Beta-karoten: definice, syntéza, absorpce, transport a distribuce

Beta-karoten patří do velké skupiny karotenoidy - lipofilní (rozpustný v tucích) pigment barviva rostlinného původu - které jsou klasifikovány jako sekundární rostlinné sloučeniny (bioaktivní látky s zdraví-propagační účinky - „výživné přísady“). Beta-karoten je nejznámější a z hlediska množství nejdůležitějším přirozeným zástupcem třídy látek karotenoidy, od kterého je také odvozen souhrnný název sloučenin. Strukturální rys beta-karoten je symetrická polynenasycená polyenová struktura (organická sloučenina s více uhlík-uhlík (CC) dvojné vazby), skládající se z osmi izoprenoidových jednotek a 11 konjugovaných dvojných vazeb (→ tetraterpen se 40 atomy C). Beta-iononový kruh (nesubstituovaný, konjugovaný trimethylcyklohexenový kruh) je připojen ke každému konci izoprenoidního řetězce - strukturní prvek, který se také vyskytuje v retinolu (vitamin) a je předpokladem aktivity vitaminu A. Systém konjugovaných dvojných vazeb dává betakarotenu jeho oranžovo-červenou až červenou barvu a je zodpovědný za některé fyzikálně-chemické vlastnosti karotenoidu, které přímo souvisejí s jeho biologickými účinky. Výrazná lipofilita (rozpustnost v tucích) beta-karotenu ovlivňuje jak střevní (týkající se střeva) vstřebávání a distribuce Beta-karoten se může vyskytovat v různých geometrických formách (cis / trans izomery), které jsou vzájemně přeměnitelné. V rostlinách je beta-karoten převážně přítomen (~ 98%) jako stabilní all-trans izomer. V lidském organismu se někdy mohou vyskytovat různé izomerní formy. Na rozdíl od xantofylů, jako je lutein, zeaxanthin a beta-kryptoxanthin, beta-karoten, jako je alfa-karoten a lykopen, neobsahuje kyslík funkční skupina. Z přibližně 700 karotenoidy identifikováno, asi 60 z nich lze převést na vitamin (retinol) lidským metabolizmem, a tak vykazují aktivitu provitaminu A. Beta-karoten (all-trans a 13-cis izomer) je nejdůležitějším představitelem této vlastnosti a má nejvyšší vitamin aktivita, následovaná all-trans alfa-karotenem, all-trans beta-kryptoxantinem a 8'-beta-apokarotenalem. Betakaroten tedy zásadním způsobem přispívá k přísunu vitaminu A, zejména u jedinců s nízkým příjmem vitaminu A, jako jsou vegetariáni. Molekulární požadavky karotenoidů na účinnost vitaminu A zahrnují:

  • Beta-iononový kruh (nesubstituovaný konjugovaný trimethylcyklohexenový kruh).
    • Změny v kruhu vedou ke snížení aktivity
    • Karotenoidy s kruhem nesoucím kyslík (O), jako je lutein a zeaxanthin, nebo bez struktury kruhu, jako je lykopen, nemají aktivitu vitaminu A
  • Isoprenoidní řetěz
    • Nejméně 15 atomů C plus 2 methylové skupiny.
    • Cis izomery mají nižší biologickou aktivitu než trans izomery

Světlo a teplo nebo přítomnost kyslík může snížit aktivitu vitaminu A beta-karotenu prostřednictvím izomerizace (konverze trans → cis konfigurace) a oxidační modifikace molekulární struktury.

