Karotenoider som naturliga funktionella pigment

i allmänhet syntetiserar djur inte karotenoider de novo, och de som finns i djur erhålls antingen direkt från mat eller delvis modifieras genom metaboliska reaktioner. De viktigaste metaboliska omvandlingarna av karotenoider som finns i dessa djur är oxidation, reduktion, översättning av dubbelbindningar, oxidativ klyvning av dubbelbindningar och klyvning av epoxibindningar .

det är väl känt att karotenoider som innehåller osubstituerade Macau-ionon ringar som t.ex. Agui-karoten, Agui-karoten, Agui-kryptoxantin. A. Dessutom spelar karotenoider hos djur viktiga roller som fotoskydd, antioxidanter, immunförstärkare och bidragsgivare till reproduktion. Flera djur använder karotenoider som signaler för intra-arter (sexuell signalering, social status signalering och förälder–avkomma signalering) och inter-arter (artigenkänning, varningsfärgning, mimik och krypsis) kommunikation .

livsmedelskedja och metabolism av karotenoider hos vattenlevande djur

vattenlevande djur innehåller olika karotenoider som visar strukturell mångfald. Vattenlevande djur får karotenoider från livsmedel som alger och andra djur och modifierar dem genom metaboliska reaktioner. Många av karotenoiderna som finns i vattenlevande djur är metaboliter av sackios-karoten, fucoxantin, peridinin, diatoxantin, alloxantin och astaxantin .

musslor (ostron, musslor, kammusslor, musslor och arkskal) och manteldjur (havssprut) är filtermatare. De matar på mikroalger som kiselalger, dinoflagellater, blågröna alger och gröna alger och får karotenoider från dessa dietkällor. Den huvudsakliga karotenoiden i diatomer är fucoxanthin. Fucoxanthin har flera funktionella grupper, såsom allenbindning, epoxid, karbonyl och acetylgrupper. Därför visar metaboliter av fucoxantin i musslor och manteldjur strukturell mångfald, såsom visas i Fig. 5a. De viktigaste metaboliska omvandlingar av fucoxanthin som finns i dessa djur är omvandlingen av allenbindning till acetylenbindning, hydrolys klyvning av epoxigrupp, och oxidativ klyvning av epoxigrupp, såsom visas i Fig. 5b .

Fig. 5
figur5

en metabolisk vägar av fucoxanthin i musslor och manteldjur. B metaboliska omvandlingsmekanismer för slutgrupper av fucoxantin i musslor och manteldjur

Peridinin, med sitt C37-kolskelett, är en stor röd karotenoid i dinoflagellater. Peridinin har också flera funktionella grupper, såsom en allenbindning, epoxid och en laktonring. Liksom fucoxanthin omvandlas peridinin också till flera metaboliter i musslor och manteldjur, såsom visas i Fig. 6 .

Fig. 6
figur6

metaboliska vägar av peridinin i musslor och manteldjur

Astaxanthin är en karakteristisk marin karotenoid i kräftdjur (räkor och krabbor). Många kräftdjur kan syntetisera Astaxanthin från Astaxanthin-karoten, intas i kostalger, via echinenon, 3-hydroxyechinenon, kantaxantin och adonirubin, såsom visas i Fig. 7 . I många kräftdjur är hydroxylering vid C-3 (C-3′) i gruppen 4-oxo-Xiaomi-end icke-stereoselektiv. Därför består astaxanthin och besläktade karotenoider med en 3-hydroxi-4-oxo-sackaridgrupp, närvarande i Kräftdjur, av en blandning av dessa optiska isomerer .

Fig. 7
figur7

oxidativ metabolism av kokos-karoten i Kräftdjur

karp, crucian karp och guldfisk som tillhör Cyprinidae kan konvertera zeaxanthin till (3S,3s)-astaxanthin via adonixanthin och idoxanthin (Fig. 8). Därför används spirulina, som innehåller zeaxantin som huvudkarotenoid, för pigmentering i röd karp och guldfisk .

