CC BY
722
УДК 577.161.1:616-006-084
М.Я. Шашкина, П.Н. Шашкин, А.В. Сергеев
КАРОТИНОИДЫ КАК ОСНОВА ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЛЕЧЕБНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
РОНЦ им. Н.Н. Блохина РАМН, Москва
Контактная информация:
Шашкина Мария Яковлевна, ведущий научный сотрудник лаборатории по созданию нетоксичных иммуномодуляторов НИИ экспериментальной диагностики и терапии опухолей адрес: 115478, Москва, Каширское шоссе, 24; тел. +7(499)-612-80-62 e-mail: [email protected]
Статья поступила 21.05.2009, принята к печати 25.10.2009.
Резюме
Каротиноиды - важный класс природных полиеновых пигментов, остро необходимых для всех биоеских организмов. Они защищают мембраны живых клеток от разрушения активными формами кислорода, свободными радикалами при оксидантивном стрессе. Многочисленные исследования свидетельствуют о профилактической роли их в оздоровлении населения, химиопрофилактике рака, сердечно-сосудистых заболеваний, катаракты и других дегенеративных и генотоксических нарушений. Наряду с высокой профилактической активностью они безопасны и перспективны для создания отечественных лечебно-профилактических средств.
Ключевые слова: каротиноиды, профилактика, антиканцер, провитамин А, генорегуляция.
M.Y. Shashkina, P.N. Shashkin, A.V. Sergeev
CAROTENOIDS AS A BASE FOR DEVELOPMENT OF CANCER CHEMOPREVENTION
N.N. Blokhin Russian Cancer Research Center of RAMS, Moscow
Abstract
The carotenoids are vital constituents of green plants and various living organisms (algae, animals, humans et. al.). Carotenoids have aroused interest as antioxidants, immunomodulators, provitamins A, geno- and enzimoregulators. Numerous studies describe different activities of carotenoids in areas of human health including cancer chemoprevention, cardiovasailar and a variety of chronic degenerative diseases prevention. This review discusses the results of recent studies concerning chemical and biomedical functions of carotenoids. These compounds are safety and can be used for effective medically prevention agents.
Key words: carotenoids, prevention, anticancer, provitamin A, genoregulation.
Введение
В последние десятилетия наблюдается стремительный рост заболеваемости и смертности населения РФ. По статистике в 2005 г. общая смертность превысила 2,3 млн. человек (в 1999 г. - 2,1 млн. человек), из них 56,5% (1,3 млн. человек) умерли от болезней системы кровообращения, 12,5% (285 тыс. человек) - от злокачественных новообразований [8]. Важными факторами для сохранения здоровья являются качество воды, вдыхаемого воздуха, пищи. Однако развитие цивилизации, сопровождающееся катастрофическим загрязнением окружающей среды, социально-экономическими потрясениями, вредными привычками, гиподинамией ухудшает уровень здоровья населения. Индустриализация пищевой промышленности (в т.ч. рафинирование, консервирование, длительное хранение) приводит к потере ценных БАВ в процессе переработки природных продуктов. Нарушается естественная взаимосвязь человека с природой. С одной стороны, в результате загрязнения окружающей среды возрастает потребность организма в БАВ, входящих в состав естественной защитной системы, а с другой - происходит уменьшение их содержания в пище из-за индустриализации пищевой промышленности. В результате население Земли в XXI веке все больше страдает от недостатка витаминов, кароти-ноидов, микроэлементов. По данным Института питания РАМН, 70-80 % населения России испытывают гипополивитаминоз; у 40-55 % населения наблюдается недостаток -каротина и других каротиноидов [7].
Альтернативной задачей профилактической медицины является поиск и создание отечественных эффективных лечебно-профилактических средств, способных компенсировать дефицит важнейших составляющих защитной системы организма. Особенно обострилась ситуация в нашей стране после аварии на Чернобыльской АЭС. Для ликвидации последствий аварии на государственном уровне была разработана программа по созданию отечественных препаратов, повышающих сопротивляемость организма неблагоприятным факторам среды. Создаваемые препараты должны обладать общеукрепляющим действием на организм и проявлять антиоксидантные, антимута-генные, антиканцерогенные, иммуномодулирующие свойства. Такими свойствами обладают природные БАВ-каротиноиды, которые могут стать основой для создания эффективных лечебно-профилактических препаратов. В рамках этой программы в ВОНЦ АМН СССР был организован межотраслевой творческий научный коллектив совместно с НПО «Витамины», Белгородским витаминным комбинатом, ПО «Бел-медпрепараты» и др. для проведения комплексных исследований синтетического Р-каротина и природных каротиноидов. Для жизнедеятельности живых организмов каротиноиды являются абсолютно необходимыми БАВ и компонентами естественной защитной системы биомембран клеток. В результате многолетних всесторонних исследований синтетического и природного Р-каротина, ликопина в РОНЦ разработана серия отечественных препаратов на их основе с включением фитовитаминых субстанций [6].
Целью работы является анализ свойств, физиологических функций каротиноидов в живой природе и перспектив использования их как основы при создании новых лечебно-профилактических препаратов.
Характеристика каротиноидов
Каротиноиды - натуральные пигменты, широко распространенные в живой природе. Их синтезируют растения, грибы и некоторые микроорганизмы. По оценкам специалистов в природе ежегодно образуется около iGG млн. тонн каротиноидов.
Годовой прирост только фукоксантина (каро-тиноид бурых морских водорослей) оценивается в несколько миллионов тонн. Первый представитель этого класса «каротин» выделен в iS3i г. из моркови (лат. - carotta), отсюда и название всего класса «каротиноиды» [32].