Syntéza

Beta-karoten je syntetizován rostlinami, řasami a bakterie schopný fotosyntézy a je uložen v rostlinném organismu v chromoplastech (plastidy zbarvené oranžově, žlutě a načervenalě karotenoidy v okvětních lístcích, plodech nebo zásobních orgánech rostlin) a chloroplastech (organelách buněk zelených řas a vyšších rostlin) které provádějí fotosyntézu) - začleněné do komplexní matice Proteinů, lipidy, a sacharidy. Tam betakaroten spolu s dalšími karotenoidy poskytuje ochranu proti fotooxidačnímu poškození tím, že působí jako „zhášeč“ („detoxikátor“, „inaktivátor“) reaktivního kyslík sloučeniny (1O2, singletový kyslík), tj. přímo absorbující sálavou energii prostřednictvím stavu tripletů a deaktivující ji uvolňováním tepla. Protože schopnost kalení se zvyšuje s počtem dvojných vazeb, má beta-karoten se svými 11 dvojnými vazbami nejsilnější zhášecí aktivitu ve srovnání s jinými karotenoidy. Beta-karoten představuje nejrozšířenější karotenoid v přírodě. Vyskytuje se v široké škále ovoce (2–10 mg / kg) a zeleniny (20–60 mg / kg), i když se obsah může velmi lišit v závislosti na odrůdě roční období, stupeň zralosti, růst, podmínky sklizně a skladování a v různých částech rostliny. Například vnější listy zelí obsahují 200krát více beta-karotenu než vnitřní listy. Žluté / oranžové ovoce a zelenina a tmavě zelená listová zelenina, jako je mrkev, dýně, kel, špenát, savoy zelí, jehněčí salát, paprika, čekanka, sladké brambory a melouny, jsou obzvláště bohaté na beta-karoten. Díky svým barvicím vlastnostem se betakaroten - extrahovaný z rostlin nebo vyrobený synteticky - používá jako barvivo (E 160, respektive E 160a) asi u 5% všech potravin v Německu, včetně barviv máslo, margarín, mléčné výrobky, pomazánky, cukrovinky nebo limonády, s průměrem mezi 1–5 mg / kg a mg / l přidávanými do pevných potravin a nápojů.

Vstřebávání

Vzhledem ke své lipofilní povaze (rozpustné v tucích) je beta-karoten absorbován (absorbován) v horní části tenké střevo během trávení tuků. To vyžaduje přítomnost dietních tuků (3–5 g / jídlo) jako transportérů, žlučové kyseliny solubilizovat (zvýšit rozpustnost) a tvořit micely a esterázy (zažívací) enzymy) štěpit esterifikovaný beta-karoten. Po uvolnění z potravinové matrice se beta-karoten spojuje v lumen tenkého střeva s dalšími lipofilními látkami a žlučové kyseliny za vzniku smíšených micel (sférické struktury o průměru 3 až 10 nm, ve kterých lipid molekuly jsou uspořádány tak, aby voda- části rozpustné molekuly jsou otočeny směrem ven a části molekuly nerozpustné ve vodě jsou otočeny směrem dovnitř) - micelární fáze pro solubilizaci (zvýšení rozpustnosti) lipidy - které se vstřebávají do enterocytů (buněk tenkého střeva epitel) z duodenum (duodenum) a jejunum (jejunum) prostřednictvím procesu pasivní difúze. The vstřebávání Míra beta-karotenu z rostlinných potravin se mezi jednotlivci i uvnitř jedinců značně liší a pohybuje se od 30 do 60% v závislosti na podílu současně konzumovaných tuků - v průměru 50%, když se spotřebují přibližně 1-3 mg beta-karotenu. Pokud jde o jejich propagační vliv na absorpci beta-karotenu, nasycené mastné kyseliny jsou mnohem účinnější než polynenasycené mastné kyseliny (polyenové mastné kyseliny, PFS), což lze zdůvodnit následovně:

  • PFS zvyšují velikost smíšených micel, což snižuje rychlost difúze
  • PFS mění náboj micelárního povrchu, snižuje afinitu (vazebnou sílu) k enterocytům (buňkám tenkého střevního epitelu)
  • PFS (omega-3 a -6 mastné kyseliny) zabírají více prostoru než nasycené mastné kyseliny v lipoproteinech (agregáty lipidů a proteinů - částice podobné micelám - které slouží k transportu lipofilních látek v krvi), čímž omezují prostor pro další lipofilní molekuly, včetně beta-karotenu
  • PFS, zejména omega-3 mastné kyseliny, inhibují syntézu lipoproteinů.

Biologická dostupnost betakarotenu závisí kromě příjmu tuku na následujících endogenních a exogenních faktorech [3, 6, 7, 11-13, 16, 23, 24, 26, 30, 31, 33, 34, 37, 41, 42 , 46]:

