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Salute umana e carotenoidi: quali benefici?

Carotenoidi e salute umana

carotenoidi fanno parte della categoria di composti bioattivi assunti con l’alimentazione, ossia molecole in grado di fornire protezione nei confronti di numerose patologie quali le malattie cardiovascolari, i tumori e la degenerazione maculare. Sono importanti anche per il corretto funzionamento del sistema immunitario, dunque essenziali per la salute umana.
Tra i meccanismi che sembrano essere alla base dei loro effetti sulla salute umana sono stati riportati (Olson, 1999, in Bibliografia):

  • l’azione di quencher dell’ossigeno singoletto;
  • lo scavenging dei radicali superossido e di specie reattive dell’azoto;
  • la modulazione del metabolismo dei carcinogeni;
  • l’inibizione della proliferazione cellulare;
  • l’aumento della risposta del sistema immunitario;
  • l’azione di filtro nei confronti della luce blu;
  • l’aumento della differenziazione cellulare (attraverso i retinoidi);
  • la stimolazione della comunicazione tra le cellule.

Carotenoidi, attività antiossidante e salute umana

Salute Umana e Carotenoidi
Fig. 1 – Radicale Libero

I carotenoidi, con l’adattamento degli organismi all’ambiente aerobico, e quindi alla presenza di ossigeno, hanno offerto protezione nei confronti del danno ossidativo da radicali liberi, in particolare ad opera dell’ossigeno singoletto, un potentissimo ossidante.
La stabilizzazione dell’ossigeno singoletto operata dai carotenoidi è sia di natura chimica che fisica:

  • l’azione di natura chimica comporta l’unione tra le due molecole;
  • in quella di natura fisica, il radicale trasferisce la sua energia di eccitazione al carotenoide, divenendo un radicale a bassa energia, mentre il carotenoide risulta eccitato. L’energia acquisita dal carotenoie è in seguito rilasciata in forma di calore nell’ambiente circostante e la molecola, che risulta intatta, può svolgere altri cicli di stabilizzazione.

La capacità dei carotenoidi di neutralizzare l’ossigeno singoletto è dovuta al sistema di doppi legami coniugati presente nella molecola, e la massima protezione è data da quei carotenoidi che posseggono nove o più doppi legami coniugati (ma sembra avere un ruolo anche la presenza nella molecola dell’ossigeno, come nelle xantofille).
I carotenoidi sono coinvolti non solo nella neutralizzazione dell’ossigeno singoletto, ma anche nello scavenging di altri specie reattive sia dell’ossigeno, come i radicali perossidici (contribuendo così alla riduzione della perossidazione lipidica) che dell’azoto, molecole che si generano durante il metabolismo aerobico ed i processi patologici.

Licopene, xantofille e salute umana

Il licopene, un carotene, la cantaxantina e la astaxantina, due xantofille presenti in cibi di origine animale, si sono dimostrati antiossidanti più efficaci rispetto al beta-carotene ma anche alla zeaxantina che, con la luteina, è implicata nella prevenzione della degenerazione maculare legata all’età.
Il licopene, oltre che agire sui radicali liberi dell’ossigeno, agisce come antiossidante anche sui radicali della vitamina E e della vitamina C, che si generano durante i processi antiossidanti in cui sono coinvolte, “riparandoli”.
Infine il licopene esercita la sua azione antiossidante anche indirettamente, inducendo la sintesi di enzimi coinvolti nella protezione nei confronti dell’azione dei radicali liberi dell’ossigeno ed altre specie elettrofile; gli enzimi in questione sono la superossido dismutasi, la glutatione S-transferasi e la chinone reduttasi (che fanno parte del sistema antiossidante di natura enzimatica).

Vitamina A e salute umana

Salute Umana e Vitamina A
Fig. 2 – Attività di Provitamina A

La vitamina A (retinolo o beta-apo-15′-carotenale), la cui carenza colpisce oltre 100 milioni di bambini in tutto il mondo causando più di un milione di vittime e mezzo milione di casi di cecità, è un ben noto derivato di alcuni carotenoidi con moltissime funzioni biologiche, essendo essenziale per la crescita, la riproduzione, la vista, la funzione immune e la salute umana in generale.

