Beta-caroteen: definitie, synthese, absorptie, transport en distributie

Bèta-caroteen behoort tot de grote groep carotenoïden - lipofiel (in vet oplosbaar) pigment kleurstoffen van plantaardige oorsprong - die zijn geclassificeerd als secundaire plantaardige stoffen (bioactieve stoffen met volksgezondheid-bevorderende effecten - "anutritieve ingrediënten"). Bèta-caroteen is de bekendste en qua hoeveelheid de belangrijkste natuurlijke vertegenwoordiger van de stofklasse van carotenoïden, waarvan ook de verzamelnaam van de verbindingen is afgeleid. Structureel kenmerk van beta-caroteen is de symmetrische, meervoudig onverzadigde polyeenstructuur (organische verbinding met multiple carbon-carbon (CC) dubbele bindingen), bestaande uit acht isoprenoïde eenheden en 11 geconjugeerde dubbele bindingen (→ tetraterpeen met 40 C-atomen). Een bèta-iononring (ongesubstitueerde, geconjugeerde trimethylcyclohexeenring) is aan elk uiteinde van de isoprenoïde ketting bevestigd - een structureel element dat ook voorkomt in retinol (vitamine A) en is een voorwaarde voor vitamine A-activiteit. Het systeem van geconjugeerde dubbele bindingen geeft bètacaroteen zijn oranjerode tot rode kleur en is verantwoordelijk voor enkele fysisch-chemische eigenschappen van de carotenoïde die rechtstreeks verband houden met de biologische effecten ervan. De uitgesproken lipofiliciteit (vetoplosbaarheid) van bètacaroteen beïnvloedt zowel de darm (met betrekking tot de darm) absorptie en distributie Beta-caroteen kan voorkomen in verschillende geometrische vormen (cis / trans-isomeren), die in elkaar omgezet kunnen worden. In planten is bètacaroteen voornamelijk aanwezig (~ 98%) als een stabiel all-trans-isomeer. In het menselijk organisme kunnen soms verschillende isomere vormen samen voorkomen, in tegenstelling tot de xanthofylen, zoals luteïne, zeaxanthine en bèta-cryptoxanthine, bètacaroteen, zoals alfa-caroteen en lycopeen, bevat geen zuurstof functionele groep. Van de ongeveer 700 carotenoïden geïdentificeerd, ongeveer 60 zijn converteerbaar naar vitamine A (retinol) door menselijk metabolisme en vertonen dus provitamine A-activiteit. Beta-caroteen (all-trans en 13-cis-isomeer) is de belangrijkste vertegenwoordiger met deze eigenschap en heeft de hoogste vitamine A activiteit, gevolgd door all-trans alfa-caroteen, all-trans beta-cryptoxanthine en 8′-beta-apocarotenal. Beta-caroteen levert dus een cruciale bijdrage aan de vitamine A-voorziening, vooral bij personen met een lage vitamine A-inname, zoals vegetariërs. Moleculaire vereisten van carotenoïden voor de werkzaamheid van vitamine A omvatten:

  • Beta-iononring (ongesubstitueerde geconjugeerde trimethylcyclohexeenring).
    • Veranderingen aan de ring leiden tot afname van de activiteit
    • Carotenoïden met een zuurstof (O) -dragende ring, zoals luteïne en zeaxanthine, of zonder ringstructuur, zoals lycopeen, hebben geen vitamine A-activiteit
  • Isoprenoïde ketting
    • Minstens 15 C-atomen plus 2 methylgroepen.
    • Cis-isomeren hebben een lagere biologische activiteit dan trans-isomeren

Licht en warmte of de aanwezigheid van zuurstof kan de vitamine A-activiteit van bètacaroteen verminderen door respectievelijk isomerisatie (omzetting trans → cis-configuratie) en oxidatieve modificatie van de moleculaire structuur.