Химическая структура
Каротиноиды относятся к полиеновым изопре-ноидам терпенового ряда, преимущественно - тетратерпенам. Содержат они, как правило, 4G атомов углерода в молекулах, построенных по единому структурному принципу. У большинства каротиноидов углеводородные молекулы симметричны и состоят из двух С20 половин с сопряженной системой -связей (рис. i). На концах молекул у некоторых расположены шестичленные циклы, у других - пятичленные или алифатические углеводородные группы и прочие модификации. Каротиноиды могут содержать в своем составе (главным образом, в циклах) гидроксильные, альдегидные, карбоксильные, эпоксидные и другие группы. Такие кислородные производные каротино-идных углеводородов принято называть ксантофиллами. Для каротиноидов характерна геометрическая изомерия. В природе найдены транс- и цис-изомеры, по всем и по отдельным двойным связям (рис. 2). Конфигурация молекулы существенно влияет на физические и биологические свойства каротиноидов. За счет изомерии семейство каротиноидов может исчисляться сотнями тысяч представителей. Так, возможно существование 5i2 изомеров несимметричной молекулы a-каротина. У симметричной молекулы р-каро-тина геометрических изомеров значительно меньше. К настоящему времени выделено и изучено более 6GG природных каротиноидов [45]. У бактерий найдены каротиноиды, содержащие в молекуле 45 и 5G атомов углерода, а из цитрусовых выделены апокаротиноиды с меньшим содержанием углерода (Сэд, СЗ5).
Представители каротиноидов
Наиболее биологически важными углеводородными каротиноидами являются: Р-каротин, ликопин, a-каротин. Для ксантофиллов, соответственно - лютеин, зеаксантин, астаксантин, кантаксантин, р-криптоксан-тин. На рис. i эти каротиноиды представлены в трансконфигурации по всем п-связям («all-trans» изомеры). Р-каротин и a-каротин содержат в своем составе по 2 кольца и относятся к циклическим каротиноидам, в том числе у Р-каротина оба кольца (Р-ионные) идентичны, у a-каротина р-ионные кольцо одно.
Ликопин - представитель алифатических каро-тиноидов, является структурным изомером каротинов и может быть их предшественником при биосинтезе. В крови, тканях и органах человека найдено около 2G каротиноидов. В тканях каротиноиды сосредоточены в липидном бислое биомембраны, где, совместно с витамином Е, участвуют в дезактивации свободных ра-
дикалов и защите клеток от повреждений. 7G-SG% из всех каротиноидов, обнаруженных в сыворотке крови, составляют Р-каротин, ликопин, лютеин, зеаксантин.
Низкий уровень каротиноидов в пище и плазме крови человека является показателем риска рака и других заболеваний [Зі; 33; Зб; 37].
Р-каротин
Важнейший представитель и основоположник всего класса каротиноидов. В растительных объектах на его долю приходится 2G-3G % от суммы каротиноидов, образующихся в природе. Молекула Р-ка-ротина лежит в основе структуры витамина А и известных ксантофиллов: астаксантина (диокси-дикето-Р-каротин), кантаксантина (дикето-Р-каротин), зеак-сантина (диокси-р-каротин), р-криптоксантина (окси-Р-каротин) и др. Структурная формула Р-каротина установлена в 1931 г. (через 1GG лет после выделения) и подтверждена полным химическим синтезом в 195G г. тремя независимыми группами исследователей. Первый промышленный выпуск синтетического Р-каро-тина осуществлен в i954 г. Основным природным источником Р-каротина во многих странах мира является морковь. В тропических странах важным источником его служат плоды манго, папайи, красное пальмовое масло. Богаты Р-каротином зеленые листья растений, овощей, где содержание его вместе с лю-теином составляет более SG % от суммы всех кароти-ноидов. В плазме крови и тканях человека содержится 1G-2G % Р-каротина от суммы всех каротиноидов и зависит от состава пищи, биодоступности, индивидуальных особенностей, патологии, вредных привычек. Суточная потребность в Р-каротине для взрослого здорового человека 5 мг.
Основным депо Р-каротина в организме являются печень и жировая ткань. Концентрация Р-каротина в плазме крови служит показателем состояния здоровья и образа жизни человека. При снижении уровня р-ка-ротина в плазме нарушается антиоксидантная сбалансированность организма. По данным R.G. Cutler наблюдается положительная корреляция между уровнем Р-каротина в плазме крови и продолжительностью жизни приматов [17].
Экспериментально-клинические наблюдения свидетельствуют о полной безопасности Р-каротина при использовании в оптимальных дозах и режимах. В США Р-каротин применяется с 1975 г. для лечения фоточувствительности у взрослых с эритропоэтиче-ской протопорфирией в дозе < 1SG мг/день. Токсичности не наблюдалось [32] даже при использовании в дозах >1SG мг/день в течение 1-2 мес.
Ликопин
Является вторым каротиноидом по значимости для здоровья и распространенности, преобладает в томатах и один из основных в плазме и тканях американцев [32; 7G]. Потребление томатных продуктов, содержащих ликопин, способствует снижению окислительного стресса и, как следствие, риска хронических заболеваний (рак, сердечно-сосудистые и пр.) [i4; 25; 52]. Уровни ликопина в сыворотке крови и тканях являются показателями риска рака легкого и простаты.
Ликопин (как и Р-каротин) защищает также от онкологических заболеваний других локализаций [9; 7G]. Он не обладает А-витаминной активностью, так как не содержит р-ионного кольца, но является мощным антиоксидантом, превосходящим Р-каротин. Эпидемиологические исследования показали обратную зависимость между уровнем ли-копина в крови и смертностью от сердечно-сосудистых заболеваний [52].
ЛИКОПИН
Рис. 1. Структуры каротиноидных углеводородов и соответствующих ксантофиллов.
Рис. 2. Структуры полностью транс- и моно цис-изомеров р-каротина.
