植物化學(xué)與天然藥物課件天然類胡蘿卜素3

天然類胡蘿卜素

Carotenoids授課教師:田兵農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院課程內(nèi)容介紹學(xué)時:4學(xué)時+實驗課4學(xué)時主要內(nèi)容：

2)類胡蘿卜素的理化性質(zhì);4)類胡蘿卜素合成代謝的分子生物學(xué)研究1)類胡蘿卜素的結(jié)構(gòu)、分類與生理活性;3)類胡蘿卜素的提取分離與分析鑒定;教材與參考書姜建國主編，《類胡蘿卜素功效與生物技術(shù)》第一版，化學(xué)工業(yè)出版社，2008年參考書:王業(yè)勤,李勤生編著,《天然類胡蘿卜素:研究進展、生產(chǎn)、應(yīng)用》,中國醫(yī)藥科技出版社,1996年第一版吳立軍主編，《天然藥物化學(xué)》，人民衛(wèi)生出版社，2007年第五版蘇立強編著，《色譜分析法》，清華大學(xué)出版社，2009年1月第一版思考題：類胡蘿卜素有哪些結(jié)構(gòu)特征？類胡蘿卜素是如何分類的？天然類胡蘿卜素的主要生理功能是什么？如何從生物樣品中分離鑒定類胡蘿卜素？天然類胡蘿卜素的基本生物合成途徑是什么？生物合成途徑與調(diào)控微生物基因工程植物基因工程概述類胡蘿卜素是由8個類異戊二烯單位連接而成的一類碳?xì)浠衔锛捌溲趸苌?是普遍存在于自然界的一類黃色或紅色的色素。目前已經(jīng)超過700種。類胡蘿卜素是光合生物的基本成分；與生物體顏色有關(guān)；分為不含氧的胡蘿卜素和含氧的類胡蘿卜素及其衍生物（如葉黃質(zhì)）兩大類；結(jié)構(gòu)特征與顏色和功能的關(guān)系LycopeneLuteinβ-caroteneZeaxanthinDeinoxanthin類胡蘿卜素的主要生物學(xué)功能概述類胡蘿卜素是植物進行光合作用的必需物質(zhì)。類胡蘿卜素是人體必不可少的一類物質(zhì)。人體不能自行合成類胡蘿卜素。對人體來說，類胡蘿卜素除了具有原維生素A的活性外，一些重要的類胡蘿卜素,如玉米黃素,是眼色素中不可缺少的成分，若長期攝入不足對眼睛健康極為不利。最近10多年的研究發(fā)現(xiàn)，類胡蘿卜素在防止和抵抗嚴(yán)重的人類健康問題如癌癥、心臟疾病和白內(nèi)障等方面有重要作用.1.類胡蘿卜素的結(jié)構(gòu)、分類與性質(zhì)1.1類胡蘿卜素的結(jié)構(gòu)

類胡蘿卜素是聚異戊二烯復(fù)合物;

通常是由8個異戊二烯單位連接而成;它們通過2個含有C20的分子尾對尾連接而成。所有的類胡蘿卜素都是由C40碳骨架衍變而來的。類胡蘿卜素（carotenoids）按植物化學(xué)成分分類歸屬于四萜類化合物,前體由甲戊二羥酸（MVA）途徑合成

類胡蘿卜素前體由甲戊二羥酸（MVA）途徑合成

MVA是各種類型萜類化合物生物合成的最關(guān)鍵前體IPP和DMAPP是活性的異戊二烯，延長碳鏈1.2類胡蘿卜素的分類按所含元素分類:

一類是碳?xì)浠衔镄偷念惡}卜素，稱胡蘿卜素，僅由碳?xì)鋬煞N元素組成，例如番茄紅素等。另一類是含氧的類胡蘿卜素，稱作葉黃質(zhì)（或稱作氧化型類胡蘿卜素）,含有一些氧代基團，例如羥基、酮基、環(huán)氧基，該類化合物包括：①玉米黃質(zhì)和葉黃素；②紫菌紅醚（含甲基）;③β-胡蘿卜素-4-酮（含氧基）；④花黃素（含環(huán)氧基）1.2類胡蘿卜素的分類按順反異構(gòu)分類:

由于每個碳碳雙鍵結(jié)構(gòu)可以有兩種存在形式，即順式異構(gòu)或反式異構(gòu),依據(jù)類胡蘿卜素分子中存在的雙鍵數(shù)量，理論上可形成全反式、大量不同的單一和多聚順式幾何異構(gòu)體.1.3類胡蘿卜素的一般特性光學(xué)異構(gòu)體由于不對稱碳原子的存在，很多類胡蘿卜素都含有手性中心。這些化合物可能存在不同的空間異構(gòu)形式，如光學(xué)異構(gòu)體或?qū)τ钞悩?gòu)體，它們之間彼此存在鏡像關(guān)系。光學(xué)異構(gòu)體除了有可以與偏振光起作用的性質(zhì)外，還具有和一般異構(gòu)體相同的性質(zhì)。一般天然類胡蘿卜素只以一種可行的對映異構(gòu)體形式存在，這是因為類胡蘿卜素的生物合成是基于光學(xué)異構(gòu)選擇。溶解性：類胡蘿卜素是一類極端親脂的化合物，幾乎不溶于水。它們可以溶解于非極性有機溶劑，如四氫呋喃、鹵代烴和（正）己烷等。在機體中，類胡蘿卜素一般存在于細(xì)胞膜或親脂性組織，如人體脂肪中。它們主要被轉(zhuǎn)移到親脂性脂蛋白中，包括超低密度脂蛋白和高密度脂蛋白。但研究發(fā)現(xiàn)類胡蘿卜素可以與載體蛋白（carotenoidbindingprotein）結(jié)合后，可溶于水，在機體內(nèi)運輸。1.3類胡蘿卜素的一般特性類胡蘿卜素定位在親脂性組織間具有重要的生物學(xué)功能，包括親脂抗氧化活性、在生物膜中起穩(wěn)定作用的特性等PhotosynthesisResearch81:215–225,2004光吸收特性

由于線性共軛雙鍵系統(tǒng)的存在，類胡蘿卜素會表現(xiàn)出黃色、橙色或紅色。它們的吸收光譜與共軛雙鍵的數(shù)量有關(guān)。一般在400～600nm范圍內(nèi)，共軛雙鍵系統(tǒng)越多，最大吸收峰的波長越大，即顏色越深。類胡蘿卜素表現(xiàn)出很高的消光效率，針對這一特點采用適當(dāng)?shù)姆治龇椒▽︻惡}卜素進行檢測具有相當(dāng)高的靈敏度。紫外光譜法是一種典型的用于類胡蘿卜素定量分析方法，類胡蘿卜素的光譜特性還可以提供更多更精細(xì)的結(jié)構(gòu)信息。它們的順式異構(gòu)體有一個額外的吸收帶，其強度取決于順式鍵在分子中的位置。1.3類胡蘿卜素的一般特性1.4類胡蘿卜素的命名習(xí)慣命名法當(dāng)新的類胡蘿卜素被發(fā)現(xiàn)后，人們一般選擇那些能體現(xiàn)它們來源或特性的命名，如把來自胡蘿卜的色素稱為胡蘿卜素；習(xí)慣命名所表達的分子結(jié)構(gòu)方面的信息太少。因此，出版物使用某一類胡蘿卜素的習(xí)慣命名時，一般盡可能同時給出其分子結(jié)構(gòu)圖;一般應(yīng)考慮以下幾個因素：第一次分離和鑒定出該類胡蘿卜素的來源；自然界中該化合物含量最豐富的自然資源；能否借鑒相近的語言（如日語）的名稱。半系統(tǒng)命名法經(jīng)過InternationalUnionofPureandAppliedChemstry(簡稱IUPAC)制定和修改。這種命名方法簡稱為IUPAC規(guī)定，被大量用于新發(fā)現(xiàn)類胡蘿卜素的命名;

類胡蘿卜素的半系統(tǒng)命名法本質(zhì)上講是對類胡蘿卜素化合物的分子結(jié)構(gòu)進行描述;類胡蘿卜素的半系統(tǒng)命名法包括具體幾項規(guī)定:1)化合物的定義所有類胡蘿卜素都可以認(rèn)為是從非環(huán)化的C40H56衍生而來的．它們的基本結(jié)構(gòu)均是由位于中央的多聚烯鏈和位于兩端的末端基團通過氫化、脫氫、環(huán)化和氧化等過程結(jié)合而成的.2)母體名稱所有特殊類胡蘿卜素的命名都是以母體“類胡蘿卜素”為基礎(chǔ)的。3)末端基團的名稱類胡蘿卜素碳?xì)浠衔锏拇_切名稱是通過在母體“胡蘿卜素”前增加兩個希臘字母作為前綴,

代表兩個末端基團希臘字母前綴應(yīng)按字母順序β,γ,ε(Epsilon),κ,?,χ(Chi),ψ列出。在第一個和第二個希臘字母間用逗號分開。第二個字母用連接號與母體名稱相連，如ε,ε-胡蘿卜素等。4)碳骨架編號類胡蘿卜素分子的骨架編號用帶’和不帶’的阿拉伯?dāng)?shù)字表示，由分子兩端向中央進行排序編號。在結(jié)構(gòu)式中，分子左端的碳原子用不帶’的阿拉伯?dāng)?shù)字編號，分子右端的碳原子用帶’的阿拉伯?dāng)?shù)字編號。

