Caroteno

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El término caroteno (también carotina, del latín carota, "zanahoria") se utiliza para muchas sustancias hidrocarbonadas insaturadas relacionadas que tienen la fórmula C 40 H x, que son sintetizadas por plantas pero que, en general, no pueden ser producidas por animales (con la excepción de algunos pulgones y arañas rojas que adquirieron los genes sintetizadores de los hongos). Los carotenos son pigmentos fotosintéticos importantes para la fotosíntesis. Los carotenos no contienen átomos de oxígeno. Absorben la luz ultravioleta, violeta y azul y dispersan la luz naranja o roja y (en bajas concentraciones) la luz amarilla.

Los carotenos son responsables del color naranja de la zanahoria, que da nombre a esta clase de sustancias químicas, y del color de muchas otras frutas, verduras y hongos (por ejemplo, batatas, rebozuelos y melones anaranjados). Los carotenos también son responsables de los colores anaranjados (pero no todos los amarillos) en el follaje seco. También (en concentraciones más bajas) imparten la coloración amarilla a la grasa de la leche y la mantequilla. Las especies animales omnívoras que son relativamente pobres en la conversión de carotenoides dietéticos coloreados en retinoides incoloros tienen grasa corporal de color amarillento, como resultado de la retención de carotenoides de la porción vegetal de su dieta. La grasa típica de color amarillo de humanos y pollos es el resultado del almacenamiento de grasa de carotenos de sus dietas.

Los carotenos contribuyen a la fotosíntesis al transmitir la energía luminosa que absorben a la clorofila. También protegen los tejidos de las plantas ayudando a absorber la energía del oxígeno singlete, una forma excitada de la molécula de oxígeno O 2 que se forma durante la fotosíntesis.

El β-caroteno se compone de dos grupos retinilo y se descompone en la mucosa del intestino delgado humano mediante la β-caroteno 15,15'-monooxigenasa en retinal, una forma de vitamina A. El β-caroteno se puede almacenar en el hígado y grasa corporal y convertida en retina según sea necesario, convirtiéndola así en una forma de vitamina A para los humanos y algunos otros mamíferos. Los carotenos α-caroteno y γ-caroteno, debido a su único grupo retinilo (anillo β-ionona), también tienen cierta actividad de vitamina A (aunque menos que el β-caroteno), al igual que el carotenoide xantófilo β-criptoxantina. Todos los demás carotenoides, incluido el licopeno, no tienen anillo beta y, por lo tanto, no tienen actividad de vitamina A (aunque pueden tener actividad antioxidante y, por lo tanto, actividad biológica de otras formas).

Las especies animales difieren mucho en su capacidad para convertir los carotenoides que contienen retinilo (beta-ionona) en retinales. Los carnívoros en general son malos convertidores de carotenoides dietéticos que contienen ionona. Los carnívoros puros, como los hurones, carecen de β-caroteno 15,15'-monooxigenasa y no pueden convertir ningún carotenoide en retinales (lo que hace que los carotenos no sean una forma de vitamina A para esta especie); mientras que los gatos pueden convertir una traza de β-caroteno en retinol, aunque la cantidad es totalmente insuficiente para satisfacer sus necesidades diarias de retinol.

Estructura molecular

Químicamente, los carotenos son hidrocarburos poliinsaturados que contienen 40 átomos de carbono por molécula, números variables de átomos de hidrógeno y ningún otro elemento. Algunos carotenos están terminados en anillos hidrocarbonados, en uno o ambos extremos de la molécula. Todos están coloreados para el ojo humano, debido a extensos sistemas de dobles enlaces conjugados. Estructuralmente, los carotenos son tetraterpenos, lo que significa que se sintetizan bioquímicamente a partir de cuatro unidades de terpeno de 10 carbonos, que a su vez se forman a partir de ocho unidades de isopreno de 5 carbonos.

Los carotenos se encuentran en las plantas en dos formas primarias designadas por caracteres del alfabeto griego: alfa-caroteno (α-caroteno) y beta-caroteno (β-caroteno). También existen gamma, delta, épsilon y zetacaroteno (γ, δ, ε y ζ-caroteno). Dado que son hidrocarburos y, por lo tanto, no contienen oxígeno, los carotenos son liposolubles e insolubles en agua (a diferencia de otros carotenoides, las xantofilas, que contienen oxígeno y, por lo tanto, son menos hidrófobos químicamente).

