Структура, функции и физиологическая роль каратиноидов. Каротиноиды — универсальные молекулярные устройства для работы со светом

Просмотры: 143

25.11.2018

Природные красители, придающие листьям, цветам, плодам, корням и другим частям растений цветную окраску (желтую, оранжевую, красную, коричневую) образуют группу каротиноидов , нерастворимых в воде биологически активных веществ, которые синтезируются всеми видами растений, а также некоторыми микроорганизмами.

Каротиноиды вместе с хлорофиллом , обеспечивающим растениям зелёный цвет, составляют две группы фотосинтетических пигментов и выполняют функции поглощения света с последующим преобразованием солнечной энергии в химическую. Кроме того, каротиноиды играют защитную роль, предохраняя хлорофилл от избыточного действия солнечной энергии и от окисления выделяемым при фотосинтезе кислородом. Также они обеспечивают структуру фотосистемы, занимая в фотосинтетических мембранах строго определённое положение.

Несмотря на сходство их роли в жизнедеятельности растений, хлорофиллы и каротиноиды имеют ряд различий. Так, хлорофиллы поглощают, главным образом, световые волны красной, инфракрасной (длина волн 650 – 710 нм), синей и ультрафиолетовой (длина волн 400 – 500 нм) частей спектра, а каротиноиды – преимущественно зелёной, синей, фиолетовой, ультрафиолетовой области (длина волн 280 – 550 нм). К тому же они имеют различную молекулярную структуру; каротиноиды, в отличие от хлорофилла, не содержат металлов.

Каротиноиды, в свою очередь, представлены двумя видами жирорастворимых полиненасыщенных углеводородных соединений терпенового ряда: каротинами и ксантофиллами . Ксантофиллы отличаются от каротинов тем, что, кроме углерода и водорода, содержат также атомы кислорода.

Находясь в тканях и клетках растений, ксантофиллы обеспечивают им желтую окраску. Впервые были выделены из осенних листьев в 1837 году шведским химиком и минералогом Йёнсом Якобом Берцелиусом, который и дал им это название.

На сегодняшний день исследованы около 650 различных представителей каротиноидов. В их числе находятся самый распространенный и наиболее известный оранжевый пигмент каротин , придающий желто-оранжевый цвет плодам фруктов и овощей, а также другим частям растений (листьям, корням и пр.), и красный пигмент ликопин (плоды томата, мякоть арбуза, фрукты, ягоды), являющийся в сущности его изомером. Можно также рассматривать каротины в качестве производных ликопина.

Первый каротиноидный пигмент, известный нам сегодня как каротин (лат. carota ), был получен из корнеплодов моркови и желтой репы в 1831 году немецким ученым Фердинандом Вакенродером. Гораздо позже немецкий химик Рихард Вильштеттер предложил эмпирическую формулу каротина С 40 Н 56 . И лишь в 1930 году, спустя почти столетие после официального открытия каротина, швейцарским химиком Полом Каррером была окончательно подтверждена его структурная формула, за что учёный удостоился Нобелевской премии (1937 г.).

Исследования показали, что каротин может существовать в четырёх формах: α -каротин, β -каротин, γ -каротин и δ -каротин, из которых первые три формы представляют собой провитамин А . Попадая в организм человека (животного), они преобразуются в жизненно необходимые вещества ретиноиды (А 1 , А 2 , ретиноевая кислота и др.), обладающие антиоксидантными свойствами (защита клеток от разрушительного действия световой энергии). Наибольшей эффективностью по своему действию отличается β-каротин, так как он преобразуется в две молекулы ретинола, тогда как остальные (α- и γ-каротин) могут образовывать только одну.

Открытие витамина А произошло в 1913 году. Его значение для жизнедеятельности биоорганизмов трудно переоценить. В качестве структурного компонента клеточных мембран он оказывает благотворное влияние на рост и развитие, входит в состав основного зрительного пигмента родопсина , обеспечивает антиоксидантную защиту. Недостаток этого витамина в питании существенно снижает иммунитет, замедляет ростовые процессы, негативно отражается на зрительных функциях.

В недавних исследованиях нашли подтверждение противоопухолевые и радиопротекторные свойства β-каротина. Он способствует восстановлению защитных сил организма, положительно влияет на работу сердечно-сосудистой системы, показан при некоторых гинекологических заболеваниях и внутриклеточной гипоксии. Благодаря регенерирующим свойствам, масляные препараты с каротином применяются для лечения ожогов, при обморожении, различных кожных заболеваниях. Кроме того, β-каротин является канцеро- и гепатопротектором.

Поскольку организм человека не способен синтезировать витамин А самостоятельно, то его запасы пополняются за счет правильно подобранного питания. К растительной пище, богатой содержанием провитаминов А, относятся морковь, томаты, красный перец, листья шпината, тыква, зелёный лук, брокколи, многие ягоды и фрукты. Употребляя продукты, богатые β-каротином, следует помнить, что он плохо растворяется в воде, поэтому хорошая усваиваемость провитамина обеспечивается в случае сочетания его с небольшим количеством жира. Очень полезны продукты животного происхождения, содержащие ретиноиды (витамин А в наиболее доступной форме): молоко, сливочное масло, сметана, творог, яичный желток, рыбий жир, печень, икра.

Каротин как красящее вещество (краситель Е160 и Е160а) используется в пищевой и кондитерской промышленности. Основными источниками его получения промышленным способом являются плоды таких растений как облепиха, шиповник, некоторые виды грибов и микроорганизмов.

Практически с детства мы слышим, что на нашем столе должно быть больше овощей и фруктов. Именно они содержат витамины и минералы, которые так необходимы нашему организму для нормальной работы. Сюда же можно отнести каротиноиды. Что это такое? Какую роль эти вещества играют в организме? Рассмотрим далее.

Что представляют собой каротиноиды

Это именно те самые вещества, которые делают овощи и фрукты желтыми, оранжевыми. Растительному организму каротиноиды необходимы для поглощения солнечной энергии. Надо отметить, что цветовые пигменты присутствуют абсолютно в каждом представителе царства живых организмов.

Среди всех известных пигментов они наиболее распространены и представлены в большом разнообразии.

