天然类胡萝卜素的生物活性及保护作用

1、天然类胡萝卜素的生物活性及保护作用威廉斯塔尔，赫尔穆特·瑟斯2004年9月1日接收，2004年12月8日修订，2004年12月16日确定，2004年12月28日可在线摘要类胡萝卜素是一类存在于大多数水果和蔬菜的天然脂溶性色素。富含类胡萝卜素的饮食使多种疾病的风险较低。本文研究类胡萝卜素的抗氧化活性及其对信号传导途径的影响，并探讨了其防御基本机制。与-胡萝卜素预防癌症和心血管疾病的有关干预研究的数据已经提出质疑的概念。然而，有令人信服的证据表明，类胡萝卜素是抗氧化网络的重要组成部分。光氧化损伤被认为是影响皮肤和眼睛的几种疾病的生物化学路径，而类胡萝卜素可以保护光暴露的组织。叶黄素和玉米

2、黄质是视网膜的主要类胡萝卜素，被认为是作为光防护剂，预防视网膜变性。独特的分布，定位和高水平的类胡萝卜素在黄斑以及它们的物理化学特性使其成为防御的恰当选择。-胡萝卜素作为预防晒伤的保护剂，同时已被证明其单独或与其他类胡萝卜素和抗氧化剂维生素组合均有效。保护作用在番茄红素含量丰富的饮食中也可体现。关键词：类胡萝卜素；预防；疾病；信号；抗氧化剂1.简介充足的营养是一个人健康的生活方式和降低慢性疾病的发生风险的关键因素。水果和蔬菜的消费量（每天五份“五天”）提出了维持最佳健康的食品，特别是有色食品。从流行病学研究的数据一致显示，水果和蔬菜的摄入量和几种疾病如心血管病，眼科发病率，胃肠道或神经退行性疾

3、病和某些类型的癌症之间呈负相关 1 。目前已有假设不同的水果和蔬菜的膳食成分中，所谓的二次植物成分在疾病预防中发挥重要作用 2 。这些植物化学物质，使植物具有明亮颜色。在各种天然色素中，类胡萝卜素是由一个混合了3, 4 和5，并且有600多种不同结构的重要化合物组成。2.类胡萝卜素类胡萝卜素属四萜类化合物，合成于植物和其他的光合生物，以及一些非光合细菌，酵母菌，霉菌。大多数的类胡萝卜素是由一个中央的碳链的交替的单键和双键，并进行不同的循环或非循环的末端基团构成的。其主要的生化功能是由共轭双键的扩展系统承担，他们同时也是颜色的来源 6 。选定了类胡萝卜素在叶绿体光系统的组成，并且在防止对光氧化损

4、伤植物方面扮演了重要角色。许多水果和鲜花的黄色，橙色和红色，是由含有类胡萝卜素且通常缺乏叶绿素的有色体引起的。大量存在于植物包括叶片的一些叶绿素掩盖了类胡萝卜素的绿色部分。许多动物中也有类胡萝卜素的存在，是鸟类，昆虫，鱼和甲壳动物重要的着色剂。然而，动物和人类不能合成类胡萝卜素更新并且取决于膳食供应。根据其化学成分分为胡萝卜素和叶黄素 4 。-胡萝卜素，-胡萝卜素和番茄红素是胡萝卜素的主要成员，其中包括碳和氢原子组成的类胡萝卜素。叶黄素是胡萝卜素的含氧衍生物。叶黄素，玉米黄质，和-隐黄质，角黄素、虾青素是带有羟基和酮基的结构元的重要叶黄素。根据双键的数量，一个阵列的顺式/反式（电子/数字）的配

5、置是可能的一个给定的类胡萝卜素 8 。在同质化的解决方案，往往会使类胡萝卜素形成混合物除了全反式的单-和聚-顺式异构体形式。活性和立体化学两方面确定异构体模式。纳入食品矩阵的化合物更加耐异构化。一般来说，全反式形式是热力学最稳定的优越性质，但是血液和组织中存在着类胡萝卜素的几个顺式异构体 9 。多数的类胡萝卜素含有手性中心，而且在各种立体异构形式出现。在大多数植物中，由于定向合成是一种立体异构体的主导。然而，有证据表明，动物中光学异构体可以相互转换；已在人类黄斑确定有10玉米黄质两种立体异构形式。3.类胡萝卜素的生物学效应3.1.维生素A的活性类胡萝卜素可分为维生素A和非维生素A的化合物 4

