La Dra. Arteaga Castrejón realizó el Doctorado en el Centro de Investigación en Biotecnología de la UAEMor. Actualmente se encuentra desarrollando una estancia posdoctoral en la Unidad de Biotecnología Industrial del Centro de Investigación y Asistencia en Tecnología y Diseño del Estado de Jalisco, A.C. (CIATEJ) en colaboración con el laboratorio de Nanomateriales en el Centro de Investigaciones en Ingeniería y Ciencias Aplicadas (CIICAp), en donde investiga el encapsulamiento sobre sílica porosa de carotenoides extraídos de algas, para mejorar su actividad antioxidante e incrementar su estabilidad.

La Dra. Khandual es doctora en Botánica y actualmente es Investigadora Titular-A en el CIATEJ, en la unidad de Biotecnología Industrial. Sus principales líneas de interés son el desarrollo de biocombustibles y otros productos de valor agregado a partir de microalgas, para aplicaciones industriales como biocombustibles, ingredientes funcionales del sector alimenticio, colorantes naturales, alimentos para peces y proteínas unicelulares.

La Dra. Agarwal es investigadora de tiempo completo Titular C en el CIICAp de la UAEMor y miembro de ACMor. Su principal línea de investigación es el desarrollo de nanomateriales base silicio, carbono y metales nobles para su aplicación como sensores ópticos y remediación ambiental.

Esta publicación fue revisada por el comité editorial de la Academia de Ciencias de Morelos.

Tener una vida saludable depende de muchos factores. Entre los más cotidianos están mantener una dieta equilibrada, realizar actividad física de manera regular, dormir de 7 y 8 horas diarias y tomar alrededor de 2 litros de agua al día.

En cuanto a la dieta equilibrada, esta consiste en proporcionarle al cuerpo todos los nutrientes necesarios que necesita para llevar a cabo sus funciones. No solo se trata de nutrir, sino también para prevenir enfermedades crónicas como la diabetes tipo 2, la obesidad, las enfermedades cardiovasculares (p. ej. hipertensión), e incluso algunos tipos de cáncer. En ese sentido, una dieta saludable también mejora nuestra calidad de vida: descansamos mejor, incrementamos nuestra energía y nos sentimos de buen ánimo, lo cual beneficia nuestras relaciones personales y laborales.

Según la OMS, la composición de una alimentación equilibrada y saludable depende de cada persona de acuerdo con su sexo, edad, hábitos y actividad física realizada, así como con la disponibilidad de alimentos y la cultura del lugar en el que vive. Sin embargo, los principios básicos de una dieta equilibrada son los mismos. La OMS aconseja comer cinco porciones de frutas y verduras al día (o al menos 400 g), con la finalidad de reducir el riesgo de desarrollar enfermedades no transmisibles (como las ya mencionadas) y garantizar una ingesta diaria suficiente de fibra dietética (Figura 1).

¿Cuántas frutas y verduras comes al día?

A lo largo de la historia, las frutas y las verduras han formado parte importante de nuestra dieta, aportando grandes beneficios nutricionales y medicinales. Pero ¿te has preguntado de dónde vienen todos estos beneficios? ¿Están relacionados con su color?

Las frutas y las verduras son fuente de vitaminas, minerales, fibra, lípidos, carbohidratos y proteínas, pero también de compuestos bioactivos entre los que destacan los polifenoles, carotenoides, y flavonoides. Estos poseen grupos funcionales con actividad antioxidante, protegiéndonos así de las enfermedades crónico-degenerativas.

Figura 1. El consumo diario de frutas y verduras tiene grandes beneficios a la salud, previniendo el desarrollo de enfermedades crónicas.

¿Qué es un antioxidante?

Podemos imaginarlos como superhéroes que protegen a tu cuerpo de los villanos llamados “radicales libres”. Estos villanos hacen que nuestro cuerpo se enferme, dañando nuestras células. Los antioxidantes, al encontrarse con ellos, los neutralizan y evitan que nos hagan daño.

Uno de los principales antioxidantes en frutas y verduras son los carotenoides. Existen alrededor de 1204 carotenoides naturales reportados. Los seres humanos no los producimos, sino que los obtenemos a partir de los alimentos, p. ej. de frutos rojos, naranjas, melón, papaya, mango, calabazas, pimientos, lechuga, jitomate, entre muchísimas otras frutas y verduras. Por ello, desde hoy ya no deberías ver a las frutas y verduras como un simple alimento, sino como tu fuente natural de antioxidantes, o mejor dicho, como tu superhéroe favorito.

