mini|hochkant=1.2|Carotinoide bewirken eine gelbliche bis rötliche Färbung nicht nur bei Karotten. Als fettlösliche Pigmente in oberflächennahen Anteilen von Früchten, Blüten, Federkleid oder einem Chitinpanzer prägen sie das Aussehen verschiedener Pflanzen und Tiere. Auch das Eigelb und Lebensmittel wie Käse oder Margarine verdanken ihre charakteristische Farbe dem Vorliegen von Carotinoiden – gelegentlich erst nach Zugabe als Lebensmittelfarbstoff.
Als Carotinoide, auch Karotinoide,duden.de: Karotinoid, chemisch fachsprachlich Carotinoid. wird eine umfangreiche Klasse natürlich vorkommender fettlöslicher Pigmente (Lipochrome) bezeichnet, denen chemisch als Grundgerüst ein Tetraterpen gemeinsam ist.
Ihr System von konjugierten Doppelbindungen absorbiert Licht kurzer Wellenlängen und verleiht je nach Anzahl, Lage und Seitenkette im Carotinoid diesem einen gelblichen bis rötlichen Farbton. Die mittlerweile über 800 bekannten Carotinoide werden in die Carotine und die sauerstoffhaltigen Xanthophylle unterschieden. Carotinoide gehören zu den Isoprenoiden.Zdzislaw Z. E. Sikorski: Chemical and Functional Properties of Food Lipids. CRC Press, 2010, ISBN 978-1-420-03199-7, S. 41.
Vorkommen +Vorkommen in Lebensmitteln Carotinoid (E-Nummer) Vorkommen Astaxanthin (war E 161j) Garnele, Hummer, Lachs β-Carotin () Möhre, Spinat, Aprikose, Einkorn Canthaxanthin () Garnele, Hummer, Pfifferling Capsanthin () Paprika Capsorubin () Paprika Cryptoxanthin Orange Lutein () Grünkohl, Spinat, Eidotter Luteoxanthin Orange Lycopin () Tomate, Wassermelone Zeaxanthin (war E 161h) Mais
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 Vögeln 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.Wissenschaft-Online-Lexika: Eintrag zu Xanthophylle im Lexikon der Ernährung, abgerufen am 7. März 2009 Manche dienen der farblichen Gestaltung von Produkten.
Struktur mini|385px|Lycopin, ein Carotin mini|385px|β-Carotin, ein Carotin mini|385px|Lutein, ein Xanthophyll 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.
Bedeutung als Provitamin A mini|250px|Retinol – kein Carotinoid, sondern ein Vitamin A 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.Thomas Arnhold: 1.4.1 Vitamin-A-Quellen In: Untersuchungen zum Metabolismus von Vitamin A / Retinoiden im Hinblick auf eine Risikoabschätzung ihrer teratogenen Wirkung beim Menschen; S. 6–7; Dissertation; Braunschweig, 7. März 2000. Volltext
Physiologie beim Menschen
Carotinoide werden vom menschlichen Körper weniger effizient bzw. schnell in Vitamin A verstoffwechselt, als dies bei manch anderen Säugetieren der Fall ist.
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 sechs 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 menschlichen Fettgewebe liegen bestimmte Carotinoide in deutlich höherer Konzentration vor als in anderen Körpergeweben, wobei die Konzentration von Carotinoiden im menschlichen Fettgewebe (und somit die Farbe des Fettgewebes) von der Art des Fettgewebes abhängt, bzw. an welcher Körperstelle das Fett eingelagert ist. 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.UGB: Carotinoide: Rot und gelb halten fit
Carotinoide als Farbstoffe in der Natur mini|Männchen der Kohlmeise (Parus major)mini|Bachforelle (Salmo trutta f. fario) mini|Eine Gelbbauchunke (Bombina variegata) im Unkenreflex präsentiert ihre Warnfärbung.
