Karotenoidy

Karotenoidy způsobují nažloutlou až načervenalou barvu nejen u mrkve . Jako pigmenty rozpustné v tucích v částech ovoce, květin, peří nebo chitinové skořápky poblíž povrchu vytvářejí vzhled různých rostlin a zvířat. Vaječné žloutky a potraviny, jako je sýr nebo margarín, také vděčí za svou charakteristickou barvu přítomnosti karotenoidů - někdy až poté, co byly přidány jako potravinářské barvivo .

Jako karotenoidy a karotenoidy značí velká třída přirozeně se vyskytujících pigmentů vůle rozpustných v tucích ( lipochromy ), ke kterým je chemická látka jako základní tetraterpen běžná.

Jejich systém konjugovaných dvojných vazeb absorbuje světlo krátkých vlnových délek a v závislosti na počtu, poloze a postranním řetězci v karotenoidu mu dodává nažloutlý až načervenalý odstín . Více než 800 známých karotenoidů je rozděleno na karoteny a xantofyly obsahující kyslík . Karotenoidy patří do skupiny isoprenoidů .

Výskyt

Karotenoidy jsou zpočátku nachází v slanomilná Archaea ( halobacteria ), v bakteriích , v chromoplastů a plastidů z rostlin, a v některých hub . Tyto organismy jsou schopny se syntetizovat tetraterpeny de novo . Vyskytují se také u různých zvířat, která potravou přijímají rostlinný materiál obsahující barviva. Tak karotenoidy našel pak šnečí ulity , mušle nebo nádržích stejně jako v peří a žloutky z ptáků nebo lidí v kůži a sítnice . Kromě několika výjimek, jako jsou některé druhy mšic a roztočů , nemají živočišné organismy žádné geny pro syntézu karotenoidů.

Některé karotenoidy jsou v EU schváleny jako potravinářské přídatné látky ; mají čísla E E 160a až E 160g a E 161a až E 161h. Některé se používají k barvení produktů.

struktura

Lykopen , karoten

β-karoten, karoten

Lutein , xantofyl

Typické karotenoidy mají základní strukturu tetraterpenů , sloučenin tvořených osmi izoprenovými jednotkami , a obsahují tedy 40 atomů uhlíku. Nenasycené uhlovodíkové řetězce mohou být cyklizovány na jednom konci nebo na obou ( iononové kruhy ) nebo ne, jako v případě lykopenu s empirickým vzorcem C ₄₀ H ₅₆ . Modifikace také existují v dehydrogenaci / hydrogenaci a různých typech oxidačních produktů . Karotenoidy jsou rozděleny do dvou hlavních skupin

• Karoteny , které jsou složeny výhradně z uhlíku a vodíku,
• Xantofyly , okysličené deriváty karotenů

Maxima absorpčních spekter karotenoidů jsou většinou na vlnových délkách kolem 400 až 500 nanometrů.

Význam jako provitamin A

Retinol - ne karotenoid, ale vitamín A.

Zvířata a lidé nejsou schopni z de novo syntéza z vitaminu A , a proto musí splňovat jejich potřeby prostřednictvím potravin. Zatímco masožravci přijímají hlavně vitamín A ve formě retinylesterů nebo retinolu , býložravci používají určité karotenoidy jako prekurzor. Je známo asi 50 karotenoidů, které mají aktivitu provitaminu A ; mohou být v biologickém těle přeměněny na vitamín A. Z nich má největší aktivitu β-karoten .

Fyziologie člověka

Lidé mohou používat retinol a retinyl ester, stejně jako provitamin A, aby splnili své požadavky na vitamín A. Aktivita dietních karotenoidů jako provitaminu A je vyjádřena pomocí takzvaných ekvivalentů retinolu , přičemž přibližně 6 mg β-karotenu a 12 mg smíšených karotenoidů odpovídá jednomu ekvivalentu retinolu. Karotenoidy jsou také považovány za velmi důležité pro zdraví. Šest karotenoidů hraje v lidském těle zásadní roli: β-karoten, α-karoten, lykopen , β-kryptoxanthin , lutein a zeaxanthin . Většina z nich má funkci antioxidantů . To by mělo zabránit mnoha chorobám, jako je rakovina, arterioskleróza , revmatismus , Alzheimerova a Parkinsonova choroba , šedý zákal nebo stárnutí kůže.

