Karotenoidy jako přírodní funkční pigmenty

obecně platí, že zvířata nemají syntetizovat karotenoidy de novo, a tak ty, které našel v zvířata jsou buď přímo získané z potravy nebo částečně modifikované prostřednictvím metabolických reakcí. Hlavní metabolické konverze karotenoidů nalezených u těchto zvířat jsou oxidace, redukce, translace dvojných vazeb, oxidační štěpení dvojných vazeb a štěpení epoxidových vazeb .

To je dobře-známo, že karotenoidy, které obsahují nesubstituovaných β-ionon kroužků, jako jsou β-karoten, α-karoten, β-kryptoxanthin. a β,ψ-karoten (γ-karoten) jsou prekurzorem retinoidy a nazývají pro-vitamin a. Dále karotenoidy v zvířata hrají důležitou roli jako foto-chrániče, antioxidanty, stimulátory imunity, a přispěvatelů do reprodukce. Několik zvířata používají karotenoidy jako signály pro vnitrodruhové (sexuální signalizace, sociální status signalizace, a rodič–potomek signalizace) a inter-species (druh uznání, výstražné zbarvení, mimikry, a crypsis) komunikace .

potravinový řetězec a metabolismus karotenoidů u vodních živočichů

vodní živočichové obsahují různé karotenoidy, které vykazují strukturální rozmanitost. Vodní živočichové získávají karotenoidy z potravin, jako jsou řasy a jiná zvířata, a modifikují je metabolickými reakcemi. Mnoho karotenoidů přítomných u vodních živočichů jsou metabolity β-karotenu, fukoxanthinu, peridininu, diatoxanthinu, alloxanthinu a astaxanthinu .

mlži (ústřice, škeble, lastury, mušle a skořápky archů) a pláštěnky (mořské stříkance) jsou krmítka filtrů. Živí se mikrořasami, jako jsou rozsivky, dinoflageláty, modrozelené řasy a zelené řasy, a získávají karotenoidy z těchto dietních zdrojů. Hlavním karotenoidem v rozsivkách je fukoxanthin. Fukoxanthin má několik funkčních skupin, jako jsou Allenové vazby, epoxidové, karbonylové a acetylové skupiny. Proto metabolitů fucoxanthin v mlžů a pláštěnců show strukturální rozmanitosti, jak je znázorněno na Obr. 5a. Hlavní metabolické přeměny fucoxanthin nalézt v těchto zvířat jsou konverze allenic bond acetylenic dluhopisů, hydrolýza štěpení epoxidové skupiny, a oxidační štěpení epoxidové skupiny, jak je znázorněno na Obr. 5b .

obr. 5
figure5

Metabolické dráhy fucoxanthin v mlžů a pláštěnců. b Metabolické konverze mechanismy konci skupiny fucoxanthin v mlžů a pláštěnců

Peridinin, s jeho C37 uhlíkového skeletu, je hlavní červený karotenoid v dinoflagellates. Peridinin má také několik funkčních skupin, jako je alenická vazba, epoxid a laktonový kruh. Stejně jako fucoxanthin, peridinin je také převeden na několik metabolitů v mlžů a pláštěnců, jak je znázorněno na Obr. 6 .

obr. 6
figure6

Metabolických cest peridinin v mlžů a pláštěnců

Astaxanthin je charakteristické mořské karotenoidů v korýších (krevety, krabi). Mnoho korýšů mohou syntetizovat astaxanthin z β-karoten, požití v potravě řasy, přes echinenone, 3-hydroxyechinenone, kanthaxanthin a obsahu adonirubinu, jak je znázorněno na Obr. 7 . U mnoha korýšů je hydroxylace na C-3 (C-3′) ve 4-oxo-β-koncové skupině nesteroselektivní. Proto, astaxanthin a související karotenoidy s 3-hydroxy-4-oxo-β-end skupiny, přítomné v korýši, jsou složené ze směsi těchto optických izomerů .

obr. 7
obrázek7

Oxidativní metabolismus β-karotenu v korýši

Kapr, karas obecný, zlaté rybky, které patří k Cyprinidae může převést zeaxantin (3S,3 ‚ S)-astaxanthin přes adonixanthin a idoxanthin (Obr. 8). Proto se spirulina, která obsahuje zeaxanthin jako hlavní karotenoid, používá k pigmentaci U Červeného kapra a zlaté rybky .

