Interakcije flavonoida i makromolekula u ljudskim bolestima s fokusom na Alzheimera, aterosklerozu i rak

Kontaktirajte e-poštu:tina.xiang@wecistanche.comZa više informacija

Sažetak: Flavonoidi, klasa polifenola, koje svakodnevno konzumiramo u prehrani, povezani su sa smanjenim rizikom od kroničnih bolesti povezanih s oksidativnim stresom (OS), kao što su kardiovaskularne bolesti, neurodegenerativne bolesti, rak iupala. Uključenost flavonoida u kronične bolesti povezane s OS-om tradicionalno se pripisuje njihovoj antioksidativnoj aktivnosti. Međutim, dokazi iz nedavnih studija pokazuju da se blagotvorni učinak flavonoida može pripisati njihovoj interakciji sa staničnim makromolekulama, a ne izravnom antioksidativnom učinku. Ovaj pregled daje pregled nedavnog razvoja istraživanja o interakcijama između flavonoida i lipoproteina, proteina, kromatina, DNK i staničnih signalnih molekula koje su uključene u kronične bolesti povezane s OS-om; usredotočuje se na mehanizme kojima flavonoidi umanjuju razvoj gore navedenih kroničnih bolesti putem izravnih i neizravnih učinaka na ekspresiju gena i stanične funkcije. Trenutačni pregled sažima podatke iz literature i našeg nedavnog istraživanja, a zatim uspoređuje specifične interakcije flavonoida s njihovim ciljevima, usredotočujući se naflavonoidodnosi strukture i aktivnosti. Osim toga, prikazane su različite metode procjene interakcija flavonoid-protein i flavonoid-DNA. Naš je cilj rasvijetliti djelovanje flavonoida u tijelu, osim njihove dobro utvrđene, izravne antioksidativne aktivnosti, te pružiti uvid u mehanizme kojima te male molekule, koje se svakodnevno konzumiraju, utječu na stanične funkcije.

Ključne riječi:flavonoid; antioksidans; oksidativni stres; upala; Alzheimer; ateroskleroza; Rak

1. Uvod

Flavonoidisu klasa polifenola u biljkama koje se naširoko konzumiraju u prehrani. Imaju opću strukturnu okosnicu C6–C3–C6, u kojoj su dvije C6 jedinice (prsten A i prsten B) fenolne prirode. Flavonoidi se mogu podijeliti u različite podskupine, kao što su flavoni, flavonoli, flavanoni, flavannoli, flavan-3-oli i antocijani (Slika 1). Dok je u većini flavonoida prsten B vezan na C2 položaju prstena C, u nekima, kao što su izoflavoni i izoflavani, prsten B je vezan na C3 položaju [1].

dijetetskiflavonoidisu prirodni proizvodi koji su široko rasprostranjeni u biljnom carstvu. Mnoga hrana i pića, kao što su voće, povrće, mahunarke, cjelovite žitarice, čokolada, začini, čaj i vino, bogati su izvori flavonoida [1]. Tijekom desetljeća, istraživači i proizvođači hrane postali su sve više zainteresirani za flavonoide, zbog njihovih antioksidativnih svojstava, njihove velike zastupljenosti u našoj prehrani i njihove sugerirane uloge u prevenciji raznih bolesti koje su povezane s OS-om, poput raka, kardiovaskularnih i neurodegenerativne bolesti [2–5]. Novija literatura pruža sve više dokaza o učincima flavonoida koji su posredovani mehanizmima koji nisu klasična antioksidativna aktivnost potaknuta njihovim kemijskim svojstvom doniranja elektrona ili keliranja prijelaznih metala [6,7]. Istraživanje njihovih osnovnih načina djelovanja moglo bi pružiti nove uvide u mehanizme kojima flavonoidi utječu na biološke funkcije.

2. Biološke aktivnosti flavonoida

2.1. Flavonoidi kao antioksidansi

S obzirom na njihovo antioksidativno djelovanje,flavonoidivjeruje se da sprječavaju bolesti koje su povezane s OS-om izravnim uklanjanjem reaktivnih kisikovih vrsta (ROS) donacijom atoma vodika, aktivacijom antioksidativnih enzima, kelirajućom aktivnošću metala (kao što su željezo i bakar) i ublažavanjem oksidativnih stres uzrokovan dušikovim oksidom (NO) [1,8–11]. Antioksidativno djelovanje, međutim, ne može biti jedino objašnjenje in vivo staničnih učinaka flavonoida, jer je antioksidativno djelovanje izraženo pri koncentracijama flavonoida iznad 10 µM, ali njihova koncentracija u cirkulaciji ne prelazi 2 µM [12]. Flavonoidi iz hrane slabo se apsorbiraju iz crijeva, visoko se metaboliziraju ili se brzo eliminiraju. Tijekom apsorpcije flavonoidi se konjugiraju u tankom crijevu, a kasnije u jetri. Ovaj proces uglavnom uključuje metilaciju, sulfataciju i glukuronidaciju. Ovo je proces metaboličke detoksikacije koji je zajednički mnogim ksenobioticima koji ograničava njihove potencijalne toksične učinke i olakšava njihovu žučnu i urinarnu eliminaciju povećanjem njihove hidrofilnosti [13]. Nedavne studije sugeriraju da biološki učinci flavonoida mogu biti posredovani različitim mehanizmima koji još nisu u potpunosti istraženi. Ovaj pregled usredotočen je na način djelovanja flavonoida kroz njihovu interakciju s makromolekulama, kao što su lipoproteini, stanični i serumski proteini te DNA i RNA (Slika 2).

