Carotenoizii ca pigmenți funcționali naturali

în general, animalele nu sintetizează carotenoizii de novo, astfel încât cei găsiți la animale sunt fie obținuți direct din alimente, fie parțial modificați prin reacții metabolice. Conversiile metabolice majore ale carotenoidelor găsite la aceste animale sunt oxidarea, reducerea, traducerea legăturilor duble, scindarea oxidativă a legăturilor duble și scindarea legăturilor epoxidice .

este bine-cunoscut faptul că carotenoide care conțin nesubstituite β-iononă inele, cum ar fi β-caroten, α-caroten, β-criptoxantină. și în plus, carotenoizii la animale joacă roluri importante, cum ar fi fotoprotectori, antioxidanți, amelioratori ai imunității și contribuitori la reproducere. Mai multe animale folosesc carotenoizi ca semnale pentru intra-specii (semnalizare sexuală, semnalizare a statutului social și semnalizare părinte–descendent) și inter-specii (recunoașterea speciilor, colorarea de avertizare, mimetism și crypsis) comunicare .

lanțul alimentar și metabolismul carotenoidelor la animalele acvatice

animalele acvatice conțin diverse carotenoide care prezintă diversitate structurală. Animalele acvatice obțin carotenoide din alimente precum algele și alte animale și le modifică prin reacții metabolice. Multe dintre carotenoidele prezente la animalele acvatice sunt metaboliți ai carotenului, fucoxantinei, peridininei, diatoxantinei, aloxantinei și astaxantinei .

bivalvele (stridii, scoici, scoici, midii și scoici de arcă) și tunicatele (squirts de mare) sunt alimentatoare de filtrare. Se hrănesc cu microalge, cum ar fi diatomee, dinoflagelate, alge albastre-verzi și alge verzi și obțin carotenoizi din aceste surse alimentare. Carotenoidul major din diatomee este fucoxantina. Fucoxantina are mai multe grupări funcționale, cum ar fi legătura alenică, epoxidul, carbonilul și grupările acetil. Prin urmare, metaboliții fucoxantinei în bivalve și tunicate prezintă diversitate structurală, așa cum se arată în Fig. 5a. Conversiile metabolice majore ale fucoxantinei găsite la aceste animale sunt conversia legăturii alenice în legătură acetilenică, scindarea hidrolizei grupării epoxidice și scindarea oxidativă a grupării epoxidice, așa cum se arată în Fig. 5b .

Fig. 5
figura5

o cale metabolică a fucoxantinei în bivalve și tunicate. B mecanisme de conversie metabolică a grupurilor finale de fucoxantină în bivalve și tunicate

Peridinina, cu scheletul său de carbon C37, este un carotenoid roșu major în dinoflagelate. Peridinina are, de asemenea, mai multe grupuri funcționale, cum ar fi o legătură alenică, epoxid și un inel lactonic. Pe lângă fucoxantină, peridinina este, de asemenea, transformată în mai mulți metaboliți în bivalve și tunicate, așa cum se arată în Fig. 6 .

Fig. 6
figura6

căile metabolice ale peridininei în bivalve și tunicate

astaxantina este un carotenoid marin caracteristic în crustacee (creveți și crabi). Multe crustacee pot sintetiza astaxantina din carotenul-caroten, ingerat în algele dietetice, prin echinenonă, 3-hidroxiechinenonă, cantaxantină și adonirubină, așa cum se arată în Fig. 7 . În multe crustacee, hidroxilarea la C-3 (C-3′) în grupul de capăt 4-oxo-XV este non-stereo-selectiv. Prin urmare, astaxantina și carotenoizii înrudiți cu o grupare de capăt 3-hidroxi-4-oxo-XV, prezenți în crustacee, sunt compuși dintr-un amestec al acestor izomeri optici .

Fig. 7
figura7

metabolizarea oxidativă a carotenului-carotenului în crustacee

crapul, crapul crucian și peștele auriu aparținând ciprinidelor pot converti zeaxantina în (3s,3)-astaxantină prin adonixantină și idoxantină (Fig. 8). Prin urmare, spirulina, care conține zeaxantină ca carotenoid major, este utilizată pentru pigmentarea crapului roșu și a peștilor de aur .