Le principali fonti della vitamina A sono la vitamina preformata, presente in prodotti di origine animale (carne, uova, latte, ecc.), ed i carotenoidi con azione di provitamina A, presenti nella frutta e verdura, che rappresentano la principale fonte della vitamina nei paesi poveri.
Degli oltre 750 carotenoidi identificati in natura, solo una cinquantina hanno attività di provitamina A, e tra questi, il beta-carotene (all-trans-beta-carotene) è il precursore principale.
Tra gli altri carotenoidi, l’alfa-carotene, il gamma-carotene, la beta-criptoxantina l’alfa-criptoxantina, e il beta-carotene-5,6-epossido hanno circa la metà della bioattività del beta-carotene come precursori della vitamina A.
Gli spinaci, le carote, le patate dolci (a pasta gialla) e le zucche sono alcuni vegetali ricchi di beta-carotene ed altri carotenoidi con azione di provitamina A.
I caroteni aciclici, come il licopene (il principale carotenoide presente nella dieta umana), e le xantofille, tranne le tre sopramenzionate (beta-criptoxantina, alfa-criptoxantina, e beta-carotene-5,6-epossido), non possono essere convertiti in vitamina A.

Bibliografia

de la Rosa L.A., Alvarez-Parrilla E., Gonzàlez-Aguilar G.A. Fruit and vegetable phytochemicals: chemistry, nutritional value, and stability. 1th Edition. Wiley J. & Sons, Inc., Publication, 2010

Johnson E.J. The role of carotenoids in human health. Nutr Clin Care 2002;5(2):56-65 [Abstract]

Olson, J.A. 1999. Carotenoids. p. 525-541. In: Shils M.E., Olson J.A., Shike M., Ross A.C. “Modern nutrition in health and disease” 9th ed., by Lippincott, Williams & Wilkins, 1999

Ross A.B., Thuy Vuong L., Ruckle J., Synal H.A., Schulze-König T., Wertz K., Rümbeli R., Liberman R.G., Skipper P.L., Tannenbaum S.R., Bourgeois A., Guy P.A., Enslen M., Nielsen I.L.F., Kochhar S., Richelle M., Fay L.B., and Williamson G. Lycopene bioavailability and metabolism in humans: an accelerator mass spectrometry study. Am J Clin Nutr 2011;93:1263-73 [Abstract]

Funzioni dei carotenoidi nelle piante ed alimenti

carotenoidi nel corso dell’evoluzione, grazie alle loro proprietà chimiche e fisiche uniche, si sono dimostrati molecole estremamente versatili, essendo in grado di svolgere molte funzioni sia nelle piante che negli animali.

Carotenoidi e fotosintesi

I carotenoidi, nelle prime fasi della comparsa degli organismi unicellulari fotosintetizzanti sono probabilmente serviti per l’assorbimento dell’energia luminosa a lunghezze d’onda differenti rispetto a quelle coperte dalla clorofilla.
Dunque i carotenoidi, agendo come pigmenti fotoassorbenti accessori, hanno permesso di espandere l’intervallo di radiazione solare assorbibile e quindi utilizzabile per la fotosintesi, energia che poi trasferiscono alla clorofilla stessa.
I principali carotenoidi coinvolti nell’assorbimento della luce, che si accumulano nei tessuti verdi delle piante, sono la luteina, il beta-carotene, la violaxantina e la neoxantina, che assorbono nell’intervallo tra 400 e 500 nanometri.
Inoltre proteggono la clorofilla dalla foto-ossidazione (nell’uomo possono concorrere alla protezione dal danno foto-ossidativo causato dai raggi UV, dunque agire come foto-protettori endogeni).

Carotenoidi e colori delle foglie in autunno

Carotenoidi e Colori delle Foglie delle Piante in Autunno
Fig. 1 – Carotenoidi e Colori delle Foglie in Autunno

Il colore assunto nelle diverse stagioni dalle foglie delle piante caducifogli, verde, giallo, arancio o rosso, è dovuta alla presenza al loro interno di pigmenti naturali.
In primavera ed estate il pigmento presente in quantità maggiore nelle foglie è la clorofilla per cui il colore predominante è il verde.
Durante l’autunno il colore vira dal verde al giallo, arancio o rosso, a seconda del tipo di pianta: ciò è conseguenza del cambiamento, sia qualitativo che quantitativo, nel contenuto in pigmenti. Infatti, a seguito della diminuzione della temperatura e delle ore di luce, la produzione di clorofilla si interrompe e quella presente viene demolita in metaboliti privi di colore; in questo modo i pigmenti predominanti diventano i carotenoidi (giallo-arancio), molecole molto più stabili rispetto alla clorofilla, che quindi permangono nella foglia colorandola (non sembra siano sintetizzati de novo), e gli antociani (rosso-porpora), che a differenza dei carotenoidi non sono presenti durante la stagione di crescita ma sono sintetizzate in autunno, poco prima della caduta delle foglie. Si può quindi concludere che il colore rosso-porpora assunto dalle foglie di certi alberi non è un semplice effetto collaterale della senescenza bensì deriva da una sintesi de novo di antociani.
A seconda della prevalenza di carotenoidi o antociani il colore della foglia virerà dal verde al giallo/arancio, come nel Ginkgo biloba (giallo), o al rosso-porpora, come in alcuni aceri.

