Carotenoide - Carotenoid

El anillo naranja que rodea a Grand Prismatic Spring se debe a moléculas de carotenoides, producidas por capas de cianobacterias y otras bacterias.

Los carotenoides ( / k ə r ɒ t ɪ n ɔɪ d / ), también llamados tetraterpenoids , son de color amarillo, naranja y rojo orgánicos pigmentos que son producidos por las plantas y algas , así como varias bacterias y hongos . Los carotenoides dan el color característico a calabazas , zanahorias , maíz , tomates , canarios , flamencos , salmón , langosta ,camarones y narcisos . Todos estos organismos pueden producir carotenoides a partir de grasas y otros componentes básicos del metabolismo orgánico. Los únicos artrópodos terrestres que se sabe que producen carotenoides son los pulgones y los ácaros , que adquirieron la capacidad y los genes de los hongos. También es producido por bacterias endosimbióticas en moscas blancas . Los carotenoides de la dieta se almacenan en los tejidos grasos de los animales y los animales exclusivamente carnívoros obtienen los compuestos de la grasa animal. En la dieta humana, la absorción de carotenoides mejora cuando se consumen con grasa en una comida. Cocinar verduras que contienen carotenoides en aceite y triturarlas aumentan la biodisponibilidad de los carotenoides .

Hay más de 1.100 carotenoides conocidos que se pueden clasificar en dos clases, xantofilas (que contienen oxígeno) y carotenos (que son puramente hidrocarburos y no contienen oxígeno). Todos son derivados de tetraterpenos , lo que significa que se producen a partir de 8 moléculas de isopreno y contienen 40 átomos de carbono. En general, los carotenoides absorben longitudes de onda que oscilan entre 400 y 550 nanómetros (luz violeta a verde). Esto hace que los compuestos adquieran un color intenso en amarillo, naranja o rojo. Los carotenoides son el pigmento dominante en la coloración de las hojas otoñales de aproximadamente el 15-30% de las especies de árboles, pero muchos colores de plantas, especialmente los rojos y púrpuras, se deben a los polifenoles .

Pigmentos maculares del ojo humano

Los carotenoides cumplen dos funciones clave en las plantas y las algas: absorben la energía de la luz para su uso en la fotosíntesis y proporcionan fotoprotección a través de la extinción no fotoquímica . Los carotenoides que contienen anillos de beta-ionona no sustituidos (incluidos β-caroteno , α-caroteno , β-criptoxantina y γ-caroteno ) tienen actividad de vitamina A (lo que significa que pueden convertirse en retinol ). En el ojo, la luteína , meso -zeaxanthin , y la zeaxantina están presentes como pigmentos maculares cuya importancia en la función visual, a partir de 2016, queda supeditado a la investigación clínica .

Biosíntesis

Vía de síntesis de carotenoides

Los componentes básicos de los carotenoides son el difosfato de isopentenilo (IPP) y el difosfato de dimetilalilo (DMAPP). Estos dos isómeros de isopreno se utilizan para crear varios compuestos según la vía biológica utilizada para sintetizar los isómeros. Se sabe que las plantas utilizan dos vías diferentes para la producción de IPP: la vía del ácido mevalónico citosólico (MVA) y el 4-fosfato de metileritritol plastídico (MEP). En los animales, la producción de colesterol comienza creando IPP y DMAPP utilizando el MVA. Para las plantas de producción de carotenoides, use MEP para generar IPP y DMAPP. La vía MEP da como resultado una mezcla 5: 1 de IPP: DMAPP. El IPP y el DMAPP se someten a varias reacciones, lo que da como resultado el principal precursor de carotenoides, el difosfato de geranilgeranilo (GGPP). La GGPP se puede convertir en carotenos o xantofilas al someterse a varios pasos diferentes dentro de la ruta biosintética de los carotenoides.

