Karotenoider som naturlige funksjonelle pigmenter

generelt syntetiserer dyr ikke karotenoider de novo, og de som finnes hos dyr er enten direkte hentet fra mat eller delvis modifisert gjennom metabolske reaksjoner. De viktigste metabolske konverteringene av karotenoider som finnes i disse dyrene er oksidasjon, reduksjon, oversettelse av dobbeltbindinger, oksidativ spaltning av dobbeltbindinger og spaltning av epoksybindinger .

det er velkjent at karotenoider som inneholder usubstituerte β-iononringer, slik som β-karoten, α-karoten, β-cryptoxanthin. og β, ψ-karoten (γ-karoten) er forløperen til retinoider og kalles provitamin A. videre spiller karotenoider hos dyr viktige roller som fotobeskyttere, antioksidanter, immunforsterkere og bidragsytere til reproduksjon. Flere dyr bruker karotenoider som signaler for intra-arter (seksuell signalering, sosial status signalering og foreldre–avkom signalering) og inter-arter (artsgjenkjenning, advarselsfarging, etterligning og krypsis) kommunikasjon .

Næringskjeden og metabolismen av karotenoider i akvatiske dyr

Akvatiske dyr inneholder forskjellige karotenoider som viser strukturell mangfold. Akvatiske dyr får karotenoider fra matvarer som alger og andre dyr og modifiserer dem gjennom metabolske reaksjoner. Mange av karotenoider som finnes i akvatiske dyr er metabolitter av β-karoten, fucoxanthin, peridinin, diatoxanthin, alloxanthin og astaxanthin .

Muslinger (østers, muslinger, kamskjell, blåskjell og arkskjell) og tunikater (sjøspruter) er filtermatere. De spiser på mikroalger som diatomer, dinoflagellater, blågrønne alger og grønne alger og får karotenoider fra disse diettkildene. Den viktigste karotenoid i kiselalger er fucoxanthin. Fucoxanthin har flere funksjonelle grupper, som allenisk binding, epoksid, karbonyl og acetylgrupper. Derfor viser metabolitter av fucoxanthin i muslinger og tunikater strukturelt mangfold, som vist På Fig. 5a. De viktigste metabolske konverteringer av fucoxanthin funnet i disse dyrene er omdannelsen av allenisk binding til acetylenisk binding, hydrolyse spaltning av epoksygruppe og oksidativ spaltning av epoksygruppe, som vist I Fig. 5b .

Fig. 5
figur5

En Metabolsk veier av fucoxanthin i muslinger og tunikater. B Metabolske konverteringsmekanismer av endegrupper av fucoxanthin i muslinger og tunikater

Peridinin, Med Sitt c37 karbonskjelett, er et stort rødt karotenoid i dinoflagellater. Peridinin har også flere funksjonelle grupper, for eksempel en allenisk binding, epoksid og en laktonring. I tillegg til fucoxanthin blir peridinin også omdannet til flere metabolitter i muslinger og tunikater, som vist På Fig. 6 .

Fig. 6
figur6

Metabolske veier av peridinin i muslinger og tunikater

Astaxanthin er et karakteristisk marint karotenoid i krepsdyr(reker og krabber). Mange krepsdyr kan syntetisere astaxanthin fra β-karoten, inntatt i diettalger, via echinenon, 3-hydroxyechinenon, canthaxanthin og adonirubin, som vist På Fig. 7 . Hos mange krepsdyr er hydroksylering Ved C-3 (C-3′) i 4-oxo-β-end-gruppen ikke-stereo-selektiv. Astaxanthin og beslektede karotenoider med en 3-hydroksy-4-oxo-β-end gruppe som finnes i krepsdyr består derfor av en blanding av disse optiske isomerer .

Fig. 7
figur7

oksidativ metabolisme av β-karoten i krepsdyr

Karpe, crucian karpe og gullfisk som tilhører Cyprinidae, kan konvertere zeaxanthin til (3S,3)-astaxanthin via adonixanthin og idoxanthin (Fig. 8). Derfor brukes spirulina, som inneholder zeaxanthin som hovedkarotenoid, til pigmentering i rød karpe og gullfisk .