Анализом случай-контроль 108 больных атеросклерозом выявлена отрицательная корреляция между уровнем ликопина в плазме крови и риском атеросклероза [37]. В отличие от Р-каротина, цис-изомеры ликопина лучше усваиваются организмом, чем трансизомеры, т.е. имеют большую биодоступность [13]. Комбинация низких доз ликопина с витамином Д3 проявляет синергический эффект на пролиферацию и дифференцировку клеток, а сочетание ликопина с лю-теином или а, Р-каротином, в т.ч. и в многослойных липосомах, усиливает антиоксидантные свойства отдельных компонентов [28; 62]. При этом Р-каротин повышает биодоступность ликопина [35].
Лютеин и зеаксантин
Обнаружены в желтом пятне сетчатки глаза. Они являются важнейшими каротиноидами, которые защищают глаза от возрастных патологий (катаракта, макулярная дегенерация или поражение желтого пятна сетчатки) [42].
Эти каротиноиды составляют макулярный пигмент, предохраняющий от повреждений и патологий, за счет поглощения «вредного» голубого света, который попадает в глаз [26; 34; 38; 58]. Подтверждена их роль в снижении риска РМЖ, сердечнососудистых, глазных заболеваний [42]. В природе лютеин и зеаксантин содержатся в яичном желтке, цветах бархатцев, календулы, люцерне. Лютеин один из основных каротиноидов зеленых растений мира и наиболее преобладающий каротиноид в плазме крови (но у жителей индустриальных стран его уровень не больше, чем у других). Лютеин присутствует в сыворотке крови детей с патологией всасывания и усвоения жира, даже если другие каротиноиды не обнаруживаются. Лютеин широко распространен в овощах и фруктах. В высоких концентрациях он содержится в зеленых частях растений.
Наиболее богатыми источниками лютеина являются шпинат, капуста брокколи, настурция [32].
Зеаксантин менее распространен и встречается как минорный каротиноид, сопутствующий лютеину в соотношении 1,6:4,2. Зеаксантин найден в кукурузе, красном сладком перце, шпинате. В промышленном масштабе эти каротиноиды получают из бархатцев, календулы, люцерны и других природных источников. В отличие от ликопина и -каротина они более стабильны и труднее деградируют под влиянием природного солнечного света и УФ-облучения. Предполагают, что именно эта повышенная антиокислительная способность (емкость) лютеина и зеаксантина объясняет содержание их в пигментом пятне сетчатки глаза [60].
Р-криптоксантин содержится в плазме крови жителей западных стран, но в значительно меньшей концентрации, чем Р-каротин и лютеин. Он обладает А-витаминной активностью, так как содержит одно Р-ионное кольцо. Основным природным источником криптоксантина являются цитрусовые. Содержится он также в томатах, папайе и др. [32]. Эпидемиологические исследования показали, что криптоксантин может снижать риск развития воспалительных полиартритов [50].
Кантаксантин - красно-оранжевый пигмент, найденный в морской форели, ракообразных, водорослях и некоторых съедобных грибах. Синтетический кантаксантин получают из Р-каротина [32].
Астаксантин и фукоксантин - кислородосодержащие каротиноиды (ксантофиллы) в больших количествах содержатся в различных морских водорослях. Обладают высокой антиоксидантной активностью [32].
Биосинтез каротиноидов
Только растения и бактерии, но не животные, способны синтезировать de novo каротиноиды. Практически все растения повсеместно, включая водоросли и грибы, образуют каротиноиды в процессе метаболизма. Углеводородное ядро кароти-ноидов синтезируется в xлороплaстax растений и водорослей по общей сxеме через ключевую изо-преновую группу (С 5): из глюкозы или ацетата в мевалонат с последующей инверсией, десатурацией и циклизацией. В качестве промежуточный продуктов при этом образуются геранилфосфат (С10), фар-незилдифосфат (С 15), геранил-геранилдифосфат (С20), фитоен (С40). Жесткость сопряженной поли-еновой системы предотвращает циклизацию по типу ди- и тритерпеноидов. Она ограничивается образованием 6-членного кольца на одном или обож концax молекулы ациклического предшественника типа ликопина. Если десатурация завершается до начала циклизации, то предшественником моно- и дициклическиx каротиноидов (а-, Р-, -каротины) является ликопин. Другие индивидуальные каротиноиды синтезируется при последующей модификации. Г идроксилирование каротиноиднык углеводородов и образование ксантофиллов (кислородный производный) происxодит энзиматиче-ски с участием молекулярного кислорода под генным контролем [4; 15; 29; 57]. Свет стимулирует дополнительное образование каротиноидов, а для фотосинтезирующиx бактерий он необxодим. На биосинтез каротиноидов существенное влияние оказывают и другие факторы: аэрация, pH среды, температура, источники углерода и водорода. В организме животныи и человека каротиноиды не образуются, из-за отсутствия у нт некоторый ферментов, в частности, ферментов десатурации (дегидрирования). Поэтому все потребности в кароти-ноидax человек и животные удовлетворяют за счет растительной пищи. В иx организме может проис-xодить незначительная модификация каротинои-дов. Поскольку каротиноиды играют важную роль в жизнедеятельности человека, с развитием цивилизации потребность в нт резко возросла. Возникает необxодимость разработки промышленного производства иx с использованием биотеxнологи-ческм, генно'-инженерный, xимико-синтетическиx методов [32; 40; 57; 65].
Получила развитие биотеxнологическaя сxе-ма производства различный каротиноидов с использованием растений, грибов, бактерий [2; 3; 32].
Биологический функции каротиновидов в живой природе
Роль каротиноидов в живой природе и жизнедеятельности человека многогранна, начиная от пигментирующей, фото-защитной, антирадикаль-ной, антиоксидантной, А-витаминной и кончая участием в регуляции энзиматической активности и генного контроля.
Пигментирующая функция
Каротиноиды, являясь природными пигментами, придают ярко-желтую или красно-оранжевую окраску овощам и фруктам; обеспечивают пигментацию наружный покровов животныи, за исключением млекопитающ^. Желто'-красные перья многт видов птиц пигментированы каротиноидами. У мор-скж животныи каротиноиды нaxодятся в комплексе с белками (липо- и гликопротеинами). Такие комплексы растворяются в воде и более стабильны, чем отдельные компоненты.
