Имбирь и гингеролы: свойства, механизмы действия и перспективы исследований.

Введение

Джинджерол ([6]-джинджерол) – фенольное фитохимическое соединение, содержащееся в свежем имбире, которое активирует тепловые рецепторы на языке. Обычно он встречается в виде жгучего желтого масла в корневище имбиря, но также может образовывать кристаллическое твердое вещество с низкой температурой плавления. Это химическое соединение содержится во всех представителях семейства Имбирные (Zingiberaceae) и в высоких концентрациях в райских зернах, а также в африканских видах имбиря. Приготовление имбиря преобразует джинджерол посредством обратной альдольной реакции в джинджерон, который менее жгучий и обладает пряно-сладким ароматом. При сушке или умеренном нагревании имбиря джинджерол подвергается реакции дегидратации, образуя шогаолы, которые примерно в два раза жгучее, чем джинджерол. Это объясняет, почему сушеный имбирь более жгучий, чем свежий. Имбирь также содержит [8]-джинджерол, [10]-джинджерол и [12]-джинджерол, которые в совокупности называются джинджеролами.

Физиологический потенциал

В предклиническом метаанализе соединений гингерола были сообщены противораковые, противовоспалительные, противогрибковые, антиоксидантные, нейропротекторные и гастропротекторные свойства, включающие исследования in vitro и in vivo. Ряд исследований in vivo предположили, что гингеролы способствуют здоровой регуляции глюкозы у больных диабетом. Многие исследования были посвящены влиянию гингеролов на широкий спектр онкологических заболеваний, включая лейкемию, рак предстательной железы, молочной железы, кожи, яичников, легких, поджелудочной железы и колоректальный рак. Клинических испытаний для оценки физиологического воздействия гингеролов на человека проведено недостаточно. Хотя многие химические механизмы, связанные с влиянием гингеролов на клетки, были тщательно изучены, лишь немногие из них были исследованы в клинических условиях. Это связано с высокой вариабельностью природных фитохимических веществ и недостаточной эффективностью в исследованиях. Большинство растительных лекарственных средств, включая гингеролы, подпадают под действие ограничений Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США, а экспериментальные методы не выдержали проверки, что снизило ценность исследований фитохимических веществ. Для стимуляции апоптоза в раковых клетках цитохром С высвобождается из митохондрий, что прекращает выработку АТФ и приводит к дисфункции митохондрий. Цитохром С формирует апоптосому, которая активирует каспазу-9 и запускает каскад исполнительных каспаз, эффективно расщепляя ДНК на гистоны и способствуя апоптозу. [6] Гингерол также ингибирует антиапоптотические белки Bcl-2 на поверхности митохондрий, что, в свою очередь, повышает способность проапоптотических белков Bcl-2 инициировать гибель клеток. Раковые клетки демонстрируют высокое содержание активаторов гормона роста, которые экспрессируются посредством сигнальных путей, связанных с ферментами. Путем блокирования фосфорилирования PI3-киназы белок Akt не может связываться со своим PH-доменом, эффективно деактивируя нисходящий сигнал. Это, в свою очередь, поддерживает связывание белков Bad с антиапоптотическими белками, предотвращая их стимуляцию роста клеток, что приводит к двойному отрицательному клеточному сигнальному пути, способствующему апоптозу. Культивированные клетки рака молочной железы человека подвергались воздействию различных концентраций [6] гингерола для определения его влияния на живые клетки. Эти результаты, зависящие от концентрации, показали, что при 5 мкМ воздействия не наблюдалось, но произошло снижение на 16% при 10 мкМ. [6] Гингерол улучшил выработку глутатиона в зависимости от дозы, что указывает на то, что более высокая доза оказывала большее влияние [6] гингерола. Некоторые соединения гингерола проявляют прооксидантные свойства при высоких концентрациях, однако в нормальных условиях эти фитохимические вещества обладают противовоспалительными и антиоксидантными свойствами.

In a pre clinical meta analysis of gingerol compounds anticancer, anti inflammatory, anti fungal, antioxidant, neuroprotective and gastroprotective properties were reported, which include studies in vitro and in vivo. A few in vivo studies have proposed that gingerols facilitate healthy glucose regulation for diabetics. Many studies have been around the effects of gingerols on a wide range of cancers including leukemia, prostate, breast, skin, ovarian, lung, pancreatic and colorectal. There has not been much clinical testing to observe gingerols physiological impacts in humans. While many of the chemical mechanisms associated with the effects of gingerols on cells have been thoroughly studied, few have been in a clinical setting. This is due to the high variability in natural phytochemicals and the lack of efficacy in research. Most herbal medicine, which include gingerols, are under the restrictions of the Food and Drug Administration in the United States and experimental methods have not held up to scrutiny which has decreased the value in phytochemical research. To promote apoptosis in cancer cells Cytochrome C is ejected from the mitochondria which ceases ATP production leaving a dysfunctional mitochondria. The Cytochrome C assembles an apoptosome which activates the Caspase 9 and initiates an executioner Caspase cascade, effectively breaking down DNA into histones and promoting apoptosis. [6] Gingerol also inhibits the anti apoptotic Bcl 2 proteins on the surface of mitochondria, which in turn increases the capabilities for the pro apoptotic Bcl 2 proteins to initiate cell death. Cancer cells exhibit high amounts of growth hormone activator proteins that are expressed through enzyme coupled signaling pathways. By halting the phosphorylation of PI 3 Kinase the Akt protein cannot bind with its PH domain, effectively deactivating the downstream signal. Successively keeping Bad proteins bound to anti apoptotic proteins which keeps them from promoting cell growth, consequently, a double negative cellular signaling pathway to promote apoptosis. Cultured human breast cancer cells were subjected to various concentrations of [6] gingerol to determine the impacts on live cells. These concentration dependent results concluded that there was no impact at 5 μM but a reduction of 16% occurred at 10 μM. [6] gingerol improved glutathione production in dose dependent results which suggested that the higher a dosage the more of an effect [6] gingerol had. There are some pro oxidant behaviors to gingerol compounds when the concentration reaches high levels although also considered, in normal conditions these phytochemicals observed have anti inflammatory and anti oxidant qualities.