6、和 11 。西方饮食中的类胡萝卜素是-胡萝卜素主要的维生素，而且-胡萝卜素，-隐黄素促进维生素A供给和可预防维生素A缺乏症。维生素A对于促进生长发育，胚胎发育和视觉功能是必不可少的。每日维生素A摄入量取决于饮食习惯和食物来源的贡献。据估计，在第三世界国家由水果和蔬菜提供的类胡萝卜素占人们的总摄入量超过70%的维生素，而在西方社会的贡献则少得多。然而，摄入量必须进行生物等效性评价，对摄入维生素A的类胡萝卜素的吸收，哪些部分切割，减少并最终可作为视黄醇或视黄酯 12 。一些研究表明，生物等效性植物来源的维生素A比使用膳食补充剂的研究预期的少的多。生物利用度和代谢由几个因素，包括食品基体性能的影响，

7、以及制备的食品，脂肪和纤维过剩，胃肠道的疾病或营养不良，维生素A营养状况。有证据表明，针对不同手术不同的酶的切割位点是代谢类胡萝卜素和视网膜脱落。酶的克隆测序，-胡萝卜素15,15-（加氧酶）活性在鸡，果蝇，小鼠和人类有报道 13 和 14 。裂解的效果，各种维生素A化合物的底物特异性，以及遗传变异及其影响因素对类胡萝卜素的代谢酶表达的影响是通过类胡萝卜素测定维生素的个体变异。3.2.类胡萝卜素和细胞信号细胞间的信号传递是协调多细胞生物体内的生物化学功能的前提条件，已证明膳食类胡萝卜素，对信号转导途径 15 具有生物活性的影响。类胡萝卜素和（或）它们的代谢物影响某些基因的表达，或可能作为调节酶

8、的抑制剂（已在本文中讨论这些化合物的抗癌特性）。在体外，对白血病细胞生长抑制作用的观察时，番茄红素被应用于维生素D3 16的组合。番茄红素和维生素E抑制人前列腺癌细胞株的生长 17 。番茄红素对细胞增殖的抑制作用与细胞周期的进程延缓和减少IGF-I受体信号 18 明显相关。番茄红素能降低细胞周期蛋白D的水平，导致视网膜母细胞瘤蛋白磷酸化降低19，一个与生长停滞相关的过程。被给予的刺激作用通过间隙连接通讯类胡萝卜素产生了特别的关注（GJC）20和21。缝隙连接是充满水的毛孔，连接相邻细胞的细胞质，允许低分子量化合物的交换。其中的类胡萝卜素，-胡萝卜素和角黄素属于GJC最有效的刺激。在细胞培养中，

9、类胡萝卜素的可逆性地抑制致癌物引发细胞成纤维状转化的进程。这种抑制作用被认为是与增加GJC这些化合物引起相关的。GJC参与调控细胞的生长，分化和凋亡。非肿瘤细胞接触抑制和功能GJC；然而大多数肿瘤细胞，有不正常的同源或异源GJC 22。复杂的缝隙连接通讯的调节与类胡萝卜素活性相关的机制尚不完全清楚。类胡萝卜素诱导期和期代谢酶的作用，在对致癌物质的解毒中起到一定作用15。有证据表明，番茄红素在各自的基因启动子区 23 通过路径依赖的转录因子Nrf2抗氧化反应元件刺激II相酶的表达。这样的基因表达可能与类胡萝卜素的保护或不良性质有联系。3.3.抗氧化活性有氧代谢过程中产生的活性氧和氮的种类。他们会

10、损伤重要的生物分子，如脂质，DNA或蛋白质，并且参与退行性疾病的生物化学路径 24 ， 25 和 26 。各种防御策略中，类胡萝卜素是最有可能参与清除活性氧，单线态氧（1O2）和过氧自由基的。此外，他们的电子激发的敏化剂分子中的自由基和单线态氧 27 和 28是有效钝化剂。单重态氧猝灭的类胡萝卜素是通过物理或化学的淬火 29 和 30 发生的。物理淬火涉及激发能量转移到类胡萝卜素，导致产生基态氧和激发三重态的类胡萝卜素。激发的类胡萝卜素和周围的溶剂，得到的基态类胡萝卜素和热能的能量耗散。在物理淬火的过程中，类胡萝卜素保持不变，可以进行进一步的单重态氧猝灭周期。类胡萝卜素与单线态氧反应的速率常数

11、在109M-1 s1的范围内，即接近扩散控制。-胡萝卜素和其他类胡萝卜素是最有效的天然的1O2猝灭剂；它们的淬火活动与当前共轭双键的分子 31 数量密切相关， 32 ， 33 和 34 。类胡萝卜素能有效清除自由基，特别是在低的氧张力，并且有助于对脂质过氧化的 35 的防御。特定条件下类胡萝卜素也可以作为促氧化剂。这种性质在体外，以及在高水平的-胡萝卜素补充剂的不利影响讨论的背景下已被确定。生物体的抗氧化防御系统是一个复杂的网络，包括几种酶和非酶的抗氧化剂 36 。有人提出，结构不同的化合物与可变的抗氧化活性之间的相互作用增加氧化应激，提供了额外的保护。协同作用对UVA诱导的氧化应激，已表现在

