Pigmenți naturali vegetali și animali Coordonator , Absolvent, Conf.dr.chimist Bianca FURDUI OIȚĂ G. NICOLETA RODICA CAȘU GALAȚI 2020 D E C L A R A Ț… [303648]

Universitatea „Dunărea de Jos” [anonimizat]: [anonimizat].dr.chimist Bianca FURDUI OIȚĂ G. NICOLETA RODICA CAȘU

GALAȚI

2020

D E C L A R A Ț I E

Subsemnata Oiță (Cașu) [anonimizat], pentru programul de conversie „Biologie ” seria 6, [anonimizat], [anonimizat]. Declar că nu am folosit în mod tacit sau ilegal munca altora și că nici o [anonimizat]. Declar că lucrarea nu a mai fost prezentată sub această formă vreunei instituții de învățământ superior în vederea obținerii unui grad sau titlu științific ori didactic.

Semnătura,

CUPRINS

INTRODUCERE……………………………………………………………………………………….4

1.PIGMENȚI INDOLICI………………………………………………………………………….7

2.PIGMENȚI CAROTINOIDICI ……………………………………………………………..12

3. [anonimizat],CHINONICI………………………………..28

3.1 Pigmenți fenolici……………………………………………………………………………………………28

3.2 Pigmenții betainici ……………………………………………………………………………………….37

3.2 Pigmenții chinonici………………………………………………………………………………………..40

4.PIGMENȚI PORFIRINICI…………………………………………………………………….42

4.1 Cromoproteidele…………………………………………………………………………………………..43

4.2 Citocromii…………………………………………………………………………………………………….49

CONCLUZII…………………………………………………………………………………………….59

BIBLIOGRAFIE………………………………………………………………………………………61

INTRODUCERE

“Culorile sunt zâmbetele naturii.” Leigh Hunt

Spectacolul naturii este unul plin de culoare…Dar ce sunt culorile ?

Culorile sunt radiații de lumină de diferite frecvențe pe care le reflectă corpurile și care creează asupra retinei ochiului o impresie specifică. Culorile care pot fi văzute la plante și animale pot fi produse în două moduri destul de distincte. Acestea se pot datora pigmenților(coloranților) [anonimizat]. Aspectele fizice de generare a culorilor iau în considerare mai multe posibilitati de creare a [anonimizat], [anonimizat], de împrăștiere ( difuzie) .

[anonimizat] lichidele organice ale acestora.

Pigmenții vegetali sunt substanțe bioactive ce conferă țesuturilor vegetale culoarea caracteristică, aceasta fiind diferită în funcție de plantă. Sunt localizați la nivel celular în diferite organite: în cloroplast pigemnții clorofilieni și pigemnții carotenoizi, în cromoplaste pigmenții carotenoizi, în vacuolă pigemnții antocianici si taninurile. [2,pp 88]

Pentru ca o moleculă de substanță organică să aibă o culoare proprie bine definită, ea trebuie să includă in structură grupe de atomi, denumite grupe cromofore sau cromatofori ( – N=O , nitrozo; -NO2, nitro,-N=N- azo; =C=O,oxo; =C=C= conjugate,polienă). Existența culorii este asociată de prezența ,în moleculă a dublelor legaturi conjugate. [3,pp 101]

Substanțele care conțin în molecula lor unul sau mai mulți cromofori se numesc cromogene și sunt colorate.

Pentru ca o substanță colorată să devină și colorantă (să poată colora la randul ei), are nevoie să conțină în moleculă, pe langă cromofori și alte grupe, numite auxocrome (-NH2,amino; -NH-R, amino secundară, -NR2, amino terțiară, Ar-OH, hidroxil adiționat de radical aromatic). Grupele auxocrome imprimă substanței proprietatea de a colora, induc totodată o intensificare a culorii și produc o nuanță mai închisă.

Dupa proveniență pigmenții organici se clasifică în:

– pigmenți organici naturali

– pigmenți organici de sinteză

In functie de regnul din care provin, pigmenții naturali pot fi vegetali și animali.

Pigmenții vegetali dau aroma, gustul și coloritul produselor vegetale.Aceste substanțe intră în constituția coenzimelor redox, sunt protectori ai enzimelor și ai activității enzimatice, reglând potențialul redox al mediului biochimic, alții participă direct sau indirect la procesul fotosintezei etc.

Sunt diferiți după culoarea pe care o dau: clorofila–verde; carotenul–roșu–oranj; xantofila–galbenă; flavonele–galbene; și antocianii–pigmenții vacuolari ce variază de la roșu la albastru, după pH–ul acid sau bazic al sucului celular.

Pe lângă rolul lor de atragere a insectelor polenizatoare, ei ocupă un loc central ca fotoreceptori în fotosinteză și fotoperiodism.

Pigmenții vegetali sunt coloranți naturali ai florilor, frunzelor, fructelor și ai țesuturilor vegetalelor. Unii sunt răspândiți în toate vegetalele, iar alții se întâlnesc numai în anumite vegetale sau în anumite organe ale acestora. Pigmenții se pot prezenta în stare liberă sau formă de combinații cu holoproteide și glucide, formând heteroproteide și glicozide.

În funcție de structura chimică, în general foarte variată, pigmenții pot fi împărțiți în mai multe grupe:

pigmenți indolici,

pigmenți carotenoidici,

pigmenți fenolici, betainici,chinonici

pigmenți porfirinici

Pe baza acestei clasificări am conceput și structura lucrării de diplomă, fiecare capitol cuprinzând pigmenți ce se încadrează în clasele de substanțe mai sus menționate:

CAPITOLUL 1. PIGMENȚI INDOLICI

CAPITOLUL 2. PIGMENȚI CAROTINODICI

CAPITOLUL 3. PIGMENȚI FENOLICI, BETAINICI, CHINONICI

CAPITOLUL 4. PIGMENȚI PORFIRINICI

Rolul pigmenților din mediul atat vegetal cat și cel animal este foarte divers. Spre exemplu clorofila, xantofila au rol în absorbția luminii în procesul de fotosinteză; carotenul este precursorul vitaminei A; hemoglobina (Hb) și mioglobina (Mb) îndeplinesc funcția de transportare și depozitare a oxigenului la animalele superioare; ubichinona intervine în procesul respirator; betaina prezintă efect antioxidant; etc.

Multitudinea funcționalitătii acestora m-a determinat să -mi aplec atenția în sensul reliefării a câtorva substanțe importante cu capacitatea de a da culoare dar și să pun in evidentă rolurile ce derivă din aceasta potență.

Prezenta lucrare are ca scop aprofundarea studiilor asupra acestei clase de compuși prin identificarea , structurarea, clasificarea si relatarea proprietaților funcționale pentru mediul vegetal și animal. .

CAPITOLUL 1. PIGMENȚI INDOLICI

Pigmenții indolici sunt constituienți din grupa pigmenților ce conțin azot. Aceștia se găsesc atât în regnul vegetal cât și în regnul animal sub formă de cromoproteide și glicozide. Indigoul – este un pigment care s-a utilizat încă din antichitate datorită proprietăților sale tinctoriale (colorante). În planta indigofera tinctoria (India) și isatis tinctoria (Europa) se găsește sub formă de indican. Prin macerarea plantelor în mediu apos, se produce hidroliza enzimatică a indicanului și se obține indoxilul, care prin autooxidare va forma indigoul. Este un colorant albastru-violet extras din frunzele unor plante tropicale sau obținut sintetic din anilină sau acid antranilic.[11]

Acest pigment in stare topită este roșu si tot roșii sunt și vaporii lui.

Fig.1.1. Structura chimică a indoxilului și a indigoului

(Kiernan,J.A., 2007, Indigogenic substrates for detection and localization of enzymes, în: Biotehnic and Histochemistry,82, 2, pag78)

Purpura antică sau 6,6’-dibromoindigo este un colorant natural cunoscut sub diverse denumiri (purpura regala, Purpura de Tyre, purpura antica) încă din anul 1600 Î.Hr. Este produs de glandele hipobranhiale ale unor moluște marine dintre care mai cunoscuta este Murex.

Procedeul antic de extragere a fost prezentat de Pliny in prima jumătate a secolului I D.Hr. Moluștele erau prinse cu ajutorul unui coșuleț în care se folosea drept momeală bivalve cu carapacea pe jumătate desfacută. După ce se scoteau moluștele Murex din cosuleț ,bivavele erau aruncate înapoi în mare pentru a se regenera. Moluștele erau apoi puse cu sare ( sare/1 lb de moluște).Preparatul prospăt extras trebuia lăsat 3 zile la uscat pentru o culoare mai intensă. Ulterior lichidul se fierbea în vase de plumb.In final de lichid se amestecau cu o amforă (~ ) de apă și se încălzea la o temperatură moderată.

