Carotinoide

Carotinoide kommen zunächst in salzliebenden Archaeen (Halobakterien), in Bakterien, in den Chromoplasten und Plastiden von Pflanzen und in manchen Pilzen vor. Diese Organismen sind in der Lage, Tetraterpene de novo zu synthetisieren. Weiterhin treten sie in verschiedenen Tieren auf, die mit ihrer Nahrung farbstoffhaltiges Pflanzenmaterial aufnehmen. So finden sich Carotinoide dann in Schneckenhäusern, Muschelschalen oder Panzern sowie auch in Federn und Eigelb von Vögel oder beim Menschen in Haut und Netzhaut. Abgesehen von einzelnen Ausnahmen wie manchen Arten von Blattläusen und Spinnmilben besitzen tierische Organismen keine Gene für eine Carotinoid-Synthese.

Einige Carotinoide sind in der EU zugelassen als Lebensmittelzusatzstoffe; sie tragen die E-Nummern E 160a bis E 160g und E 161a bis E 161h. Manche dienen der farblichen Gestaltung von Produkten.

Typische Carotinoide haben die Grundstruktur von Tetraterpenen, aus acht Isopreneinheiten aufgebaute Verbindungen, und enthalten somit 40 C-Atome. Die ungesättigten Kohlenwasserstoffketten können an einem Ende oder beiden cyclisiert sein (Ionon-Ringe) oder nicht, wie beim Lycopin mit der Summenformel C₄₀H₅₆. Abwandlungen bestehen daneben in De-/Hydrierungen und den verschiedenen Arten von Oxidationsprodukten. Carotinoide werden unterteilt in die beiden Hauptgruppen

• Carotine, die ausschließlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff aufgebaut sind,
• Xanthophylle, die sauerstoffhaltigen Derivate von Carotinen

Die Maxima der Absorptionsspektren von Carotinoiden liegen meist bei Wellenlängen um 400 bis 500 Nanometer.

Tiere und Menschen sind nicht zur De-novo-Synthese von Vitamin A fähig und müssen daher ihren Bedarf über die Nahrung decken. Während Fleischfresser Vitamin A überwiegend in Form von Retinylestern oder Retinol aufnehmen, nutzen Pflanzenfresser bestimmte Carotinoide als Vorstufe. Von etwa 50 Carotinoiden ist eine Provitamin-A-Aktivität bekannt, sie können im biologischen Körper zu Vitamin A umgewandelt werden. Von diesen hat β-Carotin die größte Aktivität.

Der Mensch kann zur Vitamin-A-Bedarfsdeckung sowohl Retinol und Retinylester als auch Provitamin A nutzen. Die Aktivität von Nahrungscarotinoiden als Provitamin A drückt man mit Hilfe sogenannter Retinoläquivalente aus, wobei etwa 6 mg β-Carotin und 12 mg gemischte Carotinoide einem Retinoläquivalent entsprechen. Den Carotinoiden wird auch sonst große gesundheitliche Bedeutung zugesprochen. Im menschlichen Körper spielen 6 Carotinoide eine wesentliche Rolle: β-Carotin, α-Carotin, Lycopin, β-Cryptoxanthin, Lutein und Zeaxanthin. Die meisten von ihnen haben die Funktion von Antioxidantien. Dadurch sollen sie vielen Erkrankungen wie Krebs, Arteriosklerose, Rheuma, Alzheimer und Parkinson, Grauem Star oder der Hautalterung vorbeugen.

Von allen Nahrungscarotinoiden hat Lycopin (z. B. in Tomaten) das größte antioxidative Potenzial und gilt als wirksamster Schutz vor dem besonders reaktiven Singulett-Sauerstoff. Lycopin hemmt auch das Wachstum von Tumorzellen effektiver als α- oder β-Carotin.

Die antikanzerogene Wirkung der Carotinoide ergibt sich theoretisch auch aus ihrer Eigenschaft, eine gut funktionierende Kommunikation zwischen den Zellen herstellen zu können. Insbesondere β-Carotin, Cryptoxanthin und Canthaxanthin, regen den Austausch zwischen den Zellen an, indem sie die Synthese von Connexin bewirken. Diese Verbindung ist maßgeblich an der Bildung der Gap Junctions beteiligt, deren Anzahl bei Krebszellen vermindert ist. Carotinoide sollen jedoch nur in der Prävention eingesetzt werden, da sie in der eigentlichen Krebstherapie oder in der Vorbeugung gegen Rückfälle keine Wirkung zeigen. Besonders bei bereits an Krebs erkrankten Patienten sei mit hochdosierten Präparaten Vorsicht geboten.

In Leber, Augen, Haut und Fettgewebe liegen bestimmte Carotinoide in deutlich höherer Konzentration vor als in anderen Körpergeweben. In der Netzhaut des Auges, im sogenannten gelben Fleck (Macula), kommen die Carotinoide Lutein und Zeaxanthin in größeren Mengen vor. Diese Carotinoide wirken hier vermutlich als natürliche Schutzmechanismen, da die Netzhaut mit ihren besonders oxidationsempfindlichen mehrfach ungesättigten Fettsäuren besonders anfällig für den Angriff von freien Radikalen ist.