Fig. 8
figura8

conversia metabolică a zeaxantinei în (3s, 3)-astaxantină la peștii Cyprinidae

pe de altă parte, mai mulți pești marini (doradă roșie, cod, ton și coadă galbenă) și pești salmonide (somon și păstrăv) nu pot sintetiza astaxantina din alte carotenoide, cum ar fi carotenul și zeaxantina . Prin urmare, astaxantina prezentă în acești pești provine din zooplanctonul alimentar aparținând crustaceei, cum ar fi krilul. Deci, astaxantina este utilizată pentru pigmentare în roșu și somon. Culoarea galbenă strălucitoare a aripioarei și a pielii mai multor pești marini se datorează prezenței tunaxantinei (sec. Tunaxantina este metabolizată din astaxantină prin zeaxantină, așa cum se arată în Fig. 9 . Carotenoidele cu o grupă de capăt 3-oxo-VIII, cum ar fi 3-hidroxi-VIII,3′-unu și 3′-unu și 3,3 ‘ -dionă sunt intermediari cheie în această conversie metabolică.

Fig. 9
figura9

calea metabolică reductivă a astaxantinei la peștii marini

funcția biologică a carotenoidelor la animalele marine

după cum sa descris mai sus, animalele marine transformă carotenoizii dietetici și le acumulează în aceste organe. Prin aceste conversii metabolice, activitățile antioxidante și foto-protectoare ale carotenoidelor sunt crescute.

de exemplu, multe nevertebrate marine, cum ar fi crustaceele, transformă carotenul în astaxantină și îl acumulează în tegumente, carapace, ouă și ovare. Prin conversia metabolică, carotenoidul își schimbă culoarea de la galben (XV-caroten) la roșu (astaxantină). Astaxantina la nevertebratele marine formează uneori un complex proteic carotenoid și are o culoare roșie, albastră sau purpurie. Aceste culori pot servi la camuflarea animalelor în condițiile de lumină submarină predominante, pot servi ca fotoreceptori generali sau pot oferi protecție împotriva posibilelor efecte nocive ale luminii. Mai mult, prin această conversie metabolică, efectele antioxidante ale carotenoidelor, cum ar fi stingerea oxigenului singlet, inhibarea peroxidării lipidelor și protecția împotriva fotooxidării sunt îmbunătățite. Prin urmare, astaxantina la aceste animale acționează ca un antioxidant și previne stresul oxidativ .

următorul exemplu implică carotenoizi în gonadele îngerului de mare Clione limacine . Îngerul de mare este un melc mic, plutitor, aparținând clasei Gastropoda. Locuiește sub gheața în derivă din Marea Okhotsk și este expusă la lumina puternică a soarelui. Corpul său este gelatinos și transparent. Pe de altă parte, gonadele și viscerele sale sunt de culoare Roșu-portocaliu strălucitor datorită prezenței carotenoidelor. Îngerul de mare este carnivor și se hrănește exclusiv cu un mic melc de mare Limacina helicina, care este erbivor și se hrănește cu microalge, cum ar fi diatome și dinoflagelate. Prin urmare, carotenoizii produși de micro-alge sunt puse la dispoziția îngerului de mare prin L. helicina în lanțul alimentar. L. helicina absoarbe direct carotenoizii, cum ar fi diatoxantina, din algele dietetice și le acumulează fără modificări metabolice. Pe de altă parte, îngerul mării metabolizează oxidativ diatoxantina ingerată de la L. helicina la pectenolonă, așa cum se arată în Fig. 10 . Prin introducerea unei grupări carbonil la C-4′ în diatoxantină, carotenoidul își schimbă culoarea de la galben la roșu și prezintă activități antioxidante și foto-protectoare îmbunătățite. Prin urmare, Îngerul de mare acumulează pectenolonă în gonade ca antioxidant și protector foto .

