Carotenoider som naturlige funktionelle pigmenter

generelt syntetiserer dyr ikke carotenoider de novo, og derfor opnås de, der findes i dyr, enten direkte fra mad eller delvist modificeret gennem metaboliske reaktioner. De vigtigste metaboliske omdannelser af carotenoider, der findes i disse dyr, er iltning, reduktion, translation af dobbeltbindinger, oksidativ spaltning af dobbeltbindinger og spaltning af epoksibindinger .

det er velkendt, at carotenoider, der indeholder usubstituerede Purpur-iononringe som f.eks. desuden spiller carotenoider hos dyr vigtige roller som fotobeskyttere, antioksidanter, forstærkere af immunitet og bidragydere til reproduktion. Flere dyr bruger carotenoider som signaler til intra-arter (seksuel signalering, social status signalering og forældre–afkom signalering) og Inter-arter (artsgenkendelse, advarselsfarve, efterligning og krypsis) kommunikation .

fødekæde og metabolisme af carotenoider hos vanddyr

vanddyr indeholder forskellige carotenoider, der viser strukturel mangfoldighed. Vanddyr får carotenoider fra fødevarer som alger og andre dyr og ændrer dem gennem metaboliske reaktioner. Mange af de carotenoider, der findes i vanddyr, er metabolitter af Karot-caroten, fucoksanthin, peridinin, diatoksanthin, alloksanthin og astaksanthin .

toskallede (østers, muslinger, kammuslinger, muslinger og arkeskaller) og sækdyr (havsprøjter) er filterfødere. De lever af mikroalger som diatomer, dinoflagellater, blågrønne alger og grønne alger og får carotenoider fra disse diætkilder. Den største carotenoid i diatomer er fucoksanthin. Fukoksantin har flere funktionelle grupper, såsom allenisk binding, epoksantin, carbonyl og acetyl grupper. Derfor viser metabolitter af fucoksantin i toskallede og sækdyr strukturel mangfoldighed, som vist i Fig. 5a. De vigtigste metaboliske omdannelser af fucoksantin, der findes i disse dyr, er omdannelsen af allenbinding til acetylenbinding, hydrolyse spaltning af epoksgruppe, og oksidativ spaltning af epoksgruppe, som vist i Fig. 5b .

Fig. 5
figur5

en metabolisk vej af fucoksantin i toskallede og sækdyr. B metaboliske omdannelsesmekanismer for slutgrupper af fucoksantin i muslinger og sækdyr

Peridinin, med sin C37 carbon skelet, er en stor rød carotenoid i dinoflagellater. Peridinin har også flere funktionelle grupper, såsom en allenisk binding, epokeog en lactonring. Peridinin omdannes også til flere metabolitter i muslinger og sækdyr, som vist i Fig. 6 .

Fig. 6
figur6

Peridinins metaboliske veje i muslinger og sækdyr

Astaksantin er en karakteristisk Marine carotenoid i krebsdyr (rejer og krabber). Mange krebsdyr kan syntetisere astaksantin fra karoten, der indtages i diætalger, via echinenon, 3-hydroksyechinenon, cantaksantin og adonirubin, som vist i Fig. 7 . I mange krebsdyr er hydroksylering ved C – 3 (C-3′) i gruppen med 4-okso-karruseller ikke-stereo-selektiv. Derfor består astaksantin og beslægtede carotenoider med en 3-hydroksi-4-okso-Kurt-end-gruppe, der findes i krebsdyr, af en blanding af disse optiske isomerer .

Fig. 7
figur7

iltning af karoten i krebsdyr

karper, crucian karper og guldfisk, der tilhører Cyprinidae, kan konvertere karpe til (3S,3 ‘ s)-astaksantin via adoniksantin og idoksantin (Fig. 8). Derfor bruges spirulina, som indeholder den vigtigste carotenoid, til pigmentering i rød karpe og guldfisk .

