Каротиноиды: структура, метаболизм, биологические функции
Апокаротинали Ксантофиллы
жүктеу/скачать 0,54 Mb.
|
Каротиноиды структура метаболизм биологические функции
- Бұл бет үшін навигация:
- Рисунок 2 - Схема катаболизма -каротина в организме животных
- SUMMARY
Апокаротинали КсантофиллыНАДФНН КаротиндиоксигеназаКаротиндиоксигеназа (2) Аскорбат + НАДФ+ -Каротин Са2+, Mg2+, Co2+, (-) Mn2+, F- -Каротин-15,15’-диоксигеназа (1) Fe2+, О2 глутатион, Цис, сфингомиелин, Sе, Zn, (+) (+) В12, желчные кислоты, вит. Е, Т3,Т4 НАД+ (+) Ретинальоксидаза НАДНН НАДННретинилдегидрогеназа ретинальдегидроредуктаза НАД+ НАД+ Рисунок 2 - Схема катаболизма -каротина в организме животныхТрансформацию каротина по этому пути катализирует тиоловый фермент -каротин-15,15’-диоксигеназа (КФ,1.13.11.21), активность которого зависит от соотношения SH-/S-S-групп и снижается в присутствии окислителей, липогидропероксидов, свободнорадикальных интермедиатов и др. продуктов ПОЛ [46,48,50]. Энзим абсолютно специфичен к молекулярному кислороду и неспецифичен к детергентам – липидам и желчным кислотам. Желчные кислоты способствуют диспергированию каротина и препятствуют его окислению в кишечном содержимом. Активный центр -каротин-15,15’-диоксигеназы обладает специфичностью к незамещенному -иононовому кольцу, поэтому субстратами энзима могут быть также каротиноиды с укороченной цепью, ксантофиллы, имеющие одно незамещенное -иононовое кольцо [13]. Возможна также постепенная деградация (2) -каротина путем окисления терминального циклического конца до середины молекулы (рис.2). Окисление каротина по периферическим двойным связям с участием НАДФН-зависимой каротиндиоксигеназы (β-каротин-11,12-диоксигеназы) подобен микросомальному окислению, но отличается большей специфичностью и локализацией [51]. По этому пути из каротина образуются апокаротинали, а впоследствии - ретиналь и апокаротиновые кислоты [49]. Бета-каротин-15,15’-диоксигеназа и каротиндиоксигеназа различаются не только продуктами реакции, но и субстратной специфичностью, кофакторами, локализацией в клетке, оптимумом рН, действием ингибиторов. Бета-каротин-11,12’-диоксигеназа локализована преимущественно в ядерной фракции клеток слизистой кишечника, в меньшей мере - в микросомальной и митохондриальной фракциях и полностью отсутствует в цитозольной фракции, а -каротин-15,15’-диоксигеназа сосредоточена в цитозольной фракции [52]. Окисление ксантофиллов (кантаксантина, астаксантина, изозеаксантина) происходит преимущественно 11,12’-диоксигеназами по периферическим двойным связям с образованием апо-каротиналей и соответствующих апокаротиновых кислот. Апокаротиноиды обладают биологической активностью витамина А, биологически более активны, чем β-каротин, кроме того, частично превращаются в ретинол и ретиналь [48,53] (рис.2). Центральное место в метаболизме каротина в печени и кишечнике занимает ретиналь, который восстанавливается до ретинола с участием НАД-зависимой ретинальдегидроредуктазы, относительно специфичной к восстановлению коротко- и среднецепочечных алифатических альдегидов. Предполагают, что в микросомах клеток 12-перстной кишки существует координированная индукция ретиналь-редуктазы и β-каротин-15,15’-диоксигеназы [54]. Ретиналь может всасываться и в неизменном виде, превращаясь в ретинол под действием названного фермента в других органах и тканях [52,55]. В кишечнике и печени активна ретинилдегидрогеназа, катализирующая образование из ретинола ретиналя, но реакция сдвинута в сторону ретинола. Из клеток слизистой оболочки тонкого кишечника выделена ретинальоксидаза, окисляющая ретиналь в ретиноевую кислоту [46]. Основная масса ретиноевой кислоты, в отличие от ретинола и ретиналя, всасывается не через лимфатические пути, а через воротную вену и выводится с желчью в виде глюкуронидов [49]. Система биотрансформации -каротина отсутствует в первые дни после рождения и появляется у животных в месячном возрасте. Эффективность превращения провитамина в витамин А у разных видов колеблется в пределах 4:1, 10:1 и зависит от количественного и качественного составов белков и липидов в рационе, наличия антиоксидантов, продуктов окисления карбоновых кислот, нитратов, нитритов, физиологического состояния организма [56,57,58]. Антиоксиданты (витамин С, α-токоферол) повышают биодоступность каротина, предотвращая окислительную деструкцию его изопреноидной цепи [41,59]. В присутствии витамина Е может происходить свободнорадикальное окисление каротина, спровоцированное фенольными радикалами, образующимися при окислении α-токоферола [60]. Существуют противоречивые данные о способности каротина всасываться в присутствии витамина А. По мнению ряда авторов, витамин