Vögel
Neben Melaninen spielen bei Vögeln für die Gefiederfärbung auch verschiedene Carotinoide eine Rolle. Mit der Nahrung aufgenommen, metabolisch abgewandelt und in die wachsenden Federn eingelagert, können sie zu gelblichen bis rötlichen Farbtönen führen. Auffälligere Beispiele für carotinoidgefärbtes Gefieder unter den Singvögeln sind die Blaumeise (Cyanistes caeruleus), die Kohlmeise (Parus major), die Schafstelze (Motacilla flava), der Pirol (Oriolus oriolus) oder der Buntspecht. Die rote Brust des Rotkehlchens (Erithacus rubecula) dagegen wird durch rotbräunliches Phäomelanin verursacht. Bei Gänsevögeln sind Carotinoide als Federpigmente selten und bisher nur bei der (wahrscheinlich ausgestorbenen) Rosenkopfente und der australischen Rosenohrente spektroskopisch nachgewiesen.Daniel B. Thomas, Helen F. James: Non-destructive Raman spectroscopy confirms carotenoid-pigmented plumage in the Pink-headed Duck In: Volume 133, 2016, S. 147–154 Wenn die Nahrung zu wenig oder keine Carotinoide enthält, sind die entsprechenden Federbereiche nach der nächsten Mauser weiß. Mutationen, die zu Störungen der Carotinoidanreicherung in der Feder führen, sind selten, solche mit veränderter Melanineinlagerung häufiger.Hein van Grouw: Not every white bird is an albino: sense and nonsense about colour aberrations in birds. Dutch Birding, Vol. 28, no. 2, 2006 S. 79–89 (PDF; 458 kB).
Fische, Amphibien und Reptilien
Bei Fischen, Amphibien und Reptilien entsteht die Farbe von Haut und Schuppen dadurch, dass Licht mit drei verschiedenen Typen von Chromatophoren (Pigmentzellen, farbstoffbildenden Zellen) interagiert, den Melanophoren, Xanthophoren und Iridophoren. Die Xanthophoren enthalten neben Pteridinen und Flavinen auch aus der Nahrung aufgenommene Carotine. Diese drei Farbstofftypen sind für gelbliche oder rote Farben verantwortlich.Tony Gamble, Jodi L. Aherns, Virginia Card: Gekko 5: S. 39–44. (PDF; 767 kB).J. Odenthal, K. Rossnagel, P. Haffter, R. N. Kelsh, E. Vogelsang, M. Brand, F. J. van Eeden, M. Furutani-Seiki, M. Granato, M. Hammerschmidt, C. P. Heisenberg, Y. J. Jiang, D. A. Kane, M. C. Mullins, C. Nüsslein-Volhard: Mutations affecting xanthophore pigmentation in the zebrafish, Danio rerio. In: Development Band 123, Dezember 1996, S. 391–398, PMID 9007257. Frost-Mason SK, Mason KA: What insights into vertebrate pigmentation has the axolotl model system provided?, In: The International Journal of Developmental Biology, Band 40, Nr. 4, August 1996, S. 685–693, PMID 8877441.
Dinoflagellaten und Bakterien mini|Rote Flut – Algenblüte vor der Küste San Diegos mini|220px|Strukturformel von Peridinin mini|220px|Struktur von Sarcinaxanthin
Bei den Dinoflagellaten, den einzelligen Algen, die im Süß- und Salzwasser vorkommen und zum Phytoplankton gehören, trägt Peridinin zur Pigmentierung bei. Dieses Carotinoid – ein Apocarotinoid mit der Summenformel C39H50O7 – bildet gemeinsam mit Chlorophyll a im Verhältnis von 4:1 an ein Proteingerüst gebunden einen Lichtsammelkomplex. Der Komplex fängt Photonen ein, überträgt deren Energie auf das zentrale Chlorophyllatom und macht sie so für eine Photosynthese nutzbar.D. Carbonera, M. Di Valentin, R. Spezia, A. Mezzetti: The Unique Photophysical Properties of the Peridinin-Chlorophyll-a-Protein. In: Current Protein Peptid Science, Band 15, Nr. 4, Juni 2014, S. 332–350; , PMID 24678668, . In nährstoffreichen Gewässern kann durch starke Vermehrung der Dinoflagellaten eine toxische Algenblüte hervorgerufen werden, auch Rote Flut (englisch red tide) genannt, deren Färbung vornehmlich am Peridinin liegt.N. Furuichi, H. Hara, T. Osaki, M. Nakano, H. Mori, S. Katsumura: Stereocontrolled total synthesis of a polyfunctional carotenoid, peridinin. In: Journal of Organic Chemistry, Band 69, Nr. 23, 12. November 2004, S. 7949–7959, , PMID 15527275. Andere photosynthetisch wichtige Carotinoide sind das Fucoxanthin (C42H58O6) und weitere Derivate, die als akzessorische Pigmente mitwirken.T. Polívka, R. Hiller, D. Zigmantas, V. Sundström: Excited state dynamics of the carotenoid peridinin. In: Femtochemistry and Femtobiology, Dezember 2004, S. 445–452, .