Fig. 8
figur8

metabolsk omdannelse af tseaksantin til (3S, 3s) – astaksantin hos Cyprinidae-fisk

på den anden side kan flere marine fisk (rødehavsbrasme, torsk, tun og gulhale) og Salmonidae fisk (laks og ørred) ikke syntetisere astaksantin fra andre carotenoider som f .eks. Derfor stammer astaksantin, der er til stede i disse fisk, fra dyreplankton, der tilhører Crustacea, såsom krill. Så bruges astaksantin til pigmentering i rødehavsbrasme og laks. Den lyse gule farve på finen og huden på flere marine fisk skyldes tilstedeværelsen af tunaksantin (karrus,karoten-3,3′-diol). Som vist i Fig. 9 . Carotenoider med en 3-oxo-ε-end gruppen som 3-hydroxy-β,ε-caroten-3′-ene og-ε,ε-caroten-3,3′-dion er vigtige mellemprodukter i det metaboliske omdannelse.

Fig. 9
figur9

reduktiv metabolisk vej af astaksantin i marine fisk

biologisk funktion af carotenoider hos havdyr

som beskrevet ovenfor omdanner havdyr diætcarotenoider og akkumulerer dem i disse organer. Gennem disse metaboliske konverteringer øges antioksidative og fotobeskyttende aktiviteter af carotenoider.

for eksempel omdanner mange marine hvirvelløse dyr, såsom krebsdyr, karoten til astaksantin og akkumulerer det i integumenter, karapacer, æg og æggestokke. Gennem den metaboliske omdannelse ændrer carotenoiden sin farve fra gul (karotaroten) til rød (astaksanthin). Astaksantin i marine hvirvelløse dyr danner undertiden et carotenoidproteinkompleks og er en rød, blå eller lilla farve. Disse farver kan tjene til at camouflere dyrene under de fremherskende undersøiske lysforhold, tjene som generelle fotoreceptorer eller yde beskyttelse mod mulige skadelige virkninger af lys. Gennem denne metaboliske omdannelse forbedres de antioksidante virkninger af carotenoider, såsom slukning af singlet ilt, hæmning af lipid peroksidering og beskyttelse mod fotooksidering. Derfor virker astaksantin i disse dyr som et antioksidant middel og forhindrer oksidativ stress .

det næste eksempel involverer carotenoider i gonaderne i havenglen Clione limacine . Havenglen er en lille, flydende havsnegl, der tilhører klassen Gastropoda. Den befinder sig under drivis i Okhotskhavet og udsættes for stærkt sollys. Dens krop er gelatinøs og gennemsigtig. På den anden side er dets gonader og indvolde en lys orange-rød farve på grund af tilstedeværelsen af carotenoider. Havenglen er kødædende og lever udelukkende af en lille havsnegl Limacina helicina, som er planteædende og lever af mikroalger som diatomer og dinoflagellater. Derfor stilles carotenoider produceret af mikroalger til rådighed for havenglen gennem L. helicina i fødekæden. L. helicina absorberer direkte carotenoider såsom diatoksantin fra diætalger og akkumulerer dem uden metabolisk modifikation. På den anden side metaboliserer havenglen iltet indtaget diatoksantin fra L. helicina til pektenolon, som vist i Fig. 10 . Ved at introducere en carbonylgruppe ved C-4′ i diatoksantin skifter carotenoid farve fra gul til rød og viser forbedrede antioksidative og fotobeskyttende aktiviteter. Derfor akkumulerer havenglen pectenolon i gonaderne som et antioksidant og en fotobeskytter .