IUPAC規(guī)定若分子的兩個末端基團不同，不帶’的阿拉伯?dāng)?shù)字所定位的末端基團（左端的末端基團）在前，帶’的阿拉伯?dāng)?shù)字所定位的末端基團（右端的末端基團）在后5)去甲類胡蘿卜素和裂環(huán)類胡蘿卜素去甲類胡蘿卜素,前綴“去甲”表示從類胡蘿卜素分子中去除CH3、CH2和CH基團。在“去甲”后，類胡蘿卜素分子碳骨架的編碼不變.裂環(huán)類胡蘿卜素,前綴“裂環(huán)”表示環(huán)化類胡蘿卜素分子末端基團中相鄰的兩個碳原子（除了碳原子1和6）間鍵的斷裂。6)分子氫化水平類胡蘿卜素碳?xì)浠衔锟梢园l(fā)生氫化和脫氫變化。這種變化應(yīng)用前綴“氫化”和“脫氫”來表示。在一個命名中，脫氫和氫化同時出現(xiàn)，則按照脫氫在前，氫化在后的順序表示7)氧化衍生物氧化衍生物在IUPAC規(guī)定中，類胡蘿卜素碳?xì)浠衔锏难趸苌锸歉鶕?jù)有機化學(xué)命名法命名的，用前綴和后綴表示。羧酸、酸酯、醛、酮、乙醇和乙醇酯基團用后綴表示，其他基團用前綴表示環(huán)氧衍生物氧橋用前綴“環(huán)氧”表示．氧橋橋頭的兩個碳原子的編號必須在前綴中注明,環(huán)氧化物在理論上是在雙鍵上加一個氧原子形成的．氧化衍生物的編號如果類胡蘿卜素碳?xì)浠衔锬阁w上的兩個末端基團不同，則它們的氧化衍生物根據(jù)4）規(guī)定編號。末端基團用希臘字母表示。

如果類胡蘿卜素碳?xì)浠衔锬阁w上的兩個末端基團相同，分子從最小的含氧取代基位數(shù)開始編號。8）立體化學(xué)手性中心的絕對構(gòu)型用R-S法則表示，同時，用阿拉伯?dāng)?shù)字表明位置。如果未指明是順式構(gòu)型，母體“胡蘿卜素”表示所有雙鍵均為反式構(gòu)型。根據(jù)IUPAC命名法，順式構(gòu)型用前綴“順式”和其位數(shù)表示。目前，IUPAC規(guī)定采用前綴“E”和“Z”代替原有的“反式”和“順式”來表示類胡蘿卜素分子的幾何異構(gòu)現(xiàn)象1.5類胡蘿卜素的化學(xué)性質(zhì)類胡蘿卜素與自由基的反應(yīng)影響自由基反應(yīng)速率的因素包括自由基性質(zhì)、外部環(huán)境（水或脂類區(qū)域）和類胡蘿卜素的結(jié)構(gòu)特征（極性和非極性末端、氧化-還原性質(zhì))類胡蘿卜素與過氧化氫(物)自由基反應(yīng)

第一步是過氧化氫自由基加合在類胡蘿卜素的一個雙鍵上，形成一個共振穩(wěn)定的C中心自由基中間體，如ROO-CAR.（CAR表示類胡蘿卜素）接著，其他的過氧化氫自由基結(jié)合上來形成中性加合物ROO-CAR-OOR;

自由基的基本概念和性質(zhì)

自由基的一般定義：具有一個或幾個未配對電子的化學(xué)性質(zhì)活潑的原子、分子、離子或原子團。廣泛意義上還包括與自由基性質(zhì)近似的化學(xué)性質(zhì)活潑的物質(zhì)，如活性氧（ROS），活性氮（NO）等。

種類：1）氧自由基，羥基自由基（·OH）、超氧陰離子自由基（O2-·），脂質(zhì)過氧化自由基LOO·、還有活性氧H2O2、單線態(tài)氧

1O2等等2）含氮自由基，NO,DPPH·(1，1-二苯基苦基苯肼)自由基的產(chǎn)生產(chǎn)生自由基的化學(xué)反應(yīng)：自由基可通過共價鍵均裂產(chǎn)生，亦可通過電子俘獲產(chǎn)生．（1）共價鍵的均裂：

A：BA·+B·裂解方式有熱解．光解、輻射作用、氧化還原偶聯(lián)反應(yīng)等。

（2）電子俘獲反應(yīng)形成自由基

如氧分子俘獲水合電子生成超氧陰離子自由基：自由基的性質(zhì)：（1）物理性質(zhì)：不成對電子的自旋產(chǎn)生順磁性。什么是順磁性？每個分子軌道上不能存在兩個自旋態(tài)相同的電子，因而各個軌道上已成對的電子自旋運動產(chǎn)生的磁矩是相互抵消的，只有存在未成對電子的物質(zhì)才具有永久磁矩，它在外磁場中呈現(xiàn)順磁性。（2）化學(xué)性質(zhì)：自由基一般具活潑的化學(xué)活性；自由基的活性是指一種自由基與其它作用物反應(yīng)的容易程度．自由基的活性除與自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)外．還與反應(yīng)物和反應(yīng)條件密切相關(guān)；

絕大多數(shù)自由基難于在通常條件下存在，例如·CH3等存在幾分之一秒．所以不易制備；除用特殊方法外，難于檢測其存在。但也有少數(shù)自由基能在室溫下溶液中存在，例如三苯甲基自由基，DPPH·等．類胡蘿卜素的主要自由基反應(yīng)類型類胡蘿卜素自由基與氧分子的反應(yīng)以與氧氣反應(yīng)，最終生成5，8一過氧化物，在含水環(huán)境中CAR.+易失去一個質(zhì)子，而生成中性的自由基。這類中性類胡蘿卜素自由基與氧氣反應(yīng)，生成具有助氧化性的類胡蘿卜素過氧化物自由基

類胡蘿卜素的助(促)氧化作用在高濃度的氧環(huán)境，以及高濃度的類胡蘿卜素條件下,可能起到促(助)氧化的作用。主要原因假說:

①在與過氧化氫自由基相互作用后，類胡蘿卜素分子可能被異構(gòu)化、氧化或斷裂生成在生物體系內(nèi)不同的、可能有破壞作用的活性產(chǎn)物。

②高濃度類胡蘿卜素改變了生物膜的性質(zhì)，并可能影響其對毒素、氧分子和自由基的通透性。在這種特殊的情況下，不同的類胡蘿卜素可能無法像它們在低濃度時那樣起作用，它們與活性氧(ROS)或其他抗氧化劑相互作用的能力可能被改變。③與ROS的相互作用會生成類胡蘿卜素過氧化氫自由基，類胡蘿卜素過氧化氫自由基產(chǎn)生脂類氧化物。2.類胡蘿卜素的生理活性與功能2.1植物中類胡蘿卜素的功能在花和水果中，類胡蘿卜素位于色素母細(xì)胞內(nèi);類胡蘿卜素常常與蛋白結(jié)合在一起。這些蛋白質(zhì)其大小為30～35kDa葉綠體中含有類胡蘿卜素;光合作用中，類胡蘿卜素起著必不可少的作用。類胡蘿卜素主要有兩種功能:1)作為光吸收階段光合作用的輔助色素

2)在強光下保護細(xì)胞免遭氧化損傷2.1植物中類胡蘿卜素的功能

在植物中，類胡蘿卜素是光捕獲系統(tǒng)中的必需成分，它們可以吸收光量子并將能量傳遞給葉綠素，由此協(xié)助植物吸收450～570nm波長范圍的光。起這種作用的類胡蘿卜素主要有葉黃素、紫黃質(zhì)和新黃質(zhì)。在葉綠體中，β-胡蘿卜素是光系統(tǒng)I和Ⅱ中的核心成分。在光系統(tǒng)Ⅱ的反應(yīng)中心含有15-順式-β-胡蘿卜素。而在復(fù)雜的光捕獲(LHCP)體系中，葉黃質(zhì)是主要的類胡蘿卜素。類胡蘿卜素第二個重要功能是保護光合作用元件在強光下免受氧化損傷，含有9個或更多的共軛雙鍵的類胡蘿卜素分子可從葉綠體中吸收三線態(tài)能量，由此阻止單線態(tài)氧自由基的形成。在藻類植物中，紫黃質(zhì)經(jīng)過光誘導(dǎo)環(huán)化可生成玉米黃質(zhì)，它與葉綠體光保護過程有密切關(guān)系。因為類胡蘿卜素有很強的抗氧化性，可以保護細(xì)胞避免損害。2.1植物中類胡蘿卜素的功能

類胡蘿卜素在植物中的其他功能是賦予花朵和果實不同的顏色，以吸引昆蟲為其傳播種子或授粉?；ǘ渲锌梢园l(fā)現(xiàn)大部分橙色、黃色和紅色色素，其他許多高等植物的器官也得益于色素母細(xì)胞中類胡蘿卜素的積累。2.1植物中類胡蘿卜素的功能

