β-каротин ( бета -каротин) — органический , сильно окрашенный красно-оранжевый пигмент, распространенный в грибах, [7] растениях и фруктах. Он входит в состав каротинов , которые являются терпеноидами (изопреноидами), синтезируемыми биохимически из восьми изопреновых единиц и, таким образом, имеющими 40 атомов углерода .
Пищевой β-каротин является соединением провитамина А , преобразующимся в организме в ретинол (витамин А). [8] В пищевых продуктах он в большом количестве содержится в моркови , тыкве , шпинате и батате . [8] Он используется в качестве пищевой добавки и может быть назначен для лечения эритропоэтической протопорфирии , наследственного заболевания, связанного с чувствительностью к солнечному свету. [9]
β-каротин является наиболее распространенным каротиноидом в растениях. [8] При использовании в качестве пищевого красителя он имеет номер E160a. [10] : 119 Структура была выведена в 1930 году. [11]
Выделение β-каротина из фруктов, богатых каротиноидами, обычно осуществляется с помощью колоночной хроматографии . В промышленных масштабах его извлекают из более богатых источников, таких как водоросли Dunaliella salina . [12] Отделение β-каротина от смеси других каротиноидов основано на полярности соединения. β-каротин является неполярным соединением, поэтому его разделяют неполярным растворителем, таким как гексан . [13] Будучи высококонъюгированным , он имеет интенсивную окраску, и как углеводород, лишенный функциональных групп, он липофилен .
Растительные каротиноиды являются основным диетическим источником провитамина А во всем мире, причем β-каротин является самым известным каротиноидом провитамина А. [8] Другие включают α-каротин и β-криптоксантин . [8] Всасывание каротиноидов ограничивается двенадцатиперстной кишкой тонкого кишечника . Одна молекула β-каротина может быть расщеплена кишечным ферментом β,β-каротин 15,15'-монооксигеназой на две молекулы витамина А. [8] [14] [15]
В процессе пищеварения каротиноиды, полученные из пищи, должны быть отделены от растительных клеток и включены в содержащие липиды мицеллы, чтобы быть биодоступными для кишечных энтероцитов . [8] Если они уже извлечены (или синтезированы), а затем представлены в капсуле диетической добавки, заполненной маслом, то они обладают большей биодоступностью по сравнению с пищевыми продуктами. [16]
В клеточной стенке энтероцита β-каротин поглощается рецептором мембранного транспортера белка-поглотителя класса B, тип 1 (SCARB1). Поглощенный β-каротин затем либо включается как таковой в хиломикроны , либо сначала преобразуется в ретиналь, а затем в ретинол, связанный с ретинол-связывающим белком 2 , перед включением в хиломикроны. [8] Процесс преобразования состоит из расщепления одной молекулы β-каротина ферментом бета-каротин 15,15'-диоксигеназой , который кодируется геном BCO1, на две молекулы ретиналя. [8] Когда ретинол плазмы находится в нормальном диапазоне, экспрессия генов SCARB1 и BCO1 подавляется, создавая петлю обратной связи, которая подавляет поглощение и преобразование β-каротина. [16]
Большинство хиломикронов поглощаются печенью, затем секретируются в кровь, переупакованные в липопротеины низкой плотности (ЛПНП). [8] Из этих циркулирующих липопротеинов и хиломикронов, которые обошли печень, β-каротин поступает в клетки через рецептор SCARB1. Ткани человека различаются по экспрессии SCARB1 и, следовательно, по содержанию β-каротина. Примеры, выраженные в нг/г, сырой вес: печень = 479, легкие = 226, простата = 163 и кожа = 26. [16]
После поглощения клетками периферических тканей основное использование поглощенного β-каротина происходит в качестве предшественника ретиналя посредством симметричного расщепления ферментом бета-каротин 15,15'-диоксигеназой, который кодируется геном BCO1. [8] Меньшее количество метаболизируется митохондриальным ферментом бета-каротин 9',10'-диоксигеназой, который кодируется геном BCO2. Продуктами этого асимметричного расщепления являются две молекулы бета-ионона и розафлуен. BCO2, по-видимому, участвует в предотвращении чрезмерного накопления каротиноидов; дефект BCO2 у кур приводит к желтому цвету кожи из-за накопления в подкожном жире. [17] [18]
Для подсчета потребления витамина А с пищей β-каротин можно преобразовать либо с использованием новых эквивалентов активности ретинола (RAE), либо с использованием более старых международных единиц (МЕ). [8]
С 2001 года Институт медицины США использует эквиваленты активности ретинола (RAE) для своих рекомендуемых норм потребления с пищей, определяемые следующим образом: [8] [19]