2.2. Interakcije flavonoida s makromolekulama

2.2.1. Interakcije flavonoida i proteina

Molekularne interakcije proteina i nukleinskih kiselina sa spojevima niske molekulske mase područje su temeljnog interesa [14]. U niskim koncentracijama, molekule, kao što su ioni, metaboliti i osmoliti, mogu utjecati na proteine, kao što su enzimi, receptori, antitijela i faktori transkripcije [15]. Učinak može biti na strukturnoj, funkcionalnoj ili konformacijskoj razini [7]. Dijetetski flavonoidi dobar su primjer malih molekula koje posreduju stanične učinke, a koji su središnji za unutarstanične signalne kaskade [16]. Učinci flavonoid-enzimskih kompleksa nastalih interakcijom flavonoida s, primjerice, hidrolazama, oksidazama i kinazama, na strukturu i aktivnost enzima naširoko su istraženi. Istraživanja su pokazala da flavonoidi selektivno stupaju u interakciju s različitim komponentama protein kinaza i mijenjaju njihovo stanje fosforilacije, regulirajući tako više staničnih signalnih putova [17]. Slično, otkriveno je da flavonoidi djeluju kao ligandi za nuklearne receptore, uzrokujući njihovu proliferaciju ili aktivaciju i modulirajući energetsku homeostazu. Apigenin i kemferol izravno su potisnuli interakciju između receptora povezanog s estrogenom (ERR) i njegovog koaktivatora proliferatora peroksisoma aktiviranog koaktivatora receptora-1 (PGC-1). Nasuprot tome, luteolin je potisnuo aktivnost PGC-1 potičući razgradnju PGC-1, što je dovelo do potisnute ERR aktivnosti u HeLa stanicama [7,18]. Flavonoidi, poput glabridina i glabrena, također mogu djelovati i modulirati endogene aktivnosti estrogenskih receptora u ljudskim endotelnim i glatkim mišićnim stanicama, čime mogu usporiti, pa čak i spriječiti kardiovaskularne bolesti i razvoj raka dojke i jajnika u žena u postmenopauzi [19]. Osim toga, također je istražena sposobnost flavonoida za interakciju sa serumskim albuminom i drugim serumskim proteinima [20,21]. Reverzibilne ili ireverzibilne interakcije protein-flavonoid ovise o pH, temperaturi i koncentraciji proteina i flavonoida [22]. Iako je biološka sudbina proteinsko-flavonoidnih kompleksa in vivo još nepoznata, otkriveno je da flavonoidi utječu na razne ljudske bolesti koje su povezane s OS-om, poput raka te kardiovaskularnih i neurodegenerativnih bolesti [23-25].

Metode karakterizacije interakcija flavonoida i proteina

Provedeno je nekoliko studija kako bi se opisale interakcije između prehrambenih flavonoida i proteina, uglavnom seruma i proteina povezanih s hranom, na primjer, serumskih albumina i -kazeina [26-30]. Interakcije flavonoida i proteina uglavnom se javljaju nekovalentnim vezama koje su izvedene iz hidrofobnih, van der Waalsovih, vezanja vodikovih mostova i ionskih interakcija, koje mogu promijeniti konformacije proteina i aktivnosti enzima [31]. Nekovalentne interakcije između flavonoida i proteina su slabe i reverzibilne. Studije su također pružile informacije o kovalentnim reakcijama između flavonoida i proteina. Flavonoidi mogu lako oksidirati i kovalentno reagirati s amino i tiolnim bočnim lancima proteina ireverzibilnim vezanjem [32]. Razvijene su brojne metode, uglavnom spektroskopske, za karakterizaciju nekovalentnih interakcija između flavonoida i proteina (Tablica 1) [33-36].

UV-vidljiva spektroskopija koristi se za predviđanje interakcija flavonoida i proteina i pružanje informacija o prirodi tih interakcija. Apsorpcija proteina na 280 nm povezana je s aromatskim aminokiselinama triptofanom, tirozinom i fenilalaninom, koji se mogu dodatno stimulirati interakcijom s flavonoidima [37]. Spektroskopija kružnog dikroizma koristi se za kvantitativnu analizu konformacijskih promjena, promjena -helixa i -sheeta, u proteinima zbog nekovalentnih interakcija s malim molekulama, kao što su flavonoidi [38]. Infracrvena spektroskopija Fourierove transformacije također se koristi za određivanje promjena u sekundarnoj strukturi proteina kao rezultat interakcija flavonoida. Ova metoda omogućuje tumačenje sekundarne strukture iz oblika trake amida I, smještene oko 1650-1660 cm [38]

Termodinamička svojstva interakcije vezanja između flavonoida i proteina mogu se proučavati pomoću izotermne titracijske kalorimetrije, metode koja se temelji na mjerenju topline koja se razvija tijekom molekularne asocijacije [39]. Vitali i sur. procijenili su interakcije vezanja između četiri flavonoida (kaempferol, luteolin, kvercetin i resveratrol) i ljudskog serumskog albumina i glutation S-transferaze Pi izoforme 1 koristeći Taylorovu disperzijsku površinsku plazmonsku rezonanciju (SPR)—visoko osjetljivu tehniku ​​bez obilježavanja za proučavanje nekovalentne interakcije biomolekula, posebice između proteina, te između proteina i malih molekula [40].

Triptofan (Trp)-test gašenja fluorescencije još je jedna osjetljiva, selektivna i široko korištena metoda za određivanje interakcija između flavonoida i proteina [21,41,42]. Ekscitacija proteina na 280-290 nm inducira emisiju fluorescencije u rasponu od 340-350 nm zbog prisutnosti Trp. gašenje fluorescencije u ovom rasponu može se pripisati vezivanju flavonoida. Dok se koristi ova metoda, mehanizam gašenja — statički (stvaranje kompleksa između polifenola i proteina) ili dinamički (sudar fluorofora s gasičem) — može se odrediti korištenjem Stern–Volmerove jednadžbe i izračunavanjem Stern–Volmerove konstante i konstante brzine gašenja . Za statičko gašenje može se izračunati konstanta vezanja i broj veznih mjesta u proteinskoj molekuli, a zatim se mogu karakterizirati termodinamička svojstva. Konačno, izračuni pristajanja mogu se koristiti za predviđanje uklapanja procijenjenog liganda unutar proteina, gdje je oblik komplementaran veznom mjestu. Računalno modeliranje nadopunjuje eksperimentalne podatke o vezivanju flavonoida i proteina i omogućuje opsežni pregled za različite proteinske ciljeve odabrane iz struktura koje su dostupne u Banci podataka o proteinima (PDB) [43].