¿Caro…qué? ¡Carotenoides!

Los carotenoides son pigmentos naturales liposolubles, es decir, solubles en aceite o grasas (pero nunca en agua); la mayoría son estables desde los 4°C hasta los 60°C. Generalmente poseen 40 carbonos en su esqueleto (C40) y en la mayoría de los casos presentan un grupo terminal en cada extremo, que son dos anillos (Figura 2A).

Son sintetizados por algas, bacterias, hongos, levaduras y plantas. Además, tienen la capacidad de absorber la luz visible, lo que les confiere una amplia variedad de colores brillantes en la naturaleza. Los colores de otoño-invierno que van del amarillo al rojo, se deben en gran parte a ellos. Flores como el cempasúchil o la nochebuena son ricas en carotenoides.

Estas moléculas también son las responsables de los colores en algunos animales, como los flamencos o el salmón. Sin embargo, a diferencia de las plantas, estos animales no son capaces de producir carotenoides, y deben obtenerlos a través de su dieta rica en algas y bacterias marinas que sí los producen y almacenan. Gracias a los carotenoides podemos encontrar frutas y vegetales de todos los colores (Figura 2B). ¡La naturaleza es el mejor pintor!

Sin embargo, estas moléculas son sensibles y pueden degradarse al exponerse a altas temperaturas o a la exposición prolongada al calor o la luz, lo que reduce sus beneficios nutricionales. Por ejemplo, al hervir las zanahorias o el betabel, pierden parte de su valor nutricional.

Juntos, pero no revueltos: clasificación

Si observamos la diversidad de frutas y verduras en el mercado o en el super, podemos ver una infinidad de colores, desde las frutas verdes hasta las moradas. Son tonos intensos y brillantes, pero ¿sabes qué representan? La respuesta es: una gran variedad de carotenoides, a veces incluso a más de uno en una sola fruta o verdura.

Figura 2. A, Estructura general de los carotenoides, ejemplificada con la astaxantina. B, Carotenoides presentes en las frutas y vegetales y los principales beneficios a la salud humana.

Sin embargo, no todos los carotenoides son iguales. Existen categorías y se dividen en Xantofilas y Carotenos: suena complicado, pero no lo es y aquí te explicamos.

Las xantofilas son pigmentos que en su estructura tienen oxígeno, es decir, están “oxigenados”, esto les permite tener una potente actividad antioxidante. Además, pueden participar en la fotosíntesis, el proceso mediante el cual las plantas generan energía. Dentro de este grupo encontramos a la luteína, la zeaxantina, la astaxantina, flavoxantina, cantaxantina, entre otras. Estos son los más abundantes, con alrededor de 800 tipos descritos en la naturaleza.

Al igual que las xantofilas, los carotenos son pigmentos, pero a diferencia de estas, los carotenos no contienen átomos de oxígeno en su estructura. Forman parte de los procesos fotosintéticos y algunos de ellos son precursores de la vitamina A. Existen aproximadamente 50 tipos de carotenos en la naturaleza, algunos ejemplos son el licopeno, el b-caroteno, a-caroteno.

Como se mencionó anteriormente, una de sus principales características es su alto potencial antioxidante, ya que pueden donar o recibir electrones de otras moléculas, como los radicales libres o las especies reactivas de oxígeno (ROS, por sus siglas en inglés), incrementando así sus beneficios para la salud humana.

¿Entonces, el problema son las ROS?

Todo inicia con el metabolismo celular, ¿Qué es eso? Nuestro cuerpo está compuesto de millones de células y el metabolismo celular es el conjunto de reacciones bioquímicas que ocurren en su interior para convertir los alimentos en energía. Este proceso es indispensable para mantener la vida.

Uno de los principales productos del metabolismo son las ROS y los radicales libres, estos son moléculas derivadas de oxígeno (O₂) con uno o más electrones desapareados en el último orbital. Cuando están aisladas de otras moléculas se llaman radicales libres. Se forman cuando el O₂ capta un electrón, produciendo el radical anión superóxido (O₂^.-), que a su vez puede llegar a la formación de peróxido de hidrógeno (H₂O₂) y al radical hidroxilo (OH^·).