2.2類胡蘿卜素的生物利用與功效

2.2.1人體中常見的類胡蘿卜素黃體素（葉黃素）和玉米黃素黃體素存在于人的視網(wǎng)膜、血漿和其他一些組織中。在視網(wǎng)膜中，黃體素的主要功能是保護接受光氧粒子的感光細(xì)胞，所以黃體素在阻止視網(wǎng)膜斑點惡化方面起著重要的作用。

黃體素?fù)碛谢瘜W(xué)防護活性，能比番茄紅素更有效地溝通連接細(xì)胞間隙和抑制脂肪過氧化反應(yīng)。黃體素和玉米黃素普遍存在于人體卵巢和其他組織中。闊葉菜、芒果、番木瓜果、橘子、桃子、南瓜、菜豆、椰菜、卷心菜、羽衣甘藍、生菜、甘薯和哈密瓜中都含有大量的黃體素番茄紅素血清中定量的一般是番茄紅素的全反式異構(gòu)物，雖然9一順式異構(gòu)物、13-順式異構(gòu)物、15-順式異構(gòu)物也有可測信號并約占總番茄紅素的50%．番茄紅素不能在體內(nèi)轉(zhuǎn)化為維生素A，其生物和物理化學(xué)性質(zhì)，尤其是它的抗氧化性，已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。番茄紅素在抗氧化性能上比α-胡蘿卜素、β-胡蘿卜素、葉黃質(zhì)、黃體素、玉米黃質(zhì)更有效。血清中的番茄紅素含量與患膀胱癌，胰腺癌、消化道癌的概率成反比。番茄紅素在許多組織中存在，如甲狀腺、腎，腎上腺、脾、肝臟、心臟，睪丸、脂肪和胰腺。番茄是番茄紅素的主要來源，而且也是食譜中補充人體類胡蘿卜素的重要來源。新鮮番茄中的番茄紅素基本上是反式結(jié)構(gòu)。

β-胡蘿卜素和α-胡蘿卜素人體中α-胡蘿卜素含量是β-胡蘿卜素的6倍。有研究顯示β-胡蘿卜素能保護低密度脂蛋白(low-densitylipoprotein．LDL)不被氧化。與對照組相比，冠心病人血漿中的α-胡蘿卜素和維生素E濃度非常低。

β-胡蘿卜素和α-胡蘿卜素存在于人體甲狀腺、腎、脾，肝臟、心臟、胰腺、脂肪、卵巢、腎上腺、黏膜細(xì)胞等器官的組織中。2.2.2類胡蘿卜素的吸收與組織分布類胡蘿卜素的吸收、轉(zhuǎn)運過程分為四個步驟：

1）食物消化釋放類胡蘿卜素；

2）小腸內(nèi)脂質(zhì)微粒的形成；

3）小腸黏膜細(xì)胞的攝??；

4）被轉(zhuǎn)運至淋巴循環(huán)及血液循環(huán)。在吸收過程中，β-胡蘿卜素與其異構(gòu)體及其他類胡蘿卜素之間存在競爭作用．類胡蘿卜素由小腸吸收后，在肝內(nèi)轉(zhuǎn)化為維生素A或被儲存，與極低密度脂蛋白(VLDL)一同釋放入血，類胡蘿卜素在血漿中以脂蛋白為載體而轉(zhuǎn)運。空腹血漿中的類胡蘿卜素75%存在于低密度脂蛋白(LDL)中，其余則分布于高密度脂蛋白(HDL)和VLDL中。有較大的個體多樣性。

人體器官中存在的類胡蘿卜素主要是α-胡蘿卜素、β-胡蘿卜素、番茄紅素、葉黃素和β-玉米黃質(zhì)。番茄紅素存在于人類的大部分組織中，但含量不同。2.2.3類胡蘿卜素的生物利用

類胡蘿卜素的生物利用率分為絕對利用率和相對利用率。絕對生物利用率是指攝入一定量的類胡蘿卜素后在體內(nèi)形成的活性維生素A的量；相對生物利用率是指攝入某一種類胡蘿卜素后，相對于參考物質(zhì)體內(nèi)一些指標(biāo)的變化。常用的參考物質(zhì)有β-胡蘿卜素或已知量的高效利用的預(yù)成維生素A。已公布的生物利用率都是相對于參考物質(zhì)得出的相對生物利用率。食物中的1μg全反式視黃醇相當(dāng)于6μg的全反式β-

胡蘿卜素。影響類胡蘿卜素生物利用的因素至少有9種：類胡蘿卜素的種類；分子連鎖；類胡蘿卜素的消化量；類胡蘿卜素的基質(zhì)；吸收和生物交換的有效率；宿主的營養(yǎng)狀態(tài)；遺傳因素；與宿主有關(guān)的因素及影響2.2.4生物功效大概40種類胡蘿卜素存在于人類膳食中，但僅有19種及其代謝物能在血液和器官中被識別出來?？寡趸瘎ò惡}卜素）具有防止慢性疾病的能力。在活體和動物模型中，類胡蘿卜素都有抗氧化作用?；旌项惡}卜素或與其他抗氧化劑的混合物可以提高抗自由基作用。許多流行病學(xué)的研究顯示，類胡蘿卜素的攝入與降低慢性疾病的發(fā)生有直接關(guān)系。類胡蘿卜素對動物及人體的生物機理有以下幾方面作用：

①補充維生素A的作用；②脂氧化酶活性的調(diào)節(jié)；③抗氧化作用；④激活對細(xì)胞間交流起作用的某些基因。2.3維生素A和類胡蘿卜素2.3.1維生素A維生素A是第一個被發(fā)現(xiàn)的維生素，但其全部的生物作用至今還沒有完全被確定1909年，Stepp首次報道了在雞蛋卵黃中有一種成分對生命至關(guān)重要，這種成分是“脂溶性”片段“A”，因此隨后被稱作維生素A。發(fā)現(xiàn)β-胡蘿卜素能夠轉(zhuǎn)化成維生素A，后來又發(fā)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在腸和肝中。Karrer揭示了維生素A和β-胡蘿卜素的化學(xué)結(jié)構(gòu)。1984年Burton和Ingold首次通過生物膜的實驗提出類胡蘿卜素可能的抑制脂肪自由基的機理。研究結(jié)果表明，維生素A和類胡蘿卜素可作為生物抗氧化劑。至今至少有12種形式的維生素A被分離出來。視黃醇是維生素A的自由醇形式，能被酶可逆地轉(zhuǎn)化為維生素A的活性形式；

維生素A2（脫氫視黃醇），與維生素A1（視黃醇）僅僅是在第3位碳和第4位碳之間的雙鍵不同，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)盡管它比維生素A1的存在范圍小，但它在許多哺乳動物的組織中都存在。視黃醇在血清中通過視黃醇蛋白(RBP)運輸，這種方式的傳輸能防止在腎中由于腎小球過濾而引起的小分子維生素的丟失。鑒于視黃醇、視黃醛和維甲酸在高濃度時都有毒性，因此剩余的維生素A必須被儲存起來。在肝臟中通過?；D(zhuǎn)移酶的反應(yīng)生成維生素的長鏈脂肪酸酯，這是最初的儲存形式。當(dāng)血清中視黃醇的濃度降低時，視黃基酯能通過水解酶水解生成視黃醇。2.3.2類胡蘿卜素的維生素A功能維生素A原是類胡蘿卜素最大的功能所在。約50種左右?guī)в笑?環(huán)末端的類胡蘿卜素具有這種功能，如β-

胡蘿卜素、玉米黃素、β-

玉米黃質(zhì)等。維生素A在體內(nèi)不能合成，只能從飲食中獲得。維生素A的基本來源包括蔬菜中的維生素A原類胡蘿卜素和動物食品中的視黃基酯與類胡蘿卜素。優(yōu)質(zhì)的維生素A

飲食來源包括奶制品（牛奶、奶酪、黃油等）、黃色和綠色蔬菜（胡蘿卜、甜馬鈴薯、菠菜、番茄、花椰菜和南瓜）、魚、蛋、內(nèi)臟（肝、腎）和小范圍的紅色肉類。推薦成年人維生素A的日攝人量是1000個視黃醇單位(RE)，嬰兒和兒童分別是375RE和700RE。β-胡蘿卜素的中心切割實際是一個單加氧酶類型的反應(yīng)，這種叫做BCO的人類重組酶，在消化系統(tǒng)和肝臟中能高效表達。具有β環(huán)的類胡蘿卜素既可以進行對稱切割，也可以進行不對稱切割，生成一系列阿樸類胡蘿卜素，比如在9’,10’上對雙鍵進行切割，生成視黃酸前體。9’,10’-雙加氧酶也可切割無環(huán)的類胡蘿卜素，如番茄紅素;人體中β-胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為視黃醇的比例是6：l2.4類胡蘿卜素與心血管疾病

