Характеристика каротиноидов

1.3 Роль каротиноидов  для организма человека

1.3.1 Значение  и функции

Хотя многие аспекты  физиологических функций каротиноидов остаются невыясненными до конца, можно с уверенностью утверждать, что они играют важную роль в различных физиологических процессах, без которых жизнь в существующей форме была бы невозможна.

Одна из важнейших функций каротиноидов — А-провитаминная активность. Человек и животные не способны синтезировать витамин А, который является незаменимым для зрения, роста, репродукции, защиты от различных бактериальных и грибковых заболеваний, нормального функционирования кожи и слизистых. Витамин А не образуется и в растительных тканях, и может быть получен только путем преобразования провитамин-А активных каротиноидов (прежде всего β-каротина, а также α-каротина, криптоксантина, 3,4-дигидро-β-каротина, астаксантина, кантаксантина и др.).

Ранее исследования показывали, что β-каротин, будучи антиоксидантом, снижает вероятность заболеваний раком людей, употребляющих много продуктов, богатых β-каротином. Но последние крупные исследования показали, что β-каротин увеличивает риск раковых заболеваний у курильщиков. В ходе ряда исследований было доказано, что употребление β-каротина приводит к увеличению вероятности заболевания раком легких и раком простаты курильщиков, а также людей, работающих на асбестовом производстве .

Однако это действие каротина относится  только к курильщикам и людям контактирующим с вредными веществами. Это связано с тем, что бета-каротин активизирует канцерогенные вещества, находящиеся в табачном дыме и асбесте. А канцерогены в свою очередь повреждают человеческие клетки и превращают их в раковые.

В то же время, витамин А и его производные ретиноиды - можно использовать при нарушении процессов керотинизации, а также для профилактики и лечения некоторых раковых заболеваний. В основу этих рекомендаций положены данные о том, что ретиноиды способны влиять на рост опухолей путем воздействия на иммунную систему, на дифференциацию ткани (особенно эпителиальной), на адгезивные свойства клеток и клеточные взаимодействия. Витамин А и его производные оказались эффективным средством при лечении прелейкемического синдрома, канцеромы языка, меланомы. Особенно ценным в действии ретиноидов на опухоли является то, что эффект этих соединений основан на иных механизмах подавления роста злокачественных клеток, чем при использовании обычной цитотоксической хемотерапии.

Представляет интерес  влияние каротиноидов на эндокринную  систему, особенно это касается полового развития и созревания, оплодотворения, прохождения репродуктивных процессов.

Еще одна важная функция  — способность образовывать комплексы  с протеинами. Известно, что маленькие  молекулы (так называемые аллостерические эффекторы) изменяют агрегационное состояние протеинов, тем самым стабилизируя их протеиновую и энзимовую активность. Эта способность также обуславливает изменения проницаемости мембран.

Каротиноиды могут косвенно поддерживать водный баланс организма, способствуют работе обонятельных рецепторов и хеморецепторов.

Считается, что каротиноиды (ксантофилы) используются как запас кислорода в нейрональной дыхательной цепочке и потому важно их наличие в кислородных клетках и тканях.

Учитывая существующую взаимосвязь между высокой каротиноидной  и кальциевой концентрацией, в особенности в компонентах митохондрий с каротиноидсодержащими мембранами, можно заключить, что эти липохромы играют большую роль в транспорте кальция через мембраны. ^[7]

Установлена иммуностимулирующая  роль каротиноидов. Например, обнаружено, что рыбы с высоким содержанием каротиноидов были значительно более устойчивы к инфекционным и грибковым заболеваниям; цыплята — устойчивы к энцефалопатии и т.д. Каротиноиды увеличивают цитостатическую активность клеток-киллеров, замедляют рост опухоли и ускоряют ранозаживление. Они также проявляют аппетитстимулирующую активность (и физиологически, и этиологически).

Весьма важной, проявляющейся  внешне, функцией каротиноидов является их способность обеспечивать яркую окраску организмов, которая может выполнять сигнальную функцию, нести информацию.

Отмечено, что продукты разложения каротиноидов также обладают специфическими физиологическими функциями: например, участвуют в синтезе фитогормонов.

1.3.2 Нормы  потребления

Согласно методическим рекомендациям по нормам рационального питания 6 мкг бета-каротина эквивалентны 1 мкг витамина А. Среднее потребление в разных странах 1,8-5,0 мг/сутки. Верхний допустимый уровень потребления не установлен. Физиологическая потребность для взрослых - 5 мг/сутки. Ликопина следует употреблять порядка 5 мг в сутки, верхний допустимый уровень потребления — 10 мг в сутки. Рекомендуемый уровень потребления лютеина в России — 5 мг в сутки. Верхний допустимый уровень потребления — 10 мг в сутки.

Благодаря контролируемому  превращению бета-каротина в витамин А избыточное потребление бета-каротина не приводит к развитию гипервитаминоза А. Избыточный прием каротиноидов при различных заболеваниях (гиперлипемия, сахарный диабет, нефротический синдром или гипертиреоз) может вызывать гиперкаротедермию, которая проявляется в желтоватом оттенке кожи в основном ладоней и подошв стоп. При уменьшении или прекращении приема каротиноидов желтый цвет исчезает.