Lykopen (např. V rajčatech) má ze všech potravinových karotenoidů největší antioxidační potenciál a je považován za nejúčinnější ochranu proti zvláště reaktivnímu singletovému kyslíku . Lykopen také inhibuje růst nádorových buněk účinněji než α- nebo β-karoten.

Antikarcinogenní účinek karotenoidů také teoreticky vyplývá z jejich schopnosti být schopen navázat dobře fungující komunikaci mezi buňkami. Zejména β-karoten, kryptoxanthin a kanthaxanthin stimulují výměnu mezi buňkami tím, že způsobují syntézu konexinu . Toto spojení hraje klíčovou roli při vytváření mezerových spojů , jejichž počet je v rakovinných buňkách snížen. Karotenoidy by však měly být používány pouze k prevenci, protože nemají žádný účinek na skutečnou léčbu rakoviny ani na prevenci relapsů. Zejména u pacientů, kteří již trpí rakovinou, je třeba opatrnosti při podávání vysokých dávek.

Některé karotenoidy se nacházejí ve výrazně vyšších koncentracích v játrech, očích, kůži a tukové tkáni než v jiných tělesných tkáních. V sítnici oka, v takzvané žluté skvrně (macula), se ve velkém množství vyskytují karotenoidy lutein a zeaxanthin . Tyto karotenoidy pravděpodobně fungují jako přirozené ochranné mechanismy, protože sítnice se svými polynenasycenými mastnými kyselinami, které jsou obzvláště citlivé na oxidaci, je obzvláště náchylná k napadení volnými radikály.

Stejně jako pro ostatní fytochemikálie by karotenoidy neměly být konzumovány ve formě izolovaných, vysoce koncentrovaných přípravků, ale v přírodní kombinaci s jinými nutričními přísadami. Požití přípravků ve vysokých dávkách dokonce přináší nebezpečí. Správná otrava karotenoidy není možná, ale doplňky beta-karotenu mohou potenciálně zvýšit riziko rakoviny.

Karotenoidy jako barviva v přírodě

Sýkora koňadra ( Parus major )

Pstruh obecný ( Salmo trutta f. Fario )

Kuňka žlutobřichá ( Bombina variegata ) v ropuchy reflex představuje svůj varovný barvu.

Ptactvo

Kromě melaninů hrají roli v barvě peří ptáků také různé karotenoidy. Požité potravou, metabolicky upravené a uložené v rostoucím peří , mohou vést k nažloutlým až načervenalým odstínům. Výraznějšími příklady peří karotenoidů mezi pěvci jsou sýkora modřinka ( Cyanistes caeruleus ), sýkorka obecná ( Parus major ), konipas ( Motacilla flava ), žluva zlatá ( Oriolus oriolus ) nebo strakapoud velký . Červené prsa červenky ( Erithacus rubecula ) je naopak způsobeno červenohnědým feomelaninem . U hus jsou ptáci karotenoidy vzácné jako jarní pigmenty a zatím spektroskopicky detekovány pouze v (pravděpodobně vyhynulé) kachně růžové a australské kachně růžové . Pokud potrava obsahuje příliš málo nebo žádné karotenoidy, odpovídající oblasti peří budou po dalším línání bílé . Mutace, které vedou k poruchám akumulace karotenoidů v peří, jsou vzácné, častější jsou mutace se změněným ukládáním melaninu.

Ryby, obojživelníci a plazi

U ryb, obojživelníků a plazů vzniká barva kůže a šupin, když světlo interaguje se třemi různými typy chromatoforů (pigmentové buňky, buňky tvořící barvivo), melanofory, xantofory a iridofory. Kromě pteridinů a flavinů obsahují xantofory také karoteny odebrané z potravy. Tyto tři typy barviv jsou zodpovědné za nažloutlé nebo červené barvy.