Комплексы каротино-протеинов имеют пурпурный, голубой или зеленый цвет, в отличие от желто-оранжевого, присущего каротиноидам, вероятно, за счет электронного сдвига при комплекси-ровании. Они термолабильны и при нагревании распадаются с изменением цвета [1]. Окраска внешних покровов помогает животным маскироваться (например, сезонное изменение окраски) или служит для опознания, предупреждения, отпугивания, имеет сексуально-демонстрационную природу.
Пигментация - это одна из физиологических функций, которую выполняют каротиноиды в живой природе. Пигментирующая способность каро-тиноидов широко используется в жизнедеятельности человека, в том числе для подкрашивания пищевых продуктов (молочные, кондитерские), лекарств и придания им эстетического вида [32].
Фотозащитная функция
Основная роль каротиноидов в биологических тканях обусловлена их способностью поглощать свет. Имея сопряженную систему -связей, каротиноиды (Р-каротин, лютеин и др.) входят в состав светопоглощающего пигментного комплекса растений. Совместно с хлорофиллами они участвуют в регуляции фотосинтеза, предотвращая повреждения фотосинтетических клеточных мембран синглетным кислородом (1О 2). Каротиноиды являются наиболее эффективной «ловушкой» синглет-ного кислорода. Они способны превращать 1О2 в нормальное триплетное состояние, рассеивая избыток энергии возбуждения. Одна молекула Р-каро-тина способна улавливать до 1 000 молекул синг-летного кислорода, но необратимость процесса окисления и разрушение каротина ограничивают эту емкость. Каротиноиды принимают энергию возбуждения «триплетного» хлорофилла или реагируют непосредственно с 1О2. При ярком освещении они способны поглощать кванты света в спектральной области, где коэффициент экстинкции молекул хлорофилла низкий, т.е. каротиноиды выполняют антенные функции [24]. Предполагают, что активация этого механизма сигнализируется конверсией виолоксантина в зеаксантин, но детали процесса не изучены. Фотосинтетический аппарат клеток исключительно сложный. Реакционный центр фотосинтетических бактерий содержит около 10 000 атомов. Фотозащитная функция каротинои-дов является главной функцией во всех живых организмах (от растений, бактерий до животных и человека). У последних они участвуют в фотозащите кожных покровов, органов зрения и других жизненно-важных тканей от фотоокислительного повреждения. Каротиноиды, выполняя роль своеобразной «ловушки» свободных радикалов (R ), способны гасить энергию возбуждения электрона без каких-либо химических превращений за счет делокализации электрона сопряженной системой -связей. Каротиноиды как структурные элементы встраиваются в клеточные мембраны и защищают их от повреждений R . В организме человека и животных^ни реагируют с широким спектром R (O'2, CC12. SO'2, NO 2 + различные арилперок-сиды и др.) посредством электронного переноса или образования аддуктов с S-центральным радикалом [46]. Каротиноиды входят в состав природной антиоксидантной защиты биомембран всех клеток и тканей организма. Потребление любого доступного источника каротиноидов значительно снижает фотоокислительные повреждения биомембран, целостность клеток и тканей, инициируемых
УФ-облучением [27; 51; 58; 63]. Таким образом основная функция каротиноидов заключается в защите клеточных биомембран и целостности клеток от повреждающего действия солнечного излучения, радиации, R различного профиля.
А-витаминая функция каротиноидов
Важным свойством каротиноидов является способность (в присутствии ферментов) превращаться в организме человека и животного в витамин А (ретинол, ретиналь).
Роль витамина А в жизнедеятельности человека и животных
Витамин А и его аналоги (ретиноиды) являются регуляторами жизненно-важных биологических процессов. Витамин А необходим для:
— нормализации дифференцировки клеток, особенно эпителиальных;
— сохранения и функционирования иммунной системы;
— репродукции эмбрионального развития;
— поддержания функционального состояния зрения и кожных покровов;
— цис-ретиналь входит в состав зрительного фоторецептора - родопсина, энзиматическая фотоизомеризация которого в трансформу приводит к ощущению зрения [44].
Дефицит витамина А является наиболее серьезным дефицитом в мире, так как сопровождается повышением инфекционных заболеваний, индуцирует воспаление, ухудшает состояние зрения и кожных покровов. Длительный дефицит и гиповитаминоз А могут привести к ксерофталмии и слепоте. Недостаток витамина А является важным фактором заболеваемости и смертности детей во многих развивающихся странах мира и проблемой, от которой зависит здоровье населения этих стран [19; 53]. Рандомизированные исследования показали, что применение витамина А женщинами во время и после беременности снижало материнскую и детскую смертность [67]. Витамин А также способствует снижению риска передачи ВИЧ-инфек-ции от матери ребенку [59; 64], предотвращает болезненность и смертность новорожденных с очень низкой массой тела или недоношенных [18], предохраняет от вторичного инфицирования детей корью [20]. Общая смертность детей, принимающих витамин А, снижалась на 39 % [21, 22]. При добавлении витамина А в пищу детей дошкольного возраста уменьшался риск заболеваемости и смертности от кори, диареи, ВИЧ-инфекции, малярии [22; 23].
Витамин А, его аналоги и метаболиты влияют на разнообразные процессы жизнедеятельности от эмбриогенеза, морфогенеза до метаболизма. На модели птичьего эмбриона показано, что витамин А необходим с момента образования примитивного сердца, спецификации заднего мозга [16]. Дефицит витамина А в этот критический период приводит к росту нарушений и ранней гибели эмбрионов. В модельной системе на грызунах выявлено, что гиповитаминоз А может пагубно влиять на поздних сроках беременности. Главные ткани-мишени последствий дефицита витамина А: сердце, ЦНС, урогенитальный тракт, респираторная, циркуляторная системы. При авитаминозе А происходит также ненормальное развитие черепа, скелета, конечностей [72]. Поэтому суточная потребность в витамине А для беременных и кормящих женщин возрастает с 1,5 до 2,0-2,5 мг, а в экологически неблагоприятных регионах (условия Крайнего Севера, промышленно-развитые области) увеличивается еще в 1,5-2 раза.
