Metal-catalyzed formation of 4-oxo-2-alkenals

Lipid peroxidation products react with cellular molecules, such as DNA bases, to form covalent adducts, which are associated with aging and disease processes. Since lipid peroxidation is a complex process and occurs in multiple stages, there might be yet unknown reaction pathways. Here, we analyzed comprehensively 2’-deoxyguanosine (dG) adducts with oxidized arachidonic acid using liquid chromatography-tandem mass spectrometry and found the formation of 7-(2-oxo-hexyl)-etheno-dG as one of the major unidentified adducts. The formation of this adduct was reproduced in the reaction of dG with 2-octenal and predominantly with 4-oxo-2-octenal (OOE). We also found that other 2-alkenals (with five or more carbons) generate corresponding 4-oxo-2-alkenal-type adducts. Importantly, it was found that transition metals enhanced the oxidation of C4-position of 2-octenal, leading to the formation of OOE-dG adduct. These findings demonstrated a new pathway for the formation of 4-oxo-2-alkenals during lipid peroxidation and might provide a mechanism for metal-catalyzed genotoxicity

Cyclization of reactive carbonyls in foods upon processing: an origin for the formation of pyridine-derived flavours and heterocyclic aromatic amines

El procesado de alimentos genera tanto efectos positivos como negativos en los mismos. Estos efectos son consecuencia de las distintas reacciones producidas. Entre ellas, la formación de aminas heterocíclicas aromáticas (HAAs) tiene un gran interés debido a la toxicidad de estos compuestos. La 2-amino-1-metil-6-fenilimidazo[4,5-b]piridina (PhIP) es una HAA mayoritaria que se produce como consecuencia de la reacción de ciertos compuestos carbonílicos formados durante el procesado de alimentos con creatinina. Análogamente, otras HAAs con estructura de aminoimidazoazareno podrían formarse de forma similar por una cierta tendencia, desconocida hasta ahora, de los compuestos carbonílicos de producir derivados cíclicos en presencia de amino compuestos. El objetivo general de esta tesis es clarificar la contribución de los compuestos carbonílicos a la formación de derivados heterocíclicos en alimentos, particularmente flavors con estructura de piridina y aminas heterocíclicas aromáticas (HAAs) con estructura de aminoimidazoazareno. En este trabajo de investigación se han identificado los compuestos carbonílicos que contribuyen a la formación de piridinas y de HAAs en alimentos, se han determinado las rutas por las que los distintos compuestos son producidos, y se han analizado los procedimientos adecuados para el control de la formación de estos compuestos. En particular, se han abordado seis objetivos específicos, los tres primeros dedicados a entender cómo se producen las piridinas en los alimentos, y los otros tres dedicados a la formación de HAAs. Dentro del primer objetivo se ha investigado el papel que juega la ciclación de diversos compuestos carbonílicos procedentes de oxidación lipídica en la formación de alquilpiridinas, concluyendo que estos compuestos se forman por ciclación de aldehídos de cadena corta en presencia de amoniaco. Así, las 2-alquilpiridinas se forman en mezclas de acetaldehído/crotonaldehído y 2,4-alcadienales con amoniaco; acroleína y 2,4-alcadienales son los responsables de la formación de 3-alquilpiridinas; y la ciclación de 2-alquenales es el origen de las 2,5-dialquilpiridinas. Por el contrario, las 2,6-dialquilpiridinas se forman por ciclación de cetonas insaturadas. Para estas ciclaciones es necesaria la presencia de amoniaco, que puede ser formado in situ. Estos estudios han permitido proponer mecanismos de formación de todos estos compuestos, mecanismos que han sido confirmados mediante estudios de marcaje isotópico. Dentro del segundo objetivo se ha estudiado la formación de 3-hidroxipiridinas a partir de compuestos carbonílicos derivados la oxidación lipídica. Para ello se han identificado los precursores y se han determinado los mecanismos de formación. Los principales precursores de las 3-hidroxipiridinas son los 4,5-epoxi-2-alquenales y los 2,4-alcadienales. Las 3-hidroxipiridinas se producen a temperaturas mayores de 100 ºC, a valores de pH ligeramente básicos, y con una energía de activación de aproximadamente 50 kJ/mol.Para confirmar el papel que juegan los procesos de oxidación lipídica, se ha demostrado que estas piridinas se forman, por ejemplo, cuando aceites oxidados de linaza o pescado se calientan en presencia de glutamina como agente productor de amoniaco. Dentro del tercer objetivo se estudió en papel de la reacción de Maillard como alternativa a la formación de 3-hidroxipiridinas en alimentos, en particular se analizó el papel que el 5-hidroximetilfurfural (HMF), y otros 2-oxofuranos, podría tener en la formación de 3-hidroxipiridinas. Se observó que la 3-hidroxipiridina