2.2.2. Interakcije flavonoida s DNA i kromatinom

Postoji mnogo dokaza u znanstvenoj literaturi o regulaciji genoma pomoću flavonoida putem ekspresije gena i kromosomskih promjena [24,51], iako točan mehanizam djelovanja ostaje nejasan [48,52]. Pokazalo se da flavonoidi, poput kvercetina i EGCG-a, prodiru kroz stanične membrane i nakupljaju se u jezgri ljudskih crijevnih i jetrenih stanica [53,54]. Struktura kvercetina omogućuje hidrofobnu prirodnu interkalaciju njegovog najhidrofobnijeg segmenta u unutrašnjost spirale DNA [55]. Kvercetin interkalira s dupleksima DNA i RNA i preferirano se veže na triplex i tetraplex DNA u ljudskim stanicama raka prostate (DU 145) [53]. Iako je isti broj OH skupina, koje su uglavnom uključene u mehanizam prijenosa vodika, prisutan u kempferolu i luteolinu, potonji pokazuje nešto veći afinitet prema DNA. To bi moglo biti zbog prisutnosti OH na položaju 30. Odnosi strukture i aktivnosti u interakcijama flavonoida i DNA doista su naširoko otkriveni. Pretpostavlja se da se afinitet flavonoida za DNA povećava duž iste sekvence koju pokazuje njihova biološka aktivnost [44]. Nakon tretmana DNA s EGCG ili kvercetinom, primijećeni su različiti učinci, uključujući oštećenje DNA, u ljudskim perifernim limfocitima [56,57]. Studije pokazuju da EGCG inhibira aktivnosti različitih proteina kromatina, kao što je cAMP odgovorni protein koji veže elemente, DNA polimeraza, DNA metiltransferaza i DNA topoizomeraza u ljudskim plućima i stanicama kolorektalnog adenoma te u jetri, plućima i bubrezima miševa [6,24]. ]. Na te reakcije vjerojatno utječe vezanje EGCG-a na DNA i RNA ili na proteine ​​koji su vezani za nukleinske kiseline u različitim vrstama interakcija. Dok su interakcije flavonoida, kao što su resveratrol, kvercetin, EGCG i genistein, s DNK poznate, točna lokacija mjesta vezivanja flavonoida na DNK, način interakcije i njezina funkcija u genomu nisu u potpunosti poznati. razumjeli.

Metode karakterizacijeflavonoid– DNK interakcije
Kovalentno vezanje malih molekula na DNA prvi put je primijećeno ranih 1980-ih [58]. Nakon kovalentnog vezanja [14C], kvercetina na DNA utvrđeno je da flavonoidi imaju proturječne biokemijske aktivnosti (mutageni učinak s jedne strane i antikarcinogeni učinak s druge) [44]. Osim kovalentnog vezanja, flavonoidi mogu djelovati s DNK interkalacijom, vezanjem utora i vezanjem okosnice. Korišteno je nekoliko metoda za razjašnjavanje nekovalentnih interakcija između flavonoida i DNA, uključujući elektrokemijske i SPR tehnike, linearni dikroizam, apsorpciju, fluorescenciju i spektroskopiju nuklearne magnetske rezonancije [44-46]. Vezanje 10 aglikona i flavonoidnih glikozida s dupleksima DNA istraživano je pomoću elektrosprejne ionizacijske spektrometrije mase (ESI-MS) [47]. ESI-MS analiza i SPR pokazali su da se točno tri molekule EGCG-a vežu na poli(dT) 18-merne jednolančane DNA oligomere preko jedne hidroksilne skupine trihidroksifenilne skupine u EGCG-u. Nakon vezanja, EGCG je zaštitio oligomere dvolančane DNA od taljenja u jednolančanu DNA [59].

Danas se računalna simulacija i spektroskopija uglavnom koriste za istraživanje biofizičkih informacija (npr. način interakcije) o interakcijama između flavonoida i DNA [60]. Eksperimenti koji su provedeni posljednjih godina sugerirali su specifična konsenzusna DNA-vezna mjesta za flavonoide. Kvercetin se, na primjer, veže na dodekamerni dupleks slijed CGCGAATTCGCG, čija je nevezana struktura riješena prije mnogo godina (PDB ID: 1BNA) [61]. Trenutačno se potpuni genom organizma može otkriti korištenjem tehnologije sekvenciranja sljedeće generacije (NGS), kao što su strojevi za masivno paralelno sekvenciranje Illumina ili Sanger. Štoviše, slijedeći specijalizirane protokole, moguće je ekstrahirati DNK u određenim regijama ili sa specifičnim funkcijama i zatim koristiti NGS za dobivanje sekvence DNK. Chem-seq (hvatanje kemijskog afiniteta u kombinaciji s masivnim paralelnim sekvenciranjem DNA) nova je NGS aplikacija koja se nedavno koristila za izdvajanje i sekvenciranje regija DNA koje su bile vezane na male molekule. Ova metoda omogućuje hvatanje regija kromatina vezanih za male molekule bez prethodne informacije, tj. s nepristranim, nespecifičnim markerom [49]. Najnovije studije već su pokazale sposobnost izolacije poznatih interakcija lijek-kromatin pomoću Chem-seqa [49,50]. Atrahimovich et al. koristio je Chem-seq tehniku ​​za karakterizaciju interakcija između kvercetina i stanične DNA i pokazao njegov naknadni učinak na nizvodnu transkripciju [48]. Rezultati pokazuju da se kvercetin veže na kromatin monocita i modulira ekspresiju gena koji su uključeni u stanični ciklus i razvoj stanice [48]. Pomoću aplikacije Chem-seq mogu se utvrditi interakcije flavonoida s DNK i kromatinom kako bi se proučio njihov značaj. Ova bi sposobnost mogla biti iznimno važna za medicinu i ljudsko zdravlje, te korisna za dizajn odgovarajućih prehrambenih intervencija i lijekova za liječenje raka.

