Dr hab. inż. Agnieszka Starek
Dr inż. Agata Blicharz-Kania
Od wielu lat trwają intensywne poszukiwania substancji, która byłaby „lekiem na całe zło”. Ostatnie badania pokazują, że na miano takiego związku zasługuje karnozyna. Pierwsza próba izolacji karnozyny miała miejsce już w na początku ubiegłego wieku, kiedy to rosyjski badacz Gulewicz W.S. jako pierwszy wyizolował z materiału biologicznego karnozynę, której strukturę chemiczną ustalono kilka lat później.
Obecnie wiadomo, że karnozyna jest dipeptydem, czyli związkiem niebiałkowym zbudowanym z dwóch aminokwasów: L-histydyny oraz β-alaniny. Reakcja katalizowana jest przez syntetazę karnozynową, w której bierze udział ATP:
L-histydyna + β-alanina + ATP -> karnozyna + AMP+ PP
Druga nazwa, tak zwana strukturalna (rys. 1), wywodzi się ściśle od składowych tego związku i brzmi nieco skomplikowanie, czyli dipeptyd β-alanylo-L-histydylowy.
Substancja ta stanowi główny i podstawowy dipeptyd wchodzący w skład mięśni człowieka i zwierząt. Jednak mięśnie to nie jedyne miejsce w ustroju człowieka, w którym się on znajduje. Występuje również w ośrodkowym układzie nerwowym ssaków, a szczególnie w komórkach glejowych, stanowiących drugi ilościowo składnik budujący układ nerwowy człowieka oraz w neuronach węchowych. Im młodszy organizm, tym więcej tego związku zawiera, z czasem jednak poziom karnozyny obniża się, podobnie jak jej jakość, co prowadzi do wielu niekorzystnych zjawisk. Dodatkowo, u osób zmagających się z cukrzycą typu II czy zespołem metabolicznym, poziom karnozyny również jest znacznie pomniejszony.
Zastosowanie karnozyny jest niezwykle szerokie, a wszystko za sprawą wielopoziomowego oddziaływania na organizm zwierzęcy i ludzki. Okazuje się, że działa ona jako przeciwutleniacz, zapobiegając powstawaniu wolnych rodników, chroni przed glikacją, degeneracją DNA i utlenianiem. Te właściwości przeciwutleniające karnozyny wynikają z obecności pierścienia imidazolowego i wiązania peptydowego między β-alaniną i histydyną. Z kolei według badań Shao (2004), karnozyna może wydłużać życie komórek w hodowli, poprzez mechanizm hamowania skracania telomerowych odcinków DNA.
Rys. 1. Wzór strukturalny karnozyny
W hodowlach komórek ludzkich zauważono, że obecność karnozyny w środowisku wyraźnie opóźnia ich starzenie się (komórki, w których otoczeniu znajdował się ten związek, zachowywały dłużej swoje funkcje). Podobne wyniki otrzymali McFarland i Holliday (1999) dodając karnozynę do hodowli ludzkich fibroblastów. Wykazano również, że doustne podawanie karnozyny przez okres 3 miesięcy poprawia ogólny stan skóry i zmniejsza zmarszczki. Co więcej, związek ten, działa synergistycznie z α-tokoferolem. W badaniach u osób dializowanych łączne podawanie obu przeciwutleniaczy zmniejszało stres oksydacyjny i ochroniło przed chorobami sercowo-naczyniowymi. Podobnie w badaniach na muszkach owocówkach dowiedziono, że karnozyna przedłużała ich życie nawet o 20%. Kiedy połączono ją z rozpuszczalną w wodzie formą witaminy E, żeńskie muszki doświadczyły 36% przedłużenia życia.