derivada del HMF, la 2-hidroximetil-5-hidroxipiridina, se formaba mayoritariamente a pH neutro y con una energía de activación de 74 kJ/mol. Análogamente, 3-hidroxipiridina y 3-hidroxi-2-metilpiridina se formaron a partir de furfural y 2-acetilfurano, respectivamente. Se observó que la conversión de HMF en 2-hidroximetil-5-hidroxipiridina ocurría con un rendimiento mayor que la de los otros 2-oxofuranos estudiados, lo que es consecuencia de la presencia de sustituyentes en los carbonos 2 y 5 del anillo de furano en el HMF. Estos resultados se confirmaron en miel y miel de caña, como modelos de alimentos en los que la reacción de Maillard se produce habitualmente. La reacción consiste en la expansión del anillo de furano que es abierto en presencia de amoniaco y cierra posteriormente para producir la piridina. Para la formación de piridinas, es necesaria la presencia de amoniaco, aunque este compuesto no tiene que estar presente inicialmente en la reacción. Numerosos compuestos son degradados térmicamente para producir amoniaco y todos ellos produjeron piridinas, incluyendo cloruro de amonio, glutamina, creatinina y urea. Curiosamente, los rendimientos siempre fueron mucho menores cuando el compuesto productor de amoniaco ensayado fue creatinina. La razón es que, además de producir amoniaco, la creatinina es capaz de reaccionar con los compuestos carbonílicos como paso inicial a la formación de HAAs. La formación de estos últimos compuestos fue estudiada en los otros tres objetivos específicos de esta tesis. Para el desarrollo de estos objetivos se estudiaron los precursores, las condiciones que promovían la reacción y los mecanismos de reacción conducentes a la formación de MeIQ, IQ y MeIQx. De todos los compuestos carbonílicos empleados, el único que produjo MeIQ fue el crotonaldehído, lo que sugiere que éste es el compuesto carbonílico directamente responsable de la formación de MeIQ. Estos estudios nos han permitido proponer que la formación de MeIQ ocurre por reacción de crotonaldehído, glutamina y creatinina. En el caso del IQ, sólo se produce cuando acroleína y crotonaldehído están presentes simultáneamente como compuestos carbonílicos. Cuando ambos compuestos son calentados en presencia de creatinina y glutamina, se obtiene una mezcla de MeIQ e IQ. Por último, el compuesto carbonílico responsable de la formación de MeIQx es la acroleína. La formación del MeIQ se inicia con la formación de un aducto entre el crotonaldehído y la creatinina, el cual reacciona con amoniaco para producir la correspondiente imina. Una vez se ha producido la imina, ésta se convierte en una enamina mediate una tautomería imino-enamina y dicha enamina vuelve a reaccionar con una segunda molécula de crotonaldehído formando una nueva imina. Este último aducto, que ya tiene el mismo número de átomos que el MeIQ, se transforma en MeIQ para ganar estabilidad.La formación de IQ ocurre de forma similar. Se inicia con la formación de un aducto entre acroleína y creatinina. Una vez formado el aducto, se produce la reacción de éste con amoniaco (que proviene de la descomposición de la glutamina y/o de la creatinina) dando lugar a una imina intermedia (que está en equilibrio con la correspondiente enamina), la cual reacciona con crotonaldehído, obteniéndose así el aducto que producirá el IQ tras una estabilización de este último aducto. Debido a la presencia en el medio de crotonaldehído, la formación del IQ compite con la formación de MeIQ, y ambos compuestos siempre se producen simultáneamente. La formación de MeIQx se inicia de forma análoga con la formación de un aducto entre acroleína y creatinina. Una vez formado el aducto, se produce la reacción de éste con amoniaco dando lugar a una imina intermedia que está en equilibrio con una enamina. El siguiente paso es la reacción de esta enamina con metilglioxal (producido a partir de acroleína) para formar una nueva imina que reaccionará con una nueva molécula de amoniaco para producir en primer lugar la imina y debido a un equilibrio imina-enamina, se formará la correspondiente amina. Esta amina sólo le falta un átomo de carbono para completar la estructura del MeIQ. Análogamente a lo que ocurre con el PhIP, este carbono proviene de una molécula de formaldehído. Todos estos estudios demuestran el papel clave de los compuestos carbonílicos en la formación de piridinas y HAAs en alimentos. Asimismo, sugieren estrategias para el control de los compuestos que afectan negativamente a la calidad y seguridad de los alimentos. Estas estrategias incluyen el controlar la formación de los compuestos carbonílicos implicados, el empleo de condiciones de reacción que eviten la transformación de los compuestos carbonílicos en los compuestos no deseados, y la captura de estos compuestos carbonílicos por agentes captadores de los mismos, como los compuestos fenólicos