Fig. 10
figura10

lanțul alimentar și metabolismul carotenoidelor în sea angel

carotenoidul roșu mytiloxantina este un metabolit al fucoxantinei prezent în crustacee și tunicate. Fucoxantina dietală din diatome este metabolizată în mitiloxantină prin fucoxantinol și halocynthiaxantină în crustacee și tunicate, așa cum se arată în Fig. 5a. prin această conversie metabolică, activitățile antioxidante, cum ar fi stingerea oxigenului singlet, eliminarea radicalilor hidroxi și inhibarea peroxidării lipidice a carotenoidelor sunt crescute. Mytiloxantina a arătat aproape aceeași activitate antioxidantă excelentă ca cea a astaxantinei . Prin urmare, s-a ajuns la concluzia că animalele marine metabolizează carotenoizii alimentari într-o formă antioxidantă mai activă și le acumulează în corpul și organele lor de reproducere.

un nou ester pirofeoforbid de fucoxantină (Fig. 11) a fost izolat din viscerele abalone Haliotis diversicolor aquatilis. Principalele surse alimentare de abalone sunt macro-algele, cum ar fi algele brune, care conțin fucoxantină ca carotenoid major. Pirofeoforbidul a este un metabolit al clorofilei A în viscerele abalonei. Acest ester carotenoid Pirofeoforbid A ar putea fi format din fucoxantină și pirofeoforbid a de esterază în viscerele abalone. Este bine cunoscut faptul că pirofeoforbidul A este un fotosensibilizator care generează oxigen singlet din oxigenul molecular de la sol în prezența luminii. Pe de altă parte, carotenoizii sunt agenți excelenți de stingere a oxigenului singlet și împiedică fotooxidarea. Prin urmare, este interesant faptul că compușii care acționează ca generatoare de oxigen singlet și stingătoare sunt legați de legături esterificate. Într-adevăr, esterul pirofeoforbidului fucoxantin A prezintă o generație de oxigen singlet mai slabă decât pirofeoforbidul A.

Fig. 11
figura11

ester pirofeoforbid carotenoid nou din abalone

carotenoizii la animalele terestre

ca și în cazul animalelor acvatice, majoritatea animalelor terestre nu pot sintetiza carotenoizii de novo și, prin urmare, trebuie să le obțină din dieta lor. Prin urmare, carotenoizii la animalele terestre provin în principal din plante cu care se hrănesc. Multe dintre carotenoidele prezente la animalele terestre sunt:-caroten,-criptoxantină, luteină, zeaxantină și metaboliții lor.

carotenoizii din insecte și păianjeni

insectele sunt cel mai divers grup de animale. Prin urmare, carotenoizii din insecte prezintă diversitate structurală. Multe dintre carotenoidele prezente în insecte sunt:-carotenul,-criptoxantina, luteina și zeaxantina, care provin din hrana lor și metaboliții lor. Pe de altă parte, afida și musculița albă pot sintetiza carotenoizii de novo prin gene de biosinteză carotenoidă care sunt dobândite prin transferul orizontal de gene de la ciuperci sau bacterii endosimbiotice. Aceste insecte sintetiza β-zeacarotene, β,ψ-caroten (γ-caroten), torulene, β,γ-caroten, și γ,γ-caroten de carotenoide biosinteza gene transferate de la endosymbiotic bacterii (Fig. 12) . Mai mult, afidele albastre-verzi sintetizează chininele policiclice folosind gene ale bacteriei endosimbiotice Rickettsiella . Prin urmare, afidele își fac propriile carotenoide și chinine prin gene de transfer orizontal din ciuperci sau bacterii simbiotice pentru colorare, în funcție de contextul de mediu. Aceste carotenoide afide sunt, de asemenea, acumulate în gândaci și libelule prin lanțul alimentar.

Fig. 12
figura12

căi biosintetice carotenoide prin gene de transfer orizontal din ciuperci și bacterii simbiotice în afide și muște albă

insectele Stick își schimbă culoarea corpului de la verde la roșu pentru camuflaj toamna. În timpul verii, insectele stick acumulează clorofilă și-caroten din frunzele verzi dietetice și prezintă o culoare verde a corpului. În toamnă,se transformă în 3,4,3′, 4′-tetradehidro, 2,2′-dionă, cu sistem de 15 legături duble conjugate, care prezintă o culoare roșu intens. Acest carotenoid este, de asemenea, acumulat în ouă pentru reproducere . O serie de ketocarotenoide, 3-hidroxiechinenonă, adonirubină și astaxantină, au fost identificate în acarianul păianjen cu două pete Tetranychus urticae. Ca răspuns la nopțile lungi și la temperaturile mai scăzute, acarienii păianjen femele intră într–o diapauză facultativă caracterizată prin încetarea reproducerii și o schimbare marcată a culorii corpului de la galben slab la roșu-portocaliu aprins. Această schimbare a culorii corpului rezultă din acumularea de ketocarotenoizi, cum ar fi astaxantina, care a fost sugerată pentru a proteja împotriva stresului fizic al iernării.

