Тюменская Государственная Медицинская Академия
кафедра медицинской химии
Биологическая роль каротина и каротиноидов.
Научный руководитель:
профессор Сторожок Н.М.
Преподаватель
:
Дарюхина Е.Н.
Исполнитель:
Севодин Н.Н.
Тюмень - 1998 г.
СОДЕРЖАНИЕ:
1.
Введение
1.1. Исторические данные
1.2. Установление химической структуры каротина
2. Основная часть
2.1. Природные изомеры каротина
2.2. Каротиноиды
2.3. Свойства каротина
2.4. Каротин как провитамин А
2.4.1. Общие сведения
2.4.2. Усвоение организмом и образование
витамина А.
2.5. Биологическая активность каротина и каротиноидов
3. Заключение
3.1. Витамин А и злокачественный рост
3.2. Физиологическое действие каротина
ИСТОРИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ
Впервые каротин был выделен в 1831 году Вакенродером из желтой репы и моркови. По имени этой последней - Daucus carota - он и получил свое название. Несколько лет спустя, в 1837 году, Берцелиус путем экстрагирования спиртом выделил из осенних листьев зеленых растений желтое красящее вещество, названное им ксантофиллом. В 1847 году Цейзе описал пигмент моркови, присвоив ему предположительно эмпирическую формулу С5
Н 8
. Позднее, в 1861 году, Гуземан приписал каротину новую эмпирическую формулу С18
Н24
О на основании данных элементарного анализа на углерод и водород ( С = 84,14, Н = 9,80 и С = 83,98, Н = 9,77 ).
Серия работ Арно ( 1885 - 1889 гг. ) была направлена к дальнейшему выяснению химической природы каротина. Арно высказал предположение, что желтое красящее вещество, присутствующее в зеленых листьях разных растений ( ксантофилл Берцелиуса ), идентично красящему веществу моркови ( каротину Вакенродера ). Элементарный анализ пигмента, проведенный Арно, дал следующие результаты в трех определениях:
I. С = 88,55 II. С = 88,75 III. С = 88,70
Н = 10,59 Н = 10,67 Н = 10,62
Арно приписал исследованному желтому красящему веществу новую эмпирическую формулу С26
Н38
( теоретически для такой формулы С = 89,14 и Н =10,86 ) и назвал его каротеном. Однако этот термин впоследствии не привился, и за пигментом осталось его прежнее название - каротин.
Выводы Арно, за исключением констатации несомненного углеводородного характера каротина, были в последующем подвергнуты переоценке. Еще в 1883 году Бородиным было сделано наблюдение, легшее в основу всех дальнейших исследований в области красно - желто - оранжевых природных пигментов. Бородин доказал, что желтый пигмент, извлеченный из зеленых растений, не вполне идентичен каротину моркови и состоит из смеси минимум двух различных пигментов, в которой каротин присутствует лишь как составная часть в тех или иных количествах. Предложение Бородина подтвердилось в работах еще одного русского ботаника - Монтеверде и других исследователей. Так было положено начало изучению комплекса каротиновых красящих веществ, которое продолжается и до настоящего времени.
Предложенная Арно эмпирическая формула для каротина оставалась не опровергнутой в течении 20 лет. Усилия ученых в конце XIX и в первые годы XX ст. были направлены к тому, чтобы внести какую-либо определенность в характеристики и классификацию желто-оранжевых растительных пигментов. Бугарель получил каротин из зеленых листьев в кристаллическом виде и назвал его эритрофиллом. Другие исследователи пытались разделить и классифицировать спутников каротина. В своих работах они приняли простейшие физико-химические приемы - фильтрование через активный уголь, обработку различными растворителями и т.д. Некоторая наметка на возможность классификации желтых пигментов появилась тогда, когда в Сорби и Краус обратились к помощи спектрального анализа, определив полосы поглощения растворов веществ, выделенных из различных растворительных материалов. Однако и тут, как правильно отмечает Любименко, “несмотря на наличность оптических отличий у исследованных Краусом пигментов, этот ученый не склонен был придавать им большого значения и вместо того, чтобы ближе изучить химические и физические признаки отдельных представителей намеченных групп, он просто объявил их формами ксантофилла”.
Некоторое оживление в исследовании природных красящих наметилось в начале текущего столетия. Оно связано с работами Вальштеттера по исследованию хлорофилла, разделению и идентификации пигментов, сопутствующих ему в растительных органах. В своей работе “Исследование хлорофилла” Вильштеттер посвящает отдельную главу “желтым спутникам” этого распространенейшего в природе пигмента.
Вильштеттер и Миг в 1907 году выделяли каротин из сушенных листьев жгучей крапивы путем экстрагирования петролейным эфиром. По своим свойствам этот пигмент оказался совершенно идентичным каротину из моркови. Анализ очищенного вещества дал следующие результаты в трех пробах:
I. С = 89,09 II. С = 89,50 III. С = 89,23
Н = 10,48 Н = 10,59 Н = 10,54
Среднее соотношение между С и Н в анализах Вильштеттера и Мига было получено равным 1,406 ( у Арно - 1,428 ). Такой результат более всего приближается к эмпирической формуле С5
Н7
. Определения же молекулярного веса вещества по точке кипения в хлороформе и сероуглероде привели авторов к окончательной формуле С40
Н56
. Вильштеттер и Миг подтверждают правильность своих выводов также на примере анализа иодида каротина, в результате которого было получено:
I. С = 51,62 II. С = 51,69
Н = 6,20 Н = 6,25
I = 41,53 I = 41,71
Эти данные более соответствуют формуле С40
Н56
I3
( С = 52,35; Н = 6,15; I = 41,50 ), чем формуле для иодида, предположенной Арно ( С26
Н38
I ).
Вольштеттер разграничил понятия “каротин” и “ксантофилл” и характеризовал ксантофилл, как оксипроизводное каротина. Вольштеттер указал также на ошибку Гуземана, принимавшего свое оксисоединение за каротин, в то время как по расчетам Вильштеттера оно как раз соответствовало ксантофиллу, имеющему формулу С40
Н56
О2
.
Таким образом из работ Вильштеттера вытекает, что в растениях обнаружено как будто только два желтых пигмента - каротин и ксантофилл. Эмпирическая формула каротина, данная Вильштеттером, получила впоследствии подтверждение согласно структурному анализу. Существование же, кроме каротина, только одного ксантофилла было сомнительным, так как еще до исследований Вильштеттера , ботаниками был накоплен значительный материал по извлечению растительных желтых пигментов, обладающих различными спектральными характеристиками и растворимостями. Имеется в виду цитированные выше работы Бородина и других авторов. Впрочем и сам Вильштеттер, в конце концов, выразил сомнение в однородности полученных им препаратов, что в последствии целиком оправдалось.
Замечательное открытие русского ботаника Цвета, опубликовавшего в 1910 году свою работу “Хромофиллы в растительном и животном мире”, показало единственно эффективный путь к разрешению данного вопроса. Цвет предложил пользоваться для разделения желтых, красных и оранжевых пигментов методом хроматографической адсорбции, сделавшимся впоследствии одним из наиболее тонких орудий в органическом анализе.
Цвету удалось, изолировав каротин, расположить ту смесь, которую Вильштеттер назвал “ксантофиллом”, еще на четыре отдельных пигмента. Автор назвал их ксантофиллами a, a’ a’’ и b, но не успел подвергнуть всестороннему изучению. Однако путь для дальнейшего дифференцирования растительных пигментов был намечен совершенно правильно и обеспечил успех последующих исследований.
Разнообразие желтых, красных и оранжевых красящих веществ растений в это время было подтверждено также фактом выделения углеводорода ликопина в целом ряде растений, где он сопутствует каротину ксантофиллу. Было установлено также наличие ликопина в томатах. Назревала необходимость ввести хотя бы предварительную рациональную классификацию каротиновых красящих веществ.
Первая попытка в этом направлении сделана в 1916 году Любименко в его работе “О превращениях пигментов пластид в живой ткани растения”. Классификация Любименко базировалась на двух признаках - растворимости пигментов в одном и том же органическом растворителе и сходстве спектров поглощения в сероуглеводороде, определяющихся визуально при помощи спектроскопа. Автор делил, прежде всего, все пигменты хлоропластов на желтые и красные. Желтые, в свою очередь, по отношению к муравьиной кислоте делились на группу каротина, представители которой нерастворимы в кислоте, и группу ксантофилла, члены которой легко растворимы в муравьиной кислоте. К красным пигментам Любименко относил группу ликопина и группу родоксантина.