Historia

El descubrimiento del caroteno del jugo de zanahoria se atribuye a Heinrich Wilhelm Ferdinand Wackenroder, hallazgo realizado durante una búsqueda de antihelmínticos, que publicó en 1831. Lo obtuvo en pequeñas hojuelas de color rojo rubí solubles en éter, que al disolverse en grasas dieron ' un hermoso color amarillo'. William Christopher Zeise reconoció su naturaleza hidrocarbonada en 1847, pero sus análisis le dieron una composición de C 5 H 8. Fue Léon-Albert Arnaud en 1886 quien confirmó su naturaleza hidrocarbonada y dio la fórmula C 26 H 38, que se acerca a la composición teórica de C 40 H 56. Adolf Lieben en estudios, también publicados en 1886, de la materia colorante en los cuerpos lúteos, encontró por primera vez los carotenoides en el tejido animal, pero no reconoció la naturaleza del pigmento. Johann Ludwig Wilhelm Thudichum, en 1868-1869, después de un examen espectral estereoscópico, aplicó el término 'luteína' (luteína) a esta clase de sustancias amarillas cristalizables que se encuentran en animales y plantas. Richard Martin Willstätter, quien ganó el Premio Nobel de Química en 1915, principalmente por su trabajo sobre la clorofila, asignó la composición de C 40 H 56, distinguiéndola de la xantofila similar pero oxigenada, C 40 H 56 O 2. Con Heinrich Escher, en 1910, se aisló el licopeno de los tomates y se demostró que era un isómero del caroteno. El trabajo posterior de Escher también diferenció los pigmentos 'lúteos' en la yema de huevo de los carotenos en el cuerpo lúteo de vaca.

Fuentes dietéticas

Los siguientes alimentos contienen carotenos en cantidades notables:

La absorción de estos alimentos mejora si se comen con grasas, ya que los carotenos son liposolubles, y si los alimentos se cocinan durante unos minutos hasta que la pared celular de la planta se rompa y el color se libere en cualquier líquido. 12 μg de β-caroteno en la dieta proporcionan el equivalente a 1 μg de retinol, y 24 μg de α-caroteno o β-criptoxantina proporcionan el equivalente a 1 μg de retinol.

Formas de caroteno

Los dos isómeros primarios del caroteno, α-caroteno y β-caroteno, difieren en la posición de un doble enlace (y por lo tanto un hidrógeno) en el grupo cíclico en un extremo (el extremo derecho en el diagrama de la derecha).

El β-caroteno es la forma más común y se puede encontrar en frutas y verduras de hojas amarillas, anaranjadas y verdes. Como regla general, cuanto mayor es la intensidad del color naranja de la fruta o verdura, más β-caroteno contiene.

El caroteno protege las células vegetales contra los efectos destructivos de la luz ultravioleta. El β-caroteno es un antioxidante.

β-caroteno y fisiología

β-caroteno y cáncer

Un artículo de la Sociedad Estadounidense del Cáncer dice que la Campaña de Investigación del Cáncer ha pedido etiquetas de advertencia en los suplementos de β-caroteno para advertir a los fumadores que dichos suplementos pueden aumentar el riesgo de cáncer de pulmón.

El New England Journal of Medicine publicó un artículo en 1994 sobre un ensayo que examinó la relación entre la suplementación diaria de β-caroteno y vitamina E (α-tocoferol) y la incidencia de cáncer de pulmón. El estudio se realizó con suplementos y los investigadores estaban al tanto de la correlación epidemiológica entre las frutas y verduras ricas en carotenoides y las tasas más bajas de cáncer de pulmón. La investigación concluyó que no se encontró una reducción en el cáncer de pulmón en los participantes que usaron estos suplementos y, además, estos suplementos pueden, de hecho, tener efectos nocivos.

The Journal of the National Cancer Institute y The New England Journal of Medicine publicaron artículos en 1996 sobre un ensayo con el objetivo de determinar si la vitamina A (en forma de palmitato de retinilo) y el β-caroteno (en aproximadamente 30 mg/día, que es 10 veces la ingesta diaria de referencia) los suplementos tuvieron efectos beneficiosos para prevenir el cáncer. Los resultados indicaron un mayor riesgo de cáncer de pulmón y próstata para los participantes que consumieron el suplemento de β-caroteno y que tenían irritación pulmonar por fumar o por exposición al asbesto, lo que provocó que el ensayo se detuviera antes de tiempo.

Una revisión de todos los ensayos controlados aleatorios en la literatura científica realizada por la Colaboración Cochrane publicado en JAMA en 2007 encontró que el β-caroteno sintético aumentó la mortalidad en un 1-8 % (riesgo relativo 1,05, intervalo de confianza del 95 % 1,01-1,08). Sin embargo, este metanálisis incluyó dos grandes estudios de fumadores, por lo que no está claro si los resultados se aplican a la población general. La revisión solo estudió la influencia de los antioxidantes sintéticos y los resultados no deben traducirse en efectos potenciales de frutas y verduras.