Antyoksydacyjny charakter karnozyny jest oczywiście powiązany z usuwaniem wolnych rodników. Wszystko za sprawą wiązania metali ciężkich i ich późniejszego chelatowania, co prowadzi do całkowitej neutralizacji szkodliwych substancji. Związek posiada te właściwości w stosunku do kobaltu, cynku, żelaza i miedzi. Kiedy dochodzi do zaburzenia w stężeniu jonów cynku w ośrodkowym układzie nerwowym, występuje zwiększone ryzyko schorzeń neurologicznych, na przykład choroby Alzheimera czy padaczki. Natomiast toksyczne oddziaływanie miedzi prowadzi między innymi do zróżnicowanych form uszkodzenia wątroby i skorelowane jest z rozwojem choroby Willsona. Niekorzystny jej wpływ zaobserwowano również w obrębie ośrodkowego układu nerwowego z uszkodzeniem jego struktur, martwicą komórek nerwowych i wtórnie, powstawaniem jamistości tkanki nerwowej. Bardzo rzadko obserwuje się cechy uszkodzenia mięśnia serca, gruczołów wewnętrznego wydzielania, zmiany kostne i stan zapalny stawów.
Kolejną chorobą, którą może powstrzymać suplementacja karnozyny jest zaćma starcza. Jej możliwość zmniejszania stresu oksydacyjnego niweluje ryzyko wystąpienia degeneracyjnego schorzenia oczu.
Karnozyna wykazuje wiele działań prozdrowotnych w obrębie układu krwionośnego, gdyż poprawia kurczliwość mięśnia sercowego, zmniejsza napięcie naczyniowe poprzez regulowanie stężenia wapnia, zapobiegając tym samym rozwojowi miażdżycy. Dipeptyd ten może też chronić serce przed uszkodzeniem w warunkach niedokrwienia i reperfuzji. Dowiodły tego badania na modelu szczurzym. U tych zwierząt Rusakov i Dolgikh (1992) wywołali śmiertelną utratę krwi, a po 4- i 6-minutowej śmierci klinicznej wykonali resuscytację. Stwierdzili peroksydację lipidów, obniżenie aktywności enzymów przeciwutleniających oraz aktywację glikolizy beztlenowej w mięśniu sercowym. Dochodziło również do niestabilności hemodynamicznej. Podana pozajelitowo karnozyna (w dawce 25 mg/kg) zredukowała stężenie substancji toksycznych powstałych w wyniku peroksydacji lipidów oraz zmniejszyła metaboliczne i hemodynamiczne zaburzenia czynności serca.
Niezwykle istotną funkcją karnozyny jest wpływ na regulację i intensyfikację pracy mięśni poprzez poprawę kurczliwości ich włókien. Jej działanie na organizm aktywny, generalnie przyczynia się do zwiększenia kondycji fizycznej, głównie poprzez buforujące działanie na kwas mlekowy, który wytwarza się w mięśniach po odbytym treningu. Naukowcy zaobserwowali (zjawisko Seweryna), że kiedy mięśnie żaby poddano stymulacji elektrycznej (w celu uzyskania zmęczenia), a następnie umieszczono w roztworze zawierającym karnozynę, skutecznie poprawiła się ich wytrzymałość i siła skurczu.
Warto wspomnieć, iż karnozyna posiada zdolność hamowania wzrostu komórek nowotworowych.
Pierwsze doniesienie o efekcie przeciwnowotworowym tego dipeptydu opisali w 1986 roku Nagai i Suda, którzy stosowali karnozynę (50 mg/kg/dzień) podczas leczenia guza gruczołu piersiowego. Inne badania dowiodły, że karnozyna może być potencjalnym czynnikiem antyproliferacyjnym w rozwoju nowotworu nerki [Pandurangan i in., 2013]. Co więcej, analizy wykonane przez Dinga i in. (2018) świadczą o tym, że L-karnozyna ma działanie przeciwnowotworowe w ludzkich komórkach raka wątroby.
