Carotenóides como pigmentos funcionais naturais

em geral, os animais não sintetizam carotenóides de novo, pelo que os encontrados nos animais são directamente obtidos a partir de alimentos ou parcialmente modificados através de reacções metabólicas. As principais conversões metabólicas dos carotenóides encontrados nestes animais são oxidação, redução, tradução de ligações duplas, clivagem oxidativa de ligações duplas, e clivagem de ligações epoxídicas .

é bem conhecido que carotenóides que contêm anéis β-ionona não-substituídos, tais como β-caroteno, α-caroteno, β-criptoxantina. e β,ψ-caroteno (γ-caroteno) são precursores dos retinóides e são chamados pró-vitamina A. Além disso, os carotenóides em animais desempenham papéis importantes como fotoprotetores, antioxidantes, potenciadores da imunidade, e contribuidores para a reprodução. Vários animais usam carotenóides como sinais para comunicação intra-espécies (sinalização sexual, estado social e sinalização entre progenitores e descendentes) e inter–espécies (reconhecimento de espécies, coloração de aviso, mimetismo e criptografia).

cadeia alimentar e metabolismo dos carotenóides nos Animais Aquáticos

os Animais Aquáticos contêm vários carotenóides que apresentam diversidade estrutural. Os animais aquáticos obtêm carotenóides de alimentos como algas e outros animais e modificam-nos através de reacções metabólicas. Muitos dos carotenóides presentes nos animais aquáticos são metabolitos do β-caroteno, fucoxantina, peridinina, diatoxantina, aloxantina e astaxantina .

Bivalves (ostras, amêijoas, vieiras, mexilhões e conchas da arca) e tunicados (esguichos do mar) são Canalizadores. Alimentam-se de microalgas como diatomas, dinoflagelatos, algas verdes azuis e algas verdes e obtêm carotenóides a partir destas fontes alimentares. O principal carotenóide em diatomáceas é a fucoxantina. Fucoxantina tem vários grupos funcionais, como ligações alênicas, epóxido, carbonila e acetila. Portanto, os metabolitos da fucoxantina em bivalves e tunicados mostram diversidade estrutural,como demonstrado na Fig. 5a. As principais conversões metabólicas da fucoxantina encontradas nestes animais são a conversão de ligação alênica para ligação acetilênica, clivagem de hidrólise do grupo epoxi, e clivagem oxidativa do grupo epoxi, como mostrado no Fig. 5b .

Fig. 5
Figura 5

vias metabólicas de fucoxantina em bivalves e tunicados. B mecanismos de conversão metabólica de grupos finais de fucoxantina em bivalves e tunicados

a Peridinina, com o seu esqueleto de carbono C37, é um carotenóide vermelho importante em dinoflagelatos. A peridinina também tem vários grupos funcionais, como uma ligação alênica, epóxido e um anel de lactona. Assim como a fucoxantina, a peridinina também é convertida em vários metabolitos em bivalves e tunicados, como demonstrado na Fig. 6 .

Fig. 6
figure6

vias Metabólicas de peridinin em bivalves e tunicados

a Astaxantina é uma característica marinha carotenóide em crustáceos (camarões e caranguejos). Muitos crustáceos podem sintetizar astaxantina a partir de β-caroteno, ingerido em algas dietéticas, através de equinenona, 3-hidroxiecinenona, cantaxantina e adonirrubina, como mostrado na Fig. 7 . Em muitos crustáceos, a hidroxilação em C-3 (C-3′) no grupo 4-oxo-β-end é não-estéreo-seletiva. Por conseguinte, a astaxantina e os carotenóides associados com um grupo Terminal 3-hidroxi-4-oxo-β, presentes nos crustáceos, são constituídos por uma mistura destes isómeros ópticos .

Fig. 7
figure7

metabolismo Oxidativo de β-caroteno em crustáceos

Carpa, crucian carpa e o peixe pertencentes a Cyprinidae pode converter zeaxantina a (3,3)-a astaxantina via adonixanthin e idoxanthin (Fig. 8). Portanto, a espirulina, que contém zeaxantina como o principal carotenóide, é usada para pigmentação em Carpa vermelha e peixe-dourado .