А ингибирует превращение и всасывание каротина в кишечнике, что свидетельствует о более эффективном функционировании систем освобождения и переноса витамина А в сравнении с системой биотрансформации [53]. В исследованиях последних лет установлено частичное совпадение метаболических путей витамина А, -каротина и этанола. Длительное использование витамина А и каротина на фоне потребления алкоголя снижает конверсию провитамина в ретиналь и усиливает гепатотоксический эффект последнего [51]. Каротиноиды могут всасываться в кишечнике без биотрансформации. Включаясь в состав липопротеинов, они транспортируются в жировую ткань, печень, надпочечники, яичники и другие органы, выполняя там совершенно самостоятельные функции [32,61,62]. Являясь специфическими адаптогенами, они обеспечивают защиту и повышение общей резистентности организма при действии разнообразных стрессоров [33,61]. В настоящее время установлены профилактическое и защитное действия -каротина в отношении заболеваний, сопровождающихся окислительным стрессом (катаракта, хронические инфекции, воспаления, рак, сердечно-сосудистая патология и др.) [63,64]. Антиоксидантные свойства многих каротиноидов, и прежде всего -каротина [8,65,66,67], обусловливают их радиопротекторное [6,68,69], антимутагенное [70,71], иммуномодулирующее [72], антиинфекционное, антиканцерогенное действия [73,74,75]. Антиоксидантная активность -каротина связана с его способностью блокировать образование синглетного кислорода - О'2, поглощая энергию возбужденного электрона без каких-либо химических превращений, возвращая О'2 в основное (триплетное) состояние без повреждения окружающих биологических систем [76,77,78]. Кроме -каротина, способностью «гасить» синглетный кислород обладают также ликопин, астаксантин, -, -каротин, зеаксантин, резерватол и другие каротиноиды [79,80]. Являясь компонентами неферментативной антиоксидантной системы, они защищают клеточные структуры от воздействия активных форм кислорода, не только «гася» синглетный кислород, но также нейтрализуя перекисные радикалы и обрывая цепные реакции свободнорадикального окисления ненасыщенных карбоновых кислот [62,65,81,82,83], препятствуя перекисному окислению липидных компонентов клеточных мембран [84,85,86]. Некоторые исследователи считают, что антиоксидантные свойства -каротина превосходят таковые токоферола, триптофана, глутатиона, витамина А [59,71,87,88], т.к. он замедляет разрушение антиоксидантов свободными радикалами [23,89]. Совместное использование -каротина, α-токоферола, витамина С оказывает более сильное антиоксидантное действие, чем каждое вещество в отдельности [59,90]. Радиопротекторные свойства каротиноидов обусловлены их способностью препятствовать повреждению тканей путем стабилизации клеточных мембран, структуры ДНК и энергетического статуса клеток, нарушающихся при воздействии Х- и γ-излучения [7,68,86,91]. Защитное действие каротиноидов, поверхностно связанных с мембранными структурами, состоит в возможности миграции кванта энергии по системе сопряженных двойных связей или присоединении радикалов, образующихся в результате облучения [61,69]. Значительный интерес в этом аспекте представляет -каротин, который используется для профилактики отдаленных последствий радиации [92]. Установлены защитный и терапевтический эффекты -каротина при остром воздействии ионизирующего излучения и его способность влиять на липидный состав ядер тимуса и печени крыс при длительном введении в рацион. Использование -каротина позволяет скорректировать изменения обмена липидов и поведенческие реакции, нарушающиеся под воздействием малых доз ионизирующего излучения [33,86]. По мнению многих авторов, даже небольшую алиментарную недостаточность -каротина, не ведущую к каким-либо клиническим проявлениям гиповитаминоза, следует рассматривать как фактор, повышающий чувствительность организма к радиации и увеличивающий канцерогенный риск [5,77,93]. В последние годы в развитых странах увеличилось потребление продуктов и витаминных добавок, богатых каротиноидами, с целью уменьшения риска радиационного и спонтанного канцерогенеза [94,95]. Известно, что в отличие от ретинола, -каротин обладает крайне низкой токсичностью. Однако в исследованиях на животных и группах добровольцев было установлено, что в относительно низких концентрациях, сравнимых с потреблением пищи, богатой каротиноидами, -каротин и ликопин предотвращают окислительное повреждение ДНК и клеточных мембран, но чрезмерное потребление каротинсодержащих продуктов может привести к развитию каротинемической псевдожелтухи, а антиоксидантный эффект трансформироваться в прооксидантный [60,96,97,98,99]. Антиканцерогенные свойства каротиноидов