Fig. 10
figur10

fødekæde og metabolisme af carotenoider i sea angel

den røde carotenoid mytiloksantin er en metabolit af fucoksantin til stede i skaldyr og sækdyr. Dietal fucoksantin fra diatomer metaboliseres til mytiloksantin via fucoksantinol og halocynthiaksantin i skaldyr og sækdyr, som vist i Fig. 5a. gennem denne metaboliske omdannelse øges antioksidative aktiviteter, såsom singlet-iltslukning, rensning af hydroksiradikaler og inhibering af lipidforgiftning af carotenoider. Mytiloksantin viste næsten den samme fremragende antioksidative aktivitet som astaksantin . Derfor blev det konkluderet, at havdyr metaboliserer diætcarotenoider til en mere aktiv antioksidativ form og akkumulerer dem i deres kroppe og reproduktive organer.

en ny fucoksantin pyropheophorbid a ester (Fig. 11) blev isoleret fra indvolde af abalone Haliotis diversicolor akvatilis. De vigtigste fødekilder til abalone er makroalger som brune alger, som indeholder fucoksanthin som den største carotenoid. Pyropheophorbid A er en metabolit af chlorophyll a i indvolde af Abalon. Denne carotenoid pyropheophorbid a ester kan være dannet af fucoksantin og pyropheophorbid A ved esterase i Abalon indvolde. Det er velkendt, at pyropheophorbid A er en fotosensibilisator, der genererer singlet ilt fra molekylært ilt i jordtilstand i nærvær af lys. På den anden side er carotenoider fremragende slukkere af singlet ilt, og de forhindrer fotooksidering. Derfor er det interessant, at forbindelser, der fungerer som singlet iltgeneratorer og slukningsmidler, er forbundet med esterificerede bindinger. Faktisk viser fucoksantin pyropheophorbid a ester svagere singlet iltgenerering end pyropheophorbid a .

Fig. 11
figur11

ny carotenoidpyropheophorbid a ester fra Abalon

carotenoider i landdyr

som med vanddyr kan de fleste landdyr ikke syntetisere carotenoider de novo, og det skal de også få fra deres kost. Derfor stammer carotenoider i landdyr hovedsageligt fra planter, som de lever af. Mange af de carotenoider, der er til stede i landdyr, er Karot-caroten, Karot-cryptoksanthin, lutein, cesaksanthin og deres metabolitter .

carotenoider i insekter og edderkopper

insekter er den mest forskelligartede gruppe af dyr. Derfor viser carotenoider i insekter strukturel mangfoldighed. Mange af de carotenoider, der er til stede i insekt, er Karot-caroten, Karot-cryptoksanthin, lutein og siksanthin, der stammer fra deres mad og deres metabolitter. På den anden side kan bladlusen og hvidfluen syntetisere carotenoider de novo ved hjælp af carotenoidbiosyntesegener, der erhverves via vandret genoverførsel fra svampe eller endosymbiotiske bakterier. Disse insekt syntetisere β-zeacarotene, β -, ψ-caroten (γ-caroten), torulene, β,γ-caroten, og γ,γ-caroten af carotenoid biosyntese gener overført fra endosymbiotic bakterier (Fig. 12) . Desuden syntetiserer blågrønne bladlus polycykliske kininer ved hjælp af gener af den endosymbiotiske bakterie Rickettsiella . Derfor fremstiller bladlus deres egne carotenoider og kininer ved vandrette overførselsgener fra svampe eller symbiotiske bakterier til farvning, afhængigt af miljøkonteksten. Disse bladluscarotenoider akkumuleres også i biller og guldsmede gennem fødekæden.

Fig. 12
figur12

carotenoid biosyntetiske veje ved horisontale overføringsgener fra svampe og symbiotiske bakterier i bladlus og hvidflue

