β-Carotene과 Lycopene의 양자역학 및 화학적 항산화능과 세포 내 산화적 스트레스 보호 효과의 비교 Comparison of Quantitative Structure-Activity Relationship and Chemical Antioxidant Activity of β-Carotene and Lycopene and Their Protective Effects on Intracellular Oxidative Stress원문보기
본 연구는 ${\beta}$-carotene과 lycopene의 양자역학 및 화학적 항산화능과 세포 내 항산화 효과를 분석하였다. ${\beta}$-Carotene과 lycopene의 항산화능을 양자역학적으로 비교한 결과 lycopene의 항산화능이 ${\beta}$-carotene보다 높은 것으로 나타났으며, 이러한 항산화능의 차이는 FRAP로 측정하였을 때도 유사하게 관찰되었다. Trolox와 비교했을 때 ${\beta}$-carotene과 lycopene의 FRAP 수치는 유의적으로 낮았으나 LPS에 의한 세포 내 ROS 생성을 낮추는 데는 두 카로티노이드가 더 우수한 것으로 나타났다. 그러므로 본 연구에서 비교한 ${\beta}$-carotene과 lycopene의 양자역학적 항산화능은 화학적 항산화능을 일부 반영하지만, 실제 세포 내 ROS에 의한 산화스트레스 저하 효과와는 차이가 있는 것으로 나타났다.
본 연구는 ${\beta}$-carotene과 lycopene의 양자역학 및 화학적 항산화능과 세포 내 항산화 효과를 분석하였다. ${\beta}$-Carotene과 lycopene의 항산화능을 양자역학적으로 비교한 결과 lycopene의 항산화능이 ${\beta}$-carotene보다 높은 것으로 나타났으며, 이러한 항산화능의 차이는 FRAP로 측정하였을 때도 유사하게 관찰되었다. Trolox와 비교했을 때 ${\beta}$-carotene과 lycopene의 FRAP 수치는 유의적으로 낮았으나 LPS에 의한 세포 내 ROS 생성을 낮추는 데는 두 카로티노이드가 더 우수한 것으로 나타났다. 그러므로 본 연구에서 비교한 ${\beta}$-carotene과 lycopene의 양자역학적 항산화능은 화학적 항산화능을 일부 반영하지만, 실제 세포 내 ROS에 의한 산화스트레스 저하 효과와는 차이가 있는 것으로 나타났다.
The aim of this study was to determine the chemical and intracellular antioxidant activities of ${\beta}$-carotene and lycopene and to compare their quantitative structure-activity relationship (QSAR). In our previous study, the second ionization energy of lycopene was higher than that of...
The aim of this study was to determine the chemical and intracellular antioxidant activities of ${\beta}$-carotene and lycopene and to compare their quantitative structure-activity relationship (QSAR). In our previous study, the second ionization energy of lycopene was higher than that of ${\beta}$-carotene, as calculated by QSAR. Chemical antioxidant activities of ${\beta}$-carotene, lycopene, and Trolox were examined by measuring ferric reducing antioxidant power (FRAP) and 2,2'-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) radical scavenging activity. Intracellular antioxidant activities were evaluated by intracellular reactive oxygen species (ROS) and DNA fragmentation. The FRAP of lycopene was higher than that of ${\beta}$-carotene (P<0.05), and the two carotenoids had similar antioxidant activities in DPPH radical scavenging activity assay. Trolox had the greatest chemical antioxidant activities (P<0.05). When RAW264.7 cells were treated with lipopolysaccharide (LPS) (100 ng/mL) for 20 h, intracellular ROS and DNA fragmentation significantly increased (P<0.05). RAW 264.7 cells pretreated with ${\beta}$-carotene ($4{\mu}M$) and lycopene ($0.4{\sim}2{\mu}M$) for 4 h formed significantly less intracellular ROS than LPS-treated control cells (P<0.05), whereas cells with Trolox did not reduce production of intracellular ROS. In addition, cells pretreated with $2{\mu}M$ lycopene produced less intracellular ROS than those treated with ${\beta}$-carotene (P<0.05). DNA fragmentation of cells with ${\beta}$-carotene and lycopene was similar to that of LPS-treated control cells as measured by Hoechst staining. The antioxidant ability of lycopene was greater than that of ${\beta}$-carotene in the QSAR, FRAP, and intracellular ROS assays (P<0.05). ${\beta}$-Carotene and lycopene had lower antioxidant activities as measured by FRAP (P<0.05) but higher intracellular protective effects against LPS-induced oxidative stress in comparison with Trolox.
