ślaz, ogórecznik
soja |
| (C6-C3)n | ligniny, lignany, neolignany | enterodiol | rośliny strączkowe |
| (C6-C3-C6)n | taniny skondensowane | protoantocyjanidyny | winogrono, orzeszki ziemne, owoce morwy, morele |
Czerwone wino nie jest jedynym tzw. zdrowym napojem, zaś aktywność przeciwutleniająca jedynym korzystnym działaniem związków polifenolowych. Naukowcy z Madrasu analizowali wpływ ekstraktu z zielonej herbaty na powstawanie AGEs w kolagenie izolowanym z ścięgien ogonów i ścian aorty szczurów z cukrzycą doświadczalną indukowaną streptozotocyną (13, 14). Zaobserwowali oni prawie dwukrotny spadek poziomu glukozy we krwi w porównaniu z grupą kontrolną (szczury z hiperglikemią nie karmione ekstraktem). Fluorescencja struktur AGE obecnych w homogenatach tkankowych ogonów szczurów z cukrzycą była dwukrotnie wyższa w stosunku do wartości rejestrowanych u szczurów zdrowych i półtora raza wyższa w stosunku do szczurów cukrzycowych karmionych ekstraktem z zielonej herbaty. Przeciwglikacyjnych właściwości zielonej herbaty upatruje się w obecnych w tej roślinie polifenololach, np. kofeinie, epigalokatechinie, epikatechinie, galusanie epigalokatechiny i epikatechiny.
Ju-Wen Wu i Chiu-Lan (15) wykazali przeciwglikacyjny wpływ ekstraktu polifenolowego pozyskanego z gruszli właściwej (Psidium L.) (guajawy). W doświadczeniach in vitro ekstrakt z liści gruszli istotnie zmniejszał zawartość α-dikarbonyli (o ponad 95%), jak również obecność AGE oznaczanych metodą fluorescencyjną (średnio o 70%). Doświadczenia, w których analizowano właściwości komercyjnie dostępnych polifenoli zawartych w badanym ekstrakcie, potwierdziły ich przeciwglikacyjne właściwości. Wśród wielu związków obecnych w ekstrakcie z gruszli obecne były polifenole: kwasy galusowy, ferulowy, chlorogenowy, kawowy oraz flawonoidy – rutyna, kwercetyna, kemferol. Szeroki zakres ich właściwości biologicznych, w tym przeciwglikacyjnych, sprawiły, iż napój z gruszli coraz częściej stosowany jest jako suplement diety o właściwościach prozdrowotnych.
Ponadto Noowaboot i wsp. (16), którzy badali w warunkach in vivo przeciwglikacyjne właściwości ekstraktu z morwy białej, zaobserwowali spadek poziomu glukozy we krwi u szczurów cukrzycowych karmionych ekstraktem w stosunku do kontroli (szczury cukrzycowe nie karmione ekstraktem). Stopień redukcji stężenia glukozy był porównywalny do spadku glukozy we krwi po podaniu insuliny w dawce 4 U/kg. Również stężenie glikowanej hemoglobiny we krwi było o ok. 7% niższe w stosunku do szczurów cukrzycowych, którym nie podawano ekstraktu z morwy białej. Ta sama grupa naukowców analizowała również wpływ tego samego ekstraktu w warunkach in vitro. Analiza fluorescencji AGE w próbkach albuminy wołowej inkubowanych z glukozą i ekstraktem z morwy wskazała, iż stężenie AGE było blisko o połowę niższe niż w kontroli, co świadczy o zahamowaniu glikacji i powstawania AGE. Analiza zawartości polifenoli w liściach i owocach morwy białej wykazała obecność 3-(6-malonyloglikozydu) kwercetyny, 3-(6-malonyloglikozydu) kemferolu, rutyny, izokwercytryny, astragaliny, tanin, kumaryn – skopoliny oraz skiminy, fenolokwasów – kwasu chlorogenowego i kawowego, jak również terpenów.
Piśmiennictwo podaje, iż zawarty w melisie lekarskiej kwas rozmarynowy silnie hamuje proces powstawania AGE (17). W badaniach in vitro ekstrakt z melisy istotnie obniżał intensywność fluorescencji białka zawartego w poinkubacyjnym roztworze BSA i glukozy. Technika dichroizmu kołowego potwierdziła również ochronny wpływ ekstraktu z melisy na strukturę drugorzędową albuminy.
Doceniony już za czasów prekolumbijskich ostrokrzew paragwajski, staje się coraz bardziej popularny w krajach wysokorozwiniętych, jako suplement diety o właściwościach prozdrowotnych. Uważa się, iż zawiera on więcej polifenoli niż czerwone wino, czy zielona herbata, a oprócz właściwości przeciwzapalnych i przeciwutleniających, wykazuje właściwości przeciwglikacyjne (18, 19). Ostrokrzew paragwajski swoje biologiczne właściwości zawdzięcza witaminom A, B, C, E, taninom, kwasom: chlorogenowemu, kawowemu, oleinowemu, meta-saponinom i katechinom. Doświadczenia in vitro wykazały istotny spadek zawartości struktur AGE w roztworach albuminy wołowej inkubowanej z metyloglioksalem i ekstraktem z ostrokrzewu paragwajskiego (18, 19). Warto również wspomnieć o przeciwglikacyjnych właściwościach kawy, jarzębiny, tymianku, czarnej porzeczki, jabłek i wielu innych owoców i warzyw (20, 21).