Fig. 8
figura 8

Metabólico de conversão de zeaxantina a (3,3)-a astaxantina em Cyprinidae peixe

por outro lado, vários peixes marinhos (pargo, o bacalhau, o atum, e amarelo-cauda) e Salmonídeos peixes (salmão e truta) não é capaz de sintetizar a astaxantina de outros carotenóides, tais como β-caroteno e zeaxantina . Por conseguinte, a astaxantina presente nestes peixes é originária de zooplâncton dietético pertencente a crustáceos como o krill. Então, a astaxantina é usada para pigmentação em dourada e salmão. A cor amarela brilhante da barbatana e da pele de vários peixes marinhos é devida à presença de tunaxantina (ε,ε-caroteno-3,3′-diol). A tunaxantina é metabolizada a partir da astaxantina através da zeaxantina, como demonstrado na Fig. 9 . Os carotenóides com um grupo 3-oxo-ε-end como o 3-hidroxi-β,O ε-caroten-3′-ona e O ε,O ε-caroteno-3,3′ – diona são intermediários chave nesta conversão metabólica.

Fig. 9
figure9

Redutora via metabólica de astaxantina em peixes marinhos

função Biológica de carotenóides em animais marinhos

Como descrito acima, animais marinhos converter alimentares carotenóides e acumulam nestes órgãos. Através destas conversões metabólicas, aumentam-se as actividades antioxidantes e fotoprotetoras dos carotenóides.

por exemplo, muitos invertebrados marinhos como crustáceos convertem β-caroteno em astaxantina e acumulam-no em inteiros, carapaças, ovos e ovários. Através da conversão metabólica, o carotenóide muda sua cor de amarelo (β-caroteno) para vermelho (astaxantina). Astaxantina em invertebrados marinhos às vezes forma um complexo de proteínas carotenóides e é uma cor vermelha, azul ou púrpura. Estas cores podem servir para camuflar os animais nas condições de luz submersa prevalecentes, servir como fotorreceptores gerais, ou fornecer proteção contra possíveis efeitos nocivos da luz. Além disso, através desta conversão metabólica, aumentam-se os efeitos antioxidantes dos carotenóides, tais como a extinção do oxigénio do singlet, a inibição da peroxidação dos lípidos e a protecção contra a fotooxidação. Por conseguinte, a astaxantina nestes animais actua como antioxidante e evita o stress oxidativo .

o próximo exemplo envolve carotenóides nas gónadas da limacina do Anjo do mar Clione . O sea angel é uma lesma do mar pequena e flutuante pertencente à classe Gastropoda. Ele habita sob a deriva-gelo no mar de Okhotsk e é exposto à luz solar forte. Seu corpo é gelatinoso e transparente. Por outro lado, suas gónadas e vísceras são uma cor Laranja-Vermelho brilhante devido à presença de carotenóides. O sea angel é carnívoro e se alimenta exclusivamente de um pequeno caracol marinho Limacina helicina, que é herbívoro e se alimenta de microalgas como diatomáceas e dinoflagelatos. Por conseguinte, os carotenóides produzidos por microalgas são disponibilizados ao sea angel através de L. helicina na cadeia alimentar. A L. helicina absorve directamente carotenóides como a diatoxantina das algas alimentares e acumula-os sem modificação metabólica. Por outro lado, o anjo do mar metaboliza oxidativamente a diatoxantina ingerida de L. helicina a pectenolona, como mostrado na Fig. 10 . Ao introduzir um grupo carbonilo em C-4′ na diatoxantina, o carotenóide muda de cor do amarelo para o vermelho e mostra um aumento das actividades antioxidantes e fotoprotetoras. Portanto, o anjo do mar acumula pectenolona nas gónadas como um antioxidante e um foto-protetor .