E le piante con foglie non verdi?
Il loro colore è dovuto non all’assenza di clorofilla bensì alla presenza di quantità molto elevate di altri pigmenti, in genere carotenoidi ed antociani, che “coprono” la clorofilla, determinando il colore della foglia.

Alcune funzioni degli apocarotenoidi nelle piante e negli alimenti

Questi carotenoidi ossigenati, formati da meno di 40 atomi di carbonio, svolgono molteplici funzioni nelle piante e negli animali e sono importanti anche per l’aroma ed il sapore dei cibi.
Di seguito alcune delle loro principali funzioni.

  • Hanno ruoli significativi nei segnali di risposta coinvolti nello sviluppo e nella risposta all’ambiente (come l’acido abscissico).
  • Possono fungere da segnali visivi o volatili per attirare gli agenti impollinatori.
  • Sono importanti nei meccanismi di difesa delle piante.
  • Hanno un ruolo nella regolazione dell’architettura vegetale.
  • Un apocarotenale, il trans-beta-apo-8’-carotenale, presente negli spinaci e agrumi, con una debole attività di pro-vitamina A, è utilizzato nella farmaceutica e cosmesi, ed è anche un additivo (E160e) legalizzato dalla Commissione europea per l’alimentazione umana.
  • Contribuiscono in modo importante al sapore e alla qualità nutrizionale di diversi tipi di alimenti quali frutta, tè, e vino. Due ben noti apocarotenoidi naturali, la bixina e la crocetina, hanno importanza economica come pigmenti e aromi negli alimenti.
  • Infine, una vasta gamma di apocarotenali sono prodotti da reazioni ossidative durante la lavorazione dei cibi e sono intermedi nella formazione di molecole più piccole, importanti per il colore e sapore del cibo.
Bibliografia

Archetti, M., Döring T.F., Hagen S.B., Hughes N.M., Leather S.R., Lee D.W., Lev-Yadun S., Manetas Y., Ougham H.J. Unravelling the evolution of autumn colours: an interdisciplinary approach. Trends Ecol Evol 2009;24(3):166-73 [Abstract]

de la Rosa L.A., Alvarez-Parrilla E., Gonzàlez-Aguilar G.A. Fruit and vegetable phytochemicals: chemistry, nutritional value, and stability. 1th Edition. Wiley J. & Sons, Inc., Publication, 2010

Carotenoidi: definizione, struttura, classificazione

Carotenoidi: contenuti in breve

Cosa sono i carotenoidi?

Una Fonte di Carotenoidi: le Carote
Fig. 1 – Carote

I carotenoidi sono pigmenti liposolubili (si sciolgono nei grassi) ampiamente presenti in natura.
I carotenoidi sono stati scoperti nel corso del XIX secolo.
Nel 1831 Wachen propose il termine “carotene” per un pigmento cristallizzato dalla carota.
Berzelius chiamò i pigmenti gialli più polari estratti dalle foglie durante l’autunno “xantofille” (in origine “filloxantine”), dal greco xanthos, che significa giallo, e phyllon, che significa foglia.
Tswett riuscì a separare molti pigmenti e chiamò l’intero gruppo “carotenoidi”.

Si ritrovano nei cromoplasti delle piante e di alcuni altri organismi fotosintetici come le alghe, in alcuni tipi di funghi e batteri, e sono prodotti anche da alcuni invertebrati (Afidi).
Si contano più di 750 diverse molecole con colorazione variabile dal rosso (ad es. il licopene) all’arancio (ad es. l’alfa-carotene, il beta-carotene, e il gamma-carotene) fino al giallo (ad es. la luteina, la alfa-criptoxantina o la violaxantina); più di 100 sono stati trovati nella frutta e verdura.
In alcune piante verdi e nelle loro parti in genere più il verde è intenso e maggiore è in contenuto in carotenoidi; ad esempio, il contenuto in carotenoidi del cavolo verde pallido è inferiore all’1% rispetto a quella del cavolo verde scuro.
I carotenoidi della frutta sono molto vari, e quelli dei frutti maturi possono essere diversi da quelli dei frutti acerbi.
Sono ampiamente presenti anche negli animali e nei microorganismi.
Negli organismi in cui sono presenti i carotenoidi svolgono diverse e importanti funzioni.

