Заняття 12
ТЕМА ЗАНЯТТЯ:Каротиноїди. Схема біосинтезу. Стимулятори каротиноутворення. Отримання вітаміну А на основі -каротину. Визначення сумарної кількості каротиноїдів у культурі мікроорганізму.
МЕТА ЗАНЯТТЯ:Розгляд особливостей біотехнологічного отримання каротиноїдів, утворення вітаміну А з β-каротину, особливостей біосинтезу убіхінонів.
Питання, що виносяться на семінар:
Введіть поняття «каротиноїди». Наведіть характеристику цього класу з'єднань.
Введіть поняття "каротин". Наведіть класифікацію каротинів. Охарактеризуйте біологічну роль каротинів. Поясніть особливості визначення сумарного вмісту каротинів.
Охарактеризуйте поняття «ксантофілі». Охарактеризуйте основні функції ксантофілів.
Поясніть особливості мікробіологічного одержання каротиноїдів: продуценти, живильні середовища, умови культивування, апаратурне оформлення процесу.
Охарактеризуйте значення культури рослинних клітин та тканин у галузі отримання каротиноїдів.
Наведіть характеристику вітаміну А.
Наведіть характеристику убіхінонів: поняття, властивості, біологічна роль. Поясніть особливості біосинтезу убіхінонів на основі застосування культури рослинних клітин та тканин.
Завдання 1:Вивчити навчальний матеріал.
Навчальний матеріал.
Загальна характеристика каротиноїдів.
Каротиноїди- це жовті, оранжеві, червоні або коричневі пігменти, які сильно поглинають у синьо-фіолетовій ділянці. Зазвичай вони «замасковані» зеленими хлорофілами, але виявляються перед листопадом, т.к. Хлорофіли в листі розпадаються першими. Каротиноїди містяться також у хромопластах деяких квітів та плодів, яскраве забарвлення якихслужить для залучення комах, птахів та інших тварин, що беруть участь у запиленні квітів або розповсюдженні насіння
Каротиноїди відносяться до тетратерпенів. Каротиноїди мають у своїй структурі ізопреновий ланцюг, що складається з чотирьох бутадієнових залишків, розділених в середині СН-СН - групою, і одного або двох циклогексенових -іонових кільця на кінцях ланцюга.
Каротиноїди синтезуються багатьма пігментними мікроорганізмами з роду Aleuria, Blakeslea, Corynebacterium, Flexibacter, Fusarium, Halobacterium, Phycomyces, Pseudomonas, Rhodotorula, Sarcina, Sporobolomyces, а також синтезуються вищими рослинами, грибами. Усього в даний час описано близько 500 каротиноїдів.
Каротиноїди поділяються на каротини- ненасичені вуглеводні іксантофілі-кисневмісні каротиноїди, що мають гідрокси-, метокси-, карбокси-, кето-і епоксигрупи.
-, -, -каротини широко поширені в рослинах, лікопін, зеаксантин, віолаксантин, флавоксантин та ін. У значних кількостях каротиноїди накопичуються в коренеплодах моркви, плодах шипшини, горобини звичайної, смородини, смородини, календули, листя шпинату, салату, кропиви.
Каротиноїди локалізуються у вигляді складних ефірів та глікозидів у клітинній мембрані мікроорганізмів, або у вільному стані – у ліпідних гранулах у цитоплазмі. Каратиноїд "ретиналь", наприклад, у галофільного виду - Halobacterium halobium - з'єднаний з білком через залишок лізину (опсиноподібний білок); він бере участь у синтезі АТФ завдяки генерації трансмембранного потенціалу. У цілому нині, основна функція каротиноїдів – захисна. Їх біосинтезу у клітинах сприяє світло.
Каротиноїди відіграють істотну роль упроцесі фотосинтезу, беручи участь у реакціях епоксидації та утворюючи численні кисневі похідні. Вони також беруть участь у процесах дихання та росту рослин, перенесення активного кисню, фіксації світла, стимулюють окисно-відновні та генеративні процеси. У рослинах вони знаходяться в хромо- та хлоропластах у жиророзчинному стані або у вигляді водорозчинних білкових комплексів.
Каротиноїди мають три максимуми поглинання у синьо-фіолетовій ділянці спектру.
Вони не лише функціонують як додаткові пігменти, але й захищають хлорофіл від надлишку світла та від окислення киснем, що виділяється при фотосинтезі.
Каротини- це вуглеводні, більшу частину яких становлять тетратерпени (С40-сполуки). Найпоширенішим і найважливішим у тому числі єβ-каротин.
Каротин(від латів. сarota – морква) – представник сімейства каротинів, що належить до каротиноїдів, тобто. біологічно активним рослинним пігментам жовтого, оранжевого, червоного кольору. Каротини відносяться до жиророзчинних поліненасичених вуглеводнів терпеного ряду, що є продуктами полімеризації ізопрену.
Каротин має біологічну активність провітаміну А, бере участь у захисті клітин від руйнівної дії світла, у процесі зору та перенесення енергії в процесі фотосинтезу. В організмі каротин знаходиться у вільному вигляді або у вигляді комплексу з білками – хромопротеїнів.