12、体外培养的人成纤维细胞的抗氧化剂的组合中，采用-胡萝卜素为主要成分 37 。在个别的抗氧化剂，维生素E，维生素C和-胡萝卜素在清除活性氮物种 38 中表现出协同增效作用。-胡萝卜素和之间的反应生成的生育酚也在膜模型 39 检查。两种亲性抗氧化剂的组合，导致脂质过氧化的抑制作用显着大于其中一种产生影响的总和。在多层脂质体测定抗氧化活性的类胡萝卜素的混合物，即测定硫代巴比妥酸反应物质 40 形成的抑制作用。混合物比单一的化合物更有效，并且当番茄红素或叶黄素参与具有最显着的协同效应，。混合物的卓越保护性能可能与不同类胡萝卜素膜中的具体定位有关。3.4.类胡萝卜素的健康效应在体外和动物研究提供的证据表

13、明，类胡萝卜素对于几类癌症有防御作用 41 。这些符合流行病学的研究表明，在饮食中增加类胡萝卜素的消费量与不同类型的癌症风险降低有关。此外，-胡萝卜素的血清水平和减少例如肺癌等癌症风险之间的相关性。然而，大多数的干预试验，-胡萝卜素作为一个组件的补充并没有显示任何影响癌症42和43的现象。一项在中国进行的研究观察到的保护作用44是例外。有证据表明，在高风险的人群中，高剂量的-胡萝卜素添加到人群中，如吸烟者或石棉工人，有证据表明，高剂量的-胡萝卜素对抗肺癌的发生风险增加了45%。这些干预试验的意外结果已被广泛讨论，并提出了几个假设来解释他们的结果。应该注意的是，在干预结束时，对应用剂量超过了目前

14、的正常膳食-胡萝卜素摄入量的血液水平进行了测定，在研究中没有观察到不利的影响。-胡萝卜素与其他化合物，无论是类胡萝卜素或其他膳食成分的相互作用，可能发挥的作用。它已经表明，作为风险相关的生物条件之一，-胡萝卜素中苯甲酸钠的影响与肺癌的发生密切相关28，47和48。最近，它已被证明在动物模型中，高剂量的-胡萝卜素会影响可能与上文中提到的重要有致癌作用的视黄酸受体亚型的表达；当动物暴露于香烟烟雾这些影响更为明显 49 和 50 。在观察性研究中，类胡萝卜素和前列腺癌之间的关系进行了检查，产生不同的结果 51 。降低前列腺癌的发生风险与番茄和番茄制品中的高番茄红素消耗有关。三项研究中，血液中的番茄红

15、素水平测定报道了较高的番茄红素水平和降低前列腺癌风险之间的关联 51 。已经表明基于干预研究，补充番茄红素或富含番茄红素的饮食可能会减少前列腺癌的增长 52 和 53 。与类胡萝卜素含量丰富的饮食相关的-胡萝卜素与其他类胡萝卜素对癌症的贡献尚不清楚。化合物的混合物可能比单组分更有效。关于预防心血管疾病，-胡萝卜素的数据是相互矛盾的 54 。该化合物能够抑制低密度脂蛋白的脂质过氧化，这一过程涉及动脉粥样硬化的发病机制。迄今为止还没有一个有说服力的证据表明-胡萝卜素或类胡萝卜素在一般保护作用上是有效果的。3.5.类胡萝卜素与年龄相关性黄斑变性目前，研究的焦点将类胡萝卜素这组化合物放在可能与年龄具有

16、相关性的黄斑变性（AMD）上来。在西方世界中，AMD是老年人致盲的主要原因，它影响大约65岁以上人口占总人口的20% 55 。黄斑（“黄点”）是视网膜的一部分，以及最大视力区。叶黄素和玉米黄质是负责这个组织的着色颜料；其他类胡萝卜素，如番茄红素，-胡萝卜素、-胡萝卜素没有在黄斑中 56 发现。叶黄素和玉米黄质也支配着整个视网膜的类胡萝卜素的模式，在黄斑的浓度明显高于其余的视网膜物质 57 。视网膜中叶黄素的吸收、转运和代谢可能是由特定的叶黄素结合蛋白介导的。在人的黄斑谷胱甘肽S-转移酶的一个亚型（GSTP1）已经显示出玉米黄素结合蛋白 58 。流行病学数据支持黄斑色素有保护作用的概念；一个强大