Synthese

Beta-caroteen wordt gesynthetiseerd door planten, algen en bacteriën in staat tot fotosynthese en wordt opgeslagen in het plantenorganisme in de chromoplasten (plastiden die oranje, geel en roodachtig gekleurd zijn door carotenoïden in bloembladen, vruchten of opslagorganen (wortels) van planten) en chloroplasten (organellen van cellen van groene algen en hogere planten die fotosynthese uitvoeren) -opgenomen in een complexe matrix van eiwitten, lipiden en koolhydraten​ Daar biedt bètacaroteen, samen met andere carotenoïden, bescherming tegen foto-oxidatieve schade door te fungeren als een 'uitdovende' ('ontgifter', 'inactivator') van reactieve zuurstof verbindingen (1O2, singlet zuurstof), dat wil zeggen, stralingsenergie direct absorberen via de triplet toestand en deactiveren via warmteafgifte. Aangezien het vermogen om te blussen toeneemt met het aantal dubbele bindingen, heeft bètacaroteen met zijn 11 dubbele bindingen de sterkste dovende werking in vergelijking met andere carotenoïden. Beta-caroteen is de meest voorkomende carotenoïde in de natuur en wordt aangetroffen in een grote verscheidenheid aan fruit (2-10 mg / kg) en groenten (20-60 mg / kg), hoewel het gehalte sterk kan variëren afhankelijk van de variëteit, seizoen, rijpheid, groei, oogst- en bewaarcondities, en in verschillende delen van de plant. Bijvoorbeeld de buitenste bladeren van kool bevatten 200 keer meer bètacaroteen dan de binnenste bladeren. Geel / oranje groenten en fruit en donkergroene bladgroenten, zoals wortelen, pompoen, boerenkool, spinazie, savooiekool koolveldsla, paprika, cichorei, zoete aardappelen en meloenen, zijn bijzonder rijk aan bètacaroteen. Vanwege de kleurende eigenschappen wordt bètacaroteen - gewonnen uit planten of synthetisch geproduceerd - gebruikt als kleurstof (respectievelijk E 160 en E 160a) in ongeveer 5% van alle voedingsmiddelen in Duitsland, ook om in te kleuren boter, margarine, zuivelproducten, smeersels, suikergoed of frisdrank, met een gemiddelde van tussen 1-5 mg / kg en mg / l toegevoegd aan respectievelijk vast voedsel en dranken.

Absorptie

Vanwege zijn lipofiele (vetoplosbare) aard wordt bètacaroteen geabsorbeerd (opgenomen) in de bovenste dunne darm tijdens vetvertering. Dit vereist de aanwezigheid van voedingsvetten (3-5 g / maaltijd) als transporteurs, galzuren om op te lossen (verhoging van de oplosbaarheid) en micellen te vormen, en esterasen (digestief enzymen) om veresterde beta-caroteen te splitsen. Na afgifte uit de voedingsmatrix combineert bètacaroteen zich in het lumen van de dunne darm met andere lipofiele stoffen en galzuren om gemengde micellen te vormen (bolvormige structuren met een diameter van 3-10 nm waarin het lipide moleculen zijn zo gerangschikt dat de water- oplosbare molecuulgedeelten worden naar buiten gedraaid en de in water onoplosbare molecuulgedeelten worden naar binnen gedraaid) - micellaire fase voor oplosbaarheid (toename in oplosbaarheid) van lipiden - die worden opgenomen in de enterocyten (cellen van de dunne darm epitheel) van de twaalfvingerige darm (duodenum) en jejunum (jejunum) via een passief diffusieproces. De absorptie Het percentage bètacaroteen uit plantaardig voedsel varieert aanzienlijk tussen en binnen individuen, variërend van 30 tot 60% afhankelijk van het aandeel vetten dat tegelijkertijd wordt geconsumeerd - gemiddeld 50% wanneer ongeveer 1-3 mg bètacaroteen wordt geconsumeerd. In termen van hun bevorderende invloed op de opname van bètacaroteen zijn verzadigde vetzuren veel effectiever dan meervoudig onverzadigde vetzuren (polyeenvetzuren, PFS), wat als volgt kan worden gerechtvaardigd:

  • PFS vergroot de grootte van gemengde micellen, waardoor de diffusiesnelheid afneemt
  • PFS verandert de lading van het micellaire oppervlak, waardoor de affiniteit (bindingssterkte) voor enterocyten (cellen van het dunne darmepitheel) afneemt
  • PFS (omega-3- en -6-vetzuren) nemen meer ruimte in dan verzadigde vetzuren in lipoproteïnen (aggregaten van lipiden en eiwitten - micelachtige deeltjes - die dienen om lipofiele stoffen in het bloed te transporteren), waardoor de ruimte voor andere lipofiele stoffen wordt beperkt. moleculen, waaronder bètacaroteen
  • PFS, vooral omega-3 vetzuren, remmen lipoproteïnesynthese.

De biologische beschikbaarheid van bètacaroteen is afhankelijk van de volgende endogene en exogene factoren naast de vetopname [3, 6, 7, 11-13, 16, 23, 24, 26, 30, 31, 33, 34, 37, 41, 42 , 46]:

  • Hoeveelheid geleverde voedings (voedings) bètacaroteen - naarmate de dosis stijgt, neemt de relatieve biologische beschikbaarheid van de carotenoïde af
  • Isomere vorm - bètacaroteen wordt beter geabsorbeerd in zijn all-trans-configuratie dan in zijn cis-vorm.
  • Voedselbron - uit supplementen (geïsoleerd bètacaroteen) is de carotenoïde meer beschikbaar dan uit fruit en groenten (natief bètacaroteen), wat zich uit in een significant hogere stijging van het serum bètacaroteengehalte na inname van supplementen in vergelijking met hetzelfde hoeveelheden van het gebruikelijke dieet
  • Voedingsmatrix waarin bètacaroteen is verwerkt - uit bewerkte groenten (mechanisch fijnmaken, warmtebehandeling) bètacaroteen wordt significant beter opgenomen (> 15%) dan uit rauw voedsel (<3%), omdat de carotenoïde in rauwe groenten aanwezig is in de cel kristallijn en ingesloten in een vaste onverteerbare cellulosematrix
  • Interacties met andere voedselingrediënten:
    • Voedingsvezels, zoals pectines uit fruit, verminderen de biologische beschikbaarheid van bètacaroteen door slecht oplosbare complexen te vormen met de carotenoïde
    • Olestra (synthetische vetvervanger bestaande uit esters van vetzuren en sucrose (→ sucrose polyester), die niet kan worden gesplitst door de lipasen van het lichaam (vetsplitsende enzymen) en onveranderd wordt uitgescheiden) vermindert de opname van bètacaroteen
    • Fytosterolen en stanolen (chemische verbindingen uit de klasse van sterolen die worden aangetroffen in vette plantendelen, zoals zaden, spruiten en zaden, die sterk lijken op de structuur van cholesterol en de opname ervan competitief remmen) verminderen de opname van bètacaroteen in de darmen
    • De inname van carotenoïdenmengsels, zoals bètacaroteen, luteïne en lycopeen, kan zowel de opname van bètacaroteen in de darmen remmen als bevorderen
    • Eiwitten en vitamine E verhoging van bètacaroteen absorptie.
  • Individuele spijsvertering, zoals mechanische verkleining in het bovenste deel van het spijsverteringskanaal, maag-pH, galstroom - grondig kauwen en lage maagsap-pH bevorderen celverstoring en afgifte van respectievelijk gebonden en veresterd bètacaroteen, wat de biologische beschikbaarheid van de carotenoïde verhoogt; verminderde galstroom verlaagt de biologische beschikbaarheid als gevolg van verminderde micelvorming
  • Leveringsstatus van het organisme
  • Leveringsniveau van vitamine A - bij een goede vitamine A-status wordt de opname van bètacaroteen verlaagd
  • Genetische factoren