  • Množství dodaného alimentárního (dietního) beta-karotenu - se zvyšující se dávkou klesá relativní biologická dostupnost karotenoidu
  • Izomerní forma - beta-karoten je lépe absorbován v all-trans konfiguraci než ve své cis formě.
  • Zdroj potravy - z doplňků (izolovaný betakaroten) je karotenoid dostupnější než z ovoce a zeleniny (nativní betakaroten), což se projevuje výrazně vyšším zvýšením hladin sérového betakarotenu po požití doplňků ve srovnání s užíváním stejných množství z obvyklé stravy
  • Potravinová matrice, ve které je obsažen betakaroten - ze zpracované zeleniny (mechanické rozmělnění, tepelné ošetření) je betakaroten absorbován podstatně lépe (> 15%) než ze surových potravin (<3%), protože karotenoid v surové zelenině je přítomen v buňce krystalická a uzavřená v pevné nestrávitelné celulózové matrici
  • Interakce s jinými složkami potravin:
    • Vláknina, jako jsou pektiny z ovoce, snižuje biologickou dostupnost betakarotenu tvorbou špatně rozpustných komplexů s karotenoidem
    • Olestra (náhražka syntetického tuku sestávající z esterů mastných kyselin a sacharózy (→ polyester sacharózy), která nemůže být štěpena lipázami v těle (enzymy štěpící tuky) a je vylučována beze změny) snižuje absorpci beta-karotenu
    • Fytosteroly a stanoly (chemické sloučeniny ze třídy sterolů nacházející se v tukových částech rostlin, jako jsou semena, klíčky a semena, které jsou velmi podobné struktuře cholesterolu a kompetitivně inhibují jeho absorpci) zhoršují střevní absorpci betakarotenu
    • Příjem směsí karotenoidů, jako je beta-karoten, lutein a lykopen, může jak inhibovat, tak podporovat střevní absorpci beta-karotenu.
    • Proteiny a vitamin E zvýšit beta-karoten vstřebávání.
  • Individuální zažívací výkon, jako je mechanické rozmělňování v horním zažívacím traktu, pH žaludku, tok žluči - důkladné žvýkání a nízké pH žaludeční šťávy podporují narušení buněk a uvolňování vázaného a esterifikovaného betakarotenu, což zvyšuje biologickou dostupnost karotenoidu; snížený tok žluči snižuje biologickou dostupnost v důsledku zhoršené tvorby micel
  • Stav zásobení organismu
  • Úroveň přísunu vitaminu A - při dobrém stavu vitaminu A je absorpce betakarotenu snížena
  • Genetické faktory

Biotransformace

V cytosolu buněk jejuna (prázdné střevo) se část beta-karotenu přeměňuje na retinol (vitamin A). Za tímto účelem se karotenoid štěpí buď na centrální, nebo na excentrické (decentralizované) dvojné vazbě cytosolickým, na membránu nevázaným enzymem 15,15'-dioxygenázou - karotenázou, přičemž převládajícím mechanismem je centrální štěpení. Zatímco centrální (symetrické) štěpení betakarotenu vede ke dvěma molekuly retinálního, decentralizovaného (asymetrického) štěpení karotenoidu vede ke vzniku 8'-, 10'- a 12'-beta-apokarotenu, v závislosti na místě degradace (rozkladu), které se převede na jednu molekulu retinálu další degradací nebo zkrácením řetězce. Poté následuje redukce sítnice na biologicky aktivní retinol o alkohol dehydrogenáza - reverzibilní proces -, který se váže na buněčný protein vázající retinol II (CRBPII) a - při fyziologických koncentracích - je esterifikován lecitin-retinol acyltransferáza (LRAT) nebo - při vyšších koncentracích - acyl-CoA-retinol acyltransferázou (ARAT) s mastné kyseliny, hlavně kyselina palmitová (→ retinyl estery). Kromě toho může být sítnice oxidována na kyselinu retinovou - nevratný proces, který se vyskytuje jen v malé míře [1, 3-5, 13, 31, 36, 37]. Konverze (transformace) beta-karotenu na retinol v cytosolu enterocytů (buňky tenkého střeva epitel) se odhaduje na 17%. Kromě enterocytů může dojít k metabolizaci (metabolizaci) také v cytosolu játra, plíce, ledvinaa svalové buňky. Jak kyslík, tak kovový iont - pravděpodobně železo - jsou povinni udržovat aktivitu 15,15′-dioxygenázy. Konverze betakarotenu na retinol závisí na následujících faktorech:

  • Genetické faktory
  • Vlastnosti stravy, které ovlivňují vstřebávání ve střevě, jako je potravinová matrice a obsah tuku
  • Množství dodaného beta-karotenu
  • Stav bílkovin
  • Zásobovací situace organismu
  • Úroveň zásobování vitamínem A a vitamínem E.
  • Konzumace alkoholu

Pokud se betakaroten a retinol (vitamin A) konzumují současně nebo když je stav vitaminu A dobrý, aktivita 15,15′-dioxygenázy v buňkách tenkého střeva klesá, což snižuje rychlost přeměny a zvyšuje množství betakarotenu, který je neštípané. Z tohoto důvodu neexistuje žádné riziko hypervitaminóza A to i při velmi vysokých dávkách beta-karotenu. Vliv typu potraviny, potravinářské matrice, ve které je obsažen betakaroten, a množství současně přidaného tuku na enterocytovou přeměnu betakarotenu na retinol je uveden v následující tabulce.