Todo esto ocurre dentro de la célula, principalmente en las mitocondrias, peroxisomas y citoplasma, donde actúa la enzima NADPH oxidasa (NOX). Esta utiliza el NADPH como un donador de electrones para reducir el O₂ y generar O₂^.-. Algunas fuentes exógenas también pueden generar ROS, como el humo del cigarro, los rayos UV y otros contaminantes (Figura 3).

Las ROS y los radicales libres son moléculas muy reactivas que tienden a reaccionar fácilmente con otras a nivel celular y en la defensa contra virus, bacterias y otros patógenos, su exceso puede causar estrés oxidativo, es decir, cuando su producción supera el poder antioxidante de la célula. En consecuencia, dañan componentes celulares como el ADN, proteínas y lípidos, lo que puede llevar a enfermedades neurodegenerativas (Alzheimer, Parkinson, Esclerosis Múltiple), enfermedades cardiovasculares (hipertensión, aterosclerosis), metabólicas (diabetes, obesidad), cáncer (colon, mama, entre otros), además de enfermedades pulmonares, hepáticas, renales, cataratas y envejecimiento prematuro.

Figura 3. Vías de producción de ROS en la célula y el desequilibrio en la sobreproducción de estos, que llevan al estrés oxidativo y al daño celular.

La solución: Incrementar la ingesta de frutas ricas en carotenoides

Para combatir el estrés oxidativo, prevenirlo o reducir el daño que ocasiona, debemos incrementar el consumo de frutas y verduras ricas en carotenoides y aprovechar así su poder antioxidante y múltiples propiedades.

Las propiedades de los carotenoides están relacionadas con sus características fisicoquímicas, ejemplo de ello puede ser el tamaño y la presencia de anillos cíclicos en su estructura, lo cual garantiza su compatibilidad con el entorno intra y extracelular (gracias a su adecuada colocación y orientación en la membrana celular), así como el esqueleto C40 que posee dobles enlaces, ambos indispensables para determinar su reactividad química y con ello su función. Finalmente, las interacciones de los carotenoides con otras moléculas vecinas, presentes en el mismo entorno también contribuyen a sus propiedades en una manera positiva y efectiva (1).

Una vez ingeridos los carotenoides, son transportados a lo largo del organismo por el plasma sanguíneo. Aunque su mecanismo de acción como antioxidantes no es del todo claro, existen varias hipótesis (2), entre ellas:

1. Transferencia de electrones. Un electrón pasa de una molécula a otra, la que pierde electrones se oxida y la que los gana se reduce.
2. Abstracción/reducción de hidrógeno. Una molécula electronegativa (estas ejercen una fuerte atracción sobre los electrones que forman parte de un enlace) toma un átomo de hidrógeno (H) de otro sustrato.
3. Formación de aductos carotenoides-radical. Los radicales libres roban un átomo de hidrogeno o se añaden a los dobles enlaces de C40 de los carotenoides.

Gracias a estos mecanismos, los carotenoides tienen muchísimas propiedades reportadas, lo que implica que su aplicación se extiende desde su uso en la medicina hasta el uso cosmético.

Beneficios de los carotenoides para la salud humana

Debido a su potencial antioxidante, los carotenoides son ampliamente estudiados por la medicina (Figura 1). Sin importar el grupo al que pertenecen, ofrecen una gran variedad de propiedades.

Cardioprotector: carotenoides como la luteína, b-criptoxantina, zeaxantina y b-caroteno (presentes en la calabaza, betabel, melón, melocotón, papaya y la zanahoria) ejercen un efecto antinflamatorio sobre la pared arterial y reducen la oxidación del colesterol LDL (lipoproteína de baja densidad). Esto previene la formación de placas y enfermedades cardiovasculares asociadas a la arterioesclerosis (4).

Anticancerígeno: la zeaxantina, cantaxantina y licopeno (presentes en frutos rojos, pimientos, maíz y espinacas) pueden inducir apoptosis (muerte celular) en células de cáncer ocular o gástrico. Además, el consumo de frutas y vegetales ricos en b-caroteno se asocia con un menor riesgo de cáncer de pulmón.

Enfermedades metabólicas: carotenoides como la astaxantina (presentes en sandía, papaya y mandarina), reducen los niveles de glucosa plasmáticos y la resistencia a la insulina en pacientes diabéticos. La zeaxantina por su parte ayuda a reducir la acumulación de lípidos, combatiendo de esta manera a la obesidad.