Phenolics as carbonyl scavengers: an additional protection against lipid oxidative damage in foods.

Los compuestos fenólicos, además de actuar como agentes quelantes de metales y de capturar radicales libres, también pueden estar limitando el daño producido por la oxidación lipídica en alimentos mediante la captura de los compuestos carbonílicos producidos en el curso de la misma. Además, esta captura constituiría una tercera barrera protectora de los compuestos fenólicos contra la extensión del daño de la oxidación lipídica a otras macromoléculas. Sin embargo, el papel potencial de esta barrera no se comprende bien porque ni se ha investigado cómo se produce la captura de muchos compuestos carbonílicos por los compuestos fenólicos ni se ha estudiado la posibilidad de que este atrapamiento pueda ser producido durante el procesado de alimentos. Por tanto, el objetivo general de esta tesis es tratar de responder a ambas cuestiones primero estudiando la reacción entre los distintos compuestos carbonílicos producidos en la oxidación lipídica y segundo estudiando la presencia de aductos fenol-carbonilo en alimentos procesados. Dentro del primer objetivo, se ha estudiado la reacción entre compuestos fenólicos y diversos grupos de compuestos carbonílicos producidos como consecuencia de la oxidación lipídica, incluyendo alcanales, 4,5-epoxi-2-alquenales y 4-oxo-2-alquenales. Para ello, se aislaron y caracterizaron los aductos formados, y, a partir de los resultados obtenidos, se propusieron las rutas de formación de los diferentes aductos. Los resultados obtenidos permiten concluir que, para alcanales y otros aldehídos saturados, los átomos de carbono en posición respecto a los grupos hidroxilo fenólicos tienen una alta nucleofilia y reaccionan con el carbono carbonílico del aldehído. Además, estos aldehídos pueden sufrir una condensación aldólica para producir el correspondiente alquenal, que es también atrapado por fenoles. En el caso de los epoxialquenales, la reacción con el fenol se inicia con la apertura del anillo del epóxido producida por un grupo hidroxilo fenólico, y, después, se produce la adición del carbono fenólico contiguo al doble enlace carbono-carbono del aldehído. Finalmente, el grupo aldehído es estabilizado como un hemiacetal. Por último, en las reacciones con oxoalquenales, se produce la adición bien de un grupo hidroxilo fenólico o bien de su carbono contiguo al doble enlace carbono-carbono del oxoalquenal. El aducto es entonces estabilizado implicando a uno de los grupos carbonilo del aldehído, mientras que el otro grupo carbonilo sigue libre o es estabilizado como un hemiacetal cuando la distribución espacial de los grupos reactivos permite esta reacción adicional. Los resultados obtenidos a partir del estudio de las reacciones de compuestos fenólicos con epoxialquenales y oxoalquenales sugieren que la formación de aductos fenol-carbonilo reduce la reactividad de los compuestos carbonílicos bloqueando los grupos funcionales más reactivos. Sin embargo, algunos de estos grupos permanecen en los primeros aductos producidos, como ocurre con epoxialquenales y oxoalquenales, por lo que los aductos producidos con estos aldehídos son inestables y sufren reacciones adicionales, incluyendo polimerizaciones. En