Für Carotinoide gilt, wie für andere sekundäre Pflanzenstoffe, dass sie nicht in Form von isolierten, hochkonzentrierten Präparaten aufgenommen werden sollten, sondern im natürlichen Verbund mit anderen Nahrungsinhaltsstoffen. Die Einnahme hochdosierter Präparate birgt sogar Gefahren. Eine regelrechte Vergiftung mit Carotinoiden ist zwar nicht möglich, β-Carotin-Supplemente können aber möglicherweise das Krebsrisiko erhöhen.

Die primäre Aufgabe der Carotinoide bei der pflanzlichen Photosynthese ist es, Chlorophyllmoleküle vor Zerstörung durch Photooxidation zu schützen. Dabei fungieren sie als photoprotektive Agenzien, die die Pflanzenzelle durch nonphotochemisches Quenching vor reaktiven Sauerstoffspezies schützen. Außerdem erweitern sie das Absorptionsspektrum der photosynthetischen Organismen im blau-grünen Spektralbereich und sind teilweise auch am Energietransfer innerhalb der Antennenkomplexe und Photosysteme beteiligt. Dort arbeiten sie als Lichterntepigmente im Lichtsammelkomplex, die Photonen absorbieren und die Energie ans photosynthetische Reaktionszentrum weiterleiten. Man bezeichnet sie deshalb zusammen mit den Phycobilinen als akzessorische Pigmente der Photosynthese. Im Xanthophyllzyklus, der in den Chloroplasten stattfindet, wird überschüssige Lichtstrahlung absorbiert und in unschädliche Wärme umgewandelt.

Schätzungen über die jährliche Carotinoidsynthese durch Pflanzen belaufen sich auf 100 Millionen Tonnen im Jahr.

Die Zuteilung der Carotinoide zu den sekundären Pflanzenstoffen ist somit nicht ganz korrekt, da ihnen, entgegen der Definition der sekundären Pflanzenmetaboliten, klare primäre Funktionen in der Photosynthese zugeordnet werden können.

Von den ca. 700 bekannten natürlichen Carotinoiden besitzen einige eine größere technische Bedeutung und werden im industriellen Maßstab synthetisiert: β-Carotin, Astaxanthin, Canthaxanthin, 8'-Apo-β-carotinsäureethylester, 8'-Apo-β-carotinaldehyd, Citranaxanthin, Lycopin und Zeaxanthin. Die technische Herstellung der naturidentischen Carotinoide wurde zuerst bei der Hoffmann-La Roche AG und bei der BASF SE entwickelt. Die Verfahren sind komplex und beinhalten als universelle Verknüpfungsmethoden:

• Wittig-Reaktion
• Horner-Wadsworth-Emmons-Reaktion
• Sulfonverknüpfung nach Julia
• Enoletherkondensation
• Saucy-Marbet-Umlagerungen.

Da häufig (E,Z)-Isomerengemische entstehen, schließt sich oft eine photochemische Isomerisierung (Umwandlung) der meist unerwünschten (Z)-Form in die gewünschte (E)-Form an.

Es ist möglich, Gene zur Biosynthese von Carotinoiden in Pilze, Bakterien und Pflanzen einzubringen oder den Gehalt geschwindigkeitsbestimmender Enzymen zu erhöhen, um die Carotinoidproduktion zu steigern. Der Hefepilz Phaffia rhodozyma kann so genetisch verändert werden, dass er mehr Astaxanthin und auch artfremde Carotinoide herstellt. Ebenso ist es möglich, die Anreicherung von Zeaxanthin in Kartoffelknollen deutlich zu steigern. Speziell für Entwicklungsländer wurde die transgene Reissorte mit dem Spitznamen Goldener Reis entwickelt, um der Vitamin-A-Unterversorgung entgegenzuwirken.

Carotinoide werden häufig als Futtermittelzusatzstoff zugesetzt, um beispielsweise die Farbe des Fleisches beim Zuchtlachs zu beeinflussen, das bei Fütterung mit Fischmehlbrocken in Gefangenschaft ohne Zusatz grau wäre. Wildlachse nehmen den Farbstoff normalerweise durch Verzehr kleiner Krustentiere auf. Auch diese stellen ihn nicht selbst her, sondern fressen kleine Algen, die das Xanthophyll Astaxanthin enthalten. In Kosmetikprodukten werden sie in der Liste der Inhaltsstoffe als CAROTENOIDS (INCI) angegeben.

Aus ähnlichem Grund werden Flamingos im Zoo zusätzlich mit Carotinoiden gefüttert, denn sie können dort keine carotinoidhaltigen Krebse und Algen aufnehmen und verlören sonst ihre Gefiederfärbung. Ebenfalls kann die Färbung des Eidotters durch Zusätze im Futtermittel für Hühner beeinflusst werden, insbesondere, wenn die Tiere kaum Gräser oder Mais finden, die natürliche Carotinoide enthalten. Lebensmittel, die direkt mit Carotinoiden eingefärbt werden, sind zum Beispiel Margarine und Fruchtsäfte.