Лимитирующим фактором применения витамина А является опасность передозировки, которая выражается в тератогенности и эмбриотоксичности [З; 4l; бб]. Для нормального безопасного обеспечения организма витамином А специалисты рекомендуют l/3 его потребности удовлетворять продуктами, содержащими витамин А, а 2/3 - продуктами, обогащенными каротиноидами [З].
Каротиноиды как источники витамина А
Каротиноиды являются основным, безопасным и единственным источником природного витамина А. В организме человека и животных он образуется при ферментативном метаболизме каротиноидов. Других путей получения витамина А в природе неизвестно [49]. Каротиноиды сами нетоксичны, а образование из них витамина А энзиматически лимитировано. Поэтому при потреблении каротиноидов передозировки витамина А не происходит. Однако не все каротинои-ды обладают А-витаминной активностью. Из б00 найденных в природе каротиноидов только 40 регулярно потребляются человеком и некоторые из них ( 10%) проявляют А-витаминные свойства [l0]. Уникальным источником витамина А является Р-каротин (провитамин А). Его молекула симметрична и состоит из 2 остатков витамина А. Биоконверсия Р-каротина в витамин А происходит путем окислительного метаболизма молекулы по центральной 1З-1З п-связи под влиянием фермента р-каротин-1З-1З диоксигеназы (ДОГ) [39]. В растениях этого фермента нет, поэтому растительные объекты витамина А не содержат. Витамин А содержится только в продуктах животного происхождения (яичный желток, сливочное масло, печень животных и рыб).
Ключевым продуктом окислительного расщепления Р-каротина в организме животных и человека является ретиналь, который ферментативно восстанавливается в ретинол (рис. 3). Ретинол этерифициру-ется и затем депонируется в печени или окисляется через ретиналь в ретиноевые кислоты в присутствии ретинол-дегидрогеназы и цитохрома р4З0. Ретиное-вые кислоты участвуют в регуляции экспрессии различных генов, способствуют химиопрофилактике, а также повышают степень дифференцировки нейтро-филов при лечении лейкозов [43; 4З]. При высоком уровне витамина А в плазме крови активность ДОГ падает и биоконверсия p-каро-тина в витамин А прекращается, а при низком - вновь повышается расщепляющая активность ДОГ [б9]. Активность ДОГ является регулирующим фактором образования в организме физиологически оптимального количества витамина А и ретиноевых кислот из каротиноидов.
Кроме Р-каротина в витамин А метаболизиру-ются другие каротиноиды, содержащие в молекуле хотя бы одно Р-ионное кольцо без кето- и гидроксиг-рупп (a-каротин, p-криптоксантин и пр.). Такие широко распространенные каротиноиды, как ликопин (ациклический каротиноид), лютеин, зеаксантин, ас-таксантин (содержащие гидроксильные и кетогруппы в р-ионных циклах), А-витаминной активностью не обладают. Однако в эксперименте на двух моделях витамин А-дефицитных животных (крысы, птицы) показана их эффективность, соизмеримая с Р-каро-тином (в тестах защиты эпителиальных тканей крыс, повышения массы тела и уровня ретинола в плазме крови птиц). Но для этого потребовалось повысить молекулярные дозы таких каротиноидов в 20 раз, по сравнению с Р-каротином, и только в комбинации с минимальным количеством витамина А. Без витамина А эффекта не было даже при использовании мега-доз [71]. Усвоению каротиноидов из пищи способствуют
жиры и растительные масла, содержащие растительные стеролы, которые влияют на снижение холестерина в плазме крови и увеличение уровня каротинои-дов [47; 48]. Биодоступность каротиноидов улучшает оливковое масло. Предполагают, что липиды влияют также на биоконверсию -каротина в витамин А [З4].
Специфические функции каротиноидов
Недавно обнаружены новые функции кароти-ноидов, не связанные с их антиоксидантной и А-ви-таминной активностью. Показано, что каротиноиды влияют на клеточные сигнальные пути [б1]. Они способны активировать экспрессию генов, которые кодируют продукцию белка коннексина-43 [11; 12], который является интегральным компонентом межклеточного взаимодействия. Известно, что большинство органов сообщаются между собой посредством водозаполненных пор, названных коннексонами. Через них клетки могут обмениваться питательными веществами, сигнальными молекулами (цАМФ, Са2+ и пр.), продуктами обмена веществ. Такие поры могут служить для передачи ростингибирующих сигналов пролиферации аберрантных или полностью трансформированных клеток. В норме посредством межклеточных взаимодействий осуществляется контроль и регуляция клеточного роста. При неопластической трансформации (канцерогенезе) межклеточные контакты нарушаются (гипотеза Ловенштейна). В экспериментах in vitro показано, что опухолевые клетки разобщены, плохо контактируют между собой, поэтому происходит их бесконтрольная пролиферация и рост опухолей. Предполагают, что ингибирующее действие каротиноидов на опухолевый процесс тесно связано с их способностью улучшать межклеточные связи посредством повышения экспрессии белка коннексина-43 как трансмембранного протеина. Связь клеток через поры служит своеобразным трубопроводом для регуляции сигналов роста от нормальных клеток к аберрантным. По данным J.S. Bertram et A.L. Vine [12; б8] только усиление межклеточных связей (а не А-витаминная и антиоксидантная активности каротиноидов) статистически значимо коррелировала с ингибированием неопластических трансформаций в стадии постинициации канцерогенеза. В то же время не было такой корреляции между трансформацией и перекисным окислением липидов. Иммунофлуоресцентным методом показано, что усиление межклеточных связей Р-каротином вызвано повышением экспрессии гена белка коннексина-43 (структурного протеина), обеспечивающего межклеточные взаимодействия. Экспрессия коннексина-43 коррелирует со снижением индекса неоплазии. Методом измерения экспрессии гена коннексина-43 показано, что наиболее геноэкспрессионны Р-каротин, кан-таксантин и лютеин. Известные антиоксиданты лико-пин, a-токо-ферол и a-каротин уступали им в несколько раз. Одновременное применение Р-каротина или астаксантина и ретиноидов приводило к супераддитив-ной «ир»-регуляции этого протеина и индукции антиканцерогенной активности [30].