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Struttura chimica dei carotenoidi

I carotenoidi una classe di composti idrocarburici contenenti 40 atomi di carbonio (tetraterpeni), con una struttura caratterizzata dalla presenza di numerosi doppi legami coniugati che ne determinano il colore (funzionano come un cromoforo fotoassorbente): all’aumentare del numero dei doppi legami coniugati il colore vira dal giallo pallido, all’arancione fino al rosso.
In natura si ritrovano principalmente nella configurazione isomerica trans, più stabile, sebbene siano presenti anche piccole quantità di isomeri cis (che possono essere prodotti dalle forme trans anche durante la lavorazione).
Tradizionalmente, ai carotenoidi sono stati assegnati nomi comuni provenienti dalla fonte biologica da cui sono stati isolati. Tuttavia esiste anche una nomenclatura semisistematica che permette di assegnare ai carotenoidi nomi in modo da definirne e descriverne la struttura.

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Classificazione dei principali carotenoidi

Sulla base della presenza o meno di ossigeno nella molecola possono essere suddivisi in:

  • xantofille, che contengono ossigeno, come:

Anteraxantina
Astaxantina (rosso)
Auroxantina
Bixina, E160b
Cantaxantina (rosso), E161g
Capsantina, E160c
Capsorubina, E160c
β-Carotene-5,6-epossido
alfa-Criptoxantina (giallo)
beta-Criptoxantina (arancio)
Crocetina
Luteina (giallo), E161b
Luteina-5,6-epossido o taraxantina
Luteoxantina
Licofilla
Licoxantina
Neoxantina
Rubixantina
Tunaxantina
Violaxantina (giallo)
Zeaxantina (giallo-araancio)
Zeinoxantina

  • caroteni, privi di ossigeno, come:

alfa-Carotene (arancio)
beta-Carotene (arancio), E160a
delta-Carotene
gamma-Carotene (arancio)
Fitoene (senza colore)
Fitofluene
Licopene (rosso), E160d
Neurosporene
alfa-Zeacarotene
beta-Zeacarotene
zeta-Carotene

Sulla base della struttura chimica possono essere suddivisi in:

  • caroteni aciclici: costituiti da una catena carboniosa lineare, come:

zeta-Carotene
Fitoene (incolore)
Licopene (rosso), E160d
Neurosporene
Fitofluene

  • caroteni ciclici: contenenti una o due strutture cicliche, come:

alfa-Carotene (arancio)
beta-Carotene (arancio), E160a
gamma-Carotene (arancio)
delta-Carotene
alfa-Zeacarotene
beta-Zeacarotene

  • idrossicarotenoidi o carotenoli: contenenti almeno un gruppo idrossilico (quindi xantofille), come:

alfa-Criptoxantina (giallo)
beta-Criptoxantina (arancio)
Luteina (giallo), E161b
Licofilla
Licoxantina
Rubixantina
Zeaxantina (giallo-arancio)
Zeinoxantina

  •  epossicarotenoidi: contenenti almeno un gruppo epossidico (quindi xantofille), come:

Anteraxantina
Auroxantina
beta-Carotene-5,6-epossido
Luteina-5,6-epossido
Luteoxantina
Neoxantina
Violaxantina (giallo)

  •  carotenoidi non comuni o specie-specifici, come:

Bixina, E160b
Capsantina, E160c
Capsorubina, E160c
Crocetina

Nota: mentre le foglie verdi contengono idrossi-carotenoidi non esterificati, la maggior parte dei carotenoidi presenti nei frutti maturi sono esterificati con acidi grassi. Tuttavia, quelli di alcuni frutti, in particolare di quelli che rimangono verdi a maturazione come il kiwi, subiscono una limitata o assente esterificazione.

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Gli apocarotenoidi

Gli apocarotenoidi sono una classe di carotenoidi, contenenti meno di 40 atomi di carbonio, assai diffusa in natura, con strutture estremamente differenti.
Derivano dalla perdita, per scissione ossidativa, di parte dello scheletro a 40 atomi dei carotenoidi classici; la scissione può avvenire attraverso meccanismi aspecifici, come la foto-ossidazione, o attraverso l’azione di enzimi specifici (queste attività enzimatiche, identificate nelle piante, negli animali e nei microorganismi, sono collettivamente indicate come “carotenoid cleavage dioxygenases”).
Di seguito alcuni tra gli apocarotenoidi più noti:

  • vitamina A
  • acido abscissico
  • bixina, E160b
  • crocetina
  • trans-β-apo-8’-carotenale, E160e

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Bibliografia

Boileau A.C., Merchen N.R., Wasson K., Atkinson C.A. and Erdman Jr J.W. cis-Lycopene is more bioavailable than trans-lycopene in vitro and in vivo in lymph-cannulated ferrets. J Nutr 1999;129:1176-1181 [Abstract]

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Wang X-D. Lycopene metabolism and its biological significance. Am J Clin Nutr 2012:96;1214S-1222S. doi:10.3945/​ajcn.111.032359