Ze względu na pozytywne oddziaływanie karnozyny na organizm ludzki, warto zastanowić się właściwie, w których produktach spożywczych możemy ją znaleźć? Średnia zawartość procentowa karnozyny w stosunku do całkowitej CRC (Carnosine Related Compounds) jest najwyższa w mięsie końskim (98,9%), następnie w polędwicy wieprzowej (89,3%) i wołowinie (88,0%), podczas gdy indyk, królik i kurczak zawierają odpowiednio – 19,9%, 23,3% i 30,6% tego związku. Niestety przez enzym karnozynazy jest ona szybko degradowana w organizmie.
Oznacza to, że nawet jeśli stosuje się dietę bogatą w ten bioaktywny związek, nie zostaje on w organizmie wystarczająco długo, by zapewnić obronne efekty. Wyniki badań wykazują, że 250 mg spożytej karnozyny z około 200 g mięsa hamburgera, zostało zupełnie oczyszczone z krwi badanych osób w ciągu 5-6 godzin przez enzym karnozynazę. Przyjmuje się, że 1000 mg dziennie karnozyny byłoby optymalną ilością (Park i in., 2005).
Dlatego też związek ten zaczęto używać jako substancję wzbogacającą produkty pochodzenia zwierzęcego. Badania naukowców polskich, jak i zagranicznych dowodzą, że użycie karnozyny jako dodatku do mięs ma również swoje uzasadnienie technologiczne, gdyż jest ona doskonałym przeciwutleniaczem.
Analizy prowadzone w Katedrze Technologii Surowców Zwierzęcych i Zarządzania Jakością na Uniwersytecie Przyrodniczym we Wrocławiu, mają na celu opracowanie technologii izolacji z surowców mięsnych tego cennego dipeptydu, oddziaływującego na procesy oksydacji oraz nieenzymatycznej glikozylacji zachodzących zarówno w procesach fizjologicznych organizmów zwierząt i ludzi, oraz w trakcie wytwarzania i przechowywania żywności. Trwają intensywne prace nad stworzeniem bulionów mięsnych o wysokiej zawartości karnozyny, jak również nad opracowaniem nowych produktów mięsnych, które będą zawierać duże ilości również innych naturalnych antyoksydantów.
Reakcje oksydacji lipidów, barwników hemowych i białek mięśniowych, poza mikrobiologicznym psuciem, uważane są za najważniejsze procesy wpływające na obniżenie jakości (właściwości funkcjonalnych, sensorycznych, tekstury i wartości odżywczej) mięsa w trakcie przechowywania. W ich efekcie zmniejsza się rozpuszczalność białek, pogorszeniu ulegają smak i zapach, tworzą się wolne rodniki i inne produkty oksydacji, np. utlenione formy cholesterolu (Bekhit i in., 2013; Lund i in., 2007; Ventanas i in., 2006). Decker i Crum (1993) wykazali, że dipeptyd ten zmniejszał utlenialność tłuszczów w mielonym mięsie z indyka i pasztecikach z kurczaka.
Bekhit i in. (2004) zastosowali karnozynę w celu zmniejszenia peroksydacji tłuszczów w mielonej wołowinie. Podczas przechowywania w żadnym z analizowanych przypadków TBARS nie przekroczył wartości progowej 1 mg MDA/kg, związanej z pojawieniem się nieakceptowanego aromatu będącego efektem oksydacyjnego jełczenia.
W badaniach O’Neill i in. (2009) paszteciki ze zmielonego podudzia kurczaka przygotowano z karnozyną (1,5%), solą (1%) lub solą
i karnozyną. Po ich przechowywaniu w warunkach chłodniczych nie stwierdzono obniżenia jakości tych wyrobów.
Das i in. (2006) zaobserwowali, że próbki mielonego mięsa bawolego zawierające 1,0% i 1,5% karnozyny znacząco hamowały tworzenie metmioglobiny i powstawanie brązowego zabarwienia. Karnozyna poprawiła również pH mięsa i zdolność zatrzymywania wody. Co więcej, zapewniła pożądany wizualny kolor i zapach mięsa. Zastosowanie tego dodatku w ilości 1,0% wydłużyło okres przydatności wyrobu do 8 dni (w temperaturze 4±1°C).