el caso de las reacciones de fenoles con epoxialquenales y oxoalquenales, se estudió asimismo el papel de las condiciones de reacción en la formación de los correspondientes aductos. A partir de los resultados obtenidos, se deduce que las condiciones de reacción juegan un papel importante en la formación de aductos fenol-carbonilo. Así, estas reacciones son mayormente producidas a pH neutros o ligeramente básicos, y su formación se incrementa con el tiempo y la temperatura. No obstante, algunos aductos se descompusieron a altas temperaturas durante tiempos de reacción prolongados. También se estudiaron las relaciones estructura-actividad de compuestos fenólicos y compuestos carbonílicos en el caso de la reacción con alcanales, comprobándose que la formación de aductos fenol-carbonilo depende de la estructura del fenol y del aldehído involucrado. En relación al fenol, la presencia de grupos que incrementan la nucleofilia de los carbonos fenólicos produce un aumento en la habilidad de atrapamiento de carbonilos por estos compuestos. Por otro lado, la presencia de grupos que incrementan el impedimento estérico en estas posiciones sin afectar la nucleofilia, inhibe la formación de estos aductos. Análogamente, la presencia de ramificación en la posición 2 del aldehído también inhibe la formación de aductos fenol-carbonilo por impedimento estérico. Por otro lado, se investigó la descomposición térmica sufrida por aldehídos insaturados para entender la mezcla compleja de aductos fenol-carbonilo producida en la reacción entre fenoles y aldehídos insaturados derivados de lípidos. Los resultados obtenidos permiten concluir que las reacciones entre fenoles y aldehídos insaturados son muy complejas porque estos aldehídos se descomponen a temperaturas relativamente elevadas y los aldehídos producidos pueden ser atrapados también por fenoles produciendo nuevos aductos fenol-carbonilo así como polímeros. Dentro del segundo objetivo, se ha investigado la formación de aductos fenol-carbonilo en cebolla sometida a fritura en aceite de colza conteniendo acroleína, crotonaldehído y 2-pentenal, así como cebolla crujiente frita comercialmente. Puesto que la quercetina es el principal flavonoide en la cebolla, se investigó la presencia de aductos entre estos aldehídos y quercetina. Se sintetizaron los principales aductos formados en las reacciones entre los alquenales anteriores y quercetina para usarlos como compuestos de referencia en la identificación de la formación de aductos en cebolla frita en el laboratorio y cebolla crujiente frita comercialmente. El análisis de estos alimentos permitió confirmar la existencia de algunos de estos aductos en ambos, lo que sugiere que los aductos fenol-carbonilo se producen de forma habitual durante el procesado de alimentos y son componentes habituales de los mismos. Los resultados obtenidos permiten concluir que la habilidad de los fenoles para atrapar carbonilos constituye una función protectora adicional de los compuestos fenólicos, además de sus conocidas funciones como captadores de radicales libres y como agentes quelantes de metales. Esta función parece jugar un papel importante en la eliminación de los aldehídos potencialmente tóxicos que se producen en el curso de la oxidación lipídica