Účinek je přibližně ekvivalentní 1 ug all-trans-retinolu. 2 µg beta-karotenu v mléce Konverzní poměr 2: 1
4 µg beta-karotenu v tucích Konverzní poměr 4: 1
8 µg beta-karotenu v homogenizované mrkvi připravené s tukem nebo vařenou zelenou listovou zeleninou. Konverzní poměr 8: 1
12 µg beta-karotenu ve vařené, napjaté mrkvi Konverzní poměr 12: 1
26 µg beta-karotenu ve vařené zeleně zelené listové zelenině Konverzní poměr 26: 1

K dosažení aktivity vitaminu A odpovídající příjmu 1 µg all-trans-retinolu, příjmu beta-karotenu, například 2 µg z mlékoJe požadováno 12 µg z vařené, napjaté mrkve nebo 26 µg z vařené zelené listové zeleniny. To objasňuje, že prostřednictvím cíleného výběru potravin, přítomnosti dietních tuků a procesů zpracování potravin, jako jsou vaření nebo mechanické mletí, v uvedeném pořadí, je třeba přidat méně dietního beta-karotenu pro konverzi na retinol, což je způsobeno jejich zlepšenou absorpcí ve střevě. Se zvýšením absorpce beta-karotenu se zvyšuje také přeměna karotenoidu na retinol v enterocytech.

