Биологическая роль каротиноидов

В клетках растений каротиноиды локализованы в пластидах в виде глобул, кристаллов, белково-каротиноидных комплексов, входящих в структуру мембран. Способность каротиноидов выполнять роль светофильтров связана с наличием в их структуре хромофорной группы с 9-11 сопряженными двойными связями. Уменьшение количества связей (менее 7) приводит к потере пигментами способности переводить электроны из возбужденного в основное состояние. В нефотосинтезирующих тканях и органах растений каротиноиды выполняют не связанные с фотосинтезом функции: стабилизируют клеточные мембраны, образуя нестойкие пероксиды, предотвращают цепные реакции окисления, регулируют транспортную и биосинтетическую функции мембран, участвуют в процессах фототропизма, фототаксиса, размножения как у растений, так и у микроорганизмов. Интенсивное освещение, низкая или высокая температура и стимулируют образование каротиноидов в клетках, что, по-видимому, является одним из способов адаптации растений к стрессу.

Животные могут лишь пассивно накапливать каротиноиды в тканях и не способны синтезировать их de novo. До настоящего времени наиболее изучена провитаминная функция некоторых каротиноидов, способных трансформироваться в витамин А в кишечнике и печени животных. Из всех известных каротиноидов только 10% проявляют провитаминную активность, которая убывает в ряду: b-каротин - 100%, криптоксантин - 57%, a-каротин - 53%, g-каротин - 27%, торулин - 9%, торулародин - 3%[3].

Центральное место в метаболизме каротина в печени и кишечнике занимает ретиналь, который восстанавливается до ретинола. Ретиналь может всасываться и в неизменном виде, превращаясь в ретинол под действием названного фермента в других органах и тканях. В кишечнике и печени активна ретинилдегидрогеназа, катализирующая образование из ретинола ретиналя, но реакция сдвинута в сторону ретинола.

Из клеток слизистой оболочки тонкого кишечника выделена ретинальоксидаза, окисляющая ретиналь в ретиноевую кислоту. Основная масса ретиноевой кислоты, в отличие от ретинола и ретиналя, всасывается не через лимфатические пути, а через воротную вену и выводится с желчью в виде глюкуронидов.

Система биотрансформации b-каротина отсутствует в первые дни после рождения и появляется у животных в месячном возрасте. Эффективность превращения провитамина в витамин А у разных видов колеблется в пределах 4:1, 10:1 и зависит от количественного и качественного составов белков и липидов в рационе, наличия антиоксидантов, продуктов окисления карбоновых кислот, нитратов, нитритов, физиологического состояния организма [9].

Антиоксиданты (витамин С, α-токоферол) повышают биодоступность каротина, предотвращая окислительную деструкцию его изопреноидной цепи. В присутствии витамина Е может происходить свободнорадикальное окисление каротина, спровоцированное фенольными радикалами, образующимися при окислении α-токоферола. Существуют противоречивые данные о способности каротина всасываться в присутствии витамина А. По мнению ряда авторов, витамин А ингибирует превращение и всасывание каротина в кишечнике, что свидетельствует о более эффективном функционировании систем освобождения и переноса витамина А в сравнении с системой биотрансформации. В исследованиях последних лет установлено частичное совпадение метаболических путей витамина А, b-каротина и этанола. Длительное использование витамина А и каротина на фоне потребления алкоголя снижает конверсию провитамина в ретиналь и усиливает гепатотоксический эффект последнего.

Каротиноиды могут всасываться в кишечнике без биотрансформации. Включаясь в состав липопротеинов, они транспортируются в жировую ткань, печень, надпочечники, яичники и другие органы, выполняя там совершенно самостоятельные функции. Являясь специфическими адаптогенами, они обеспечивают защиту и повышение общей резистентности организма при действии разнообразных стрессоров. В настоящее время установлены профилактическое и защитное действия b-каротина в отношении заболеваний, сопровождающихся окислительным стрессом (катаракта, хронические инфекции, воспаления, рак, сердечно-сосудистая патология и др.)

Антиоксидантные свойства многих каротиноидов, и прежде всего b-каротина, обусловливают их радиопротекторное, антимутагенное, иммуномодулирующее, антиинфекционное действия.