o investigație recentă a relevat faptul că genele carotenoide ciclază/sintază și desaturază carotenoidă, care pot fi responsabile pentru Conversia fitoenei în octocaroten, au fost prezente în acarianul păianjen cu două Pete T. urticae . Analizele filogenetice sugerează că aceste gene biosintetice carotenoide au fost transferate din ciuperci în genomul acarianului păianjen.

carotenoizi la păsări

majoritatea pigmenților roșii, portocalii și galbeni strălucitori ai penajului (pene) se datorează prezenței carotenoidelor. La păsări, carotenoizii sunt un semnal important al unei stări nutriționale bune și sunt folosiți în afișaje ornamentale ca semn de fitness și pentru a crește atractivitatea sexuală. Culorile penelor pe bază de carotenoizi (penaj) atrag atenția sexului opus pentru a promova împerecherea. De exemplu, manipularea aprovizionării cu carotenoizi alimentari invocă modificări paralele ale funcției imune mediate de celule și atractivității sexuale la cintezele zebre masculine . Cel puțin zece tipuri de carotenoizi au fost documentate în pene roșii. Cele mai multe dintre acestea sunt produse prin modificarea metabolică a compușilor precursori alimentari. O serie de carotenoizi galbeni cu grupul de capăt 3-hidoxi – și/sau 3-oxo-XV au fost, de asemenea, raportate în pene colorate ale carduelisului goldfinch. De asemenea, sunt metabolizați din luteină și zeaxantină .

recent, Mundy și colab. gene identificate necesare pentru culoarea roșu aprins pe care păsările o folosesc pentru comunicare, cum ar fi atragerea colegilor. Ei au dezvăluit o legătură genetică între culoarea roșie și viziunea culorii în cinteza zebră și au propus că roșeața poate fi un semnal onest al calității partenerului, indicând capacitatea unei păsări de a detoxifica substanțele nocive . Carotenoizii sunt prezenți și în broaște, melci și șopârle. Aceste culori galbene și roșii se datorează prezenței carotenoidelor, cum ar fi-carotenul,-criptoxantina, luteina și astaxantina.

carotenoizi la mamifere

s-a raportat că mamiferele sunt clasificate în trei grupuri în ceea ce privește capacitatea lor de a absorbi carotenoizii. Animalele cu grăsime albă, cum ar fi porcii, oile, caprele, pisicile și rozătoarele, nu absorb carotenoizii deloc sau în cantități foarte mici. Animalele cu grăsime galbenă, cum ar fi bovinele rumegătoare și caii acumulează exclusiv caroteni și nu xantofile. Al treilea grup, oamenii și maimuțele, acumulează atât carotenii, cât și xantofilele la fel de bine .

un experiment de hrănire a relevat faptul că maimuțele au absorbit în mod eficient nu numai carotenul, ci și criptoxantina, luteina și zeaxantina în plasmă. În ficat, atât carotenul, cât și xantofilele au fost bine depuse. În plămâni, inimă, mușchi, grăsime, piele și creier, carotenoizii mai puțin polari, cum ar fi carotenul și criptoxantina, au fost bine depuși, mai degrabă decât xantofilele polare, cum ar fi luteina și zeaxantina. Anume, profilul carotenoidelor plasmatice la maimuțe reflecta compoziția carotenoidelor dietetice, ca și la om. Maimuțele au acumulat în mod eficient în plasmă nu numai carotenul, ci și criptoxantina, luteina și zeaxantina. Interesant este că maimuțele au fost similare în ceea ce privește acumularea preferențială de criptoxantină în sânge și creier .

