類胡蘿卜素的研究進展

張巖巖　陳玉超

[摘要]概述類胡蘿卜素的種類結構，生物合成以及生物功能和性質，以及類胡蘿卜素的抗癌功能的研究近況。

[關鍵詞]類胡蘿卜素 β-胡蘿卜素 番茄紅素

中圖分類號：Q595文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0120008－01

一、概述

類胡蘿卜素是在自然界中廣泛存在的一類天然色素的總稱。它是黃紅色的色素，具有多種生物活性，并且可以作為常用的著色劑。它們廣泛存在于微生物、植物、動物及人體內，是生物體必不可少的組成成分。類胡蘿卜素僅在植物和微生物可自行合成。已明確結構的類胡蘿卜素有600余種，其中大部分已知的類胡蘿卜素是由8個類異戊二烯組成，碳原子數40的四萜(tetraterpenes)占多數，但也有碳原子數少于40的類胡蘿卜素（如β－脫輔基－胡蘿卜醛）以及近期在古細菌中發現的碳原子數大于40的類胡蘿卜素。除了少數類胡蘿卜素以游離態的形式呈現，大部分通常與糖呈結合態的形式，在動物體內通常與蛋白質結合形成類胡蘿卜素蛋白。

類胡蘿卜素具有重要的生物學功能，作為強抗氧化劑，能高效猝滅單線態氧；在細胞膜上也起著重要的作用，通過縫間連接交流，與其它蛋白質分子相互作用；是光合生物必不可少的組分；此外，它們與人類的健康關系密切，能防御人類的一些致命疾病，對免疫系統具有保護作用。

二、類胡蘿卜素的種類與結構

類胡蘿卜素是類異戊二烯化合物，由尾-尾相連的兩個二十碳單位構成四十碳分子的母體碳架，并由此衍生出多種不同的化合物。類胡蘿卜素分子最顯著的結構特征是分子中含有一個共軛體系，由不同數目的雙鍵或單鏈的長鏈所構成的中央區域形成。它們都含有帶有9～13個共軛雙鍵的異戊二烯鏈，在鏈的兩端各有一個β-紫蘿酮環，通過末端的環化，異構化或鍵的旋轉等方式，形成多種衍生物。

三、生物合成

所有的類胡蘿卜素均通過類異戊二烯化合物或萜類化合物途徑合成[1]。IPP(異戊烯焦磷酸)是其前體物質。IPP在IPP異構酶作用下生成DMAPP(二甲基丙烯基二磷酸)，然后與3個IPP縮合，依次生成GPP(攏牛兒焦磷酸)、FPP(法尼基二磷酸)和GGPP(攏牛兒基攏牛兒焦磷酸)。2個GGPP在PSY(八氫番茄紅素合成酶)作用下形成第一個無色的類胡蘿卜素八氫番茄紅素。八氫番茄紅素經過連續的脫氫反應，使共軛雙鍵延長，直至形成鏈孢紅素、番茄紅素。番茄紅素在不同的環化酶作用下分別生成α-胡蘿卜素、β-胡蘿卜素。在α、β胡蘿卜素的C4(C4′)位置引入酮基和（或）C3(C3′)位置引入羥基以及在β環上引入C(5，6)環氧基后，則形成結構更為復雜的葉黃素[2]。

Ａ：GGPP；B：八氫番茄紅素；C：六氫番茄紅素；D：ζ-蘿卜素；Ｅ：鏈孢紅素；Ｆ：番茄紅素；Ｇ：γ-胡蘿卜素；Ｈ：β-胡蘿卜素；Ｉ：β-隱黃質；Ｊ：玉米黃質；Ｋ：環氧玉米黃質；Ｌ：堇菜黃素；Ｍ：新黃質；Ｎ：α-玉米胡蘿卜素；Ｏ：δ-胡蘿卜素；Ｐ：α-胡蘿卜素；Ｑ：葉黃素；Ｒ：β-檸烏素；Ｓ：辣椒紅；Ｔ：辣椒玉紅素；①八氫番茄紅素合成酶；②八氫番茄紅素脫飽和酶；③δ-胡蘿卜素脫氫酶；④番茄紅素ε－環化酶；⑤β-環脫氫酶；⑥番茄紅素β-環化酶；⑦辣椒紅/辣椒玉紅素合成酶；⑧玉米黃質環氧酶；⑨堇菜黃素脫環氧化酶。

四、生物學功能

（一）抗氧化性

類胡蘿卜素分子結構中含有多個共軛雙鍵，這種特殊的結構賦予它猝滅單線態氧的能力?？梢耘c自由基起反應，形成無害的產物，或通過破壞自由基鏈反應，將自由基清除。在植物中類胡蘿卜素可清除活性氧而使植物免遭強太陽光的灼傷。在動物體內的類胡蘿卜素可捕獲自由基，從而保護動物細胞免遭自由基的破壞[2]。