Stick insekter ændrer deres kropsfarve fra grøn til rød til camouflage om efteråret. Om sommeren akkumulerer pindinsekter klorofyl og Kurt-caroten fra diætgrønne blade og viser en grøn kropsfarve. I efteråret, de konverterer Kurt-caroten til 3,4,3′, 4′-tetradehydro-Kurt,Kurt-caroten-2,2 ‘ – Dion, med 15 konjugeret dobbeltbindingssystem, som udviser dyb rød farve. Denne carotenoid akkumuleres også i æg til reproduktion . En række ketocarotenoider, 3-hydroksyechinenon, adonirubin og astaksantin blev identificeret i den to-plettede edderkoppemide Tetranychus urticae. Som reaktion på lange nætter og lavere temperaturer går kvindelige edderkoppemider ind i en fakultativ diapause, der er kendetegnet ved ophør af reproduktion og en markant ændring i kropsfarve fra svag gul til lys rød–orange. Denne kropsfarveændring skyldes akkumulering af ketocarotenoider, som astaksanthin, som er blevet foreslået for at beskytte mod de fysiske belastninger ved overvintring.

en nylig undersøgelse afslørede, at carotenoidcyclase/syntase og carotenoid desaturase gener, som kan være ansvarlige for omdannelsen af phytoen til larsharoten, var til stede i den to-plettede edderkoppemide T. urticae . Fylogenetiske analyser antyder, at disse carotenoid biosyntetiske gener blev overført fra svampe til edderkoppemidgenomet.

carotenoider hos fugle

de fleste af de lyse røde, orange og gule pigmenter af fjerdragt (fjer) skyldes tilstedeværelsen af carotenoider. Hos fugle er carotenoider et vigtigt signal om en god ernæringstilstand, og de bruges i dekorative skærme som et tegn på fitness og for at øge seksuel tiltrækningskraft. Carotenoidbaserede farver på fjer (fjerdragt) fanger opmærksomheden fra det modsatte køn for at fremme parring. For eksempel, manipulation af kosten carotenoid forsyning påberåber parallelle ændringer i celle-medieret immunfunktion og seksuel tiltrækningskraft i mandlige Sebra finker . Mindst ti slags carotenoider er blevet dokumenteret i røde fjer. De fleste af disse produceres gennem metabolisk modifikation af diætprecursorforbindelser. En række gule carotenoider med 3 – hydoksi-og/eller 3-okso-Karot-end-gruppen blev også rapporteret i farvede fjer af goldfinch Carduelis. De metaboliseres også fra lutein og Antin .

for nylig, Mundy et al. identificerede gener, der kræves til den lyse røde farve, som fugle bruger til kommunikation, såsom at tiltrække kammerater. De afslørede en genetisk forbindelse mellem rød farve og farvesyn i sebrafinchen og foreslog, at rødme kan være et ærligt signal om kompis kvalitet ved at indikere en fugls evne til at afgifte skadelige stoffer . Carotenoider findes også i frøer, snegle og firben. Disse gule og røde farver skyldes tilstedeværelsen af carotenoider som f.eks.

carotenoider hos pattedyr

det er rapporteret, at pattedyr er kategoriseret i tre grupper med hensyn til deres evne til at absorbere carotenoider. Hvidfedtdyr som svin, får, geder, katte og gnavere absorberer slet ikke carotenoider eller i meget små mængder. Gul-fede dyr, såsom drøvtyggere kvæg og heste udelukkende akkumulere carotener og ikke ksantofyler. Den tredje gruppe, mennesker og aber, akkumulerer både carotener og ksantofyler lige så godt .

et fodringseksperiment afslørede, at aber effektivt absorberede ikke kun Kurt-caroten, men også Kurt-kryptoksantin, lutein og aksantin i plasma. I leveren blev både karoten og ksantofyller godt deponeret. I lungerne, hjerte, muskler, fedt, hud og hjerne, var mindre polære carotenoider som f.eks. Nemlig afspejlede plasmakarotenoidprofilen hos aber diætkarotenoidsammensætningen, som hos mennesker. Monkeys effektivt akkumuleret i plasma ikke kun karoten, men også cryptoksantin, lutein, tseaksantin. Interessant nok var aber ens med hensyn til den præferenceakkumulering af LARP-cryptoksanthin i blodet og hjernen .