Vía MEP

El gliceraldehído 3-fosfato y el piruvato , intermedios de la fotosíntesis , se convierten en desoxi-D-xilulosa 5-fosfato (DXP) utilizando el catalizador DXP sintasa (DXS). La DXP reductoisomerasa reduce y reordena las moléculas dentro de DXP en presencia de NADPH , formando MEP. A continuación, MEP se convierte en 4- (citidina 5'-difosfo) -2-C-metil-D-eritritol (CDP-ME) en presencia de CTP a través de la enzima MEP citidililtransferasa. Luego, CDP-ME se convierte, en presencia de ATP , en 2-fosfo-4- (citidina 5'-difosfo) -2-C-metil-D-eritritol (CDP-ME2P). La conversión a CDP-ME2P es catalizada por la enzima CDP-ME quinasa . A continuación, CDP-ME2P se convierte en 2-C-metil-D-eritritol 2,4-ciclodifosfato (MECDP). Esta reacción ocurre cuando la MECDP sintasa cataliza la reacción y el CMP se elimina de la molécula CDP-ME2P. A continuación, MECDP se convierte en (e) -4-hidroxi-3-metilbut-2-en-1-il difosfato (HMBDP) mediante HMBDP sintasa en presencia de flavodoxina y NADPH. El HMBDP se reduce a IPP en presencia de ferredoxina y NADPH por la enzima HMBDP reductasa . Los dos últimos pasos que involucran HMBPD sintasa y reductasa solo pueden ocurrir en ambientes completamente anaeróbicos . Entonces, IPP puede isomerizar a DMAPP a través de IPP isomerasa.

Vía biosintética de carotenoides

La conversión de fitoeno en licopeno en plantas y cianobacterias (izquierda) difiere en comparación con bacterias y hongos (derecha).

Dos moléculas de GGPP se condensan a través de la fitoeno sintasa (PSY), formando el isómero 15-cis del fitoeno . La conversión subsiguiente en todo-trans- licopeno depende del organismo. Las bacterias y los hongos emplean una sola enzima, la fitoeno desaturasa bacteriana (CRTI) para la catálisis. Sin embargo, las plantas y las cianobacterias utilizan cuatro enzimas para este proceso. La primera de estas enzimas es una fitoeno desaturasa de tipo vegetal que introduce dos dobles enlaces adicionales en 15-cis-fitoeno por deshidrogenación e isomeriza dos de sus dobles enlaces existentes de trans a cis produciendo 9,15,9'-tri-cis- ζ-caroteno. El doble enlace central de este tri-cis-ζ-caroteno es isomerizado por la zeta-caroteno isomerasa Z-ISO y el 9,9'-di-cis-ζ-caroteno resultante se deshidrogena de nuevo mediante una ζ-caroteno desaturasa (ZDS ) . Esto nuevamente introduce dos dobles enlaces, lo que resulta en 7,9,7 ', 9'-tetra-cis-licopeno. CrtISO , una isomerasa de carotenoide, se necesita para convertir la cis -lycopene en un todo-trans licopeno en presencia de reducida FAD .

Este licopeno totalmente trans se cicla; la ciclación da lugar a la diversidad de carotenoides, que se puede distinguir en función de los grupos terminales. Puede haber un anillo beta o un anillo épsilon, cada uno generado por una enzima diferente ( licopeno beta-ciclasa [beta-LCY] o licopeno épsilon-ciclasa [épsilon-LCY]). El α-caroteno se produce cuando el licopeno todo-trans primero reacciona con épsilon-LCY y luego una segunda reacción con beta-LCY; mientras que el β-caroteno se produce mediante dos reacciones con la beta-LCY. El α- y el β-caroteno son los carotenoides más comunes en los fotosistemas de las plantas, pero aún pueden convertirse en xantofilas mediante el uso de beta-hidrolasa y épsilon-hidrolasa, lo que da lugar a una variedad de xantofilas.

Regulación

Se cree que tanto DXS como DXR son enzimas que determinan la velocidad, lo que les permite regular los niveles de carotenoides. Esto se descubrió en un experimento en el que DXS y DXR se sobreexpresaron genéticamente, lo que condujo a una mayor expresión de carotenoides en las plántulas resultantes. Además, se cree que las chaperonas de la proteína J (J20) y la proteína de choque térmico 70 (Hsp70) están involucradas en la regulación postranscripcional de la actividad DXS, de modo que los mutantes con actividad J20 defectuosa exhiben una actividad enzimática DXS reducida mientras acumulan proteína DXS inactiva. La regulación también puede ser causada por toxinas externas que afectan a las enzimas y proteínas necesarias para la síntesis. La cetoclomazona se deriva de herbicidas aplicados al suelo y se une a la DXP sintasa. Esto inhibe la DXP sintasa, lo que evita la síntesis de DXP y detiene la vía MEP. El uso de esta toxina conduce a niveles más bajos de carotenoides en las plantas que crecen en el suelo contaminado. La fosmidomicina , un antibiótico , es un inhibidor competitivo de la DXP reductoisomerasa debido a su estructura similar a la enzima. La aplicación de dicho antibiótico evita la reducción de DXP, deteniendo nuevamente la vía MEP. 

