Carotinoide

Einleitung

Carotinoide gehören zu der Gruppe der sogenannten sekundären Pflanzenstoffe, die für den Menschen als nicht essentiell gelten, jedoch als gesundheitsfördernd angesehen werden [11].

Bei den Carotinoiden handelt es sich um lipophile (fettlösliche) Farbpigmente. Sie kommen in den Chromoplasten der pflanzlichen Organismen vor und geben vielen Pflanzen und Früchten ihre gelbe bis rötliche Farbe.

Carotinoide lassen sich auch in den Chloroplasten grüner Pflanzen feststellen, deren Farbe vom Grün des Chlorophylls überdeckt wird [3, 6, 13, 17].

Carotinoide können ausschließlich von pflanzlichen Organismen synthetisiert werden [6]. Dort sind sie bei der Photosynthese an der Absorption von Licht und der Übertragung von dessen Energie auf Chlorophyll beteiligt [25]. Außerdem erweitern sie in photosynthetischen Organismen das Absorptionsspektrum im blau-grünen Spektralbereich und dienen als Lichtschutzfaktoren [25].
Weiterhin schützen Carotinoide als Antioxidantien Chlorophyllmoleküle der Pflanzen vor photooxidativen Schäden und bewahren Tiere, die carotinoidreiche pflanzliche Lebensmittel verzehren, vor dem Einfluss aggressiver Sauerstoffspezies – „oxidativem Stress“ [11, 13].

Heute sind 500-600 verschiedene Carotinoide bekannt, von denen etwa 10 % durch den menschlichen Stoffwechsel in Vitamin A (Retinol) umgewandelt werden können und somit Provitamin A-Eigenschaften aufweisen. Der bekannteste Vertreter mit dieser Eigenschaft ist das Beta-Carotin. Dieses Carotinoid besitzt die höchste Vitamin A-Aktivität [11, 13].
Vitamin A findet sich ausschließlich im tierischen Organismus und kann neben Beta-Carotin auch aus anderen Carotinoiden, wie Alpha-Carotin und Beta-Cryptoxanthin, gebildet werden [13].

Unter üblichen Ernährungsbedingungen lassen sich im Serum des Menschen etwa 40 verschiedene Carotinoide feststellen, wobei folgende die Haupt-Carotinoide im Organismus darstellen [3, 13, 25]

Beta-Carotin macht 15-30 % der Gesamt-Carotinoide im Plasma aus [6].

Biochemie

Chemisch betrachtet sind Carotinoide aus acht Isoprenoid-Einheiten aufgebaut und bestehen aus einer Kohlenwasserstoffkette mit konjugierten Doppelbindungen, die an beiden Enden verschiedene Substituenten tragen kann. Sie lassen sich in Carotine, bestehend aus Wasserstoff und Kohlenstoff, und Xanthophylle, die zudem Sauerstoff enthalten, unterteilen [6, 13, 17].
Die wichtigsten Vertreter der Carotine sind Alpha- und Beta-Carotin sowie Lycopin und der Xanthophylle Lutein, Zeaxanthin sowie Beta-Cryptoxanthin [3, 13, 20].
Während gelbe, rote und orangefarbene Obst- und Gemüsesorten hauptsächlich Carotine enthalten, finden sich in grünem Gemüse zu 60-80 % Xanthophylle [25].

Beta-Carotin stellt das am meisten verbreitete Carotinoid dar, wobei der Gehalt an beispielsweise Lutein in Spinat und verschiedenen Kohlsorten oder an Lycopin in Tomaten wesentlich höher ist [13].

Resorption

Die Resorptionsrate der Carotinoide ist insgesamt sehr gering, sie liegt zwischen 1 und 50 %. Mit steigender Carotinoidaufnahme über die Nahrung sinkt die Absorptionsrate.