Din grupa pigmenților ce conțin azot fac parte și melaninele, care sunt pigmenți de culoare închisă ce se formează din aminoacizi aromatici (fenilalanină și tirozină) și care se găsesc în plantele superioare, la animale vertebrate și nevertebrate, cât și în cuticula insectelor. Structural, coloranții melaninici sunt sub forma de polimeri chinoidici. [3,pp104]

Melanina (cunoscută și drept pigment al pielii) pigmentează pielea, părul și ochii (irisul) și protejează pielea de soare, fiind principalul determinant al culorii pielii; persoanele cu piele de culoare închisă au un nivel mai ridicat de melanină în comparație cu cei cu piele deschisă. Melanina este produsă de niște celule specializate denumite melanocite care intensifică producția sa ca răspuns la expunerea solară. Pistruii reprezintă porțiuni mici și concentrate cu producție crescută de melanină. Melanina este produsă de glanda pineală și este prezentă și în vascularizația striată a urechii interne, dar și în creier (medulla, locus coeruleus și substanția nigra), în zona reticulată a glandei adrenale, în timus, în glanda tiroidă și în glanda pituitară. În anumite cazuri însă (cum se întâmplă în albinism), melanina lipsește, aceasta problemă putând apărea nu doar la oameni, ci și la animale sau plante. Acest hormon reprezintă una dintre marile variabile ale trăsăturilor umane și sunt implicate multe poligene (o genă al cărei efect individual asupra fenotipului este prea mic pentru a fi observat, dar care poate acționa alături de altele pentru a produce variații observabile).Culoarea pielii depinde de mai mulți factori și nu doar de melanină. În primul rând, este vorba de cantitatea de melanină din straturile exterioare ale pielii care previne asemenea unui filtru deteriorarea straturilor profunde ale pielii cauzată de penetrarea razelor UV. Astfel, în unele locuri din Africa, India și Australia depozitele de melanină din piele sunt semnificative deoarece oamenii au fost expuși timp de mai multe generații unei lumini solare intense (spre deosebire cu europenii nordici care au cele mai mici depozite; vremea este răcoroasă si noroasă). De asemenea, joacă un rol important si grosimea pielii, astfel cei cu pielea închisă au straturi mai groase de melanină (la cei cu piele fină, vasele de sânge le conferă o culoare rozalie). Când un individ se adaptează la intensitatea luminii solare, pielea își inchide culoarea apărând bronzul (pielea se îngroașă și crește cantitatea de melanină).

Melanina este evidentă în alunițele închise ale oamenilor sau în melanocitele dermale negre ale majoritații persoanelor de culoare și are uneori culoare maro în cazul binecunoscuților pistrui. Melanina conferă multe beneficii ,puțin cunoscute oamenilor în afară de protectia ultravioletă. Persoanele cu piele mai închisă nu sunt complet protejate de razele solare, ci mai degrabă tolerează mai bine expunerea la soare, fară a dobândi arsuri solare (cei cu piele deschisă prezintă arsuri solare doar după câteva minute). Și cataracta,cancerul de piele sunt legate de expunerea la soare , de un nivel redus de pigment. Melanina constituie însă și un mecanism pentru absorbția căldurii solare, fiind extrem de importantă pentru animalele cu sânge rece (pentru a-și stabiliza temperatura corpului), dar și pentru acuitatea vizuală, minimizand numărul de raze care pătrund în ochi (și pentru lumina dispersată din ochi, pigmentația conferind o vedere fină). Nu în ultimul rând, datorită structurii moleculare, oferă rezistență la abraziune.

Melanina dispune și de alte roluri în afară de cel fotoprotector și anume ligaturarea ionilor metalici prin grupările carboxil si hidroxil fenolic, în multe cazuri chiar extrem de eficientă; în consecință poate servi la captarea ionilor metalici toxici pentru a proteja restul celulelor (s-a observat în acest sens în boala lui Parkinson că pierderea neuromelaninei este însoțită de nivele crescute de fier în creier).

Mai multe etape sunt implicate in biosinteza melaninei, primul fiind denumit cataliza substanței L-3,4- dihidroxifenilalanina de tirozinază (Fig.1.2.) Lipsa tirozinei putând conduce la albinism (tirozina se află numai în melanocitele în care se găsesc mici granule de pigment în vezicule denumite melanozomi). Acești melanozomi parăsesc melanocitele și trec în alte celule din epidermă; depozitele de melanină sunt maro sau negre și determină pigmentul pielii în funcție de distribuția melanozomilor. Melanocitele urmează instrucțiunile din ADN și creează enzime producatoare de melanină și tirozină. În interiorul melanozomilor enzimele acționează ca niște catalizatori și încep o serie de reacții chimice pentru a converti tirozina în cele două tipuri de melanină umana: eumelanina (maro sau neagră) si feomelanina (rosie sau galbenă). Odata ce se umplu cu melanină, melanozomii o trimit la cheratinocite (celule barieră din stratul superior al pielii, iris și ochi).

Odată transportați, pigmenții determină culoarea pielii, ochilor și părului. Când melanocitele din foliculii de păr nu produc suficientă melanină, culoarea poate varia de la alb, galben, maro, fară vreun impact asupra stării de sanătate.

Figura 1.2. Biosinteza melaninei

(Taofiq,O. și al.,2016, Mushrooms extracts and compounds in cosmetics, cosmeceuticals and nutricosmetics, în: Industrial Crops and Products, 90, pag.40.)

În interiorul cheratinocitelor, melanozomii răspund la razele solare acoperindu-și nucleul și protejând ADN-ul. Razele UV însă îl pot deteriora, dar melanina absoarbe razele.

Eumelanina este localizata în păr, piele și zonele închise din jurul sfârcurilor (abundentă la populația de culoare și la cea cu pigment maro în păr, piele și ochi; când nu are nivele ridicate părul devine blond), feomelanina se gasește în păr și piele (conferă colorația roz și roșie și este principalul pigment la persoanele roșcate; nu protejează la fel de bine de razele UV), neuromelanina se gasește în zone diferite din creier (când se pierde pot apărea tulburări neurologice multiple).

Cea mai cunoscută problemă asociată melaninei este albinismul (o boală autozomal recesivă), în cazul persoanelor afectate nu există suficienți melanozomi pentru a lupta impotriva razelor nocive, lasând pielea vulnerabilă (lipsa pigmentației) și crescând riscul de arsuri solare și de cancer de piele. Aceasta boală poate exista în mai multe grade, implicand pielea, părul, ochii sau toate trei (când este vorba de ochi, este afectată și calitatea vederii). În unele situații, albinismul este asociat cu o rată crescută de mortalitate (din cauza melanomului, dar și la cei care suferă de sindromul Hermansky-Pudlak si Chediak-Higashi). Conform studiilor, albinismul poate cauza și pierderea auzului, cum se întamplă în sindromul Waardenburg. În cazul bolii lui Parkinson (o boală în care este afectată funcționarea neuromotorie) s-a constatat un nivel scăzut de neuromelanină în substanția nigra și locus coeruleus. Nivele ridicate de eumelanină pot fi de asemenea nocive, cauzând printre altele, un risc crescut de deficiență de vitamina D. Nicotina are o afinitate pentru țesuturile ce conțin melanină (din cauza funcției în sinteza ei) prin urmare s-a sugerat ca poate contribui la persistența dependenței de fumat, respectiv la reducerea procentului de renunțare la fumat în cazul persoanelor cu piele închisă la culoare.

Există și situatii în care melanina apare patologic sub forma melanomului malign, o tumoare canceroasă compusă din celule pigmentate cu melanină.

Literatura de specialitate menționează și melanismul industrial care presupune o "decolorare" a pielii animalelor din cauza evoluției speciilor care a avut loc în mai puțin de 100 ani datorită modificărilor produse de influența activităților umane asupra mediului.

Melanina prezintă și un potențial toxic, astfel prin utilizarea alimentelor nepotrivite sau prin supraalimentare se poate bloca legatura cu energia solară (când nu poate ajunge la melanina, apar o serie de boli). Astfel persoanele cu nivele toxice se vor comporta într-un mod primitiv, animalic, barbar. Se pare ca vitamina B menține puritatea ei, alături bineînțeles de bunele obiceiuri alimentare. Această substanță acționează asemenea unui superconductor (ca o baterie de masină) și este mereu încarcată când este expusă la lumină, sunet, culoare și raze solare, corpul uman fiind apt să o creeze în condițiile menționate pentru a supraviețui, reincărcându-se constant și suplimentar de fiecare dată când este stimulat. Persoanele cu piele închisă sunt mult mai sensibile la anumite tipuri de unde radio. [28]

Melanina se găsește și în cerneala produsă de sepii ca mijloc de autoaparare. Cernela de sepie este des utilizată în bucătărie, ca și colorant alimentar sau pentru a da o aromă deosebită sosurilor, orezului și pastelor. Utilizată într-o cantitate moderată, cerneala de sepie va da un gust ușor sărat și o culoare neagră preparatelor.[30]
Atunci când este folosită în cantitate excesivă, cernela de sepie poate da un gust puternic de iod.

CAPITOLUL 2.

PIGMENȚI CAROTINOIDICI

Pigmenții carotenoidici sunt cei mai răspândiți pigmenți din tot regnul vegetal. Carotenoidele sunt pigmenți colorați în galben, portocaliu, roșu, violet. Pigmenții carotenoidici sunt răspândiți în toate organele plantelor cu sau fără clorofilă (frunze, fructe, tulpină, bulb, semințe). Conținutul în pigmenți carotenoidici depinde de natura speciei și de influența condițiilor de mediu. Sunt substanțe hidrofobe, solubile numai în solvenți organici, uleiuri și grăsimi. Din punct de vedere chimic, pigmenții carotenoidici se caracterizează printr-o structură cu legături duble conjugate, care determină caracterul nesaturat și deci posibilitatea reacțiilor de oxidare și autooxidare (în prezența aerului), capacitatea de absorbție a unor radiații luminoase.

Numele de „caroteni” a fost atribuit de Twet, în 1911, pigmenților galbeni din plante. Structura polienică prin numărul mare de duble legături conjugate le conferă culori diferite care variază de la galben la portocaliu și respectiv de la roșu la violet. Tot dublele legături din catena polienică conferă carotenoizilor izomerie cis-trans, motiv pentru care prezintă un număr mare de stereoizomeri. Stereoizomerii se pot diferenția în funcție de spectrul de adsorbție. Teoretic, cele 9 duble legături din lanțul izoprenic al α- și β- carotenilor, ar putea determina un număr de 29 = 512 izomeri cis-trans. Având în vedere distanțele dintre atomii de carbon angajați în dublele legături, atomii de hidrogen și radicalii metil, nu toate dublele legături sunt suficient de active steric și astfel numărul izomerilor reali posibili este mult mai mic. Majoritatea provitaminelor naturale sunt all-trans, izomeri mai săraci în energie și deci mai stabili. Sub acțiunea catalitică a I2, prin încălzire dar și prin alte metode se obțin amestecuri de izomeri cis-trans, care pot fi separați cromatografic.