biotransformatie

In het cytosol van de cellen van het jejunum (lege darm) wordt een deel van het bètacaroteen omgezet in retinol (vitamine A). Voor dit doel wordt de carotenoïde gesplitst in de centrale of een excentrische (gedecentraliseerde) dubbele binding door het cytosolische, niet-membraangebonden enzym 15,15'-dioxygenase-carotenase, waarbij centrale splitsing het overheersende mechanisme is. Terwijl centrale (symmetrische) splitsing van bètacaroteen aanleiding geeft tot twee moleculen van retinale, gedecentraliseerde (asymmetrische) splitsing van de carotenoïde leidt tot respectievelijk 8′-, 10′- en 12′-beta-apocaroteen, afhankelijk van de plaats van afbraak (decompositie), die wordt omgezet in één molecuul retinale door respectievelijk verdere afbraak of verkorting van de ketting. Dit wordt gevolgd door de reductie van het netvlies tot het biologisch actieve retinol door alcohol dehydrogenase - omkeerbaar proces -, dat zich bindt aan cellulair retinol-bindend proteïne II (CRBPII) en - bij fysiologische concentraties - wordt veresterd door lecithine-retinolacyltransferase (LRAT) of - bij hogere concentraties - door acyl-CoA-retinolacyltransferase (ARAT) met vetzuren, voornamelijk palmitinezuur (→ retinyl ester​ Bovendien kan het netvlies worden geoxideerd tot retinoïnezuur - een onomkeerbaar proces dat slechts in geringe mate voorkomt [1, 3-5, 13, 31, 36, 37]. De omzetting (transformatie) van bètacaroteen naar retinol in het cytosol van enterocyten (cellen van de dunne darm) epitheel) wordt geschat op 17%. Naast enterocyten kan metabolisatie (metabolisatie) ook plaatsvinden in het cytosol van lever, long, nier, en spiercellen. Zowel zuurstof als een metaalion - vermoedelijk ijzer - zijn nodig om de activiteit van 15,15′-dioxygenase te behouden. De omzetting van bètacaroteen in retinol is afhankelijk van de volgende factoren:

  • Genetische factoren
  • Dieetkenmerken die de opname in de darmen beïnvloeden, zoals voedingsmatrix en vetgehalte
  • Geleverde hoeveelheid bètacaroteen
  • Eiwitstatus
  • Leveringssituatie van het organisme
  • Leveren van vitamine A en vitamine E
  • Alcohol gebruik

Wanneer bètacaroteen en retinol (vitamine A) gelijktijdig worden geconsumeerd of wanneer de vitamine A-status goed is, neemt de activiteit van 15,15′-dioxygenase in dunne darmcellen af, waardoor de omzettingssnelheid afneemt en de hoeveelheid bètacaroteen die niet gespleten. Om deze reden is er geen risico op hypervitaminose A zelfs bij zeer hoge doses bètacaroteen. De invloed van het soort voedsel, de voedingsmatrix waarin het bètacaroteen is opgenomen en de hoeveelheid tegelijkertijd toegevoegd vet op de enterocytische omzetting van bètacaroteen naar retinol wordt weergegeven in de volgende tabel.

Het effect is ongeveer gelijk aan 1 µg all-trans-retinol. 2 µg bètacaroteen in melk Omzettingsverhouding 2: 1
4 µg bètacaroteen in vetten Omzettingsverhouding 4: 1
8 µg bètacaroteen in gehomogeniseerde wortelen bereid met respectievelijk vette of gekookte groene bladgroenten. Omzettingsverhouding 8: 1
12 µg bètacaroteen in gekookte, gezeefde wortelen Omzettingsverhouding 12: 1
26 µg bètacaroteen in gekookte groenbladige groenten Omzettingsverhouding 26: 1

Om een ​​vitamine A-activiteit te bereiken die overeenkomt met de opname van 1 µg all-trans-retinol, moet een bètacaroteenopname van bijvoorbeeld 2 µg uit melk12 µg van gekookte, gezeefde wortelen of 26 µg van gekookte bladgroenten is vereist. Dit maakt duidelijk dat door gerichte voedselselectie, aanwezigheid van voedingsvetten en voedselverwerkingsprocessen, zoals koken of mechanisch vermalen, er hoeft minder bètacaroteen uit de voeding te worden geleverd voor omzetting in retinol, wat te wijten is aan hun verbeterde intestinale absorptie. Met een toename van de absorptie van bètacaroteen neemt ook de omzetting van de carotenoïde in retinol in enterocyten toe.

