Занятие 12.

ТЕМА ЗАНЯТИЯ:Каротиноиды. Схема биосинтеза. Стимуляторы каротинообразования. Получение витамина А на основе-каротина. Определение суммарного количества каротиноидов в культуре микроорганизма.

ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ:Рассмотрение особенностей биотехнологического получения каротиноидов, образования витамина А из β-каротина, особенностей биосинтеза убихинонов.

Вопросы, выносимые на семинар:

1. Введите понятие «каротиноиды». Приведите характеристику данного класса соединений.

2. Введите понятие «каротин». Приведите классификацию каротинов. Охарактеризуйте биологическую роль каротинов. Поясните особенности определения суммарного содержания каротинов.

3. Охарактеризуйте понятие «ксантофиллы». Охарактеризуйте основные функции ксантофиллов.

4. Поясните особенности микробиологического получения каротиноидов: продуценты, питательные среды, условия культивирования, аппаратурное оформление процесса.

5. Охарактеризуйте значение культуры растительных клеток и тканей в области получения каротиноидов.

6. Приведите характеристику витамина А.

7. Приведите характеристику убихинонов: понятие, свойства, биологическая роль. Поясните особенности биосинтеза убихинонов на основе применения культуры растительных клеток и тканей.

Задание 1:Изучить учебный материал.

Учебный материал.

1. Общая характеристика каротиноидов.

Каротиноиды – это желтые, оранжевые, красные или коричневые пигменты, которые сильно поглощают в сине-фиолетовой области. Обычно они «замаскированы» зелеными хлорофиллами, но хорошо выявляются перед листопадом, т.к. хлорофиллы в листьях распадаются первыми. Каротиноиды содержаться также в хромопластах некоторых цветов и плодов, яркая окраска которых служит для привлечения насекомых, птиц и других животных, участвующих в опылении цветов или распространении семян

Каротиноиды относятся к тетратерпенам. Каротиноиды имеют в своей структуре изопреновую цепь, состоящую из четырех бутадиеновых остатков, разделенных в середине СНСН – группой, и одного или двух циклогексеновых -иононовых кольца на концах цепи.

Каротиноиды синтезируются многими пигментными микроорганизмами из рода Aleuria, Blakeslea, Corynebacterium, Flexibacter, Fusarium, Halobacterium, Phycomyces, Pseudomonas, Rhodotorula, Sarcina, Sporobolomyces, а также синтезируются высшими растениями, грибами, бактериями, тогда как животные их не образуют. Всего в настоящее время описано около 500 каротиноидов.

Каротиноиды подразделяются на каротины – ненасыщенные углеводороды и ксантофиллы – кислородсодержащие каротиноиды, имеющие гидрокси-, метокси-, карбокси-, кето- и эпоксигруппы.

-, -, -каротины широко распространены в растениях, ликопин, зеаксантин, виолаксантин, флавоксантин и др. В значительных количествах каротиноиды накапливаются в корнеплодах моркови, плодах шиповника, рябины обыкновенной, смородины, облепихи, томатов, абрикоса, тыквы, цветах календулы, листьях шпината, салата, крапивы.

Каротиноиды локализуются в виде сложных эфиров и гликозидов в клеточной мембране микроорганизмов, либо в свободном состоянии – в липидных гранулах в цитоплазме. Каратиноид «ретиналь», например, у галофильного вида – Halobacterium halobium – соединен с белком через остаток лизина (опсиноподобный белок); он участвует в синтезе АТФ благодаря генерации трансмембранного потенциала. В целом, основная функция каротиноидов – защитная. Их биосинтезу в клетках способствует свет.

Каротиноиды играют существенную роль в процессе фотосинтеза, участвуя в реакциях эпоксидации и образуя многочисленные кислородные производные. Они также участвуют в процессах дыхания и роста растений, переноса активного кислорода, фиксации света, стимулируют окислительно-восстановительные и генеративные процессы. В растениях они находятся в хромо- и хлоропластах в жирорастворимом состоянии или в виде водорастворимых белковых комплексов.

Каротиноиды имеют три максимума поглощения в сине-фиолетовой области спектра.

Они не только функционируют как дополнительные пигменты, но и защищают хлорофилл от избытка света и от окисления кислородом, выделяющегося при фотосинтезе.

2. Каротины.

Каротины – это углеводороды, большую часть которых составляют тетратерпены (С₄₀-соединения). Самым распространенным и самым важным среди них является β-каротин.

Каротин (от лат. сarota – морковь) – представитель семейства каротинов, относящийся к каротиноидам, т.е. биологически активным растительным пигментам желтого, оранжевого, красного цвета. Каротины относятся к жирорастворимым полиненасыщенным углеводородам терпенного ряда, являющимися продуктам полимеризации изопрена.

Каротин обладает биологической активностью провитамина А, участвует в защите клеток от разрушительного действия света, в процессе зрения и переносе энергии в процессе фотосинтеза. В организме каротин находится в свободном виде или в виде комплекса с белками – хромопротеинов.