Dinoflageláty a bakterie

Červený příliv - řasy kvetou u pobřeží San Diega

Strukturní vzorec peridininu

Struktura sarcinaxanthinu

Tyto dinoflagellates , jednobuněčné řasy, které se vyskytují ve sladké a slané vodě a fytoplanktonu jsou na sobě peridinin v pigmentaci. Tento karotenoid - apokarotenoid s empirickým vzorcem C ₃₉ H ₅₀ O ₇ - tvoří komplex sklízející světlo společně s chlorofylem a v poměru 4: 1 vázaný na proteinovou strukturu . Komplex zachycuje fotony , přenáší jejich energii na centrální atom chlorofylu a činí je použitelnými pro fotosyntézu . Ve vodách bohatých na živiny může být toxický množením řas dinoflagellát způsobených dokonce Red Dawn (anglicky nazývaný červený příliv ), jehož zbarvení je převážně na peridininu. Dalšími fotosynteticky důležitými karotenoidy jsou fukoxanthin (C ₄₂ H ₅₈ O ₆ ) a další deriváty, které působí jako přídavné pigmenty .

V buněčných membránách bakterií jsou různé karotenoidy glykosylovány nebo neglykosylovány a chrání je před fotooxidační destrukcí UV zářením nebo volnými radikály. V mořské bakterii Micrococcus luteus je například zastoupen nažloutlý karotenoid sarcinaxanthin , glykosylovaný cyklický C ₅₀ xantofyl (C ₅₀ H ₇₂ O ₂ ). Velmi podobný žlutý karotenoid decaprenoxanthin (C ₅₀ H ₇₂ O ₂ ) se vyskytuje vedle sarcinaxanthinu v korynebakteriích (např. Corynebacterium glutamicum , C. callunae , C. marinum ). U Staphylococcus aureus je žlutooranžová barva způsobena stafyloxanthinem (C ₅₁ H ₇₈ O ₈ ), který kromě stabilizace membrány svým antioxidačním účinkem také přispívá k patogenitě tohoto patogenu.

Funkce ve fotosyntéze

Primárním úkolem karotenoidů v rostlinné fotosyntéze je chránit molekuly chlorofylu před zničením fotooxidací . Působí jako fotoprotektivní činidla, která chrání rostlinnou buňku před reaktivními druhy kyslíku prostřednictvím nefotochemického kalení . Kromě toho rozšiřují absorpční spektrum fotosyntetických organismů v modrozeleném spektrálním rozsahu a částečně se podílejí na přenosu energie v anténních komplexech a fotosystémech . Tam pracují jako lehké sklízecí pigmenty v komplexu pro sběr světla , které absorbují fotony a předávají energii do fotosyntetického reakčního centra. Proto jsou společně s fykobiliny označovány jako pomocné pigmenty fotosyntézy. V xantofylovém cyklu , který probíhá v chloroplastech, je přebytečné světelné záření absorbováno a přeměněno na neškodné teplo.

Odhady roční syntézy karotenoidů rostlinami dosahují 100 milionů tun ročně.

Přidělení karotenoidů sekundárním rostlinným látkám není proto zcela správné, protože na rozdíl od definice sekundárních rostlinných metabolitů jim lze přiřadit jasné primární funkce ve fotosyntéze .

Technický význam a syntéza

Z přibližně 700 známých přírodních karotenoidů mají některé větší technický význam a jsou syntetizovány v průmyslovém měřítku: β-karoten , astaxanthin , kanthaxanthin , ethylester kyseliny 8'-apo-β-karotenové, 8'-apo-β- karotenaldehyd, citranaxanthin , lykopen a zeaxanthin . Technická výroba přírodně identických karotenoidů byla poprvé vyvinuta ve společnostech Hoffmann-La Roche AG a BASF SE . Postupy jsou složité a zahrnují jako univerzální metody propojení:

• Wittigova reakce
• Horner-Wadsworth-Emmonsova reakce
• Sulfonové propojení podle Julie
• Enol etherová kondenzace
• Saucy-Marbetovy přestavby .

Protože často vznikají směsi ( E , Z ) isomerů, často následuje fotochemická izomerizace (konverze) většinou nežádoucí ( Z ) formy na požadovanou ( E ) formu.

Biotechnologická výroba

Je možné zavést geny pro biosyntézu karotenoidů do hub, bakterií a rostlin nebo zvýšit obsah enzymů omezujících rychlost za účelem zvýšení produkce karotenoidů. Kvasnice Phaffia rhodozyma mohou být geneticky modifikovány takovým způsobem, že produkuje více astaxanthin a cizí karotenoidy. Je také možné výrazně zvýšit akumulaci zeaxanthinu v hlízách brambor. Transgenní odrůda rýže s přezdívkou zlatá rýže byla vyvinuta speciálně pro rozvojové země, aby vyrovnala nedostatek vitaminu A.