Transport en distributie in het lichaam

Het deel van bètacaroteen dat niet is gemetaboliseerd tot retinol in de mucosale cellen van de dunne darm wordt samen met retinylesters en andere lipofiele stoffen opgenomen in chylomicronen (CM, lipide-rijke lipoproteïnen), die worden uitgescheiden (uitgescheiden) in de interstitiële ruimten van enterocyten door exocytose (transport van stoffen uit de cel) en afgevoerd via de weefselvocht​ Via de truncus intestinalis (ongepaarde lymfatische verzamelstam van de buikholte) en ductus thoracicus (lymfatische verzamelstam van de borstholte) komen de chylomicronen de subclavia binnen ader (subclavia-ader) en halsader (halsader), die samenkomen om de brachiocefale ader (linkerkant) te vormen - angulus venosus (veneuze hoek). De venae brachiocephalicae van beide kanten verenigen zich om de ongepaarde meerdere te vormen vena Cava (superieure vena cava), die uitkomt in de rechter atrium van de hart-​ Chylomicronen worden in het perifere gebied ingebracht circulatie door de pompende kracht van de hart-​ Chylomicronen hebben een halfwaardetijd (tijd waarin een waarde die exponentieel afneemt met de tijd wordt gehalveerd) van ongeveer 30 minuten en worden afgebroken tot chylomicronresten (CM-R, magere chylomicronresten) tijdens transport naar de lever​ In deze context lipoproteïne lipase (LPL) speelt een cruciale rol, die zich op het oppervlak van endotheelcellen van bloed haarvaten en leidt tot de opname van gratis vetzuren en kleine hoeveelheden beta-caroteen en retinylesters in verschillende weefsels, bijvoorbeeld spieren, vetweefsel en borstklier, door lipidesplitsing. Het merendeel bestaat echter uit bètacaroteen en veresterd retinol moleculen blijven in de CM-R's, die binden aan specifieke receptoren in de lever en worden opgenomen in de parenchymcellen van de lever door middel van receptorgemedieerde endocytose (bezwering van de celmembraan → wurging van CM-R-bevattende blaasjes (celorganellen) in het celinterieur). Terwijl retinylesters de metabolische route van vitamine A volgen, wordt bètacaroteen gedeeltelijk gemetaboliseerd (gemetaboliseerd) tot retinol en / of opgeslagen in levercellen. Het andere deel wordt opgeslagen in VLDL (very low dichtheid lipoproteïnen; lipide-bevattende lipoproteïnen met een zeer lage dichtheid), waardoor de carotenoïde via de bloedbaan naar extrahepatische ("buiten de lever") weefsels reist. Zoals VLDL circuleert in de bloed bindt aan perifere cellen, lipiden worden gesplitst door de werking van LPL en de vrijgekomen lipofiele stoffen, waaronder bètacaroteen, worden geïnternaliseerd (intern opgenomen) door passieve diffusie. Dit resulteert in het katabolisme van VLDL naar IDL (intermediate dichtheid lipoproteïnen). IDL-deeltjes kunnen door de lever worden opgenomen op een receptorgemedieerde manier en daar worden afgebroken of worden gemetaboliseerd in de bloed plasma door een triglyceride lipase (vetsplitsend enzym) naar cholesterol-rijk LDL (laag dichtheid lipoproteïnen). beta-caroteen gebonden aan LDL wordt enerzijds via receptorgemedieerde endocytose opgenomen in de lever en extrahepatische weefsels en anderzijds HDL (lipoproteïnen met hoge dichtheid; eiwitrijke lipoproteïnen met hoge dichtheid), die betrokken zijn bij het transport van bèta-caroteen en andere lipofiele moleculen, vooral cholesterol, van perifere cellen terug naar de lever. Het totale lichaamsgehalte van bètacaroteen is ongeveer 