Скачать

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 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.).

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 С₄₀Н₇₈ 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 С₄₀Н₅₆ 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 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 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 С₄₀Н₅₆.

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 С₄₀Н₅₆О 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 С₄₀Н₅₆О - 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 С₄₀Н₅₆О₂ ( 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 С₄₀Н₅₆О₃, два изомера -виолаксантин ( пигмент анютиных глазок ) и тараксантин ( пигмент одуванчика ) с эмпирической формулой С₄₀Н₅₆О₄. Строение этих оксипроизводных каротина еще недостаточно выяснено.

К ксантофиллам относится также фукоксантин ( пигмент бурых водорослей ) с эмпирической формулой С₄₀Н₆₀О₆. Структура ксантина выяснена недавно и представляется в следующем виде:

Капсантин С₄₀Н₅₈О₃ - 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 С₄₀Н₅₀О₂:

В свое время родоксантин считался единственным кетопроизводным каротина. Однако теперь известны также афанин С₄₀Н₅₄О, являющийся

монокетопроизводным b-каротина:

и миксоксантин С₄₀Н₅₄О - аналогичное производное g-каротина:

К монокетонам относится также, как выяснилось, и каротиноид животного происхождения эхиненон С₄₀Н₅₈О + 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 С₂₀Н₂₄О₄ является желтым пигментом шафрана. В нем четыре кислородных атома находятся в двух карбоксильных группах:

Популярный краситель для пищевых жиров биксин С₂₄Н₃₀О - красный пигмент семян Bixa orellana - представляет собой метиловый эфир дикарбоновой кислоты норбиксина С₂₄Н₂₈О₄:

Другой краситель для жиров - азафрин С₂₇Н₃₈О₄, 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 С₂₀Н₂₉ОН 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:

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 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 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 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 с