Свойства каротиноидов

Разные группы этих соединений обладают различной способностью к поглощению солнечного света. Но есть некоторые свойства, которые их объединяют:

Каротиноиды не растворяются в воде.
Обладают хорошей растворимостью в органических растворителях: бензоле, гексане, хлороформе.
Способны избирательно абсорбироваться на минеральных абсорбентах, это свойство используется для их разделения методом хроматографии.
В чистом виде каротиноиды обладают высокой лабильностью: хорошо поддаются воздействию солнечных лучей, чувствительны к кислороду, не выдерживают сильного нагревания, воздействия кислот и щелочей. Под влиянием этих негативных факторов краситель каротин разрушается.
В составе протеиновых комплексов каротиноиды становятся более стабильными.

Разновидности каротиноидов

Несмотря на то что все вещества входят в одну группу и имеют близкую структуру, они классифицируются в зависимости от цветовой пигментации на 2 группы:

Каротины. Это углеводороды В структуре отсутствуют атомы кислорода.
Ксантофиллы - окрашены в различные цвета, начиная от желтого и заканчивая красным.

Каротиноиды - это:

Альфа-каротин. В большом количестве обнаружен в овощах оранжевого цвета. Попадая в организм, способен превращаться в витамин А. Недостаток альфа-каротина приводит к развитию сердечно-сосудистых патологий.

Бета-каротин. Содержится в желтых фруктах и овощах. Защищает организм от пагубного воздействия свободных радикалов. Это мощный антиоксидант, который можно назвать защитником иммунной системы.
Лютеин. Стоит на страже здоровья сетчатки глаз, защищая ее от вредного воздействия ультрафиолета. При регулярном употреблении снижает риск развития катаракты на 25%. Много лютеина содержится в шпинате, капусте, кабачках и моркови.
Бета-криптоксантин. Снижает риск развития воспалительных патологий, особенно ревматоидного артрита и других заболеваний суставов. В большом количестве содержится в цитрусовых, тыкве, сладком перце.
Ликопин. Принимает непосредственное участие в нормализации холестеринового обмена. Предотвращает развитие атеросклероза, помогает бороться с лишним весом. Подавляет развитие патогенной микрофлоры кишечника. Источником ликопина являются томаты, паста томатная, арбузы.

Все виды каротиноидов играют важную роль в жизнедеятельности живых организмов.

Роль каротиноидов

Рассмотрим значение этих пигментов для человека:

Каротиноиды - это вещества, которые являются провитаминами витамина А. В организме он не вырабатывается, но нужен для нормальной жизнедеятельности.
Оказывают влияние на состояние кожных покровов и слизистых оболочек.
Каротиноиды выполняют антиоксидантную функцию.
Оказывают иммуностимулирующее воздействие.
Предотвращают хромосомные мутации.
Принимают участие в генетических программах уничтожения раковых клеток.
Оказывают тормозящее влияние на процесс деления клеток.
Подавляют онкогены.
Тормозят развитие воспалительных процессов, которые приводят к дегенеративным заболеваниям.
Поддерживают здоровье органов зрения.

Активизируют ферменты, которые разрушают вредные вещества.
Оказывают влияние на регулярность менструального цикла у женщин.
Помогают поддерживать водный баланс.
Способствуют транспорту кальция через клеточную мембрану.
В организме человека каротиноиды - это вещества, которые используются еще и как запас кислорода в нейрональной дыхательной цепочке.

Из перечня видно, что каротиноиды играют важную роль в организме, а так как синтезироваться они не могут, то должны поступать извне.

Природные источники красящих пигментов

Все желтые фрукты и овощи в своем составе содержат каротиноиды. Обнаружены эти вещества и в зелени, просто из-за зеленого хлорофилла они незаметны, а в осенний период именно они придают листьям яркую окраску.

Среди основных источников каротиноидов можно назвать:

Пальмовое масло. Его считают лидером по содержанию кофермента Q10, витамина Е и каротиноидов.
Морковь.
Плоды рябины.
Перец оранжевого цвета.
Кукуруза.
Все цитрусовые.
Хурма.
Абрикосы.
Тыква.
Шиповник.
Персики.
Томаты.
Облепиха.

Обнаружены пигменты и в цветах, например, лепестки календулы богаты каротиноидами, пыльце растений. Содержатся они и в яичном желтке, и в некоторых сортах рыбы.

Процесс усвоения пигментов в организме человека

После попадания данных веществ в организм процесс усвоения начинается в тонком кишечнике с участием определенной группы ферментов. Но в процессе исследований установлено, что усвоение каротиноидов происходит лучше, если употребляются мелко измельченные продукты и подвергшиеся термической обработке.

Важно для полного усвоения и наличие жира. Например, если из сырой моркови усвоится всего около 1% каротиноидов, то после добавления масла процент повысится до 25.

Витамин А в ампулах

Если в организм с пищей поступает недостаточное количество каротиноидов, то можно решить эту проблему, принимая синтетические поливитамины, содержащие эти вещества. Производители выпускают средства в виде:

В составе могут, кроме витамина А, содержаться и другие компоненты:

Витамины группы В.
Витамин С.
Фолиевая кислота.
Никотинамид.
Биотин.
Пантотеновая кислота.
Кальций.
Витамин К.
Фосфор.
Магний и железо.
Кремний и ванадий.
Молибден и селен.

Витамин А в ампулах необходимо принимать только после консультации с доктором, чтобы не спровоцировать передозировки.

Дозировка каротиноидов

Если в продуктах питания содержится мало каротина (что это такое, мы уже рассмотрели), то необходимо принимать синтетические препараты.

Доза в сутки должна составлять не менее 25 000 МЕ витамина А. При наличии некоторых патологий придется осуществлять корректировку дозы, снижая или повышая ее.

Для лучшего усвоения необходимо суточную норму разделить на два приема. Дозировка также зависит от того, принимается ли комплекс витаминов или добавка, содержащая только одну разновидность каротина: альфа-каротин, бета-каротин, ликопин.

Надо иметь в виду, что в сутки в организм взрослого человека витамин каротин должен поступать в количестве 2-6 мг. Для примера, в одной моркови содержится 8 мг, но не стоит забывать, что не все количество будет усвоено организмом.