3. Flavonoidi ublažavaju ljudske bolesti izravnim interakcijama s proteinima, lipoproteinima i DNA

3.1. Interakcije flavonoida s ključnim proteinima uključenim u upalu

Upalakarakterizira zaštitni odgovor imunološkog sustava, uključujući proizvodnju različitih proupalnih citokina i kemokina, koji pojačavaju proizvodnju interferona, proteaza, NO i ROS [62]. Citokini također induciraju ekspresiju ciklooksigenaze-2 (COX-2), enzima koji katalizira proizvodnju prostaglandina (PG), koji su ključni medijatori upale [63]. Ksantin oksidaza (XO) je još jedan kritičan izvor ROS koji pridonosi upali. Upalna stanja dovode do povećanih razina XO i, stoga, do povećanog stvaranja ROS i stvaranja peroksinitrita. Peroksinitrit je moćna reaktivna vrsta dušika (RNS) praćena OS, koja nastaje reakcijom NO i superoksidnih radikala [64].

Predloženo je nekoliko mehanizama djelovanja za objašnjenje protuupalne aktivnosti flavonoida in vivo, poput antioksidativne aktivnosti i modulacije proizvodnje proupalnih citokina i ekspresije gena [11]. Zanimljivo je da flavonoidi utječu na upalni proces ne samo smanjenjem ekspresije citokina i drugih srodnih upalnih markera, već i interakcijom s proteinima koji su povezani supala. Pokazalo se da flavonoidi moduliraju aktivnost enzima koji metaboliziraju arahidonsku kiselinu (AA), kao što su fosfolipaza A2 (PLA2), COX i lipoksigenaza (LOX), te enzim dušikov oksid sintaza (NOS) koji proizvodi NO. Inhibicija ovih enzima flavonoidima smanjuje proizvodnju AA, PG, leukotriena i NO, koji su ključni posredniciupala. Stoga je flavonoidna inhibicija ovih enzima definitivno jedan od važnih staničnih mehanizama protiv upale [65].

Kvercetin je prvi otkriveni flavonoidni inhibitor PLA2, iz ljudskih neutrofila. Pokazalo se da kvercetin selektivno inhibira sekretorni PLA2 skupine II [66]. Slično, rutin je selektivno inhibirao ljudski PLA2-II iz sinovijalne tekućine, dok je bio slab inhibitor ljudskog PLA2-I iz pankreasnog soka. Kada su različiti flavonoidi uspoređeni s obzirom na njihovu sposobnost da inhibiraju PLA2, čini se da male promjene u strukturi utječu i na ukupnu inhibiciju PLA2 i na selektivnost skupine II. Utvrđeno je da je položaj hidroksilnih skupina jedan važan aspekt C-prstena-2, 3-dvostruke veze. Čini se da su hidroksilne skupine u položajima 3' i 4' na B-prstenu važne za selektivnu inhibiciju PLA2-II, dok je 5-hidroksilna skupina na A-prstenu, nezasićenost , a 4-oksi na C-prstenu čini se važnim za ukupnu sposobnost flavonoida da inhibiraju aktivnost PLA2 [67]; inhibicija PLA2 uvelike je ovisila o položaju hidroksilnih skupina na prstenovima A, B i C, dok se pretpostavljalo da su hidroksilne skupine na položajima 5, 6 i 7 na A-prstenu neophodne za vezanje na PLA2. Tako su kvercetin, kemferol i galangin pokazali visoku inhibitornu aktivnost na PLA2, dok je naringin pokazao nižu inhibitornu aktivnost [68].

COX proizvodi PG i tromboksane i postoji u najmanje dvije različite izoforme, COX-1 i COX-2. COX-1 je konstitutivni enzim koji je prisutan u gotovo svakoj vrsti stanica. Dok je COX-2 inducibilni enzim koji je jako izražen uupala-srodni tipovi stanica, uključujući makrofage i mastocite [69]. Budući da proizvodi PG, COX-2 je usko povezan s akutnim, kao i s kroničnim vrstama upalnih poremećaja. Utvrđeno je da neki flavonoidi, poput luteolina, 3',4'-dihidroksifflavona, galangina i morina, katehina i epikatehina, inhibiraju COX bubrežne srži štakora s IC50 od 100-130 µM [70]. U ljudskim trombinom agregiranim trombocitima, otkriveno je da su određeni flavonoidi, kao što su krizin i apigenin, COX inhibitori s IC50 od 13 i 18 µM, dok miricetin i kvercetin u koncentraciji od 10 µM snažno inhibiraju LOX. Konkretno, redukcija C-2, 3-dvostruke veze i glikozilacija smanjile su inhibitorne aktivnosti flavonoida [71]. In-silico analiza pokazala je da kvercetin može djelomično inhibirati enzim COX-2 vezanjem na podjedinicu A, koja ima aktivnost peroksidaze i služi kao izvor ROS [72].

općenito,flavonoidimogu biti uglavnom uključeni uupalaproces putem inhibicije i regulacije enzima koji moduliraju proupalne citokine ili male molekule, kao što su ROS i RNS.