Группа каротина, согласно Любименко, насчитывала шесть отдельных представителей. Автор располагал их в следующие два ряда (см. табл.).
|
ГРУППА КАРОТИНА
|
спектры поглощения
в сероуглероде
(в m
|
интенсивность полос
|
|
| 1 полоса
|
2 полоса
|
||
|
первый ряд
|
|||
| Каротин a, нераствор. в спирте |
538 - 510 |
492 - 475 |
I = II |
| Пигмент плодов Lycium ovatum, раствор. в горячем спирте |
538 - 503 |
491 - 472 |
II > I |
| Каротин b легко раствор. в спирте |
538 - 505 |
492 - 472 |
II > I |
|
второй ряд
|
|||
| Каротин a’, раствор. в кипящем спирте |
53 - 508 |
492 - 473 |
I = II |
| Пигмент плодов Solanum pseudocapsicumpseudocapsicum, раствор. в холодном спирте |
533 - 502 |
490 - 470 |
II > I |
| Каротин b’, легко раствор. в спирте |
580 - 505 |
490 - 470 |
II > I |
Каждый ее ряд, состоящий из трех представителей, объединяется сходной спектральной характеристикой. Пигменты в пределах каждого ряда располагаются в порядке улучшения их растворимости в спирте. Автор отмечает, что лучшая растворимость в спирте сопровождается также улучшением растворимости в уксусной кислоте. У каротина b, легко растворяющегося в обоих растворителях можно предположить наличие в молекуле кислорода, находящегося , однако, не в хромофорной группе. Таким образом Любименко включал в группу каротина не только типичный углеводород каротин a, который он идентифицировал с пигментом моркови, но также и кислородсодержащие соединения. Новый и наиболее плодотворный период в изучении каротина и родственных ему пигментов начался начался после первой мировой войны, когда у биохимиков начал накапливаться интересный материал о возможной взаимосвязи между каротином и недавно открытым витамином А и об общности их физиологического действия. В период 1928 - 1933 годов каротин и каротиноиды явились объектом углубленных исследований целого ряда химиков-органиков. Целью этих работ было окончательное выяснение химической природы и свойств каротина и сопутствующих ему родственных пигментов.
В 1928 году Цейхмейстер и его сотрудники, каталитически гидрируя каротин, установили, что его молекула содержит большую алифатическую группировку. Дальнейшие работы по выяснению строения каротина принадлежат, главным образом, Карреру, широко использовавшему хроматографический метод Цвета для разделения пигментов и их изомеров. В 1930 году, т.е. почти через сто лет после открытия каротина, была установлена его структурная формула. В этот же период времени были выделены и изучены некоторые изомеры каротина и ряд каротиноидов.
Возникла новая современная классификация каратиновых красящих веществ. Согласно этой классификации все известные нам каротиновые красящие вещества по структурному признаку можно разделить на две основных группы: соединения с 40 углеродными атомами в молекуле и соединения с числом атомов углерода в молекуле меньшим 40. К первой группе принадлежат углеводороды (каротин, его изомеры и ликопин), оксисоединения - непрерывные спирты, получившие собирательное название “ксантофиллов”, и оксосоединения (кетоны). Вторая группа каротиновых красящих веществ представлена карбоновыми и оксикарбоновыми кислотами. Кроме того, обнаружено еще несколько специфических каротиноидов, выделенных из органов животных. Число углеродных атомов в их молекуле достигает 80 ( афаницин ).
УСТАНОВЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ КАРОТИНА
Количество двойных связей в молекуле каротина было определено по подсчету количества молекул водорода, расходуемых при каталитическом гидрировании. Было обнаружено, что одна молекула каротина принимает 11 молекул Н2
и, следовательно, содержит 11 двойных связей. Такие же результаты получены при реакции каротина с хлоридом.
Ряд цепных выводов сделан из результатов опытов окислительного расщепления каротина. Окисление бензольного раствора каротина водным раствором перманганата при встряхивании влечет за собой выявления запаха фиалок. Такое же явление, но в меньшей степени, наблюдалось и при самоокислении каротина кислородом воздуха. Известно, что химическим фактором, обусловливающим запах фиалки, является b-ионон:
который при окислении пермангантом способен давать следующий ряд продуктов расщепления: a-a-диметилглутаровую кислоту (1), a-a-диметилянтарную кислоту (2) и диметилмалоновую кислоту (3):
Подобный же ряд продуктов расщепления был отмечен и Каррером при длительном окислении перманганатом каротина. Таким образом было доказано присутствие в молекуле последнего b-иононового цикла.
Подтверждение этого факта вытекает также и из исследований сравнительного озонирования b-ионона и каротина, произведенных Пуммерером и сотрудниками. В обоих случаях в продуктах расщепления было установлено наличие героновой кислоты:
При этом, при идентичных условиях эксперимента, из одной молекулы каротина получается вдвое большее количество героновой кислоты, чем из b-ионона, что дало право вывести заключение о наличии в молекуле каротина двух b-иононовых циклов. О наличии двух циклическх систем в молекуле каротина можно судить также и по эмпирической формуле С40
Н78
его восстановленного производного - бесцветного пергидрокаротина.
Таким образом на основании сказанного выше, молекулу каротина можно представить состоящей из 2-ух b-иононовых колец, соединенных между собой цепной алифатической группировкой, в которой имеется девять ненасыщенных связей (две остальные находятся в циклах). Принимая во внимание интенсивную окраску каротина, которая обычно связана с конъюгацией двойных связей, промежуточную алифатическую цепь каротина можно было рассматривать, как хромофор полиенового типа, состоящий из восемнадцати метиновых групп, у которых, согласно балансу брутто -формулы, некоторые водородные атомы замещены метильными группами.
Наличие метильных групп в промежуточной алифатической цепи молекулы каротина было подтверждено Куном и его сотрудниками. При окислении каротина пермангонатом калия получается 4,4 молекулы уксусной кислоты. Окисление более жестким окислителем - хромовой кислотой - дает шесть молекул уксусной кислоты группировки типа
а хромовая кислота также и более насыщенные, как например:
Можно было утверждать поэтому, что промежуточная полиметиновая цепь молекулы каротина содержит четыре метильных группы.
На основании совокупности всех накопленных экспериментальных данных Каррер выдвинул предположения о том, что промежуточная цепь молекулы каротина состоит из четырех метилбутадиеновых (изопреновых) остатков, попарно расположенных с обеих сторон центра симметрии молекулы.
Структурная формула каротина, установленная Каррером, имеет следующий вид:
ПРИРОДНЫЕ ИЗОМЕРЫ КАРОТИНА
Исследования по выяснению структуры каротина проводились первоначально с пигментом, выделенным из моркови и принятым за чистый каротин. Вскоре была выяснена причина некоторых количественных неувязок в результате опытов, обьясняющаяся тем, что каротин моркови представлял собой смесь отдельных изомеров. Приведенное выше строение оказалось присущим лишь одному изомеру каротина.
Пигмент моркови хроматографически был разделен на три изомерных компонента. Изомер симметричного строения составлял около 85% смеси. В количестве около 15% был представлен второй изомер. В продуктах его окисления было обнаружено меньшее количество героновой кислоты и наличие изогероновой кислоты, получающейся, обычно, в результате окислительного распада a-иононового цикла:
Отсюда, вполне естественно, можно было заключить, что в молекуле второго изомера с той же эмпирической формулой С40
Н56
содержатся два различных цикла - один b-иононовый и второй a-иононовый:
Правильность такой структурной формулы подтверждается и оптической активностью ( правым вращением ) этого соединения, обусловленной наличием асимметрического атома углерода.
Изомер симметричного строения был назван b-каротином, изомер с одним a-иононовым циклом - a- каротином.
Третий изомер пигмента моркови - g-каротин - был выделен и исследован Куном и Брокманом. При каталитическом гидрировании он присоединяет двенадцать молекул водорода и, следовательно, содержит уже двенадцать ненасыщенных связей. В продуктах озонирования g-каротин был обнаружен ацетон в количестве 0,85 молекул на молекулу g-каротина. Из этих данных был сделан вывод о наличии на одном конце молекулы g-каротина открытой ненасыщенной алифатической группировки ( с одной дополнительной двойной связью )
которую можно рассматривать, как разорванное кольцо ионона, т.е. как псевдоионон:
Таким образом молекула g-каротина будет иметь следующий вид:
a-, b- и g-каротин являются наиболее распространенными природными структурными изомерами каротина. Имея одинаковую эмпирическую формулу С40
Н56
, они отличаются один от другого рядом свойств - температурой плавления, способностью адсорбироваться на окисях металлов, спектральными характеристиками. Структурной причиной, обусловливающей эти изменения, как видно из всего изложенного выше, является различное расположение двойных связей на одном из концов молекулы.
За последнее время развитие техники чрезвычайно тонкого хроматографического разделения пигментов по Цвету позволило при исследовании растительных объектов обнаружить новые изомеры каротина, встречающиеся в природе, правда, в значительно меньших количествах. Так, Винтерштейн из плодов гонокариума, наиболее богатого g-каротином, выделил 4-й изомер, названный d-каротином. Судя по максимумам поглощения d-каротина, лежащим между таковыми для a-каротина и для каротиноида ликопина, новому изомеру приписана следующая предположительная формула:
Пятый природный изомер каротина обнаружен в 1941 году Фрепсом и Кеммерером при хроматографическом разделении пигментов желтой кукурузы. На хроматограмме он давал светло-желтое кольцо, расположенное несколько выше четкоотделенного оранжевого кольца b-каротина. Новый пигмент, названный к-каротином, принимали сначала за g-каротин, но спектроскопическое исследование показало, что новый изомер обнаруживает максимум поглощения, не соответствующий таковому для g-каротина. Строение нового изомера окончательно еще не установлено. Известно лишь, что в его молекуле имеется один b-иононовый цикл.