Zudem ist die Resorption von folgenden Faktoren abhängig [3, 6, 13, 20]

  • Art des Lebensmittels – Ballaststoffe, zum Beispiel Pektine, vermindern die Resorption
  • Form, in der Carotinoide in Lebensmitteln vorliegen – mit zunehmender Kristallgröße sinkt die Resorptionsrate
  • Kombination mit anderen Nahrungsbestandteilen, insbesondere mit Fett – um eine optimale Resorption zu gewährleisten, ist die Anwesenheit von Nahrungslipiden von wesentlicher Bedeutung
  • Art der Verarbeitung – Hitzebehandlung, mechanische Zerkleinerung fördern die Resorption

Zum Beispiel wird Beta-Carotin aus rohen Karotten nur zu etwa 1 % resorbiert, da es in der Pflanzenzelle von einer komplexen, unverdaulichen Matrix aus Proteinen, Lipiden und Kohlenhydraten umschlossen ist [3, 20]. Mit zunehmendem Verarbeitungsgrad – unter Einfluss von Hitze und mechanischer Zerkleinerung, beispielsweise beim Kochen oder bei der Herstellung von Ketchup – steigt die Resorptionsrate [20].

Die Aufnahme der Carotinoide folgt dem Weg der Lipidresorption, was die Anwesenheit von Fetten und Gallensäuren notwendig macht [3, 6, 13, 20].
Carotinoide werden zusammen mit anderen fettlöslichen Nährstoffen nach der Freisetzung aus dem Lebensmittel unter Einfluss von Gallensäuren in Mizellen verpackt und in die Epithelzellen der Dünndarmmukosa transportiert.
Dort entsteht aus den Vitamin A-wirksamen Carotinoiden – Beta- und Alpha-Carotin sowie Beta-Cryptoxanthin – infolge der oxidativen Spaltung durch das Enzym Dioxygenase das Aldehyd Retinal – aus Beta-Carotin können ein bis zwei Moleküle Retinal gebildet werden.
Retinal wird mittels der Alkohol-Dehydrogenase in das eigentliche Vitamin A (Retinol) umgewandelt.
Im Anschluss kommt es zur Veresterung der Retinol-Moleküle mit Palmitin-, Stearin-, Öl-, beziehungsweise Linolensäure, was zur Synthese von Retinylestern führt [3, 6, 13].

Die oxidative Spaltung der Carotinoide durch die Dioxygenase beziehungsweise die Bildung von Vitamin A findet hauptsächlich in den Zellen der Dünndarmmukosa (Dünndarmschleimhaut) statt [6]. Vitamin A-wirksame Carotinoide können aber auch in anderen Gewebszellen, wie Leber, Niere und Lunge, in Vitamin A überführt werden [3, 6].
Zur Aufrechterhaltung der Aktivität der Dioxygenase wird Sauerstoff und ein Metallion, vermutlich Eisen, benötigt.
Schließlich ist der Umfang der enzymatischen Spaltung und damit die Menge an synthetisierten Vitamin A von der Höhe der Carotinoid- beziehungsweise Proteinzufuhr, dem Eisen-Status sowie der gleichzeitigen Zufuhr von Fett und fettlöslichen Vitaminen Vitamin A, D, E, K abhängig [6].

Untersuchungen zur Folge wirken sich gesättigte Fettsäuren weitaus positiver auf die Carotinoidabsorption aus als ungesättigte Fettsäuren. Folgende Ursachen werden diskutiert [6]

  • Polyenfettsäuren – PFS –, wie Omega-3- und -6-Fettsäuren, erhöhen die Mizellengröße, wodurch die Diffusionsgeschwindigkeit erniedrigt wird
  • PFS verändern die Ladung der Mizellenoberfläche und beeinflussen somit die Affinität zur Epithelzelle negativ
  • PFS beanspruchen in den Lipoproteinen VLDL mehr Raum als gesättigte Fette und beschränken damit den Platz für andere Lipoide, wie Carotinoide, Retinol und Vitamin E –Tocopherol
  • Omega-3-Fettsäuren hemmen die VLDL-Synthese. VLDL ist für den Carotinoidtransport im Serum von Bedeutung
  • PFS erhöhen den Bedarf an Vitamin E, welches als Antioxidans die Carotinoide beziehungsweise Vitamin A vor Oxidation schützt