Identification of defensive compounds in metathoracic glands of adults of the stink bug Dichelops melacanthus (Hemiptera: Pentatomidae)

The contents of metathoracic glands of adults of the stink bug Dichelops melacanthus (Hemiptera: Pentatomidae) were analyzed. Compounds were identified by gas chromatography (GC), coupled GC-mass spectrometry and matching retention indices and mass spectra with those of authentic samples. Tridecane was the major component followed by lesser and approximately equal amounts of (E)-4-oxo-2-hexenal and (E)-2-octenal. Other compounds identified include (E)-2-hexenal, decane, (E)-2-hexenyl acetate, undecane, (E)-4-oxo-2-octenal, dodecane, (E)-2-octenyl acetate, 1-tridecene, tetradecane and pentadecane

High Risk of Hepatocellular Carcinoma Development in Fibrotic Liver: Role of the Hippo-YAP/TAZ Signaling Pathway

Liver cancer is the fourth leading cause of cancer-related death globally, accounting for approximately 800,000 deaths annually. Hepatocellular carcinoma (HCC) is the most common type of liver cancer, making up about 80% of cases. Liver fibrosis and its end-stage disease, cirrhosis, are major risk factors for HCC. A fibrotic liver typically shows persistent hepatocyte death and compensatory regeneration, chronic inflammation, and an increase in reactive oxygen species, which collaboratively create a tumor-promoting microenvironment via inducing genetic alterations and chromosomal instability, and activating various oncogenic molecular signaling pathways. In this article, we review recent advances in fields of liver fibrosis and carcinogenesis, and consider several molecular signaling pathways that promote hepato-carcinogenesis under the microenvironment of liver fibrosis. In particular, we pay attention to emerging roles of the Hippo-YAP/TAZ signaling pathway in stromal activation, hepatic fibrosis, and liver cancer.ope

Revisiting oxidative stress and the use of organic selenium in dairy cow nutrition

In commercial animal production productive stress can negatively impact health status and subseqeunt productive and reproductive performance. A great body of evidence demonstrates that as a conseuquence of productive stress an overproduction of free radicals, disturbance of redox balance/signaling, and oxidative stress are observed. There is a range of antioxidants that can be supplied with animal feed which help build and maintain the antioxidant defense system of the body responsible for prevention of the damaging effects of free radicals and the toxic products of their metabolism. Among feed-derived antioxidants, selenium (Se) is shown to have a special place as an essential part of 25 selenoproteins identified in animals. There is a comprehensive body of research in monogastric species that clearly shows that the Se bioavailability within the diet is very much dependent on the form of the element used. Organic Se, in the form of selenomethionine (SeMet), has been reported to be a much more effective Se source when compared with mineral forms, such as sodium selenite or selenate. It has been proposed that one of the main advantages of organic Se in pig and poultry nutrition is the non-specific incorporation of SeMet into general body proteins, thus forming an endogenous Se reserve that can be utilized during periods of stress for additional synthesis of selenoproteins. Responses in ruminant species to supplementary Se tends to be much more variable than those reported in monogastric species, and much of this variability may be a consequence of the different fates of Se forms in the rumen following ingestion. It is likely that the reducing conditions found in the rumen are responsible for the markedly lower assimilation of inorganic forms of Se, thus predisposing selenite-fed animals to potential Se inadequacy that may in turn compromise animal health and production. There is a growing body of evidence that demonstrates that organic Se has a number of benefits, particularly in dairy and beef animals; these include improved selenium and antioxidant status, and better Se transfer via the placenta, colostrum, and milk to the newborn. However, there is a paucity in the data concerning molecular mechanisms of SeMet assimilation, metabolism and selenoprotein synthesis regulation in ruminant animals, and as such further investigation is required

Modification of proteins by reactive lipid oxidation products and biochemical effects of lipoxidation