За последние годы также обнаружено еще два природных растительных пигмента, которые есть основания рассматривать, как изомеры каротина. Это V-каротин Стрейна, найденный в моркови, и e-каротин Стрейна и Маннинга, выделенный из диатомовых водорослей. Последний получен авторами в кристаллическом состоянии. По своим химическим свойствам этот углеводород почти идентичен b-каротину. Однако его спектральная характеристика приблежается к таковой каротиноида виолаксантина.
Природные структурные изомеры каротина под влиянием естественных или специально созданных условий способны, в свою очередь, изомеризоваться. При этом может быть получено большое количество, главным образом, стериоизомеров. До последнего времени принято было считать эти стериоизомеры каротина продуктами исключительно искусственного происхождения. Однако современные данные ряда исследователей свидетельствуют о наличии таких стериоизомеров в некоторых растениях. Таким образом разделение изомеров каротина на природные и искусственные становится уже до некоторой степени условным.
Из всех известных до настоящего времени природных изомеров каротина наибольшее значение имеет b-каротин. К тому же он обладает чрезвычайно обширным распространением в природе. Очень часто ему сопутствует в том или ином количестве a- и g-каротин. Оба этих последних, как будет указано далее, также являются провитаминами А, с вдвое меньшей по сравнению с b-каротином биологической активностью. Поэтому при изготовлении каротиновых препаратов обычно нет необходимости в разделении трех изомеров. Смесь этих изомеров, выделенная из какого либо сырьевого источника, например из моркови, очищенная и перекристаллизованная, носит обобщающее название “каротин”. Неперекристаллизованная смесь изомеров каротина известна как “сырой каротин”.
КАРОТИНОИДЫ
В подавляющем большинстве случаев изомеры каротина в природных источниках сопровождаются тем или иным количеством чрезвычайно родственных им по строению других растительных пигментов - каротиноидов. Некоторые из этих каротиноидов, как будет указано далее, обладают также провитаминной активностью.
Другие лишены этих свойств, но, будучи частыми спутниками каротина в исходных материалах, являются балластом, от которого нужно освобождаться при приготовлении чистых препаратов каротина и при аналитическом определении активности.
Каратиноиды, так же как и изомеры каротина, принадлежат к полиеновым естественным красящим веществам. Их молекулы построены по аналогичному с каротином структурному принципу - циклы или псевдоциклы соединены алифатической группировкой из изопреновых остатков. Между каротином и каратиноидами существует, повидимому, также и определенная генетическая связь.
Следует отметить, что некоторые растительные продукты накапливают в себе, наряду с каротином, преимущественные количества какого-либо или нескольких каротиноидов ( например, ликопин в томатах, криптоксантин в желтой кукурузе и др. ) Количество различных каротиноидов, образующихся в органах растений, может быть чрезвычайно разнообразным и насчитывает иногда несколько десятков отдельных представителей. Каротиноиды в настоящее время еще далеко не полностью изучены. Более или менее точные данные о строении и свойствах известны лишь для основных пигментов данной группы.
Из каротиноидов углеводородного характера известен один ликопин, широко распространенный в природе ( томаты, некоторые фрукты и ягоды ). По своей структуре он отличается от b-каротина наличием на концах молекулы не b-иононовых циклов, а псевдоиононов:
Хотя ликопин и принято относить к каротиноидам, но он фактически является алифатическим изомером каротина, так же как и последний, углеводородом с эмпирической формулой С40
Н56
.
Отдельную группу каротиноидов составляет ряд ненасыщенных спиртов производных каротина. Они носят общее название ксантофиллов, благодаря тому, что их первый представитель был обнаружен в желтых листьях.
Из ксантофиллов наиболее близок к каротину криптоксантин ( пигмент кукурузы ), имеющий эмпирическую формулу С40
Н56
О и следующую структуру:
Как видно, криптоксантин отличается от b-каротина лишь структурой одного из циклов, который является гидроксилированным.
Другой представитель подгруппы ксантофиллов с эмпирической формулой С40
Н56
О - рубиксантин. У него имеется также один гидроксилированный атом b-иононовый цикл, второй же раскрытый (псевдоионон):
Каротиноид-ксантофилл с двумя гидроксилированными b-иононовыми циклами и эмпирической формулой С40
Н56
О2
( пигмент яичного желтка ) носит название зеаксантин:
Изомером зеаксантина является ксантофилл желтых листьев (лютеин), у которого первый гидроксилированный цикл b-иононовый, второй же a-иононовый :
Далее в списке каротиноидов подгруппы ксантофиллов следует флавоксантин ( пигмент лютика ) с эмпирической формулой С40
Н56
О3
, два изомера -виолаксантин ( пигмент анютиных глазок ) и тараксантин ( пигмент одуванчика ) с эмпирической формулой С40
Н56
О4
. Строение этих оксипроизводных каротина еще недостаточно выяснено.
К ксантофиллам относится также фукоксантин ( пигмент бурых водорослей ) с эмпирической формулой С40
Н60
О6
. Структура ксантина выяснена недавно и представляется в следующем виде:
Капсантин С40
Н58
О3
- главный пигмент кожицы плодов паприки - подобно криптоксантину имеет в своей молекуле один гидроксилированный b-иононовый цикл. На другом же конце молекулы капсантина - псевдоцикл:
Следующая подгруппа каротиноидов принадлежит к оксосоединениям. Из них наиболее изучен родоксантин С40
Н50
О2
:
В свое время родоксантин считался единственным кетопроизводным каротина. Однако теперь известны также афанин С40
Н54
О, являющийся
монокетопроизводным b-каротина:
и миксоксантин С40
Н54
О - аналогичное производное g-каротина:
К монокетонам относится также, как выяснилось, и каротиноид животного происхождения эхиненон С40
Н58
О + Н2
.
Из каротиноидов с числом углеродных атомов, меньшим 40, наиболее известны кроцетин и биксин ( карбоновые кислоты ) и азафрин (оксикислота). Вообще говоря, представители этой группы каротиноидов гораздо реже встречаются в природе и накапливаются только в растениях. Среди них не найдено углеводородов. Существуют предположения, в связи с этим, что каротиноиды с числом углеродных атомов 40 образуются в органах растений путем окисления каротиноидов с 40 углеродными атомами в молекуле.
Кроцетин С20
Н24
О4
является желтым пигментом шафрана. В нем четыре кислородных атома находятся в двух карбоксильных группах:
Популярный краситель для пищевых жиров биксин С24
Н30
О - красный пигмент семян Bixa orellana - представляет собой метиловый эфир дикарбоновой кислоты норбиксина С24
Н28
О4
:
Другой краситель для жиров - азафрин С27
Н38
О4
, получаемый из тропических растений видов Scrophulariacea, является оксикислотой со следующим строением:
Из каротиноидов животного происхождения нельзя еще не упомянуть ретинен, извлеченный из сетчатки глаза, адаптированной в темноте. Ретин является продуктом распада зрительного пурпура - родопсина и играет важную роль в механизме процесса зрения.
СВОЙСТВА КАРОТИНА
Кристаллический каротин представляет собой вещество темного медно-красного цвета с блестящим металлическим оттенком. Чистые изомеры каротина отличаются по оттенку окраски. Кристаллы b-каротина - оранжево-красные с ярким блеском, a-каротин образует фиолетовые кристаллы с металлическим блеском, g-каротин -темнокрасные.
Форма кристаллов каротина еще недостаточно изучена. Следует предполагать наличие полиморфизма, главным образом в зависимости от природы растворителя. Олкович и Маттилл отмечают, кроме того, зависимость формы кристаллов от условий кристаллизации - температуры, концентрации, скорости охлаждения, продолжительности стояния раствора. По Цехмейстеру, каротин из смеси сероуглерода и спирта выкристаллизовывается в четко выраженных кубиках, из петролейного эфира, выпадает в виде призм; g-каротин из бензина выкристаллизовывается в виде призм или пучков игл. Олкович и Маттилл наблюдали при кристаллизации каротина образование ромбоэдров ( из петролейного эфира ), треугольных пластинок (из ацетона), игл (из хлороформа и метанола ), пучков игл (из сероуглерода и абсолютного спирта), квадратных пластинок (из петролейного эфира и метанола). Авторы считают, что, несмотря на различие формы, каротин всегда кристаллизуется в гексагональной системе.
Совершенно чистый каротин не имеет запаха. Однако в связи с тем, что даже при самом тщательном хранении каротина в нем всегда образуется некоторое количество продуктов разложения, каротин приобретает приятный запах корней флорентийской фиалки, вызываемый b-иононом.