RAE учитывает изменчивость абсорбции каротиноидов и их превращение в витамин А у людей лучше, чем и заменяет старый эквивалент ретинола (RE) (1 мкг RE = 1 мкг ретинола, 6 мкг β-каротина или 12 мкг α-каротина или β-криптоксантина). [19] RE был разработан в 1967 году Организацией Объединенных Наций/ Всемирной организацией здравоохранения Продовольственной и сельскохозяйственной организацией (ФАО/ВОЗ). [20]
Другая старая единица измерения активности витамина А — международная единица (МЕ). [8] Как и эквивалент ретинола, международная единица не учитывает переменную абсорбцию каротиноидов и преобразование их в витамин А у людей, а также более современный эквивалент активности ретинола. К сожалению, на этикетках продуктов питания и добавок обычно все еще используют МЕ, но МЕ можно преобразовать в более полезный эквивалент активности ретинола следующим образом: [19]
Среднесуточное потребление β-каротина составляет от 2 до 7 мг, по оценкам объединенного анализа 500 000 женщин, живущих в США, Канаде и некоторых европейских странах. [21] Бета-каротин содержится во многих продуктах питания и продается в качестве пищевой добавки . [8] β-каротин придает оранжевый цвет многим различным фруктам и овощам. Вьетнамский гак ( Momordica cochinchinensis Spreng.) и сырое пальмовое масло являются особенно богатыми источниками, как и желтые и оранжевые фрукты, такие как дыня , манго , тыква и папайя , и оранжевые корнеплоды , такие как морковь и батат . [8]
Цвет β-каротина маскируется хлорофиллом в зеленых листовых овощах, таких как шпинат , капуста , листья батата и листья сладкой тыквы . [8] [22]
Министерство сельского хозяйства США перечисляет продукты с высоким содержанием β-каротина: [23]
Правительство и неправительственные организации не установили диетических требований к β-каротину. [16]
Избыток β-каротина в основном хранится в жировых тканях организма. [8] Наиболее распространенным побочным эффектом чрезмерного потребления β-каротина является каротинодермия , физически безвредное состояние, которое проявляется в виде заметного оранжевого оттенка кожи , возникающего из-за отложения каротиноида в самом внешнем слое эпидермиса . [ 8] [9] [16] [24]
Каротинодермия , также называемая каротинемией, является доброкачественным и обратимым заболеванием, при котором избыток пищевых каротиноидов приводит к оранжевому изменению цвета внешнего слоя кожи. [8] Это связано с высоким значением β-каротина в крови. Это может произойти после месяца или двух употребления продуктов, богатых бета-каротином, таких как морковь, морковный сок, мандариновый сок, манго или, в Африке, красное пальмовое масло. Пищевые добавки с β-каротином могут иметь тот же эффект. Изменение цвета распространяется на ладони и подошвы ног, но не на белки глаз , что помогает отличить это состояние от желтухи . Каротинодермия обратима при прекращении чрезмерного потребления. [25] Было подтверждено, что потребление более 30 мг/день в течение длительного периода приводит к каротинемии. [16] [26]
В клеточной стенке энтероцита β-каротин поглощается рецептором мембранного транспортера белка-поглотителя класса B, тип 1 (SCARB1). Поглощенный β-каротин затем либо включается как таковой в хиломикроны, либо сначала преобразуется в ретиналь, а затем в ретинол, связанный с ретинол-связывающим белком 2 , перед включением в хиломикроны. Процесс преобразования состоит из расщепления одной молекулы β-каротина ферментом бета-каротин 15,15'-диоксигеназой , который кодируется геном BCO1, на две молекулы ретиналя. Когда ретинол плазмы находится в нормальном диапазоне, экспрессия генов SCARB1 и BCO1 подавляется, создавая петлю обратной связи, которая подавляет поглощение и преобразование. Из-за этих двух механизмов высокое потребление не приведет к гипервитаминозу А. [ 16]
β-каротин может взаимодействовать с лекарственными средствами, используемыми для снижения уровня холестерина . [8] Их совместный прием может снизить эффективность этих лекарств и считается лишь умеренным взаимодействием. [8] Секвестранты желчных кислот и ингибиторы протонного насоса могут снизить всасывание β-каротина. [27] Употребление алкоголя с β-каротином может снизить его способность преобразовываться в ретинол и может привести к гепатотоксичности . [28]
Хронический прием высоких доз β-каротина увеличивает вероятность рака легких у курильщиков [8] [29], в то время как его натуральный витамер, ретинол, увеличивает риск рака легких у курильщиков и некурящих. Эффект специфичен для дозы добавки, поскольку не было обнаружено повреждений легких у тех, кто подвергался воздействию сигаретного дыма и принимал физиологическую дозу β-каротина (6 мг), в отличие от высокой фармакологической дозы (30 мг). [8] [30] .
