El término caroteno (también carotina , del latín carota , "zanahoria" [1] [2] ) 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 (a excepción de algunos pulgones y arañas rojas que adquirieron los genes sintetizadores de los hongos). [3] Los carotenos son pigmentos fotosintéticos importantes para la fotosíntesis . Los carotenos no contienen átomos de oxígeno. Absorben luz ultravioleta, violeta y azul y dispersan luz naranja o roja y (en bajas concentraciones) luz amarilla.
Los carotenos son responsables del color naranja de la zanahoria , que da nombre a esta clase de sustancias químicas, y de los colores de muchas otras frutas, verduras y hongos (por ejemplo, batatas , rebozuelos y melón cantalupo anaranjado ). Los carotenos también son responsables de los colores anaranjados (pero no todos los amarillos) del follaje seco. También (en concentraciones más bajas) imparten la coloración amarilla a la grasa láctea y a la mantequilla. Las especies animales omnívoras que convierten relativamente mal los carotenoides dietéticos coloreados en retinoides incoloros, como los humanos y los pollos , tienen grasa corporal de color amarillo , como resultado de la retención de carotenoides de la porción vegetal de su dieta.
Los carotenos contribuyen a la fotosíntesis transmitiendo la energía luminosa que absorben a la clorofila . También protegen los tejidos vegetales al ayudar 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 está compuesto por dos grupos retinilo y se descompone en la mucosa del intestino delgado humano por la β-caroteno 15,15'-monooxigenasa en retinal , una forma de vitamina A. El β-caroteno puede almacenarse en el hígado y la grasa corporal y convertirse en retina según sea necesario, lo que lo convierte 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 xantofilo 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 maneras).
Las especies animales difieren mucho en su capacidad para convertir los carotenoides que contienen retinilo (betaionona ) en retinianos. Los carnívoros en general son malos convertidores de carotenoides que contienen ionona en la dieta. Los carnívoros puros, como los hurones, carecen de β-caroteno 15,15'-monooxigenasa y no pueden convertir ningún carotenoides en retinianos (lo que da como resultado que los carotenos no sean una forma de vitamina A para esta especie); mientras que los gatos pueden convertir una pequeña cantidad de β-caroteno en retinol, aunque la cantidad es totalmente insuficiente para cubrir sus necesidades diarias de retinol. [4]
Los carotenos son hidrocarburos poliinsaturados que contienen 40 átomos de carbono por molécula, un número variable de átomos de hidrógeno y ningún otro elemento. Algunos carotenos terminan en anillos en uno o ambos extremos de la molécula. Todos están coloreados, debido a la presencia de dobles enlaces conjugados . Los carotenos son tetraterpenos , lo que significa que se derivan de ocho unidades de isopreno de 5 carbonos (o cuatro unidades de terpeno de 10 carbonos).
Los carotenos se encuentran en las plantas en dos formas principales designadas por caracteres del alfabeto griego : alfacaroteno (α-caroteno) y betacaroteno (β-caroteno). También existen gamma- , delta- , épsilon- y zetacaroteno (γ, δ, ε y ζ-caroteno). Como son hidrocarburos y, por tanto, no contienen oxígeno, los carotenos son liposolubles e insolubles en agua (a diferencia de otros carotenoides , las xantofilas , que contienen oxígeno y, por tanto, son menos hidrófobos químicamente).
El descubrimiento del caroteno a partir 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 daban " 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 quien en 1886 confirmó su naturaleza hidrocarbonada y dio la fórmula C 26 H 38 , que se aproxima a la composición teórica de C 40 H 56 . Adolf Lieben, en sus estudios, también publicados en 1886, sobre la materia colorante de los cuerpos lúteos , encontró por primera vez carotenoides en tejidos animales, 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 cristalizables de color amarillo que se encuentran en animales y plantas. Richard Martin Willstätter , que 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. Trabajos posteriores de Escher también diferenciaron los pigmentos « lúteos » de la yema de huevo de los carotenos del cuerpo lúteo de la vaca. [5]
Los siguientes alimentos contienen carotenos en cantidades notables: [6]
La absorción de estos alimentos aumenta si se comen con grasas, ya que los carotenos son solubles en grasa, 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 el líquido. [6] 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. [6] [8]
Los dos isómeros primarios del caroteno, α-caroteno y β-caroteno, difieren en la posición de un doble enlace (y por tanto de 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 , naranjas y verdes . Como regla general , cuanto mayor sea 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, por lo que el β-caroteno es un antioxidante .