Ретиноевые кислоты также могут активировать ген конненсина-43, но только после связывания их с ретиноевым рецептором, тогда как Р-каротин не требует такого связывания. Под влиянием Р-каротина наблюдалось повышение экспрессии гена и индукции апоптоза в культуре 3 линий опухолевых (лейкемиче-ских) клеток. Считают, что Р-каротин может усиливать апоптоз путем модулирования экспрессии регуляторных генов [Зб]. На пролиферацию и дифферен-цировку опухолевых клеток Р-каротин в отличие от ретиноидов не влиял и цитостатическим действием в исследованных дозах не обладал [Зб].
Каротиноиды участвуют также в модулировании энзиматической активности, в частности, индуцируют детоксицирующие функции цитохром-450-зависимых монооксигеназ. Они способны регулировать многие ферментативные процессы в организме и обеспечивать важные биологические функции, касающиеся профилактики хронических, дегенеративных заболеваний и улучшения здоровья человека. Механизмы регуляции энзиматических процессов каротиноидами изучаются [55].
Заключение
Каротиноиды и их метаболиты (витамин А, ретиноиды и ретиноевые кислоты) играют важнейшую роль в биологических системах, включая существование всех форм жизни, что обусловлено их уникальными особенностями. С одной стороны, каротиноиды нестабильны и очень быстро разрушаются в присутствии кислорода воздуха и света. С другой - в отсутствии дестабилирузиющих факторов, при низком парциальном давлении кислорода (как в клетках и тканях живого организма), они высокостабильны и защищают клетки от вредных эндо- и экзофакторов. Каротиноиды были обнаружены даже в античных залежах [49].
Биологические функции каротиноидов в живой природе многообразны:
— способны поглощать свет и улавливать свободные радикалы, выполняя защитные антиоксидантные, радио- и фотопротектор-ные функции организма от радиационных, УФ, свободно-радикальных повреждений;
— в составе природной антиоксидантной защитной системы они предохраняют биомембраны клеток от оксидативного стресса;
— обладают пигментирующей способностью;
— проявляют А-витаминные свойства;
— участвуют в регуляции ферментативной активности клеток и их детоксикации;
— активируют и регулируют экспрессию генов коннексина-43, являющегося интегральным компонентом межклеточного взаимодействия, предохраняя неопластическую трансформацию клеток.
Препараты на основе каротиноидов перспективны для химиопрофилактики рака, снижения риска общей заболеваемости (в т.ч. онкологической, сердечно-сосудистой, инфекционной), а также для включения в схемы лечения больных различного профиля в качестве эффективных детоксикантов, модуляторов, антиоксидантов, генорегуляторов.
(З-каротин
Рис. 3. Ферментативное превращение p-каротина в ретиналь.
Литература
1. Бриттон Г. Биохимия природных пигментов. - М.: Мир, 1986. - 422 с.
2. Гаврилов А.С., Киселева А.И., Матушкина С.А. и др. Получение ликопина микробиологическим способом в условиях завода // Прикладная биохимия и микробиология. - 1996. - Т. 32, № 5. - С. 545-8.
3. Ивакин А.Ф., Феофилова Е.П. и др. Способ получения ликопина. Патент RU2102416. С09В61/00, 1998.
4. Ладыгин В.Г. Биосинтез каротиноидов в хлоропластах эукариотов//Журнал общ. биол. - 2002. - 63(4). - С. 299-325.
5. Машковский М.Д. Лекарственные средства. - М.: Медицина, 1986. - Т. 2. - С. 3-5.
6. Сергеев А.В., Шашкина М.Я. Итоги и перспективы... // РБЖ. - 2006. - Т. 5, - № 3.— С. 103-11.
7. СпиричевВ.Б. Дефицит микронутриентов и отечественные продукты... - М.: Валетек-продимпэкс, 1998. - 32 с.
8. Статистика злокачественных.. .//Вестник РОНЦ им. Н.Н.Блохина РАМН. - 2007. - Т. 18, № 2(1). - С. 90-2.
9. Атанасова В. Возможности использования ликопина и бета-каротина в профилактике колоректальной карциномы // Хранителна наука, техника и технологии. - 19-20 окт. 2007. - Пловдив. - С. 303-9.
10. Bendich A. Biological functions.. .//Carotenoids in Human Health in Ann. New York AS. - 1993. - Vol. 691. - P. 61-7.
11. Bertram J.S. Cancer Prevention by Carotenoids Mechanistic Studies in Cultured Cells // Carotinoids in Human Health in Ann. NY AS. - 1993. - V. 691. - P. 177-91.
12. Bertram J.S., Vine A.L. Cancer prevention by retinoids and carotenoids: independent action on a common target // Biochim. Biophys. Acta. - 2005. -Vol. 1740 (2). - P. 170-8.
13. Boileau T. W., Boileau A.C., Erdman J. W. Bioavailability of all-trans and cis-isomers of lycopene // Exp. Biol. Med. - 2002. -Vol. 227(10). - P. 914-9.
14. Bowen P., Chen L., Stacewicz-Sapuntzakis M. et. al. Tomato sause supplementation and prostate cancer: lycopene accumulation. // Exp. Biol. Med. - 2002. - Vol. 227(10). - P. 886-93.