Analizy naukowe przeprowadzone przez Lee i in. (1999) dowiodły, iż kwas askorbinowy (0,1%) znacząco hamował tworzenie metmioglobiny (MetMb) na powierzchni mielonej wołowiny, ale nie w masie produktu, gdzie ciśnienie tlenu było niższe. Jednakże karnozyna dodana w ilości 1,0% znacząco opóźniała tworzenie metmioglobiny i powstawanie brązowego zabarwienia w całym produkcie. Generalnie karnozyna w połączeniu z kwasem askorbinowym może być przydatna jako dodatek do mięsa w celu wydłużenia okresu przydatności do spożycia, jak również stabilizowania koloru produktów mięsnych.
Zmiany oksydacyjne zostały również zahamowane w pasztecikach wołowych pakowanych w atmosferze modyfikowanej (70% O2 + 20% CO2 + 10% N2) pod wpływem dodatku kwasu askorbinowego i karnozyny. Wyroby te w czasie dwudziestodniowego przechowywania w temperaturze 2±1OC charakteryzowały się odpowiednią barwą mierzoną w systemie CIE L*a*b* (Sánchez-Escalante i in., 2011).
Wyniki badań Badr (2007) pokazują, że karnozyna może być z powodzeniem stosowana jako naturalny przeciwutleniacz w celu zwiększenia stabilności oksydacyjnej napromieniowanych promieniami gamma surowych i gotowanych produktów mięsnych. Ponadto związek ten wywierał znaczącą skuteczność w utrzymaniu akceptowalnego wizualnego czerwonego koloru po napromieniowaniu oraz podczas przechowywania mielonej wołowiny i surowych pasztecików w lodówce (4±1OC), jak i w zamrażarce (-18OC).
Dużą zaletą karnozyny jest to, że wykazuje ona dość wysoką stabilność termiczną podczas obróbki cieplnej. Peiretti i in. (2012) zaobserwowali, że gotowanie wołowiny przez 10 minut spowodowało utratę około 50% karnozyny, prawdopodobnie z powodu wysokiej rozpuszczalności tego związku w wodzie. Obróbka za pomocą mikrofal (10 minut) spowodowała średnią utratę przeciwutleniacza na poziomie około 20%, zaś obróbka mięsa w polu mikrofalowym (3 minuty) połączona z grillowaniem trwającym 7 minut doprowadziły do zmniejszenia karnozyny tylko o około 10%.
Zatem czy faktycznie wraz z wiekiem możemy zapomnieć o spowolnieniu starzenia się, przemęczeniu spowodowanym przepracowaniem czy problemach ze zdrowiem? Liczne badania naukowe dowodzą, że jednak tak! Karnozyna jest substancją o cudownych, unikalnych właściwościach, które wyróżniają ją na tle innych substancji białkowych i aminokwasów. Wykazuje ona duży potencjał terapeutyczny w walce z procesami starzenia się organizmów z uwagi na właściwości protekcyjne w stosunku do makrocząsteczek budulcowych: białek, lipidów czy DNA. Może ona znaleźć bardzo szerokie zastosowanie w profilaktyce i leczeniu chorób cywilizacyjnych, których genezą jest stres oksydacyjny i karbonylowy. Oprócz chorób sercowo-naczyniowych i nowotworowych spore nadzieje wiąże się z leczeniem chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera oraz chorób metabolicznych. Największe ilości karnozyny występują w mięsie końskim, wołowym oraz drobiowym (głównie u ciemnych ras kur). Nie są to jednak na tyle duże dawki, aby wspomóc organizm człowieka w walce z chorobami. Dlatego też, produkty spożywcze, w tym mięsne, należy wzbogacać karnozyną. Niewykluczone, że to właśnie ona stanie się złotym środkiem, dzięki któremu wydłużymy i polepszymy nasze życie.
- Literatura:
Badr, H. M. (2007). Antioxidative activity of carnosine in gamma irradiated ground beef and beef patties. Food Chemistry, 104(2), 665-679.