Fig. 8
figur8

Metabolsk konvertering av zeaxanthin til (3s,3 ‘ s)-astaxanthin I Cyprinidae fisk

på den annen side kan flere marine fisk (rødhavsbrød, torsk, tunfisk og gulhale) og Laksefisk (laks og ørret) ikke syntetisere astaxanthin fra andre karotenoider som β-karoten og zeaxanthin . Derfor stammer astaxanthin som er tilstede i disse fiskene fra diettdyreplankton som tilhører Krill. Så, astaxanthin brukes til pigmentering i rødehavet og laks. Den lyse gule fargen på finen og huden på flere marine fisk skyldes tilstedeværelsen av tunaxanthin (ε,ε-karoten-3,3′-diol). Tunaxanthin metaboliseres fra astaxanthin via zeaxanthin, som vist I Fig. 9 . Karotenoider med en 3-oxo-ε-end gruppe som 3-hydroksy-β,ε-karoten-3′-en og ε,ε-karoten-3,3′ – dion er sentrale mellomprodukter i denne metabolske konverteringen.

Fig. 9
figur9

Reduktiv metabolisk vei av astaxanthin i marine fisk

Biologisk funksjon av karotenoider i marine dyr

som beskrevet ovenfor konverterer marine dyr diettkarotenoider og akkumulerer dem i disse organene. Gjennom disse metabolske konverteringene økes antioksidative og fotobeskyttende aktiviteter av karotenoider.

for eksempel konverterer mange marine hvirvelløse dyr som krepsdyr β-karoten til astaxanthin og akkumulerer det i integuments, carapaces, egg og eggstokkene. Gjennom metabolsk konvertering endrer karotenoid fargen fra gul (β-karoten) til rød (astaxanthin). Astaxanthin i marine hvirvelløse dyr danner noen ganger et karotenoidproteinkompleks og er en rød, blå eller lilla farge. Disse fargene kan tjene til å kamuflere dyrene i de rådende undersjøiske lysforhold, tjene som generelle fotoreseptorer, eller gi beskyttelse mot mulige skadelige effekter av lys. Videre, gjennom denne metabolske omdannelsen, blir antioxidantvirkningene av karotenoider som slukning av singlet oksygen, hemming av lipidperoksydasjon og beskyttelse mot fotooksidasjon forbedret. Derfor virker astaxanthin i disse dyrene som en antioksidant og forhindrer oksidativt stress .

det neste eksemplet involverer karotenoider i gonadene til sjøengelen Clione limacine . Havengelen er en liten, flytende sjøsnegl som tilhører Klassen Gastropoda. Den bor under drivisen I okhotskhavet og er utsatt for sterkt sollys. Kroppen er gelatinøs og gjennomsiktig. På den annen side er gonadene og innvollene en lys oransje-rød farge på grunn av tilstedeværelsen av karotenoider. Sjøengelen er kjøttetende og strømmer utelukkende på en liten sjøsnegle Limacina helicina, som er plantelevende og strømmer på mikroalger som diatomer og dinoflagellater. Derfor blir karotenoider produsert av mikroalger gjort tilgjengelig for sjøengelen gjennom l. helicina i næringskjeden. L. helicina absorberer direkte karotenoider som diatoxanthin fra diettalger og akkumulerer dem uten metabolsk modifikasjon. På den annen side metaboliserer sjøengelen oksidativt inntatt diatoxanthin Fra l. helicina til pektenolon, som vist På Fig. 10 . Ved å introdusere en karbonylgruppe På C-4 ‘ i diatoxanthin, endrer karotenoid farge fra gul til rød og viser forbedrede antioksidative og fotobeskyttende aktiviteter. Derfor samler sjøengelen pektenolon i gonadene som en antioksidant og en fotobeskytter .