Rolul biochimic al pigmenților este determinat de structura lor chimică cât și de proprietăți. Carotenoidele ca și terpenele, sterolii, fitolul, vitaminele K, E au ca unitate structurală repetitivă izoprenul activat, care poate forma catene de hidrocarburi de tip carotenoidic, steroidic. Carotenoidele se împart în: hidrocarburi carotenoidice și derivați oxigenați ai hicrocarburilor carotenoidice.

Hidrocarburi carotenoidice (C40H56)

Cele mai importante hidrocarburi carotenoidice sunt: licopina, α-caroten, β- caroten, γ- caroten.

Licopina(C40H56) – este o substanță cristalină de culoare roșu-violet, insolubilă în apă, dar solubilă în solvenți organici. Este colorantul fructelor și tomatelor. Dar se întâlnește și în unele produse animale cum ar fi: untul, serul sanguin și ficatul de om.

α-carotenul(C40H56) – se deosebește de β- caroten prin faptul că la una din extremități prezintă un ciclu α- iononic și este un compus optic activ . De regulă, se găsește în plante alături de β- caroten, deși în unele plante lipsește (spanac, urzică, orz, etc.). Poate să cristalizeze dintr-un amestec de metanol-benzen sub formă de prisme arămii care prin uscare capătă o colorație roșie-închis, violet. Se dizolvă ușor în solvenți organici, soluțiile având colorații diferite în raport cu solventul. De asemenea se dizolvă ușor în grăsimi, uleiuri și este foarte greu solubil în alcool absolut. Punctul de topire este de 188,50 C, rezistă la încălzire dar este foarte ușor distrus de acizi și oxigen.

β- carotenul- se prezintă sub formă de cristale violet-închis sau roșu-închis, solubile în solvenți organici. Este răspândit în tot regnul vegetal însoțind clorofila. Și a fost izolat în 1831 din morcov. În cantități mari se găsește în ardei, lucernă, urzici, alge verzi, bacterii. Acest pigment imprimă culoarea portocalie. Structura β-carotenului a fost determinată între 1928-1930, iar în 1950 a fost pentru prima dată preparat prin sinteză. β- carotenul sau provitamina A, care ajunsă în corp devine vitamina A este benefică pentru creștere și vedere.Din beta caroten se obtin două molecule de vitamină A1, pe când din restul carotenilor ( care contin un singur inel β-ionic), se obține numai o moleculă de vitamina A1 .Scăderea conținutului de proteine din organism împiedică transformarea provitaminelor in vitamină. Se presupune că în faza primară produsul oxidării este o aldehidă a vitaminei A (retinalul ) care este redusă la alcoolul corespunzator, denumit retinol sau vitamina A1. Retinolul poate fi esterificat și depozitat în ficat sub formă de ester retinol palmitat. Este probabil ca forma activă a vitaminei A să fie forma acidă, denumită acid retinoic. Funcția specifică a vitaminei în procesul vederii este îndeplinită de forma aldehidică a vitaminei A1, denumită retinal. Vitamina A2 (care se găsește frecvent în peștii de apă dulce) are în inelul β-iononic două duble legături și se mai numește dehidroretinol.

Conversia carotenilor la retinol este sub 100%, așa încât conținutul în vitamina A al diferitelor alimente este exprimat sub formă de echivalenți de retinol (1 RE = 1 mg retinol, 6 mg β-caroten și 12 mg alte carotenoide).

Fig.2.1 Structura chimică a vitaminei A1

.( Ionică,E., Costache,M., 2014, Biochimie Generală, Vol. III,Vitamine Și Elemente minerale,Editura ARS DOCENDI, București,pag. 35)

β-carotenul are un rol antioxidant pronunțat, reducând riscul formelor de cancer, inițiate de către radicalii liberi și alți oxidanți puternici;

• retinolul și acidul retinoic, convertiți în organism în retinil fosfat sunt implicați în sinteza unor glicoproteine și mucopolizaharide care au acțiune protectoare asupra țesuturilor epiteliale, prevenind keratinizarea lor, proces care favorizează, prin predispoziția la fisuri, instalarea infecțiilor microbiene;

• retinolul și acidul retinoic stimulează eritropoieza (formarea globulelor roșii) prin participarea la biosinteza proteinelor transportoare de fier;

• forma aldehidică a vitaminelor A (cis-retinalul) este legată reversibil de proteinele vederii (opsina și rodopsina). Lumina inițiază în retină schimbări biochimice complexe, cu generarea unui impuls nervos datorat transformării cis-retinalului în trans-retinal și disocierea de pe proteina vederii (rodopsina). Regenerarea pigmenților vizuali necesită izomerizarea retinolului în forma cis.

Hemeralopia nocturnă (pierderea acuității vizuale pe timp de noapte) este un simptom al deficienței în vitamina A, forma severă conducând la keratinizarea corneei (xeroftalmie). [12]

γ- carotenul – conține numai un singur ciclu β-iononic și este considerat însoțitor permanent al β- carotenului din plante, unde se întâlnește în cantități extrem de mici. În unele cazuri, cum este frunza de Cuscuta salina, γ- carotenul este componentul principal și se prezintă sub formă de cristale roșii care are reflexe albastre, fiind solubil în solvenți organici. Prezintă un sistem de cristalizare aciform formând mănunchiuri de snopi, cu punctul de topire la 1780 C. Poate fi cristalizat dintr-un amestec de carotenoizi cu ajutorul unui amestec de alcool și sulfură de carbon.

Derivații oxigenați ai carotenoidelor sunt alcooli, cetone, acizi etc., proveniți din hidrocarburi carotenoidice. Se cunosc mulți reprezentanți ai acestor derivați cum ar fi: xantofilele, cetonele carotenoidice, acizii carotenoidici.

Xantofilele (C40H56O2)- sunt alcooli ai carotenoidelor. Xantofila se găsește în plantele verzi însoțind carotenoidele și clorofila.În flori se găsește adesea ca ester. De asemenea, este întâlnită în unele țesuturi animale, predominând în galbenusul de ou. Se cunosc mai multe xantofile. Însă cele mai importante sunt luteina și zeaxantina.

Luteina este o substanță cristalizată de culoare galbenă cu luciu violet. Însoțește β- carotenul și clorofila în toate substanțele verzi. Fiind colorantul galben al florilor. Ea are rol în absorbția luminii în procesul de fotosinteză.

Zeaxantina se prezintă sub formă de cristale portocalii. Este colorantul galben din porumb. Și a fost obținuta din luteină prin încălzire cu etoxid de sodiu.

Criptoxantina este foarte răspândită în țesuturile vegetale unde împreună cu β- carotenul formează peste 30% din cantitatea totală a pigmenților vegetali. Din punct de vedre chimic este un 3- sau 4-hidroxi-β-caroten. Dizolvată în benzen, prezintă benzi caracteristice de absorbție la 483, 452, 424 nm, iar în sulfură de carbon la 520, 484 și 452 nm.

În natură, luteina și zeaxantina par să absoarbă energia luminii în exces, pentru a preveni deteriorarea plantelor cauzată de lumina puternică a soarelui, mai ales de razele de lumină de înaltă energie numite lumină albastră și reduce riscul de apariție și progresie a degenerescenței maculare legate de vârstă (DMLV). Pe lângă sursele externe, cum sunt plantele cu frunze verzi și fructele și legumele colorate, luteina și zeaxantina se găsesc în concentrații mari în macula ochiului uman, ceea ce-i conferă acesteia culoarea gălbuie. Luteina și zeaxantina sunt benefice pentru ochi datorită faptului că sunt printre puținii carotenoizi care se găsesc în compoziția maculei. Studii recente au descoperit un al treilea carotenoid în maculă, numit mezo-zeaxantină. Acest pigment se pare că nu se găsește în surse alimentare, ci este creat în retină de luteina ingerată.

Luteina și zeaxantina par să aibă funcții antioxidante importante în organism. Împreună cu alți antioxidanți naturali precum vitamina C, betacaroten și vitamina E, acești importanți pigmenți protejează organismul de efectele dăunatoare ale radicalilor liberi, care sunt molecule instabile care pot distruge celulele și care joacă un rol în multe boli. Pe lângă beneficiile importante pe care le oferă ochilor și vederii, luteina poate ajuta și la protejarea împotriva aterosclerozei (acumularea de depozite de grăsime în artere), boală care cauzează cele mai multe atacuri de cord.

Cele mai bune surse naturale de luteină și zeaxantină sunt legumele cu frunze verzi, dar și alte legume verzi sau galbene. Printre cele mai bogate surse de luteină și zeaxantină sunt porumbul, varza, guliile și spanacul, mazărea, brocolii, morcovii, fasolea verde, dovleacul și portocalele.

Nu se cunosc efecte secundare toxice ale excesului de luteină sau zeaxantină. În unele cazuri, persoanele care consumă cantități mari de morcovi sau de citrice galbene și verzi se pot confrunta cu o îngălbenire a pielii numită carotenemie, care este inofensivă. Cu toate că apariția acestui efect poate fi alarmantă și poate fi confundată cu icterul, decolorarea galbenă dispare prin reducerea consumului acestor alimente bogate în carotenoizi. Carotenemia poate fi asociată, de asemenea, și cu consumul în exces de suplimente nutritive bogate în carotenoizi. [31]

Figura 2.1. Principalii pigmenți carotenoizi din legume și fructe

(Bădulescu,L., 2010, Biochimie horticola, Editura USAMV , Bucuresti, pag. 88)

Carotenoizii se sintetizează în cantități variabile, în cloroplaste, în funcție de stadiul de vegetație al plantelor. În cloroplastele plantelor crescute la întuneric sau la cele veștejite, alături de carotenoizi întâlnim xantofile (hidroxi-, aldohidroxi- și cetohidroxi-carotenoide). Acești compuși mai sunt prezenți în ciuperci și bacterii. La om, cea mai importantă sursă de caroten o reprezintă o serie de alimente de natură vegetală prezentate în tabelul 2.1.