Estructura y función

Estructura general de un carotenoide: cola de polieno con dobles enlaces, posibles anillos terminales

La estructura de los carotenoides permite habilidades biológicas, incluida la fotosíntesis , la fotoprotección , la coloración de las plantas y la señalización celular .  

La estructura general del carotenoide es una cadena de polieno que consta de 9-11 dobles enlaces y posiblemente termina en anillos. Esta estructura de dobles enlaces conjugados conduce a un alto potencial reductor, o la capacidad de transferir electrones a través de la molécula. Los carotenoides pueden transferir energía de excitación de dos maneras: 1) transferencia de energía singlete-singlete de carotenoide a clorofila , y 2) transferencia de energía triplete-triplete de clorofila a carotenoide. La transferencia de energía singlete-singlete es una transferencia de estado de energía más baja y se utiliza durante la fotosíntesis. La longitud de la cola de polieno permite la absorbancia de la luz en el rango fotosintético; una vez que absorbe energía, se excita y luego transfiere los electrones excitados a la clorofila para la fotosíntesis. La transferencia triplete-triplete es un estado de mayor energía y es fundamental en la fotoprotección. La luz produce especies dañinas durante la fotosíntesis, siendo las más dañinas las especies reactivas de oxígeno (ROS). A medida que estos ROS de alta energía se producen en la clorofila, la energía se transfiere a la cola de polieno del carotenoide y se somete a una serie de reacciones en las que los electrones se mueven entre los enlaces carotenoides para encontrar el estado más equilibrado (estado de energía más baja) para el carotenoide.

La longitud de los carotenoides también influye en la coloración de la planta, ya que la longitud de la cola de polieno determina qué longitudes de onda de luz absorberá la planta. Las longitudes de onda que no se absorben se reflejan y son lo que vemos como el color de una planta. Por lo tanto, las diferentes especies contendrán carotenoides con diferentes longitudes de cola, lo que les permitirá absorber y reflejar diferentes colores.

Los carotenoides también participan en diferentes tipos de señalización celular. Son capaces de señalar la producción de ácido absicísico , que regula el crecimiento de las plantas, la latencia de las semillas , la maduración y germinación del embrión , la división y elongación celular , el crecimiento floral y las respuestas al estrés.

Propiedades

Artículos principales: carotenos y xantofilas
Fruta Gac , rica en licopeno
La ingestión de alimentos ricos en carotenoides afecta el plumaje de los flamencos .

Los carotenoides pertenecen a la categoría de tetraterpenoides (es decir, contienen 40 átomos de carbono, y se construyen a partir de cuatro unidades de terpeno que contienen cada una 10 átomos de carbono). Estructuralmente, los carotenoides toman la forma de una cadena de hidrocarburo poliénico que a veces está terminada por anillos y puede tener o no átomos de oxígeno adicionales unidos.

Su color, que va desde el amarillo pálido hasta el naranja brillante y el rojo intenso, está directamente relacionado con su estructura. Las xantofilas suelen ser amarillas, de ahí su nombre de clase. Los dobles enlaces carbono-carbono interactúan entre sí en un proceso llamado conjugación , que permite que los electrones de la molécula se muevan libremente a través de estas áreas de la molécula. A medida que aumenta el número de dobles enlaces conjugados, los electrones asociados con los sistemas conjugados tienen más espacio para moverse y requieren menos energía para cambiar de estado. Esto hace que disminuya el rango de energías de luz absorbidas por la molécula. A medida que se absorben más longitudes de onda de luz del extremo más largo del espectro visible, los compuestos adquieren un aspecto cada vez más rojo.

Los carotenoides suelen ser lipofílicos debido a la presencia de largas cadenas alifáticas insaturadas como en algunos ácidos grasos . La absorción fisiológica de estas vitaminas liposolubles en humanos y otros organismos depende directamente de la presencia de grasas y sales biliares .

