Beta-caroten: definiție, sinteză, absorbție, transport și distribuție

Beta-caroten aparține grupului mare de carotenoide - pigment lipofil (liposolubil) coloranți de origine vegetală - care sunt clasificate ca compuși vegetali secundari (substanțe bioactive cu sănătate-efecte de promovare - „ingrediente anutritive”). Beta-caroten este cel mai cunoscut și, în ceea ce privește cantitatea, cel mai important reprezentant natural al clasei de substanță a carotenoide, din care derivă și denumirea colectivă a compușilor. Caracteristica structurală a beta-caroten este structura polienică polinesaturată simetrică (compus organic cu multiple carbon-legături duble de carbon (CC)), formate din opt unități izoprenoide și 11 legături duble conjugate (→ tetraterpen cu 40 de atomi de C). Un inel beta-iononă (inel trimetilciclohexen nesubstituit, conjugat) este atașat la fiecare capăt al lanțului izoprenoid - un element structural care apare și în retinol (vitamina A) și este o condiție prealabilă pentru activitatea vitaminei A. Sistemul de legături duble conjugate conferă betacarotenului culoarea roșu-portocaliu până la roșu și este responsabil pentru unele proprietăți fizico-chimice ale carotenoidului care sunt direct legate de efectele sale biologice. Lipofilicitatea pronunțată (solubilitatea grăsimilor) a beta-carotenului influențează atât intestinul (în ceea ce privește intestinul) absorbție și distribuire în organism.Beta-carotenul poate apărea în diferite forme geometrice (izomeri cis / trans), care se pot converti unul în celălalt. La plante, beta-carotenul este predominant prezent (~ 98%) ca un izomer stabil all-trans. În organismul uman, uneori pot apărea diferite forme izomerice, spre deosebire de xantofile, cum ar fi luteina, zeaxantina și beta-criptoxantina, beta-carotenul, cum ar fi alfa-carotenul și licopen, nu conține un oxigen grup functional. Din cei aproximativ 700 carotenoide identificate, aproximativ 60 sunt convertibile în vitamina A (retinol) prin metabolismul uman și prezintă astfel activitate de provitamină A. Beta-carotenul (izomerul all-trans și 13-cis) este cel mai important reprezentant cu această proprietate și are cel mai mare vitamina A activitate, urmată de alfa-caroten total trans, beta-criptoxantină all-trans și 8-beta-apocarotenal. Astfel, betacarotenul aduce o contribuție crucială la aprovizionarea cu vitamina A, în special la persoanele cu aporturi scăzute de vitamina A, cum ar fi vegetarienii. Cerințele moleculare ale carotenoizilor pentru eficacitatea vitaminei A includ:

  • Inel beta-iononă (inel trimetilciclohexen conjugat nesubstituit).
    • Modificările aduse inelului duc la reduceri ale activității
    • Carotenoizii cu un inel purtător de oxigen (O), cum ar fi luteina și zeaxantina, sau fără structură inelară, cum ar fi licopenul, nu au activitate de vitamina A
  • Lanț izoprenoid
    • Cel puțin 15 atomi de C plus 2 grupări metil.
    • Izomerii Cis au activitate biologică mai mică decât izomerii trans

Lumina și căldura sau prezența oxigen poate scădea activitatea de vitamina A a beta-carotenului prin izomerizare (conversie trans → configurație cis) și modificarea oxidativă a structurii moleculare, respectiv.

