Биологическая роль каротиноидов

Биологическая роль каротиноидов

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 Н24О

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 С26Н38 ( 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 С40Н56.

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 С40Н56I3 ( С = 52,35; Н =

6,15; I = 41,50 ), чем формуле для иодида, предположенной

Арно ( С26Н38I ).

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 С40Н56О2.

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 (, (’ (’’ и (, 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.).

| |спектры | |

|ГРУППА КАРОТИНА |поглощения |интенсивность |

| |в сероуглероде |полос |

| |(в m() | |

| |1 полоса|2 полоса| |

| |

|первый ряд |

|Каротин (, |538 - |492 - | I = II |

|нераствор. |510 |475 | |

|в спирте | | | |

|Пигмент плодов |538 - |491 - | II > I |

|Lycium ovatum, |503 |472 | |

|раствор. в | | | |

|горячем спирте | | | |

|Каротин ( легко |538 - |492 - | II > I |

|раствор. в спирте |505 |472 | |

| |

|второй ряд |

|Каротин (’, |53 - 508|492 - | I = II |

|раствор. в | |473 | |

|кипящем спирте | | | |

|Пигмент плодов |533 - |490 - | II > I |

|Solanum |502 |470 | |

|pseudocapsicumpseu| | | |

|docapsicum, | | | |

|раствор. в | | | |

|холодном спирте | | | |

|Каротин (’, |580 - |490 - | II > I |

|легко раствор. в|505 |470 | |

|спирте | | | |

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 (,

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 (, 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 (-ионон:

который при окислении пермангантом способен давать следующий ряд

продуктов расщепления: (-(-диметилглутаровую кислоту (1), (-(-

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 (-иононового цикла.

Подтверждение этого факта вытекает также и из исследований

сравнительного озонирования (-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 (-ионона, что дало право вывести заключение о наличии в

молекуле каротина двух (-иононовых циклов. О наличии двух

циклическх систем в молекуле каротина можно судить также и по

эмпирической формуле С40Н78 его восстановленного производного -

бесцветного пергидрокаротина.

Таким образом на основании сказанного выше, молекулу каротина

можно представить состоящей из 2-ух (-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 (-иононового цикла:

Отсюда, вполне естественно, можно было заключить, что в молекуле

второго изомера с той же эмпирической формулой С40Н56 содержатся

два различных цикла - один (-иононовый и второй (-иононовый:

Правильность такой структурной формулы подтверждается и оптической

активностью ( правым вращением ) этого соединения, обусловленной

наличием асимметрического атома углерода.

Изомер симметричного строения был назван (-каротином, изомер с

одним (-иононовым циклом - (- каротином.

Третий изомер пигмента моркови - (-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 (-

каротин был обнаружен ацетон в количестве 0,85 молекул на

молекулу (-каротина. Из этих данных был сделан вывод о наличии на

одном конце молекулы (-каротина открытой ненасыщенной алифатической

группировки ( с одной дополнительной двойной связью )

которую можно рассматривать, как разорванное кольцо ионона, т.е.

как псевдоионон:

Таким образом молекула (-каротина будет иметь следующий вид:

(-, (- и (-каротин являются наиболее распространенными природными

структурными изомерами каротина. Имея одинаковую эмпирическую формулу

С40Н56, 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 (-

каротином, выделил 4-й изомер, названный (-каротином. Судя по

максимумам поглощения (-каротина, лежащим между таковыми для (-

каротина и для каротиноида ликопина, новому изомеру приписана

Страницы: 1, 2, 3, 4