Tabelul 2.1 Cantitatea de caroteni din alimente și din vegetale proaspete

( Ionică,E., Costache,M., 2014, Biochimie Generală, Vol. III,Vitamine Și Elemente minerale,Editura ARS DOCENDI, București,pag. 38)

Ceapa, castraveții ca și unele fructe conțin caroteni într-o concentrație cuprinsă între 0,1 – 0,5 mg %. În timpul păstrării lor, legumele și fructele, își modifică conținutul în pigmenți carotenoidici. Astfel, la morcovi conținutul în caroteni scade de la 18 mg%/g la 13,4 mg %/ g produs proaspăt, după 120 zile de păstrare la 00 C.

Animalele își procură cea mai mare cantitate de caroteni din hrană. Experiențele efectuate pe ouă de insecte, pești și păsări au demonstrat că celulele animale au posibilitatea să sintetizeze carotenoide la fel ca și celulele vegetale. Animalele pot asimila și depozita carotenii absorbiți din hrană în diferite organe și țesuturi, dar în același timp le pot transforma în carotenoide proprii, diferite de cele din plante.

Carotenii se găsesc în stare liberă sau sub formă de complexe cu lipoproteinele în țesutul adipos subcutanat și în țesutul adipos din jurul organelor interne. O cantitate redusă este prezentă sub formă cristalizată în țesuturile cornoase: solzi, pene, ciocul păsărilor, etc. Crustaceele sunt viețuitoarele acvatice cu cel mai mare depozit de carotenoide. Peștii nu pot biosintetiza carotenoidele motiv pentru care principala sursă o constituie biomasa acvatică care este bogată în caroteni exogeni. Studiile efectuate pe diferite organe ale peștilor au indicat faptul că, pielea, carnea, gonadele, ficatul, ochii, solzii, etc. sunt bogate în carotenoide. La majoritatea peștilor predomină, atât calitativ cât și cantitativ formele ceto- și cetohidroxicarotenoidele cu structură hexaciclică β- iononică. Păsările conțin carontenoizi în măsura existentei lor în hrană. Din punct de vedere structural predomină structura β-iononică. Mamiferele conțin carotenoide cu structură α- și β- iononică. Principalii pigmenți se găsesc în sânge (100-300µg/100 ml sânge), ficat (2 mg/kg corp, predominând forma β) și țesut adipos. Țesutul muscular este în general sărac în caroteni, iar în mușchiul inimii încă nu a fost identificat. În biochimie, farmacie și medicină interesează îndeosebi carotenoizii ale căror lanțuri polienice prezintă cicluri iononice la una sau la ambele extremități. În figura 2.1. sunt prezentate structurile carotenoizilor cu rol de provitamine. Structural, aceștia sunt derivați de la licopen. α-carotenul poate fi considerat un licopen care are la capăt un ciclu de α-iononă, în timp ce β-carotenul are două cicluri β-iononice, iar γ-carotenul numai un grup β-iononic terminal.

Animalele erbivore primesc carotenoizii odată cu hrana și îi transformă în retinol. Sursa de vitamina A pentru animalele carnivore o reprezintă alimentația de origine animală. Pentru om, sursele de vitamine A exogene sunt sub formă de provitamină A, sau vitamină A din hrana de origine animală.

În 1931, I. Kuhn a reușit să descompună carotenul cu ajutorul metodei de cromatografie de adsorbție, în 3 izomeri (α-carotenul circa 10%, β-carotenul circa 90% și γ-carotenul circa 0.1%). Cercetările efectuate de Gold-Smitht și col., în 1964, au demonstrat că toți carotenii au același precursor denumit fiten – C40H64-, care are la bază acetil-CoA care provine din metabolismul glucidelor, lipidelor și chiar al proteinelor. Majoritatea compușilor saturați ai fitenului conțin 9 duble legături, din care 3 sunt conjugate. Structura fitenului este similară cu cea a scualenului făcând excepție doar legătura centrală, care este nesaturată. Fitenul (C40H64) poate fi dehidrogenat, dând o serie de compuși care se găsesc în natură. Dintre aceștia enumerăm: fitofluenul -C40H62-, zetacaroten -C40H60-, neurosporenul -C40H58-, licopenul -C40H56-, dehidrolicopenul – C40H54- și bis-dehidrolicopenul -C40H52-. Prima teorie a biogenezei carotenoizilor a fost prezentată de W.Poter și E.Lincoln, care au stabilit rolul inițial al tetrahidrofitenului, care este dehidrogenat spre fiten, fitofluen, tetrahidrolicopen (neurosporen) și licopen.( Figura 2.2)

Figura 2.2 Teoriile privind biogeneza pigmentilor carotenoidici

(Ionică,E., Costache,M., 2014, Biochimie Generală, Vol. III,Vitamine Și Elemente minerale,Editura ARS DOCENDI, București,pag. 42)

Licopenul dă naștere la γ- și β-caroteni iar α-carotenul apare prin izomerizarea γ-carotenului. Această teorie a fost sprijinită de lucrări experimentale pe varietăți de tomate, care au dovedit că acestea conțin compușii menționați. Mai târziu, W.Goodwin a ajuns la concluzia că sinteza de β-caroten, cel puțin în etapele finale, nu trece prin licopen. Chichester C.O. și col., Mackinney G. au propus o schemă generală de formare a carotenoizilor (carotenoidelor) în 3 etape: i) în prima etapă are loc formarea unei substanțe intermediare, numită fiten, care este un precursor comun al tuturor reacțiilor ulterioare de sinteză; ii) în etapa a doua, din fiten se formează un alt precursor, fitofluenul, din care vor deriva compușii alifatici și cei alchilici; iii) în etapa a treia, pe o cale independentă se formează carotenoizii de natură alchilică.

J. Claes, folosind un mutant al algei Chlorella, a stabilit condițiile în care are loc biosinteza carotenoizilor și xantofilelor. În urma cercetărilor efectuate a ajuns la concluzia că mutanții de Chlorella crescuți în aerobioză, la întuneric, produc precursori de caroten. Când sunt crescuți în anaerobioză, și iluminați cu lumină roșie, precursorii se transformă într-un amestec de α-, β- și γ-caroten. Dacă procesul continuă cu aerarea sistemului, la întuneric, se produc xantofile, care nu sunt altceva decât carotenoizi oxigenați de culoare galbenă.

O serie de cercetări efectuate în aceiași perioadă, au arătat că formarea vitaminelor A1 și A2 se realizează prin conversia β-carotenului. În toate țesuturile vegetale există o serie de carotenoizi care diferă între ei prin raportul C/H. Aceștia au ca precursor comun fitenul (C40H64), care la rândul său provine din acetil-CoA, produs intermediar al catabolismului glucidic, lipidic și chiar proteic.

Biogeneza carotenilor pornește de la fragmentele „C2 active” (acetil-CoA) și trece printr-o serie de intermediari, comuni cu cei din biosinteza sterinelor, ca de exemplu acid β-hidroxi-β metil-glutaril-CoA, acid mevalonic (MVA), mevalonpirofosfat, izopentenil-5-pirofosfat, dimetilalil-pirofosfat, geranil-pirofosfat, farnezilpirofosfat. Din acest punct căile se despart spre: i) plastochinone, ubichinone și respectiv spre scualen, iar de la acesta spre colesterol, hormoni steroizi și în final vitamine A; ii) caroteni prin intermediul geranil-geranil-pirofosfat. Experiențele cu acetat marcat au demonstrat că prin condensarea succesivă a trei molecule de acetil-CoA se formează acid mevalonic. Prin hidroliza legăturii 44 macroergice se formează acid β-hidroxi-β-metil-glutaric care, în urma unor procese de oxido-reducere, trece în acid mevalonic. Sub acțiunea unei kinaze specifice, mevalonatul este fosforilat succesiv la gruparea alcoolică primara cu formarea finală a izopentenil-pirofosfatului, forma activă a izoprenului. Sub acțiunea

izopentenilizomerazei acesta trece în dimetilalilpirofosfat care, prin condensare, trece în geranil-pirofosfat, și apoi în farnezil-pirofosfat.

Căile de conversie ale farnezil-pirofosfatului în caroteni nu sunt pe deplin elucidate. Unii autori consideră că unul din precursorii ciclici ai carotenilor este licopersina, un compus nesaturat cu 40 atomi de carbon, care se formează din patru molecule de geranil-pirofosfat. Alți autori consideră că ciclizarea are loc la nivelul licopinei. Experiențele pe Chlorella vulgaris au demonstrat că licopina se formează din neurosporen, alături de caroteni (Figura 2.3).