obr. 8
figure8

Metabolické přeměny zeaxantin (3S,3 ‚ S)-astaxanthin v Cyprinidae ryby

Na druhou stranu, několik mořských ryb (červená pražma, treska, tuňák, a žlutá-ocas) a Lososovitých ryb (losos a pstruh) nemůže syntetizovat astaxanthin z jiné karotenoidy jako β-karoten a zeaxanthin . Proto astaxanthin přítomný v těchto rybách pochází z dietního zooplanktonu patřícího do korýšů, jako je krill. Takže astaxanthin se používá k pigmentaci v pražma Rudého a lososa. Jasně žlutá barva ploutve a kůže několika mořských ryb je způsobena přítomností tunaxanthinu(ε, ε-karoten-3,3′-diol). Tunaxanthin je metabolizován z astaxanthinu přes zeaxanthin, jak je znázorněno na obr. 9 . Karotenoidy s 3-oxo-ε-end skupiny jako 3-hydroxy-β,ε-karoten-3’a ε,ε-karoten-3,3′-dion jsou klíčovými meziprodukty této metabolické přeměně.

obr. 9
figure9

Redukční metabolické dráhy astaxanthinu v mořských ryb

Biologické funkce karotenoidů v mořských zvířat

, Jak je popsáno výše, mořských živočichů převést potravinových karotenoidů a hromadí se jim v těchto orgánech. Prostřednictvím těchto metabolických konverzí se zvyšují antioxidační a foto-ochranné aktivity karotenoidů.

například, mnoho mořských bezobratlých, jako jsou korýši převést β-karotenu na astaxanthin a hromadí se to v integuments, carapaces, vejce, a vaječníky. Metabolickou konverzí mění karotenoid barvu ze žluté (β-karoten) na červenou (astaxanthin). Astaxanthin u mořských bezobratlých někdy tvoří komplex karotenoidních proteinů a je červená, modrá nebo fialová barva. Tyto barvy mohou sloužit k maskování zvířat v převládajících podmořských světelných podmínkách, slouží jako obecné fotoreceptory nebo poskytují ochranu před možnými škodlivými účinky světla. Navíc, díky této metabolické přeměně, antioxidační účinky karotenoidů jako zhášení singletního kyslíku, inhibuje peroxidaci lipidů, a ochranu proti foto-oxidace jsou lepší. Proto astaxanthin u těchto zvířat působí jako antioxidant a zabraňuje oxidačnímu stresu .

další příklad zahrnuje karotenoidy v gonádách mořského anděla Clione limacine . Mořský anděl je malý, plovoucí mořský slimák patřící do třídy Gastropoda. Obývá pod driftovým ledem v Okhotském moři a je vystaven silnému slunečnímu záření. Jeho tělo je želatinové a průhledné. Na druhé straně jsou jeho gonády a vnitřnosti jasně oranžovo-červené barvy kvůli přítomnosti karotenoidů. Angel moře je masožravá a živí se výhradně na malé moře hlemýžď Limacina helicina, který je býložravý a živí mikro-řas jako jsou rozsivky a dinoflagellates. Proto, karotenoidy vyrábí mikro-řasy jsou k dispozici k moři anděl přes L. helicina v potravinovém řetězci. L. helicina přímo absorbuje karotenoidy, jako je diatoxanthin, z dietních řas a akumuluje je bez metabolické modifikace. Na druhé straně mořský anděl oxidačně metabolizuje požitý diatoxanthin z L. helicina na pektenolon, jak je znázorněno na obr. 10 . Zavedením karbonylové skupiny na C-4′ v diatoxanthinu mění karotenoid barvu ze žluté na červenou a vykazuje zvýšené antioxidační a foto-ochranné aktivity. Proto mořský anděl hromadí pektenolon v pohlavních žlázách jako antioxidant a foto-chránič .