КАРОТИН КАК ПРОВИТАМИН
А
общие сведения
Провитаминная сущность каротина заключается в том, что этот пигмент способен расщепляться в организме человека и многих животных с образованием витамина А. Таков, повидимому, единственный путь образования витамина А, не синтезирующегося самостоятельно в природных условиях. В 1931 году Каррер установил, что витамин А является ненасыщенным спиртом состава С20
Н29
ОН с пятью конъюгированными двойными связями и b-иононовым циклом:
Иначе говоря, витамин А представляет собой гидролизованную половину молекулы симметричного b-каротина и получается из него путем окислительного распада по средней (центральной) двойной связи:
С40
Н56
+ 2Н2
О = 2С20
Н29
ОН
Однако прошло довольно много времени, пока была обнаружена эта взаимосвязь между каротином и витамином А. В течении почти столетия каротин рассматривался исключительно, как широко распространенный растительный пигмент - спутник хлорофилла, не имеющий перспектив практического использования в качестве красителя вследствие своей легкой окисляемости.
Окончательному установлению взаимосвязи между каротином и витамином А предшествовала длительная научная дискуссия между биохимиками и физиологами.
В 1918 году в печати появилась статья Стинбока и сотрудников. Авторы приводили результаты своих наблюдений над физиологической ростовой активностью многих растений и растительных вытяжек, которая была аналогична по своему характеру активности ранее уже известного фактора А рыбьих жиров. В этой работе и в последующих исследованиях Стинбока и его сотрудников, было отмечено, что специфическое физиологическое действие растительных материалов находится в прямой зависимости от содержания в них липохромов, т.е. жирорастворимых красно-оранжевых и желтых пигментов. Дреммонд в 1919 году высказал первоначально предложение о том, что один из этих пигментов должен быть идентичен витамину А. Стинбок обратил внимание на каротин и нашел, что он способен стимулировать рост крыс в отсутствии витамина А. Однако в последующих своих работах Дреммонд и сотрудники выступили с возражением против идентичности каротина с витамином А. Чистый кристаллический каротин в опытах этих авторов не оказывал ожидаемого физиологического эффекта. Дреммонд утверждал, что положительный результат у Стинбока получен за счет каких-либо примесей к недостаточно чистому препарату каротина. Другое возражение, выставленное Дреммондом, заключалось в том, что наиболее эффективный препарат витамина А - жир печени рыб, а также и ряд других жиров, обладающих А-витаминной активностью, не содержат каротина и не окрашены в характерный для него красно-оранжевый цвет.
Дискуссия между американским биохимиком Стинбоком и английским физиологом Дреммондом шла по явно неправильному пути. Вопрос был разрешен лишь после появления экспериментальных работ Эйлера и его сотрудников и Мура. Обнаружилось, что каротин способен быть фактором роста лишь при наличии витамина D, который сопутствует витамину А в рыбьих жирах, но в применяемой Дреммондом диете для крыс, кормящихся каротином, полностью отсутствовал. Вторая ошибка Дреммонда заключалась в том, что он не учитывал незначительной степени ресорбции кристаллического каротина организмом без жировой Среды.
В 1929-1930 гг. была окончательно установлена А-витаминная физиологическая активность каротина, полученного из различных растительных материалов, и впервые обнаружено, что в печени кроликов, питающихся морковью, откладывается не каротин, а какое-то более бледно окрашенное вещество. Вскоре выяснилось, что это вещество и является витамином А. При кормлении крыс жировой диетой, лишенной витамина А, но содержащей определенные дозы простейшего, двенадцать раз перекристаллизованного каротина, Мур обнаруживал появление в печени витамина А с характерной для него полосой поглощения при 328 mm, дающего по Карр-Прайсу интенсивную окраску с треххлористой сурьмой в хлороформе с максимумами поглощения 606 и 572 mm. Каппер, подвергнув спектральному исследованию препараты Мура, пришел к аналогичному заключению.
Наличие доказанной связи между каротином и витамином А уже значительно облегчило расшифровку строения последнего. Анализ витамина А, произведенный Каррером, дал эмпирическую формулу соединения С20
Н30
О.
В 1933 году был синтезирован пергидровитамин А ( С20
Н39
ОН ), совершенно идентичный пергидросоединению природного витамина А, а в 1937 году осуществлен синтез и самого витамина А. Таким образом окончательно подтвердилось строение молекулы витамина А и его взаимосвязь с каротином.
усвоения каротина организмом и образование витамина А
Витамин А присутствует в пищевых продуктах в виде эфиров ретинола, в основном, с пальмитиновой кислотой. Наряду с ними, чрезвычайно важным источником витамина А в питании служит каротин.
Каротин, попадая в организм человека, всасывается через стенки кишечника, накапливается, преимущественно, в печени, где и расщепляется с образованием витамина А. Такова общая схема усвоения каротина. Однако эффективность данного процесса на отдельных его этапах подвержена значительным колебаниям в зависимости от большого количества различных факторов.
Эфиры ретинола и каротиноиды, поступившие с пищей в желудочно-кишечный тракт, в виде жировых глобул поступают в тонкую кишку, где в присутствии желчных кислот происходит их эмульгирование и образование мицелл.
Гидролиз эфиров ретинола до ретинола и свободных жирных кислот осуществляется неспецифической панкреатической липазой. Свободный ретинол и b-каротин образуют в просвете кишечника смешанные мицеллы, в состав которых входят желчные кислоты, жирные кислоты, моноглицериды, холестерин и др., и в таком виде достигают поверхности микроворсинок энтероцитов. Образование мицелл существенно повышает эффективность всасывания каротина и ретинола.
Всасывание каротина и каротиноидов происходит, главным образом, в верхней трети кишечника путем пассивной абсорбции с участием переносчиков - при физиологических концентрациях витамина, или пассивной диффузии - при более высоких концентрациях. По другим данным, всасывание ретинола идет по активному механизму или путем пиноцитоза.
Ресорбция каротина в кровь через кишечный эпителий зависит, прежде всего, от характера воспринимаемого организмом каротинового препарата. Само собой разумеется, что каротин сырых неизмельченных овощей и плодов ресорбируется в минимальной степени, ибо он находится внутри неподвижной клетки и окружен водной средой, не являющейся для него растворителем. Значительно лучше протекает для него ресорбция в случае применения мелко измельченного препарата или подвергнуто предварительной обработке, ослабляющей клеточные стенки.
Решающим фактором для ресорбции каротина является наличие жировой среды. Богатая жиром диета облегчает усвоение каротина. При бедной жирами диете даже чистый кристаллический каротин, принятый внутрь без жира, не обладает почти никаким физиологическим действием. Отсюда ясно, что наилучшей формой препарата каротина является его масляный раствор или концентрат. Наибольшее количество каротина, растворенного в масле, способны усваиваться организмом на 70-80 и даже 90%. При этом природа самого масла имеет существенное значение, о чем свидетельствуют многочисленные наблюдения. Тут играет роль, повидимому и растворимость каротина в масле и наличие в масле окисляющих каротин примесей или стабилизаторов, химический состав масла и другие факторы, влияющие на степень ресорбции каротина. Проведенные на крысах опыты Бомсков и Руфа показали, что ресорбция каротина, растворенного в маргарине, практически равна нулю. При добавлении к маргарину одного процента ненасыщенных жирных кислот ресорбция каротина превышает 20%. Приведенные данные, правда, не согласуются с позднейшими исследованиями Абрамсона и Брюниуса, которые нашли, что b-каротин одинаково выявляет свойства фактора роста, будучи растворенным в арахидном масле или маргарине. Очевидно, рецептура маргарина имеет существенное значение.
Усвояемость организмом каротина и витамина А значительно повышается в присутствии a-токоферола (витамин Е), являющегося стабилизатором-антиоксидантом. Лучше всего ресорбируется каротин тех продуктов, которые обладают наиболее высоким содержанием витамина Е. Искусственное добавление a-токоферола к каротину в олифковом масле и к моркови также влечет за собой увеличение усвояемости. Характерно, что при этом увеличивается и содержание каротина в кале животных, что также может быть объяснено предохраняющим действием a-токоферола. Гуггенгейм считает наличие витамина Е важнейшим фактором усвоения каротина и витамина А. Автор изучал влияние природы масла на усвояемость каротина. В специально поставленных опытах животным давался масляный раствор каротина с концентрацией 1,6 мг пигмента в 1 мл. Получены следующие результаты:
Масло Содержание витамина Е Биологическая
в мг% ценность
Оливковое рафинированное............................................................ 0,08 44
Кокосовое нерафинированное..........................................................0,03 45
Сезамовое нерафинированное..........................................................0,05 44
Хлопковое нерафинированное................................................
Льняное нерафинированное..............................................................0,23 61
Данные таблицы свидетельствуют о несомненном влиянии содержания витамина Е в маслах на биологическую ценность растворенного в них каротина.