Fig. 10
figur10

Næringskjeden og metabolisme av karotenoider i sea angel

den røde karotenoid mytiloxanthin er en metabolitt av fucoxanthin som finnes i skalldyr og kappedyr. Dietal fucoxanthin fra kiselalger metaboliseres til mytiloxanthin via fucoxanthinol og halocynthiaxanthin i skalldyr og kappedyr, som vist I Fig. 5a. gjennom denne metabolske konvertering, antioksidative aktiviteter som singlet oksygen quenching, scavenging av hydroxy radikaler og hemming av lipid peroxidation av karotenoider er økt. Mytiloxanthin viste nesten samme gode antioksidativ aktivitet som astaxanthin . Derfor ble det konkludert med at marine dyr metaboliserer diettkarotenoider til en mer aktiv antioksidativ form og akkumulerer dem i kroppene og reproduktive organer.

en roman fucoxanthin pyropheophorbide en ester (Fig. 11) ble isolert fra innvollene til abalone Haliotis diversicolor aquatilis. De viktigste matkildene til abalone er makroalger som brune alger, som inneholder fucoxanthin som hovedkarotenoid. Pyrofeoforbid A Er en metabolitt av klorofyll A i viskalet av abalon. Denne karotenoidpyrofeoforbid a-ester kan dannes fra fucoxanthin og pyrofeoforbid A ved esterase i abalonens viskera. Det er velkjent at pyropheophorbide A er en fotosensibilisator som genererer singlet oksygen fra grunn-tilstand molekylært oksygen i nærvær av lys. På den annen side er karotenoider gode quenchers av singlet oksygen og de forhindrer fotooksidasjon. Derfor er det interessant at forbindelser som fungerer som singlet oksygengeneratorer og slukkere er forbundet med forestrede bindinger. Faktisk viser fucoxanthin pyropheophorbide a ester svakere singlet oksygen generasjon enn pyropheophorbide A .

Fig. 11
figur11

Novel karotenoid pyropheophorbide en ester fra abalone

Karotenoider i terrestriske dyr

som med akvatiske dyr kan de fleste terrestriske dyr ikke syntetisere karotenoider de novo, og må derfor skaffe dem fra kostholdet. Derfor kommer karotenoider i terrestriske dyr hovedsakelig fra planter som de spiser på. Mange av karotenoider som finnes hos terrestriske dyr er β-karoten, β-kryptoksanthin, lutein, zeaxanthin og deres metabolitter .

Karotenoider i insekter og edderkopper

Insekter er den mest varierte gruppen av dyr. Derfor viser karotenoider i insekter strukturelt mangfold. Mange av karotenoider som finnes i insekt er β-karoten, β-kryptoksantin, lutein og zeaxanthin, som stammer fra maten og deres metabolitter. På den annen side kan bladlusen og whitefly syntetisere karotenoider de novo ved karotenoidbiosyntesegener som er anskaffet via horisontal genoverføring fra sopp eller endosymbiotiske bakterier. Disse insekt syntetisere β-zeacarotene, β,ψ-karoten (γ-karoten), torulene, β,γ-karoten, og γ,γ-karoten av karotenoid biosyntese gener overføres fra endosymbiotic bakterier (Fig. 12) . Videre syntetiserer blågrønne bladlus polycykliske kininer ved hjelp av gener av Den endosymbiotiske bakterien Rickettsiella . Derfor lager bladlusene sine egne karotenoider og kininer ved horisontale overføringsgener fra sopp eller symbiotiske bakterier for farging, avhengig av miljøkonteksten. Disse bladlus karotenoider er også akkumulert i biller og øyenstikkere gjennom næringskjeden.

Fig. 12
figur12

Karotenoid biosyntetiske veier ved horisontal overføring gener fra sopp og symbiotiske bakterier i bladlus og whitefly

