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.).
| ГРУППА КАРОТИНА | спектры поглощения в сероуглероде (в mm) | интенсивность полос | |
| 1 полоса | 2 полоса | ||
| первый ряд | |||
| Каротин a, нераствор. в спирте | 538 - 510 | 492 - 475 | I = II |
| Пигмент плодов Lycium ovatum, раствор. в горячем спирте | 538 - 503 | 491 - 472 | II > I |
| Каротин b легко раствор. в спирте | 538 - 505 | 492 - 472 | II > I |
| второй ряд | |||
| Каротин a’, раствор. в кипящем спирте | 53 - 508 | 492 - 473 | I = II |
| Пигмент плодов Solanum pseudocapsicumpseudocapsicum, раствор. в холодном спирте | 533 - 502 | 490 - 470 | II > I |
| Каротин b’, легко раствор. в спирте | 580 - 505 | 490 - 470 | II > I |
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.