Fig. 8
figur8

metabolisk omvandling av zeaxantin till (3S, 3s) – astaxantin i Cyprinidae fisk

å andra sidan kan flera marina fiskar (röd havsruda, torsk, tonfisk och gul svans) och Salmonidae fisk (lax och öring) inte syntetisera astaxantin från andra karotenoider som t .ex. Därför kommer astaxantin som finns i dessa fiskar från dietplankton som tillhör Crustacea som krill. Så, astaxanthin används för pigmentering i röda havsbras och lax. Den ljusgula färgen på finen och huden hos flera marina fiskar beror på närvaron av tunaxanthin (20,20-karoten-3,3′-diol). Tunaxantin metaboliseras från astaxantin via zeaxantin, såsom visas i Fig. 9 . Carotenoider med en 3-oxo-GHz-end-grupp, såsom 3-hydroxi-xujic,cu-karoten-3 ’- on och Cu,Cu-karoten-3,3’-Dion är viktiga intermediärer i denna metaboliska omvandling.

Fig. 9
figur9

reduktiv metabolisk väg för astaxantin i marina fiskar

biologisk funktion av karotenoider hos marina djur

som beskrivits ovan omvandlar marina djur kostkarotenoider och ackumulerar dem i dessa organ. Genom dessa metaboliska omvandlingar ökas antioxidativa och fotoskyddande aktiviteter av karotenoider.

till exempel konverterar många marina ryggradslösa djur som kräftdjur till astaxantin och ackumulerar det i integument, carapaces, ägg och äggstockar. Genom den metaboliska omvandlingen ändrar karotenoiden sin färg från gul (astaxantin) till röd (astaxantin). Astaxantin i marina ryggradslösa djur bildar ibland ett karotenoidproteinkomplex och är en röd, blå eller lila färg. Dessa färger kan tjäna till att kamouflera djuren under rådande undervattensljusförhållanden, fungera som allmänna fotoreceptorer eller ge skydd mot eventuella skadliga effekter av ljus. Vidare förbättras antioxidanteffekterna av karotenoider genom denna metaboliska omvandling, såsom släckning av singlet-syre, inhibering av lipidperoxidation och skydd mot fotooxidation. Därför fungerar astaxantin i dessa djur som en antioxidant och förhindrar oxidativ stress .

nästa exempel involverar karotenoider i gonaderna i havsängeln Clione limacine . Havsängeln är en liten, flytande havssnigel som tillhör klassen Gastropoda. Den bor under drivis i Okhotskhavet och utsätts för starkt solljus. Dess kropp är gelatinös och transparent. Å andra sidan är dess gonader och viskos en ljus orange-röd färg på grund av närvaron av karotenoider. Havsängeln är köttätande och matar uteslutande på en liten havssnigel Limacina helicina, som är växtätande och matar på mikroalger som kiselalger och dinoflagellater. Därför görs karotenoider som produceras av mikroalger tillgängliga för havsängeln genom L. helicina i livsmedelskedjan. L. helicina absorberar direkt karotenoider såsom diatoxantin från dietalger och ackumulerar dem utan metabolisk modifiering. Å andra sidan metaboliserar havsängeln oxiderat intaget diatoxantin från L. helicina till pectenolon, som visas i Fig. 10 . Genom att införa en karbonylgrupp vid C-4′ i diatoxantin ändrar karotenoiden färg från gul till röd och visar förbättrade antioxidativa och fotoskyddande aktiviteter. Därför ackumulerar havsängeln pectenolon i gonaderna som en antioxidant och ett fotoskydd .