В процессе всасывания каротина кишечником принимают участия желчные кислоты, прямо или косвенно играющие роль в переносе каротина через кишечный эпителий. Опыты, проведенные на крысах, показали, что наибольший эффект ресорбции каротина из кишечника имеет место тогда, когда каротин растворен в триолеине или 40% растворе желчи. При применении кокосового и коровьего масла ресорбция понижалась. Нарушение желчного аппарата отрицательно сказывается на усвояемости каротина, что наблюдается у лиц, страдающих растройством желчного пузыря. В случае хронической диарреи и закупоривание желчных протоков, а также и при других расстройствах, связанных с длительным нарушением жирового обмена, ресорбция каротина может быть полностью исключена, а усвояемость витамина А значительно снижена. Мак Бейн склонен приписывать желчным продуктам по отношению к каротину и витамину А действие, аналогичное таковому инвертных мыл (улучшение растворимости). Существуют указания о том, что скорость ресорбции каротина может снижаться при определенных инфекционных заболеваниях и в течение некоторого времени после них.
Кроме всех отмеченных выше факторов, на усвояемость каротина животным организмом оказывает заметное влияние и степень предварительного насыщения этого организма провитамином А, а также и размеры дозировки. При неумеренном потреблении организмом каротина неусвоившийся его избыток разлагается в кишечнике или, при наличии стабилизаторов, выходит из организма с калом в частично не поврежденном состоянии. Если же, вследствии хорошо работающего ресорбционного аппарата, чрезмерное количество каротина всосалось в кровь из пищеварительного тракта, избыток каротина способен выделяться даже через кожу, которая благодаря этому приобретает желтый цвет.
Ресорбция каротина и витамина А в масляных растворах при прочих равных условиях протекает, примерно, с одинаковым конечным эффектом, если это относится к умеренным дозировкам. Однако большие количества каротина не усваиваются так хорошо, как витамин А. В особенности это правильно, когда каротин вводится без жира или при низкой жировой диете. Скорость ресорбции каротина и витамина А также не одинакова, что зависит, видимо, от величины молекулы. Девис и Мур определили, что максимальный уровень каротина в крови у крыс достигается при ресорбции спустя 7-8 часов после введения препарата. В случае витамина А аналогичный эффект достигается за 3-5 часов.
После поступления в энтероцит ретинол этерифизируется жирными кислотами, преимущественно пальмитиновой, тогда как каротин подвергается расщеплению с образованием двух молекул ретинола. Этерификация ретинола в энтероцитах происходит путем его взаимодействия с ацил-КоА, катализируемого микросомальной ацил-КоА: ретинолацилтрансферазой.
Превращение b-каротина в ретинол происходит в две стадии. На первой стадии под влиянием b-каротин-15,15’-диоксигеназы каротин расщепляется по месту центральной двойной связи полиеновой цепи, соединяющей два его b-иононовых кольца, до двух молекул ретиналя. На второй стадии ретиналь восстанавливается в ретинол при участии другого НАДН-(НАДФН)-зависимого фермента слизистой тонкой кишки - ретинальдегидредуктазы. По мнению некоторых исследователей, большая часть каротина в кишечнике расщепляется не по центральной, а по периферическим двойным связям, с образованием апокаратиналей и низкомолекулярных продуктов окисления. Апокаротинали при участии НАД-(НАДФ) - зависимой каротинольоксидазы превращаются затем в апокаротиноевые кислоты. Однако убедительные эксперименты доказательства в пользу физиологической значимости подобного механизма не получены.
Перейдя в кровь, каротин, как уже отмечалось выше, концентрируется преимущественно в печени. Известно также, что определенное количество каротина через кровь откладывается в жировых тканях человека, коровы, лошади. Известный уровень содержания каротина поддерживается постепенно в крови. У млекопитающих каротин частично переходит в молоко, откладывается в надпочечниках и желтых телах яичника.
Доказано, что у большого количества животных каротин, поступающий в печень, подвергается расщеплению по оси симметрии молекулы с образованием витамина А. Конверсия происходит в клетках Купфера и представляет собой медленный, изменчивый процесс, по всем вероятиям ферментативного характера. Каротин постепенно исчезает, и параллельно с этим накапливаются значительные количества витамина А. Динамика данного процесса, а также способность печени аккумулировать в себе каротин и витамин А зависят от особи. Начало конверсии у крыс, кроликов, кур и коров наблюдается только через несколько дней после введения каротина в организм животного.
Способность печени некоторых животных накапливать в себе большие количества витамина А поистине изумительна. Крыса может за несколько дней отложить такое количество витамина А, которое хватило бы на пищевые потребности нескольких месяцев. Известен опыт Мура, который специальной диетой добился насыщения печени крысы запасами витамина А на сто лет жизни. Наряду с этим кролик и морская свинка удерживают сравнительно малое количество витамина А даже при богатой каротином диете. У человека накопление витамина А в печени имеет тенденцию увеличиваться с возрастом.
Относительно невысокая степень конверсии каротина наблюдается у коров. Поэтому и молоко коров, в зависимости от породы животного, может содержать в себе преобладающие количества или каротина или витамина А.
Способность конвертировать каротин в витамин А обладают не все животные. Ее лишен организм кошек. Гаррис отрицает ее вообще у всех плотоядных, которые вынуждены, таким образом, поддерживать нормальный уровень витамина А в организме за счет животной пищи.
Факт конверсии каротина именно в печени выяснен с достаточной убедительностью. Доказано, что при различных заболеваниях печени, при фосфорном отравлении, при определенных болезнях скота, связанных с нарушением функции печени, каротин остается неконвертированным в клетках Купфера в больших количествах. Скорость расщепления каротина в печени значительно понижается также при заболевании диабетом.
Чрезвычайно интересный с химической точки зрения процесс конверсии каротина, согласно современным представлениям, происходит при участии специального фермента, названного каротиназой. Существование этого фермента, впрочем, нельзя считать еще полностью доказанным. Каротиназу изучали Олькотт и Мак Кэнн, которые демонстрировали реакцию конверсии каротина in vitro при действии печеночной ткани или водного экстракта печени животных. Подобные же опыты были осуществлены впоследствии и другими исследователями. Однако целый ряд авторов сообщает о том, что им не удалось воспроизвести этой реакции. Эйлер склонен отрицать существование каротиназы, приписывая ее роль крови. При действии на каротин свежей кровяной сыворотки быка ему удалось добиться некоторого эффекта конверсии.
Капланский и Балаба установили, что превращение каротина в витамин А может происходить в тканях щитовидной железы под действием тиреоглобулина. При иодировании казеина, сывороточного глобулина и некоторых других белков авторам удалось получить препараты, приблежающиеся к тиреоглобулину по своему гормональному действию. При обработке коллоидного раствора каротина иодированным казеином отмечено образование некоторого количества витамина А, обнаруживаемого спектофотометрическим путем.
Разрешение вопроса о возможности конверсии каротина химическим путем имеет исключительно большое практическое значение. При наличии такого метода, не связанного со слишком сложными операциями и дающего удовлетворительные выходы, была бы разрешена проблема получения препаратов витамина А из растительного сырья. Из приводимых фактов видно, что хотя каротин при оптимальных условиях его усвоения и равноценен почти полностью витамину А, все же непосредственному введению в организм препаратов витамина А сопутствует более быстрая ресорбция. Отпадает при этом и обусловленный факторами процесс конверсии. Литературные данные, касающиеся вопроса об искусственной конверсии каротина без применения каких-либо вытяжек животного происхождения, очень немногочисленны. Амад установил, что некоторые анаэробные бактерии обладают способностью переводить каротин в вещества, по спектральной характеристике приближающиеся к витамину А. Бауден и Снау подвергали растворы каротина в циклогексане облучению в атмосфере азота монохроматическим ультрофиолетом (265 mm) и получили продукты, близкие по характеристике к витамину А. Альдегид витамина А был получен Хантером и Вильямсом с очень малым выходом при действии на раствор b-каротина в хлороформе и ледяной уксусной кислоте перекисью водорода при тщательно контролируемых условиях. После хроматографического отделения от прочих продуктов окисления альдегид восстанавливался по Пондорффу в витамин А - спирт, обладавший ожидаемой биологической активностью.
С точки зрения общепринятой гипотезы о происхождении витамина А исключительно из каротина, на первый взгляд, кажется неясным - каким образом в жире печени целого ряда морских и пресноводных рыб накапливается огромное количество витамина А, в полторы тысячи раз превышающие максимальное содержание каротина в растениях. Существует заслуживающая внимания теория происхождения витамина А в рыбьих жирах из каротина зеленых водорослей. Путь этих превращений, однако, гораздо более сложен, чем при описанной выше непосредственной конверсии. За счет богатых каротином диатомовых водорослей развивается фитопланктон, являющийся пищей для мелких рыб. Хищные рыбы, питаются мелкими, сами уже не способны конвертировать каротин. Следовательно, где-то в средней цепи этих превращений должно происходить образование витамина, так как большему количеству фитопланктона в море соответствует большее содержание витамина А в печени крупных рыб. способность средних рыб увеличивать содержание витамина А при искусственном добавлении им в пищу каротина также говорит в пользу этой теории. Однако у копепод, являющихся основной составной частью фитопланктона северных морей, найдены лишь следы каротина и неактивный каротиноид астацин. Последний обнаружен также в яйцах некоторых видов фарели. Есть предложение, что астацин является промежуточным продуктом при образовании витамина А в организме рыб.