β-caroteno y fotosensibilidad

El β-caroteno oral se prescribe a personas que padecen protoporfiria eritropoyética. Les proporciona cierto alivio de la fotosensibilidad.

Carotenemia

La carotenemia o hipercarotenemia es un exceso de caroteno, pero a diferencia del exceso de vitamina A, el caroteno no es tóxico. Aunque la hipercarotenemia no es particularmente peligrosa, puede provocar un color naranja en la piel (carotenodermia), pero no en la conjuntiva de los ojos (distinguiéndola así fácilmente visualmente de la ictericia). Se asocia más comúnmente con el consumo de una gran cantidad de zanahorias, pero también puede ser un signo médico de condiciones más peligrosas.

β-caroteno y nanotecnología

Las moléculas de β-caroteno y licopeno se pueden encapsular en nanotubos de carbono mejorando las propiedades ópticas de los nanotubos de carbono. Se produce una transferencia de energía eficiente entre el tinte encapsulado y el nanotubo: el tinte absorbe la luz y se transfiere sin pérdida significativa al nanotubo de carbono de pared simple (SWCNT). La encapsulación aumenta la estabilidad química y térmica de las moléculas de caroteno; además permite su aislamiento y caracterización individual.

Producción

La mayor parte del suministro sintético de caroteno del mundo proviene de un complejo de fabricación ubicado en Freeport, Texas y propiedad de DSM. El otro proveedor importante, BASF, también utiliza un proceso químico para producir β-caroteno. Juntos, estos proveedores representan alrededor del 85% del β-caroteno en el mercado. En España, Vitatene produce β-caroteno natural a partir del hongo Blakeslea trispora, al igual que DSM, pero en una cantidad mucho menor en comparación con su operación de β-caroteno sintético. En Australia, el β-caroteno orgánico es producido por Aquacarotene Limited a partir de algas marinas secas Dunaliella salinacultivado en estanques de cosecha situados en Karratha, Australia Occidental. BASF Australia también está produciendo β-caroteno a partir de microalgas cultivadas en dos sitios en Australia que son las granjas de algas más grandes del mundo. En Portugal, la empresa de biotecnología industrial Biotrend está produciendo all - trans -β-caroteno natural a partir de una bacteria no modificada genéticamente del género Sphingomonas aislada del suelo.

Los carotenos también se encuentran en el aceite de palma, el maíz y en la leche de las vacas lecheras, lo que hace que la leche de vaca adquiera un color amarillo claro, según la alimentación del ganado y la cantidad de grasa en la leche (leches con alto contenido de grasa, como los producidos por vacas Guernsey, tienden a ser más amarillos porque su contenido de grasa hace que contengan más caroteno).

Los carotenos también se encuentran en algunas especies de termitas, donde aparentemente han sido extraídos de la dieta de los insectos.

Síntesis total

Actualmente existen dos métodos comúnmente utilizados para la síntesis total de β-caroteno. El primero fue desarrollado por BASF y se basa en la reacción de Wittig con el propio Wittig como titular de la patente:Síntesis de caroteno por Wittig

La segunda es una reacción de Grignard, elaborada por Hoffman-La Roche a partir de la síntesis original de Inhoffen et al. Ambos son simétricos; la síntesis de BASF es C20 + C20, y la síntesis de Hoffman-La Roche es C19 + C2 + C19.

Nomenclatura

Los carotenos son carotenoides que no contienen oxígeno. Los carotenoides que contienen algo de oxígeno se conocen como xantofilas.

Los dos extremos de la molécula de β-caroteno son estructuralmente idénticos y se denominan anillos β. Específicamente, el grupo de nueve átomos de carbono en cada extremo forma un anillo β.

La molécula de α-caroteno tiene un anillo β en un extremo; el otro extremo se llama anillo ε. No existe tal cosa como un "anillo α".

Estos y otros nombres similares para los extremos de las moléculas de carotenoides forman la base de un esquema de denominación sistemático, según el cual:

El ζ-caroteno es el precursor biosintético del neurosporeno, que es el precursor del licopeno, que, a su vez, es el precursor de los carotenos α a ε.

Aditivo alimentario

El caroteno también se utiliza como sustancia para dar color a productos como jugos, pasteles, postres, mantequilla y margarina. Está aprobado para su uso como aditivo alimentario en la UE (enumerado como aditivo E160a), Australia y Nueva Zelanda (enumerado como 160a) y EE. UU.