Použijte jako barvivo

Losos připravený k vaření, nakrájený jako steak

Karotenoidy se často přidávají jako doplňková látka do krmiv , například za účelem ovlivnění barvy masa u lososa chovaného na farmě , který by byl šedý, kdyby byl v zajetí bez přídavku krmen kousky rybí moučky . Divoký losos obvykle přijímá barvivo z malých korýšů. Nedělají to ani sami, ale místo toho jedí malé řasy, které obsahují xantofyl astaxanthin .

Astaxanthin , xantofyl

Z podobného důvodu jsou plameňáci v zoo také krmeni karotenoidy, protože nemohou přijímat korýši a řasy obsahující karotenoidy a jinak ztratit barvu peří. Barvu vaječného žloutku mohou také ovlivnit přísady v krmivu pro kuřata, zvláště pokud zvířata stěží najdou trávu nebo kukuřici, která obsahuje přírodní karotenoidy. Potraviny, které jsou barveny přímo karotenoidy, jsou například margarín a ovocné šťávy .

Individuální důkazy

1. ↑ duden.de: Karotenoid , chemicky technický karotenoid .
2. ^ Zdzislaw ZE Sikorski: Chemické a funkční vlastnosti potravinových lipidů. CRC Press, 2010, ISBN 978-1-420-03199-7 , s. 41.
3. ↑ ^{a b} UGB: Karotenoidy: Červená a žlutá vás udrží v kondici
4. ↑ N. Moran, T. Jarvik: Boční přenos genů z hub je základem produkce karotenoidů u mšic . In: Věda . Svazek 328, 2010, s. 624-627. doi : 10,1126 / věda.1187113 . PMID 20431015 .
5. ↑ B. Altincicek, J. Kovacs, N. Gerardo horizontální Přenesené houbové karotenoidové geny v roztoči pavouka Tetranychus urticae se dvěma skvrnami . In: Biology Letters . Svazek 8, č. 2, 2012, s. 253-257. doi : 10.1098 / rsbl.2011.0704 . PMID 21920958 . PMC 3297373 (plný text zdarma).
6. ^ Wissenschaft-Online-Lexika: Záznam o xantofylech v Lexikonu výživy , přístup 7. března 2009
7. ↑ Thomas Arnhold: 1.4.1 Zdroje vitaminu A In: Studie metabolismu vitaminu A / retinoidů s cílem posoudit riziko jejich teratogenních účinků na člověka ; Pp. 6-7; Disertační práce; Braunschweig, 7. března 2000. Celý text
8. ↑ Daniel B. Thomas a Helen F. James : Nedestruktivní Ramanova spektroskopie potvrzuje karotenoidy pigmentované peří v kachně růžové In: Svazek 133, 2016, s. 147-154 doi : 10,1642 / AUK-15-152,1 pdf
9. ↑ Hein van Grouw: Ne každý bílý pták je albín: smysl a nesmysl ohledně barevných aberací u ptáků. Dutch Birding, sv. 28, č. 2, 2006, s. 79–89 (PDF; 458 kB).
10. ↑ Tony Gamble, Jodi L. Aherns a Virginia Card: Aktivita tyrosinázy v kůži tří kmenů albina gecka (Eublepharis macularius). ( Vzpomínka na originál z 27. ledna 2012 v internetovém archivu ) Info: Odkaz na archiv byl vložen automaticky a dosud nebyl zkontrolován. Zkontrolujte původní a archivační odkaz podle pokynů a poté toto oznámení odeberte. Gekko 5: s. 39-44. (PDF; 767 kB). @1@ 2Šablona: Webachiv / IABot / www.tc.umn.edu
11. ↑ J. Odenthal, K. Rossnagel, P. Haffter, RN Kelsh, E. Vogelsang, M. Brand, FJ van Eeden, M. Furutani-Seiki, M. Granato, M. Hammerschmidt, CP Heisenberg, YJ Jiang, DA Kane , MC Mullins, C. Nüsslein-Volhard: Mutace ovlivňující pigmentaci xantoforů u zebrafish, Danio rerio. In: Development Volume 123, December 1996, str. 391-398, PMID 9007257 .
12. ↑ Frost-Mason SK, Mason KA: Jaké poznatky o pigmentaci obratlovců poskytuje modelový systém axolotl? , In: The International Journal of Developmental Biology , sv. 40, č. 4, srpen 1996, s. 685-693, PMID 8877441 .