Dacă hrana animalelor și a omului nu conțin vitamina A, aceste organisme sunt capabile să o sintetizeze prin conversia provitaminelor A, biologic active. În acest sens, au fost elaborate mai multe ipoteze:

a) β carotenul posedă un potențial de conversie în vitamina A de două ori mai mare decât α carotenul și de patru ori mai mare decât γ carotenul. În acest caz, unii autori consideră că procesul de conversie constă în scindarea hidrolitică a β carotenului în două molecule de retinol;

Figura 2.3. Caile de conversie ale neurosporenului

(Ionică,E., Costache,M., 2014, Biochimie Generală, Vol. III,Vitamine Și Elemente minerale,Editura ARS DOCENDI, București, pag.44 )

b) evidențierea intermediarilor carotinali poate demonstra că transformarea carotenilor în retinol este un proces de degradare oxidativă repetată care începe de la una din extremitățile moleculei, procesul fiind catalizat enzimatic. Indiferent de capătul de la care începe oxidarea β-carotenului, întotdeauna se va forma o moleculă de retinol. Degradarea oxidativă a α- și γ-carotenilor, care au un singur ciclu β-iononic, poate avea drept rezultat formarea unei molecule de retinol, sau a unui compus inactiv, în funcție locul primului atac enzimatic. Se presupune că locul inițial de atac al enzimei îl constituie dublă legătură din catena polienică, aflată în vecinătatea ciclului iononic, cu formarea β-apo-10’-carotinalului ca produs intermediar. Procesul continuă cu desprinderea treptată a câte 2 atomi de carbon până la obținerea formei aldehidice a vitaminei A. Degradarea oxidativă este stopată după formarea retinalului, deoarece moleculă acestuia posedă o grupare metil în poziția β- față de gruparea aldehidică (Figura 2.4).

Figura 2.4 Mecanismul de clivare a β carotenului

(Ionică,E., Costache,M., 2014, Biochimie Generală, Vol. III,Vitamine Și Elemente minerale,Editura ARS DOCENDI, București,pag. 46)

Absorbția carotenilor

Absorbția carotenilor are loc la nivelul intestinului subțire în mod diferit, în funcție de specie. Cea mai mare capacitate de absorbție se întâlnește la om și maimuță, în timp ce capra nu absoarbe carotenoizii și nici xantofilele. Bovinele asimilează numai carotenoizii, iar păsările absorb mai ales xantofilele. 20 – 60% din rația zilnică de vitamină A ingerată sub formă esteri ,retinil esteri și de provitamine (carotenoide) sunt absorbite la nivelul intestinului. Mecanismul de absorbție variază în funcție de natura alimentelor și cantitatea lor și în funcție de modul în care ele au fost administrate. Provitaminele A, mai ales β-carotenul, sunt absorbite printr-un mecanism pasiv, încă foarte puțin cunoscut. În alimente carotenoidele sunt legate de proteine în complexe numite „caroteno-proteine”. Disocierea carotenoidelor de proteine se realizează sub acțiunea proteolitică a enzimelor digestive, după care sunt dizolvate în miceliile lipidice, sub acțiunea sărurilor biliare. În această formă, ele sunt absorbite în intestinul subțire, în principal la nivelul duodenului și a jejunului printr-un mecanism de difuziune pasivă. Erdam și col. (1993), au emis ipoteza existenței altor mecanisme de transport care implică anumite tipuri celulare și/sau transportori specifici intracelulari care nu sunt încă deplin caracterizați.

Dintre factorii nutriționali care influențează absorbția carotenilor amintim: i) mărimea particulelor alimentare; ii) felul în care sunt preparate alimentele; iii) natura și cantitatea de carotenoide din alimente. Unii cercetători susțin că înainte de absorbția lor intestinală, între diferitele forme de carotenoide există o anumită competiție. S-a observat că în cazul administrării suplimentare de β-caroten, concentrația plasmatică și repartiția celorlalte carotenoide este afectată; iv) aportul alimentar de lipide favorizează absorbția carotenoidelor; v) statusul general al cantității de vitamină A prezent în organism. Reglarea mecanismului de absorbției se face hormonal. Hormonii tiroidieni stimulează activitatea carotinazei, care catalizează reacția de trecere a carotenilor în vitamină A și în final absorbția acesteia. Până în prezent, mai bine cunoscut este mecanismul de transformare a β-carotenului în vitamină A. În ansamblu absorbția carotenilor este lentă și incompletă, reprezentând doar 10% din aportul alimentar în caroteni. Mult timp s-a considerat ca procesul conversiei carotenilor în vitamina A are loc la nivelul ficatului. O serie de experiențe care au constat în injectarea unei suspensii coloidale de caroten, intravenos, muscular și subcutanat, au infirmat această teorie. Ulterior, prin administrarea carotenului direct în intestinul subțire al oilor și caprelor, s-a constatat că acesta nu poate fi evidențiat în sângele venei porte, dar în schimb a fost depistat retinolul. Astfel, s-a tras concluzia că transformarea carotenilor în retinal are loc la nivelul peretelui intestinului subțire. Tot aici are loc și reducerea formei aldehidice cu formare de retinol, sub acțiunea retinen-reductazei. β-Carotenul este compusul cel mai polar care este transportat de chilomicroni în limfă. Alți metaboliții polari, cum este acidul retinoic, circulă prin vena portă. După acțiunea lipoprotein lipazei, chilomicronii rămași neatacați sunt captați, în principal, de către ficat. La nivel hepatic, carotenoidele pot fi metabolizate ca și în celula intestinală, sau pot fi stocate, și apoi eliberate în sânge unde sunt transportate de lipoproteine, fără a fi transformate (Figura 2.5).

Figura 2.5. Metabolismul β-carotenului

(Ionică,E., Costache,M., 2014, Biochimie Generală, Vol. III,Vitamine Și Elemente minerale,Editura ARS DOCENDI, București,pag. 47)

Cetonele carotenoidice

Dintre cetonele carotenoidice se pot menționa rodoxantina și astacina. Rodoxantina este o substanță de culoare roșie-albăstruie care e raspândită în plantele acvatice, în conifere și în penele unor pasări. Este o dicetonă carotenoidică. Astacina este o substanță de culoare violetă. Din punct de vedere chimic este o tetracenă carotenoidică.

Acizii carotenoidici

Dintre acizii carotenoidici cu mai puțin de 40 de atomi de carbon cei mai importanți sunt: bixina, de culoare rosie , norbixina ( Fig. 2.6) și crocetina care sunt pigmenți galbeni.

Figura 2.6 Structura chimica a bixinei și norbixinei

(Raddatz,D. și al., 2017,Achiote ( Bixa orellana L.) a natural source of pigment and vitamin E, în:J.Food Sci Technol,54,6,pag.1730)

" Bixina este singurul carotenoid care prezintă o configurație de 9 cis și 2 grupări carboxilice. Annatto este numele dat extractului de pigment brut (care conține bixină, norbixină și alți carotenoizi în proporții diferite) obținut din achiote, care este un copac peren care poate atinge nouă metri înălțime cu flori și fructe albe sau roz, sub formă de capsule globulare ovoidale . În timp ce bixina este solubilă în grăsimi, norbixina este hidrosolubilă.

În zilele noastre, extractul de annatto are o importanță economică mare la nivel mondial și este una dintre culorile naturale cele mai utilizate pe scară largă în industria alimentară, cosmetică și farmaceutică, deoarece nu modifică aroma și practic nu este toxic (Michelangeli și colab., 2002 ; Smith; 2006 ; Lourido și Martínez 2010 ).

Acest colorant natural este bogat în bixină (culoare roșu închis) și norbixină sau orelline (culoare galbenă), care sunt utilizate în principal pentru a dezvolta culori atractive în produsele lactate (brânzeturi, margarină și unt), carne, înghețate, produse cosmetice, condimente , ceramică, vopsea, culori de păr, săpunuri, lac de unghii, lac, lac, culori de țesături, etc. (Devia și Saldarriaga 2003 ). Bixina reprezintă aproximativ 80% din conținutul total de carotenoizi prezenți în colorantul obținut din achiote (în principal în configurația sa 9- cis cu cantități reduse de transbixină și cis- norbixină) (Smith 2006 ). Alți apocarotenoizi prezenți în cantități mai mici sunt norbixina, bixina dimetil ester și produși secundari ai degradării licopenului (Cardarelli și colab., 2008 ). Aportul zilnic maxim acceptabil (ADI) stabilit de Organizația pentru Alimente și Agricultură a Organizației Națiunilor Unite (FAO) / Organizația Mondială a Sănătății (OMS), Comitetul de experți privind aditivii alimentari (JECFA 1982 ) este de 0,065 mg / kg greutate corporală / zi de bixină.

Indigenii din America de Sud au folosit în mod tradițional extracte de annatto din frunze, rădăcini și semințe în scopuri medicinale, precum tratarea diareei și astmului . În Brazilia, extractele de annatto sunt utilizate pentru tratarea arsurilor la stomac, ca diuretic și laxativ. Decoctul frunzelor este utilizat pentru oprirea vărsăturilor, greață și arsuri la stomac, pentru tratarea afecțiunilor urinare și prostatei, hipertensiunii arteriale, colesterolului ridicat, cistitei, obezității, insuficienței renale, pentru eliminarea acidului uric, precum și pentru mai multe probleme ale stomacului. Tribul Piura din Amazon Rainforest pregătește un ceai cu rădăcini tinere, afrodisiace, astringente și pentru a trata problemele pielii, febră, dizenterie și hepatită. În Columbia, annatto este utilizat ca antivenin pentru mușcături de șarpe, iar semințele sunt folosite ca expectorant și pentru tratarea gonoreei .

Alte proprietăți medicinale atribuite extractelor de achiote atât din frunze cât și din semințe sunt antitumorale (în special pentru cancerul bucal), antiinflamatoare, emoliente, antiseptice, antibacteriene, antioxidante, cicatrizante, activități hipoglicemice, ca sursă de vitamine, pentru tratarea acneei, alopeciei, rujeolei, variolei, infecțiilor bacteriene, conjunctivitei, dermatozei, diabetului, epilepsiei, glaucomului, durerilor de cap, hemoroizilor, afecțiunilor hepatice, malariei, nefrozei, stomatitei, amigdalitei și pentru vindecarea rănilor și arsurilor." [14]

Crocetina este un compus carotenoid amfifilic cu greutate moleculară mică și constă dintr-un lanț de carbon C-20 cu multiple legături duble și o grupă de acid carboxilic la fiecare capăt al moleculei. Structura crocetinei este prezentată în Fig.2.7 , unde R1 și R2 = H.

