类胡萝卜素的研究进展

张岩岩　陈玉超

[摘要]概述类胡萝卜素的种类结构，生物合成以及生物功能和性质，以及类胡萝卜素的抗癌功能的研究近况。

[关键词]类胡萝卜素 β-胡萝卜素 番茄红素

中图分类号：Q595文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0120008－01

一、概述

类胡萝卜素是在自然界中广泛存在的一类天然色素的总称。它是黄红色的色素，具有多种生物活性，并且可以作为常用的着色剂。它们广泛存在于微生物、植物、动物及人体内，是生物体必不可少的组成成分。类胡萝卜素仅在植物和微生物可自行合成。已明确结构的类胡萝卜素有600余种，其中大部分已知的类胡萝卜素是由8个类异戊二烯组成，碳原子数40的四萜(tetraterpenes)占多数，但也有碳原子数少于40的类胡萝卜素（如β－脱辅基－胡萝卜醛）以及近期在古细菌中发现的碳原子数大于40的类胡萝卜素。除了少数类胡萝卜素以游离态的形式呈现，大部分通常与糖呈结合态的形式，在动物体内通常与蛋白质结合形成类胡萝卜素蛋白。

类胡萝卜素具有重要的生物学功能，作为强抗氧化剂，能高效猝灭单线态氧；在细胞膜上也起着重要的作用，通过缝间连接交流，与其它蛋白质分子相互作用；是光合生物必不可少的组分；此外，它们与人类的健康关系密切，能防御人类的一些致命疾病，对免疫系统具有保护作用。

二、类胡萝卜素的种类与结构

类胡萝卜素是类异戊二烯化合物，由尾-尾相连的两个二十碳单位构成四十碳分子的母体碳架，并由此衍生出多种不同的化合物。类胡萝卜素分子最显著的结构特征是分子中含有一个共轭体系，由不同数目的双键或单链的长链所构成的中央区域形成。它们都含有带有9～13个共轭双键的异戊二烯链，在链的两端各有一个β-紫萝酮环，通过末端的环化，异构化或键的旋转等方式，形成多种衍生物。

三、生物合成

所有的类胡萝卜素均通过类异戊二烯化合物或萜类化合物途径合成[1]。IPP(异戊烯焦磷酸)是其前体物质。IPP在IPP异构酶作用下生成DMAPP(二甲基丙烯基二磷酸)，然后与3个IPP缩合，依次生成GPP(拢牛儿焦磷酸)、FPP(法尼基二磷酸)和GGPP(拢牛儿基拢牛儿焦磷酸)。2个GGPP在PSY(八氢番茄红素合成酶)作用下形成第一个无色的类胡萝卜素八氢番茄红素。八氢番茄红素经过连续的脱氢反应，使共轭双键延长，直至形成链孢红素、番茄红素。番茄红素在不同的环化酶作用下分别生成α-胡萝卜素、β-胡萝卜素。在α、β胡萝卜素的C4(C4′)位置引入酮基和（或）C3(C3′)位置引入羟基以及在β环上引入C(5，6)环氧基后，则形成结构更为复杂的叶黄素[2]。

Ａ：GGPP；B：八氢番茄红素；C：六氢番茄红素；D：ζ-萝卜素；Ｅ：链孢红素；Ｆ：番茄红素；Ｇ：γ-胡萝卜素；Ｈ：β-胡萝卜素；Ｉ：β-隐黄质；Ｊ：玉米黄质；Ｋ：环氧玉米黄质；Ｌ：堇菜黄素；Ｍ：新黄质；Ｎ：α-玉米胡萝卜素；Ｏ：δ-胡萝卜素；Ｐ：α-胡萝卜素；Ｑ：叶黄素；Ｒ：β-柠乌素；Ｓ：辣椒红；Ｔ：辣椒玉红素；①八氢番茄红素合成酶；②八氢番茄红素脱饱和酶；③δ-胡萝卜素脱氢酶；④番茄红素ε－环化酶；⑤β-环脱氢酶；⑥番茄红素β-环化酶；⑦辣椒红/辣椒玉红素合成酶；⑧玉米黄质环氧酶；⑨堇菜黄素脱环氧化酶。

四、生物学功能

（一）抗氧化性

类胡萝卜素分子结构中含有多个共轭双键，这种特殊的结构赋予它猝灭单线态氧的能力。可以与自由基起反应，形成无害的产物，或通过破坏自由基链反应，将自由基清除。在植物中类胡萝卜素可清除活性氧而使植物免遭强太阳光的灼伤。在动物体内的类胡萝卜素可捕获自由基，从而保护动物细胞免遭自由基的破坏[2]。

抗氧化功能使得类胡萝卜素能够减少自由基对细胞遗传物质(DNA，RNA)和细胞膜的损伤。羟基自由基能够损伤90%的DNA，单线态氧和羟基自由基能使DNA的双链断裂。如果遗传物质的损伤长时间不能修复，将会导致癌细胞生成。