13. ↑ D. Carbonera, M. Di Valentin, R. Spezia, A. Mezzetti: Unikátní fotofyzické vlastnosti proteinu peridinin -chlorofyl-a-protein. In: Current Protein Peptide Science , sv. 15, č. 4, červen 2014, s. 332-350; doi : 10.2174 / 1389203715666140327111139 , PMID 24678668 , PMC 4030626 (plný text zdarma).
14. ↑ N.Furuichi, H. Hara, T. Osaki, M. Nakano, H. Mori, S. Katsumura: Stereocontrolled total automated of a polyfunctional carotenoid, peridinin. In: Journal of Organic Chemistry , svazek 69, č. 23, 12. listopadu 2004, s. 7949-7959, doi : 10,1021 / jo048852v , PMID 15527275 .
15. ↑ T. Polívka, R. Hiller, D. Zigmantas, V. Sundström: Dynamika vzrušeného stavu karotenoidu peridininu. In: Femtochemistry and Femtobiology , prosinec 2004, s. 445-452, doi : 10,1016 / B978-044451656-5 / 50087-6 .
16. ↑ R. Netzer, M. Stafsnes, T. Andreassen, A. Goksøyr, P. Bruheim, T. Brautaset: Biosyntetická cesta pro γ-cyklický sarcinaxanthin v Micrococcus luteus : heterologní exprese a důkazy pro rozmanité a mnohočetné katalytické funkce C (50 ) karotenoidové cyklázy. In: Journal of Bacteriology. Svazek 192, č. 21, listopad 2010, s. 5688-5699, doi : 10.1128 / JB.00724-10 , PMID 20802040 , PMC 2953688 (volný plný text).
17. ↑ S. Heider, P. Peters-Wendisch, V. Wendisch: Biosyntéza karotenoidů a nadprodukce u Corynebacterium glutamicum . In: BMC Microbiology Volume 12, No. 198, 10 September 2012, doi : 10,1186 / 1471-2180-12-198 .
18. ↑ N. Henke, S. Heider, S. Hannibal, V. Wendisch, P. Peters-Wendisch: isoprenoidní pyrofosforečnan závislé regulace transkripce z Carotenogenesis v Corynebacterium glutamicum . In: Microbiology Volume 24, 8. dubna 2017, s. 633, doi : 10,3389 / fmicb.2017.00633 .
19. ↑ A. Popov, A. Kapreliants, D. Ostrovskii, V. Ignatov: Studie membrán bez pigmentového mutantu Staphylococcus aureus. In: Biokhimiia sv. 41, č. 6, červenec 1976, s. 1116-1120, PMID 1027489 .
20. ↑ C. Liu, G. Liu, Y. Song, F. Yin, M. Hensler, W. Jeng, V. Nizet, A. Wang, E. Oldfield: Inhibitor biosyntézy cholesterolu blokuje virulenci Staphylococcus aureus. In: Science , Volume 319, No. 5868, March 2008, pp. 1391-1394, doi : 10.1126 / science.1153018 , PMC 2747771 (volný celý text).
21. ↑ Bernd Schäfer: Přírodní látky chemického průmyslu , Elsevier GmbH, Spektrum Verlag, 2007, s. 407-434, ISBN 978-3-8274-1614-8 .
22. ↑ Karl Meyer: Karotenoidy - význam a technické syntézy: Barevné antioxidanty . In: Chemie v naší době . páska 36 , č. 3 , 2002, s. 178-192 , doi : 10,1002 / 1521-3781 (200206) 36: 3 <178 :: AID-CIUZ178> 3,0.CO; 2- # . 
23. ↑ Goethe University Frankfurt am Main, Institute for Molecular Biosciences AK Sandmann: Carotenoid Biosynthesis in Plants and Microorganisms ( Memento of the origin from 24. June 2009 in the Internet Archive ) Info: The archive link was entered automatically and has not yet been checked. Zkontrolujte původní a archivační odkaz podle pokynů a poté toto oznámení odeberte. . @1@ 2Šablona: Webachiv / IABot / www.uni-frankfurt.de
24. ↑ farbimpulse.de - Jak se barva dostává do (chovaného) lososa , 24. září 2008.
25. ↑ Barbara Reye: Jak více barev se dostane na váš talíř a do zoo , 10. února 2009.

webové odkazy