Конверсия каротина протекает, повидимому, иногда и не по центральной двойной связи, а по соседней с ней. В таком случае из одной половины молекулы каротина может образоваться b-апо-5-каротинол - гомолог витамина А - с 22 углеродными атомами и 6 конъюгированными двойными связями. Наличие этого гомолога названного витамином А2
, отмечено в жирах пресноводных рыб.
БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ КАРОТИНА И КАРОТИНОИДОВ
Биологическая активность каротина, т.е. степень способности его оказывать на организм такое же действие, как и витамин А, зависит эффективность процесса его усвоения и нормальной функции конвертирующего аппарата. Витамин А, как было указано выше, ресорбируется в кишечнике быстрее каротина и в увеличенных дозах совершеннее. К тому же витамин А, как препарат, поступает в организм исключительно в жировом растворе. Этап конверсии при применении витамина А полностью отпадает. Каротин же может вводиться в организм в самом разнообразном виде, происходя из различных источников. Таким образом А-витаминная активность каротиновых препаратов - функция многих переменных факторов.
Первые исследования каротина, как провитамина А, считали его активность равной активности самого витамина (в равных весовых количествах). Это справедливо в идеальном случае, когда чистый b-каротин, растворенный в масле, содержащем антиоксиданты, вводится небольшими дозами в нормально функционирующий организм. Тогда усвояемость того и другого препарата должна быть, примерно, одинаковой, и конверсия каротина в печени произойдет количественно. Следовательно, будет ли введен в организм витамин А или b-каротин в том же количестве - результирующей физиологический эффект должен быть тот же самый. Само собой разумеется, что подобное явление может иметь место только при наличии одного b-изомера каротина, симметричная молекула которого при конверсии распадается на две равноценных молекулы витамина А. В весовом количестве витамин А получается при этом даже немного больше, если принять в расчет две присоединяющихся при конверсии молекулы воды.
Целый ряд экспериментальных наблюдений действительно свидетельствует о том, что b-каротин и витамин А в разных весовых количествах почти одинаково восстанавливают рост крыс при небольших дозировках. Однако, наряду с этим, имеется значительное количество данных, свидетельствующих о более низкой активности каротина по сравнению с витамином А. Джилем с сотрудниками считают, что, вообще говоря, активность витамина А в 1,66 раза выше активности каротина. Андерхилл и Кауерд на основании биологической проверки пришли к заключению о вдвое высшей активности витамина А по сравнению с каротином. Каррером была найдена даже в десять раз высшая активность витамина А.
Все эти разноречивые данные с трудом поддаются сравнению, так как разным исследователям почти невозможно создать идентичные условия биологической пробы. К тому же и пределы ошибок при биологическом испытании активности могут превышать 100 процентов (Кауерд).С другой стороны, возможны ошибки и при химическом определении каротина в продуктах вследствии неучитываемого разложения и изомеризации. Кроме того, А-витаминная активность каротина может колебаться в зависимости от вида животного. Установленные закономерности для крыс нельзя механически переносить на других животных. Играет, повидимому, некоторую роль и возраст особи. Унгер утверждает, что для здорового взрослого человека нет различия усвояемости между витамином А и каротином. Однако для детей и стариков каротин, будто бы, не может заменить витамин А. Наряду с этим Сандлер подчеркивает благотворное влияние каротина на детей, что между прочим, подтверждается и известной нам практикой отечественных терапевтов.
Большое значение для А-витаминной активности каротина имеет состав изомеров в препарате. Если молекула b-каротина при конверсии нацело распадается на две молекулы витамина А, то при конверсии молекулы a- или g-каротинов должна быть равна только половине активности b-каротина, что и доказано еще Куном и Брокманом в 1933 году. Однако и в этом, казалось бы вполне ясном вопросе, не обошлось без противоречий. Эйлер, Каррер и Цубрис не установили большой разницы между a- и b-каротинами, как факторами роста крыс. Впрочем ростовая функция каротина, согласно современным представлениям, уже не считается главнейшим и характерным признаком его физиологического действия.
Биологическая активность каротина, вводимого с естественными продуктами, зависит также от происхождения этих продуктов, от их обработки перед употреблением в пищу, от способа введения их в организм и величины дозировки, от влияния сопутствующих веществ и от степени насыщенности организма каротином. Литературные данные по этому вопросу, однако, достаточно разноречивы. Согласно Грейвсу каротин зеленых растительных материалов более активен, чем каротин желтых и оранжевых продуктов. Так, например, активность каротина в варенной моркови, по данным автора достигает лишь 25% активности витимина А. Активность же каротина спаржи равна активности витамина А. По данным Эриксена и Хейгаарда каротин сырой моркови усваивается организмом только на 1%, каротин вареной моркови - на 19%. Для шпината же эти данные соответственно равны 45 и 48%. Шерман нашел, что каротин в шпинате обладает вдвое большей биологической активностью, чем каротин в моркови. Наряду с этим Смис и Отис утверждают, что активность каротина в шпинате равна активности чистого кристаллического каротина, растворенного в масле; активность же моркови - в шесть раз меньше. Такие же несовпадения имеют место и для люцерны, если сравнить данные различных авторов. Подобных примеров можно было бы привести еще большее количество. Предпринятые Шерманом, а также Грейвсом, попытки обобщить все эти наблюдения, следует признать несостоятельными. В вопросе о сравнительной биологической активности витамина А и каротина, попадающего в организм с различными продуктами, нет еще окончательно установившейся определенности.
Биологическая активность содержащих каротин или витамин А препаратов или продуктов выражается в настоящее время в интернациональных единицах ( I. U.). Международная конференция по витаминам, состоявшаяся в 1931 году в Лондоне, приняла в качестве стандарта А-витаминной активности чистый, многократно перекристаллизованный каротин, полученный из моркови. За интернациональную единицу активности условились считать ту активность, которой обладает 1 g (одна тысячная миллиграмма) этого международного стандарта каротина. Впоследствии, однако, выяснилось, что каротин моркови состоит из смеси изомеров и что a-изомер отличается по активности от b-изомера. Поэтому на следующей конференции, 1934 году, в качестве стандарта А-витаминной активности был принят чистый b-каротин, растворенный в кокосовом масле. На основе сравнения активности старого стандарта с активностью b-каротина было найдено, что интернациональная единица равна 0,6 g b-каротина. Такое выражение А-витаминной активности существует и до сих пор. Гораздо реже можно встретить в литературе выражение А-витаминной активности в так называемых “крысиных единицах”. Крысиная единица - это то минимальное ежедневное количество b-каротина, которое достаточно, чтобы предохранить крысу от А-авитаминоза (1,8-3,0 g b-каротина).
Следует помнить, что количество интернациональных единиц в единице веса какого-либо каротинсодержащего продукта выражает именно биологическую А-витаминную активность данного продукта, но отнюдь не является мерилом количественного содержания каротина, что должно быть ясным на основе всего, сказанного выше. Интернациональной единице соответствует только 0,6 g чистого b-каротина в кокосовом масле, но не 0,6 g каротина, воспринимаемого с различными продуктами. Бутс и сотрудники ошибочно критикуют опубликованные Пайком данные о А-витаминной активности овощей, полученной в результате биологических испытаний. Сделав простой пересчет каротина, определенного химическим путем в моркови, на витамин А, эти авторы не основательно утверждали, что биологическая активность моркови должна быть гораздо большей, чем это было определенно Пайком. Это, к сожалению, не единичный случая. Другие исследователи иногда также склонны характеризовать активность препаратов путем простого деления в них каротина на эквивалент интернациональной единицы. Такие данные соответствуют, конечно, не действительной, а, так сказать, “потенциальной активности”, т.е. такой, которая имела бы место, если бы каротин препарата при идеальных условиях максимально усвоился организмом. Действительная же активность любого препарата или продукта может быть установлена в результате биологического его испытания по сравнению с принятым международным стандартом.
Большой интерес представляет вопрос о зависимости между биологической активностью и строением изомеров каротина и родственных им соединений. Вдвое меньшая активность a- и g-каротинов по сравнению с b-каротином свидетельствует о том, что как перемещение двойной связи в цикле, так и раскрытие цикла влечет за собой потерю активности. Последнее подтверждается также полным отсутствием А-витаминной активности у каротина и ликопина. Однако и без раскрытия b-иононового цикла присоединение к нему кислорода с образованием кетогруппы также связанно с потерей активности. Аналогично влияет на активность и введение в цикл гидроксила. Так, например, каротиноиды афанин (моно-кето-b-каротин) и криптоксантин (моно-гидрокси-b-каротин) имеют половинную по сравнению с b-каротином А-витаминную активность за счет сохранившихся в одной половине молекулы неизмененных b-иононовых циклов.