15. Bramley P.M. Regulation of carotenoid formation during.. .//J Exp. Bot. - 2002. - Vol. 53(377). - P. 2107-13.
16. Clagett-Dame M., DeLuca H.F. The role of vitamin A in mammalian reproduction and embryonic development // Annu Rev. Nutr. - 2002. - Vol. 22. - P. 347-81.
17. Cutler R.G. Carotenoids and retinol: their possible importance in determining longevity of primate species // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. - 1984. - Vol. 81. - P. 7627-31.
18. Darlow B.A., Graham P.J. Vitamin A supplementation for preventing morbidity and mortality in very low birth.-weight infants // Cochrane Database Syst. Rev. - 2002. - (4): CD000501.
19. De Souza W.A., Da Costa Vilas Boas O.M. Vitamin A deficiency in Brazil: an overview // Rev. Panam. Salud Publica. - 2002. -Vol. 12(3). - P. 173-9.
20. De Souza R.M., D’Souza R. Vitamin A for preventing secondary infections in children with measles: a systematic review // J Trop. Pediatr. - 2002. -Vol. 48(2). - P. 72-7.
21. De Souza R.M., D ’Souza R Vitamin A for treating measles in children//Cochrane DB Syst. Rev. - 2002. - (1): CD001479.
22. De Souza R.M., D’Souza R. Vitamin A for the treatment of children with measles: a systematic review // J Trop. Pediatr. - 2002.
- Vol. 48 (6). - P. 323-7.
23. Duggan C., Fawzi W. Micronutrients and child health: Studies in international nutrition and HIV infection // Nutr. Rev. - 2001.
- Vol. 59 (11). - P. 358-69.
24. Gust D., Moore T.A., Moore A.L. et. al. The Photochemistry of Carotenoids // Carotenoids in Human Health. in Ann. NY AS. -1993. - Vol. 691. - P. 32-47.
25. Hadley C.W., MillerE.C., SchwartzS.J. et. al. Tomatoes, lycopene and prostate cancer: progress and promise // Exp. Biol. Med.
- 2002. - Vol. 227(10). - P. 869-80.
26. Hammond B.R. Jr., Wooten B.R., Curran-Celentano J. Carotenoids in the retina and lens: possible acute and chronic effects on human visual performance // Arch. Biochem. Biophys. - 2001. - Vol. 385(1). - P. 41-6.
27. Handelman G.J. The evolving role of carotenoids in human biochemistry // Nutrition. - 2001. - Vol. 17(10). - P. 818-22.
28. HeberD., Lu Q.Y. Overview of mechanisms of action of lycopene // Exp. Biol. Med. - 2002. - Vol. 227(10). - P. 920-3.
29. Hirschberg J. Carotenoids biosynthesis in flowering plants // Curr. Opin. Plant. Biol. - 2001. - Vol. 4(3). - P. 210-8.
30. Hix L.M., Lockwood S.F., Bertram J.S. Bioactive carotenoids: potent antioxidants and regulators of gene expression // Redox Report. - 2004. - Vol. 9(4). - P. 181-91.
31. Hu J., La Vecchia C., Negri E. et al. Dietary vitamine C, E and carotenoid intake and risk of renal cell carcinoma // Epidem. Res. Group Cancer causes control, 2009, June 17, AMID 19533394.
32. International Agency for Research on Cancer (iARC). Handbooks of Cancer Prevention Carotenoids. - Lyon, France, 1998. -Vol. 2. - 326 p.
33. Jeong N.H., Song E.S., Lee J.M. et al. Plasma carotenoids, retinal and tocopherol levels and risk of ovarian cancer // Acta Obsest Ginecol. Scand. - 2009. - Vol. 88(4). - P. 457-62.
34. Jewell V.C., Northrop-Clewes C.A., Tubman R. et. al. Nutritional factors and visual function in premature infants // Proc. Nutr. Soc. - 2001. - Vol. 60(2). - P. 171-8.
35. Johnson E.J., Qin J., Krinsky N.I. et. al. Ingestion by men of a combined dose of -carotene and lycopene does not affect the absorption of -carotene but improves that of lycopene // J Nutr. - 1997. - Vol. 127. - P. 1833-7.
36. Kabat G.C., Kim M, Adams-Campell L.L. et al. Longitudinal study of serum carotenoid, retinal and tocopherol concentrations in relation to breast cancer risk among postmenstrual woman // Am.J.Clin. - 2009. - Vol. 90(1). - P. 162-9.
37. Klipstein-Grobusch K., Launer L.J., Geleijnse J.M. et. al. Serum carotenoids and atherosclerosis. The Rotterdam Study //Medline® 2000/01-2000/04. - Atherosclerosis. - 2000. - Vol. 148(1). - P. 49-56.
38. Landrum J.T., BoneR.A Lutein zeaxanthin and macular pigment//Arch. Biochem. Biophys. - 2001. - Vol. 385(1). - P. 28-40.
39. von Lintig J., Wyss A. Molecular analysis of vitamin A formation: cloning and characterization of beta-carotene 15, 15’-dioxygenases // Arch. Biochem. Biophys. - 2001. - Vol. 385(1). - P. 47-52.
40. Liu G.N., Zhu Y,H, Jang J.C. The metabolomics of carotenoids in engineered cell factory // Appl. Microbiol Biotechnol. - 2009.
- Vol. 83(6). - P. 989-99.
41. Livera G., Rouiller-Fabre V., Pairault C. et al. Regulation and perturbation of testicular functions by vitamin A // Reproduction.
- 2002. - Vol. 124(2). - P. 173-80.
42. Mares-Perlman J.A., Millen A.E., Ficek T.L. et al. The body of evidence to support a protective role for lutein and zeaxanthin in
delaying chronic disease. Overview // J Nutr. - 2002. - Vol. 132(3) . - P. 518s-524s.
43. Marill J., Idres N., Capron C.C. et al. Retinoic acid metabolism...//Curr. Drug. Metab. - 2003. - Vol. 4(1). - P. 1-10.