Кому показан прием каротиноидов

Для уменьшения риска развития онкологических патологий предстательной железы, легких.
Для защиты сердечной мышцы от заболеваний.
С целью снижения скорости развития возрастных изменений в сетчатке глаза.
Чтобы укрепить иммунную систему.

Основной эффект от их применения связан с тем, что каротиноиды - это природные антиоксиданты. Молекулы способны нейтрализовать нестабильные свободные радикалы. Но надо отметить, что, несмотря на похожесть между собой, каждая группа каротиноидов оказывает свое воздействие на определенный тип тканей в организме человека.

Не все виды каротиноидов с одинаковой успешностью превращаются в витамин А, лучше всего это получается у бета-каротина, а вот альфа-каротин и криптоксантин способны к таким метаморфозам, но в меньшей степени.

Противопоказания к применению

Не стоит также сочетать прием витаминов с терапией другими лекарственными средствами. Перед использованием обязательно надо посоветоваться с врачом.

Побочные проявления

Если в пищу поступает достаточное количество продуктов, содержащих каротин (что это такое, вам уже известно), и вдобавок принимаются синтетические витамины, существует риск передозировки и развития побочных эффектов. Первым признаком будет окрашивание в оранжевый цвет кожи на руках и ступнях. Опасности это не представляет, при снижении дозировки все приходит в норму.

Если имеет место одновременный прием различных групп каротиноидов, то они мешают усвоению друг друга, а в некоторых случаях могут нанести вред организму.

Перед применением таких веществ, особенно при наличии хронических патологий, обязательно надо получить консультацию у врача.

Каротиноиды в профилактике болезней

Если эти вещества будут поступать в организм постоянно и в достаточном количестве, они могут сыграть профилактическую роль в предупреждении некоторых патологий:

Предохраняют от многих видов раковых заболеваний. Например, ликопин подавляет развитие раковых клеток в предстательной железе. В ходе исследований было установлено, что регулярное употребление блюд с содержанием томатов, которые богаты ликопином, снижает риск развития рака простаты на 45%. Способен данный каротиноид защитить и от рака желудка и пищеварительного тракта.
Альфа-каротин снижает риск заболевания раком шейки матки, а лютеин и зеаксантин уберегут от онкологии легких.
Потребление каротиноидов снижает риск развития сердечных патологий. Постоянное присутствие этих веществ в пище снижает риск инфаркта на 75%.
Все каротиноиды отлично справляются с плохим холестерином.
Снижается риск на сетчатке, что становится причиной слепоты в пожилом возрасте.
Каротиноиды предупреждают поражение хрусталика.
Снижается риск заболевания катарактой.

Можно привести некоторые факты и дать полезные рекомендации по применению этой группы веществ.

Казалось бы, при таком обилии продуктов современный человек не может испытывать дефицита каротиноидов, но, как отмечают специалисты, практически 40-60% взрослого населения недополучают этих веществ с пищей. Именно поэтому питание должно быть разнообразным и с большим содержанием овощей и фруктов.

Если этого нет, необходимо покупать синтетические витамины и биологически активные добавки, чтобы обеспечить полноценную работу организма.

1. КАРОТИНОИДЫ

Поразительное разнообразие цвета живых организмов приносит не только эстетическое удовольствие, но и указывает на высокую биологическую значимость пигментов.

Одними из самых поразительных по красоте и биологической активности природных пигментов являются каротиноиды. Это жирорастворимые соединения, синтезируемые растениями, водорослями, бактериями и грибами (Sandmann, 2001). Их исследование началось еще в 1831 году, когда Вакенродером был выделен из моркови в кристаллическом виде желтый пигмент β-каротин, а в 1837 году Берцелиусом были выделены желтые пигменты из осенних листьев и названы ксантофиллами. Через 100 лет в 1933 году было известно уже 15 различных каротиноидов, около 80 - в 1947 году и за последующие двадцать лет эта величина превысила 300. В настоящее время в группу каротиноидов входит около 700 пигментов. В природе эти вещества определяют цвет опадающих листьев, окраску цветов (нарциссы, ноготки) и плодов (цитрусовые, перец, томаты, морковь, тыква), насекомых (божья коровка), перьев птиц (фламинго, ибис, канарейка) и морских организмов (креветки, лосось). Эти пигменты обеспечивают различные цвета: от желтого до темно-красного, а в комплексе с белками могут давать зеленое и голубое окрашивание.

В растениях они являются вторичными метаболитами и подразделяются на две группы: окисленных ксантофиллов, таких как лютеин, зеаксантин, виолаксантин и каротиноидов-углеводородов, таких как β- и α- каротины и ликопин.

Среди известных растительных пигментов каротиноиды наиболее распространены и отличаются структурным разнообразием и широким спектром биологического действия. В высших растениях каротиноиды синтезируются и локализуются в клеточных пластидах, где они связаны в светочувствительные комплексы, участвуя в процессе фотосинтеза и защищая растения от оксидантного стресса, вызванного избыточным освещением.

Из 700 известных каротиноидов 40 постоянно присутствуют в пище человека, провитаминной (А) активностью у млекопитающих обладают только β-каротин, альфа-каротин и криптоксантины.

Каротиноиды принято считать одними из наиболее мощных улавливателей синглетного кислорода. Именно антиоксидантные свойства этих соединений во многом определяют их биологическую активность. Хотя каротиноиды присутствуют во многих традиционных продуктах питания, наиболее богатыми источниками для человека служат ярко окрашенные овощи, фрукты и соки, причем желто-оранжевые овощи и фрукты обеспечивают основную часть поступления β- и α-каротина, оранжевые фрукты являются источниками α-криптоксантина, темно-зеленые овощи - лютеина, перец - капсантина и капсорубина, а томат и продукты их переработки - ликопина Johnson, 2002.

По уровню накопления каротиноидов среди овощных культур лидируют шпинат, богатый лютеином и зеаксантином, а также представители рода Capsicum , содержащие в плодах капсантин и капсорубин.