Bekhit, A. E. D., Geesink, G. H., Ilian, M. A., Morton, J. D., Sedcole, J. R., & Bickerstaffe, R. (2004). Pro-oxidant activities of carnosine, rutin and quercetin in a beef model system and their effects on the metmyoglobin-reducing activity. European Food Research and Technology, 218(6), 507-514. - Bekhit, A. E. D. A., Hopkins, D. L., Fahri, F. T., & Ponnampalam, E. N. (2013). Oxidative processes in muscle systems and fresh meat: Sources, markers, and remedies. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 12(5), 565-597.
Das, A. K., Anjaneyulu, A. S. R., & Biswas, S. (2006). Effect of carnosine preblending on the quality of ground buffalo meat. Food Chemistry, 97(3), 531-538. - Decker, A., & Crum, D. (1993). Control of lipid oxidation in cooked ground pork by carnosine. Meat Science, 34, 245-253.
Lee, B. J., Hendricks, D. G., & Cornforth, D. P. (1999). A comparison of carnosine and ascorbic acid on color and lipid stability in a ground beef pattie model system. Meat Science, 51(3), 245-253. - Lund, M. N., Lametsch, R., Hviid, M. S., Jensen, O. N., & Skibsted, L. H. (2007). High-oxygen packaging atmosphere influences protein oxidation and tenderness of porcine longissimus dorsi during chill storage. Meat Science, 77(3), 295-303.
McFarland G.A., Holliday R.: Further evidence for the rejuvenating effects of the dipeptide L-carnosine on cultured human diploid fibroblasts. Gerontol., 1999; 34: 35-45. - O’Neill, L. M., Galvin, K., Morrissey, P. A., & Buckley, D. J. (1999). Effect of carnosine, salt and dietary vitamin E on the oxidative stability of chicken meat. Meat Science, 52(1), 89-94.
- Park, Y. J., Volpe, S. L., & Decker, E. A. (2005). Quantitation of carnosine in humans plasma after dietary consumption of beef. Journal of agricultural and food chemistry, 53(12), 4736-4739.
- Peiretti, P. G., Medana, C., Visentin, S., Dal Bello, F., & Meineri, G. (2012). Effect of cooking method on carnosine and its homologues, pentosidine and thiobarbituric acid-reactive substance contents in beef and turkey meat. Food Chemistry, 132(1), 80-85.
Rusakov VV, Dolgikh VT. Reperfusion injury of myocardial biomembranes after acute fatal hemorrhage and their correction with carnosine. Biokhimiia 1992; 57: 1393–1397. - Sánchez-Escalante, A., Djenane, D., Torrescano, G., Beltrán, J. A., & Roncalés, P. (2001). The effects of ascorbic acid, taurine, carnosine and rosemary powder on colour and lipid stability of beef patties packaged in modified atmosphere. Meat Science, 58(4), 421-429.
Shao L, Li QH, Tan Z. L-carnosine reduces telomere damage and shortening rate in cultured normal fibroblasts. Biochem Biophys Res Commun 2004; 324: 931–936. - Syta E.A., Ginalska G., Kazimierczak P. Bioaktywne właściwości karnozyny. 2018. Medycyna Ogólna i Nauki
o Zdrowiu, Tom 24, Nr 2, 96–100. - Ventanas, S., Estevez, M., Tejeda, J. F., & Ruiz, J. (2006). Protein and lipid oxidation in Longissimus dorsi and dry cured loin from Iberian pigs as affected by crossbreeding and diet. Meat Science, 72(4), 647-655.
- https://bonavita.pl/karnozyna-dzialanie-wystepowanie
- http://www.aptekarzpolski.pl/2017/06/karnozyna/
- https://www.fabrykasily.pl/suplementy/karnozyna-dzialanie-i-zastosowanie
- https://medpak.com.pl/blog/poradniki/karnozyna-dzialanie-wystepowania-wlasciwosci