抗氧化功能使得類胡蘿卜素能夠減少自由基對細胞遺傳物質(DNA，RNA)和細胞膜的損傷。羥基自由基能夠損傷90%的DNA，單線態氧和羥基自由基能使DNA的雙鏈斷裂。如果遺傳物質的損傷長時間不能修復，將會導致癌細胞生成。

類胡蘿卜素既能增強特異性和非特異性免疫，也能增強腫瘤的免疫性。類胡蘿卜素增強免疫活性主要通過下列方式起作用：抑制免疫活性細胞過度反應；猝滅引起免疫抑制的過氧化物，維持膜的液態流動性；有助于維持免疫功能必需的膜受體狀態；對免疫調節分子起作用。通過上述機制，增強了淋巴Ｔ細胞，巨噬細胞或ＮＫ細胞等的抗腫瘤功能。

類胡蘿卜素是動物體內非酶型的斷裂性抗氧化劑，在眾多的非酶型抗氧化劑中水溶性的有抗壞血酸、谷胱甘肽、尿酸鹽和膽紅素等，脂溶性的有α-生育酚、β-生育酚、β-胡蘿卜素、α-胡蘿卜素、番茄紅素、玉米黃素、葉黃素、泛酸等。其中類胡蘿卜素對單線態氧的猝滅能力明顯高于α-生育酚和抗壞血酸。許多研究表明，在機體衰老、患病及炎癥過程中，體內自由基增加，而類胡蘿卜素則能抑制自由基的產生，從而延緩衰老和預防癌癥。

眾多的類胡蘿卜素中，研究較為詳細的兩種具有抗癌作用的是β-胡蘿卜素和番茄紅素。β-胡蘿卜素有較強的抗氧化性，具有很強的清除自由態單線氧的功能。它可以保護巨噬細胞免受自身氧化的損失，促進Ｔ淋巴細胞群體的增殖。因癌變過程是一種漸進過程，β-胡蘿卜素作為一種預防因素，無疑有積極作用。

（二）類胡蘿卜素分子在細胞膜上的重要作用

類胡蘿卜素通常位于細胞膜上，是復雜的膜結構的組成成分。研究表明，類胡蘿卜素分子在細胞膜上的定位取決于它們各自的具體結構特征。由碳氫元素組成的類胡蘿卜素如β-胡蘿卜素，番茄紅素等，能完全進入膜的內部并且保持一定的流動性；而當類胡蘿卜素分子中出現極性取代基，尤其當取代基是羥基時，它們在膜上的定位會受到很大影響。

不同結構的類胡蘿卜素分子能與細胞膜上不同區域的分子發生反應。β-胡蘿卜素、番茄紅素只能與膜內部疏水層的基團發生有效反應；而玉米黃質的末端基團卻有穿入極性區的能力，然后出現在水環境中，能與水相中的自由基團起反應[3]。所以，一些類胡蘿卜素是膜的抗氧化保護劑。

此外，類胡蘿卜素分子在膜上的方位也會影響膜的性質。像玉米黃質等類胡蘿卜素，由于它們的分子中有2個跨越膜的極性末端基團，因此，它們能作為膜結構的“護墻”，增加膜的剛度和機械強度。類胡蘿卜素分子能影響膜的厚度、強度和流動性，并影響膜對水、氧氣及其他分子的通透性[4]。

（三）類胡蘿卜素是光合生物必不可少的組分

類胡蘿卜素在光合作用過程中有兩種作用：即光吸收和光保護。一方面，類胡蘿卜素分子能吸收可見光，形成激發態后，將能量傳遞給葉綠素；另一方面，類胡蘿卜素分子又可將具有高度活性的單線態氧中的能量以熱的形式釋放出來，使之轉變為基態氧，從而對光合生物起到必不可少的保護作用。

五、展望

綜上所述，人們研究過的幾種類胡蘿卜素都表現出了很高的應用價值。據報道已經有人將類胡蘿卜素的功能應用在動物的生殖培養以及癌癥的治療等方面[5]。在人們發現的600余種類胡蘿卜素中，僅有十幾種為人們所研究熟知，還有更多的類胡蘿卜素以及它們的特殊功能性質等待人們去研究探索。

參考文獻：

[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]趙文恩、李艷杰、崔艷紅、喬憲生，類胡蘿卜素生物合成途徑及其控制與遺傳操作，西北植物學報2004.24(5):930－942.

[5]劉仲棟，幾類天然色素的生理功能，中國食品報，2002.10-15.

作者簡介：

張巖巖，本科，阜陽市冠亞質量檢測公司，助理工程師；陳玉超，本科，阜陽市冠亞質量檢測公司，助理工程師。