Среди экзогенных факторов существенное влияние на накопление каротиноидов оказывает температура выращивания, интенсивность освещенности, длительность светового периода и использование удобрений. Так известно, что в тени содержание лютеина и β-каротина в растениях ниже, чем на свету, а летом выращенная листовая капуста имеет более высокие концентрации этих каротиноидов, чем при выращивании в зимний период. По мере роста содержание каротиноидов в листьях возрастает и снижается на стадии старения, то есть количество каротиноидов в растении зависит и от времени сбора урожая. Экспериментальные исследования подтверждают, что органическое фермерство обеспечивает наибольшее аккумулирование плодами сладкого перца красных и желтых пигментов (табл.2).

Благодаря своим антиоксидантным свойствам каротиноиды привлекают особое внимание в борьбе за предотвращение таких хронических заболеваний, как рак, сердечнососудистые заболевания, диабет и остеопороз.

Таблица 2. Содержание каротиноидов в плодах сладкого перца сорта Almuden в условиях использования органических удобрений, традиционной и интегрированной технологии (мг/кг сырой массы) (Perez-Lopez et al, 1999)

Каротиноид	Органическое земледелие	Интегрированное земледелие	Традиционное земледелие
Общее содержание	3231	2493	1829
Красная фракция*	2038	1542	1088
Желтая фракция	1193

*красная фракция= капсорубин+капсантин и изомеры

Желтая фракция = β-каротин + β-криптоксантин + зеаксантин + виолаксантин

Важнейшей биологической функцией каротиноидов в организме человека является провитаминная (А) активность. Каротиноиды, обладающие такой активностью, 1) поддерживают дифференциацию здоровых эпителиальных клеток, 2) нормализуют репродуктивные функции и 3) зрение. Витамин А входит в состав зрительного пигмента родопсина, что объясняет важную роль в поддержании зрения β-каротина, α-каротина и криптоксантинов. В частности, недостаток витамина А в пище может приводить к развитию так называемой ≪куриной≫ слепоты, характеризующейся существенным снижением чувствительности сетчатки глаза в сумерках, а в тяжелых случаях к развитию так называемого ≪трубчатого≫ зрения≫, когда светочувствительные клетки периферической части сетчатки перестают работать. Лютеин и зеаксантин - два из 7 каротиноидов, обнаруженных в плазме крови, и это единственные каротиноиды сетчатки и хрусталика. В сетчатке лютеин и зеаксантин ответственны за желтую пигментацию и получили название пигменты желтого пятна. Этот участок занимает всего 2% от всей поверхности сетчатки и состоит исключительно из клеток колбочек, ответственных за цветное зрение. Предполагают, что пигменты желтого пятна участвуют в фотопротекции, и пониженное содержание лютеина и зеаксантина может быть связано с поражением сетчатки. Увеличение количества этих пигментов может быть осуществлено путем увеличения потребления антиоксидантов, овощей и фруктов, каротиноидов пищи, нормализации индекса массы тела и отказа от курения. Многие из этих факторов связаны также с пониженным риском развития старческой дегенерации желтого пятна, что предполагает существование причинно-следственной связи. Исследования показывают, что повышение доли лютеина и зеаксантина, а также ликопина снижает риск макулярной дегенерации. Следует особенно отметить, что высокие уровни потребления различных овощей, обеспечивающих поступление в организм разнообразных каротиноидов,снижают риск заболеваний глаз более мощно, чем потребление индивидуальных каротиноидов.

В целом данные эпидемиологических исследований предполагают положительную взаимосвязь между высоким уровнем потребления каротиноидов и низким риском хронических, сердечно-сосудистых заболеваний, некоторых форм рака, уровнем иммунитета.

Исследования антиканцерогенного действия каротиноидов выявили протекторный эффект β-каротина от рака легких у некурящих и особенно у мужчин. Потребление высоких доз каротиноидов снижает риск некоторых видов лимфомы, но не влияет на величину риска развития рака мочевого пузыря. Ликопин способен предотвращать рак предстательной железы.

Снижение риска сердечнососудистых заболеваний под действием каротиноидов обусловлено защитой липопротеинов низкой плотности от перекисного окисления и уменьшением интенсивности оксидантного стресса в местах локализации атеросклеротических бляшек. Когортные исследования позволили установить защитную роль каротиноидов пищи от сердечнососудистых заболеваний в Италии, Японии, Европе и Коста-Рике. Существует ряд работ, подтверждающих защитный эффект ликопина в отношении предотвращения сердечнососудистых заболеваний. Эпидемиологические исследования на 662 больных и 717 здоровых людях из 10 различных Европейских стран показали дозозависимую взаимосвязь между уровнем потребления ликопина и риском инфаркта миокарда. При сравнении уровней потреблении ликопина в Литве и Швеции было показано возрастание риска развития и смертности от коронарной болезни сердца в условиях недостатка потребления ликопина. Как оказалось, ликопин томата, соусов, кетчупов, томатного сока значительно снижает уровень окисленных форм липопротеинов низкой плотности и уменьшает уровень холестерина в крови, снижая тем самым риск сердечно-сосудистых заболеваний.

Предотвращение раковых заболеваний при потреблении высоких доз каротиноидов связано со способностью последних ингибировать пролиферацию клеток, их трансформацию и модулировать экспрессию детерминантных генов. Окисленные каротиноиды (такие как β-криптоксантин и лютеин), а также неокисленные формы (такие как β-каротин и ликопин) связаны со снижением риска заболевания раком. Исследования на культурах клеток показали, что, помимо β-каротина, антиканцерогенную активность могут проявлять некоторые другие каротиноиды, причем активность, в ряде случаев вышактивности β-каротина (например, капсантин, α-каротин, лютеин, зеаксантин и др.).

Около 90% всех каротиноидов в пище и человеческом теле представлено β- и α-каротином, ликопином, лютеином и криптоксантином. Ликопин является одним из основных каротиноидов Средиземноморской диеты и обеспечивает поступление в организм человека до 50% всех каротиноидов. Среди овощей томат представляют собой основной источник ликопина, а продукты на основе томата (кетчуп, томатная паста, соусы) обеспечивают человека 85 % всего ликопина, поступающего с пищей. Антиканцерогенные свойства ликопина подтверждены эпидемиологическими исследованиями, исследованиями in vitro и на лабораторных животных, а также на человеке.