Антиоксидантная активность b-каротина связана с его способностью блокировать образование синглетного кислорода - О'₂, поглощая энергию возбужденного электрона без каких-либо химических превращений, возвращая О'₂ в основное (триплетное) состояние без повреждения окружающих биологических систем. Кроме b-каротина, способностью «гасить» синглетный кислород обладают также ликопин, астаксантин, a-, g-каротин, зеаксантин, резерватол и другие каротиноиды. Являясь компонентами неферментативной антиоксидантной системы, они защищают клеточные структуры от воздействия активных форм кислорода, не только «гася» синглетный кислород, но также нейтрализуя перекисные радикалы и обрывая цепные реакции свободнорадикального окисления ненасыщенных карбоновых кислот, препятствуя перекисному окислению липидных компонентов клеточных мембран. Некоторые исследователи считают, что антиоксидантные свойства b-каротина превосходят таковые токоферола, триптофана, глутатиона, витамина А, т.к. он замедляет разрушение антиоксидантов свободными радикалами. Совместное использование b-каротина, α-токоферола, витамина С оказывает более сильное антиоксидантное действие, чем каждое вещество в отдельности[12].

Радиопротекторные свойства каротиноидов обусловлены их способностью препятствовать повреждению тканей путем стабилизации клеточных мембран, структуры ДНК и энергетического статуса клеток, нарушающихся при воздействии γ-излучения. Защитное действие каротиноидов, поверхностно связанных с мембранными структурами, состоит в возможности миграции кванта энергии по системе сопряженных двойных связей или присоединении радикалов, образующихся в результате облучения. Значительный интерес в этом аспекте представляет b-каротин, который используется для профилактики отдаленных последствий радиации. Установлены защитный и терапевтический эффекты b-каротина при остром воздействии ионизирующего излучения и его способность влиять на липидный состав ядер тимуса и печени крыс при длительном введении в рацион. Использование b-каротина позволяет скорректировать изменения обмена липидов и поведенческие реакции, нарушающиеся под воздействием малых доз ионизирующего излучения.

По мнению многих авторов, даже небольшую алиментарную недостаточность b-каротина, не ведущую к каким-либо клиническим проявлениям гиповитаминоза, следует рассматривать как фактор, повышающий чувствительность организма к радиации и увеличивающий канцерогенный риск.

В последние годы в развитых странах увеличилось потребление продуктов и витаминных добавок, богатых каротиноидами, с целью уменьшения риска радиационного и спонтанного канцерогенеза. Известно, что в отличие от ретинола, b-каротин обладает крайне низкой токсичностью. Однако в исследованиях на животных и группах добровольцев было установлено, что в относительно низких концентрациях, сравнимых с потреблением пищи, богатой каротиноидами, b-каротин и ликопин предотвращают окислительное повреждение ДНК и клеточных мембран, но чрезмерное потребление каротинсодержащих продуктов может привести к развитию каротинемической псевдожелтухи, а антиоксидантный эффект трансформироваться в прооксидантный.

Вероятно, одной из функций каротиноидов в клетках животных является адаптация организма к гипоксии. При низком парциальном давлении кислорода наблюдаются повышение концентрации каротиноидов в клетках и снижение их в составе b-липопротеиновых комплексов плазмы крови, возможно, за счет перемещения из крови в клетки тканей. Предполагают, что каротиноиды, миоглобин и окислительные ферменты (флавопротеины, гемопротеины) образуют специфическую систему окисления. В этой системе каротиноиды и миоглобин функционируют как внутриклеточное депо кислорода, а окислительные ферменты образуют систему терминального окисления, в которой конечным акцептором электронов является либо оксигенированный каротиноид, либо кислород из внутренних депо. За счет этой системы осуществляется энергообеспечение клетки в условиях дефицита кислорода в тканях. Часть ненасыщенных двойных связей в структуре каротиноидов используется для создания внутриклеточного депо кислорода (или запасов органического акцептора электронов). В условиях гипоксии, происходит изъятие ранее депонированного кислорода. Очевидно, накопление каротиноидов в клетках с возрастом, а также у молодых животных в условиях гипоксии, может быть результатом адаптации клеток к уменьшению скорости поступления кислорода. Возможно, именно с этим связано значительное накопление каротиноидов в тканях у больных при сахарном диабете, атеросклерозе, ишемической болезни сердца. В то же время наблюдается снижение концентрации α- и β-каротиноидов, ликопина в плазме крови (в составе ЛПНП) при атеросклерозе, возможно, за счет их избирательного окисления активными соединениями азота [12].

Данные об антисклеротическом действии каротиноидов немногочисленны и противоречивы. Известно, что ретиноиды способны снижать уровень холестерола и других липидов в сыворотке крови человека и животных, но этот механизм до конца не выяснен. Установлен гипохолестеринемический эффект препаратов каротина, но при этом наблюдается накопление холестерола в стенке аорты и печени животных, что может быть связано с повышением количества модифицированных ЛПНП. Отмечены случаи увеличения частоты сердечных приступов у больных с сердечно-сосудистой патологией на фоне диеты, богатой каротиноидами. Снижение уровня каротиноидов в крови отмечено при хронических гемолитических анемиях, гемохроматозе, сахарном диабете, ВИЧ-инфекциях, при которых усилены продукция прооксидантов и некробиотические процессы[12].