Sinteză

Beta-carotenul este sintetizat de plante, alge și bacterii capabil de fotosinteză și este depozitat în organismul plantei în cromoplaste (plastide colorate în portocaliu, galben și roșiatic de carotenoizi din petale, fructe sau organe de stocare (morcovi) ale plantelor) și cloroplaste (organite ale celulelor algelor verzi și ale plantelor superioare care realizează fotosinteza) -incorporate într-o matrice complexă de proteine, lipide, și carbohidrati. Acolo, beta-carotenul, împreună cu alți carotenoizi, oferă protecție împotriva daunelor fotooxidative acționând ca un „stingător” („detoxifiant”, „inactivator”) al reactivului oxigen compuși (1O2, oxigen singlet), adică absorbind direct energia radiantă prin starea triplete și dezactivând-o prin eliberare de căldură. Deoarece capacitatea de a stinge crește odată cu numărul de legături duble, beta-carotenul cu cele 11 legături duble are cea mai puternică activitate de stingere comparativ cu alte carotenoide. Beta-carotenul este cel mai abundent carotenoid din natură. Se găsește într-o mare varietate de fructe (2-10 mg / kg) și legume (20-60 mg / kg), deși conținutul poate varia foarte mult în funcție de soi, sezon, grad de coacere, creștere, recoltare și condiții de depozitare și în diferite părți ale plantei. De exemplu, frunzele exterioare ale varză conțin de 200 de ori mai mult betacaroten decât frunzele interioare. Fructe și legume galbene / portocalii și legume cu frunze de culoare verde închis, cum ar fi morcovi, dovlecei, kale, spanac, savoy varză, salata de miel, ardeii grași, cicoarea, cartofii dulci și pepenii sunt deosebit de bogate în betacaroten. Datorită proprietăților sale de colorare, beta-carotenul - extras din plante sau produs sintetic - este utilizat ca colorant (respectiv E 160 și E 160a) în aproximativ 5% din toate alimentele din Germania, inclusiv pentru colorare unt, margarină, produse lactate, tartine, cofetărie sau băuturi răcoritoare, cu o medie între 1-5 mg / kg și mg / l adăugate la alimente solide și, respectiv, băuturi.

Absorbție

Datorită naturii sale lipofile (liposolubile), beta-carotenul este absorbit (preluat) în partea superioară intestinului subtire în timpul digestiei grăsimilor. Acest lucru necesită prezența grăsimilor dietetice (3-5 g / masă) ca transportoare, acizi biliari să se solubilizeze (să crească solubilitatea) și să formeze micele și esteraze (digestive enzime) pentru scindarea beta-carotenului esterificat. După eliberarea din matricea alimentară, beta-carotenul se combină în lumenul intestinal subțire cu alte substanțe lipofile și acizi biliari pentru a forma micele mixte (structuri sferice cu diametrul de 3-10 nm în care lipida molecule sunt aranjate în așa fel încât de apă-porțiunile moleculei solubile sunt rotite spre exterior și porțiunile moleculei insolubile în apă sunt rotite spre interior) - faza micelară pentru solubilizare (creșterea solubilității) a lipide - care sunt absorbite în enterocite (celule ale intestinului subțire epiteliu) din duoden (duoden) și jejun (jejun) printr-un proces de difuzie pasivă. absorbție rata de beta-caroten din alimentele vegetale variază considerabil între și în interiorul indivizilor, variind de la 30 la 60% în funcție de proporția de grăsimi consumate în același timp - în medie 50% atunci când se consumă aproximativ 1-3 mg de beta-caroten. În ceea ce privește influența lor favorabilă asupra absorbției beta-carotenului, acizii grași saturați sunt mult mai eficienți decât acizii grași polinesaturați (acizi grași polienici, PFS), care se pot justifica după cum urmează:

  • PFS mărește dimensiunea micelelor mixte, ceea ce scade viteza de difuzie
  • PFS modifică sarcina suprafeței micelare, scăzând afinitatea (puterea de legare) la enterocite (celule ale epiteliului intestinal subțire)
  • PFS (acizi grași omega-3 și -6) ocupă mai mult spațiu decât acizii grași saturați din lipoproteine ​​(agregate de lipide și proteine ​​- particule de tip micelă - care servesc la transportul substanțelor lipofile în sânge), limitând astfel spațiul pentru alte lipofile molecule, inclusiv beta-caroten
  • PFS, în special omega-3 acizi grași, inhibă sinteza lipoproteinelor.

Biodisponibilitatea beta-carotenului depinde de următorii factori endogeni și exogeni în plus față de aportul de grăsimi [3, 6, 7, 11-13, 16, 23, 24, 26, 30, 31, 33, 34, 37, 41, 42 , 46]:

  • Cantitatea de beta-caroten alimentar (dietetic) furnizat - pe măsură ce doza crește, biodisponibilitatea relativă a carotenoidului scade
  • Forma izomerică - beta-carotenul este mai bine absorbit în configurația sa all-trans decât în ​​forma sa cis.
  • Sursă de hrană - din suplimente (beta-caroten izolat) carotenoidul este mai disponibil decât din fructe și legume (beta-caroten nativ), care se manifestă printr-o creștere semnificativ mai mare a nivelurilor serice de beta-caroten după administrarea suplimentelor, comparativ cu administrarea acelorași cantități din dieta obișnuită
  • Matrice alimentară în care este încorporat betacarotenul - din legume procesate (mărunțire mecanică, tratament termic) beta-carotenul se absoarbe semnificativ mai bine (> 15%) decât din alimentele crude (<3%), deoarece este prezent carotenoidul din legumele crude în celulă cristalină și închisă într-o matrice solidă de celuloză nedigerabilă
  • Interacțiuni cu alte ingrediente alimentare:
    • Fibrele dietetice, cum ar fi pectinele din fructe, scad biodisponibilitatea beta-carotenului prin formarea complexelor slab solubile cu carotenoidul
    • Olestra (înlocuitor sintetic al grăsimilor constând din esteri ai acizilor grași și zaharoză (→ zaharoză poliester), care nu poate fi scindată de lipazele corpului (enzime care scindează grăsimile) și este excretată nemodificată) reduce absorbția betacarotenului
    • Fitosterolii și stanolii (compuși chimici din clasa sterolilor care se găsesc în părțile grase ale plantelor, cum ar fi semințele, mugurii și semințele, care sunt foarte asemănătoare cu structura colesterolului și inhibă competitiv absorbția acestuia) afectează absorbția intestinală a beta-carotenului
    • Aportul de amestecuri de carotenoizi, cum ar fi beta-caroten, luteină și licopen, poate inhiba și promova absorbția intestinală de beta-caroten
    • Proteine și vitamina E crește beta-carotenul absorbție.
  • Performanța digestivă individuală, cum ar fi mărunțirea mecanică în tractul digestiv superior, pH-ul gastric, fluxul biliar - mestecarea amănunțită și pH-ul scăzut al sucului gastric promovează întreruperea celulelor și, respectiv, eliberarea de beta-caroten legat și esterificat, ceea ce crește biodisponibilitatea carotenoidului; scăderea fluxului biliar scade biodisponibilitatea din cauza formării micelei afectate
  • Starea de aprovizionare a organismului
  • Nivelul de aprovizionare cu vitamina A - cu o stare bună de vitamina A, absorbția beta-carotenului este redusă
  • Factorii genetici

Biotransformare

În citosolul celulelor jejunului (intestinul gol), o parte din beta-caroten este transformată în retinol (vitamina A). În acest scop, carotenoidul este scindat fie la legătura dublă centrală, fie la cea excentrică (descentralizată) de către enzima citosolică, ne-legată de membrană 15,15′-dioxigenază - carotenază, cu decolteul central fiind mecanismul predominant. În timp ce clivajul central (simetric) al beta-carotenului dă naștere la două molecule de decupare retiniană, descentralizată (asimetrică) a carotenoidului dă naștere la 8′-, 10′- și respectiv 12′-beta-apocaroten, în funcție de locul degradării (descompunerii), care este transformat într-o moleculă de retină prin degradare ulterioară sau, respectiv, scurtarea lanțului. Aceasta este urmată de reducerea retinei la retinolul biologic activ de către alcool dehidrogenaza - proces reversibil -, care se leagă de proteina II de legare a retinolului celular (CRBPII) și - la concentrații fiziologice - este esterificată de lecitină-retinol aciltransferază (LRAT) sau - la concentrații mai mari - de acil-CoA-retinol aciltransferază (ARAT) cu acizi grași, în principal acid palmitic (→ retinil ester). În plus, retina poate fi oxidată în acid retinoic - un proces ireversibil care are loc doar într-o mică măsură [1, 3-5, 13, 31, 36, 37]. Conversia (transformarea) beta-carotenului în retinol în citosolul enterocitelor (celule ale intestinului subțire epiteliu) se estimează a fi de 17%. Pe lângă enterocite, metabolizarea (metabolizarea) poate apărea și în citosolul din ficat, plămân, rinichi, și celulele musculare. Atât oxigenul, cât și un ion metalic - probabil de fier - sunt necesare pentru a menține activitatea 15,15′-dioxigenazei. Conversia beta-carotenului în retinol depinde de următorii factori:

  • Factorii genetici
  • Caracteristici dietetice care afectează absorbția intestinală, cum ar fi matricea alimentară și conținutul de grăsimi
  • Cantitatea de beta-caroten furnizată
  • Starea proteinelor
  • Situația de aprovizionare a organismului
  • Nivelul de aprovizionare cu vitamina A și vitamina E
  • Consumul de alcool

Când beta-carotenul și retinolul (vitamina A) sunt consumate simultan sau când starea vitaminei A este bună, activitatea 15,15′-dioxigenazei în celulele intestinului subțire scade, reducând rata de conversie și crescând cantitatea de beta-caroten care este nu despicat. Din acest motiv, nu există niciun risc hipervitaminoza A chiar și la doze foarte mari de beta-caroten. Influența tipului de hrană, a matricei alimentare în care este încorporat betacarotenul și cantitatea de grăsime adăugată în același timp asupra conversiei enterocitice a betacarotenului în retinol este prezentată în tabelul următor.