1.3.3 Усвоение  каротиноидов организмом человека

Человек и животные не могут синтезировать каротиноиды de novo, их поступление зависит только от источников питания. Усвоение каротиноидов, как и других липидов, происходит в дуоденальной области тонкого кишечника. Под влиянием желудочно-кишечной среды (например кислотности желудочного сока), наличия специфических рецепторов протеинов каротиноиды могут разрушаться окислителями или энзимами или метаболизировать, как например β-каротин в витамин А в слизистой. Провитаминные свойства β -каротина и его окислительное преобразование в витамин А являются общими для всех животных. Согласно принятой гипотезе β -каротин превращается в витамин А в слизистой кишечника под воздействием фермента каротиндиоксигеназы. Молекула β -каротина, которая теоретически должна образовывать 2 молекулы витамина А, уменьшается с одного конца цепи в результате последовательного окисления до ретиналя (С₂₀-соединения) и образует одну молекулу витамина А. Другие каротиноиды также могут проявлять А-провитаминную активность.

Установлено, что содержащиеся в продуктах питания каротиноиды  далеко не полностью усваиваются организмом. Находясь внутри неповрежденных клеток растительных продуктов, каротиноды ресорбируются в кровь обычно в очень малой степени. Значительно лучше происходит усвоение из мелко измельченных и предварительно обработанных продуктов, в которых клеточные мембраны разрушены.

Кроме того, важным фактором для усвоения каротиноидов организмом является наличие жировой среды. Еще в 1941 году было установлено, что  количество каротина, усвояемого организмом из сырой моркови при диете, лишенной жиров, не превышает 1%. При тех же условиях из вареной моркови усваивается 19% каротина. После добавления растительного масла усвоение каротина увеличивается до 25%.

1.4 Методы количественного  определения каротиноидов

В настоящее время каротиноиды изучены очень хорошо. Замечательные успехи, достигнутые биохимией в области выделения, очистки, установления структуры изучения биохимических реакций каротиноидов, были сделаны благодаря гениальному по простоте и изяществу методу хроматографического адсорбционного анализа, разработанному в 1903 г. М.С. Цветом.

Хроматографический метод.

Принцип этого метода заключается в том, что сложная смесь различных окрашенных веществ, растворенных в каком-либо органическом растворителе, например смесь различных каротиноидов, полученная путем экстрагирования листьев петролейным эфиром или сероуглеродом, пропускается через вертикально поставленную стеклянную трубку, наполненную адсорбентом. В качестве адсорбента могут быть использованы карбонат кальция, тальк, крахмал и другие вещества. Так как каждый из содержащихся в растворе пигментов обладает определенной, только ему свойственной способностью адсорбироваться на заполняющем трубку адсорбенте, то происходит разделение этих пигментов, и каждый из них концентрируется в строго определенном слое адсорбента. В стеклянной трубке с адсорбентом, называемой адсорбционной колонкой, получается несколько полос, окрашенных в разные цвета, в зависимости от того, какой пигмент адсорбировался в том или ином слое адсорбента. Слой адсорбента, содержащий тот или иной пигмент, вынимают из трубки, и адсорбированное вещество, отделенное таким образом от других присутствующих в растворе веществ, может быть экстрагировано (элюировано) из адсорбента с помощью какого-либо другого растворителя, например спирта. Выделенные таким образом пигменты могут быть подвергнуты повторному хроматографическому анализу на других адсорбентах и с другими растворителями. Если данный пигмент представляет собой смесь двух и трех изомеров, имеющих одинаковую эмпирическую формулу, но различающихся лишь незначительными особенностями своих структурных формул, то с помощью дальнейшего хроматографического анализа можно разделить такие, весьма близкие по своим свойствам изомеры. Этим методом были разделены, выделены в чистом виде и исследованы три изомера каротина, имеюгцие одинаковую эмпирическую формулу С₄₀Н₅₆. С помощью хроматографического анализа было показано также, что пигменты желтой кукурузы представляют собой смесь трех каротиноидов — лютеина, криптоксантина и цеаксантина.

Хроматографический адсорбционный анализ, разработанный Цветом на смесях окрашенных веществ, в настоящее время нашел широчайшее применение при разделении, выделении и исследовании самых разнообразных веществ, не обладающих окраской. Благодаря этому методу удается разделение, очистка и получение в чистом виде витаминов, аминокислот, белков, пептидов, ферментов, различных неорганических веществ и т. д. При разделении и идентификации очень малых количеств веществ исключительно большую помощь оказывает биохимикам одна из разновидностей хроматографического анализа — так называемая распределительная хроматография на бумаге, разработанная английскими биохимиками А. Мартином и Р. Сингом. Она основана на том, что различные вещества по-разному диффундируют и распределяются на листе фильтровальной бумаги, пропитанном смесью определенных органических растворителей.