Основными механизмами антиканцерогенного действия ликопина, как предполагают, являются участие в дезактивации активных форм кислорода, регулировании работы системы детоксикации, влияние на пролиферацию клеток, индукция клеточных взаимосвязей, ингибирование клеточного цикла и модулирование передачи сигналов.

В целом человеком абсорбируется около 10-30% ликопина. Положительное влияние на уровень абсорбции ликопина оказывает присутствие жирорастворимых соединений, включая другие каротиноиды. Удивительно, но пространственная конфигурация центральной двойной связи молекулы ликопина определяет интенсивность его абсорбции. Показано, что цисликопин, образующийся при термической обработке томата, абсорбируется эффективнее, чем трансизомер сырых плодов. Цис-изомеры образуются также и в самом организме человека и животных при потреблении транс-форм.

Помимо сыворотки крови ликопин накапливается в значительных количествах в яичках, надпочечника, предстательной и молочной железе, а также печени.

Антиканцерогенные свойства ликопина томата проявляются в отношении рака предстательной железы, молочной железы, шейки матки, яичника, печени, легких, желудочно-кишечного тракта, поджелудочной железы.

Благодаря антиоксидантным свойствам каротиноиды способны защищать организм от других патологических состояний, связанных с оксидантным стрессом. Эпидемиологические исследования показывают, что β-каротин и ликопин совместно с витаминами С и Е в значительной степени снижают риск развития остеопороза. Этот факт представляется особенно важным в профилактике остеопороза у женщин в период менопаузы, характеризующийся существенным снижением антиоксидантной защиты.

Установлено положительное действие ликопина в снижении систолического давления у гипертоников, для которых характерно развитие оксидантного стресса.

Мужское бесплодие связано, как известно, с образованием в сперме значительного количества активных форм кислорода, в то время как у здоровых мужчин активные формы кислорода в семени не обнаружены. Учитывая, что содержание ликопина в семени инфертильных мужчин ниже, чем у здоровых лиц была предпринята попытка коррекции обеспеченности ликопином. Потребление в течение года такими больными 8 мг ликопина в день значительно повысило подвижность сперматозоидов, улучшало их морфологию и обеспечило 5% случаев зачатия.

В настоящее время исследуется роль ликопина в развитии нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера. Благодаря высокому уровню усвоения кислорода, большим концентрациям липидов и низкой антиоксидантной способности человеческий мозг является весьма уязвимым для воздействия оксидантов. Показано, что ликопин присутствует в малых концентрациях в нервной ткани, причем, его концентрация снижена при болезни Паркинсона и сосудистой деменции. В Японии установлен защитный эффект ликопина томата от возникновения и развития эмфиземы. Ожидается, что защитный эффект ликопина может проявиться у больных диабетом, с заболеваниями кожи, ревматоидным артритом, периодонтальных заболеваниях и воспалительных процессах. Антиоксидантные свойства ликопина открывают также широкие возможности его применения в фармацевтической, пищевой и косметической промышленности.

Ликопин до сих пор не рассматривают как эссенциальный нутриент, и поэтому оптимальные уровни потребления не утверждены. Однако, основываясь на данных исследований протекторного действия ликопина, можно констатировать, что суточное потребление для борьбы с оксидантным стрессом и предупреждения хронических заболеваний должно составлять 5-7 мг (Levin, 2008). При наличии заболеваний, таких как рак или сердечнососудистые заболевания, уровни потребления ликопина желательно увеличить до 35-75 мг. Реальные уровни потребления ликопина составляют 3-16,2 мг/сутки в США, 25,2 мг - в Канаде, 1,3 мг - в Германии, 1,1 мг - в Великобритании и 0,7 мг - в Финляндии.

Каротиноиды
Биологическое действие	Предотвращение заболеваний
Провитаминная активность	«Куриная» слепота
Дезактивация активных форм кислорода	Катаракта
Регулирование системы детоксикации	Остеопороз
Влияние на полиферацию клеток	Рак
Индукция клеточных взаимосвязей	ВИЧ
Ингибирование клеточного цикла заболевания	Сердечно-сосудистые заболевания
Модулирование передачи сигналов	Ревматоидный артрит
Поддержание иммунитета	Кожные заболевания
Участие в метаболизме лекарственных препратов	Защита от др. воспалительных заболеваний

2. ФЛАВОНОИДЫ

Биоразнообразие природы неисчерпаемо.

Другая группа антиоксидантов - полифенолы - составляет еще более многочисленную группу природных соединений (их известно более 8000) (Ross& Kasum, 2002).

Биофлавоноиды. Краткая справка

Биофлавоноды или витамин Р . Витамин Р (от латинского «paprika» - перец и «permeabilitus» - проницаемость) объединяет семейство биофлавоноидов. Это очень разнообразная группа растительных полифенольных соединений, влияющих на проницаемость сосудов сходным образом с витамином С.

Источники: лимоны, гречиха, черноплодная рябина, чѐрная смородина, листья чая, плоды шиповника, лук, капуста, яблоки.

Суточная потребность для человека точно не установлена.

Биологическая роль заключается в стабилизации межклеточного матрикса соединительной ткани и уменьшении проницаемости капилляров.

Пристальный интерес к биофлавоноидам возник в последнее время благодаря эпидемиологическим исследованиям, которые выявили защитный эффект овощей, фруктов, содержащих биофлавоноиды, при развитии социально значимых хронических неинфекционных заболеваний: сердечно-сосудистых и злокачественных. В многочисленных опытах показано, что флавоноиды:

обладают антиоксидативными свойствами;
препятствуют развитию атеросклеротических повреждений стенок артерий, подавляя процессы внутри клеточного перекисного окисления липидов;
угнетают агрегацию тромбоцитов;
предотвращают окислительное повреждение нуклеиновых кислот и препятствуют развитию процессов канцерогенеза. Предполагают, что флавоноиды обладают также противоаллергическим, противовоспалительным (ингибируют ЦОГ 1 и ЦОГ 2), противовирусным и антипролиферативным эффектами.

Клиническое проявление гиповитаминоза витамина Р характеризуется повышенной кровоточивостью дѐсен и точечными подкожными кровоизлияниями, общей слабостью, быстрой утомляемостью и болями в конечностях.