3.2. Interakcije flavonoida s ključnim proteinima u Alzheimerovoj bolesti (AD)

AD je široko rasprostranjena neurodegenerativna bolest koju karakteriziraju neurofibrilarni čvorovi, senilni plakovi i gubitak sinaptike, što na kraju dovodi do smrti neurona [78,79]. AD je oblik demencije koji je karakteriziran progresivnim gubitkom pamćenja, opadanjem jezičnih vještina i drugim kognitivnim oštećenjima, a najčešće pogađa starije osobe [80]. Etiologija AD je nejasna; međutim, različiti čimbenici se uzimaju u obzir u patofiziologiji bolesti, kao što je stvaranje plakova amiloidnog proteina (A), niske razine acetilkolina, oksidativni stres i abnormalne posttranslacijske modifikacije tau proteina [81,82]. Sekvencijalno cijepanje proteina prekursora amiloida stvara agregate peptida A od 39-43 aminokiseline, koji se lijepe na neurone kao netopljivi amiloidni plakovi. A nastaje iz proteina prekursora amiloida pomoću enzima koji cijepa protein prekursora amiloida na mjestu -1 (BACE-1, -sekretaza) i -sekretaza [83,84]. Stoga se pretpostavlja da inhibicija BACE-1 igra važnu ulogu u prevenciji AD [85].

Neurotransmiter acetilkolin ima važnu ulogu u procesu učenja i pamćenja u hipokampusu. Dva enzima, acetilkolinesteraza (AChE) i butirilkolinesteraza (BChE) uključeni su u hidrolizu acetilkolina, snižavajući njegovu razinu tijekom razvoja AD. Stoga je inhibicija AChE i BChE vrlo poželjna strategija za liječenje AD [86–88]. Klinički odobreni lijekovi takrin, donepezil, galantamin i rivastigmin poboljšali su kratkoročno pamćenje i kognitivne razine putem inhibicije AChE. Nedostaci ovih lijekova i njihove postupne nuspojave, kao što su periferne nuspojave, hepatotoksičnost i poremećaji gastrointestinalnog trakta, potaknuli su istraživače da razviju učinkovitije inhibitore AChE [89-91].
Flavonoidi su obećavajući prirodni proizvodi s neuroprotektivnim potencijalom, koji ili sprječavaju nastanak ili usporavaju napredovanje neurodegenerativnih bolesti povezanih sa starenjem. Mehanizam kojim flavonoidi sprječavaju ili usporavaju napredovanje AD-a mogao bi biti putem izravne interakcije s ključnim enzimima koji su uključeni u ovu bolest [81,85,92-95]. Shimmyo i sur. ispitao je potencijal flavonola i flavona da inhibiraju BACE-1. Otkrili su da četiri flavonola: miricetin, kvercetin, kemferol i morin, te jedan flavon: apigenin, izravno inhibiraju aktivnost enzima BACE-1 na način ovisan o koncentraciji, s IC50 vrijednostima od 2,8, 5,4, 14,7, 21,7, i 38,5 µM [95]. Studije na starim TASTPM transgenim miševima (model AD) pokazale su da oralna primjena (-)-epikatehina smanjuje A patologiju kroz neizravnu, nekatalitičku BACE-1 inhibiciju, a ne kroz modulaciju aktivnosti bilo - ili -sekretaze [96 ]. Utvrđeno je da epigalokatehin-3-galat (EGCG) i kurkumin smanjuju A-posredovanu regulaciju BACE-1 u neuronskim kulturama, što je, zanimljivo, povećalo neamiloidogenu obradu proteina prekursora amiloida pojačavanjem cijepanja -sekretazom [95]. ]. Pueyo i sur. pregledao je literaturu o prirodnim i sintetskim flavonoidima s AChE-inhibitornim djelovanjem. Pronašli su 128 takvih flavonoida: 41 flavon, 21 flavanon, 35 flavonola, 25 izoflavona i šest kalkona. Među njima, osam sintetskih flavonoida inhibiralo je AChE s IC50 < 100="" nm.="" tri="" prirodna="" flavonoida,="" acaciin="" iz="" cvjetova="" chrysanthemum="" indicum,="" te="" desmethylanhydroicaritin="" i="" kaempferol="" iz="" korijena="" sophora="" flavescens,="" inhibiraju="" ache,="" s="" ic50="" vrijednostima="" od="" 3,2,="" 6,7,="" odnosno="" 3,3="" nm="" [97].="" orhan="" i="" sur.="" ispitali="" su="" razne="" derivate="" flavonoida="" na="" njihovu="" inhibiciju="" ache="" i="" bche.="" u="" koncentraciji="" od="" 1="" mg/ml,="" kvercetin="" je="" bio="" najučinkovitiji="" prema="" ache,="" sa="" 76,2="" posto="" inhibicije,="" a="" genistein="" je="" pokazao="" najveću="" inhibiciju="" (65,7="" posto)="" bche,="" a="" slijede="" ga="" luteolin-7-o-rutinozid="" i="" silibinin="" (54,9).="" posto="" odnosno="" 51,4="" posto)="" [98,99].="" u="" drugoj="" studiji,="" citrus="" junos="" je="" imao="" značajan="" inhibicijski="" učinak="" na="" ache="" in="" vitro="" i="" in="" vivo,="" a="" aktivni="" spoj="" identificiran="" je="" kao="" naringenin,="" glavni="" derivat="" flavanona="" [100].="" lee="" i="" sur.="" ispitivali="" su="" inhibicijski="" učinak="" flavanona="" citrusa="" na="" bace-1,="" ache="" i="" bche.="" među="" svim="" ispitivanim="" flavanonima,="" hesperidin="" je="" pokazao="" najbolju="" inhibiciju="" bace-1,="" ache="" i="" bche,="" s="" ic50="" vrijednostima="" od="" 10,02,="" 22,80,="" odnosno="" 48,09="" µm.="" kinetičke="" studije="" otkrile="" su="" da="" su="" svi="" flavanoni="" nekompetitivni="" inhibitori="" bace-1="" i="" kolinesteraze="">

Hiperfosforilacija tau proteina s kasnijom akumulacijom u obliku neurofibrilarnih spletova glavni je uzrok kognitivnih disfunkcija i jedan je od najranijih markera AD. Poznato je da nekoliko kinaza, kao što su GSK-3b i CDK5/p25, doprinose fosforilaciji tau proteina i uključene su u patogenezu AD. Flavonoidi koji inhibiraju aktivnosti nekoliko kinaza mogu se koristiti u prevenciji AD. Pokazalo se da terapija flavonoidom morinom smanjuje tau hiperfosforilaciju in vitro i in vivo u neuronima hipokampusa transgenih životinja (3xTg-AD miševi) [103]. Kvercetin je inhibirao aktivnost PI3-kinaze, a cijanidin 3-O-glukozid također je pružio značajnu zaštitu od kognitivnih disfunkcija koje su inducirane primjenom A u životinjskim modelima, posredovane modulacijom GSK{{9} }b/tau. [104,105].