The aim of this study was to determine the chemical and intracellular antioxidant activities of ${\beta}$-carotene and lycopene and to compare their quantitative structure-activity relationship (QSAR). In our previous study, the second ionization energy of lycopene was higher than that of ${\beta}$-carotene, as calculated by QSAR. Chemical antioxidant activities of ${\beta}$-carotene, lycopene, and Trolox were examined by measuring ferric reducing antioxidant power (FRAP) and 2,2'-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) radical scavenging activity. Intracellular antioxidant activities were evaluated by intracellular reactive oxygen species (ROS) and DNA fragmentation. The FRAP of lycopene was higher than that of ${\beta}$-carotene (P<0.05), and the two carotenoids had similar antioxidant activities in DPPH radical scavenging activity assay. Trolox had the greatest chemical antioxidant activities (P<0.05). When RAW264.7 cells were treated with lipopolysaccharide (LPS) (100 ng/mL) for 20 h, intracellular ROS and DNA fragmentation significantly increased (P<0.05). RAW 264.7 cells pretreated with ${\beta}$-carotene ($4{\mu}M$) and lycopene ($0.4{\sim}2{\mu}M$) for 4 h formed significantly less intracellular ROS than LPS-treated control cells (P<0.05), whereas cells with Trolox did not reduce production of intracellular ROS. In addition, cells pretreated with $2{\mu}M$ lycopene produced less intracellular ROS than those treated with ${\beta}$-carotene (P<0.05). DNA fragmentation of cells with ${\beta}$-carotene and lycopene was similar to that of LPS-treated control cells as measured by Hoechst staining. The antioxidant ability of lycopene was greater than that of ${\beta}$-carotene in the QSAR, FRAP, and intracellular ROS assays (P<0.05). ${\beta}$-Carotene and lycopene had lower antioxidant activities as measured by FRAP (P<0.05) but higher intracellular protective effects against LPS-induced oxidative stress in comparison with Trolox.
양자역학적 방법으로 계산한 HOMO 에너지 준위와 화학적 항산화 활성 사이에 상관관계가 있음이 보고되었으며(14), 본 연구진은 선행연구에서 양자역학적 방법으로 계산한 카로티노이드의 이차 이온화 에너지를 이용하여 항산화 활성을 정량적으로 해석할 수 있는 수학적 모델을 제시하였고 카로티노이드의 항산화 순위를 산출하였다(13). 본 연구에서는 상위를 차지한 β-carotene과 lycopene의 화학적 항산화능과 LPS로 염증을 유도하여 활성화된 RAW264.7 세포에서의 산화적 스트레스와 DNA 손상 억제 효과를 분석하여 양자역학적 항산화능과 비교해보고자 하였다.
제안 방법
LPS로 자극한 RAW264.7 세포에서 β-carotene과 lycopene의 산화적 스트레스 저하 효과를 확인하고자 DCFDA염색법을 이용하여 intracellular ROS 생성량을 두 가지 방법으로 측정하여 비교하였다. 먼저 microplate reader의end point 방법으로 형광세기를 측정하여 세포 내 ROS 생성을 확인한 결과, LPS를 처리한 RAW264.
β-Carotene과 lycopene의 DNA 산화 억제 효과를 LPS로 자극한 RAW264.7 세포에서 확인하고자 Hoechst 염색법을 이용하였으며, 형광현미경, cytometry를 이용한 세 가지 방법으로 DNA 손상 정도를측정하였다.
대상 데이터
β-Carotene과 lycopene은 Sigma-Aldrich Co.(St. Louis,MO, USA)에서 구입하였으며, 대조군으로 (±)-6-hydroxy2,5,7,8-tetramethylchromane-2-carboxylic acid(Trolox,Sigma-Aldrich Co.)를 사용하였다. β-Carotene과 lycopene, Trolox는 모두 dimethyl sulfoxide(DMSO, SigmaAldrich Co.
본 연구에서 사용한 RAW264.7 세포는 한국세포주은행(Seoul, Korea)에서 분양받은 것으로 4~10 사이의 passage를 계대 배양하여 사용하였다. RAW264.
데이터처리
실험 결과의 통계처리는 SAS program(9.4, SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)을 이용하여 one-way ANOVA를 실시하였다. ANOVA 통계 분석 결과 유의성이 있을 경우Duncan’s multiple range test를 실시하여 유의성을 검토하였다(P<0.
이론/모형
Brand-Williams 등(16)의 방법에 따라 β-carotene과lycopene의 DPPH free radical scavenging activity를 측정하였다. 2,2’-Diphenyl-1-picrylhydrazyl(DPPH, SigmaAldrich Co.
β-Carotene과 lycopene의 세포 독성은 Mosmann(17)의 방법에 따라 측정하였다. 배양한 RAW264.
성능/효과
7 세포는 세포 내 ROS와 DNA손상이 유의적으로 증가하였다. β-Carotene과 lycopene으로 각각 세포에 전처리하고 LPS로 자극을 한 RAW264.7세포에서는 ROS 생성이 유의적으로 감소하였고, Trolox는세포 내 산화적 스트레스를 유의적으로 감소시키지 않았다.산화적 스트레스로 인한 DNA 손상에서는 β-carotene, ly-copene, Trolox 모두 DNA 산화 억제 효과가 없었다. 그러므로 정량적 구조-활성 관계 방법과 FRAP로 측정한 화학적 방법으로 측정되는 항산화능은 비슷한 결과를 나타내지만 실제 세포 내에서의 항산화능과는 차이가 있으며, 이러한 본 연구의 결과를 배경으로 염증 상태에서 나타나는 βcarotene과 lycopene의 산화적 손상 억제 효과뿐만 아니라 염증반응에서 일어나는 항산화 방어체계의 신호 전달이나 산화환원반응에 이들 카로티노이드가 미치는 영향에 대한 깊이 있는 연구가 필요한 것으로 보인다.