Stick insekter endrer kroppsfarge fra grønt til rødt for kamuflasje i høst. Om sommeren samler pinneinsekter klorofyll og β-karoten fra diettgrønne blader og viser en grønn kroppsfarge. Om høsten konverterer de β – karoten til 3,4,3′, 4 ‘- tetradehydro-β, β-karoten-2,2 ‘ – dione, med 15 konjugert dobbeltbindingssystem, som viser dyp rød farge. Denne karotenoid er også akkumulert i egg for reproduksjon . En serie ketokarotenoider, 3-hydroksyekinenon, adonirubin og astaxanthin, ble identifisert i tetranychus urticae med to flekker. Som svar på lange netter og lavere temperaturer, går kvinnelige edderkoppmider inn i en fakultativ diapause preget av opphør av reproduksjon og en markert endring i kroppsfarge fra svak gul til lys rød–oransje. Denne kroppsfargeendringen skyldes akkumulering av ketokarotenoider, som astaxanthin, som har blitt foreslått for å beskytte mot de fysiske belastningene ved overvintring.

en nylig undersøkelse viste at karotenoidcyklase / syntase-og karotenoid desaturasegener, som kan være ansvarlig for omdannelsen av fytoen til β-karoten, var tilstede I den tofargede edderkoppmitt T. urticae . Fylogenetiske analyser tyder på at disse karotenoidbiosyntetiske gener ble overført fra sopp til edderkoppmittgenomet.

Karotenoider hos fugler

de fleste av de lyse røde, oransje og gule pigmentene av fjær (fjær) skyldes tilstedeværelsen av karotenoider. Hos fugler er karotenoider et viktig signal om god ernæringsmessig tilstand, og de brukes i ornamental skjermer som et tegn på kondisjon og for å øke seksuell attraktivitet. Karotenoidbaserte farger av fjær (fjerdedel) fanger oppmerksomheten til motsatt kjønn for å fremme parring. For eksempel påkaller manipulering av kostkarotenoidforsyningen parallelle endringer i cellemediert immunfunksjon og seksuell attraktivitet hos mannlige sebrafinker . Minst ti typer karotenoider har blitt dokumentert i røde fjær. De fleste av disse er produsert gjennom metabolsk modifikasjon av diettforløperforbindelser. En serie gule karotenoider med 3 – hydoksy-og/eller 3-oxo-ε-end-gruppen ble også rapportert i fargede fjær av goldfinch Carduelis. De metaboliseres også fra lutein og zeaxanthin .

Nylig, Mundy et al. identifiserte gener som kreves for den lyse røde fargen som fugler bruker til kommunikasjon, for eksempel å tiltrekke seg venner. De avslørte en genetisk sammenheng mellom rød farge og fargesyn i sebrafinken, og foreslo at rødhet kan være et ærlig signal om kompis kvalitet ved å indikere en fugles evne til å avgifte skadelige stoffer . Karotenoider finnes også i frosker, snegler og øgler. Disse gule og røde fargene skyldes tilstedeværelse av karotenoider som β-karoten, β-cryptoxanthin, lutein og astaxanthin.

Karotenoider hos pattedyr

det har blitt rapportert at pattedyr er kategorisert i tre grupper når det gjelder deres evne til å absorbere karotenoider. Hvite fettdyr som griser, sauer, geiter, katter og gnagere absorberer ikke karotenoider i det hele tatt eller i svært små mengder. Gulfette dyr, som drøvtyggere og hester, akkumulerer utelukkende karotener og ikke xantofyller. Den tredje gruppen, mennesker og aper, akkumulerer både karotener og xantofyller like godt .

Et foringseksperiment viste at aper effektivt absorberte ikke bare β-karoten, men også β-kryptoksantin, lutein og zeaxantin i plasma. I leveren ble både β-karoten og xantofyll godt avsatt. I lunge, hjerte, muskel, fett, hud og hjerne var mindre polar karotenoider som β-karoten og β-kryptoksantin godt deponert i stedet for polare xantofyller som lutein og zeaxanthin. Nemlig reflekterte plasmakarotenoidprofilen i aper diettkarotenoidblandingen, som hos mennesker. Aper akkumulerte effektivt ikke bare β-karoten, men også β-kryptoksanthin, lutein og zeaxanthin i plasma. Interessant nok var apekatter lik med hensyn til fortrinns akkumulering av β-cryptoxanthin i blod og hjerne .