目前人們試圖找出維生素A和類胡蘿卜素這兩種成分的協(xié)同作用與心臟病之間的關(guān)系。首先，在多種心臟病的發(fā)病機理中，自由基和氧化狀態(tài)所起的作用已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可。局部缺血損傷、充血性心臟衰竭、冠狀動脈疾病、糖尿病，心肌病和阿霉素引起的心臟中毒都與氧化狀態(tài)有關(guān)實驗表明，飲食中富含抗氧化劑對于減少鼠體內(nèi)，尤其是心臟的氧化損傷是很有效的。維生素A和類胡蘿卜素是重要的生理抗氧化劑，能抑制心臟病的發(fā)展。2.4.1流行病學(xué)研究流行病學(xué)研究通常是了解微量營養(yǎng)元素的飲食攝人和疾病征兆間相互關(guān)系的第一步。流行病學(xué)觀察，即較低的維生素A和類胡蘿卜素血液含量和攝入量引起心血管疾病的危險增加。在其他顯示相反結(jié)果的研究中也可能存在類似“芬蘭因子”的干擾因素較低的血清總類胡蘿卜素水平與較高的冠狀動脈心臟病患病率是相關(guān)的心血管疾病是由于氧化脅迫、炎癥、血脂蛋白異常、內(nèi)皮系統(tǒng)功能失調(diào)等相互作用引起的。已經(jīng)確認(rèn)某些類胡蘿卜素對動脈破損和炎癥有抑制效應(yīng)，而對對硝苯磷脂酶的活性有刺激效應(yīng)，這種酶對HDL的保護功能有部分的調(diào)節(jié)作用。其他研究報道類胡蘿卜素對脂肪和DNA被氧化有抑制效應(yīng)。類胡蘿卜素還有調(diào)節(jié)細(xì)胞間相互作用的功能。例如，番茄紅素能抑制單核細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的結(jié)合（動脈硬化過程的一個基本步驟）2.4.3類胡蘿卜素與動脈粥樣硬化低密度脂蛋白(LDL)在動脈粥樣硬化的發(fā)病過程中對細(xì)胞產(chǎn)生的氧化修飾作用非常重要。作為抗氧化劑，維生素A較之維生素E的活性要弱3倍，但當(dāng)兩者共存時它們具有抵抗脂類過氧化反應(yīng)的相加效應(yīng)。這種增效作用是因為兩種化合物在膜內(nèi)的不同物理部位起保護作用，維生素E是在外表面減緩氧化，類胡蘿卜素和維生素A則是保護膜的內(nèi)部。

由于類胡蘿卜素的存在而引起LDL氧化作用的不同滯后時間。β-胡蘿卜素在保護LDL不被氧化的過程中起了重要的作用。

LDL中類胡蘿卜素的保護作用取決于氧自由基最初攻擊的部位。如果攻擊發(fā)生在脂肪／水中間相，更高極性的類胡蘿卜素如玉米黃素和黃體素會比較有效。然而，如果發(fā)生在脂肪相，低極性的類胡蘿卜素如番茄紅素和胡蘿卜素等將更重要。2.5類胡蘿卜素對轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)與抗癌機理對類胡蘿卜素的攝取量與癌癥的關(guān)系進行的評估結(jié)果顯示，類胡蘿卜素的攝取量與肺癌、結(jié)腸癌、乳腺癌和前列腺癌的發(fā)生率呈負(fù)相關(guān)大量的流行病學(xué)研究證實了這些植物類胡蘿卜素的防癌作用。類胡蘿卜素可以通過改變許多蛋白質(zhì)的表達水平，包括連接蛋白、酶、細(xì)胞周期蛋白等，同時對癌細(xì)胞的生長進行調(diào)節(jié)以起到抑制劑的作用。類胡蘿卜素可以改變蛋白質(zhì)的表達水平，說明它們的作用是利用相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子來調(diào)控轉(zhuǎn)錄過程。2.5.1癌細(xì)胞生長在蛋白質(zhì)表達水平上的抑制機理由于癌癥的發(fā)生歸因于DNA的損傷，而氧化脅迫是DNA損傷的原因之一，因此，以前有關(guān)類胡蘿卜素抗癌方面的研究多數(shù)都集中在它們的抗氧化性質(zhì)上。類胡蘿卜素的抗癌活性機理還可能在于它能改變細(xì)胞生長和死亡的途徑，包括改變激素和生長因子發(fā)出的信號、對細(xì)胞周期的調(diào)節(jié)機制、對細(xì)胞分化和細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)。

1）縫隙連接通信類胡蘿卜素能增強細(xì)胞間的縫隙連接通信，并誘導(dǎo)連接蛋白的合成。縫隙連接通信的喪失會導(dǎo)致惡性轉(zhuǎn)化。

2）生長因子生長因子是癌細(xì)胞生長的重要因素，IGF-I是主要的癌癥發(fā)病因子。番茄紅素可以降低血液中的IGF-I。番茄紅素療法可明顯降低乳腺癌細(xì)胞中IGF-I對胰島素受體底物的磷酸化，以及DNA與AP-1轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合能力。3）細(xì)胞周期進程番茄紅素治療MCF-7乳腺癌細(xì)胞，可以減緩IGF-I刺激的細(xì)胞周期進程。在其他癌細(xì)胞，番茄紅素可誘導(dǎo)細(xì)胞周期的G1期和S期延遲。4)與細(xì)胞分化相關(guān)的蛋白質(zhì)將成熟細(xì)胞誘導(dǎo)分化，形成具有不同功能、類似于正常細(xì)胞的成熟細(xì)胞，這就是所謂的分化療法。分化療法可有效地治療急性白血病。單獨用番茄紅素也能誘導(dǎo)HL-60早幼粒細(xì)胞白血病細(xì)胞分化,番茄紅素的分化作用與提高幾種與分化相關(guān)的蛋白質(zhì)的表達有關(guān)，這些蛋白質(zhì)包括細(xì)胞表面抗原(CD14)、氧氣猝發(fā)氧化酶和趨化性多肽受體等。其他類胡蘿卜素如β-胡蘿卜素和黃體素也有類似作用。2.5.2類胡蘿卜素和基因轉(zhuǎn)錄

在多種蛋白質(zhì)表達中發(fā)生的變化顯示，類胡蘿卜素的關(guān)鍵作用在于轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)。這可能是因為類胡蘿卜素分子或其衍生物與轉(zhuǎn)錄因子如配體激活的核受體之間的相互作用，或是對轉(zhuǎn)錄活性的間接調(diào)節(jié)作用，如通過氧化-還原作用狀態(tài)的變化影響轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)，如抗氧化劑應(yīng)答元件。1）對轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)類胡蘿卜素與基因調(diào)控有一定的關(guān)系。2）類維生素A受體維甲酸是類維生素A配體的親本化合物。它通過兩類核受體，即維甲酸受體(RAR)和類維生素A的X受體(RXR)在細(xì)胞增殖和分化中發(fā)揮多重作用。在和DNA結(jié)合后，RXR/RAR異二聚體通過配體依賴的方式調(diào)節(jié)維甲酸靶基因的表達;3）AP-1轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)轉(zhuǎn)錄因子AP-1是一種調(diào)節(jié)蛋白復(fù)合物，它通過與靶基因上的AP-1結(jié)合位點結(jié)合來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄，以此對環(huán)境的刺激做出反應(yīng);AP-1轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)能被生長因子、腫瘤啟動子所誘導(dǎo)，使其成為類胡蘿卜素抗癌活性的目標(biāo)之一。β-胡蘿卜素的分裂產(chǎn)物較強地抑制了AP-1的轉(zhuǎn)錄活性，番茄紅素也能抑制AP-1的活性。4）抗氧化劑應(yīng)答元件類胡蘿卜素對谷胱甘肽-S轉(zhuǎn)移酶(GST)、NAD(P)H等酶的誘導(dǎo)作用，對于抵抗各種致癌物質(zhì)都較為有效。這些酶表達的轉(zhuǎn)錄控制至少有部分是通過在它們基因的調(diào)節(jié)區(qū)域發(fā)現(xiàn)的抗氧化劑應(yīng)答元件(ARE)來進行的。番茄紅素誘導(dǎo)了GSH和谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶水平的上升，通過生成較小毒性和可迅速排泄的產(chǎn)物使致癌物質(zhì)失活。5）異源孤兒核受體孤兒受體在結(jié)構(gòu)上與核激素受體相關(guān)。孤兒核受體族是抵抗外來親脂化合物（異源物）的防御機制的一部分。這個受體家族包括類固醇和芳基碳水化合物受體(AhR)等。這些受體會對大量的藥物、環(huán)境污染物、致癌物、食物和內(nèi)源化合物作出反應(yīng)并調(diào)節(jié)細(xì)胞色素p450（CYP）酶；動物研究結(jié)果顯示，異源孤兒核受體可能成為類胡蘿卜素或其衍生物的后續(xù)目標(biāo)。一些類胡蘿卜素能夠誘導(dǎo)CYP酶，蝦青素和角黃素可誘導(dǎo)鼠肝CYPIA1和CYPIA2。3.類胡蘿卜素的提取分離與分析鑒定

