Биологическая роль каротиноидов

| Категория реферата: Рефераты по химии
| Теги реферата: физика 7 класс, сочинения по русскому языку
| Добавил(а) на сайт: Sutulin.

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 (-каротина - оранжево-красные с ярким блеском, (-каротин образует фиолетовые кристаллы с металлическим блеском, (-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; (-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 (- 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 С20Н29ОН с пятью конъюгированными двойными связями и (-иононовым циклом:

Иначе говоря, витамин А представляет собой гидролизованную половину молекулы симметричного (-каротина и получается из него путем окислительного распада по средней (центральной) двойной связи:

С40Н56 + 2Н2О = 2С20Н29ОН

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 m(, дающего по Карр-Прайсу интенсивную окраску с треххлористой сурьмой в хлороформе с максимумами поглощения 606 и
572 m(. 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 С20Н30О.
В 1933 году был синтезирован пергидровитамин А ( С20Н39ОН ), 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 (-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 (-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 (-токоферола (витамин Е), являющегося стабилизатором- антиоксидантом. Лучше всего ресорбируется каротин тех продуктов, которые обладают наиболее высоким содержанием витамина Е.
Искусственное добавление (-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 (-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.........................................................
0,92 72
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 (-каротина в ретинол происходит в две стадии. На первой стадии под влиянием (-каротин-15,15’-диоксигеназы каротин расщепляется по месту центральной двойной связи полиеновой цепи, соединяющей два его (-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 m() 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 (-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 (-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.