obr. 10
figure10

Potravinový řetězec a metabolismus karotenoidů v moři anděl

červený karotenoid mytiloxanthin je metabolit fucoxanthin přítomen v tělech měkkýšů a pláštěnců. Dietal fucoxanthin z rozsivek je metabolizován na mytiloxanthin přes fucoxanthinol a halocynthiaxanthin v korýšů a měkkýšů, pláštěnců, jak je znázorněno na Obr. 5a. Prostřednictvím této metabolické přeměny, antioxidační aktivity, jako singletového kyslíku kalení, úklidu hydroxy radikálů a inhibici lipidové peroxidace karotenoidy jsou zvýšené. Mytiloxanthin vykazoval téměř stejnou vynikající antioxidační aktivitu jako astaxanthin . Proto byl učiněn závěr, že mořští živočichové metabolizují dietní karotenoidy na aktivnější antioxidační formu a hromadí je v těle a reprodukčních orgánech.

a novel fucoxanthin pyrofeoforbide a ester (obr. 11) byl izolován z vnitřností abalone Haliotis diversicolor aquatilis. Hlavními zdroji potravy abalone jsou makro řasy, jako jsou hnědé řasy, které obsahují fukoxanthin jako hlavní karotenoid. Pyrofeoforbid A je metabolit chlorofylu A ve vnitřnostech abalonu. Tento karotenoidní pyrofeoforbid a ester může být vytvořen z fukoxanthinu a pyrofeoforbidu a esterázou ve vnitřnostech abalone. To je dobře-známo, že pyropheophorbide je fotosenzibilizátor, který generuje singletového kyslíku od země-státní molekulární kyslík v přítomnosti světla. Na druhé straně jsou karotenoidy vynikajícími hasiči singletového kyslíku a zabraňují fotooxidaci. Proto je zajímavé, že sloučeniny působící jako singletové generátory kyslíku a kaliče jsou spojeny s esterifikovanými vazbami. Ester fukoxanthin pyrofeoforbidu a skutečně vykazuje slabší tvorbu singletového kyslíku než pyrofeoforbid A .

obr. 11
figure11

Román karotenoid pyropheophorbide A ester z mušle

Karotenoidy v suchozemských zvířat

stejně Jako u vodních živočichů, suchozemských zvířat nemůže syntetizovat karotenoidy de novo, a tak musí je získat ze stravy. Proto karotenoidy u suchozemských zvířat pocházejí hlavně z rostlin, které se živí. Mnoho karotenoidů přítomných u suchozemských zvířat je β-karoten, β-kryptoxanthin, lutein, zeaxanthin a jejich metabolity .

karotenoidy u hmyzu a pavouků

hmyz je nejrozmanitější skupinou zvířat. Proto karotenoidy v hmyzu vykazují strukturální rozmanitost. Mnoho karotenoidů přítomných v hmyzu je β-karoten, β-kryptoxanthin, lutein a zeaxanthin, které pocházejí z jejich potravy a jejich metabolitů. Na druhé straně mohou mšice a molice syntetizovat karotenoidy de novo pomocí genů biosyntézy karotenoidů, které jsou získávány horizontálním přenosem genů z hub nebo endosymbiotických bakterií. Tyto hmyz syntetizovat β-zeacarotene, β,ψ-karoten (γ-karoten), torulene, β,γ-karoten a γ,γ-karoten tím, karotenoidů biosyntéza geny přeneseny z endosymbiotic bakterie (Obr. 12) . Modrozelené mšice navíc syntetizují polycyklické chininy pomocí genů endosymbiotické bakterie Rickettsiella . Proto mšice vytvářejí své vlastní karotenoidy a chininy horizontálním přenosem genů z hub nebo symbiotických bakterií pro zbarvení, v závislosti na kontextu prostředí. Tyto mšice karotenoidy jsou také nahromaděny v broucích a vážkách prostřednictvím potravinového řetězce.

obr. 12
figure12

Karotenoid biosyntetické dráhy horizontální přenos genů z hub a symbiotické bakterie na mšice a molice

