20 research outputs found
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
2-Amino-1-methyl-6-phenylimidazo[4,5-b]pyridine (PhIP) formation and fate: an example of the coordinate contribution of lipid oxidation and Maillard reaction to the production and elimination of processing-related food toxicants
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