Aproximativ echivalente în efect cu 1 µg de all-trans-retinol sunt. 2 µg beta-caroten în lapte Raport de conversie 2: 1
4 µg beta-caroten în grăsimi Raport de conversie 4: 1
8 µg beta-caroten în morcovi omogenizați preparați cu grăsimi sau, respectiv, legume cu frunze verzi. Raport de conversie 8: 1
12 µg beta-caroten în morcovi fierți, strecurați Raport de conversie 12: 1
26 µg beta-caroten în legume fierte cu frunze verzi Raport de conversie 26: 1

Pentru a realiza o activitate de vitamina A corespunzătoare aportului de 1 µg de all-trans-retinol, un aport de beta-caroten de, de exemplu, 2 µg din lapte, 12 µg din morcovi fierți, strecurați sau 26 µg din legume fierte cu frunze verzi. Acest lucru arată clar că, prin selectarea alimentelor direcționate, prezența grăsimilor alimentare și a proceselor de procesare a alimentelor, cum ar fi gătit sau măcinarea mecanică, respectiv, este necesară furnizarea de beta-caroten mai puțin dietetic pentru conversia în retinol, care se datorează absorbției intestinale îmbunătățite. Odată cu creșterea absorbției beta-carotenului, conversia carotenoidului în retinol în enterocite crește, de asemenea.