Stick hmyz, změnit své tělo, barva ze zelené na červenou pro kamufláž na podzim. V létě hmyz hromadí chlorofyl a β-karoten z dietních zelených listů a vykazuje zelenou barvu těla. Na podzim přeměňují β-karoten na 3,4,3′, 4′ – tetradehydro-β, β-karoten-2,2 ‚ – Dion s 15 konjugovanými dvojnými vazbami, které vykazují tmavě červenou barvu. Tento karotenoid se také hromadí ve vejcích pro reprodukci . Řada ketokarotenoidů, 3-hydroxyechinenon, adonirubin a astaxanthin, byla identifikována u Tetranychus urticae se dvěma skvrnami. V reakci na dlouhé noci a nižší teploty, ženské roztoči zadejte fakultativní diapauza charakterizované zastavení reprodukce a výrazná změna v barvě karoserie od slabě žluté až jasně červené–oranžové. Tato změna barvy těla je výsledkem akumulace ketokarotenoidů, jako je astaxanthin, který byl navržen tak, aby chránil před fyzickým namáháním přezimování.

nedávné šetření odhalilo, že karotenoid cyklázy/syntázy a karotenoidů desaturase geny, které mohou být zodpovědné za přeměnu phytoene na β-karoten, byly přítomny ve dvou-strakaté pavouk mite T. urticae . Fylogenetické analýzy naznačují, že tyto karotenoidní biosyntetické geny byly přeneseny z hub do genomu roztočů.

karotenoidy u ptáků

většina jasně červených, oranžových a žlutých pigmentů peří (peří) je způsobena přítomností karotenoidů. U ptáků jsou karotenoidy důležitým signálem dobrého nutričního stavu a používají se v okrasných displejích jako znamení kondice a ke zvýšení sexuální přitažlivosti. Karotenoidní barvy peří (peří) upoutají pozornost opačného pohlaví, aby podpořily Páření. Například manipulace s dietní zásobou karotenoidů vyvolává paralelní změny imunitní funkce zprostředkované buňkami a sexuální přitažlivost u samců zebra pěnkav . V červeném peří bylo zdokumentováno nejméně deset druhů karotenoidů. Většina z nich se vyrábí metabolickou modifikací prekurzorových sloučenin v potravě. Řada žlutých karotenoidů se skupinou 3 – hydoxy-a/nebo 3-oxo-ε-end byla také hlášena v barevném peří goldfinch Carduelis. Jsou také metabolizovány z luteinu a zeaxantinu .

nedávno, Mundy et al. identifikované geny potřebné pro jasně červené zbarvení, které ptáci používají pro komunikaci, jako je přilákání kamarádů. Odhalili genetickou souvislost mezi červené zbarvení a barevné vidění v zebra finch, a navrhl, že zarudnutí může být čestný signál kámo kvalitní uvedením pták je schopnost detoxikovat škodlivé látky . Karotenoidy jsou také přítomny u žab, hlemýžďů a ještěrek. Tyto žluté a červené barvy jsou způsobeny přítomností karotenoidů, jako je β-karoten, β-kryptoxanthin, lutein a astaxanthin.

Karotenoidů u savců

To bylo hlásil, že savci jsou rozděleny do tří skupin, pokud jde o jejich schopnost absorbovat karotenoidy. Zvířata s bílým tukem, jako jsou prasata, ovce, kozy, kočky a hlodavci, neabsorbují karotenoidy vůbec nebo ve velmi malém množství. Zvířata se žlutým tukem, jako je skot přežvýkavců a koně, hromadí výhradně karoteny a ne xantofyly. Třetí skupina, lidé a opice, hromadí karoteny i xantofyly stejně dobře .

krmení experiment ukázal, že opice účinně vstřebává nejen β-karotenu, ale také β-kryptoxanthin, lutein a zeaxanthin do plazmy. V játrech byly dobře uloženy jak β-karoten, tak xantofyly. V plicích, srdci, svalu, tuku, kůži a mozku byly méně polárních karotenoidů, jako je β-karoten a β-kryptoxanthin, spíše dobře uloženy než polární xantofyly, jako je lutein a zeaxanthin. Konkrétně plazmatický karotenoidní profil u opic odrážel dietní karotenoidní složení, jako u lidí. Opice účinně akumulovaly nejen β-karoten, ale také β-kryptoxanthin, lutein a zeaxanthin v plazmě. Zajímavé je, že opice byly podobné, pokud jde o preferenční akumulaci β-kryptoxanthinu v krvi a mozku .