3.1常用分析方法3.1.1傳統(tǒng)色譜法開放柱色譜法和薄層色譜法是分析類胡蘿卜素最原始的方法。常用的是用開放柱色譜法定性分析類胡蘿卜素樣品，再用分光光度法定量分析。開放柱色譜法和薄層色譜法分析需要的樣品量很大，并且很難得到全部類胡蘿卜素的完整數(shù)據(jù)。將這兩種原始方法與現(xiàn)代方法比較來看，定性分析速度相對較慢。色帶傳統(tǒng)柱色譜薄層層析法高效液相色譜法(HPLC)的發(fā)展極大地提高了分離和量化類胡蘿卜素的速度。核磁共振法(NMR)和質(zhì)譜分析法等方法的快速發(fā)展，使得類胡蘿卜素的結(jié)構(gòu)研究得到長足發(fā)展。3.1.2高效液相色譜法高效液相色譜法(HPLC)在簡單性、速度、成本、靈敏性、特異性、準(zhǔn)確性和樣品保存方面很有優(yōu)勢。高效液相色譜法常和質(zhì)譜分析法耦聯(lián)用于分析測定生物樣品中的類胡蘿卜素3.1.2.1與紫外-可見吸光光度測試聯(lián)用標(biāo)準(zhǔn)紫外-可見吸光光度測試法(UV-VIS)是定量分析類胡蘿卜素的高效液相色譜系統(tǒng)的組成部分，紫外-可見光度探測儀的靈敏度能夠滿足許多常規(guī)用途的要求。目前結(jié)合了光電二極管陣列檢測器的高效液相色譜能夠在分析過程中持續(xù)收集分光光度數(shù)據(jù)，這樣可以極大提高分辨率和分析某些未知化合物。由于生物樣品中類胡蘿卜素的復(fù)雜性，還需要結(jié)合更多方法加以辨別和確定。3.1.2.2液質(zhì)聯(lián)用分析法液質(zhì)聯(lián)用分析法，即HPLC-MS方法;鑒別生物樣品中的類胡蘿卜素常用HPLC-MS法。這種方法所需的樣品量少，單個類胡蘿卜素的測定限度大約為500fmolHPLC-MS提供類胡蘿卜素的分子量信息可以幫助判定類胡蘿卜素的結(jié)構(gòu)?？刹捎么髿鈮夯瘜W(xué)離子化(APCI)和電噴霧離子化(ESI)的HPLC—MS方法進行類胡蘿卜素分析。用結(jié)合大氣壓化學(xué)離子化的HPLC-MS方法可以將黃體素的立體異構(gòu)物和玉米黃質(zhì)的立體異構(gòu)物分辨出來，它的靈敏度能達到更高層次的皮克級。(a)HPLC-MS分析.(b–e)各個峰的吸收光譜.Peak1,deinoxanthin(b);peak1’,2-hydroxy-4-keto-carotene(c);peak2’,4-keto-carotene(d);peak3’,γ-carotene(e).3.1.2.3與核磁共振法聯(lián)用類胡蘿卜素采用NMR法鑒定時，常與HPL聯(lián)用。聯(lián)合使用HPLC-MS和核磁共振法(NMR)用于鑒別和測定生物樣品中未知的類胡蘿卜素立體異構(gòu)物比較有效。核磁共振法要求很純的化合物，而且量比較大，這比紫外-可見吸光光度和質(zhì)譜分析聯(lián)用法要求都高。3.1.2.4與電化學(xué)陣列探測法聯(lián)用電化學(xué)陣列探測法(ED)有效提高了分析烴類類胡蘿卜素（α-胡蘿卜素等）和氧合類類胡蘿卜素（黃體素和玉米黃質(zhì)）的靈敏度。Ferruzzi等闡述了兩種使用HPLC-ED方法來分離反式番茄紅素和它的幾種順式異構(gòu)體的方法。電化學(xué)陣列探測法最低能測定50fmol反式番茄紅素，比目前常用的紫外-可見吸光光度測試法的靈敏度提高了10～100倍3.1.2.5與熱透鏡光譜測定法聯(lián)用熱透鏡光譜測定法(TLS)是一種激光探測方法，具有超高靈敏度。有研究采用熱透鏡光譜測定法測定血漿和魚油中的類胡蘿卜素。HPLC-TLS法用于分析玉米黃質(zhì)和番茄紅素，其血漿樣品的最低測定限度分別是70pg/ml和120pg/mL，比HPLC-UV-VIS法的靈敏度提高了100倍。3.1.3毛細(xì)管電色譜法毛細(xì)管電色譜法(CEC)目前已成為類胡蘿卜素分析中備受關(guān)注的精密技術(shù)，相對于氣相色譜法來說，毛細(xì)管電色譜法更高的分離效果是其成為熱點的原因CEC最早用于從嬰兒食物和海藻中分離微量類胡蘿卜素CEC的高選擇性和高效率使其能夠更好地分離含類胡蘿卜素的混合物。3.1.4共振拉曼激發(fā)光譜法共振拉曼激發(fā)光譜法也可以用來研究生物體系中的類胡蘿卜素。Ruban等最先系統(tǒng)地研究了光合膜中單個類胡蘿卜素的形態(tài)特征，獲取了活體中紫黃質(zhì)和玉米黃質(zhì)的共振拉曼光譜。3.2類胡蘿卜素的提取(萃取)分離和樣品處理

類胡蘿卜素特有的共軛雙鍵系統(tǒng)使得類胡蘿卜素具有高度不穩(wěn)定性，尤其是對光、氧和熱的不穩(wěn)定性。酸性和堿性條件也能對一些類胡蘿卜素產(chǎn)生破壞作用。在處理類胡蘿卜素樣品時有幾點必須注意：抗氧化劑的使用；實驗應(yīng)該在昏暗光線下進行，盡可能防止與直射陽光的接觸；蒸發(fā)應(yīng)該使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，而且在氮氣流下進行；樣品必須在暗處、氮氣或氬氣中于-20℃保存等。類胡蘿卜素的提取分離一般步驟生物樣品生物樣品的破碎離心去除殘渣有機溶劑提取真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)去除溶劑類胡蘿卜素提取物溶劑的選擇沒有一套標(biāo)準(zhǔn)的類胡蘿卜素的萃取程序。到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)一種可以從樣品中萃取所有類胡蘿卜素的理想溶劑。主要考慮溶劑的極性；完全的萃取要求樣品的水分含量很低，而且要采用微極性溶劑和非極性溶劑。對于類胡蘿卜素的分離，可以先使用高極性溶劑（如甲醇溶劑）來萃取樣品，然后再用合適的低極性溶劑把類胡蘿卜素萃取出來。超臨界液相萃取(SFE)技術(shù)這種技術(shù)具有快速、選擇性高、容易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，SFE在類胡蘿卜素分析中的應(yīng)用已經(jīng)成為熱點研究之一；Tonucci和Beecher研究了在不同壓力和溫度下的靜態(tài)萃取和動態(tài)萃取方法，使用二氧化碳并加入濃度為1%的不同的修飾劑（甲醇、乙醇和2-丙醇）。萃取產(chǎn)量依樣品的組成而不同，在高脂肪食品中可獲得較高的萃取量(96%)。樣品處理中防止氧化的方法抗氧化劑的使用是在萃取和樣品處理時防止氧化的最常用方法之一；焦酚、維生素C都是可使用的抗氧化劑。添加碳酸鈉、碳酸鎂或碳酸鈣和抗氧化劑有助于中和含酸的組織和防止氧化。最普遍使用的抗氧化劑是二丁基羥基甲苯(BHT),一般來說，二丁基羥基甲苯在萃取溶液中的使用濃度是0.0l%或0.1%

皂化出現(xiàn)在葉黃素中的羥基數(shù)目能造成醇化度的不同。單羥基類胡蘿卜素，例如β-隱黃質(zhì)能被一個脂肪酸醇化（單醇）；二羥基類胡蘿卜素，例如黃體素和玉米黃質(zhì)能被兩個脂肪酸醇化（二酯）。一般來說，皂化是在KOH的乙醇或甲醇水溶液中進行，其濃度可以從100～600mg/L，皂化進行的條件可以是在室溫下過夜或通過加熱以縮短反應(yīng)時間。皂化后，樣品用二乙基醚或己烷進行萃取。萃取物用水洗多次直到去除所有殘留的KOH；牛奶和人乳中樣品的組分更為復(fù)雜。因為酯分子矩陣中的類胡蘿卜素以及脂肪含量很高（約45%），皂化就成為必要步驟。3.3類胡蘿卜素的純化類胡蘿卜素單體化合物的純化商品化的類胡蘿卜素標(biāo)準(zhǔn)品，較為普遍的類胡蘿卜素（如β-胡蘿卜素、玉米黃質(zhì)、番茄紅素等）以及一些較為少見的類胡蘿卜素（如辣椒黃質(zhì)、辣椒玉紅素等）都可以買得到，高純度的標(biāo)準(zhǔn)品可達95-98%以上。實驗室制備：從植物樣品等進行萃取，然后經(jīng)過純化過程，來獲得這些樣品中最重要類胡蘿卜素的標(biāo)準(zhǔn)制備物。如薄層色譜法和液相色譜法(LC)都可應(yīng)用于獲得純的類胡蘿卜素標(biāo)準(zhǔn)物。目前制備型高效液相色譜多用于這個目的．樣品純化的步驟(1)原料的選擇首先，選擇的原料應(yīng)該富含各種類胡蘿卜素，例如，新黃質(zhì)取材于綠色的卷心菜，紫黃質(zhì)取材于菠菜，辣椒黃質(zhì)和辣椒玉紅素取材于紅辣椒等。