Transportul și distribuția în organism

Porțiunea de beta-caroten care nu a fost metabolizată în retinol în celulele mucoasei din intestinului subtire este încorporat, împreună cu esterii retinilici și alte substanțe lipofile, în chilomicroni (CM, lipoproteine ​​bogate în lipide), care sunt secretate (secretate) în spațiile interstițiale ale enterocitelor prin exocitoză (transportul substanțelor în afara celulei) și transportate departe prin limfă. Prin trunchiul intestinal (trunchiul colector limfatic nepereche al cavității abdominale) și canalul toracic (trunchiul colector limfatic al cavității toracice), chilomicronii intră în subclavie nervură (vena subclaviană) și respectiv vena jugulară (vena jugulară), care converg pentru a forma vena brahiocefalică (partea stângă) - angulus venosus (unghiul venos). Venele brahiocefalice ale ambelor părți se unesc pentru a forma superiorul nepereche vena cava (vena cavă superioară), care se deschide în atriul drept a inimă. Chilomicronii sunt introduși în periferic circulaţie de forța de pompare a inimă. Chilomicronii au o perioadă de înjumătățire (timpul în care o valoare care scade exponențial cu timpul este redusă la jumătate) de aproximativ 30 de minute și sunt degradate în resturi de chilomicron (CM-R, particule rămase de chilomicron cu conținut scăzut de grăsimi) în timpul transportului către ficat. În acest context, lipoproteina lipază (LPL) joacă un rol crucial, care se află pe suprafața celulelor endoteliale ale sânge capilare și duce la absorbția liberului acizi grași și cantități mici de beta-caroten și esteri retinilici în diferite țesuturi, de exemplu mușchi, țesut adipos și glandă mamară, prin clivaj lipidic. Cu toate acestea, majoritatea beta-carotenului și retinolului esterificat molecule rămân în CM-R, care se leagă de receptori specifici din ficat și sunt preluați în celulele parenchimatoase ale ficatului prin intermediul endocitozei mediate de receptor (invaginare a membrana celulara → strangularea veziculelor care conțin CM-R (organite celulare) în interiorul celulei). În timp ce esterii retinilici urmează calea metabolică a vitaminei A, beta-carotenul este parțial metabolizat (metabolizat) în retinol și / sau depozitat în celulele hepatice. Cealaltă parte este stocată în VLDL (foarte scăzut densitate lipoproteine; lipoproteine ​​care conțin lipide cu densitate foarte mică), prin care carotenoidul se deplasează prin fluxul sanguin către țesuturile extrahepatice („în afara ficatului”). Ca VLDL care circulă în sânge se leagă de celulele periferice, lipide sunt clivate prin acțiunea LPL și substanțele lipofile eliberate, inclusiv beta-carotenul, sunt interiorizate (preluate intern) prin difuzie pasivă. Acest lucru duce la catabolismul VLDL la IDL (intermediar densitate lipoproteine). Particulele IDL pot fi preluate fie de ficat într-o manieră mediată de receptor și degradate acolo, fie metabolizate în sânge plasma de către un triglicerid lipază (enzima despărțitoare de grăsime) la colesterolului-bogat LDL (scăzut densitate lipoproteine) .Beta-caroten legat de LDL este, pe de o parte, preluat în ficat și țesuturi extrahepatice prin endocitoză mediată de receptor și, pe de altă parte, transferat la HDL (lipoproteine ​​cu densitate mare; lipoproteine ​​bogate în proteine ​​cu densitate mare), care sunt implicate în transportul beta-carotenului și a altor molecule lipofile, în special colesterolului, de la celulele periferice înapoi la ficat. Conținutul corporal total de beta-caroten este de aproximativ 100-150 mg. Provitamina-A se găsește în toate organele oamenilor, cu cele mai mari concentrații în ficat, glandele suprarenale, testicule (testicule), Şi ovare (ovare), în special corpul galben (corp galben). Depozitarea carotenoidului este de 80-85% în țesutul adipos subcutanat (grăsime subcutanată) și de 8-12% în ficat. În plus, beta-carotenul este stocat marginal în plămâni, creier, inimă, mușchi scheletic, piele, și alte organe. Există o corelație directă, dar nu liniară, între depozitarea țesuturilor și aportul oral al carotenoidului. Astfel, beta-carotenul este eliberat din depozitele de țesut doar foarte încet în câteva săptămâni după încetarea aportului. În sânge, beta-carotenul este transportat de lipoproteine, care sunt compuse din molecule lipofile și apolipoproteine (fragment proteic, funcționează ca schelă structurală și / sau moleculă de recunoaștere și andocare, de exemplu pentru receptorii de membrană), cum ar fi Apo AI, B-48, C-II, D și E. Carotenoidul este, de asemenea, transportat de lipoproteine. Carotenoidul este legat de 58-73% LDL, 17-26% legat de HDLși 10-16% legat de VLDL [13, 23, 33, 36-38, 45]. Într-un amestec normal dietă, concentrațiile serice de beta-caroten variază între 20-40 µg / dl (0.4-0.75 µmol / l), femeile având o valoare medie cu 40% mai mare decât bărbații. Pe lângă sex, vârsta biologică, sănătate stare, grăsime corporală totală masa, și alcool iar consumul de țigări poate influența și concentrațiile serice de beta-caroten. În timp ce carotenoidul este eficient în mod optim la un nivel seric ≥ 0.4 µmol / l - în termeni de sănătate profilaxie - concentrațiile serice <0.3 µmol / l pot fi identificate ca deficiențe de beta-caroten. Beta-carotenul este placenta-permeabil și trece în lapte matern. În serul uman și lapte matern, 34 din cei aproximativ 700 de carotenoizi cunoscuți, inclusiv 13 izomeri geometrici all-trans, au fost identificați până în prezent. Dintre acestea, beta-carotenul a fost detectat cel mai frecvent împreună cu luteina, criptoxantina, zeaxantina și alfa-carotenul. Beta-carotenul reprezintă aproximativ 15-30% din totalul carotenoizilor din ser. În timp ce provitamina-A apare în principal în forma sa trans-totală în ser, configurația cis (9-cis beta-caroten) este prezentă în mod constant în depozitele de țesuturi.

Excreţie

Betacarotenul neabsorbit părăsește corpul în fecale (scaun), în timp ce apocarotenalii și alți metaboliți ai beta-carotenului sunt eliminați în urină. Pentru a transforma metaboliții într-o formă excretabilă, aceștia suferă biotransformare, la fel ca toate substanțele lipofile (liposolubile). Biotransformarea are loc în multe țesuturi, în special în ficat, și poate fi împărțită în două faze:

  • În faza I, metaboliții beta-carotenului sunt hidroxilați (inserarea unui grup OH) pentru a crește solubilitatea prin sistemul citocromului P-450
  • În faza II, conjugarea are loc cu substanțe foarte hidrofile (solubile în apă) - în acest scop, acidul glucuronic este transferat în grupul OH inserat anterior al metaboliților cu ajutorul glucuroniltransferazei

O mare parte din metaboliții beta-carotenului nu au fost încă elucidați. Cu toate acestea, se poate presupune că produsele de excreție sunt predominant metaboliți glucuronidici. După un singur administrare, timpul de ședere al carotenoizilor în organism este cuprins între 5-10 zile.