Općenito, flavonoidi mogu ispoljiti svoje potencijalno neuroprotektivno djelovanje u interakciji s ključnim proteinima koji su uključeni u AD. Bolje razumijevanje interakcija flavonoid-protein u AD-u moglo bi biti obećavajuća strategija za razvoj novih neuroprotektivnih terapija za prevenciju i liječenje neurodegenerativnih bolesti.

3.3. Interakcije flavonoida s ključnim proteinima i lipoproteinima u aterosklerozi

Ateroskleroza je još jedna bolest za koju se pokazalo da flavonoidi ublažavaju. Prvi korak u aterosklerozi je nakupljanje lipoproteina niske gustoće (LDL), glavnog nositelja kolesterola, u arterijskoj stijenci. S druge strane, lipoproteini visoke gustoće (HDL) glavni su antiaterogeni čimbenik u krvi koji održava razinu kolesterola u cijelom tijelu u stabilnom stanju. Preko 80 proteina identificirano je u HDL proteomu, pri čemu apolipoproteini A1 i A2 čine približno 65 posto odnosno 15 posto mase proteina. Ostali proteini uključuju niz enzima, kao što je paraoksonaza 1 (PON1). PON1 je odgovoran za mnoga antiaterogena svojstva HDL-a. Korelacije između PON1, HDL i ateroskleroze, kako in vivo tako i in vitro, dobro su utvrđene [106,107]. Osim efluksa kolesterola, HDL ima i druga moćna biološka djelovanja: antioksidativno [108], protuupalno [109], anti-apoptotsko [110] i vazodilatacijsko [111]. Ove aktivnosti ne ovise nužno o količini HDL-a, ali vjerojatno ovise o njegovoj kvaliteti [112,113]. Što se tiče zdravlja kardiovaskularnog sustava, prethodno smo pokazali da flavonoid glabridin, ekstrahiran iz korijena sladića, djeluje kao izvrstan antioksidans i pokazuje dodatna antioksidativna i antiaterogena svojstva. Glabridin se veže na rekombinantni PON1 (rePON1) i štiti svoj Cys284 od oksidacije aterosklerotskom komponentom hidroperoksidom linolne kiseline (LA-OOH). Ovaj specifični kapacitet glabridina je jedinstven; theflavonoidkatehin ne pokazuje nikakav afinitet vezanja za rePON1 [21]. Dodatno je istražena povezanost između strukture flavonoida i njihovih učinaka na aktivnost rePON1. Karakterizirane su interakcije 12 reprezentativnih flavonoida iz različitih kemijskih podrazreda s rePON1 [42]. Osim toga, ispitan je potencijal rePON1-flavonoidnih kompleksa za sprječavanje oksidacije LDL-a, ključnog procesa u aterogenezi. Katehin, koji se ne veže na rePON1, ubrzao oksidaciju LDL-a; nasuprot tome, glabridin je pokazao visok afinitet vezanja za rePON1 i pojačao njegov zaštitni učinak protiv oksidacije LDL [42]. Štoviše, dosljedno smo promatrali interakcije specifičnih flavonoida s HDL česticom ili njezinim vezanim proteinima, apolipoproteinom A1 i PON1. Pokazali smo da se kvercetin i punikalagin vežu na HDL česticu i povećavaju njezina protuupalna svojstva [41], dok nakon vezanja na LDL česticu ili na njen vezani apolipoprotein B100, punikalagin inducira priljev LDL-a u stanice makrofaga J774A.1, što može smanjiti razine LDL-a u cirkulaciji [114]. Sve u svemu, utvrđeno je da flavonoidi i polifenoli općenito inhibiraju simptome ateroskleroze i smanjuju njezin razvoj putem specifičnih interakcija flavonoida sa staničnim i serumskim proteinima i lipoproteinima.

3.4. Flavonoidi kao sredstva protiv raka putem interakcije s DNA i kromatinom

Antikancerogeno djelovanje flavonoida moglo bi biti rezultat interakcije ovih prirodnih spojeva s biomolekulama (DNK, RNK i protein). Shvaćamo da prehrambeni flavonoidi mogu specifično ili stohastički vezati DNK i promijeniti njezinu funkciju [115]. Opsežna in vitro istraživanja pokazuju da flavonoidi učinkovito smanjuju proliferaciju stanica, induciraju apoptozu i smanjuju rizik od metastaza [24]. Prikazani su kemopreventivni učinci flavonoida, uključujući luteolin, epigalokatehin galat, kvercetin, apigenin i krizin, s fokusom na zaštitu od oštećenja DNK uzrokovanih različitim kancerogenim čimbenicima. Ti flavonoidi selektivno štite normalne stanice i induciraju mehanizme stanične smrti u stanicama raka u ljudskim plućima i stanicama kolorektalnog adenoma tijekom kemoterapije ili radioterapije [24]. Utvrđeno je da flavonoidi, naime kvercetin, miricetin, kemferol, apigenin i luteolin, koji su topljivi u lipidima i slabo kiseli, mogu slobodno difundirati kroz staničnu membranu i posebno se nakupljati unutar K562 leukemijskih stanica [116]. Stoga,