(2)薄層色譜在不同的溶劑系統(tǒng)中，鋁、硅膠、MgC03、Ca(OH)2、CaCO3等都在純化類胡蘿卜紊中得到應(yīng)用。可以單獨使用或混合使用不同比例的石油醚、二乙基醚、甲苯和乙醇作為溶劑，在硅膠上用薄層色譜方法純化大多數(shù)類胡蘿卜素。最后用光譜鑒定和定量色素。許多類胡蘿卜素在不同溶劑中的光譜數(shù)據(jù)可以從一些文獻中找到參考標(biāo)準(zhǔn)。無論是商品類胡蘿卜素還是自己進行純化的標(biāo)準(zhǔn)物，標(biāo)準(zhǔn)物溶液的純度都必須用分光光度法和高效液相色譜加以確認(rèn)。(3)制備型高效液相色譜制備型高效液相色譜更多地被應(yīng)用于類胡蘿卜素的純化過程。制備型高效液相色譜的色譜柱固定相用更大尺寸（7μm或10μm）的顆粒，色譜柱直徑也更大，其流動相流速更快。例如，分離果汁中的胡蘿卜素脂肪酸酯類，用的是7μm的C18反相柱，以甲醇一乙腈一二氯甲烷一正己烷(20:40:20:20，體積比)作為溶劑系統(tǒng)，流速為4mL/min溶液的濃度必須用分光光度測定法進行測定與計算,標(biāo)準(zhǔn)溶液的純度用高效液相色譜加以確認(rèn)。4類胡蘿卜素合成代謝的分子生物學(xué)研究4.1天然類胡蘿卜素的生物合成概況20世紀(jì)50～60年代，科學(xué)家們用經(jīng)典的生物化學(xué)方法，采用對合成的特殊位點進行特異的抑制和突變阻遏，初步闡明了類胡蘿卜素的生物合成途徑70年代早期，體外實驗技術(shù)的發(fā)展促進了酶的生物合成研究，但是酶的純化存在困難現(xiàn)代分子遺傳技術(shù)使基因分離、酶基因的重組和轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品的實現(xiàn)變得更容易，有效推動了體外合成研究。這些研究大大加深了人們對類胡蘿卜素生物合成調(diào)節(jié)及參與該過程的酶的認(rèn)識類胡蘆卜素的一般生物合成途徑

1)1分子甲烯丙基焦磷酸(DMAPP)和3分子異戊烯基焦磷酸(IPP)縮合產(chǎn)生二萜-牻（máng）牛兒牻牛兒焦磷酸(GGPP)2)兩分子GGPP尾對尾縮合生成第一個無色的類胡蘿卜素-八氫番茄紅素。

3)接下來的去飽和反應(yīng)會延長共軛雙鍵系統(tǒng)，生成鏈孢紅素和番茄紅素。

4)進一步去飽和，類胡蘿卜素生物合成就會進入環(huán)狀和非環(huán)狀類胡蘿卜素的分支途徑。類胡蘿卜素（carotenoids）按植物化學(xué)成分分類歸屬于四萜類化合物,前體由甲戊二羥酸（MVA）途徑合成

八氫番茄紅素的合成是所有C40類胡蘿卜素生物合成的第一個步驟。第一個GGPP分子的C1和第二個GGPP分子的C2和C3進行頭對頭縮聚形成一個環(huán)化丙基羰，生成前八氫番茄紅素焦磷酸。在植物中，通過消除焦磷酸基團和提取立體定向的質(zhì)子，產(chǎn)生15-順式八氫番茄紅素。細(xì)菌和真菌中兩種不同的八氧番茄紅素脫氫酶,經(jīng)過四個脫氫步驟，將八氫番茄紅素脫氫轉(zhuǎn)化為番茄紅素。植物型的八氫番茄紅素脫氫酶經(jīng)過兩步脫氫作用，產(chǎn)生不同的ζ-胡蘿卜素立體異構(gòu)體，再進一步合成番茄紅素。類胡蘿卜素的形成和相互轉(zhuǎn)換4.2高等植物類胡蘿卜素各階段合成途徑4.2.1異戊烯基焦磷酸的合成高等植物中類胡蘿卜素是在葉綠體中合成并定位。MVA獨立途徑的第一個反應(yīng)是丙酮酸與D-甘油醛-3-磷酸(G3P)的Cl醛單位生成1-羥基-D-木酮糖-5-磷酸(DXP)。這個反應(yīng)是由l-羥基-D-木酮糖-5-磷酸合成酶（DXPS）催化。DXP基因是從許多高等植物提取出來的。擬南芥基因組序列表明了3種DXPS的存在。4.2.2IPP到八氫番茄紅素的合成GGPP是類胡蘿卜素最直接的前體。為了起始鏈的延伸，IPP異構(gòu)生成甲烯丙基異構(gòu)體DMAPP。IPP的縮合與DMAPP頭尾相接生成了C10分子乙酸焦磷酸(GPP)。在GPP上增加IPP，生成了法尼基焦磷酸(FPP，C15)，進而IPP的再加入又生成GGPP。八氫番茄紅素（7，8，l1，12，7’，8’，l1’，12’-八氫-ψ,ψ-胡蘿卜素）是無色的對稱烴，包括3個連續(xù)的雙鍵。將IPP合成為八氫番茄紅素，需要3種酶催化反應(yīng):第一種酶即IPP異構(gòu)酶，催化IPP異構(gòu)體及甲烯丙基異構(gòu)體DMAPP的翻轉(zhuǎn);酶需要二價離子，尤其需要Mg2+、Mn2+來發(fā)揮其最適活力。編碼酶的基因是從Clarkiabrewer、萬壽菊及擬南芥中，通過其同源及N末端擴展而被發(fā)現(xiàn)的。GGPP合成酶是催化IPP/DMAPP生成GGPP的酶,它是以溶液和二聚體(74kDa)形式從胡椒的葉綠體中被分離出來的。酶需要二價離子(Mg2+)來產(chǎn)生活性八氫番茄紅素合成酶Psy,基因已從擬南芥、玉米、甜瓜、胡蘿卜等中分離出來。在煙草和番茄中發(fā)現(xiàn)兩種八氫番茄紅素合成酶的基因，而龍膽屬（Gentianalutea）中有4種八氫番茄紅素合成酶;

八氫番茄紅素合成酶與膜相連。植物八氫番茄紅素合成酶在體外催化全反式的GGPP生成15-順式八氫番茄紅素。4.2.3脫氫作用

一系列相連的碳碳雙鍵構(gòu)成了類胡蘿卜素的特征發(fā)色基團。這些發(fā)色基團是經(jīng)過一系列脫氫作用被導(dǎo)入八氫番茄紅素八氫番茄紅素脫氫酶(Pds)是催化八氫番茄紅素發(fā)生脫氫作用生成ζ-胡蘿卜素的酶。所有的基因都有一個保守的雙核苷酸(FAD/NADP)序列。ζ-胡蘿卜素脫氫酶Zds催化ζ-胡蘿卜素，經(jīng)由7,8-二氫-ψ,ψ-胡蘿卜素生成番茄紅素。其編碼的基因在擬南芥、玉米、大豆和番茄等中發(fā)現(xiàn)。所有的基因都含有1個在氨基酸末端與位點結(jié)合的雙核苷酸(FAD/NADP)。Pds和Zds基因序列對比表明有33%～35%的相似性。4.2.4異構(gòu)作用在高等植物中，八氯番茄紅素主要以15-順式異構(gòu)體存在，而番茄紅素的主要異構(gòu)體是全反式的,這說明異構(gòu)化作用發(fā)生;15-順式八氫番茄紅素合成9,9’-二-順式ζ-胡蘿卜素，然后Zds引入順式鍵以合成7,9,7’,9’-四-順式番茄紅素。從擬南芥ccr突變生成的前體或產(chǎn)物，表明Crtiso使原番茄紅素生成全反式番茄紅素，繼而使之發(fā)生環(huán)化作用。細(xì)菌八氫番茄紅素的脫氫作用(crtI)。歐文菌屬和紅色細(xì)菌，其各自的脫氫酶將l5-順式八氫番茄紅素轉(zhuǎn)化為全反式番茄紅素或全-反式7,8-二氫-ψ,ψ-胡蘿卜素。4.2.5環(huán)化作用

在無環(huán)前體一端和兩端合成六元環(huán)，番茄紅素是發(fā)生環(huán)化作用的前體。末端基團的環(huán)有兩種，即α-異構(gòu)環(huán)和β-異構(gòu)環(huán)。這些末端基團的區(qū)別是環(huán)己烷環(huán)中雙鍵的位置差異。末端基團的類型由環(huán)化酶的性質(zhì)決定。高等植物中兩種有主要環(huán)化酶，即番茄紅素-β-環(huán)化酶(Lcy-b)和番茄紅素-ε-環(huán)化酶(Lcy-e)。番茄紅素-β-環(huán)化酶(Lcy-b)催化形成β-環(huán)。番茄紅素-ε-環(huán)化酶(Lcy-e)催化形成ε-環(huán)。

Lcy-e和Lcy-b在氨基酸水平上表現(xiàn)出較大的相似性，約為30%。兩種環(huán)化酶在氨基酸末端也有特異性雙核苷酸(FAD/NADP)連接序列基序。