Препараты растительного происхождения , содержащие флавоноиды, нашли широкое клиническое применение при лечении заболеваний печени: это могут быть простые настои лекарственных растений, таких как цветки бессмертника песчаного или концентрированные экстракты - фламин (сухой концентрат бессмертника песчаного), конвифлавин (из травы ландыша дальневосточного). Комплексный препарат силимарин (содержит смесь биофлавоноидов расторопши пятнистой) обладает гепатотропным и антитоксическим эффектом, применяется при токсических поражениях печени.

Итак, Флавоноиды — это крупнейший класс растительных полифенолов. Полифенолы — это класс химических соединений, характеризующихся присутствием более чем одной фенольной группы на молекулу. Фенолы — органические соединения ароматического ряда, в молекулах которых гидроксильные группы OH− связаны с атомами углерода ароматического кольца.

Это наиболее распространенные в растительном мире антиоксиданты. Одни только флавоноиды (гидроксипроизводные флавона ) способны оказывать противовоспалительное, противовирусное, гормональное, антимутагенное действие, защищать от рака и проявлять еще огромное количество полезных для человека свойств. Установлено, что все природные полифенолы овощей обладают антиканцерогенным действием.

Действие флавоноидов:

Противовоспалительное
Антиканцерогенное (защита от рака легких и молочной железы)
Противовирусное
Антиоксидантное
Кардиопротекторное
Гормональное
Противоязвенное
Антидиарейное
Антиспазмолитическое
Улучшение памяти, обучения и способности к познанию
Нейропротекторное
Снижение риска остеопороза

Роль флавоноидов в поддержании здоровья человека огромна. Эпидемиологические исследования указывают, что потребление овощей и фруктов связано с пониженным риском развития хронических заболеваний, включая сердечнососудистые и рак. Предполагают, что именно флавоноиды и другие полифенолы являются важнейшими биологически активными соединениями, определяющими положительное воздействие овощей и фруктов на здоровье человека.

Эпидемиологические исследования подтверждают защитное действие флавоноидов в отношении онкологических и сердечнососудистых заболеваний (Ghosh&Scheepens, 2009). Обнаружено значительное различие в смертности населения с высоким (Китай) и низким(Северная Америка, Европа) потреблением флавоноидов. Только 2 из 7 крупномасштабных исследований не выявили достоверного защитного эффекта, причем оба исследования были проведены на европейцах с невысоким потреблением флавоноидов. В 14 из 19 исследований была показана обратная корреляция между случаями рака груди и уровнем флавоноидов в крови. Потребление пищи, богатой флавоноидами, связано с меньшей частотой заболеваний сердца, инфарктов, рака и других хронических заболеваний. Показано существование обратной корреляции между уровнем потребления флавоноидов и риском инсульта, а также раком легких и прямой кишки (Trichopoulos, 2003; Hirvonen et al, 2001). Поскольку эти хронические заболевания связаны с повышенным оксидантным стрессом, а флавоноиды являются сильными антиоксидантами in vitro, сделано предположение, что флавоноиды пищи оказывают положительное действие посредством усиления антиоксидантной защиты. Антиоксидантная активность флавоноидов проявляется в повышении антиоксидантного статуса плазмы, защитного действия в отношении витамина Е, эритроцитарных мембран и липопротеинов низкой плотности, а также защиты ПНЖК мембран эритроцитов от перекисного окисления.

Результаты многочисленных исследований предполагают, что у человека флавоноиды проявляют антиаллергенную, противовирусную, противовоспалительную и сосудорасширяющую активность. Флавоноиды, включая кверцитин и таксифолин , благотворно действуют на желудочно-кишечный тракт, проявляя противоязвенную, антиспазмолитическую и антидиарейную активность. Показано, что потребление овощей и фруктов с высоким содержанием полифенолов снижает риск возникновения и развития остеопороза.

Установлено, что кверцетин защищает от ВИЧ инфекции, препятствует окислению липопротеинов высокой плотности, снижая, таким образом, риск сердечно-сосудистых заболеваний. Потребление значительного количества продуктов, содержащих кверцитин (лук, грейпфрут, яблоки), снижает риск развития рака легких.

Широкий спектр биологического действия растений рода Allium (табл.1) связано не только с наличием серосодержащих соединения, но и с высокой концентрацией флавоноидов. Потребление лука ингибирует рост опухолей и микробных клеток, снижает риск рака, дезактивирует свободные радикалы и защищает от сердечно-сосудистых заболеваний. Установлена высокая антиоксидантная активность всех луковых культур (Kim&Kim, 2006; Corzo-Martinez et al, 2007).

Таблица 1. Биологическое действие растений рода Allium

Биологическое действие	Общее количество работ	Количество исследований на людях
Кардиопротекторное
Антимикробное
Антиканцерогенное
Антиоксидантное
Гипогликемическое
Противовоспалительное

Так девять эпидемиологических исследований в различных частях земного шара (Китай, Италия, Аргентина, США и др.) четко показали значительное снижение риска рака желудочно-кишечного тракта с увеличением потребления чеснока (You et al, 1989; Buiatti et al, 1989). Последнее наблюдение связано со способностью чеснока снижать уровень нитритов в желудочно-кишечном тракте (предшественников канцерогенных нитрозаминов) и бактериостатическим действием в отношении Helicobacter pylory , вызывающего развитие язвы и рака желудка (Lanzotti, 2006). Показано защитное действие аллил ди- и трисульфидов растений рода Allium от рака печени, вызываемого афлатоксином.

Каротиноиды - жирорастворимые пигменты желтого, оранжевого, красного цвета - присутствуют в хлоропластах всех растений. Они входят также в состав хромопластов в незеленых частях растений, например в корнеплодах моркови, от латинского наименования которой (Daucus carota L.) они и получили свое название. В зеленых листьях каротиноиды обычно незаметны из-за присутствия хлорофилла, но осенью, когда хлорофилл разрушается, именно каротиноиды придают листьям характерную желтую и оранжевую окраску. Каротиноиды синтезируются также бактериями и грибами, но не животными организмами. В настоящее время известно около 400 пигментов, относящихся к этой группе.