Обобщая эти наблюдения, можно было бы вывести общее заключение, что половинной, по сравнению с b-каротином, витаминной активностью обладают только те каротиновые красящие вещества, у которых в одной половине молекулы имеется неизмененный b-иононовый цикл (криптоксантин, афанин, миксоксантин, семи-b-каротинон, дигидро-b-каротин, b-каротин-моно-эпоксид, мутатохром и др.).
Результаты биологических испытаний соответствуют этим заключениям. В 1940 году Шормиллер экспериментально подтвердил на большом количестве объектов, что наличие в молекуле неизмененного b-иононового цикла является как бы непременным условием биологической активности соединений подобного типа.
Однако из этого правила есть некоторые исключения. Специальные исследования показали, что живой организм способен переводить некоторые первичные продукты окисления, гидрирования и галоидирования b-иононового цикла обратно в b-ионон. Сказанное относится к b-каротин-моно- и ди-эпоксиду, дигидрокаротину и b-каротин-ди-иодиду, переходящем в организме в той или иной степени снова в b-каротин. Винтерштейн и Функ утверждают, что таким путем можно получить А-витаминно-активное соединение из заведомо неактивного каратиноида родоксантина. Дигидросоединение последнего имеет b-иононовое строение, в противоположность самому родоксантину, обладающему a-иононовым строением. Эйлер, Каррер и Цубрис получили активные соединения из неактивных каротиноидов зеаксантина и лютеина, имеющих гидроксилированные циклы, путем замещения гидроксилов на бром действием трехбромистого фосфора.
Способность животного организма восстанавливать эпоксиды до образования свободных от кислорода соединений отмечена в последнее время также Каррером и его сотрудниками. А-витаминная активность a-каротин-эпоксида, b-каротин-ди-эпоксида и лютеохрома была установлена экспериментально на крысах. Обнаружено, что a-каротин-эпоксид активен в дозе 10 g, b-каротин-ди-эпоксид в дозе 17 g и лютеохром в дозе 18 g. Следовательно, животный организм способен частично переводить эти соединения соответственно в a-каротин, b-каротин и мутатохром. Становится также понятным отсутствие активности у аурохрома, так как последний обладает кислородными атомами, заключенными в двух фураноидных группировках, не способных к восстановлению.
Второй структурный элемент молекулы - промежуточная алифатическая цепь - представляется, с первого взгляда, не имеющей никакого влияния на активность, так как она совершенно одинакова у всех каротиновых красящих веществ - активных и неактивных. Однако это не так. Один b-ионон, как известно, А-витаминной активностью не обладает. Наличие полиметиновой цепи является непрерывным условием физиологического действия его производных. Каррер в упоминавших выше работах по получению b-апо-каротиналей и соответствующих им каротинолов установил, что b-апо-2- и b-апо-4-каротинали и каротинолы обладают А-витаминной активностью. Обладает ею, естественно, и b-апо-6-каротинол. При дальнейшем же укорочении алифатической цепи активность исчезает. Следовательно активность при наличии b-иононового цикла обусловливается также и наличием определенной длины цепи конъюгации, включающей в себя не менее пяти двойных связей. Таким образом витамин А является наиболее экономной природной формой активного соединения, содержащего одни лишь необходимые для биологической активности структурные элементы.
Нарушение конъюгации в алифатической цепи влечет за собой потерю активности. К такому же результату приводит и полное насыщение двойных связей (пергидрокаротин). Активность сохраняется лишь тогда, когда примыкающая к b-иононовому циклу часть алифатической цепи построена минимум из двух изопреновых остатков.
Исследования последних лет показали, что А-витаминную активность b-каротина, находящегося в полной трансформе, за 100, то получается следующая картина относительных активностей некоторых стериоизомеров (по результатам биологического испытания на крысах):
b-каротин..................................................................100
нео-b-каротин U........................................................38
a-каротин...................................................................53
нео-a-каротин U.......................................................13
g-каротин....................................................................28
про-gкаротин..............................................................44
Из приведенных данных вполне очевидно, что наличие цис-конфигураций в молекуле каротина связано с заметным понижением активности. Таким образом с целью предохранения от потери активности изомеризации (длительное нагревание, действующих кислот, света и при производстве препаратов каротина необходимо избегать условий, благоприятствующих его т.д.).
КАРОТИНОИДНЫЙ СОСТАВ СЫВОРОТКИ КРОВИ
При исследовании в 1992-97 гг. методом ВЭЖХ содержания каротиноидов в сыворотке крови различных групп населения России недостаточная обеспеченность этими пищевыми веществами ( суммарный уровень в крови <80 мкгдл ) была выявлена у 31% взрослого населения г. Москвы, у 53% - г. Норильска, у 59% здоровых детей г. Норильска и у 69-87% детей, страдающих различными заболеваниями, ( г. Москва ). В каротиновом спектре обследованных жителей России преобладают три основных каротиноида: ликопин, b-каротин, лютеин, на долю которых приходится в среднем 32,0%, 24,0% и 23,6% ( лютеин с зеаксантином ) соответственно. За ним следует a-каротин (7,0%), b-криптоксантин (5,4%), a-криптоксантин (0,9%) и неидентифицированные каротиноиды (7,1%).
Женщины обеспечены каротиноидами лучше, чем мужчины, что, в первую очередь, обусловлено более высоким содержанием в их сыворотки крови b-каротина.
Среднее значения суммарного содержания каротиноидов в сыворотке крови частоболеющих детей, детей с хроническими заболеваниями ЖКТ и врожденными нарушениями обмена веществ (фенилкетонурия, гликогеноз, митохондриальная патология ) существенно снижены и составляют 41 - 67 мкг/дл.
Установлены средние арифметические значения и пределы колебаний содержания отдельных каротиноидов ( мкг/дл ) в сыворотке крови характерные для взрослых людей, обеспеченность которых всей суммой каротиноидов соответствует норме ( 80 - 230 мкг/дл ): ликопин - 42,3 ; b-каротин - 32,2; лютеин+зеаксантин - 27,3; a-каротин - 8,5; b-криптоксантин - 7,9; a-криптоксантин - 1,4.
Каротиновый спектр сыворотки крови мужчин, женщин, беременных женщин и детей с низким содержанием суммы каротиноидов ( ниже 80 мкг/дл) отличается от спектра соответствующих групп людей с нормальной обеспеченностью этими пищевыми веществами ( сумма каротиноидов в пределах 80 - 230 мкг/дл ) преимущественным снижением содержания основных каротиноидов: ликопина, лютеина, b-каротина и b-криптоксантина, на долю которых приходится от 62,6 до 96,0% всей суммы каротиноидов, присутствующих в крови.
Включение в рацион взрослых людей и детей, страдающих различными заболеваниями, пищевых продуктов (крекеры, кукурузные палочки, растительное масло), обогащенных b-каротином, в количестве, обеспечивающем дополнительное потребление 5 мг этого каротиноида в сутки в течении трех недель, приводило к увеличению концентрации b-каротина в сыворотке крови обследуемых в среднем в 2-4 раза, не влияя существенным образом на содержание других каротиноидов.
ВИТАМИН
А
И ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫЙ РОСТ
Это вопрос служит в последние годы предметом многочисленных исследований, получивших отражение в ряде обстоятельных обзоров.
Исследования на экспериментальных животных показали, что ретиноиды обладают способностью тормозить развитие опухолевого процесса. Наиболее убедительный эффект ретиноиды проявляют в отношении химического канцерогенеза, в особенности, в случае рака кожи, грудной железы и мочевого пузыря. Во всех этих случаях развитие рака происходит, как полагают, в соответствии с двухстадийной схемой (стадия инициации и стадия промоции), причем ретиноиды выступают в качестве типичных антипромоторов, то есть соединений, блокирующих не инициацию канцерогенеза, а его прогрессирование. В связи с этим их действие оказывается эффективным и при достаточно значительном временном интервале между воздействием канцерогена и применением ретиноидов.
Алиментарная недостаточность витамина А у животных ведет к повышению их чувствительности к действию канцерогенов, в частности, афлатоксина, диметилгидрозина, 3-метилхолант-рена и др. В то же время имеются данные и о противоположном эффекте: дефицит витамина А подавлял рост опухолей толстой кишки, вызванный интраректальным введением N - метил-нитро - N - нитрозомочевины.
В отличии от данных о преимущественно ингибирующем действии ретиноидов на химический канцерогенез, данные об их эффектах в отношении вирусного канцерогенеза, трансплантируемых опухолей, а также опухолей, вызываемых УФ-облучением, противоречивы и, в основном, указывают на отсутствие способности ретиноидов к торможению роста опухолей этого происхождения.