羥基化:在高等植物中，α-胡蘿卜素和β-胡蘿卜素的C3和C3’位置發(fā)生羥基化后，經(jīng)由α-玉米黃質(zhì)和β-

玉米黃質(zhì)，生成了黃體素和玉米黃素。在擬南芥中發(fā)現(xiàn)了兩種β-

胡蘿卜素羥基化酶，在番茄和胡椒中發(fā)現(xiàn)同系物。環(huán)氧化作用和去環(huán)氧化作用:在3-羥基-β-環(huán)上引入了5，6-環(huán)氧化基團，玉米黃質(zhì)轉(zhuǎn)化為堇菜黃質(zhì)。去環(huán)氧化作用可以將堇菜黃質(zhì)轉(zhuǎn)化為玉米黃質(zhì)。玉米黃素的環(huán)氧化基因（Zepl）序列已在杏、煙草和胡椒中被確定。新黃質(zhì)的合成:新黃質(zhì)是由堇菜黃質(zhì)生成的，含有1個簡單的丙二烯系末端基團,馬鈴薯和番茄基因產(chǎn)物的分離與功能鑒定已實現(xiàn)。辣椒黃素和辣椒紅素的合成:這些類胡蘿卜素含有一個特殊的環(huán)戊烷環(huán)，辣椒黃素/辣椒紅素合成酶已從辣椒葉綠體中獲得純化4.2.6葉黃素類(氧化產(chǎn)物)的合成

4.2.7類胡蘿卜素的分解代謝與降解

一些類胡蘿卜素具有氧化分裂的可能性，例如斷裂類胡蘿卜素的環(huán)氧基可激發(fā)紫黃素和新黃素的合成。脫落酸生物合成的前體物質(zhì)是類胡蘿卜素，本質(zhì)上也是類胡蘿卜素分解代謝的途徑之一?；?vip14)已經(jīng)從玉米中克隆出來，而且酶也獲得了表達，表達產(chǎn)物分裂酶可將9-順式-環(huán)氧基-胡蘿卜素的C11、C12位間斷開，生成氧化產(chǎn)物黃氧素，進一步變形為脫落酸。玉米（vp14基因）的環(huán)氧化類胡蘿卜素切割酶用于剪接堇菜黃質(zhì)和新黃質(zhì)的9-順式異構(gòu)體，生成順式-黃氧素。4.3胡蘿卜素生物合成的調(diào)節(jié)對高等植物類胡蘿卜素生物合成的調(diào)節(jié)在基因和酶水平上的認(rèn)識還是相對比較缺乏的；類胡蘿卜素在植物生長與吸收中所起的作用表明其合成與其他發(fā)育過程是協(xié)同的，比如葉綠體的合成、花和果實的發(fā)育等。研究類胡蘿卜素及其生物合成酶有助于了解類胡蘿卜素合成的調(diào)節(jié)途徑，控制點很可能在每一個代謝途徑的分支點上，并由轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后的因素所影響。4.3.1轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)已發(fā)現(xiàn)類胡蘿卜素基因轉(zhuǎn)錄的上下調(diào)節(jié)作用在番茄果實成熟時，可促進果實成熟的八氫番茄紅素合成酶(Psy-1)和Pds的表達量增加了，同時，Lcy-b和Lcy-emRNA量減少了。大量的番茄紅素在成熟的番茄中是通過增加反應(yīng)途徑中無環(huán)類胡蘿卜素含量，并在每個環(huán)化階段阻遏末端產(chǎn)物的合成來實現(xiàn)積累的。對番茄葉片中番茄紅素環(huán)化進行化學(xué)抑制作用，結(jié)果導(dǎo)致Pds和Psy-1的表達增加，也證明反饋抑制的發(fā)生。

研究成熟期的胡椒果實發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)可導(dǎo)致酶活性的增加。氧化使類胡蘿卜素基因的表達量上升。光照強度可能可以通過增加某種類胡蘿卜素生物合成基因的表達來改變類胡蘿卜素的合成。比如，光照下Psy的mRNA含量增加,這個作用是由光敏色素(BphP)介導(dǎo)的。在改變光強度時，Lcy-b和Lcy-e的mRNA改變也明顯。在對擬南芥中的八氫番茄紅素合成酶啟動子的結(jié)構(gòu)與功能進行研究時，確認(rèn)了與不同光質(zhì)量修飾有關(guān)的區(qū)域。HarrySmith,Nature,2000,

407,585-5914.3.2轉(zhuǎn)錄后的調(diào)節(jié)黃水仙葉綠體中相連的膜可能是Psy和Pds轉(zhuǎn)錄后活性調(diào)節(jié)的工具，就Pds來說，這個機制是與膜界質(zhì)子受體的氧化-還原狀態(tài)有關(guān)。光誘導(dǎo)的膜相連對八氫番茄紅素合成酶活性有調(diào)節(jié)怍用。類胡蘿卜素終產(chǎn)物對酶活性的直接抑制作用4.3.3類胡蘿卜素的保存類胡蘿卜素在細(xì)胞中的保存是一種調(diào)節(jié)形式。在葉綠體中終產(chǎn)物類胡蘿卜素的累積與光的強度和復(fù)雜性有關(guān)。非膜結(jié)合的類胡蘿卜素的保存有可能與質(zhì)體小球這樣的特殊蛋白有關(guān)在胡椒色素體中，終產(chǎn)物類胡蘿卜素被酯化，并與原纖維蛋白相連形成原纖維。番茄的色素體以晶體的形式保存番茄紅索。4.4類胡蘿卜素生物化學(xué)與分子生物學(xué)

類胡蘿卜素生物合成酶和基因類胡籮卜素基因克隆方面已經(jīng)取得了很大程度的進展。提供的信息在指導(dǎo)類胡蘿卜素基因克隆和途徑構(gòu)建以及揭示合成規(guī)律方面有很大作用，反過來，由此獲得的生物化學(xué)方面的資料又加速了新的類胡蘿卜素基因的克隆。與類胡蘿卜素生物合成有關(guān)的酶要么與膜相聯(lián)系，要么完全在膜內(nèi)，這種特征及其對去污劑的敏感性再加上酶的低含量，使其很難被分離和提純。許多其他的酶可以在宿主細(xì)胞高度表達，獲得可溶性的具有催化活性的酶。Microbiology-SGM,2008,154,3697-3706

類胡蘿卜素合成途徑crtI的鑒定；類胡蘿卜素合成途徑crtB、crtD、crtLm等基因的鑒定；類胡蘿卜素貢獻于耐輻射球菌的極端抗性。耐輻射球菌素清除自由基的能力高于其它類似物。FEMSMicrobiolLett,2009,301:21–27特殊類胡蘿卜素合成途徑和功能的研究耐輻射球菌的類胡蘿卜素合成代謝研究類胡蘿卜素合成途徑crtO的鑒定Peak1,deinoxanthin;peak2,2,1‘-dihydroxy-3’,4‘-didehydro-γ-carotene;peak3,1’-hydroxy-3‘,4’-didehydro-γ-carotene;peak4,1’-hydroxy-γ-carotene.類胡蘿卜素合成途徑crtE的鑒定FEMSMicrobiolLett2009,301:21-27耐輻射球菌的類胡蘿卜素合成代謝研究Microbiology-SGM,2009,155:2775-2783一種新型的類胡蘿卜素-1’,2’水和酶Carotenoid1,2-hydratasedr0091

在CrtO基因臨近位置，被篩選為C-1’,2’水和酶的候選基因dr0091

突變株的PCR驗證

(a)DR野生型和突變株R1?cruF色素產(chǎn)物的HPLC和質(zhì)譜分析.(b–e)各個峰的吸收光譜.Peak1,deinoxanthin(b);peak1’,2-hydroxy-4-keto-carotene(c);peak2’,4-keto-carotene(d);peak3’,γ-carotene(e).大腸桿菌轉(zhuǎn)化菌株產(chǎn)物的HPLC分析.Peak7,1’-OH-carotene;peak8,γ-carotene;peak9,β-carotene.Carotenoid1,2-hydratases的進化樹分析.CruFhomologues

構(gòu)成獨立的分支，進化上不同于已知的CrtCfamily.耐輻射球菌的類胡蘿卜素合成代謝研究Boldarrowsrefertoenzymesthathavebeenexperimentallyconfirmed.Dottedarrows(2-hydroxylase)indicatehypotheticalstepcatalyzedbyenzymethathavenotyetbeenidentifiedinthisbacterium.DR菌類胡蘿卜素的基本合成途徑耐輻射球菌的類胡蘿卜素合成代謝研究4.4.3類胡蘿卜素生物合成途徑的重組與表達

將crt基因組合進新的生物合成途徑是為了拓寬重組微生物中產(chǎn)生的類胡蘿卜素的結(jié)構(gòu)多樣性。這種方法的先決條件是來自不同物種的crt酶能在異源宿主中協(xié)同作用并對于它們的底物結(jié)構(gòu)顯示足夠的兼容性。最初的重組類胡蘿卜素生物合成途徑是通過結(jié)合歐文氏菌屬的Erwinia和類球紅細(xì)菌（R.sphaeroides）兩者的有關(guān)途徑進行的。Erwiniauredevora和Capsicumannuum中的番茄紅素環(huán)化酶,在大腸桿菌中分別從鏈孢紅素和ζ-