Figura 2.7. Structura chimică a crocetinei

( Raddatz,D. și al., 2017,Achiote ( Bixa orellana L.) a natural source of pigment and vitamin E, în:J.Food Sci Technol,54,6,pag.1731)

CAPITOLUL 3. PIGMENȚI FENOLICI, BETAINICI, CHINONICI

3.1 Pigmenți fenolici

3.1.1Pigmenții flavonici

Pigmenții flavonici sunt produse secundare din metabolismul plantelor fotosintetice. Sunt pigmenți fenolici care conțin în molecula lor un heterociclu piranic sau furanic condensat cu un inel benzenic. De heterociclu se cuplează un alt inel benzenic. Inelele au grupări hidroxilice,ceea ce determină caracterul fenolic al acestor pigmenți.

Fig.3.1. Principalele clase de pigmenți flavonoizi

( Bădulescu,L., 2010, Biochimie horticola, Editura USAMV , Bucuresti, pag. 93)

Flavonoidele determină culoarea plantelor, dirijează reacțiile enzimelor, filtrează razele UV nocive, protejează împotriva paraziților. Ele au fost descoperite în 1926 de către savantul maghiar Szent Gyorgyi Albert. Ele se găsesc în flori, frunze, tulpini, rădăcini, scoarța copacilor. În cantitate mică se găsesc în unele alge, în microorgansime și în unele insecte (flavone). Se găsesc în natură în stare liberă, dar mai ales sub formă de glicozide.

În plante flavonoidele prin culoare și aromă atrag insectele care le polenizează. Au rol protector prin efectele bactericide sau fungicide. Se găsesc în toate organele plantelor. Conținutul în flavonoide al produselor vegetale variază în medie între 0,5 si 3% excepție făcând speciile de salcâm japonez, de hrișcă, citrice care conțin între 5 si 25% flavonoide.

Ca acțiuni farmacologice importante sunt de menționat: acțiunea vasculară,capilarprotectoare, venotonă, hipotensivă, antioxidantă, hepatoprotectoare, spasmolitică,antiagregant plachetară, coronarodilatatoare și inotrop pozitivă, coleretică, diuretică și diaforetică. [16]

Sub aspect chimic pigmenții flavonoidici sunt glicozide fenolice solubile în apă. Se găssesc în sucul vacuolar și în cromoplaste. Se cunosc 6 tipuri de flavonoide:

flavani

antocianidine

flavone

flavanone

calcone

aurone

Aceste grupe se deosebesc între ele prin felul heterociclului și prin numărul și poziția grupărilor hidroxilice și metoxilice legate de inelele benzenice.

Flavanii

Flavanii( cromanii) – sunt pigmenti care deriva de la flavan (2fenil-benzopiran, croman). Ei au in molecula un inel benzopiranic. Au tendinta de polimerizare si formeaza catechine care intra in constitutia taninurilor catechinice.

Flavone. Izoflavone

Flavone, izoflavone sunt pigmenți galbeni care derivă de la 2 fenil- benzopirona (2 fenil-cromonă) și respectiv de la 3-fenil-benzopironă (3 fenil-cromenă). În natură flavonele și izoflavonele se gaăesc, de obicei, sub formă de glicozide. Se cunosc peste 100 de flavone care se găsesc în flori, fructe, frunze, în lemn și scoarța copacilor. Flavonele și izoflavonele conțin pe inelele A și C grupări hidroxilice și metoxilice. Dacă pe inelul heterociclic se află grupări hidroxilice, pigmenții se numesc flavonoli și izoflavonoli. Dintre flavonele cele mai răspândite se pot menționa: apigenina, luteolina, quercitrina. Flavonele sunt substanțe cristaline, colorate în galben, solubile în apă și alcool. În mediu alcalin, inelul piranic se deschide și se formează dicetone. Flavonele au maxime de absorbție cuprinse între 335-350nm, iar flavanolii între 360-380nm. Cu metalele flavonele formează complecși. Se dizolvă în acid sulfuric concentrat, dând soluții galbene datorită formării sărurilor de flaviliu. Ele protejează în organism oxidarea vitaminei C și a adrenalinei. Absorb radiațiile ultraviolete și protejează citoplasma și clorofila de aceste radiații. Se găsesc în cantitate mare în plantele tropicale și în cele din regiunile montane .Flavonele naturale pot fi găsite în flori, rădăcini și în lemnul multor plante. Au fost izolați circa 50 de derivati flavonici , atât liberi cât și sub formă de glicozide.Aceștia se împart în trei grupe: derivați ai flavonei propriu-zise ( fara grupare OH in poziția 3) și în derivați ai 3-flavonolului. Aceste flavone naturale conțin, câte douaă grupe HO în poziții orto, ele formează în consecință compuși chelatici stabili, în special cu metale trivalente : aluminiu, galiu și stibiu.Unii dintre acești compuși se disting prin fluorescența lor.Datorită proprietății lor de a forma complecși chelatici, colorați, cateva flavone naturale au fost utilizate, încă din vechime, pentru vopsirea de textile, iar recent în chimia analitică.

Luteolina,5,7,3',4'-tetrahidroxiflavona, se găsește în rezeda sălbatică ( Reseda lutea).Complexul cu aluminiu este portocaliu.Apigenina, 5,7,4'-trihidroxiflavona se găsește atat liberă cât și sub formă de glicozidă, în mușețel ( Matricaria chamomilla) și în gura leului (Antirrhinum majus). Complexul cu aluminiul al acestui compus este galben deschis.

Quercetina, 3,5,7,3',4'-pentahidroxiflavona, un derivat al flavonolului, se găsește în multe plante, cum sunt : panseluța, trandafirul(alături de antociani), hameiul și în unele specii de stejar.În diferite plante au fost găsiți eteri monometilici ai quercetinei, anume ramnetina (CH3O în poziția 7) și izoramnetina (CH3O în 3'). [13, pg.670]

Quercetina se găsește într-o varietate de alimente incluzând mere, fructe de pădure, legume Brassica, capere, struguri, ceapă, chei, ceai și roșii, precum și în multe semințe, nuci, flori, scoarțe și frunze. Quercetina se găsește, de asemenea, în plantele medicinale, inclusiv Ginkgo biloba , Hypericum perforatum și Sambucus canadensis . În ceapa roșie, concentrații mai mari de quercetină apar în inelele cele mai exterioare și în partea cea mai apropiată de rădăcină. Quercetina, este un flavonoid care are proprietăți biologice ce pot îmbunătăți performanțele mentale / fizice și pot reduce riscul de infecție. [6, pg.206-213] Aceste proprietăți stau la baza beneficiilor potențiale pentru sănătatea generală și rezistența la boli, incluzând activități anti-cancerigene, anti-inflamatorii, antivirale, antioxidante și psihostimulatoare, precum și capacitatea de a inhiba peroxidarea lipidelor, agregarea trombocitelor și permeabilitatea capilară și stimulează biogeneza mitocondrială .[1]

Rutina,3-ramno-glicozida quercetinei, se gasește în hrișcă ( Fagopyrum esculentum) și în vîrnanț (Ruta graveolens) și este componenta cea mai însemnată din grupa vitaminelor P ( care cuprinde și alte flavone). Vitaminele P asigură permeabilitatea vaselor sanguine. Rutin este un medicament folosit în tratamentul curativ sau profilactic al stărilor hemoragipare prin fragilitate capilară (hemoptizii, hemoragii digestive, unele hemoragii retiniene, ateroscleroza, hipertensiune arteriala) pentru a preveni eventualele accidente vasculare, în unele boli infecțioase însoțite de permeabilitate crescută și în pregătirea preoperatorie (eventual asociat cu vitamina C si K).

Morina, 3,5,7,2',4'-pentahidroxiflavona, izomeră cu quercetina, izolată din lemnul galben ( Morus tinctoria) folosit înainte drept colorant pe mordant de aluminiu, formează cu ionii acestui metal( și cu Sc, Ga, Zr șiTh) complecși puternic fluorescenți, verde-albastru, folosiți în chimia analitică.[13]

quercetina

Flavona

Fig. 3.2. Structura chimică – flavone

(Nenițescu, C. D.,1980, Chimie Organică, Vol.II,Editura didactica si pedagogică, pag.670)

Derivații 3-flavonolului sunt de substanțe polifenolice și sunt distribuite într-o serie de alimente vegetale precum pastăile de cacao, vin roșu, bere, fructe de pădure, mere, boabe de soia neagră și scoarță de pin maritim francez. Ciocolata este unul dintre alimentele cu un continut ridicat de 3-ol-flavani. Așa cum se arată în Fig. 3.3., ciocolata include monomerii 3 -flavonolului , (+) – catechină și (-) – epicatechină și oligomerii, cum ar fi procianidina B2 (dimer), procianidina C1 (trimer) și cinamtanina A2 (tetramer) care sunt legate de legăturile C4-C8. [8]

Fig.3.3. Structurile chimice ale derivaților 3-flavonilor din ciocolată (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3652297/)

Studii recente au sugerat că ciocolata care conține derivați ai 3-flavonilor au o influență pozitivă asupra sănătății umane, datorită efectelor antioxidante,[10] antiinflamatorii, [17] și anti-trombotice.[5]  Există, de asemenea, dovezi că produsele de cacao care conțin derivați ai 3- flavonilor au potențialul de a contribui la prevenirea tulburărilor cardiometabolice. [4]

Flavanone.Calcone. Aurone

Flavanonele derivă de la 2-fenil-dihidrobenzo-pirona, calconele de la benziliden-aceto-fenona, iar auronele de la 2-benziliden-cumaranona. Flavonele sunt pigmenți incolori (datorită întreruperii sistemului cromoformic) și în mediu bazic se transforma în calcone (prin ruperea heterociclului), iar acestea în mediu acid se ciclizează și refac flavonele. Prin oxidare se transformă în aurone care au culoare galben-aurie intensă și se găsesc predominant în florile unor compozite.Flavanonele, calconele și auronele au de asemenea grupări hidroxilice pe inelele A, C și chiar pe heterociclu. Ele se găsesc în natură sub formă de glicozide. Auronele și calconele apar de obicei în flori, iar flavanonele în flori, frunze, lemn. Prezența flavanonelor în organismele vegetale mărește rezistența acestora la atacul insectelor și al microorganismelor. Ele influențează gustul, aroma și stabilitatea unor preparate extrase din plante.