implicira se da je vjerojatnije da će flavonoidi vezati DNA ili proteine ​​u jezgri stanica raka i specifično prekinuti regulaciju genoma raka. Osim toga, in-silico rezultati su pokazali da kvercetin posebno dobro djeluje s G-kvadrupleksnom DNK, koja je povezana s telomerazom. Kvercetin djeluje kao terapeutsko sredstvo protiv raka putem regulacije aktivnosti telomeraze [117]. Usporedbom računskih i eksperimentalnih profila vezanja, nova studija potvrdila je da kvercetin ima najjači afinitet vezanja na DNA među proučavanim flavonoidima. Nadalje, studija je otkrila da flavonoidi mogu promijeniti konformaciju DNA i inhibirati amplificiranje DNA, pokazuju impresivnu indukciju zaustavljanja staničnog ciklusa i mogu potaknuti apoptozu u stanicama raka HepG2, MCF-7 i A549 [60] .Kako bi se postigle učinkovite terapijske doze koje se koriste u pretkliničkim studijama, važnost se mora dati poboljšanim i ciljanim tehnikama davanja lijekova, kako bi se postigla maksimalna učinkovitost s minimalnim nuspojavama. Napredak u sustavima za isporuku lijekova koji se temelje na nanotehnologiji otvara bolje mogućnosti za povećanje topljivosti, poboljšanje bioraspoloživosti i poboljšanje sposobnosti ciljanja flavonoida [118]. Nanočestice na bazi liposoma, liposoma poli-etilen glikola, na bazi nikla, lecitina i nanovrpci prikladni su molekularni nosači za isporuku flavonoidnih lijekova u ciljna tkiva. Zabilježeno je da su nanočestice uspješno korištene za isporuku kvercetina u solidne tumore in vitro i in vivo modele raka središnjeg živčanog sustava, pluća, debelog crijeva, jetre i dojke [119].
Stoga brojne studije podupiru potencijal flavonoida kao prirodnih zdravstvenih proizvoda u kemoprevenciji raka. Međutim, potrebno je više studija kako bi se konfigurirao njihov mehanizam djelovanja kako bi se poboljšalo naše razumijevanje epigenetskih procesa koji bi mogli pružiti racionalniju osnovu za kombiniranje specifičnih prehrambenih spojeva u kliničkom okruženju [24].

Dana Atrahimovich 1,2, Dorit Avni 3 i Soliman Khatib 1,2,*

1 Laboratorija za prirodne spojeve i analitičku kemiju, MIGAL–Galilejski istraživački institut, Kiryat Shmona 11016, Izrael; Danaa@migal.org.il
2 Odjel za biotehnologiju, Tel-Hai College, Gornja Galileja 12210, Izrael
3 Laboratorij za sfingolipide, bioaktivne metabolite i imunološku modulaciju, MIGAL—Galilejski istraživački institut, Kiryat Shmona 11016, Izrael; dorita@migal.org.il* Dopisivanje: solimankh@migal.org.il; Tel.: plus 972-4-6953512; Faks: plus 972-4-6944980

4. Zaključci

Doprinosi autora:DA (Dana Atrahimovich), pisanje—priprema izvornog nacrta i uređivanje, DA (Dorit Avni) pisanje odjeljka 'Interakcije flavonoida s ključnim proteinima uključenim u upalu' i uređivanje; SK nadzor, pisanje—pregled i uređivanje. Svi su autori pročitali i složili se s objavljenom verzijom rukopisa.
Financiranje:Ovo istraživanje nije dobilo vanjska sredstva.
Sukob interesa:Autori izjavljuju da nema sukoba interesa.

Dana Atrahimovich 1,2, Dorit Avni 3 i Soliman Khatib 1,2,*

Reference

1. Procházková, D.; Boušová, I.; Wilhelmová, N. Antioksidativna i prooksidacijska svojstva flavonoida. Fitoterapia 2011, 82, 513–523. [CrossRef]