100-150 mg. Provitamine-A wordt aangetroffen in alle organen van de mens, met de hoogste concentraties in de lever, bijnieren, testikels (testikels), En eierstokken (eierstokken), vooral het corpus luteum (corpus luteum). Opslag van de carotenoïde is 80-85% in onderhuids vetweefsel (onderhuids vet) en 8-12% in de lever. Bovendien wordt bètacaroteen marginaal opgeslagen in de longen, hersenen, hart-, skeletspier, huid, en andere organen. Er is een directe maar niet lineaire correlatie tussen weefselopslag en orale inname van de carotenoïde. Beta-caroteen wordt dus slechts zeer langzaam afgegeven uit weefseldepots gedurende enkele weken na stopzetting van de inname. In het bloed wordt bètacaroteen getransporteerd door lipoproteïnen, die zijn samengesteld uit lipofiele moleculen en apolipoproteïnen (eiwitdeel, functie als structurele scaffold en / of herkennings- en koppelingsmolecuul, bijvoorbeeld voor membraanreceptoren), zoals Apo AI, B-48, C-II, D en E. De carotenoïde wordt ook getransporteerd door lipoproteïnen. De carotenoïde is voor 58-73% gebonden LDL, 17-26% gebonden aan HDL, en 10-16% gebonden aan VLDL [13, 23, 33, 36-38, 45]. In een normaal gemengd dieet, de bètacaroteenconcentraties in het serum variëren van 20-40 µg / dl (0.4-0.75 µmol / l), waarbij vrouwen gemiddeld 40% hogere waarde hebben dan mannen. Naast geslacht, biologische leeftijd, volksgezondheid status, totaal lichaamsvet massa en alcohol en sigarettenconsumptie kan ook de serum-bètacaroteenconcentraties beïnvloeden. Terwijl de carotenoïde optimaal effectief is bij een serumniveau van ≥ 0.4 µmol / l - in termen van volksgezondheid profylaxe - serumconcentraties <0.3 µmol / l kunnen worden geïdentificeerd als tekorten aan bètacaroteen. bètacaroteen is placenta-doorlaatbaar en gaat over in moedermelk​ In menselijk serum en moedermelk34 van de ongeveer 700 bekende carotenoïden, waaronder 13 geometrische all-trans-isomeren, zijn tot op heden geïdentificeerd. Hiervan is bètacaroteen het vaakst gedetecteerd, samen met luteïne, cryptoxanthine, zeaxanthine en alfa-caroteen. Beta-caroteen is goed voor ongeveer 15-30% van de totale carotenoïden in serum. Hoewel provitamine-A voornamelijk in zijn all-trans-vorm in serum voorkomt, is de cis-configuratie (9-cis-bètacaroteen) constant aanwezig in weefselvoorraden.

afscheiding

Niet-geabsorbeerd bètacaroteen verlaat het lichaam via de ontlasting (ontlasting), terwijl apocarotenalen en andere metabolieten van bètacaroteen via de urine worden uitgescheiden. Om de metabolieten om te zetten in een uitscheidbare vorm, ondergaan ze een biotransformatie, net als alle lipofiele (in vet oplosbare) stoffen. Biotransformatie vindt plaats in veel weefsels, vooral in de lever, en kan in twee fasen worden verdeeld:

  • In fase I worden de metabolieten van bètacaroteen gehydroxyleerd (insertie van een OH-groep) om de oplosbaarheid door het cytochroom P-450-systeem te verhogen.
  • In fase II vindt conjugatie plaats met sterk hydrofiele (in water oplosbare) stoffen - voor dit doel wordt glucuronzuur met behulp van glucuronyltransferase overgebracht naar de eerder ingevoegde OH-groep van de metabolieten

Veel van de metabolieten van bètacaroteen zijn nog niet opgehelderd. Aangenomen kan echter worden dat de excretieproducten voornamelijk geglucuronideerde metabolieten zijn. Na een single administratieis de verblijftijd van carotenoïden in het lichaam tussen 5-10 dagen.