-каротин используется организмом человека для синтеза витамина А. Кроме того, он проявляет выраженным антиоксидантный эффект, способствует снижению риска развития онкологических и других заболеваний, возникающих в связи с повышенной экологической нагрузкой на человека; активизирует функции лейкоцитов и способствует тем самым профилактике инфекционных и простудных заболеваний, улучшает работу иммунной и репродуктивной систем организма. Оказывает хороший лечебный эффект при гастрите, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, способствует быстрому заживлению ран и выздоровлению после оперативных вмешательств.

1 мг β-каротина по эффективности эквивалентен 0,17 мг витамина А, т.е. эффективность β-каротина в 6 раз меньше, но вместе с тем β-каротин, как это уже отмечалось выше, обладает рядом специфических функций, имеющих важную роль в поддержание здоровья.

Центральной функцией каротинов в организме млекопитающихявляется его функция провитамина А, что обуславливается его превращением в витамин А (ретиналь). Все изомеры каротина – α-, β-, γ-каротины – обладают активностью провитамина А. В качестве провитамина А наиболее эффективен β-каротин, поскольку из него образуется две молекулы витамина А (из α- и γ-каротинов образуется всего лишь по одной молекуле витамина А). Активность витамина А измеряется Международными единицами (МЕ). Биологическая активность 1 МЕ витамина А эквивалентна биологической активности 0,6 мкг β-каротина. Данный изомер каротина широко распространен в растениях, животных, микроорганизмах. α-каротин часто сопутствует, β-каротину; так, например, в моркови содержится 85 % β-каротина и 15 % α-каротина.

Человек и животные не способны синтезировать каротины, однако они могут метаболизировать экзогенный каротин. В организм человека главным образом поступает каротин растительного происхождения.

Превращение каротинов в витамин А осуществляется в кишечнике под действием фермента диоксигеназы. Образующийся вначале альдегид ретиналь затем восстанавливается в ретинол в присутствии НАД·H или НАДФ·H. Усвоение каротина происходит при условии достаточного количества желчи, активной липазы и антиоксидантов (витамина Е, витамина С и др.), предохраняющих каротины от окисления.

Дети усваивают каротины хуже, чем взрослые.

В слизистой оболочке кишечника ретинол образует сложные эфиры с жирными длинноцепочечными кислотами; эти эфиры, адсорбируясь на хиломикронах, транспортируются по лимфатической системе в печень, которая является основным депо витамина А.

Многие ткани содержат эфиры ретинола с жирными кислотами. В плазме крови человека ретинол находится в комплексе со специфическим ретинол-связывающим белком, относящимся к α-глобулинам; концентрация этого белка в плазме крови составляет 4 – 5 мг/100 мл. Содержание каротина в плазме крови зависит от его поступления с пищей и составляет 80-320 мкг/100 мл, в плацентарной крови - 90 мкг/100 мл, в пуповинной крови – 90 мкг/100 мл. Концентрация каротина в грудном молоке ниже, чем в крови. В крови концентрация каротина резко снижается при родах (8-30 мкг/100 мл) и некоторых заболеваниях (спру, экземе и т.п.).

Повышение содержания каротина в плазме крови (выше 400 мкг/100 мл) в результате избыточного поступления каротина с пищей – каротинемия– приводит к окрашиванию плазмы крови и отдельных участков кожи в желто-оранжевый цвет. Депонирование каротинов в эпидермисе называют также псевдожелтухой, каротинозом, каротинодермией и т.д. Каротинемия отмечается при острых поражениях печени, сахарном диабете, и т.п.

Определение суммарного количества каротинов:

Специфического метода определения содержания каротинов в клинике не существует. Суммарно каротины и витамин А можно определить с помощью реакции Карра – Прайса: к растворенной в хлороформе пробе биологической жидкости добавляют 30 %-ный раствор треххлористой сурьмы в хлороформе, и по интенсивности образовавшейся синей окраски, прямо пропорциональной содержанию каротинов в растворе, определяют их концентрацию. Для реализации данного метода определения используют колориметрический метод.

Колориметрический (фотоколориметрический) метод анализа – совокупность методов качественного и количественного анализа по интенсивности инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения. Разновидностью колориметрического метода анализа является спектрофотометрия, основанная на измерении оптической плотности веществ с помощью спектрофотометров, в которых источником излучения служат: лампа накаливания, водородная или дейтериевая лампа; монохроматором – призма или дифракционная решетка, что позволяет выделить достаточно узкие участки (1 – 20 нм) во всем интервале инфракрасного, видимого и ультрафиолетового спектра.

3. Ксантофиллы.

Ксантофиллы – природные пигменты из группы каротиноидов; кислородсодержащие производные каротинов. Известно более 50 различных ксантофиллов с различными функциональными группами (спирты, кетоны и др.), относящихся к ациклическим, моноциклическим, бициклическим каротиноидам. Содержатся в листьях, цветах, плодах и почках высших растений, а также во многих водорослях и микроорганизмах. В сочетании с флавоноидами создают осеннюю окраску листвы. Участвуют в фотосинтезе в качестве дополнительных пигментов. Возможно, что ксантофиллы играют роль светофильтров, защищающих чувствительные к свету ферменты от разрушения.