44. McBee J.K., Palczewski K., Baehr W. et al. Confronting complexity: the interlink of phototransduction and retinoid metabolism in the vertebrate retina // Prog. Retin. Eye Res. - 2001. - Vol. 20(4). - P. 469-529.
45. Mehta K. Retinoic acid: a player that rules the game. // Indian J Exp. Biol. - 2002. - Vol. 40(8). - P. 874-81.
46. MortensenA., SkibstedL.H., Truscott T.G. The interaction of dietary...//Arch. Biochem. Biophys. - 2001. - Vol. 385(1). - P. 13-9.
47. Noakes M., Clifton P., Ntanios F. et al. An increase in dietary carotenoids when consuming plant sterols or stanols is effective in maintaining plasma carotenoid concentrations // Am. J Clin. Nutr. - 2002. - Vol. 75(1). - P. 79-86.
48. Ntanios F.Y., Duchateau G.S. A healthy diet rich in carotenoids is effective in maintaining normal blood carotenoid levels during the daily use of plant sterol-enriched spreads // Int. J Vitam. Nutr. Res. - 2002. - Vol. 72(1). - P. 32-9.
49. Olson JA. Molecular Actions of carotenoids//Carotenoids in Human Health in Ann NY AS. - 1993. - Vol. 691. - P. 156-66.
50. Pattison D.J., Symmons D.P., Lunt M. et al. Dietary beta-cryptoxanthin and inflammatory polyarthritis: results from a population-based prospective study // Am. J Clin. Nutr. - 2005. - Vol. 82(2). - P. 451-5.
51. Pauleikhoff D., van KuijkF.J., BirdA.C. Macular pigment...//Ophthalmologe. - 2001. - Vol. 98(6). - P. 511-9.
52. RaoA.V. Lycopene, tomatoes and the prevention. // Exp. Biol. Med. - 2002. - Vol. 227(10). - P. 908-13.
53. Reifen R. Vitamin A as an anti-flammatory agent // Proc. Nutr. Soc. - 2002. - Vol. 61(3). - P. 397-400.
54. Ribaya-Mercado J.D. Influence of dietary fat on beta-carotene absorption and..// Nutr. Rev. - 2002. - Vol. 60(4). - P. 104-10.
55. RuhlR. Induction ofPXR-mediated metabolism by beta-carotene//Biochim. Biophys. Acta. - 2005. - Vol. 1770(2). - P. 162-9.
56. Sacha T., Zawada M., Hartwich J. et al. The effect of beta-carotene and its derivatives on cytotoxicity, differentiation, proliferative potential and apoptosis on the three human acute leukemia cell lines: U-937, HL-60 and TF-1 // Biochim. Biophys. Acta. -2005. - Vol. 1740(2). - P. 206-14.
57. Sandmann G. Carotenoid biosynthesis. // Arch. Biochem. Biophys. - 2001. - Vol. 385(1). - P. 4-12.
58. Shaban H., Richter C. A2E and blue light in the retina: the paradigm of age-related macular degeneration // Biol. Chem. - 2002.
- Vol. 383(3-4). - P. 537-45.
59. Shey W.I., BrocklehurstP., Sterne J.A. Vitamin A supplementation for reducing the risk of mother-to-child transmission of HIV infection // Cochrane Database Syst. Rev. - 2002. - (3): CD003648.
60. Siems W.G., Sommerburg O., van Kuijk F.J. Lycopene and beta-carotene decompose more rapidly than lutein and zeaxanthin upon exposure to various pro-oxidants in vitro //Medline ® 2000/01-2000/04. - Biofactors. - 1999. - Vol. 10(2-3). - P. 105-13.
61. Stahl W., Ale-AghaN, PolidoriM.C. Non-antioxidant properties of carotenoids // Biol. Chem. - 2002. - Vol. 383(3-4). - P. 553-8.
62. Stahl W., Junghans A., de Boer B. et al. Carotenoid mixtures protect multilamellar liposomes against oxidative damage: synergistic effects of Lycopene and Lutein // FEBS Letters. - 1998. - Vol. 427. - P. 305-8.
63. Stahl W., SiesH. Carotenoids and protection against...//Skin. Pharmacol. Appl. Skin Physiol. - 2002. - Vol. 15(5). - P. 291-6.
64. Stoltzfus R.J., Humphrey J.H. Vitamin A and the nursing mother-infant dyad: evidence for intervention // Adv. Exp. Med. Biol.
- 2002. - Vol. 503. - P. 39-47.
65. Tao J., Zhang S.L., Xu C.J. et al. Gene and gene engineering.//Sheng Wu Gong Cheng Xue Bao. - 2002. - Vol. 18(3). - P. 276-81.
66. Tzimas G., NauH. The role of metabolism and toxicokinetics...//Curr. Pharm. Des. - 2001. - Vol. 7(9). - P. 803-31.
67. Van D.E., Kulier R., Gulmezoglu A.M. et al. Vitamin A supplementation during pregnancy // Cochrane Database Syst. Rev. -2002. - (4): CD001996.
68. Vine A.L., Bertram J.S. Upregulation of connexin 43 by retinoids but not by Non-Provitamin A carotenoids requires RARs // J Nutr. Cancer. - 2005. - Vol. 52(1). - P. 105-13.
69. Vliet T. V., Schaik F. V., Den Berg H. V. et al. Effect of Vitamin A and beta-carotene intake on Dioxygenase Activity in rat Intestine // Carotenoids in Human Health in Ann. NY AS. - 1993. - Vol. 691. - P. 220-2.
70. Weisburger J.H. Lycopene and tomato products in health promotion //Exp. Biol. Med. - 2002. - Vol. 227(10). - P. 924-7.
71. WeiserH., KormannA.W. Provitamin A activities...//Carotenoids in Human Health in. - Ann. NY AS. - 1993. - Vol. 691. - P. 213-5.
72. Zile M.H. Function of vitamin A in vertebrate embryonic development // J Nutr. - 2001. - Vol. 131(3). - P. 705-8.