Структура и свойства. Элементарный состав каротиноидов установил Вильштеттер. С 1920 по 1930 г. была определена структура основных пигментов этой группы. Искусственный синтез ряда каротиноидов впервые осуществлен в 1950 г. в лаборатории П. Каррера. К каротиноидам относятся три группы соединений: 1) оранжевые или красные пигменты каротины (С 40 Н 56); 2) желтые ксантофиллы (С 4 оН 56 О 2 и С 40 H 51 O 4); 3) каротиноидные кислоты - продукты окисления каротиноидов с укороченной цепочкой и карбоксильными группами (например, C 20 H 24 O 2 - кроцетин, имеющий две карбоксильные группы).

Каротины и ксантофиллы хорошо растворимы в хлороформе, бензоле, сероуглероде, ацетоне. Каротины легко растворимы в петролейном и диэтиловом эфирах, но почти нерастворимы в метаноле и этаноле. Ксантофиллы хорошо растворимы в спиртах и значительно хуже в петролейном эфире.

Все каротиноиды - полиеновые соединения. Каротиноиды первых двух групп состоят из восьми остатков изопрена, которые образуют цепь конъюгированных двойных связей. Каротиноиды могут быть ациклическими (алифатическими), моно- и бициклическими. Циклы на концах молекул каротиноидов являются производными ионона (рис. 1).

Рис.1. Структурные формулы каротиноидов и последовательность их превращений

Примером ациклического каротиноида может служить ликопин (С 40 Н 56) - основной каротин некоторых плодов (в частности, томатов) и пурпурных бактерий.

Каротин (рис. 1) имеет два β-иононовых кольца (двойная связь между С 5 и С 6). При гидролизе β-каротина по центральной двойной связи образуются две молекулы витамина А (ретинола). α-Каротин отличается от β-каротина тем, что у него одно кольцо β-иононовое, а второе - Ј-иононовое (двойная связь между С 4 и С 5).

Ксантофилл лютеин - производное a-каротина, а зеаксантин - β-каротина. Эти ксантофиллы имеют по одной гидроксильной группе в каждом иононовом кольце. Дополнительное включение в молекулу зеаксантина двух атомов кислорода по двойным связям С 5 -С 6 (эпоксидные группы) приводит к образованию виолаксантина. Название

«виолаксантин» связано с выделением этого соединения из лепестков желтых анютиных глазок (Viola tricolor). Зеаксантин впервые получен из зерновок кукурузы (Zea mays). Лютеин (от лат. luteus - желтый) содержится, в частности, в желтке куриных яиц. К наиболее окисленным изомерам лютеина относится фукоксантин (С 40 Н 60 О 6) - главный ксантофилл бурых водорослей.

Основные каротиноиды пластид высших растений и водорослей - Β-каротин, лютеин, виолаксантин и неоксантин. Синтез каротиноидов начинается с ацетил-СоА через мевалоновую кислоту, геранилгеранилпирофосфат до ликопина, который является предшественником всех других каротиноидов. Синтез каротиноидов происходит в темноте, но резко ускоряется при действии света. Спектры поглощения каротиноидов характеризуются двумя полосами в фиолетово-синей и синей области от 400 до 500 нм (см. рис. 4.3). Количество и положение максимумов поглощения зависят от растворителя. Этот спектр поглощения определяется системой конъюгированных двойных связей. При увеличении числа таких связей максимумы поглощения смещаются в длинноволновую область спектра. Каротиноиды, как и хлорофиллы, нековалентно связаны с белками и липидами фотосинтетических мембран.

Роль каротиноидов в процессах фотосинтеза

Каротиноиды - обязательные компоненты пигментных систем всех фотосинтезирующих организмов. Они выполняют ряд функций, главные из которых: 1) участие в поглощении света в качестве дополнительных пигментов, 2) защита молекул хлорофиллов от необратимого фотоокисления. Возможно, каротиноиды принимают участие в кислородном обмене при фотосинтезе.

Важное значение каротиноидов как дополнительных пигментов, поглощающих свет в синефиолетовой и синей частях спектра, становится очевидным при рассмотрении распределения энергии в спектре суммарной солнечной радиации на поверхности Земли. Как следует из рисунка 2, максимум этой радиации приходится на сине-голубую и зеленую части спектра (480 - 530 нм). В естественных условиях доходящая до поверхности Земли суммарная радиация слагается из потока прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность и рассеянной радиации неба.

Рис.2.Распределение энергии в спектре суммарной и рассеянной радиации при безоблачном небе

Рассеивание света в атмосфере происходит благодаря аэрозольным частицам (капли воды, пылинки и т. д.) и флуктуациям плотности воздуха (молекулярное рассеяние). Спектральный состав суммарной радиации в области 350 - 800 нм при безоблачном небе в течение дня почти не меняется. Объясняется это тем, что увеличение доли красных лучей в прямой солнечной радиации при низком стоянии Солнца сопровождается увеличением доли рассеянного света, в котором много сине-фиолетовых лучей. Атмосфера Земли в значительно большей степени рассеивает лучи коротковолновой части спектра (интенсивность рассеяния обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени), поэтому небо выглядит голубым. При отсутствии прямого солнечного света (пасмурная погода) увеличивается доля сине-фиолетовых лучей. Эти данные указывают на важность коротковолновой части спектра при использовании наземными растениями рассеянного света и возможность участия каротиноидов в фотосинтезе в качестве дополнительных пигментов. В модельных опытах показана высокая эффективность переноса энергии света от каротиноидов к хлорофиллу а, причем этой способностью обладают молекулы каротинов, но не ксантофиллов.

Вторая функция каротиноидов - защитная. Впервые данные о том, что каротиноиды могут защищать молекулы хлорофилла от разрушения, были получены Д. И. Ивановским. В его опытах пробирки, содержащие одинаковый объем раствора хлорофилла и разные концентрации каротиноидов, выставлялись на 3 ч на прямой солнечный свет. Оказалось, что чем больше каротиноидов было в пробирке, тем в меньшей степени разрушался хлорофилл. В дальнейшем эти данные получили многочисленные подтверждения. Так, бескаротиноидные мутанты хламидомонады на свету в атмосфере кислорода погибают, а в темноте при гетеротрофном способе питания нормально развиваются и размножаются. У мутанта кукурузы, у которого отсутствовал синтез каротиноидов, образующийся хлорофилл в аэробных условиях при сильном освещении быстро разрушался. В отсутствие кислорода хлорофилл не разрушался.