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. [11]
El New England Journal of Medicine publicó un artículo [12] en 1994 sobre un ensayo que examinaba 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 utilizando suplementos y los investigadores eran conscientes 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 ninguna reducción en el cáncer de pulmón en los participantes que usaron estos suplementos y, además, estos suplementos pueden, de hecho, tener efectos nocivos.
El Journal of the National Cancer Institute y The New England Journal of Medicine publicaron artículos en 1996 [13] [14] sobre un ensayo cuyo objetivo era 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 de próstata para los participantes que consumieron el suplemento de β-caroteno y que tenían irritación pulmonar por fumar o por la exposición al amianto , lo que provocó que el ensayo se detuviera antes de tiempo. [14]
Una revisión de todos los ensayos controlados aleatorios en la literatura científica realizada por la Colaboración Cochrane publicada en JAMA en 2007 encontró que el β-caroteno sintético aumentaba la mortalidad entre un 1% y un 8% (riesgo relativo 1,05, intervalo de confianza del 95%: 1,01-1,08). [15] Sin embargo, este metanálisis incluyó dos estudios grandes de fumadores, por lo que no está claro que los resultados se apliquen a la población general. [16] La revisión solo estudió la influencia de los antioxidantes sintéticos y los resultados no deben traducirse a los efectos potenciales de las frutas y verduras.
El β-caroteno oral se prescribe a personas que padecen protoporfiria eritropoyética . Les proporciona cierto alivio de la fotosensibilidad. [17]
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 una coloración anaranjada de la piel (carotenodermia), pero no de la conjuntiva de los ojos (lo que la distingue visualmente fácilmente 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.
Los carotenos se producen de manera general para otros terpenoides y terpenos, es decir, mediante reacciones de acoplamiento, ciclación y oxigenación de derivados de isopreno . El licopeno es el precursor clave de los carotenoides. Se forma por acoplamiento de pirofosfato de geranilgeranilo y pirofosfato de geranillina. [18]
La mayor parte del suministro sintético mundial de caroteno proviene de un complejo de fabricación ubicado en Freeport, Texas , y propiedad de DSM . El otro gran proveedor, BASF, también utiliza un proceso químico para producir β-caroteno. En conjunto, estos proveedores representan aproximadamente el 85% del β-caroteno del mercado. [19] En España, Vitatene produce β-caroteno natural a partir del hongo Blakeslea trispora , al igual que DSM, pero en cantidades mucho menores en comparación con su operación de β-caroteno sintético. En Australia, Aquacarotene Limited produce β-caroteno orgánico a partir del alga marina seca Dunaliella salina cultivada en estanques de recolección situados en Karratha, Australia Occidental . BASF Australia también produce β-caroteno a partir de microalgas cultivadas en dos sitios de Australia que son las granjas de algas más grandes del mundo. En Portugal , la empresa de biotecnología industrial Biotrend produce todo 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, [20] causando que la leche de vaca sea de color amarillo claro, dependiendo de la alimentación del ganado y de la cantidad de grasa en la leche (leches altas en grasa). (como las producidas por las vacas Guernsey , suelen ser más amarillas porque su contenido en grasa hace que contengan más caroteno).
Los carotenos también se encuentran en algunas especies de termitas, donde aparentemente han sido absorbidos de la dieta de los insectos. [21]
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: [22] [23]
La segunda es una reacción de Grignard , [24] 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.
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.
El caroteno se utiliza para dar color a productos como zumos, pasteles, postres, mantequilla y margarina. [3] Está aprobado para su uso como aditivo alimentario en la UE (listado como aditivo E160a) [25] Australia y Nueva Zelanda (listado como 160a) [26] y EE. UU. [27]