Особенно чувствительными разновидностями хроматографии являются называемые тонкослойная и газовая хроматографии, которые находят все бол широкое применение в биохимии, биоорганической химии и пищевой химии.

Газовая хроматография в настоящее время — наиболее точный и быстрый метод анализа липидов.

Методы извлечения каротиноидов.

Традиционные методы извлечения каротиноидов из природных объектов состоят в гомогенизировании биомассы при охлаждении (процесс проводят обычно в присутствии антиоксидантов в темноте), извлечении пигментов полярными растворителями, например ацетоном или метанолом. Далее каротиноиды переводят в неполярные растворители — гексан или петролейный эфир. Индивидуальные пигменты получают путем хроматографирования в тонком слое адсорбента (силикагель, алюминий). При использовании последнего сорбента разделение каротиноидов целесообразнее проводить в системе растворителей, содержащей различное количество гексана и ацетона. При разделении ксантофиллов перед тонкослойной хроматографией на силикагеле проводят предварительный щелочной метанолиз. Если каротиноиды связаны с белками, то для их извлечения используют детергенты, например тритон Х-100 (2 %) или додецилсульфат натрия (1%).

Первоначальную информацию о строении выделенного каротиноида дает исследование спектров поглощения пигмента в видимой области. Эти данные наряду с принятыми химическими методами исследования каротиноидов (озонолиз, восстановление NaBH₄ и др.) позволяют составить представление о возможной структуре пигмента. Далее определяют сравнительную полярность изучаемого пигмента в разных хроматографических системах.

Масс-спектрометрия.

Масс-спектрометрия используется для установления молекулярной массы каротиноида и особенностей строения. Информацию о наличии определенных функциональных групп в пигменте могут дать ИК- и ЯМР-спектры. Стереохимия каротиноида является конечным этапом его изучения. Наиболее полные данные о стереохимии каротиноида можно получить, используя спектры кругового дихроизма и низкотемпературные спектры поглощения (при температуре жидкого азота). Окончательное заключение о строении изучаемого каротиноида дают рентгеноструктурный анализ и тотальный синтез полиена. Следует отметить, что все перечисленные выше анализы могут быть проведены с небольшим количеством образца (около 10 — 20 мг), что в значительной степени содействовало развитию в последние годы химии каротиноидов.

1.5 Использование  каротиноидов

Уже в течение многих лет каротиноиды широко применяются в сельском хозяйстве, медицине и пищевой промышленности. Их присутствие во многих природных продуктах делает их идеально пригодными для этой цели.

Каротиноиды получают с  помощью химического синтеза  и путем выделения из природных источников — растений и микроорганизмов. Химическим путем получают β-каротин, витамин А, β-апо-8-каротиналь, этиловый эфир β-апо-8-каротиновой кислоты, кантоксантин и ряд других каротиноидов, синтез которых осуществляется в заводских масштабах. Традиционными источниками получения каротиноидов служат также некоторые растения - морковь, тыква, трава, шиповник, облепиха и др. Наряду с этим все шире в тех же целях используют мицелиальные грибы и дрожжи. Как продуценты каротиноидов представляют также интерес бактерии и водоросли.

β-Каротин используют главным образом в пищевой  промышленности, а также при изготовлении лекарств и косметических средств. β-Каротин и ликопин применяют как пигментные вещества и красители при изготовлении таких пищевых продуктов, как колбасы и ветчинные изделия, сливочное масло. Как краситель используют также β-апо-8-каротиналь, придающий оранжевую окраску многим кондитерским изделиям, сырам и овощным пастам.

В пищевые жиры, особенно в сливочное масло и маргарин, добавляют β-Каротин, благодаря чему организм получает дополнительное количество необходимого для него витамина А, а масло - более привлекательный цвет. Масло нагревают до 30'С и добавляют вытяжку из моркови или β-каротин, который при такой температуре хорошо растворяется в масле. Водорастворимые или по крайней мере диспергируемые в воде производные β-каротина, кантаксантин и апокаротиноиды, применяются для окрашивания напитков и других пищевых продуктов. В Италии существует давняя традиция добавлять каротиноиды в макаронные изделия. β-Каротин и β-апо-8-каротиналь добавляют также в сыры и овощные пасты. Эти же каротиноиды используют для окраски яичного желтка (β-апо-8-каротиналь добавляют в пищевой рацион кур).

Часто каротиноиды-красители используют в сочетании с аскорбиновой кислотой, что обеспечивает большую стабильность пигментов. Для лучшей сохранности каротиноидов при использовании их в качестве красителей применяют также особые препаративные формы пигментов. Каротиноиды растворяют в маслах или готовят вододисперсные формы: в такой форме пигменты заключают в микрокапсулы (наиболее удобная форма сохранения каротиноидов). Велико значение каротиноидов, в частности ликопина, при изготовлении колбас и ветчинных изделий, где, они могут заменить нитрит натрия. Как краситель используют также β-апо-8-каротиналь, придающий оранжевую окраску леденцам, пищевым пастам, кексам и другим кондитерским изделиям.