были выявлены в экспериментах на моделях животных с индуцированным канцерогенезом [73,95,100]. Установлено, что -каротин и ретиноевая кислота тормозят индуцированный канцерогенез, влияя на антиоксидантную систему защиты и обезвреживания ксенобиотиков в печени, повышая содержание цитохрома Р-450, активность глутатионпероксидазы и глутатион-S-трансферазы, но эффективность ретиноевой кислоты ниже, чем -каротина в той же дозе, кроме того, последний дает более стабильный протекторный эффект [100,101,102]. Бета-каротин участвует в превращении нитритных ионов, предотвращая возникновение нитрозаминов, известных своими канцерогенными свойствами [103]. Канцеропротекторное действие каротиноидов реализуется через несколько молекулярных механизмов. Обладая нуклеофильными свойствами, они связывают электрофильные дериваты, предотвращая повреждение молекулы ДНК и возникновение мутаций под действием физических и химических агентов, обезвреживают свободные радикалы, стимулируют образование межклеточных каналов, регулируют активность трансдукторов, модулируя клеточные сигналы, тормозят злокачественную трансформацию клеток [76,91,96,104]. Бета-каротин в настоящее время рассматривается как эффективный канцеропротектор при раке молочной железы, шейки матки, желудка, прямой кишки и пищевода, действующий на стадиях инициации и промоции [105,106]. Проведенные в последние годы исследования протекторного действия каротина в отношении некоторых форм рака кожи не выявили существенной разницы между людьми, получавшими добавки провитамина и группами плацебо [107]. Отмечено также возрастание риска развития рака при приеме высоких доз каротиноидов на фоне хронической интоксикации алкоголем и табачным дымом [79,96,108]. Механизм опасного влияния высоких доз -каротина на организм курильщиков связан с неустойчивостью его молекулы в условиях повышенной продукции свободных радикалов и снижения уровня антиоксидантов (α-токоферола, аскорбата), стабилизирующих неокисленный каротин. Изменение метаболизма каротина и увеличение образования его окисленных метаболитов снижают экспрессию гена β-RAR, выполняющего функцию супрессора, и ускоряют опухолевую трансформацию клеток [97]. Кроме того, избыток -каротина потенцирует действие гепатотропных ядов, а в сочетании с этанолом вызывает гепатотоксический эффект [51]. Только рациональная комбинация антиоксидантов может оказывать антипролиферативный эффект и предупреждать злокачественную трансформацию. Антиканцерогенный эффект -каротина связан с его антимутагенными свойствами и в значительной степени со способностью стимулировать Т-клеточный иммунитет и индукцию антителообразующих клеток селезенки [72,80,109]. Один из механизмов антиканцерогенного действия -каротина реализуется через его взаимодействие с макромолекулами, включая клеточные мамбраны и ядерные структуры, второй - обусловлен его иммуностимулирующим и супрессирующим действиями [71]. Бета-каротин активирует макрофаги, которые начинают выделять цитотоксический фактор, поражающий злокачественные клетки, тем самым препятствуя росту и прогрессии уже образовавшихся опухолевых клеток [5,32,53]. Вероятно, одной из функций каротиноидов в клетках животных является адаптация организма к гипоксии. При низком парциальном давлении кислорода наблюдаются повышение концентрации каротиноидов в клетках и снижение их в составе -липопротеиновых комплексов плазмы крови, возможно, за счет перемещения из крови в клетки тканей. Предполагают, что каротиноиды, миоглобин и окислительные ферменты (флавопротеины, гемопротеины) образуют специфическую систему окисления. В этой системе каротиноиды и миоглобин функционируют как внутриклеточное депо кислорода, а окислительные ферменты образуют систему терминального окисления, в которой конечным акцептором электронов является либо оксигенированный каротиноид, либо кислород из внутренних депо. За счет этой системы осуществляется энергообеспечение клетки в условиях дефицита кислорода в тканях [31]. Часть ненасыщенных двойных связей в структуре каротиноидов используется для создания внутриклеточного депо кислорода (или запасов органического акцептора электронов). В условиях гипоксии, происходит изъятие ранее депонированного кислорода. Очевидно, накопление каротиноидов в клетках с возрастом, а также у молодых животных в условиях гипоксии, может быть результатом адаптации клеток к уменьшению скорости поступления кислорода. Возможно, именно с этим связано значительное накопление каротиноидов в тканях у больных при сахарном диабете, атеросклерозе, ишемической болезни сердца [13,53]. В то же время наблюдается снижение концентрации α- и β-каротиноидов, ликопина в плазме крови (в составе ЛПНП) при