Transport und Speicherung

Die entstehenden Retinylester, unverestertes Retinol, Carotine sowie Xanthophylle werden in der Dünndarmmukosa in Chylomikronen eingelagert.
Chylomikronen gehören zu der Gruppe der Lipoproteine und haben die Aufgabe, fettlösliche Substanzen von den Epithelzellen des Dünndarms ausgehend in die Lymphe abzugeben und sie im Serum zur Leber oder zu peripheren Geweben zu transportieren.
Nur ein geringer Teil der Retinylester und Carotinoide wird in extrahepatisches Gewebe aufgenommen und zu Vitamin A umgewandelt.
Der größere Teil gelangt zur Leber. Auf dem Weg dorthin werden die beladenen Chylomikronen enzymatisch zu „Chylomikronen-Remnants“ abgebaut, die von den Parenchymzellen der Leber aufgenommen werden [3, 6, 13].
In der Leber kommt es zur weiteren Umwandlung von Carotinoiden und Retinylestern zu Vitamin A. Das synthetisierte Retinol wird anschließend zu den Sternzellen der Leber transportiert und dort erneut verestert.
Mehr als 80 % des gebildeten Retinols werden in den hepatischen Sternzellen gespeichert. Die Parenchymzellen der Leber weisen hingegen nur geringe Vitamin A-Gehalte auf [6].

Bei Bedarf wird Vitamin A aus der Leber abgegeben, an Retinol-Binding-Protein (RBP) und Transthyretin – Thyroxin-bindendes Präalbumin – gebunden und im Serum zu den Zielzellen transportiert.
Aus der Leber entlassende Carotinoide werden auf alle Fraktionen der Lipoproteine, insbesondere auf VLDL, LDL und HDL verteilt und im Blutplasma transportiert. Die LDL-Fraktion enthält mehr als die Hälfte der Gesamt-Carotinoid-Konzentration [13].

Carotinoide finden sich in allen Organen des Menschen, wobei die Gehalte in den einzelnen Geweben variieren. Die höchsten Konzentrationen lassen sich in Leber Hauptspeicherorgan , Nebenniere, Testes (Hoden) und Corpus luteum (Gelbkörper des Eierstocks) feststellen. Niere, Lunge, Muskeln, Herz, Gehirn oder Haut weisen dagegen geringere Carotinoidspiegel auf [3].
Betrachtet man die absolute Konzentration und den Beitrag des Gewebes zum Gesamtgewicht des Organismus, so sind etwa 65 % der Carotinoide im Fettgewebe lokalisiert [22].

Bioverfügbarkeit

Carotine und Xanthophylle unterscheiden sich in ihrer Hitzestabilität.
Die sauerstofffreien Carotine sind relativ hitzestabil. Dagegen werden die meisten sauerstoffhaltigen Xanthophylle beim Erhitzen zerstört [20, 25]. Somit erklärt sich beispielsweise, dass erhitztes Gemüse weniger gesundheitsfördernde Wirkung aufweist als unerhitztes Gemüse.

Zudem spielt der Verarbeitungsgrad der Nahrungsmittel eine wesentliche Rolle. Lycopin aus verarbeiteten Tomatenprodukten, wie Tomatensaft, ist deutlich besser verfügbar als aus rohen Tomaten und die Aufnahme von Beta-Carotin steigt mit dem Zerkleinerungsgrad des zugeführten carotinoidhaltigen Lebensmittels [4, 20].

Der Gehalt an Carotinoiden ist stark abhängig von unter anderem Jahreszeit, Reifegrad, Wachstums-, Ernte- und Lagerbedingungen und kann in den unterschiedlichen Pflanzenteilen erheblich variieren. Beispielsweise weisen die äußeren Blätter von Kohl signifikant höhere Mengen an Lutein und Beta-Carotin auf, als die inneren Blätter [19].

Achtung!
Nach den für die Bundesrepublik Deutschland vorliegenden Daten über die Versorgungssituation mit Carotinoiden für Männer und Frauen ist die Zufuhr von Beta-Carotin nicht optimal [5].

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