Fig. 10
figura 10

a cadeia Alimentar e o metabolismo de carotenóides em anjo do mar

O vermelho carotenóide mytiloxanthin é um metabólito do fucoxanthin presente em frutos do mar e tunicados. A fucoxantina Dietal das diatomáceas é metabolizada em mictiloxantina através de fucoxantinol e halocintiaxantina em moluscos e tunicados, como demonstrado na Fig. 5-A. Através desta conversão metabólica, aumentam-se as actividades antioxidantes, tais como a extinção do oxigénio por singlet, a eliminação dos radicais hidroxilados e a inibição da peroxidação dos lípidos dos carotenóides. A mictiloxantina demonstrou quase a mesma excelente actividade antioxidante que a astaxantina . Por conseguinte, concluiu-se que os animais marinhos metabolizam carotenóides dietéticos numa forma antioxidante mais activa e acumulam-nos nos seus corpos e órgãos reprodutivos.

uma nova pirofeoforbida de fucoxantina éster (Fig. 11) foi isolado das vísceras da Amalona Haliotis diversicolor aquatilis. As principais fontes alimentares de abalona são macroalgas, como algas castanhas, que contêm fucoxantina como o principal carotenóide. A pirofeoforbida A é um metabolito da clorofila a nas vísceras da abalona. Este pirofeoforbido carotenóide um éster pode ser formado a partir de fucoxantina e pirofeoforbida a por esterase nas vísceras de abalona. É bem conhecido que pirofeoforbida A é um fotossensibilizador que gera oxigênio único a partir de oxigênio molecular no estado do solo na presença de luz. Por outro lado, os carotenóides são excelentes motores de combustão do oxigénio de uma só vez e impedem a fotooxidação. Portanto, é interessante que os compostos que atuam como geradores de oxigênio singlet e aquecedores estão ligados com ligações esterificadas. Na verdade, a pirofeoforbida de fucoxantina a éster apresenta uma geração de oxigénio singlet mais fraca do que a pirofeoforbida A.

Fig. 11
afigura11

Romance carotenóide pyropheophorbide Um éster de abalone

Carotenóides em animais terrestres

Como com os animais aquáticos, a maioria dos animais terrestres não podem sintetizar carotenóides de novo, e assim deve obtê-los a partir de sua dieta. Por conseguinte, os carotenóides dos animais terrestres provêm principalmente de plantas com as quais se alimentam. Muitos dos carotenóides presentes nos animais terrestres são O β-caroteno, a β-criptoxantina, a luteína, a zeaxantina e os seus metabolitos .Os carotenóides em insectos e aranhas são o grupo mais diversificado de animais. Por isso, os carotenóides nos insectos apresentam diversidade estrutural. Muitos dos carotenóides presentes nos insectos são O β-caroteno, a β-criptoxantina, a luteína e a zeaxantina, que provêm dos seus alimentos e dos seus metabolitos. Por outro lado, o afídeo e o branco podem sintetizar carotenóides de novo por genes de biossíntese carotenóide que são adquiridos através da transferência horizontal de genes de fungos ou bactérias endossimbióticas. Estes insectos sintetizam β-zeacaroteno, β, ψ-caroteno( γ-caroteno), toruleno,β, γ-caroteno e γ,γ-caroteno por genes de biossíntese carotenóides transferidos de bactérias endossimbióticas (Fig. 12) . Além disso, os pulgões azuis-verdes sintetizam quininas policíclicas utilizando genes da bactéria endossimbiótica Rickettsiella . Portanto, os afídeos fazem os seus próprios carotenóides e quininas através de genes de transferência horizontal de fungos ou bactérias simbióticas para coloração, dependendo do contexto ambiental. Estes carotenóides pulgões também são acumulados em besouros e libélulas através da cadeia alimentar.

Fig. 12
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Carotenóide vias biossintéticas por transferência horizontal de genes de fungos e bactérias simbióticas em pulgão e mosca branca

Vara de insetos mudar seu corpo de cor de verde para vermelho para camuflar no outono. No verão, os insetos-Pau acumulam clorofila e β-caroteno a partir de folhas verdes dietéticas e mostram uma cor Verde do corpo. No outono, convertem β-caroteno em 3,4,3′, 4′ – tetradehydro-β, β-caroteno-2,2′-diona, com 15 ligações duplas conjugadas, que exibem uma cor vermelha profunda. Este carotenóide também é acumulado em ovos para reprodução . Uma série de cetocarotenóides, 3-hidroxiecinenona, adonirrubina e astaxantina, foi identificada na Aranha Ácida ácida ácida Tetranychus urticae. Em resposta a longas noites e temperaturas mais baixas, os ácaros–aranha entram em uma diapausa facultativa caracterizada pela cessação da reprodução e uma mudança marcada na cor do corpo de amarelo fraco para vermelho-laranja brilhante. Esta mudança de cor corporal resulta da acumulação de cetocarotenóides, como a astaxantina, que tem sido sugerida para proteger contra o stress físico do inverno excessivo.