атеросклерозе, возможно, за счет их избирательного окисления активными соединениями азота [110,111]. В отличие от α-токоферола, данные об антисклеротическом действии каротиноидов немногочисленны и противоречивы. Известно, что ретиноиды способны снижать уровень холестерола и других липидов в сыворотке крови человека и животных, но этот механизм до конца не выяснен. Установлен гипохолестеринемический эффект препаратов каротина, но при этом наблюдается накопление холестерола в стенке аорты и печени животных, что может быть связано с повышением количества модифицированных ЛПНП [112]. Отмечены случаи увеличения частоты сердечных приступов у больных с сердечно-сосудистой патологией на фоне диеты, богатой каротиноидами [113]. Снижение уровня каротиноидов в крови отмечено при хронических гемолитических анемиях, гемохроматозе, сахарном диабете, ВИЧ-инфекциях, при которых усилены продукция прооксидантов и некробиотические процессы [79]. К настоящему времени установлено влияние -каротина на функцию воспроизводства у человека и животных [13,114]. Наблюдается корреляция между полом и составом каротиноидов в гонадах. Пигменты интенсивно аккумулирует яичник, желтое тело беременности, в семенниках концентрация их несколько ниже [77]. Накопление каротиноидов в гонадах обусловлено синтезом прогестерона и других стероидов, который предусматривает активные перекисные процессы, а каротиноиды призваны защитить яйцеклетку от активного действия перекисей [79, 115]. Некоторая часть каротиноидов яичников соединена с белками, тогда как каротиноиды семенников находятся в свободном виде. Яйцеклетки содержат пигменты, количественно и качественно не отличающиеся от каротиноидов женских гонад. Сперматозоиды не имеют каротиноидов или содержат только их следы. Астаксантин, -каротин, лютеин вызывают положительный хемотаксис у сперматозоидов. Существует мнение, что каротиноиды влияют скорее на процессы оплодотворения, а не развитие эмбриона [1,13,114]. Однако вопрос о механизме этого влияния до конца не разрешен. Полагают, что именно способность каротиноидов к депонированию кислорода определяет их влияние на процессы воспроизводства [116]. Вместе с тем повышение уровня каротиноидов (-каротина, ликопина) в крови беременных женщин снижает вероятность патологий внутриутробного развития, а в грудном молоке кормящих матерей - риск развития желудочно-кишечных и легочных инфекций у новорожденных [117]. Источники каротиноидов. Традиционными источниками каротиноидов для человека и животных являются вегетативные органы, плоды, семена растений и продукты животного происхождения. Однако они не могут в полной мере обеспечить потребностей медицины, пищевой промышленности, сельского хозяйства в каротине [118]. В последние годы найдены перспективные продуценты каротина среди водорослей [11,119], грибов, дрожжей [18,120,121], бактерий [12,122] и разработаны технологии их промышленного культивирования [9,123]. В настоящее время предложены для практического использования высокопродуктивные штаммы каротинсинтезирующих дрожжей Rhodosporidium diobova-tum, установлено влияние различных факторов на процессы каротиногенеза [121,124]. Другим перспективным продуцентом каротиноидов могут быть микроводоросли рода Danuliella, способные накапливать в клетках от 57 до 69% лютеина, 20% -каротина, 11-24% ксантофиллов виолоксантинового цикла [14,16]. Водоросль Danuliella salina, пигменты которой, по некоторым данным, на 90% состоят из -каротина, используется как его источник, а также для обогащения рационов животных каротином [9,125]. Spirulina platensis, культивируемая на специальных минеральных средах, содержит до 1700 мг/кг каротиноидов и также используется в качестве источника каротина при приготовлении кормовых добавок для животных и птицы в США, Германии, Японии [119,126,127]. Во многих странах налажено производство синтетического -каротина, который используется в медицине, ветеринарии, пищевой, фармацевтической промышленности и в животноводстве [57,93,118]. Наиболее перспективным источником каротина является мукоровый гриб Blakeslea trispora (кл.Phycomycetos). B Украине были получены высокоактивные, стабильные и технологичные штаммы гриба на основе природных штаммов с низкой активностью β-каротина. Комбинированное воздействие на продуцента физических, химических мутагенов, использование методов генной инженерии, привело к изменению вторичного метаболизма у гриба и увеличению выхода каротина до 8-9 г на 1 кг сухой биомассы [123]. В настоящее время созданы штаммы, различающиеся качественным и количественным составом каротиноидов, разработана технология получения кристаллического -каротина на основе биомассы этого гриба, проводятся