В серии массовых эпидемиологических исследований была выяснена связь между сниженным потреблением с пищей витамина А и повышенной частотой возникновения рака. При этом была обнаружена особая роль достаточного потребления с пищей b-каротина, который, как было уже отмечено, может оказывать эффекты, не связанные с его превращением в организме в витамин А.
Была показана возможность использования ретиноидов не только для профилактики, но и для лечения злокачественных новообразований, в частности, рака легкого, головы и шеи у людей. Исключительно важным достоинством ретиноидов является их способность повышать, а не понижать, в отличии от других противоопухолевых препаратов и лучевой терапии, иммунный ответ организма, которому принадлежит важнейшая роль в борьбе организма с опухолями. В связи с этим указывают на особую перспективность сочетания лучевой терапии с ретиноидами при лечении больных с новообразованиями.
ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ КАРОТИНА
Как было отмечено выше, каротин в животном организме расщепляется с образованием витамина А. В соответствии с этим и оказываемое каротинолом физиологическое действие, в основном, такое же, как и действие витамина А.
Авитаминозы и гиповитаминозы А чрезвычайно разнообразны. Они выражаются в задержке развития и роста организма, падение в весе, поражении кожных покровов и слизистых оболочек и в связанном с этим понижением сопротивляемости инфекционным заболеваниям. Недостаток витамина А вызывает понижение остроты зрения и болезни глаз - куриную слепоту, кератомаляцию и ксерофтальмию. Авитаминозы и гиповитаминозы А сопровождаются также общим исхуданием, потерей аппетита, растройством нервной системы и деятельности кишечника, нарушением деятельности полового аппарата, поражением дыхательных путей и слизистых оболочек носа и гортани и пр.
Патологические последствия авитаминоза А одинаковы для людей и большого количества животных, для которых при этом особенно характерно заболевание дыхательной и пищеварительной систем, медленное эмбриональное развитие плода, склонность к абортам, потускнение волосяного покрова. У птиц снижаются инкубационные качества и витаминность яиц, повышается смертность цыплят.
В настоящее время известно, что большинство витаминов отличается многосторонним физиологическим действием. Однако для целого ряда из них характерна, наряду с этим, все же определенная специфичность (витамин С - цынга, витамин В1
- бери-бери, витамин D - рахит и т.д.). Для каротина и витамина А такой специфичности установить нельзя.
Первоначально каротин и витамин А считались факторами роста. Известно, что отсутствие в пище витамина А влечет за собой приостановку роста молодых животных и детей и падение их веса. Однако подобные явления наблюдаются и при отсутствии других витаминов, некоторых минеральных солей, аминокислот и пр. Обнаруженное впоследствии свойство каротина и витамина А способствовать стойкости организма против инфекционных заболеваний дало право назвать витамин А “антиинфекционным”. С другой стороны, предохраняющая роль витамина А (и каротина) против глазных болезней, в частности ксерофтальмии, послужила основанием назвать его “антиксерофтальмическим”. За последние время исследователи физиологического действия каротина и витамина А склонны рассматривать их гормональную функцию, как одну из наиболее существенных для организма человека и животных. Последнее дает право предполагать наличие если не общности, то во всяком случае определенных точек соприкосновения в роли каротина для растительных и животных организмов.
Здоровый организм человека и животных нуждается в систематическом введении извне с пищевыми продуктами или препаратами необходимыми для его нормального функционирования определенных количеств витамина А или каротина. Применение последних в качестве профилактических и лечебных агентов показано также и в ряде специфических случаев. Каротин или витамин А необходим беременным женщинам и кормящим матерям для нормального питания и роста плода. Чрезмерное употребление витамина А на ранних стадиях беременности может в некоторых случаях привести к появлению дефектов у новорожденных. Как показало исследование специалистов Бостонского университета, для женщин, принимающих витамин А в дозе свыше 10 тысяч МЕ (международных стандартных единиц) в день, существует вероятность рождения детей с деформацией лица, головы, сердца или дефектами нервной системы.
В ходе исследования, которое проводилось с середины 80-х годов, были обследованы 22748 беременных женщин. В 339 случаях у новорожденных обнаружили врожденные дефекты. При этом исследователи выяснили, что примерно 2% будущих мам слишком “налегали” на витамин А.
В наборах поливитаминов, продающихся в США без рецепта, как правило, витамин А содержится около 5 тысяч МЕ. В то же время в продажу поступает и витамин А в капсулах, содержащих до 25 тысяч МЕ. “Все будущие матери должны знать о потенциальной опасности чрезмерного употребления витамина А”, - отметил автор исследования доктор Кеннет Ротман. Предостережение не распространяться на b-каротин, содержащийся в моркови и других овощах. Эту “растительную” форму витамина А исследователи считают совершенно безвредной.
Детям витамин А полезен для нормального роста и правильного развития организма. Каротин и витамин А оказывают благотворное влияние на течение инфекционных детских болезней (корь, дифтерит, коклюш, бронхит, пневмония и др.). Поддерживая в нормальном состоянии слизистые оболочки носа, горла и др., каротин и витамин А повышают сопротивляемость организма людей всех возрастов к инфекционным заболеваниям и являются необходимыми при лечении хронических насморков, ларингитов, болезней дыхательных путей и пр.
Препараты каротина и витамина А рекомендуется принимать при камнях печени, почек, мочевого пузыря, при заболеваниях сальных, потовых и слезных желез, при гиперфункции щитовидной железы и базедовой болезни, а также при лечении пораженных участков кожи, ожогах, обмораживаниях, асептических и гнойных ранах. У здоровых людей каротин и витамин А улучшают способность применяться к изменению освещения, повышают остроту зрения. Каротин и витамин А являются, повидимому, единственным радикальным средством для предупреждения и излечения перечисленных выше глазных болезней - гемералоптии (куриной слепоты), кератомаляции и ксерофтальмии.
Не следует, однако, считать, что физиологическое действие каротина связано только лишь с фактом перехода его в витамин А. В ряде случаев каротин, повидимому, обладает и самостоятельным физиологическим действием. Достаточно убедительные данный в пользу этого предположения приводится, например, Рачевским.
Истинная природа физиологического действия каротина на животный организм не поддается еще в настоящее время сколько-нибудь точной обобщенной интерпретации, несмотря на обилие накопленного эмпирического материала. Наиболее ясна картина участия структурных элементов молекулы каротина в химических процессах, происхождения в зрительном аппарате (главным образом работы Гехта с сотрудниками и Вальда). Установлено, что структурные элементы молекулы каротина входят в состав ретинена, являющегося простетической группой белкового вещества родопсина (зрительного пурпура). Последний выполняет роль в процессе зрения, как фотосенсибилизатор и автоматический регулятор чувствительности глаза к свету.
Случаи гиперкаротиноза значительно более редкий, чем случаи гипервитаминоза А. При чрезмерном снабжении организма каротином последний обычно ресорбируется отчасти. Если же ресорбция достигла значительных размеров, избыточное количество каротина может выделяться даже через кожу (“ксантоз”). Редкий случай гипервитаминоза, повлекший за собой расширение печени катаракт и другие серьезные расстройства.
Потребность человеческого организма в каротине или витамине А, согласно современным данным, равна 3-5 мг для взрослых и 2-3 мг для детей. Интересно отметить возникновение за последние годы новой области применения каротина и витамина А в животноводстве - при разведении пушных зверей. Витаминизация кормов, при этом, способствует получению блестящего, красивого и прочного меха.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Савинов Б.Г.
Каротин (провитамин А) и
получение его препаратов.
- Киев:
Издательство
Академии Наук Украинской ССР, 1948 .
2. Душейко А.А.
Витамин А
- Киев: Наукова Думка,
1988.
3. Дмитровский А.А.
Экспериментальная
витаминология,
Ред. Островский Ю.М. - Минск:
Наука и техника, 1979.
4. Поздняков С.П.
Успехи современной биологии
-
1985. - 100, вып. 2 (5).
5. Плецитый К.Д., Лидак М.Ю.
Витамин А и
синтетические ретиноиды в иммунологии и
онкологии.
- Рига: Зинатне, 1984.
6. Сисакян Н.М.,
Биохимия и физиология
витаминов.
1953
7. Таранова А.Г.
Каротиновый состав сыворотки
крови разных групп населения и влияние на
него пищевых продуктов, обогощенных бета-
каротином:
Автореф. - Москва , Ин-т питания АМН
России, 1998.
8. Потапов В.М
Органическая химия.
- Москва: -
Просвещение, 1983
9.
Механизм межвитаминных взаимодействий.
Минск, Наука и техника, 1973 г.
10. Стайлер Л.
Биохимия (
в 3-х томах) - Москва: Мир,
1985.
11. Конъ И.Я.
Биохимические механизмы действия
витамина А:
Автореф. дис. док. мед. наук. - Москва,
Ин-т питания АМН СССР, 1987.
12. Журнал
“Здоровье”
, март, 1998.