Benzilidenacetofenona sau calcona,C6H5CH=CH-CO-C6H5, se obține prin condensarea benzaldehidei cu acetofenonă, în prezența hidroxidului de sodiu.Formează cristale galbene, datorită conjugării carbonilului cu duble legături.

Dintre derivații hidroxi-benziliden-acetofenonei face parte și buteina care se găsește sub formă de glicozidă în florile de Butea frodosa din Asia Orientală. Această glicozidă este întrebuințată drept pigment natural sub numele de Colorant de Tesu. Prin tratare cu acizii, buteina se ciclizează, printr-o adiție intramoleculară, trecand in derivatul dihidroflavonic( flavononic) corespunzator, butina. Sub influența alcaliilor, se regenerează derivatul chalconic. O transformare asemănătoare se produce probabil și în plantă. [13]

Silimarina este un flavonolignan izolat din fructele de Sylibum marianum în concentrație de 0,7 %.Fig.3.4.

Fig.3.4 Silimarină (https://farma.com.ro/articles/2014.2/PF_Nr-2_2014_Art-1.pdf)

Acțiunea acestei substanțe este foarte variată. Astfel se menționează faptul că poate să

controleze alergiile, ameliorează boala Alzheimer, are efect hepatoprotector, anticarcinogen, antidepresant, antioxidant, antiinflamator, și se utilizează pentru tratarea cancerului de piele și a bolilor de ficat.

Silimarina stimulează refacerea hepatocitului (celula hepati că), apariția și dezvoltarea de noi celule hepatice, favorizând sinteza proteinelor. Protejează integritatea membranei celulare a hepatocitelor, prin faptul că împiedică pătrunderea în celulele hepatice a unor substanțe hepatotoxice (alcool etilic, substanțe chimice toxice, medicamente cu risc hepato-toxic, toxine rezultate în urma prelucrării alimentelor etc). Totodată, silimarina reduce riscul dezvoltării calculilor biliari și favorizează digestia, fluidificând și eliminând bila. Fiind un produs natural, Silimarina este foarte bine tolerată de organism și nu are efecte adverse sau toxice.[22]

Flavanonele se găsesc în produsele horticole mai ales sub formă de glicozide, dintre care se pot menționa:

Naringina este prezentă în grapefruit, portocale, epicarpul bacelor de struguri etc. Se formează cu participarea ramnozei, glucozei si naringeninei. Glicozida contribuie la formarea gustului amar pronunțat al citricelor. Această substanță are efect: antibacterian, anticancerigen, antihepatotoxic,antimutagen, antiHIV, antiinflamator, antioxidant, antiviral, cancer preventiv și pesticid.

Hesperetina sau hesperetinrutinoza, este prezentă în citrice și are acțiune antibacteriană, antivirală, pesticidă, cancer preventivă și hepatoprotectoare.

Flavonolii și izoflavonele

Flavonolii și izoflavonele formează legături acetalice cu D-glucoza, L-ramnoza, Darabinoza, D-xiloza, acidul D-glucuronic etc., de obicei în poziția C7 si foarte rar în poziția

C5, în timp ce flavonolii participă cu -OH din poziția C3.

– Campferol-3- glucozid a fost identificat în struguri, căpșuni, fragi etc. Campferolul

are efect antibacterian, antioxidant, antialergic, antiinflamator, antimutagen și hipotensiv.

– Quercitin-3-glucozid a fost identificat în mere, caise, coacăze negre, struguri, pere,

prune, căpsuni;

– Miricetin-3-glucozid și glucoronida sunt prezente în struguri;

– Genisteina-7-glucozid sau genistina se găseste în struguri.

Biosinteza substanțelor flavonoide includ sinteza acidului shikimic din care se sintetizează fenilalanina și, în final, acidul cinamic și acidul cumaric.În general, biosinteza pigmenților antocianici este în strânsă corelație cu metabolismul glucidic și protidic. Astfel, în cazul în care condițiile de crestere și maturare a fructelor sunt favorabile pentru sinteza glucidelor, concentrația acidului shikimic creste, iar acesta este intens convertit în pigmenți antocianici. În cazul unor condiții nefavorabile pentru aceste biosinteze ca de exemplu, îngrășarea excesivă a solului cu azot, acidul shikimic este utilizat în cea mai mare parte la sinteza proteinelor, în timp ce formarea pigmenților antocianici se petrece într-un ritm foarte lent. Din aceste procese biosintetice se formează și leucoantociani, ce pot fi transformați ulterior în antociani. Sinteza este localizată în citoplasmă pentru monomeri, dimeri și trimeri și în vezicule, denumite impropriu antocianoplaste, pentru produșii finali. Antocianii formați sunt transportați din aceste vezicule în vacuolă, printr-un proces de pinocitoză, iar membranele veziculelor pot fi încorporate în tonoplast. [2]

Antocianidine. Antocianii

Antocianidinele sunt pigmenți care derivă de la 2 fenil- benzopirenă (2 fenil – cromenă). Ei sunt principalii pigmenți care dau culoarea roșie și albastră florilor și fructelor. Se găsesc în natură de obicei sub formă de glicozide, care poartă numele de antociani. Cele mai importante antocianide sunt: pelargonidina, cianidina și delfinidina, care se deosebesc între ele prinnumărul și poziția grupărilor hidroxilice de pe inelul benzenic C. Pelargonidina se află în florile de mușcată, cianidina în florile de cicoare și de centauree, delfinidina în florile de nemțișor (Delfinum consolida).

În antociani glucidele (monoglucidele, diglucidele) se leagă de antocianidine (aglicon). De obicei, la hidroxilul de la C-3 de pe heterociclu. În natură predomină antocianii monoglicozidici, dar se cunosc și antociani diglicozidici. Prin metilarea antocianidinelor menționate, se obțin noi pigmenți cu culori diferite, cum sunt: peonidina, pentunidina și malvidina.

Antocianii se găsesc în flori singuri și mai cu seamă în amestec cu alți pigmenți, formând o varietate de culori. Florile roz, roșii, roșu aprins conțin predominant pelargonidină, florile purpurii și vișinii conțin cianidină. Antocianii sunt solubili în apă și alcool, greu solubili în eter, benzen și cloroform. Se extrag cu apă sau alcool în mediu de acid clorhidric. Din extractul obținut, dacă se adaugă eter, precipită clorura de antocian. Cu acizii minerali antocianii formează săruri de culoare roșie, stabile la diluare (spre deosebire de flavone). Antocianidinele cu grupări hidroxilice învecinate formează cu metalele (Al, Fe) complecși de culoare albastră. Antocianii își schimbă culoarea în funcție de pH, fapt pentru care se utilizează ca indicatori acido-bazici.

Se găsesc în struguri, cireșe, varză roșie, măceșe, zmeură, mure, coacăze, prune. Posedă proprietăți homeostatice, hipotensive, cardiprotectoare și antitumorale. Extrași acești pigmenți pot fi folosiți ca și coloranți naturali pentru băuturile racoritoare, sucuri de fructe, dulciuri, gemuri.

Culoarea este dată de substanțele colorante componente: antociani de culoare roșie și albastră funcție de pH (roșu-acid, albastru-alcalin) sau de combinația antocianilor cu flavone sau flavonoli de culoare galbenă. Antocianii au proprietăți vitaminice, combat fragilitatea vaselor sangvine, tulburările vizuale, ajută circulația, respirația, transpirația.

Gama culorilor (cromotorică) a antocianelor este diversă. În dependență de concentrația ionilor de hidrogen, soluțiile își schimbă culoarea de la roșu-incolor-violet-albastru-cafeniu întunecat. Această proprietate a antocianelor de a schimba culoarea soluției în dependență de pH-ul mediului eeste considerată ca principalul neajuns al acestora ca și coloranți naturali.

Antocianii au proprietăți tanante, de precipitare a proteinelor. Ceea ce explică acțiunea hemostatică și cicatrizantă. Ei contribuie și la stabilizarea vitaminei C.

Curcumine – sunt polifenoli vegetali colorați în galben-portocalii care se obțin din rădăcinile de curcuma longa (șofranul indian), fiind insolubile în apă dar solubile în alcool etilic și acid acetic.Această substanță cunoscuta încă din antichitate este unul din puținii coloranți substantivi naturali ai bumbacului. Se intrebuințeaza și ca indicator, deoarece virează în brun în mediu bazic. În stare liberă combinația aceasta apare în forma enolică. [13] Se poate folosi și sub formă de polisorbat de curcumină sau pudră de curcumină dizolvată în alcool. Curcuma longa este o plantă originară din sudul Asiei. Rizomii acestei plante sunt fierți câteva ore, uscați și măcinați într-o pudră galbenă portocalie.

Curcuminele protejează împotriva îmbătrânirii creierului, hrănesc și protejează țesuturile acestuia într-o varietate de moduri. Sunt antioxidanți puternici care traversează ușor bariera hemato-encefalică pentru a proteja celulele creierului de acțiunea devastatoare adusă de radicalii liberi. Pot imbunătați memoria și concentrarea prin cresterea fluxului sangvin către creier .