Биосинтез

И как имбирь (Zingiber officinale), так и куркума (Curcuma longa) предполагались использующими фенолпропаноидный путь и производящими предполагаемые продукты поликетидсинтазы III типа, основываясь на исследованиях биосинтеза 6-гингерола, проведенных Денниффом и Уайтингом в 1976 году, и исследованиях Шрёдера в 1997 году. 6-Гингерол является основным гингеролом в корневищах имбиря и обладает рядом интересных фармакологических свойств, таких как анальгетический эффект. Хотя биосинтез 6-гингерола полностью не выяснен, здесь представлены правдоподобные пути. В предложенном биосинтетическом пути, схема 1, L-Phe (1) используется в качестве исходного материала. Он превращается в коричную кислоту (2) посредством фенилаланин-аммиак-лиазы (PAL). Затем, с помощью цинамат-4-гидроксилазы (C4H), он превращается в п-кумаровую кислоту (3). Далее, для получения п-кумароил-КоА (5) используется 4-кумарат:КоА-лигаза (4CL). п-Кумароилшикиматтрансфераза (CST) является ферментом, ответственным за связывание шикимовой кислоты и п-кумароил-КоА. Образовавшийся комплекс (5) затем селективно окисляется в положении C3 п-кумароил-5O-шикимат-3'-гидроксилазой (CS3'H) до спирта. При повторном действии CST шикимат отщепляется от этого промежуточного соединения, образуя кофеил-КоА (7). Для получения желаемого паттерна замещения на ароматическом кольце, кофеил-КоА O-метилтрансфераза (CCOMT) превращает гидроксильную группу в положении C3 в метоксигруппу, как видно в феррулоил-КоА (8). До этого этапа, согласно Рамиресу Ахумаде и соавторам, активность ферментов очень высока. Предполагается, что некоторые поликетидсинтазы (PKS) и редуктазы участвуют в конечном синтезе 6-гингерола (10). Поскольку неясно, происходит ли присоединение метоксигруппы до или после стадии конденсации поликетидсинтазы, альтернативный путь показан на схеме 2, где метоксигруппа вводится после активности PKS. В этом альтернативном пути, вероятно, участвуют цитохром P450-гидроксилазы и S-аденозил-L-метионин-зависимые O-метилтрансферазы (OMT). Существует три возможности для стадии восстановления редуктазой: непосредственно после активности PKS, после активности PKS и гидроксилазы, или в конце, после активности PKS, гидроксилазы и OMT.

Both ginger (Zingiber officinale) and turmeric (Curcuma longa) had been suspected to utilize phenylpropanoid pathway and produce putative type III polyketide synthase products based on the research of 6 gingerol biosynthesis by Denniff and Whiting in 1976 and by Schröder's research in 1997. 6 Gingerol is the major gingerol in ginger rhizomes and it possesses some interesting pharmacological activities like analgesic effect. While the biosynthesis of 6 gingerol is not fully elucidated, plausible pathways are presented here. In the proposed biosynthetic pathway, Scheme 1, L Phe (1) is used as the starting material. It is converted into Cinnamic acid (2) via phenylalanine ammonia lyase (PAL). Then it is turned into p Coumaric acid (3) with use of cinnamate 4 hydroxylase (C4H). 4 coumarate:CoA ligase (4CL) is then used to get p Coumaroyl CoA (5). P Coumaroyl shikimate transferase (CST) is the enzyme that is responsible for the bonding of shikimic acid and p Coumaroyl CoA. The complexed (5) is then selectively oxidized at C3 by p coumaroyl 5 O shikimate 3' hydroxylase (CS3'H) to alcohol. With another action of CST, shikimate is broken off from this intermediate, thereby yielding Caffeoyl CoA (7). In order to get desired substitution pattern on the aromatic ring, caffeoyl CoA O methyltransferase (CCOMT) converts the hydroxyl group at C3 into methoxy as seen in Feruloyl CoA (8). Up until this step, according to Ramirez Ahumada et al., the enzyme activities are very active. It is speculated that some polyketide synthases (PKS) and reductases are involved in final synthesis of 6 Gingerol (10). Because it is unclear whether the methoxy group addition is performed before or after the condensation step of the polyketide synthase, alternative pathway is shown in Scheme 2, where methoxy group is introduced after PKS activity. In this alternative pathway, the enzymes involved are likely to be cytochrome p450 hydroxylases, and S adenosyl L methionine dependent O methyltransferases (OMT). There are three possibilities for the reduction step by Reductase: directly after PKS activity, after PKS and Hydroxylase activity, or in the end after PKS, Hydroxylase, and OMT activity.