Uma investigação recente revelou que carotenóide ciclase/sintase e carotenóide desaturase genes, o que pode ser responsável pela conversão de phytoene para β-caroteno, estavam presentes nas duas pintas ácaro T. urticae . Análises filogenéticas sugerem que estes genes biossintéticos carotenóides foram transferidos de fungos para o genoma do ácaro-aranha.

carotenóides em aves

A maior parte dos pigmentos vermelhos, alaranjados e amarelos da plumagem (penas) deve-se à presença de carotenóides. Em aves, os carotenóides são um importante sinal de uma boa condição nutricional e são utilizados em exposições ornamentais como um sinal de aptidão e para aumentar a atractividade sexual. As cores à base de carotenóides das penas (plumagem) chamam a atenção do sexo oposto para promover o acasalamento. Por exemplo, a manipulação do fornecimento alimentar de carotenóides invoca alterações paralelas na função imunitária mediada pelas células e na atractividade sexual nos tentilhões de zebra machos . Pelo menos dez tipos de carotenóides foram documentados em penas vermelhas. A maioria destes são produzidos através da modificação metabólica de compostos precursores dietéticos. Uma série de carotenóides amarelos com o grupo 3 – hidoxi-e / ou 3-oxo-ε-end também foram relatados em penas coloridas do pintassilgo Carduelis. Eles também são metabolizados a partir de luteína e zeaxantina .

Recently, Mundy et al. genes identificados necessários para a coloração vermelho-brilhante que as aves usam para a comunicação, tais como atrair companheiros. Eles revelaram uma ligação genética entre coloração vermelha e visão de cor no tentilhão-zebra, e propuseram que a vermelhidão pode ser um sinal honesto de qualidade de acasalamento, indicando a capacidade de uma ave para desintoxicar substâncias nocivas . Carotenóides também estão presentes em rãs, caracóis e lagartos. Estas cores amarelo e vermelho são devido à presença de carotenóides como β-caroteno, β-criptoxantina, luteína e astaxantina.

carotenóides em mamíferos

foi referido que os mamíferos são classificados em três grupos em termos da sua capacidade para absorver carotenóides. Os animais de gordura branca, tais como suínos, ovinos, caprinos, gatos e roedores, não absorvem carotenóides de todo ou em quantidades muito pequenas. Os animais de gordura amarela, como os bovinos ruminantes e os cavalos, acumulam exclusivamente carotenos e não xantofilas. O terceiro grupo, os seres humanos e os macacos, acumulam igualmente bem os carotenos e as xantofilas .

uma experiência de alimentação revelou que os macacos absorveram efectivamente não só β-caroteno, mas também β-criptoxantina, luteína e zeaxantina no plasma. No fígado, tanto β-caroteno e xantofilas foram bem depositados. No pulmão, coração, músculo, gordura, pele e cérebro, menos carotenóides polares tais como β-caroteno e β-criptoxantina, foram bem depositados em vez de xantofilas polares tais como luteína e zeaxantina. Nomeadamente, o perfil carotenóide plasmático nos macacos reflectia a composição carotenóide alimentar, tal como nos seres humanos. Os macacos efetivamente acumularam não apenas β-caroteno, mas também β-criptoxantina, luteína e zeaxantina no plasma. Curiosamente, os macacos eram semelhantes no que diz respeito à acumulação preferencial de β-criptoxantina no sangue e cérebro .