类胡萝卜素既能增强特异性和非特异性免疫，也能增强肿瘤的免疫性。类胡萝卜素增强免疫活性主要通过下列方式起作用：抑制免疫活性细胞过度反应；猝灭引起免疫抑制的过氧化物，维持膜的液态流动性；有助于维持免疫功能必需的膜受体状态；对免疫调节分子起作用。通过上述机制，增强了淋巴Ｔ细胞，巨噬细胞或ＮＫ细胞等的抗肿瘤功能。

类胡萝卜素是动物体内非酶型的断裂性抗氧化剂，在众多的非酶型抗氧化剂中水溶性的有抗坏血酸、谷胱甘肽、尿酸盐和胆红素等，脂溶性的有α-生育酚、β-生育酚、β-胡萝卜素、α-胡萝卜素、番茄红素、玉米黄素、叶黄素、泛酸等。其中类胡萝卜素对单线态氧的猝灭能力明显高于α-生育酚和抗坏血酸。许多研究表明，在机体衰老、患病及炎症过程中，体内自由基增加，而类胡萝卜素则能抑制自由基的产生，从而延缓衰老和预防癌症。

众多的类胡萝卜素中，研究较为详细的两种具有抗癌作用的是β-胡萝卜素和番茄红素。β-胡萝卜素有较强的抗氧化性，具有很强的清除自由态单线氧的功能。它可以保护巨噬细胞免受自身氧化的损失，促进Ｔ淋巴细胞群体的增殖。因癌变过程是一种渐进过程，β-胡萝卜素作为一种预防因素，无疑有积极作用。

（二）类胡萝卜素分子在细胞膜上的重要作用

类胡萝卜素通常位于细胞膜上，是复杂的膜结构的组成成分。研究表明，类胡萝卜素分子在细胞膜上的定位取决于它们各自的具体结构特征。由碳氢元素组成的类胡萝卜素如β-胡萝卜素，番茄红素等，能完全进入膜的内部并且保持一定的流动性；而当类胡萝卜素分子中出现极性取代基，尤其当取代基是羟基时，它们在膜上的定位会受到很大影响。

不同结构的类胡萝卜素分子能与细胞膜上不同区域的分子发生反应。β-胡萝卜素、番茄红素只能与膜内部疏水层的基团发生有效反应；而玉米黄质的末端基团却有穿入极性区的能力，然后出现在水环境中，能与水相中的自由基团起反应[3]。所以，一些类胡萝卜素是膜的抗氧化保护剂。

此外，类胡萝卜素分子在膜上的方位也会影响膜的性质。像玉米黄质等类胡萝卜素，由于它们的分子中有2个跨越膜的极性末端基团，因此，它们能作为膜结构的“护墙”，增加膜的刚度和机械强度。类胡萝卜素分子能影响膜的厚度、强度和流动性，并影响膜对水、氧气及其他分子的通透性[4]。

（三）类胡萝卜素是光合生物必不可少的组分

类胡萝卜素在光合作用过程中有两种作用：即光吸收和光保护。一方面，类胡萝卜素分子能吸收可见光，形成激发态后，将能量传递给叶绿素；另一方面，类胡萝卜素分子又可将具有高度活性的单线态氧中的能量以热的形式释放出来，使之转变为基态氧，从而对光合生物起到必不可少的保护作用。

五、展望

综上所述，人们研究过的几种类胡萝卜素都表现出了很高的应用价值。据报道已经有人将类胡萝卜素的功能应用在动物的生殖培养以及癌症的治疗等方面[5]。在人们发现的600余种类胡萝卜素中，仅有十几种为人们所研究熟知，还有更多的类胡萝卜素以及它们的特殊功能性质等待人们去研究探索。

参考文献：

[1]Carol P,Kuntz M.A plastid terminal oxidase comes to light:implications for carotenoid biosynthesis and chlorespiration [J].Trends Plant Sci,2001,6:31－36.

[2]Ali El-Agamey,Gordon M. Lowe.Carotenoid radical chemistry and antioxidant/pro-oxidant properties.Archives of Biochemistry and Biophysics 430 (2004) 37－48.

[3]Bertram JS,Induction of connexin 43 by carotenoids:functional consequences, Archives of Biochemistry and Biophysics 430 (2004) 120－126.

[4]赵文恩、李艳杰、崔艳红、乔宪生，类胡萝卜素生物合成途径及其控制与遗传操作，西北植物学报2004.24(5):930－942.

[5]刘仲栋，几类天然色素的生理功能，中国食品报，2002.10-15.

作者简介：

张岩岩，本科，阜阳市冠亚质量检测公司，助理工程师；陈玉超，本科，阜阳市冠亚质量检测公司，助理工程师。