Fig. 10
figur10

näringskedja och metabolism av karotenoider i sea angel

den röda karotenoid mytiloxantin är en metabolit av fucoxanthin närvarande i skaldjur och manteldjur. Dietal fucoxanthin från diatomer metaboliseras till mytiloxanthin via fucoxanthinol och halocynthiaxanthin i skaldjur och manteldjur, såsom visas i Fig. 5a.genom denna metaboliska omvandling ökas antioxidativa aktiviteter såsom singlet syrekylning, avlägsnande av hydroxiradikaler och hämning av lipidperoxidering av karotenoider. Mytiloxanthin visade nästan samma utmärkta antioxidativa aktivitet som astaxanthin . Därför drogs slutsatsen att marina djur metaboliserar kostkarotenoider till en mer aktiv antioxidativ form och ackumulerar dem i sina kroppar och reproduktionsorgan.

en ny fucoxantinpyrofeoforbid en ester (Fig. 11) isolerades från inälvorna av abalone Haliotis diversicolor aquatilis. De viktigaste matkällorna för Abalon är makroalger som bruna alger, som innehåller fucoxanthin som huvudkarotenoid. Pyrofeoforbid A är en metabolit av klorofyll A i inälvorna av Abalon. Denna karotenoidpyrofeoforbid a ester kan bildas av fucoxanthin och pyrofeoforbid A genom esteras i abalone viscera. Det är välkänt att pyrofeoforbid A är en fotosensibiliserare som genererar singlet syre från marktillståndsmolekylärt syre i närvaro av ljus. Å andra sidan är karotenoider utmärkta släckare av singlet syre och de förhindrar fotooxidation. Därför är det intressant att föreningar som fungerar som singlet syregeneratorer och släckare är kopplade till förestrade bindningar. Faktum är att fucoxantinpyrofeoforbid a Ester visar svagare singlet syregenerering än pyrofeoforbid a .

Fig. 11
figur11

Ny karotenoidpyrofoforbid en ester från Abalon

karotenoider i landdjur

som med vattenlevande djur kan de flesta landdjur inte syntetisera karotenoider de novo, och måste därför få dem från kosten. Därför kommer karotenoider i landdjur huvudsakligen från växter som de matar på. Många av de karotenoider som finns i landdjur är sackaros-karoten, sackaros-kryptoxantin, lutein, zeaxantin och deras metaboliter .

karotenoider i insekter och spindlar

insekter är den mest varierande gruppen av djur. Därför visar karotenoider i insekter strukturell mångfald. Många av de karotenoider som finns i insekten är sackaros-karoten, sackaros-kryptoxantin, lutein och zeaxantin, som härrör från deras mat och deras metaboliter. Å andra sidan kan bladlusen och vitflugan syntetisera karotenoider de novo genom karotenoidbiosyntesgener som förvärvas via horisontell genöverföring från svampar eller endosymbiotiska bakterier. Dessa insekter syntetisera β-zeacarotene, β,ψ-karoten (γ-karoten), torulene, β,γ-karoten, och γ,γ-karoten av karotenoid biosyntes gener överförs från endosymbiotic bakterier (Fig. 12) . Vidare syntetiserar blågröna bladlöss polycykliska kininer med gener av den endosymbiotiska bakterien Rickettsiella . Därför gör bladlöss sina egna karotenoider och kininer genom horisontella överföringsgener från svampar eller symbiotiska bakterier för färgning, beroende på miljökontexten. Dessa bladluskarotenoider ackumuleras också i skalbaggar och sländor genom livsmedelskedjan.

Fig. 12
figur12

karotenoid biosyntetiska vägar genom horisontella överföringsgener från svampar och symbiotiska bakterier i bladlus och vitfluga

Stickinsekter ändrar sin kroppsfärg från grönt till rött för kamouflage på hösten. På sommaren ackumulerar stickinsekter klorofyll och kakor-karoten från dietgröna blad och visar en grön kroppsfärg. På hösten konverterar de till 3,4,3′,4′-tetradehydro-2,2′-dion,med 15 konjugerade dubbelbindningssystem, som uppvisar djupröd färg. Denna karotenoid ackumuleras också i ägg för reproduktion . En serie ketokarotenoider, 3-hydroxyechinenon, adonirubin och astaxantin identifierades i den tvåfläckiga spindelmiten Tetranychus urticae. Som svar på långa nätter och lägre temperaturer går kvinnliga spindelmider in i en fakultativ diapause som kännetecknas av att reproduktionen upphör och en markant förändring i kroppsfärg från svagt gul till ljusröd–orange. Denna kroppsfärgförändring är resultatet av ackumulering av ketokarotenoider, som astaxantin, vilket har föreslagits för att skydda mot de fysiska påfrestningarna vid övervintring.