Transport a distribuce v těle

Část beta-karotenu, která nebyla metabolizována na retinol v buňkách sliznice tenké střevo je zabudován spolu s retinylestery a dalšími lipofilními látkami do chylomikronů (CM, lipoproteiny bohaté na lipidy), které jsou vylučovány (vylučovány) do intersticiálních prostorů enterocytů exocytózou (transport látek ven z buňky) a transportovány pryč přes the lymfy. Přes truncus intestinalis (nepárový lymfatický sběrný kmen břišní dutiny) a ductus thoracicus (lymfatický sběrný kmen hrudní dutiny) vstupují chylomikrony do podklíčkové žíla (podklíčková žíla), respektive krční žíla (krční žíla), které se sbíhají a tvoří brachiocefalickou žílu (levá strana) - angulus venosus (žilní úhel). Venae brachiocephalicae na obou stranách se spojily a vytvořily nepárového představeného vena cava (superior vena cava), která ústí do pravé síně z srdce. Chylomikrony jsou zavedeny do periferních oběh čerpací silou srdce. Chylomikrony mají poločas (čas, ve kterém se hodnota, která se exponenciálně s časem sníží na polovinu) přibližně 30 minut a jsou degradovány na zbytky chylomikronu (CM-R, částice zbytku chylomikronu s nízkým obsahem tuku) během transportu do játra. V této souvislosti lipoprotein lipáza (LPL) hraje klíčovou roli, která se nachází na povrchu endotelových buněk krev kapiláry a vede k absorpci zdarma mastné kyseliny a malá množství beta-karotenu a retinylesterů do různých tkání, například do svalu, tukové tkáně a mléčné žlázy, štěpením lipidů. Většina betakarotenu a esterifikovaného retinolu však byla molekuly zůstávají v CM-R, které se vážou na specifické receptory v játra a jsou přijímány do parenchymálních buněk jater pomocí receptorem zprostředkované endocytózy (invaze z buněčná membrána → uškrcení vezikul obsahujících CM-R (buněčné organely) do vnitřku buňky). Zatímco retinylestery sledují metabolickou cestu vitaminu A, beta-karoten je částečně metabolizován (metabolizován) na retinol a / nebo uložen v jaterních buňkách. Druhá část je uložena ve VLDL (velmi nízká hustota lipoproteiny; lipoproteiny obsahující lipidy o velmi nízké hustotě), kterými karotenoid prochází krevním řečištěm do extrahepatálních („mimo játra“) tkání. Jako VLDL cirkulující v krev váže se na periferní buňky, lipidy jsou štěpeny působením LPL a uvolněné lipofilní látky, včetně beta-karotenu, jsou internalizovány (interně absorbovány) pasivní difúzí. To má za následek katabolismus VLDL na IDL (meziprodukt hustota lipoproteiny). Částice IDL mohou být přijímány játry způsobem zprostředkovaným receptorem a zde mohou být degradovány nebo metabolizovány krev plazma triglyceridem lipáza (enzym štěpící tuk) na cholesterolu-bohatý LDL (nízký hustota lipoproteiny) .Beta-karoten vázán na LDL je na jedné straně absorbován do jater a extrahepatálních tkání prostřednictvím endocytózy zprostředkované receptory a na druhé straně je přenesen do HDL (lipoproteiny s vysokou hustotou; lipoproteiny bohaté na bílkoviny s vysokou hustotou), které se podílejí na transportu beta-karotenu a dalších lipofilních molekul, zejména cholesterolu, z periferních buněk zpět do jater. Celkový obsah betakarotenu v těle je přibližně 100–150 mg. Provitamin-A se nachází ve všech orgánech člověka, s nejvyššími koncentracemi v játrech, nadledvinách, varlatech (varlata), A vaječníky (vaječníky), zejména žluté tělísko (corpus luteum). Skladování karotenoidu je 80-85% v podkožní tukové tkáni (podkožní tuk) a 8-12% v játrech. Kromě toho je beta-karoten okrajově uložen v plicích, mozek, srdce, kosterní sval, kůžea další orgány. Existuje přímá, ale ne lineární korelace mezi ukládáním do tkáně a perorálním příjmem karotenoidu. Beta-karoten se tedy uvolňuje z tkáňových zásob jen velmi pomalu během několika týdnů po ukončení příjmu. V krvi je beta-karoten transportován lipoproteiny, které jsou složeny z lipofilních molekul a apolipoproteiny (proteinová část, funkce jako strukturní skelet a / nebo rozpoznávací a dokovací molekula, například pro membránové receptory), jako je Apo AI, B-48, C-II, D a E. Karotenoid je také transportován lipoproteiny. Karotenoid je vázán na 58-73% LDL, 17-26% vázáno na HDLa 10–16% se váže na VLDL [13, 23, 33, 36-38, 45]. V normální smíšené strava, sérové ​​koncentrace beta-karotenu se pohybují v rozmezí 20–40 µg / dl (0.4–0.75 µmol / l), přičemž ženy mají průměrně o 40% vyšší hodnotu než muži. Kromě pohlaví, biologického věku, zdraví stav, celkový tělesný tuk hmota, a alkohol a spotřeba cigaret může také ovlivnit koncentrace beta-karotenu v séru. Zatímco karotenoid je optimálně účinný při hladině v séru ≥ 0.4 µmol / l - ve smyslu zdraví profylaxe - koncentrace v séru <0.3 µmol / l lze identifikovat jako nedostatky beta-karotenu. beta-karoten je placenta-propustné a prochází do mateřské mléko. V lidském séru a mateřské mlékoK dnešnímu dni bylo identifikováno 34 z přibližně 700 známých karotenoidů, včetně 13 geometrických all-trans izomerů. Z nich byl nejčastěji detekován beta-karoten spolu s luteinem, kryptoxantinem, zeaxantinem a alfa-karotenem. Beta-karoten tvoří přibližně 15-30% celkových karotenoidů v séru. Zatímco provitamin-A se primárně vyskytuje v all-trans formě v séru, cis konfigurace (9-cis beta-karoten) je neustále přítomna v tkáňových zásobách.

Vylučování

Neabsorbovaný betakaroten opouští tělo ve stolici (stolici), zatímco apokarotenály a další metabolity betakarotenu jsou vylučovány močí. Za účelem přeměny metabolitů na vylučovatelnou formu procházejí biotransformací stejně jako všechny lipofilní látky rozpustné v tucích. Biotransformace se vyskytuje v mnoha tkáních, zejména v játrech, a lze ji rozdělit do dvou fází:

  • Ve fázi I jsou metabolity beta-karotenu hydroxylovány (inzerce skupiny OH), aby se zvýšila rozpustnost systémem cytochromu P-450
  • Ve fázi II dochází ke konjugaci s vysoce hydrofilními (ve vodě rozpustnými) látkami - za tímto účelem se kyselina glukuronová přenáší na dříve vloženou skupinu OH metabolitů pomocí glukuronyltransferázy

Velká část metabolitů beta-karotenu dosud nebyla objasněna. Lze však předpokládat, že produkty vylučování jsou převážně glukuronidované metabolity. Po singlu správa, doba pobytu karotenoidů v těle je mezi 5-10 dny.