Xantofyly s 3-oxo-ε-end skupiny, jako jsou β,ε-karoten-3′ -, 3-hydroxy-β,ε-karoten-3-jedna, 3′-hydroxy-ε,ε-karoten-3′ -, a ε,ε-karoten-3,3′-dion, jsou přítomny v několika savců. Nedávno, Nagao a kol. ukázal, že karotenoidy s 3-hydroxy-β-end skupiny v xantofyly jsou oxidovány na karotenoidy s 3-oxo-ε-end skupiny přes nestabilní meziprodukt s 3-oxo-β-end skupiny NAD+-dependentní dehydrogenáza myší játra, jak je znázorněno na Obr. 13 .

obr. 13
figure13

Oxidační cesta xantofyly s 3-hydroxy-β-end u savců

Karotenoidy u lidí

Asi 50 druhů karotenoidy se nacházejí v běžných lidských potravin, a mezi nimi, asi 20 druhů od požití potraviny se nacházejí v krvi (plazmě nebo séru). Bylo zjištěno, že β-karoten, α-karoten, lykopen, β-kryptoxanthin, lutein a zeaxanthin jsou hlavními složkami a tvoří více než 90% celkových karotenoidů . Karotenoidy se také hromadí v lidských erytrocytech . Oxidační metabolity lykopenu, luteinu a zeaxantinu se také nacházejí v lidské plazmě . Capsanthin, hlavní karotenoid v paprice, je také absorbován u lidí a jeho část je metabolizována na capsanthone . Epoxidové karotenoidy, jako je antheraxanthin, violaxanthin, neoxanthin a lutein epoxid, které jsou přítomny v zelenině, se však v lidské krvi nenacházejí. Tyto epoxidové karotenoidy mohou být degradovány na kyselé podmínky v žaludku .

karotenoidy požité ze stravy jsou absorbovány tenkým střevem. Estery xantofylu jsou hydrolyzovány lipázou nebo esterázou a absorbovány. Část provitaminu A karotenoidů se přeměňuje na sítnici v sliznici tenkého střeva β-karoten-15,15′-dioxygenázou. Absorbované karotenoidy jsou začleněny do chylomikronů a poté transportovány do jater a různých orgánů krví. Všechny tři hlavní lipoproteiny: lipoprotein s velmi nízkou hustotou (VLDL), lipoprotein s nízkou hustotou (LDL) a lipoprotein s vysokou hustotou (HDL) se podílejí na transportu karotenoidů . Karotenoidy se nacházejí v několika lidských orgánech, jako jsou játra, nadledviny, vaječníky, kůže, plíce, varlata, prostata a krevní sérum. Distribuce karotenoidů v lidských orgánech vykazuje specificitu. Lutein a zeaxanthin se nacházejí na povrchu kůže a podkožní tkáně v esterifikované podobě a působí jako UV absorbéry a quenchers singletního kyslíku . Xantofyly, jako je β-kryptoxanthin, lutein a zeaxanthin, se nacházejí v mozku . V oku jsou lutein (meso) – zeaxanthin a zeaxanthin přítomny jako makulární pigmenty . Lykopen se hromadí v prostatě .

Několik výzkumy odhalily, že doplňky karotenoidy jsou spojeny s snížení rizika některých druhů rakoviny a jiných závažných stavů, stimulaci imunitního systému a přínosy pro zdraví kůže člověka .

v roce 1981, Peto et al. hlásil, že dietní β-karoten snižuje výskyt rakoviny u lidí . Od té doby, několik epidemiologických studií prokázalo, že příjem zelená-žlutá zelenina a ovoce, které obsahují různé karotenoidy, je spojen se sníženým rizikem rakoviny . Například β-kryptoxanthin, který je bohatý na Satuma mandarin (Citrus unshiu), by mohl být spojen se sníženým rizikem rakoviny. Příjem lykopenu také snížil riziko rakoviny prostaty . Navíc, klinické studie také odhalila, že správa přírodních multi karotenoidy (směs α-karoten, β-karoten, lutein a lykopen) a α-tokoferol za následek významné potlačení hepatom rozvoj virus hepatitidy vyvolané cirhóze pacienta . Bylo také hlášeno, že karotenoidy pomáhají předcházet kardiovaskulárním onemocněním, cukrovce, obezitě a několika chorobám souvisejícím se životním stylem a posilují imunitu. Karotenoidy navíc zlepšují vytrvalost a zdraví pokožky .