17、的关联被发现在叶黄素中 59 。在对受AMD控制的比较，较低水平的叶黄素和玉米黄质是从捐赠者患有AMD 60 的视网膜上发现的。也有一些证据，例如一个小的干预研究（上），患有萎缩性AMD患者当叶黄素单独或连同其他营养素的进行补充时，其视功能得到改善 61 。分子对防御光氧化损伤的眼部组织进行保护的可能作用方式有两种：第一是过滤有害蓝光，第二是抗氧化剂猝灭激发态或单线态分子氧和活性氧清除二类似脂质过氧化物或超氧阴离子自由基 55 。在均匀的溶液中，所有主要的类胡萝卜素膳食，包括-胡萝卜素和番茄红素是有效的蓝色光过滤器。然而，类胡萝卜素的光谱性质，以及抗氧化活性随着环境发生变化。使用单层脂质体膜模

18、型 62 研究时，叶黄素和玉米黄质的滤波效果优于番茄红素和-胡萝卜素。叶黄素大量形成膜状物，因此具有更好的滤波效果。将高剂量-胡萝卜素与维生素C、E和锌结合，大规模用于对AMD以及视敏度进行干预试验。有趣的是，数据显示为抗氧化剂加锌使晚期AMD 63 的发展呈显著下降趋势。3.5.1.皮肤保护-胡萝卜素补充剂被广泛用作所谓的口服“太阳保护剂” 64 。然而，研究表明，-胡萝卜素对皮肤反应的口服治疗产生的保护是稀缺的。类胡萝卜素的保护作用被认为是其相关的抗氧化性能。紫外线照射后，皮肤暴露在光下形成氧化损伤是由于活性氧物种的形成。光氧化损伤影响细胞的脂质、蛋白质和DNA被认为是参与形成红斑的生物化

19、学途径，皮肤的过早老化，光线性皮肤病和皮肤癌的发生 65 和 66 。人类的一些研究已经表明，紫外线照射时，血浆和皮肤中的类胡萝卜素水平下降；番茄红素的损失优先于其他类胡萝卜素 67 。因此，补充类胡萝卜素的有益作用已被假定。结果表明，从藻类杜氏盐藻提取的 68 类胡萝卜素补充剂可增加-胡萝卜素在皮肤和血清中的含量。补充类胡萝卜素（总-胡萝卜素24毫克/天）并与维生素E组合时，对于太阳能模拟器照明引起的红斑 69 有保护作用。红斑的形成明显减弱，而且类胡萝卜素和维生素E的组合效果更加明显。该化合物被其他类胡萝卜素部分替代以降低-胡萝卜素的含量。与单独的-胡萝卜素的光保护作用（24毫克/天）相比

20、，由-胡萝卜素，叶黄素和番茄红素（8毫克/天）组成的类胡萝卜素的混合物。补充治疗12周，血清和皮肤中的类胡萝卜素水平，以及在6周和12周的治疗后，于基线测定红斑强度。在这两个群体中，红斑的强度被削弱到一个类似的程度。因此，在以紫外线诱导的人体中，每周加入24毫克类胡萝卜素的混合物（其中-胡萝卜素、叶黄素和番茄红素均为8毫克），连续补充12周 70。饮食干预后，观察到其防御紫外线引起的红斑，而不是对隔离化合物进行补充。番茄酱含有大量的番茄特有的类胡萝卜素，并被选为提供类胡萝卜素的一种天然的膳食来源，以防止紫外线在人体引起的红斑 71 。超过10周的时间进行番茄酱的摄入（40克/天，相当于16毫克

21、番茄红素/天），导致血清中的番茄红素水平升高并且增加皮肤中的总类胡萝卜素。经过10周的治疗，红斑形成明显低于对照组的番茄酱。这项研究表明，饮食干预可以改善紫外线引起的红斑。一种富含类胡萝卜素饮料提供的保护作用也被确定。来自一个番茄提取物和含有溶解形式的饮料 72比较了合成番茄红素的保护作用。不同的来源的相同数量的番茄红素（约10毫克/天），作用12周后，在所有的组中观察到血清中番茄红素水平和皮肤中总的类胡萝卜素含量显著增加。补充之前和补充之后，用太阳模拟器进行紫外线照射，红斑的程度由照射后的敏感性确定。增补或饮料摄入的保护作用是最为明显的。4. Conclusion4.结论类胡萝卜素是健康饮食

22、的一个独特的成分，其在抗氧化维生素和植物化学物质的网络中发挥重要作用。他们是很好的蓝色光滤波器，有效单线态氧和激发三重态分子的荧光猝灭。类胡萝卜素的脂溶性决定了其亚细胞分布；它们富集在膜和其他脂溶性部分。总之，这使得它们作为合适的光防护剂，不仅对植物也对人类。鸣谢国家癌症基金会研究员H.S. 贝塞斯达，马里兰州附加说明最近出现的两本关于类胡萝卜素的专著：1. L. Packer，K. Kraemer，U.obermüller-Jevic，H. SIES（主编），类胡萝卜素和维生素A分子方面的健康问题，AOC出版社，尚佩恩，伊利诺斯，2004。2. N.I.克里斯基，S.T.梅恩，H.

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