en nyligen genomförd undersökning visade att karotenoidcyklas/syntas-och karotenoiddesaturasgener, som kan vara ansvariga för omvandlingen av fytoen till karotenkaroten, var närvarande i den tvåfläckiga spindelmiten T. urticae . Fylogenetiska analyser tyder på att dessa karotenoidbiosyntetiska gener överfördes från svampar till spindelmittgenomet.

karotenoider hos fåglar

de flesta av de ljusröda, orange och gula pigmenten av fjäderdräkt (fjädrar) beror på närvaron av karotenoider. Hos fåglar är karotenoider en viktig signal om ett gott näringsförhållande och de används i prydnadsskärmar som ett tecken på kondition och för att öka sexuell attraktionskraft. Karotenoidbaserade färger av fjädrar (fjäderdräkt) fångar uppmärksamheten hos det motsatta könet för att främja parning. Till exempel, manipulation av dietkarotenoidtillförseln åberopar parallella förändringar i cellmedierad immunfunktion och sexuell attraktionskraft hos manliga zebrafinkar . Minst tio typer av karotenoider har dokumenterats i röda fjädrar. De flesta av dessa produceras genom metabolisk modifiering av dietprekursorföreningar. En serie gula karotenoider med gruppen 3-hydoxi – och/eller 3-oxo-Bisexuell-end rapporterades också i färgade fjädrar av guldfinken Carduelis. De metaboliseras också från lutein och zeaxantin .

nyligen, Mundy et al. identifierade gener som krävs för den ljusröda färgen som fåglar använder för kommunikation, som att locka kompisar. De avslöjade en genetisk koppling mellan röd färg och färgseende i zebrafinken och föreslog att rodnad kan vara en ärlig signal om kompiskvalitet genom att indikera en fågelns förmåga att avgifta skadliga ämnen . Karotenoider finns också i grodor, sniglar och ödlor. Dessa gula och röda färger beror på närvaron av karotenoider, såsom Macau-karoten, astaxantin-kryptoxantin, lutein och astaxantin.

karotenoider hos däggdjur

det har rapporterats att Däggdjur kategoriseras i tre grupper när det gäller deras förmåga att absorbera karotenoider. Vita feta djur som grisar, får, getter, katter och gnagare absorberar inte karotenoider alls eller i mycket små mängder. Gula feta djur, som idisslare och hästar, ackumulerar uteslutande karotener och inte xantofyller. Den tredje gruppen, människor och apor, ackumulerar både karotener och xantofyller lika bra .

ett utfodringsexperiment avslöjade att apor effektivt absorberade inte bara sackarios-karoten utan även sackarios-kryptoxantin, lutein och zeaxantin i plasma. I levern deponerades både AUC-karoten och xantofyller väl. I lungan, hjärta, muskel, fett, hud, och hjärna, mindre polära karotenoider, såsom Macau-karoten och Macau-kryptoxantin, var väl deponerade snarare än polära xantofyller, såsom lutein och zeaxantin. Namnlösa: plasmakarotenoidprofilen hos apor återspeglade kostkarotenoidkompositionen, som hos människor. Apor ackumulerades effektivt inte bara i plasma-karoten, men även i plasma-kryptoxantin, lutein, zeaxantin. Intressant nog var apor likartade med avseende på preferensackumulering av hCG-kryptoxantin i blodet och hjärnan .