2. Duthie, GG; Duthie, SJ; Kyle, JAM Biljni polifenoli kod raka i bolesti srca: implikacije kao nutritivni antioksidansi. Nutr. Res. Rev. 2000, 13, 79–106. [CrossRef] [PubMed] 3. Ramos, S. Kemoprevencija raka i kemoterapija: Polifenoli u prehrani i signalni putovi. Mol. Nutr. Food Res. 2008, 52, 507–526. [CrossRef] [PubMed] 4. Jaeger, BN; Parylak, SL; Gage, FH Mehanizmi prehrambenog djelovanja flavonoida na funkciju neurona i neuroinflamaciju. Mol. Aspects Med. 2018, 61, 50–62. [CrossRef] [PubMed] 5. Devi, S.; Kumar, V.; Singh, SK; Dubey, AK; Kim, JJ Flavonoidi: potencijalni kandidati za liječenje neurodegenerativnih poremećaja. Biomedicines 2021, 9, 99. [CrossRef] 6. Williams, RJ; Spencer, JPE; Rice-Evans, C. Flavonoidi: Antioksidansi ili signalne molekule? Slobodan Radić. Biol. Med. 2004., 36, 838–849. [CrossRef] 7. Virgili, F.; Marino, M. Regulacija staničnih signala iz prehrambenih molekula: specifična uloga fitokemikalija, izvan antioksidativne aktivnosti. Slobodan Radić. Biol. Med. 2008, 45, 1205–1216. [CrossRef] 8. Grotewold, E. Znanost o flavonoidima; Springer: Columbus, OH, SAD, 2006.; ISBN 9780387288215. 9. Agati, G.; Brunetti, C.; Fini, A.; Gori, A.; Guidi, L.; Landi, M.; Sebastiani, F.; Tattini, M. Jesu li flavonoidi učinkoviti antioksidansi u biljkama? Dvadeset godina naše istrage. Antioxidants 2020, 9, 1098. [CrossRef] 10. Liu, Y.; Weng, W.; Gao, R.; Liu, Y.; Monacelli, F. Nova saznanja o staničnim i molekularnim mehanizmima starenja i bolestima povezanim sa starenjem: biljna medicina kao potencijalni terapijski pristup. Oksid. Med. Ćelija. Longev. 2019, 2019. [CrossRef] 11. Rolt, A.; Cox, LS Strukturna osnova učinaka polifenola protiv starenja: Ublažavanje oksidativnog stresa. BMC Chem. 2020., 14, 1–13. [CrossRef] 12. Manach, C.; Scalbert, A.; Morand, C.; Rémésy, C.; Jiménez, L. Polifenoli: izvori hrane i bioraspoloživost. Am. J. Clin. Nutr. 2004., 79, 727–747. [CrossRef] 13. Thilakarathna, SH; Vasantha Rupasinghe, bioraspoloživost HP flavonoida i pokušaji povećanja bioraspoloživosti. Nutrijenti 2013, 5, 3367–3387. [CrossRef] [PubMed] 14. Haq, I. Termodinamika interakcija lijek-DNA. Arh. Biochem. Biophys. 2002, 403, 1–15. [CrossRef] 15. Uversky, VN Intrinzički poremećeni proteini i njihovo okruženje: Učinci jakih denaturanata, temperatura, pH, protuioni, membrane, partneri vezanja, osmoliti i makromolekularna gužva. Protein J. 2009, 28, 305–325. [CrossRef] 16. Hou, D.-X.; Kumamoto, T. Flavonoidi kao inhibitori protein kinaze za kemoprevenciju raka: Izravno vezanje i molekularno modeliranje. Antioksid. Redox signal. 2010, 13, 691–719. [CrossRef] 17. Spencer, JPE Osim antioksidansa: Stanične i molekularne interakcije flavonoida i kako oni podupiru svoje djelovanje na mozak. Proc. Nutr. Soc. 2010., 69, 244–260. [CrossRef] [PubMed] 18. Huang, Z.; Fang, F.; Wang, J.; Wong, C.-W. Odnos strukturne aktivnosti flavonoida s receptorom gama povezanim s estrogenom. FEBS Lett. 2010, 584, 22–26. [CrossRef] [PubMed] 19. Somjen, D.; Knoll, E.; Vaya, J.; Stern, N.; Tamir, S. Estrogenu slična aktivnost sastojaka korijena sladića: Glabridin i glabrene, u vaskularnim tkivima in vitro i in vivo. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 2004., 91, 147–155. [CrossRef] 20. Jin, X.-L.; Wei, X.; Qi, F.-M.; Yu, S.-S.; Zhou, B.; Bai, S. Karakterizacija derivata hidroksicimetne kiseline koji se vežu na albumin goveđeg seruma. Org. Biomol. Chem. 2012, 10, 3424–3431. [CrossRef] 21. Atrahimovich, D.; Vaya, J.; Tavori, H.; Khatib, S. Glabridin štiti paraoksonazu 1 od inhibicije hidroperoksida linolne kiseline putem specifične interakcije: Studija gašenja fluorescencije. J. Agric. Food Chem. 2012, 60, 3679–3685. [CrossRef] 22. Luck, G.; Liao, H.; Murray, NJ; Grimmer, HR; Warminski, EE; Williamson, MP; Lilley, TH; Haslam, E. Polifenoli, trpkost i proteini bogati prolinom. Fitokemija 1994, 37, 357–371. [CrossRef] 23. Ciumărnean, L.; Milaciu, MV; Runcan, O.; Vesa, SC; Răchisan, AL; Negrean, V.; Perné, MG; Donča, VI; Alexescu, TG; Para, I.; et al. Učinci flavonoida u kardiovaskularnim bolestima. Molecules 2020, 25, 4320. [CrossRef] [PubMed] 24. Cijo, V.; Dellaire, G.; Rupasinghe, HPV ScienceDirect Biljni flavonoidi u kemoprevenciji raka: uloga u stabilnosti genoma. J. Nutr. Biochem. 2017, 45, 1–14. [CrossRef] 25. Maher, P. Potencijal flavonoida za liječenje neurodegenerativnih bolesti. Int. J. Mol. Sci. 2019, 20, 3056. [CrossRef] [PubMed] 26. Gecibesler, IH; Aydin, M. Vezanje biljnih flavonoida na proteine ​​plazme na humani serumski albumin i njihove antiproliferativne aktivnosti. An. Akad. Grudnjaci. Cienc. 2020., 92, 1–16. [CrossRef] 27. Lin, CZ; Hu, M.; Wu, AZ; Zhu, CC Istraživanje razlika između četiri flavonoida slične strukture koji se vežu na ljudski serumski albumin. J. Pharm. analno 2014, 4, 392–398. [CrossRef] 28. Mondal, P.; Bose, A. Spektroskopski pregled kvercetina i interakcije njegovog Cu(II) kompleksa sa serumskim albuminima. BioImpacts 2019, 9, 115–121. [CrossRef] 29. Geng, R.; Ma, L.; Liu, L.; Xie, Y. Utjecaj interakcije albumin-flavonoid u goveđem serumu na antioksidacijsku aktivnost dijetalnih flavonoida: Novi dokazi iz elektrokemijske kvantifikacije. Molecules 2019, 24, 70. [CrossRef] [PubMed] 30. Ma, CM; Zhao, XH Prikaz nekovalentne interakcije proteina sirutke s galanginom ili genisteinom korištenjem višespektroskopskih tehnika i molekularnog spajanja. Foods 2019, 8, 360. [CrossRef] 31. Tang, F.; Xie, Y.; Cao, H.; Yang, H.; Chen, X.; Xiao, J. Fetalni goveđi serum utječe na stabilnost i bioaktivnost analoga resveratrola: pristup interakciji polifenol-protein. Food Chem. 2017., 219, 321–328. [CrossRef]