Каким же образом каротиноиды препятствуют разрушению хлорофилла? В настоящее время показано, что каротиноиды способны реагировать с хлорофиллом, находящимся в триплетном состоянии, предотвращая его необратимое окисление. При этом энергия триплетного возбужденного состояния хлорофилла превращается в теплоту.

Рис.3. Реакция каротиноидов с хлорофиллом

Кроме этого каротиноиды, взаимодействуя с возбужденным (синглетным) кислородом, который неспецифически окисляет многие органические вещества, могут переводить его в основное состояние.

Рис.4. Реакция каротиноидов с возбужденным кислородом

Менее ясна роль каротиноидов в кислородном обмене при фотосинтезе. У высших растений, мхов, зеленых и бурых водорослей осуществляется светозависимое обратимое дезэпоксидирование ксантофиллов. Примером такого превращения может служить виолаксантиновый цикл.

Рис.5. Виолаксантиновый цикл

Значение виолаксантинового цикла остается невыясненным. Возможно, он служит для устранения излишков кислорода. Каротиноиды у растений выполняют и другие функции, не связанные с фотосинтезом. В светочувствительных «глазках» одноклеточных жгутиковых и в верхушках побегов высших растений каротиноиды, контрастируя свет, способствуют определению его направления. Это необходимо для фототаксисов у жгутиковых и фототропизмов у высших растений.

Каротиноиды обусловливают цвет лепестков и плодов у некоторых растений Производные каротиноидов - витамин А, ксантоксин, действующий подобно АБК, и другие биологически активные соединения. Хромопротеин родопсин, обнаруженный у некоторых галофильных бактерий, поглощая свет, функционирует в качестве Н + -помпы. Хромофорной группой бактериородопсина является ретиналь - альдегидная форма витамина А. Бактериородопсин аналогичен родопсину зрительных анализаторов животных.

Каротиноиды - желтые, оранжевые или красные пигменты, синтезируемые растениями (а также бактериями и грибами), не растворимы в воде, близкие к витамину А (ретинолу) и через него - к очень важному хромофору ретиналю . Каротиноиды относятся к факторам, защищающим организм от развития опухолей.. Каротиноиды отчасти выполняют роль дополнительных фотосинтезирующих пигментов, но при этом могут осуществлять и другие функции, с фотосинтезом не связанные. К каротиноидам относятся широко распространенные каротины и ксантофиллы. По химической природе это изопреноидные углеводороды, содержащие 40 углеродных атомов ( рис. 12). Они относятся к вспомогательным фотосинтетическим пигментам , которые содержат все фотосинтезирующие организмы, относятся каротиноиды, большая группа химических соединений, представляющих собой продукт конденсации остатков изопрена ( рис. 128).

Ксантофиллы - это окисленные каротины. Особенно богаты каротинами зеленые листья некоторых растений (например, шпината), корнеплоды моркови, плоды шиповника, смородины, томата и др. У растений каротиноиды представлены главным образом физиологически наиболее активным р-каротином. Каротины наряду с ксантофиллами нередко обусловливают окраску тех или иных организмов. Например, окраска пурпурных бактерий объясняется наличием ксантофиллов типа роботина и спириллотоксина ; коричневая - бурых и диатомовых водорослей - фукоксантином .

Животные и человек не способны к синтезу каротиноидов, но, получая их с пищей, используют для синтеза витамина A. Каротиноиды, подобно хлорофиллам , очень слабо связаны с белками, они легко извлекаются из растений и используются в качестве лекарственных средств и красителей.

Большинство каротиноидов построено на основе конденсации 8 изопреноидных остатков. У некоторых каротиноидов полиизопреноидная цепь открыта и не содержит циклических группировок. Такие каротиноиды называются алифатическими. У большинства на одном или обоих концах цепи расположено по ароматическому или бета-иононовому кольцу. Каротиноиды первого типа относятся к арильным, второго - к алициклическим. Выделяют также каротиноиды, не содержащие в молекуле кислорода, и кислородсодержащие каротиноиды, общее название которых ксантофиллы .

Состав каротиноидов фотосинтезирующих эубактерий разнообразен. Наряду с пигментами, одинаковыми у разных групп, для каждой из них обнаружены определенные каротиноиды или наборы последних.

Наиболее разнообразен состав каротиноидных пигментов у пурпурных бактерий , из которых выделено свыше 50 каротиноидов. В клетках большинства пурпурных бактерий содержатся только алифатические каротиноиды, многие из которых принадлежат к группе ксантофиллов. У некоторых пурпурных серобактерий обнаружен арильный моноциклический каротиноид окенон, а у двух видов несерных пурпурных бактерий найдено небольшое количество бета-каротина, алициклического каротиноида, распространенного у цианобактерий и фотосинтезирующих эукариотных организмов.

Структурные формулы некоторых характерных для пурпурных бактерий каротиноидов представлены на рис. 70 , 2-5. Набор и количество отдельных каротиноидов определяют окраску пурпурных бактерий, густые суспензии которых имеют пурпурно-фиолетовый, красный, розовый, коричневый, желтый цвета.

Каротиноидные пигменты поглощают свет в синем и зеленом участках спектра, т.е. в области длин волн 400-550 нм. Эти пигменты, как и хлорофиллы, локализованы в мембранах и связаны с мембранными белками без участия ковалентных связей.

Функции каротиноидов фотосинтезирующих эубактерий многообразны. В качестве вспомогательных фотосинтетических пигментов каротиноиды поглощают кванты света в коротковолновой области спектра, которые затем передаются на хлорофилл . У цианобактерий энергия света, поглощенная каротиноидами, поступает в I фотосистему . Эффективность передачи энергии для разных каротиноидов колеблется от 30 до 90%.

Известно участие каротиноидов в осуществлении реакций фототаксиса , а также в защите клетки от токсических эффектов синглетного кислорода.

Действие каротиноидов не ограничивается только их участием в защите от фотодинамического эффекта . Они гасят синглетное состояние кислорода независимо от того, в каких реакциях он возникает: на свету или в темноте.

Понравилась статья? Поделитесь ей

Распечатать статью