Xantofyller med 3-oxo-ε-utgång koncernen, såsom β ε-karoten-3′-en, 3-hydroxi-β ε-karoten-3′-en, 3′-hydroxi-ε,ε-karoten-3′-en, och ε,ε-karoten-3,3′-dione, finns i flera däggdjur. Nyligen, Nagao et al. revealed att karotenoider med en 3-hydroxi-sackaros-end-grupp i xantofyller oxiderades till karotenoider med en 3-oxo-sackaros-End-grupp via en instabil Mellanprodukt med en 3-oxo-sackaros-End-grupp av en NAD+ – beroende dehydrogenas av muslever, såsom visas i Fig. 13 .

Fig. 13
figur13

Oxidationsväg för xantofyller med 3-hydroxi-AA-slut hos däggdjur

karotenoider hos människor

cirka 50 typer av karotenoider finns i vanliga mänskliga livsmedel, och bland dem finns cirka 20 typer som intas från mat i blodet (plasma eller serum). Av dessa har det visat sig vara de viktigaste komponenterna och utgör mer än 90% av de totala karotenoiderna . Karotenoider ackumuleras också i humana erytrocyter . Oxidativa metaboliter av lykopen, lutein och zeaxantin finns också i human plasma . Kapsantin, en viktig karotenoid i paprika, absorberas också hos människor och en del av den metaboliseras till kapsanton . Epoxikarotenoider, såsom antheraxantin, violaxantin, neoxantin och luteinepoxid, som finns i grönsaker, finns emellertid inte i humant blod. Dessa epoxikarotenoider kan brytas ned av till de sura förhållandena i magen .

karotenoider som intas från kosten absorberas av tunntarmen. Xantofyllestrar hydrolyseras av lipas eller esteras och absorberas. En del av provitamin A-karotenoider omvandlas till retinal i slemhinnan i tunntarmen med hjälp av AX-karoten-15,15′-dioxygenas. Absorberade karotenoider införlivas i kylomikroner och transporteras sedan till levern och olika organ genom blodet. Alla tre stora lipoproteiner: mycket lågdensitetslipoprotein (VLDL), lågdensitetslipoprotein (LDL) och högdensitetslipoprotein (HDL) är involverade i transport av karotenoider . Karotenoider finns i flera mänskliga organ, såsom lever, binjurar, äggstockar, hud, lunga, testiklar, prostata och blodserum. Fördelningen av karotenoider i mänskliga organ visar specificitet. Lutein och zeaxantin finns i ytan av huden och subkutan vävnad i förestrad form och fungerar som UV-absorberare och släckare av singlet syre . Xanthophylls liksom den cryptoxanthin, luteinen och zeaxanthinen finnas i hjärnan . I ögat finns lutein (meso)-zeaxantin och zeaxantin närvarande som makulära pigment . Lykopen ackumuleras i prostata .

flera undersökningar har visat att karotenoider i kosten är förknippade med minskade risker för vissa cancerformer och andra allvarliga tillstånd, stimulering av immunsystemet och fördelar för människors hudhälsa .

1981, Peto et al. rapporterade att dietary sackarios-karoten minskade humana cancerhastigheter . Sedan dess har flera epidemiologiska studier visat att intag av gröngula grönsaker och frukter, som innehåller olika karotenoider, är förknippat med en minskad risk för cancer . Till exempel kan en reducerad risk för cancer associeras med en 6: e, som är rik på Satuma mandarin (Citrus unshiu). Intag av lykopen minskade också risken för prostatacancer . Vidare har kliniska prövningar också visat att administrering av naturliga multikarotenoider (blandning av karotenoider, karoten, lutein och lykopen) och tokoferol resulterade i signifikant undertryckande av hepatomutveckling hos en hepatitvirusinducerad cirrospatient . Karotenoider rapporterades också för att förhindra hjärt-kärlsjukdomar, diabetes, fetma och flera livsstilsrelaterade sjukdomar och för att förbättra immuniteten. Dessutom förbättrar karotenoider uthållighet och hudhälsa .