Lipid oxidation results in the formation of many reactive products, such as small aldehydes, substituted alkenals, and cyclopentenone prostaglandins, which are all able to form covalent adducts with nucleophilic residues of proteins. This process is called lipoxidation, and the resulting adducts are called advanced lipoxidation end products (ALEs), by analogy with the formation of advanced glycoxidation end products from oxidized sugars. Modification of proteins by reactive oxidized lipids leads to structural changes such as increased β-sheet conformation, which tends to result in amyloid-like structures and oligomerization, or unfolding and aggregation. Reaction with catalytic cysteines is often responsible for the loss of enzymatic activity in lipoxidized proteins, although inhibition may also occur through conformational changes at more distant sites affecting substrate binding or regulation. On the other hand, a few proteins are activated by lipoxidation-induced oligomerization or interactions, leading to increased downstream signalling. At the cellular level, it is clear that some proteins are much more susceptible to lipoxidation than others. ALEs affect cell metabolism, protein–protein interactions, protein turnover via the proteasome, and cell viability. Evidence is building that they play roles in both physiological and pathological situations, and inhibiting ALE formation can have beneficial effects

Chemistry and analysis of HNE and other prominent carbonyl-containing lipid oxidation compounds

The process of lipid oxidation generates a diverse array of small aldehydes and carbonyl-containing compounds, which may occur in free form or esterified within phospholipids and cholesterol esters. These aldehydes mostly result from fragmentation of fatty acyl chains following radical oxidation, and the products can be subdivided into alkanals, alkenals (usually α,β-unsaturated), γ-substituted alkenals and bis-aldehydes. Isolevuglandins are non-fragmented di-carbonyl compounds derived from H2-isoprostanes, and oxidation of the ω−3-fatty acid docosahexenoic acid yield analogous 22 carbon neuroketals. Non-radical oxidation by hypochlorous acid can generate α-chlorofatty aldehydes from plasmenyl phospholipids. Most of these compounds are reactive and have generally been considered as toxic products of a deleterious process. The reactivity is especially high for the α,β-unsaturated alkenals, such as acrolein and crotonaldehyde, and for γ-substituted alkenals, of which 4-hydroxy-2-nonenal and 4-oxo-2-nonenal are best known. Nevertheless, in recent years several previously neglected aldehydes have been investigated and also found to have significant reactivity and biological effects; notable examples are 4-hydroxy-2-hexenal and 4-hydroxy-dodecadienal. This has led to substantial interest in the biological effects of all of these lipid oxidation products and their roles in disease, including proposals that HNE is a second messenger or signalling molecule. However, it is becoming clear that many of the effects elicited by these compounds relate to their propensity for forming adducts with nucleophilic groups on proteins, DNA and specific phospholipids. This emphasizes the need for good analytical methods, not just for free lipid oxidation products but also for the resulting adducts with biomolecules. The most informative methods are those utilizing HPLC separations and mass spectrometry, although analysis of the wide variety of possible adducts is very challenging. Nevertheless, evidence for the occurrence of lipid-derived aldehyde adducts in biological and clinical samples is building, and offers an exciting area of future research

Protein Adducts of Aldehydic Lipid Peroxidation Products: Identification and Characterization of Protein Adducts Using an Aldehyde/Keto Reactive Probe in Combination with Mass Spectrometry

This chapter describes a mass spectrometry-based strategy that facilitates the unambiguous identification and characterization of proteins modified by lipid peroxidation-derived 2-alkenals. The approach employs a biotinylated hydroxyl amine derivative as an aldehyde/keto reactive probe in conjunction with selective enrichment and tandem mass spectrometric analysis. Methodological details are given for model studies involving a distinct protein and 4-hydroxy-2-nonenal (HNE). The method was also evaluated for an exposure study of a cell culture system with HNE that yielded the major protein targets of HNE in human monocytic THP-1 cells. The application of the approach to complex biological systems is demonstrated for the identification and characterization of endogenous protein targets of aldehydic lipid peroxidation products present in cardiac mitochondria.This is an author's manuscript, as accepted by the publisher. The published chapter 16 is copyrighted by Elsevier