Xanthophylls com o 3-oxo-ε-final do grupo, tais como β,ε-caroten-3′-um, 3-hidroxi-β,ε-caroten-3′-um, 3′-hidroxi-ε,ε-caroten-3′-um, e ε,ε-caroteno-3,3′-diona, estão presentes em vários mamíferos. Recentemente, Nagao et al. revelou que os carotenóides com um grupo de 3-hidroxi-β-end em xantofilas foram oxidados em carotenóides com um grupo de 3-oxo-ε-end através de um intermediário instável com um grupo de 3-oxo-β-end por uma desidrogenase NAD+-dependente do fígado do rato, como demonstrado na Fig. 13 .

Fig. 13
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a Oxidação via de xanthophylls com 3-hidroxi-β-final em mamíferos

Carotenóides em seres humanos

Cerca de 50 tipos de carotenóides são encontrados em comum alimentos humanos, e entre elas, cerca de 20 tipos de ingestão de alimentos são encontrados no sangue (plasma ou soro). Destes, O β-caroteno, O α-caroteno, o licopeno, a β-criptoxantina, a luteína e a zeaxantina são os principais componentes e constituem mais de 90% do total de carotenóides . Os carotenóides também se acumulam nos eritrócitos humanos . Os metabolitos oxidativos do licopeno, luteína e zeaxantina encontram-se também no plasma humano . Capsantina, um carotenóide importante na paprika, também é absorvida em seres humanos e parte dela é metabolizada em capsantona . No entanto, os carotenóides epóxi, tais como a anteraxantina, a violaxantina, a neoxantina e o epóxido de luteína, que estão presentes em vegetais, não são encontrados no sangue humano. Estes carotenóides epóxi podem ser degradados pelas condições ácidas do estômago .Os carotenóides ingeridos da dieta são absorvidos pelo intestino delgado. Os ésteres xantofílicos são hidrolisados por lipase ou esterase e absorvidos. Uma parte da provitamina A carotenóides são convertidos em retina na mucosa do intestino delgado Por β-caroteno-15,15′ – dioxigenase. Os carotenóides absorvidos são incorporados em quilomicrons e depois transportados para o fígado e vários órgãos através do sangue. As três principais lipoproteínas: lipoproteína de muito baixa densidade (VLDL), lipoproteína de baixa densidade (LDL) e lipoproteína de alta densidade (HDL) estão envolvidas no transporte de carotenóides . Os carotenóides podem ser encontrados em vários órgãos humanos, como o fígado, glândula supra-renal, ovários, pele, pulmão, testículos, próstata e soro sanguíneo. A distribuição de carotenóides nos órgãos humanos mostra especificidade. A luteína e a zeaxantina encontram-se na superfície da pele e do tecido subcutâneo, numa forma esterificada, e actuam como absorventes de UV e amortecedores de oxigénio isolado . Xantofilas Como β-criptoxantina, luteína e zeaxantina são encontrados no cérebro . No olho, luteína (meso) – zeaxantina, e zeaxantina estão presentes como pigmentos maculares . O licopeno acumula-se na próstata .

várias investigações revelaram que os carotenóides alimentares estão associados a riscos reduzidos de alguns cancros e outras doenças graves, estimulação do sistema imunitário e benefícios para a saúde da pele humana .

In 1981, Peto et al. relatou que a dieta β-caroteno reduziu as taxas de câncer humano . Desde então, vários estudos epidemiológicos demonstraram que a ingestão de vegetais e frutos verdes-amarelos, que contêm vários carotenóides, está associada a um risco reduzido de cancro . Por exemplo, β-criptoxantina, que é rica em mandarina Satuma (Citrus unshiu), pode estar associada com um risco reduzido de câncer. A ingestão de licopeno também reduziu o risco de cancro da próstata . Além disso, os ensaios clínicos revelaram também que a administração de multi carotenóides naturais (mistura de α-caroteno, β-caroteno, luteína e licopeno) e α-tocoferol resultou numa supressão significativa do desenvolvimento de hepatomas num doente com cirrose induzida pelo vírus da hepatite . Os carotenóides também foram relatados para ajudar a prevenir doenças cardiovasculares, diabetes, obesidade e várias doenças relacionadas com o estilo de vida e para aumentar a imunidade. Além disso, os carotenóides melhoram a resistência e a saúde da pele .