Xantofile cu 3-oxo-ε-end de grup, cum ar fi β,ε-caroten-3′-o, 3-hidroxi-β,ε-caroten-3′-una, 3′-hidroxi-ε,ε-caroten-3′-una, și ε,ε-caroten-3,3′-dione, sunt prezente în mai multe mamifere. Recent, Nagao și colab. s-a arătat că carotenoizii cu un grup de capăt 3-hidroxi-VIII în xantofile au fost oxidați la carotenoizi cu un grup de capăt 3-oxo-VIII printr-un intermediar instabil cu un grup de capăt 3-oxo-VIII printr-o dehidrogenază dependentă de nad+a ficatului de șoarece, așa cum se arată în Fig. 13 .

Fig. 13
figura13

calea de oxidare a xantofilelor cu capăt de 3-hidroxi-XV la mamifere

carotenoizii la om

aproximativ 50 de tipuri de carotenoizi se găsesc în alimentele umane obișnuite, iar dintre acestea, aproximativ 20 de tipuri ingerate din alimente se găsesc în sânge (plasmă sau ser). Dintre acestea, s-au dovedit a fi componentele majore și reprezintă mai mult de 90% din totalul carotenoidelor . Carotenoizii se acumulează și în eritrocitele umane . Metaboliții oxidativi ai licopenului, luteinei și zeaxantinei se găsesc, de asemenea, în plasma umană . Capsantina, un carotenoid major în boia de ardei, este, de asemenea, absorbită la om și o parte din ea este metabolizată în capsantonă . Cu toate acestea, carotenoizii epoxidici, cum ar fi antheraxantina, violaxantina, neoxantina și epoxidul de luteină, care sunt prezente în legume, nu se găsesc în sângele uman. Aceste carotenoide epoxidice ar putea fi degradate de condițiile acide din stomac .

carotenoizii ingerați din dietă sunt absorbiți de intestinul subțire. Esterii xantofili sunt hidrolizați de lipază sau esterază și absorbiți. O parte din carotenoidele provitaminei A sunt transformate în retină în mucoasa intestinului subțire de către XV-caroten-15,15′-dioxigenază. Carotenoizii absorbiți sunt încorporați în chilomicroni și apoi transportați la ficat și la diferite organe prin sânge. Toate cele trei lipoproteine majore: lipoproteine cu densitate foarte mică (VLDL), lipoproteine cu densitate mică (LDL) și lipoproteine cu densitate mare (HDL), sunt implicate în transportul carotenoidelor . Carotenoizii pot fi găsiți în mai multe organe umane, cum ar fi ficatul, glanda suprarenală, ovarele, pielea, plămânul, testiculele, prostata și serul de sânge. Distribuția carotenoidelor în organele umane arată specificitate. Luteina și zeaxantina se găsesc în suprafața pielii și a țesutului subcutanat într-o formă esterificată și acționează ca absorbanți UV și stingători ai oxigenului singlet . Xantofilele, cum ar fi criptoxantina, luteina și zeaxantina, se găsesc în creier . În ochi, luteina (meso) – zeaxantina și zeaxantina sunt prezente ca pigmenți maculari . Licopenul se acumulează în prostată .

mai multe investigații au arătat că carotenoizii alimentari sunt asociați cu riscuri reduse ale unor tipuri de cancer și alte afecțiuni grave, stimularea sistemului imunitar și beneficii pentru sănătatea pielii oamenilor .

în 1981, Peto și colab. a raportat că dietetice-carotenul a redus ratele de cancer uman . De atunci, mai multe studii epidemiologice au demonstrat că aportul de legume și fructe verzi-galbene, care conțin diverse carotenoide, este asociat cu un risc redus de cancer . De exemplu, criptoxantina, care este bogată în mandarină Satuma (Citrus unshiu), ar putea fi asociată cu un risc redus de cancer. Aportul de licopen a redus, de asemenea, riscul de cancer de prostată . În plus, studiile clinice au arătat, de asemenea, că administrarea de multi-carotenoide naturale (amestec de caroteni-caroteni, caroteni-caroteni, luteină și licopen) și tocoferol-tocoferol a dus la suprimarea semnificativă a dezvoltării hepatomului la un pacient cu ciroză indusă de virusul hepatitei . Carotenoizii au fost, de asemenea, raportați pentru a ajuta la prevenirea bolilor cardiovasculare, diabetului, obezității și a mai multor boli legate de stilul de viață și pentru a spori imunitatea. În plus, carotenoizii îmbunătățesc rezistența și sănătatea pielii .