-каротин використовується організмом людини для синтезу вітаміну А. Крім того, він проявляє виражений антиоксидантний ефект, сприяє зниженню ризику розвитку онкологічних та інших захворювань, що виникають у зв'язку з підвищеним екологічним навантаженням на людину; активізує функції лейкоцитів та сприяє тим самимпрофілактики інфекційних та простудних захворювань, що покращує роботу імунної та репродуктивної систем організму. Має гарний лікувальний ефект при гастриті, виразковій хворобі шлунка та дванадцятипалої кишки, сприяє швидкому загоєнню ран та одужанню після оперативних втручань.
1 мг β-каротину за ефективністю еквівалентний 0,17 мг вітаміну А, тобто. ефективність β-каротину в 6 разів менша, але разом з тим β-каротин, як це вже зазначалося вище, має низку специфічних функцій, що мають важливу роль у підтримці здоров'я.
Центральною функцією каротинів в організмі ссавцівє його функція провітаміну А, що обумовлюється його перетворенням на вітамін А (ретиналь). Всі ізомери каротину – α-, β-, γ-каротини – мають активність провітаміну А. Як провітамін А найбільш ефективний β-каротин, оскільки з нього утворюється дві молекули вітаміну А (з α- і γ-каротинів утворюється всього лише по одній молекулі вітаміну А). Активність вітаміну А вимірюється міжнародними одиницями (МЕ). Біологічна активність 1 МО вітаміну А еквівалентна біологічній активності 0,6 мкг β-каротину. Цей ізомер каротину широко поширений у рослинах, тваринах, мікроорганізмах. α-каротин часто супроводжує, β-каротину; так, наприклад, у моркві міститься 85% -каротину і 15% -каротину.
Людина та тварини не здатні синтезувати каротини, проте вони можуть метаболізувати екзогенний каротин. В організм людини переважно надходить каротин рослинного походження.
Перетворення каротинів на вітамін А здійснюється в кишечнику під дією ферменту діоксигенази. альдегід, що утворюється спочатку, ретиналь потім відновлюється в ретинол у присутності НАД H або НАДФ H. Засвоєння каротину відбувається за умовидостатньої кількості жовчі, активної ліпази та антиоксидантів (вітаміну Е, вітаміну С та ін), що оберігають каротини від окислення.
Діти засвоюють каротини гірше, ніж дорослі.
У слизовій оболонці кишечника ретинол утворює складні ефіри з жирними довголанцюжковими кислотами; ці ефіри, адсорбуючись на хіломікронах, транспортуються лімфатичною системою в печінку, яка є основним депо вітаміну А.
Багато тканин містять ефіри ретинолу з жирними кислотами. У плазмі крові людини ретинол знаходиться в комплексі зі специфічним ретинол-зв'язуючим білком, що відноситься до α-глобулінів; концентрація цього білка у плазмі становить 4 – 5 мг/100 мл. Вміст каротину в плазмі залежить від його надходження з їжею і становить 80-320 мкг/100 мл, у плацентарній крові - 90 мкг/100 мл, у пуповинній крові - 90 мкг/100 мл. Концентрація каротину в грудному молоці нижча, ніж у крові. У крові концентрація каротину різко знижується при пологах (8-30 мкг/100 мл) та деяких захворюваннях (спру, екземі тощо).
Підвищення вмісту каротину в плазмі крові (вище 400 мкг/100 мл) внаслідок надлишкового надходження каротину з їжею –каротинемія– призводить до фарбування плазми крові та окремих ділянок шкіри у жовто-оранжевий колір . Депонування каротинів в епідермісі називають також псевдожовтяницею, каротинозом, каротинодермією і т.д. Каротинемія відзначається при гострих ураженнях печінки, цукровому діабеті тощо.
Визначення сумарної кількості каротинів:
Специфічного методу визначення вмісту каротинів у клініці немає. Сумарно каротини та вітамін А можна визначити за допомогоюреакції Карра – Прайса: до розчиненої в хлороформі пробі біологічної рідини додають 30% розчин.трихлористої сурми в хлороформі, і за інтенсивністю утвореного синього забарвлення, прямо пропорційної вмісту каротинів у розчині, визначають їх концентрацію. Для реалізації цього методу визначення використовують колориметричний метод.
Колориметричний (фотоколориметричний) метод аналізу – сукупність методів якісного та кількісного аналізу за інтенсивністю інфрачервоного, видимого та ультрафіолетового випромінювання. Різновидом колориметричного методу аналізу єспектрофотометрія,заснована на вимірі оптичної щільності речовин за допомогою спектрофотометрів, в якихджерелом випромінюванняслужать: лампа розжарювання, воднева або дейтерієва лампа;монохроматором -призма або дифракційна решітка, що дозволяє виділити досить вузькі ділянки (1 - 20 нм) у всьому інтервалі інфрачервоного, видимого та ультрафіолетового спектру.
Ксантофілли- природні пігменти з групи каротиноїдів; кисневмісні похідні каротинів. Відомо більше 50 різних ксантофілів з різними функціональними групами (спирти, кетони та ін), що належать до ациклічних, моноциклічних, біциклічних каротиноїдів. Містяться у листі, квітах, плодах та нирках вищих рослин, а також у багатьох водоростях та мікроорганізмах. У поєднанні з флавоноїдами створюють осіннє забарвлення листя. Беруть участь у фотосинтезі як додаткові пігменти. Можливо, що ксантофіли грають роль світлофільтрів, що захищають чутливі до світла ферменти від руйнування.