Рост заболеваемости раком легких связывают со склонностью β-каротина к окислению [31], однако, основываясь на фармакокинетике всасывания и транспортировки β-каротина через кишечник, а также на отсутствии специфических переносчиков β-каротина, маловероятно, что β-каротин достигает легких курильщиков в достаточных количествах. [32] Необходимы дополнительные исследования, чтобы понять связь между повышенным риском рака и смертностью от всех причин после приема добавок β-каротина.
Кроме того, дополнительный прием высоких доз β-каротина может увеличить риск рака простаты , внутримозгового кровоизлияния , сердечно-сосудистой и общей смертности независимо от статуса курения. [8] [9]
β-каротин производится промышленным способом либо путем полного синтеза (см. Ретинол § Промышленный синтез ), либо путем извлечения из биологических источников, таких как овощи, микроводоросли (особенно Dunaliella salina ) и генетически модифицированные микробы. Синтетический путь является недорогим и высокопродуктивным. [33]
Медицинские власти обычно рекомендуют получать бета-каротин из пищи, а не из пищевых добавок. [8] Метаанализ рандомизированных контролируемых исследований 2013 года пришел к выводу, что добавление бета-каротина в высоких дозах (≥9,6 мг/день) связано с 6%-ным увеличением риска смертности от всех причин , в то время как добавление в низких дозах (<9,6 мг/день) не оказывает существенного влияния на смертность. [34] Исследований недостаточно, чтобы определить, необходим ли минимальный уровень потребления бета-каротина для здоровья человека, и выявить, какие проблемы могут возникнуть из-за недостаточного потребления бета-каротина. [35] Однако метаанализ 2018 года, в основном проспективных когортных исследований, показал, что как диетический, так и циркулирующий бета-каротин связаны с более низким риском смертности от всех причин. Самая высокая категория циркулирующего бета-каротина, по сравнению с самой низкой, коррелировала с 37%-ным снижением риска смертности от всех причин, в то время как самая высокая категория потребления бета-каротина с пищей, по сравнению с самой низкой, была связана с 18%-ным снижением риска смертности от всех причин. [36]
Возрастная макулярная дегенерация (ВМД) является основной причиной необратимой слепоты у пожилых людей. ВМД — это окислительный стресс, заболевание сетчатки, которое поражает макулу, вызывая прогрессирующую потерю центрального зрения. [37] Содержание β-каротина подтверждено в пигментном эпителии сетчатки человека. [16] Обзоры сообщают о неоднозначных результатах наблюдательных исследований, при этом некоторые сообщают, что диеты с высоким содержанием β-каротина коррелируют со снижением риска ВМД, тогда как другие исследования не сообщают об отсутствии преимуществ. [38] Обзоры сообщают, что в ходе интервенционных испытаний с использованием только β-каротина не было никаких изменений в риске развития ВМД. [8] [38] [39]
Метаанализ пришел к выводу, что добавление β-каротина, по-видимому, не снижает риск рака в целом или конкретных видов рака, включая рак поджелудочной железы, толстой кишки, простаты, молочной железы, меланому или рак кожи в целом. [8] [40] Высокие уровни β-каротина могут повышать риск рака легких у нынешних и бывших курильщиков. [8] [41] Результаты неясны для рака щитовидной железы. [42]
Обзор Cochrane рассматривал добавление β-каротина, витамина C и витамина E, независимо и в сочетании, на людях, чтобы изучить различия в риске катаракты , экстракции катаракты, прогрессировании катаракты и замедлении потери остроты зрения. Эти исследования не обнаружили никаких доказательств каких-либо защитных эффектов, обеспечиваемых добавлением β-каротина для предотвращения и замедления возрастной катаракты. [43] Второй метаанализ собрал данные из исследований, в которых измерялся сывороточный бета-каротин, полученный из диеты, и сообщил о статистически незначимом снижении риска катаракты на 10%. [44]
Высокие дозы β-каротина (до 180 мг в день) могут быть использованы для лечения эритропоэтической протопорфирии , редкого наследственного заболевания чувствительности к солнечному свету, без токсических эффектов. [8] [9]
Продукты, богатые каротиноидными красителями, обесцвечиваются при высыхании. Это происходит из-за термической деградации каротиноидов, возможно, через реакции изомеризации и окисления. [45]