Alimentos

El betacaroteno , que se encuentra en las calabazas , la batata , las zanahorias y la calabaza de invierno , es responsable de sus colores amarillo anaranjado. Las zanahorias secas tienen la mayor cantidad de caroteno de cualquier alimento por porción de 100 gramos, medido en equivalentes de actividad de retinol (equivalentes de provitamina A). La fruta gac vietnamita contiene la concentración más alta conocida del carotenoide licopeno . Aunque el verde, la col rizada , la espinaca , la col rizada y el nabo contienen cantidades sustanciales de betacaroteno. La dieta de los flamencos es rica en carotenoides, lo que les confiere las plumas de color naranja de estas aves.

Morfología

Los carotenoides se encuentran principalmente fuera del núcleo celular en diferentes orgánulos del citoplasma, gotitas de lípidos , citosomas y gránulos. Se han visualizado y cuantificado mediante espectroscopía raman en una célula de algas .

Con el desarrollo de anticuerpos monoclonales para trans- licopeno fue posible localizar este carotenoide en diferentes células animales y humanos.

Oxigenación

Los carotenoides juegan un papel importante en la oxigenación biológica. En las células vegetales, participan en el control del transporte transmembrana del oxígeno molecular liberado en la fotosíntesis .

En los animales, los carotenoides desempeñan un papel importante para ayudar al oxígeno en su transporte, almacenamiento y metabolismo.

Transporte

Los carotenoides son hidrófobos y típicamente están presentes en las lipoproteínas plasmáticas y en las estructuras lipídicas celulares. Dado que el oxígeno molecular es también una molécula hidrófoba , los lípidos proporcionan un entorno más favorable para la solubilidad del O 2 que en los medios acuosos. Al proteger a los lípidos del daño de los radicales libres, que generan peróxidos lipídicos cargados y otros derivados oxidados, los carotenoides apoyan la arquitectura cristalina y la hidrofobicidad de lipoproteínas y estructuras lipídicas celulares, de ahí la solubilidad en oxígeno y su difusión en ellas.

Almacenamiento

VN Karnaukhov sugirió por primera vez que los carotenoides pueden estar involucrados en el depósito intracelular de oxígeno en 1973. Más tarde se descubrió que los carotenoides también pueden estimular la formación de gotitas de lípidos intracelulares, que pueden almacenar oxígeno molecular adicional. Estas propiedades de los carotenoides ayudan a los animales a adaptarse al estrés ambiental, la gran altitud , las infecciones intracelulares y otras condiciones hipóxicas .

Respiración

Los carotenoides, al aumentar la difusión de oxígeno y la capacidad de transporte de oxígeno de las lipoproteínas plasmáticas, pueden estimular el suministro de oxígeno a los tejidos corporales. Esto mejora la oxigenación celular y tisular y estimula el crecimiento y la respiración de las mitocondrias .

Modalidad sinérgica

Se requiere oxígeno en muchas reacciones intracelulares, incluida la hidroxilación, que es importante para la activación metabólica de profármacos y prohormonas , como la vitamina D3. Los carotenoides no solo brindan apoyo para la oxigenación intracelular, sino que también pueden mejorar la eficacia de estas moléculas.

Los carotenoides pueden formar complejos físicos con diferentes moléculas. Con moléculas hidrófobas, esto podría ser un autoensamblaje. Con compuestos anfifílicos o hidrófilos , se requiere el uso de tecnologías de licosomas o CO 2 supercrítico , u otros métodos. ] Los carotenoides en estos complejos proporcionan una nueva modalidad de apoyo y refuerzo de la oxigenación de los tejidos, que podría ser sinérgicamente beneficioso para los objetivos terapéuticos de diferentes moléculas nutracéuticas o farmacéuticas .

Efectos fisiológicos

Las revisiones de estudios epidemiológicos que buscan correlaciones entre el consumo de carotenoides en los alimentos y los resultados clínicos han llegado a varias conclusiones:

  • Una revisión de 2015 encontró que los alimentos con alto contenido de carotenoides parecen proteger contra los cánceres de cabeza y cuello .
  • Otra revisión de 2015 que analizó si los caretenoides pueden prevenir el cáncer de próstata encontró que si bien varios estudios encontraron correlaciones entre las dietas ricas en carotenoides parecían tener un efecto protector, falta evidencia para determinar si esto se debe a los carotenoides per se.
  • Una revisión de 2014 no encontró correlación entre el consumo de alimentos con alto contenido de carotenoides y vitamina A y el riesgo de contraer la enfermedad de Parkinson .
  • Otra revisión de 2014 no encontró resultados contradictorios en estudios sobre el consumo dietético de carotenoides y el riesgo de contraer cáncer de mama .