7세포에서는 ROS 생성이 유의적으로 감소하였고, Trolox는세포 내 산화적 스트레스를 유의적으로 감소시키지 않았다.산화적 스트레스로 인한 DNA 손상에서는 β-carotene, ly-copene, Trolox 모두 DNA 산화 억제 효과가 없었다. 그러므로 정량적 구조-활성 관계 방법과 FRAP로 측정한 화학적 방법으로 측정되는 항산화능은 비슷한 결과를 나타내지만 실제 세포 내에서의 항산화능과는 차이가 있으며, 이러한 본 연구의 결과를 배경으로 염증 상태에서 나타나는 βcarotene과 lycopene의 산화적 손상 억제 효과뿐만 아니라 염증반응에서 일어나는 항산화 방어체계의 신호 전달이나 산화환원반응에 이들 카로티노이드가 미치는 영향에 대한 깊이 있는 연구가 필요한 것으로 보인다.
89mM로 예측할 수 있다. 카로티노이드의 중성분자와 양이온의 이온화 에너지가 항산화 활성과 유의적인 상관관계가 있으며 이온화 에너지가 작을수록 전자이동이 쉬워져 라디칼소거능이 높아 lycopene의 항산화능이 β-carotene보다 높은 것으로 나타났다. 따라서 본 연구 결과는 양자역학적 방법으로 계산한 HOMO 에너지 준위와 화학적 항산화능 사이에 양의 상관관계가 성립하고 있음을 시사한다.
후속연구
산화적 스트레스로 인한 DNA 손상에서는 β-carotene, ly-copene, Trolox 모두 DNA 산화 억제 효과가 없었다. 그러므로 정량적 구조-활성 관계 방법과 FRAP로 측정한 화학적 방법으로 측정되는 항산화능은 비슷한 결과를 나타내지만 실제 세포 내에서의 항산화능과는 차이가 있으며, 이러한 본 연구의 결과를 배경으로 염증 상태에서 나타나는 βcarotene과 lycopene의 산화적 손상 억제 효과뿐만 아니라 염증반응에서 일어나는 항산화 방어체계의 신호 전달이나 산화환원반응에 이들 카로티노이드가 미치는 영향에 대한 깊이 있는 연구가 필요한 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
염증반응이란?
염증반응은 외상과 세균침입 등에 대한 생체반응으로 체내의 면역세포가 외부물질에 반응하여 염증전달물질을 분비하면서 일어난다(1). 대식세포는 염증반응에 관여하는 주요 세포로서 면역세포들이 분비한 면역물질이나 lipopolysaccharide(LPS)에 의해 활성화되어 염증 관련 사이토카인(cytokine), nitric oxide, prostaglandin E2 등을 생산하고,이러한 염증 관련 물질이 과도하게 분비되면 만성염증이 유발되는 것으로 알려져 있다(2-5).
체내 카로티노이드의 주요 종류는?
카로티노이드(carotenoid)는 항산화능이 높은 것으로 알려진 지용성 색소로 지금까지 약 700개의 종류가 알려져있고, 이 중에서 약 50개가 식품에 존재하고 체내 흡수와 대사를 할 수 있다. 그중 β-carotene, β-cryptoxanthin,α-carotene, lycopene, lutein, zeaxanthin이 체내에 존재하는 전체 카로티노이드의 95% 양을 차지하는 것으로 보고된다(7,9). β-Carotene과 lycopene을 포함한 카로티노이드는 여러 세포 및 동물 실험에서 유의적으로 ROS가 감소하는 것으로 보고되었다.
활성산소종과 관련된 질환은?
이렇게 과잉 생성된 ROS와 RNS는 체내의 항산화 방어체계와 ROS간의 불균형을 가져와 조직의 손상 및 DNA, 단백질, 지질의 손상을 유발한다. ROS는 암, 심혈관질환, 죽상 동맥경화증,백내장 및 염증과 같은 다양한 심각한 질병의 발병 기전에서 중요한 역할을 한다(4,5). 그러므로 항산화제가 풍부한 식이를 통한 체내 ROS 소거능 증가는 산화적 스트레스의 감소로이어져 만성적인 염증반응을 감소할 수 있을 것으로 많은 연구에서 보고되었으며(2,4,6), 카로티노이드가 LPS로 자극한 대식세포에서 생성한 ROS를 제거시켜 산화적 스트레스에 인한 손상에 보호 효과가 있을 것으로 보고되었다(7,8).
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