Enfermedades oculares: la luteína y el a- caroteno (presentes en vegetales de hoja verde) reducen la inflamación de la retina, previniendo así la retinopatía, principal causa de ceguera que además está asociada a la diabetes.

Enfermedades neurodegenerativas: la luteína tiene potencial para reducir la demencia en adultos mayores (3), además el tratamiento con licopeno mostró potencial para reparar el deterioro de aprendizaje y memoria en ratas, a través de la expresión e inhibición de moléculas neuroinflamatorias (5).

Antienvejecimiento: la capsantina y capsorrubina (presentes en el pimiento rojo y el chile), protegen contra el daño cutáneo ocasionado por los rayos UV. Enfermedades pulmonares: carotenoides como la astaxantina y el b-caroteno, poseen efectos antioxidantes y antiinflamatorios que pueden reducir el daño pulmonar. Finalmente, los carotenoides provitamina A (como el b y a- caroteno), que nuestro cuerpo puede convertir en vitamina A, fortalecen nuestro sistema inmune.

Debido a los beneficios de los carotenoides, los esfuerzos por obtener nuevos y mejores medicamentos a partir de ellos se han incrementado. Recientemente nuestro grupo de investigación ha contribuido en la encapsulación de astaxantina en partículas de sílica porosa biogénica, incrementando su estabilidad térmica y manteniendo su actividad antioxidante, para futuros usos médicos.

Conclusión: un arcoíris de frutas para una vida saludable

El encontrar a los carotenoides de una manera tan accesible, en donde solo basta con comer una deliciosa fruta o verdura, no es la mejor parte de esta historia. Lo mejor son todas sus propiedades, aquellas que nos ayudan a tener una vida saludable, por ello las frutas son consideradas alimentos funcionales naturales. ¡El dinero no se da en los árboles, pero lo saludable sí!

Agradecimientos

Todas las figuras fueron creadas en https://www.biorender.com.

Referencias

1) María Elena Carranco Jáuregui, Ma. de la Concepción Calvo Carrillo, Fernando Pérez-Gil Romo. Carotenoides y su función antioxidante: Revisión. Archivos Latinoamericanos de Nutrición 61(3), Año 2011. http://www.alanrevista.org/ediciones/2011/3/art-1/

2) Pérez-Gálvez, A.; Viera, I.; Roca, M. Carotenoids and Chlorophylls as Antioxidants. Antioxidants 2020 , 9: 505. https://doi.org/10.3390/antiox9060505

3) Hernandez Espinosa, Diego Rolando et al . El papel de las especies reactivas de oxígeno y de nitrógeno en algunas enfermedades neurodegenerativas. Rev. Fac. Med. (Méx.) 62(3): 6-19, 2019,https://doi.org/10.22201/fm.24484865e.2019.62.3.03.

4) Mohd Hassan N, Yusof NA, Yahaya AF, Mohd Rozali NN, Othman R. Carotenoids of Capsicum Fruits: Pigment Profile and Health-Promoting Functional Attributes. Antioxidants 2019, 8(10),469 doi: 10.3390/antiox8100469

5) Li, Yafei & Li, Tingting & Yan, Zhicheng & Bariami, Wafae & Wu, Caie & Yan, Shijie & Fan, Gongjian & Li, Xiaojing & Zhou, Dandan & Cong, Kaiping & Cheng, Jinfeng. (2024). Carotenoids in berries: Composition, benefits, metabolic processes and influencing factors - A review. Scientia Horticulturae 329:  112956. doi: 10.1016/j.scienta.2024.112956.

Lecturas recomendadas

• Tesoros acuáticos: Carotenoides de microalgas y su futuro en la nanobiotecnología. Recursos Naturales y Sociedad, 2023. Vol. 9 (2): 29-37. https://doi.org/10.18846/renaysoc.2023.09.09.02.0003
• Podemos hacer ciencia con algas: Desde nanomateriales a nanobiotecnología. https://acmor.org/publicaciones/podemos-hacer-ciencia-con-algas-desde-nanomateriales-a-nanobiotecnolog-a
• Alimentación sana. https://www.who.int/es/news-room/fact-sheets/detail/healthy-diet

Esta columna se prepara y edita semana con semana, en conjunto con investigadores morelenses convencidos del valor del conocimiento científico para el desarrollo social y económico de Morelos.