Podsumowanie
Dotychczas zidentyfikowano ponad 8 tysięcy związków polifenolowych. Ich dzienne zalecane spożycie szacuje się na poziomie 0,5-1 g (11, 22). Zmagania w zapobieganiu i leczeniu poważnych i nieodwracalnych powikłań patofizjologicznych, będących następstwem długo utrzymującej się hiperglikemii w organizmie ludzkim, są nadal wyzwaniem dla lekarzy i naukowców. W laboratoriach syntetyzowane są nowe terapeutyki zapobiegające powstawaniu, jak również przyczyniające się do degradacji późnych produktów glikacji białek. Niniejsza praca, w której przedstawiono najbardziej spektakularne wyniki badań poświęconych przeciwglikacyjnym właściwościom wybranych ekstraktów roślinnych bogatych w polifenole, ma na celu podkreślenie roli diety bogatej w owoce i warzywa, nie tylko w leczeniu, ale i zapobieganiu konsekwencjom hiperglikemii.
**Niniejsza praca była finansowana w ramach projektu „Flawopiryna” UDA-POIG.01.03.01-10-129/08-04 oraz projektu NCN N N405 611238.
Piśmiennictwo
1. Ahmed N. Advanced glycation endproducts-role in pathology of diabetic complications. Diabetes Res Clin Pract 2005; 67:3-21. 2. Nagaraj RH, Linetsky M, Stitt W. The pathogenic role of Maillard reaction in the aging eye. Amino Acids 2012; 42:1205-20. 3. Pietkiewicz J, Seweryn J, Bartys A i wsp. Receptory końcowych produktów zaawansowanej glikacji – znaczanie fizjologiczne i kliniczne. Postepy Hig Med Dośw 2008; 62:511-23. 4. Jakus V. The role of free radicals, oxidative stress and antioxidant systems in diabetic vascular disease. Bratisl Lek Listy 2000; 101:541-51. 5. Wautier JL, Schmidt AM. Protein glycation: a firm link to endothelial cell dysfunction. Circ Res 2004; 95:233-8. 6. Jakus V, Rietbrock N. Advanced glycation end-products and the progress of diabetic vascular complications. Physiol Res 2004; 53:131-42. 7. Chudzik B, Kaczorowska B, Przybyła M i wsp. Neuropatia cukrzycowa. Pol Merkur Lek 2007; 12:66-9. 8. Peyroux J, Sternberg M. Advanced glycation endproducts (AGEs): Pharmacological inhibition in diabetes. Pathol Biol 2006; 54:405-19. 9. Zuwala-Jagiello J. Therapeutic intervention in diseases with advanced glycation end products in their pathogenesis. Pol Merkur Lek 2009; 27:152-6. 10. Rahbar S., Figarola JL. Novel inhibitors of advanced glycation endproducts. Arch Biochem Biophys 2003; 419: 63-79. 11. Vidavalur R, Otani H, Singal PK i wsp. Significance of wine and resveratrol in cardiovascular disease: French paradox revisited. Exp Clin Cardiol 2006; 11:217-25. 12. Zern TL, Fernandez ML. Cardioprotective effects of dietary polyphenols. J Nutr 2005; 135:2291-4. 13. Babu PV, Sabitha KE, Shyamaladevi CS. Therapeutic effect of green tea extract on advanced glycation and cross-linking of collagen in the aorta of streptozotocin diabetic rats. Clin Exp Pharmacol Physiol 2006; 33:351-7. 14. Babu PV, Sabitha KE, Shyamaladevi CS. Effect of green tea extract on advanced glycation and cross-linking of tail tendon collagen in streptozotocin induced diabetic rats. Food Chem Toxicol 2008; 46:280-85. 15. Ju-Wen W, Chiu-Lan H. Inhibitory effects of guava (Psidium guajava L.) leaf extracts and its active compounds on the glycation process of protein. Food Chem 2009; 113:78-84. 16. Noowaboot J, Pannangpetch P, Kukongviriyapan V i wsp. Antihyperglycemic, antioxidant and antyglycation activities of mulberry leaf extract in streptozotocin-induced chronic diabetic rats. Plant Foods Hum Nutr 2009, 16:116-21. 17. Miroliaei M, Hhazaei S, Moshkelgosha S i wsp. Inhibitory effects of lemon balm (Melissa officinalis L.) extract on the formation of advanced glycation end products. Food Chem 2011; 129:267-71. 18. Gugliucci A, Bastos DH, Schulze J i wsp. Caffeic and chlorogenic acids in Ilex paraguariensis extracts are the main inhibitors of AGE generation by methylglyoxal in model proteins. Fitoterapia 2009; 80:339-44. 19. Lunceford N, Gugliucci A. Ilex paraguariensis extracts inhibit AGE formation more efficiently than green tea. Fitoterapia 2005; 76:419-27. 20. Morimitsu Y, Yoshida K, Esaki i wsp. Protein glycation inhibitors from thyme (Thymus vulgaris). Biosci Biotechnol Biochem 1995; 59:2018-21. 21. Duge de BT, Guyot S, Paulin JP i wsp. Dihydrochalcones: Implication in resistance to oxidative stress and bioactivities against advanced glycation end-products and vasoconstriction. Phytochem 2010; 71:443-52. 22. Ross JA, Kasum CM. Dietary flavonoids: bioavailability, metabolic effects, and safety. Ann Rev Nutr 2002; 22:19-34.
otrzymano/received: 2013-01-15
zaakceptowano/accepted: 2013-02-28
Adres/address:
*mgr biol. Agnieszka Klepacka
Zakład Zaburzeń Krzepnięcia Krwi Uniwersytet Medyczny w Łodzi
ul. Żeromskiego 113, 90-549 Łódź
tel.: +48 (42) 639-34-71, fax: +48 (42) 678-75-67
e-mail: klepacka.agnieszka@gmail.com