Los carotenoides también son componentes importantes del pigmento melanina de color marrón oscuro , que se encuentra en el cabello, la piel y los ojos. La melanina absorbe la luz de alta energía y protege estos órganos del daño intracelular.

  • Varios estudios han observado efectos positivos de las dietas ricas en carotenoides sobre la textura, claridad, color, fuerza y ​​elasticidad de la piel.
  • Un estudio de 1994 señaló que las dietas ricas en carotenoides ayudaron a reducir los síntomas de la fatiga visual (ojo seco, dolores de cabeza y visión borrosa) y mejoraron la visión nocturna.

Los seres humanos y otros animales son en su mayoría incapaces de sintetizar carotenoides y deben obtenerlos a través de su dieta. Los carotenoides son una característica común y a menudo ornamental en los animales. Por ejemplo, el color rosado del salmón y el color rojo de las langostas cocidas y las escamas de la morfología amarilla de los lagartos de pared comunes se deben a los carotenoides. Se ha propuesto que los carotenoides se usan en rasgos ornamentales (para ejemplos extremos, ver pájaros frailecillos ) porque, dadas sus propiedades fisiológicas y químicas, pueden usarse como indicadores visibles de la salud individual y, por lo tanto, los animales los usan al seleccionar parejas potenciales.

Colores de plantas

Los colores amarillo y naranja de las hojas en otoño se deben a los carotenoides, que son visibles después de que la clorofila se degrada durante la temporada.
Albaricoques , ricos en carotenoides

Los carotenoides más comunes incluyen el licopeno y el β-caroteno precursor de la vitamina A. En las plantas, la xantofila luteína es el carotenoide más abundante y actualmente se está investigando su papel en la prevención de enfermedades oculares relacionadas con la edad. La luteína y los otros pigmentos carotenoides que se encuentran en las hojas maduras a menudo no son obvios debido a la presencia enmascaradora de la clorofila . Cuando no hay clorofila, como en el follaje otoñal, predominan los amarillos y naranjas de los carotenoides. Por la misma razón, los colores carotenoides suelen predominar en la fruta madura después de ser desenmascarados por la desaparición de la clorofila.

Los carotenoides son responsables de los amarillos y naranjas brillantes que tiñen el follaje de hoja caduca (como las hojas de otoño muertas ) de ciertas especies de madera dura como nogal , fresno , arce , álamo amarillo , álamo temblón , abedul , cereza negra , sicomoro , álamo , sasafrás y aliso . Los carotenoides son el pigmento dominante en la coloración de las hojas otoñales de aproximadamente el 15-30% de las especies arbóreas. Sin embargo, los rojos, los púrpuras y sus combinaciones que decoran el follaje otoñal generalmente provienen de otro grupo de pigmentos en las células llamados antocianinas . A diferencia de los carotenoides, estos pigmentos no están presentes en la hoja durante la temporada de crecimiento, pero se producen activamente hacia el final del verano.

Productos químicos aromáticos

Los productos de la degradación de los carotenoides, como las iononas , damascones y damascenonas , también son sustancias químicas importantes para las fragancias que se utilizan ampliamente en la industria de los perfumes y las fragancias. Tanto la β-damascenona como la β-ionona, aunque su concentración es baja en los destilados de rosas , son los compuestos clave que contribuyen al olor en las flores. De hecho, los dulces aromas florales presentes en el té negro , el tabaco añejado , la uva y muchas frutas se deben a los compuestos aromáticos que resultan de la descomposición de los carotenoides.

Enfermedad

Algunos carotenoides son producidos por bacterias para protegerse del ataque inmunológico oxidativo. El pigmento aureus (dorado) que da nombre a algunas cepas de Staphylococcus aureus es un carotenoide llamado estafiloxantina . Este carotenoide es un factor de virulencia con acción antioxidante que ayuda al microbio a evadir la muerte por especies reactivas de oxígeno utilizadas por el sistema inmunológico del huésped.

Carotenoides naturales

Ver también

Referencias

enlaces externos