胡蘿卜素獲得相應(yīng)的單環(huán)產(chǎn)物和二環(huán)產(chǎn)物。通過結(jié)合來自于E.uredevora的crtE和crtB、來自于Rhodobactercapsulatus或Synechoccussp.的crtI以及番茄紅素環(huán)化酶基因而實現(xiàn)的。利用胡蘿卜素羥化酶基困crtZ對底物為鏈孢紅素的環(huán)狀類胡蘿卜素合成途徑進行延伸，就能在大腸桿菌中生成其他新的羥基類胡蘿卜素。組合來自于R.capsulatus或E.uredevora的crtI以及crtC和crtD或crtY、crtZ和crtC可以在大腸桿菌中相應(yīng)地合成許多新的非環(huán)狀和環(huán)狀羥基類胡蘿卜素。酶活性和底物親和力決定了中間產(chǎn)物的積累和最終產(chǎn)物的形成。

5.天然類胡蘿卜素的生產(chǎn)與基因工程

大多數(shù)商業(yè)上使用的類胡蘿卜素是利用化學(xué)合成進行生產(chǎn)的利用從自然資源中分離或采用微生物發(fā)酵的方法制備類胡蘿卜素從分子水平上對類胡蘿卜素生物合成途徑的闡明，為科研人員提供了一種新的途徑，基因異源表達使得本來不生成胡蘿卜素的大腸桿菌和酵母能進行類胡蘿卜素的生物合成基因重組和分子育種的方法已經(jīng)被應(yīng)用于生產(chǎn)新型和稀有的高價值類胡蘿卜素,成功地組合crt基因，對新的生物合成途徑進行分子培育，這些為合成結(jié)構(gòu)不同的類胡蘿卜素提供了極大的可能性。類胡蘿卜素生物合成途徑的基因工程已經(jīng)應(yīng)用到微生物類胡蘿卜素的生產(chǎn)系統(tǒng)，也應(yīng)用到高等植物中，用以增加類胡蘿卜素的積累調(diào)節(jié)新陳代謝過程能夠彌補萜類化合物前體供應(yīng)不足，而且通過調(diào)節(jié)新陳代謝途徑的流向，可以重新設(shè)計類胡蘿卜素的合成路徑通過基因工程手段來改變植物中類胡蘿卜素的生物合成，可增加植物的營養(yǎng)價值，但不能干擾異戊二烯的其他正常代謝路徑在基因工程過程中，一些新的未預(yù)料的問題也經(jīng)常出現(xiàn)，如葉綠體終端氧化酶對類胡蘿卜素去飽和作用的干預(yù)等5.1利用微生物生產(chǎn)天然類胡蘿卜素

微生物類胡蘿卜素的商業(yè)生產(chǎn)是一個生物合成過程對類胡蘿卜素生物合成的有效刺激可以提高微生物類胡蘿卜素的積累量。研究發(fā)現(xiàn)各種環(huán)境和培養(yǎng)刺激因子可以提高微生物單位體積產(chǎn)量和增加具有重要商業(yè)價值的微藻、真菌和細(xì)菌中的類胡蘿卜素積累量。類胡蘿卜素生產(chǎn)刺激因素包括:

光照、溫度調(diào)節(jié)、以及在培養(yǎng)基中添加金屬離子、鹽、有機溶劑、預(yù)生成前體和其他的化學(xué)物質(zhì)。5.1.1微生物生產(chǎn)類胡蘿卜素概況

目前已經(jīng)報道許多種微生物，如藻類、真菌和細(xì)菌可進行天然類胡蘿卜素的生產(chǎn)除了培養(yǎng)條件，類胡蘿卜素生物合成還由類胡蘿卜素生物合成酶水平和活性，以及整個合成系統(tǒng)的碳通量所決定。因此，通過改變這些酶的活性和水平，用分子技術(shù)改變生物合成途徑，是可以實現(xiàn)高產(chǎn)5.1.2環(huán)境因子及其控制

為了提高微生物生產(chǎn)天然類胡蘿卜素的效率，在培養(yǎng)基中添加刺激因子，或相應(yīng)調(diào)整外部培養(yǎng)條件加以實現(xiàn)。(1)光白光對藻類、真菌和細(xì)菌類胡蘿卜素的生產(chǎn)和積累有積極影響，除了增減輻射時間和強度能否增加類胡蘿卜素產(chǎn)量以外，光誘導(dǎo)還有兩個方面的問題：類胡蘿卜素含量（毫克／升）的提高一般與改善微生物的生長有直按關(guān)系。將光照作為類胡蘿卜素生產(chǎn)刺激因子以提高類胡蘿卜素產(chǎn)量過程中，光對微生物生長的影響起到了十分重要的作用。細(xì)胞中類胡蘿卜素積累（毫克／克）與類胡蘿卜素生物合成中所含酶的活性有關(guān)，白光輻射是酶活性的刺激因子。EricGiraud,

JournalofBiologicalChemistry,2004,279(15):15076–15083微藻是光自養(yǎng)生物，其生長過程中需要光照以進行光合作用．但光照強度對其類胡蘿卜素的積累具有重要影響。杜氏藻（Dunaliellasp.）是β-胡蘿卜素的主要生產(chǎn)來源，其生長和類胡蘿卜素的合成需要高光強度、鹽脅迫和營養(yǎng)限制。杜氏鹽藻生長期間，當(dāng)光強度（以單位面積單位時間光子計）從50增加到1250μmol/(m2．s)，β-胡蘿卜素積累增加60%光誘導(dǎo)的類胡蘿卜素高產(chǎn)量受活性氧（ROS）影響，在持續(xù)暴露在強光下會導(dǎo)致活性氧分子的生成，活性氧在刺激類胡蘿卜素方面起了重要作用，ROS可能與基因和蛋白水平上的復(fù)雜調(diào)節(jié)機制有關(guān)類胡蘿卜素合成酶（番茄紅素合成酶和脫氫酶）的活性隨光強度的增加而增加酵母

對于高產(chǎn)蝦青素的紅發(fā)夫酵母來說，試驗證明其蝦青素的生產(chǎn)具有光的可誘導(dǎo)性。在強光照射下，蝦青素是高水平濃度狀態(tài)。當(dāng)再將細(xì)胞轉(zhuǎn)回至黑暗狀態(tài)時，蝦青素含量又減少了。以中等強度[5～1OOμmol/(m2．s)]的光持續(xù)輻射，可以得到蝦青素最大量的生產(chǎn)。

（2）溫度溫度控制了類胡蘿卜素生產(chǎn)中的酶濃度，而酶濃度的變化最終控制了微生物中的類胡蘿卜素水平。溫度又直接控制了其生長速率，在類胡蘿卜素生物合成中起重要的作用。當(dāng)高光輻射通量與低溫(19℃)同時作用時，藻中的β-胡蘿卜素水平受到激發(fā)。分裂周期在低溫下會推遲細(xì)胞分裂。低溫降低了從環(huán)境中攝取營養(yǎng)的速率，因此，一些代謝過程減慢，如蛋白質(zhì)合成，類胡蘿卜素含量的增加和脂類的不飽和作用被認(rèn)為是馴化應(yīng)答，補償了低溫下生物膜功能的降低。（3）化學(xué)物質(zhì)許多化學(xué)因素在微生物體系中可影響類胡蘿卜素的遺傳性質(zhì)，這些化合物包括萜、紫羅蘭酮、胺、堿和抗生素等；環(huán)化酶抑制物2-（4-氯苯硫）三乙基胺(CPTA)刺激了番茄紅素的積累，并伴隨著γ-胡蘿卜素的增加。從番茄紅素高度累積的細(xì)胞培養(yǎng)基中去除CPTA時，β-胡蘿卜素開始合成，并伴隨著番茄紅素和γ-胡蘿卜素的減少。

將抗生素，如青霉素,添加到Blakesleatrispora的培養(yǎng)基中，對類胡蘿卜素的合成有積極影響，因為甲羥戊二酸途徑激酶活性在青霉素存在時是原來的2倍。(4)金屬離子和鹽鉀和鎂是微生物細(xì)胞中的大量元素，而鈉、鈣、鋅等都是微生物生長必需的金屬離子。當(dāng)雨生紅球藻在含有鐵鹽的培養(yǎng)基中培養(yǎng)時，蝦青素產(chǎn)量得到了一定程度的提高。鐵鹽誘導(dǎo)的蝦青素高度積累是由于羥自由基的生成，通過Fenton反應(yīng)的羥自由基刺激了細(xì)胞類胡蘿卜素的合成。這種積極應(yīng)答是由于陽離子對類胡蘿卜素合成酶的刺激作用引起的，也與培養(yǎng)基中生成活性氧自由基有關(guān)。（5）三羧酸循環(huán)中間物

三羧酸(TCA)循環(huán)的中間產(chǎn)物在需氧條件下的代謝反應(yīng)對形成類胡蘿卜素碳骨架和微生物體內(nèi)脂類的生物合成部起到十分重要的作用；檸檬酸和蘋果酸被認(rèn)為是與刺激類胡蘿卜素合成有關(guān)的主要因素，基質(zhì)中檸檬酸的供應(yīng)在28mmol／L或更高的水平可增加胞中類胡蘿卜素濃度。（6）有機