Xantofyler med 3-oxo-ε-end gruppen, såsom β,ε-caroten-3′-man, 3-hydroxy-β,ε-caroten-3′-man, 3′-hydroxy-ε,ε-caroten-3′-en, og ε,ε-caroten-3,3′-dione, er til stede i flere pattedyr. For nylig, Nagao et al. afsløret, at carotenoider med en 3-hydroxy-β-end gruppen i xantofyler blev oxideret til carotenoider med en 3-oxo-ε-end gruppen via en ustabil mellemprodukt med en 3-oxo-β-end gruppen af en NAD+-afhængige dehydrogenase af musen leveren, som vist i Fig. 13 .

Fig. 13
figur13

med 3-hydroksi-kur-end i pattedyr

carotenoider hos mennesker

omkring 50 slags carotenoider findes i almindelige menneskelige fødevarer, og blandt dem findes omkring 20 typer indtaget fra mad i blodet (plasma eller serum). Af disse, har det vist sig at være de vigtigste komponenter og udgør mere end 90% af de samlede carotenoider . Carotenoider akkumuleres også i humane erythrocytter . Der findes også metabolitter af lycopen, lutein og antaksantin i humant plasma . Capsanthin, en vigtig carotenoid i paprika, absorberes også hos mennesker, og en del af det metaboliseres til capsanthone . Men i grøntsager findes ikke i humant blod. Disse carotenoider kan nedbrydes af til de sure betingelser i maven .

carotenoider indtaget fra kosten absorberes af tyndtarmen. Estere hydrolyseres af lipase eller esterase og absorberes. En del af provitamin A-carotenoider omdannes til retinal i tyndtarmens slimhinde ved hjælp af karoten-15,15′-dioksygenase. Absorberede carotenoider inkorporeres i chylomicroner og transporteres derefter til leveren og forskellige organer gennem blodet. Alle tre store lipoproteiner: meget lavdensitetslipoprotein (VLDL), lavdensitetslipoprotein (LDL) og højdensitetslipoprotein (HDL) er involveret i transport af carotenoider . Carotenoider kan findes i flere menneskelige organer, såsom lever, binyre, æggestokke, hud, lunge, testikler, prostata og blodserum. Fordelingen af carotenoider i menneskelige organer viser specificitet. Lutein og aksantin findes i overfladen af huden og subkutant væv i en esterificeret form og fungerer som UV-absorbere og slukker for singlet ilt . De fleste mennesker har en tendens til at have en tendens til at have en tendens til at have en tendens til at have en tendens til at have en tendens til at have en tendens til at have en tendens til at have en tendens til at have en tendens til at have en tendens til at udvikle sig . I øjet er lutein (meso) til stede som makulære pigmenter . Lycopen akkumuleres i prostata .

flere undersøgelser har afsløret, at diætcarotenoider er forbundet med reducerede risici for nogle kræftformer og andre alvorlige tilstande, stimulering af immunsystemet og fordele for menneskers hudsundhed .

i 1981, Peto et al. rapporterede, at diætkur-caroten reducerede humane kræftfrekvenser . Siden da har flere epidemiologiske undersøgelser vist, at indtagelse af grøngule grøntsager og frugter, der indeholder forskellige carotenoider, er forbundet med en reduceret risiko for kræft . For eksempel kan kriptoksantin, som er rig på Satuma mandarin (Citrus unshiu), være forbundet med en reduceret risiko for kræft. Indtagelse af lycopen reducerede også risikoen for prostatacancer . Desuden har kliniske forsøg også afsløret, at indgivelsen af naturlige multicarotenoider (blanding af karotin, karotin, lutein og lycopen) og Karot-tocopherol resulterede i signifikant undertrykkelse af hepatomudvikling hos en hepatitisvirusinduceret cirrhose-patient . Carotenoider blev også rapporteret at hjælpe med at forhindre hjerte-kar-sygdomme, diabetes, fedme og flere livsstilsrelaterede sygdomme og for at forbedre immuniteten. Desuden forbedrer carotenoider udholdenhed og hudens sundhed .