Xanthophylls med 3-oxo-ε-end gruppe, for eksempel β,ε-caroten-3′-ett -, 3-hydroxy-β,ε-caroten-3′-ett, 3′-hydroxy-ε,ε-caroten-3′-en, og ε,ε-karoten-3,3′-dione, er til stede i flere pattedyr. Nylig, Nagao et al. viste at karotenoider med en 3-hydroksy-β-end-gruppe i xantofyll ble oksidert til karotenoider med en 3-oxo-ε-end-gruppe via et ustabilt mellomprodukt med en 3-oxo-β-end-gruppe av en NAD+-avhengig dehydrogenase i muselever, som vist I Fig. 13 .

Fig. 13
figur13

Oksidasjonsvei for xantofyll med 3-hydroksy-β

Karotenoider hos mennesker

omtrent 50 typer karotenoider finnes i vanlige menneskelige matvarer, og blant dem finnes ca 20 typer inntatt fra mat i blodet (plasma eller serum). Av disse er hovedkomponentene i ③ -karoten, α-karoten, lycopen, β-cryptoxanthin, lutein og zeaxanthin hovedkomponenter og utgjør mer enn 90% av de totale karotenoider . Karotenoider akkumuleres også i humane erytrocytter . Oksidative metabolitter av lykopen, lutein og zeaxanthin finnes også i humant plasma . Capsanthin, en viktig karotenoid i paprika, absorberes også hos mennesker, og en del av den metaboliseres til capsanthon . Epoksykarotenoider, som antheraxanthin, violaxanthin, neoxanthin og luteinepoksid, som er tilstede i grønnsaker, finnes imidlertid ikke i humant blod. Disse epoksykarotenoider kan bli degradert av til de sure forholdene i magen .

Karotenoider inntatt fra kostholdet absorberes av tynntarmen. Xantofyllestere hydrolyseres av lipase eller esterase og absorberes. En del av provitamin a karotenoider omdannes til retinal i tynntarmens slimhinne ved β-karoten-15,15 ‘ – dioksygenase. Absorberte karotenoider inkorporeres i chylomikroner og transporteres deretter til leveren og ulike organer gjennom blodet. Alle tre store lipoproteiner: svært lav tetthet lipoprotein (VLDL), low-density lipoprotein (LDL) og high-density lipoprotein (HDL), er involvert i transport av karotenoider . Karotenoider finnes i flere menneskelige organer, som leveren, binyrene, eggstokkene, huden, lungen, testiklene, prostata og blodserum. Fordelingen av karotenoider i menneskelige organer viser spesifisitet. Lutein og zeaxanthin finnes i overflaten av huden og subkutant vev i forestret form og fungerer SOM UV-absorbenter og slukkere av singlet oksygen . Xantofyller som β-cryptoxanthin, lutein og zeaxanthin finnes i hjernen . I øyet er lutein (meso)-zeaxanthin og zeaxanthin tilstede som makulære pigmenter . Lycopen akkumuleres i prostata .

Flere undersøkelser har vist at kostholdskarotenoider er forbundet med redusert risiko for enkelte kreftformer og andre alvorlige forhold, stimulering av immunsystemet og fordeler for hudens helse hos mennesker .

I 1981, Peto et al. rapportert at kostholdsmessig karoten reduserte humane kreftfrekvenser . Siden da har flere epidemiologiske studier vist at inntak av grønngule grønnsaker og frukt, som inneholder forskjellige karotenoider, er forbundet med redusert risiko for kreft . For eksempel kan β-cryptoxanthin, som er rik På Satuma mandarin (Citrus unshiu), være forbundet med redusert risiko for kreft. Inntak av lycopen reduserte også risikoen for prostatakreft . Kliniske studier har også vist at administrering av naturlige multikarotenoider (blanding av α-karoten, β-karoten, lutein og lykopen) og α-tokoferol resulterte i signifikant suppresjon av hepatomutvikling hos en hepatittvirusindusert cirrhosepasient . Karotenoider ble også rapportert å bidra til å forebygge kardiovaskulær sykdom, diabetes, fedme og flere livsstilsrelaterte sykdommer og for å forbedre immuniteten. Videre forbedrer karotenoider utholdenhet og hudhelse .