работы по повышению активности β-каротина и разрабатываются селекционные подходы для получения перспективных каротиноидов у Bl.trispora [9,101,123]. Технология производства каротина на основе биомассы гриба Bl.trispora не зависит от географических, климатических и сезонных условий, позволяет получать высококачественные продукты для медицинской, пищевой промышленности, а также каротинсодержащие препараты для нужд животноводства и птицеводства, содержащие каротин в концентрациях, значительно превосходящих количество его в любых природных источниках [128]. Особенностью данного продуцента является его способность синтезировать до 99,8% транс--каротина, сопутствующими пигментами являются -каротин, ликопин, -каротин, -каротин, фитофлюин и фитоин [121]. Содержание каротиноидов в сухом мицелии гриба в зависимости от генетических свойств штамма и условий его культивирования может колебаться от 0 до 100 г/кг [9]. Препараты каротина, полученные по этой технологии, исследовались на различных видах животных [129,130,131,132]. Было установлено, что они не уступают по биологической активности каротину, получаемому из моркови и другого растительного сырья, а по ростовой активности - витамину А [133,134,135]. Сравнительные исследования А-витаминной активности микробиологического и химически чистого каротина показали, что первый обладает более высокой ростовой активностью, чем химически чистый, использующийся в той же дозе [125,136]. В настоящее время разработаны рекомендации по использованию различных каротинсодержащих препаратов с профилактической целью, а также в качестве биологически активных добавок, влияющих на А-витаминный статус организма, функцию воспроизводства у животных [53,115,134,137]. Изучение влияния биотехнологических препаратов каротина, созданных на основе биомассы гриба Bl.trispora, на физиологические и биохимические показатели организма не выявило негативного воздействия каротина из препаратов на рост, развитие, биологические функции организма, продолжительность жизни и продуктивность животных [132,135,138,139,140]. ВЫВОДЫ Проведенный анализ литературы показал, что в результате изучения каротиноидов была определена их структура, особенности метаболизма, выявлена провитаминная активность, а также установлена совершенно самостоятельная значимая роль в клетках растений, животных и человека. Исследования в области биохимии, фармакологии, молекулярной биологии позволили раскрыть многостороннее влияние как самого β-каротина, так и других каротиноидов на обменные процессы в организме. Открытие расщепления каротина не только по центральным, но и по периферическим двойным связям выявило новые биологически активные производные – кето-, окси-каротинали, апокаротиновые кислоты, обладающие высокой провитаминной, ростовой активностью. Изучение биологических свойств, метаболизма, механизмов действия каротиналей требует дальнейших исследований. Полученные в последние годы данные свидетельствуют о целесообразности использования β-каротина с лечебно-профилактической целью при радиационных поражениях, предопухолевых состояниях, снижении иммунитета, сердечно-сосудистых и некоторых гинекологических заболеваниях, патологиях, связанных с внутриклеточной гипоксией. Применение высоких доз β-каротина на фоне хронической интоксикации алкоголем и табачным дымом увеличивает риск развития злокачественных заболеваний. С учетом последствий чрезмерной техногенной нагрузки на здоровье людей, применение антиоксидантов и радиопротекторов является жизненно необходимым для каждого человека. При полноценном пищевом рационе ежедневное потребление β-каротина не превышает 1- 1,5 мг, что в 5-6 раз ниже профилактической дозы. Удовлетворить потребность в каротине только за счет потребления фруктов и овощей невозможно, т.к. биодоступность пигмента из них невысока. Использование препаратов β-каротина из природных источников, таких, как водоросли рода Danuliella, мукоровый гриб Blakeslea trispora, в виде напитков, масляных растворов, суспензий позволит восполнить недостаток этого витамина в ежедневном рационе. Дальнейшие исследования природных каротиноидов, их метаболитов, продуцентов каротина позволят углубить наши знания об этих биологически активных веществах и решить задачи их практического использования.SUMMARYIn review one can find summarized data about carotenoids structure, metabolism, biosynthesis and biological functions in the plants and animals cells, presented in publications of last 20 years. The article contains data about study alternative sources of carotenoids, such as mucoraceae fungus Blakeslea trispora (Phycomycetos). жүктеу/скачать 0,54 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|