Curcumina actionează și ca un puternic anti-inflamator. Studiile arată ca dacă aceasta ajunge în concentratii optime în țesuturi combate orice tip de inflamație, incluzând aici chiar și pe cele din bolile acute precum boala inflamatorie intestinală, pancreatita și artrita .Mai are capacitatea de a reduce colesterolul nociv, elimină acumularea plăcilor din artere ,și previne coagularea sangelui.[23]

Fig.3.5 Structura chimică a curcuminei

(Nenițescu, C. D.,1980, Chimie Organică, Vol.II,Editura didactica si pedagogică, pag.329)

3.2 Pigmenții betainici

Betacianii sunt pigmenți roșii care sunt formați în proporție de 75-95% betaină. Este colorantul roșu din sfeclă. Se obține prin extracția cu apă acidulată (pH=5) a tăițeilor de sfeclă roșie. Extractul este concentrat și uscat prin pulverizare. Este un colorant instabil în timpul procesului de fabricație. Izolarea pigmenților roșii din sfeclă se poate realiza prin măcinarea acesteia urmată de presare și evaporarea sucului. Rezultă o pulbere roșie care se folosește ca aditiv alimentar.

Betaina este o substanță azotată derivată din glicocol, cunoscută și ca trimetilglicină ( TMG) care este răspândită la nevertebrate și în unele plante.Printre betainele naturale vom mai menționa: betaina histidinei( hercinina), din unele ciuperci, betaina triptofanului ( hipaforina), din anumite plante exotice și betaina prolinei ( stahidrina), izolată din mai multe plante, între altele din planta numită vindecea sau iarbă de răni ( Betonica oficinalis), din stânjenei și din Stachys tuberifera. Din carnea putrezită se poate obține betaina acidului γ-aminobutiric care ca și alte baze cuaternare de amoniu este o otravă puternică, producând o paralizie a nervilor motori, întocmai ca alcaloidul curara, o substanță întrebuințată de indigenii din America de Sud pentru otrăvirea săgeților. [13]

Fig.3.6. Trimetil- glicina

(Nenițescu, C. D.,1980, Chimie Organică, Vol.II,Editura didactica si pedagogică, pag.386)

În organismul uman , betaina se poate sintetiza sau se poate asimila din alimentație, prezintă efecte antioxidante, de eliminare a grăsimilor din corp, rol lipotropic,în special de la nivelul ficatului, unde betaina intensifică producția de lecitină, contribuind la eliminarea toxinelor.

In afecțiuni metabolice betaina este folosită pentru a facilita eliminarea homocisteinei acumulată datorită imposibilitătii metabolizarii metioninei ( aminoacid esențial cu rol în detoxifierea hepatică) în cisteină ( aminoacid neesential cu rol de detoxifiere a ficatului).

Din betaina naturală se poate obține betaina clorhidrat ce se administrează împreună cu unele enzime pacienților cu hipoclorhidrie , pentru a stimula secreția de HCl din sucul gastric.

Derivați ai acidului cinamic

Acidul cinamic este o substanță care în cantități mici se găseste aproape în toate legumele si fructele. Reprezintă un compus de bază în formarea a numeroși derivați fenolici:

acizii ferulic, cafeic și p-cumaric sau esteri: acidul clorogenic, o depsidă care rezultă din esterificarea acidului cafeic cu acidul chinic,prezent în cartofi, pere, prune, piersici, cireșe și afine; acidul p-cumaril chinic și esterul acidului hidroxicinamic cu acidul chinic, a carui concentrație în fructe variază între 75mg/100 g produs proaspăt la piersici și 250 mg/100 g produs proaspăt la cireșe. Derivații acidului cinamic formează cu glucidele glicozide, substanțe identificate în legume și fructe, ca de exemplu, cafeic-glucozid și sakuchirina.

Fig. 3.7. Stuctura cimică a a) Acidului cafeic glicozidic b) Sakurinei

(Bădulescu,L., 2010, Biochimie horticola, Editura USAMV , Bucuresti, pag. 96)

Derivați ai acidului benzoic

Dintre derivații hidroxilați ai acidului benzoic în legume și fructe au fost identificați

acizii: hidroxibenzoic, gentistic, protocatechic, vinilic și galic. Acidul galic ia parte la

formarea galotaninurilor, iar acidul benzoic la formarea unor glicozizi cu sulfm(glucobrasicina).

Taninuri

Aceste substanțe reprezintă complexe de metaboliți secundari solubili în apă, cu greutatea moleculară de 500 – 3.000 Da.

Taninurile contribuie la realizarea gustului astringent al produselor horticole, iar din punct de vedere chimic, sunt esteri ai acidului galic sau ai altor acizi fenolici cu glucidele, sau produși de condensare ai 3-hidroxiflavonelor (catechine).

Taninurile pot fi:

– hidrolizabile, în care caz se descompun prin hidroliză într-o glucidă și acid fenolic

– condensate (derivați ai catechinei) când nu conțin glucide și pot fi descompuse numai prin

topire alcalină.

În general, conținutul total de taninuri din legume și fructe variază mult în funcție de specie sau organ. La struguri, cea mai mare cantitate de taninuri se găseste în semințe (0,36%) și în epicarp (0,19%), în timp ce proporția acestor compuși din suc și mezocarp este relativ mică (0,02%) și respectiv 0,004%.

Taninurile hidrolizabile sunt în marea lor majoritate glicozide, în care componenta glucidică o reprezintă D-glucoza, iar agliconul poate fi:

Fig.3.8.Stuctura chimică a agliconilor din taninurile hidrolizabile

(Bădulescu,L., 2010, Biochimie horticola, Editura USAMV , Bucuresti, pag.97)

Taninurile au rolul de substanțe ce protejează planta contra atacului din partea virusurilor și a microorganismelor. Fiind substanțe puternic reducătoare, taninurile acționează ca antioxidanți, putând constitui transmițători între enzimele oxidante și substratul oxidabil. Datorită proprietăților lor de a precipita cu substanțele proteice, taninurile sunt puternic astringente. Concomitent cu coagularea proteinelor, are loc și o acțiune de retractare a țesutului, proprietate care este folosită la tratarea plăgilor provenite de la arsuri. Catecheinele acționează în organism ca vitamine P, protejând capilarele sanguine împotriva permeabilității față de elementele figurate ale sângelui. [3]

3.3 Pigmenți chinonici

Ubiquinona (Coenzima Q) este o coenzimă liposolubilă, care participă la transferul de electroni de la substratele organice la oxigen, în lanțul respirator din mitocondrie.

Această coenzimă este o chinonă reductibilă, în mod reversibil și are o catenă laterală izoprenoidă cu rol în prevenirea bolilor cardiace. Se cunosc mai multe ubiquinone, care diferă numai prin lungimea catenei izoprenoide, care are șase unități de izopren în unele microorganisme și zece în mitocondriile țesuturilor animale. În țesuturile vegetale, corespondentele ubiqinonei sunt plastochinonele, care îndeplinesc funcții similare în transportul de electroni ai fotosintezei.[7]

CAPITOLUL 4.

PIGMENȚI PORFIRINICI

Dintre pigmenții porfirinici un rol deosebit îl au cromoproteidele porfirinice. Cromoproteidele sunt heteroproteide a căror grupare prostetică este o substanță colorată (pigment). Sunt răspândite în toate organismele vegetale și animale, unde îndeplinesc roluri complexe.

Cromoproteidele porfirinice sunt cele mai răspândite dintre cromoproteide. Componenta prostetică este un inel porfirinic, format din patru nuclee pirolice, legate prin punți metinice (=CH-).

Structura porfirinică rezultă prin substituirea atomilor de hidrogen de la atomii de carbon din pozițiile 1-8, cu diferiți radicali.

Protoporfirina, componentă a hemoglobinelor, cea mai răspândită dintre cromoproteidele porfirinice, se caracterizează prin prezența următorilor radicali:

• metil (-CH3) la: C1, C3, C5, C8;

• vinil (-CH=CH2) la: C2, C4;

• propionil (-CH2 –CH2-COOH) la: C6, C7.

În structura porfirinică pot exista și metale, cum ar fi: Mg, Fe, Cu, Zn etc.

4.1 CROMOPROTEIDELE

Cromoproteidele se deosebesc între ele prin:

– natura componentei proteice;

– natura radicalilor grefați pe nucleul porfirinic

Structura porfirinică reprezintă o grupare prostetică comună unei serii de heteroproteide cu funcții biologice foarte importante, cum ar fi: cloroglobinele, hemoglobinele, citocromii, catalaza, peroxidaza, fitocromul etc.

a b c

Fig.4.1.Structura chimică a a) pirolului, b) inelului porfirinic c) protoporfirinei

(Marinescu,G.,Glodeanu,E.,1995,Biochimie Generala, Editura "Universitaria" Craiova,pag 70)

Cromoproteide porfirinice fără rol respirator

Cloroplastinele (cloroglobinele) sunt cromoproteide prezente în toate celulele și țesuturile plantelor verzi. Sunt localizate în cloroplaste și au drept componentă proteică globina plastina, și ca grupare prostetică pigmentul clorofila, care imprimă culoarea verde țesuturilor plantelor. Cele două componente (proteina și gruparea prostetică) se separă ușor prin uscarea frunzelor și extracția pigmentului colorat cu eter sau alcool etilic. Cloroplastele celulare mai conțin în afară de clorofilă și carotenoide, lipide, acizi nucleici, microelemente.

Clorofilele, pigmenții colorați ai frunzelor verzi, au o structură magnezio-porfirinică, în care atomul central magneziul este legat prin două legături covalente și două legături coordinative de atomii de azot ai nucleelor pirolice. Clorofilele a și b, au fost separate de savantul Țvet (1906) de pigmenții galbeni carotenoidici (carotina și xantofila) care le însoțesc, prin metode cromatografice. Conținutul în clorofile al frunzelor verzi este de 0,1-0,3%; în majoritatea plantelor, cele două clorofile se găsesc în raportul 3/1 în cloroplastele celulelor. Proporția celor două clorofile variază de la o specie la alta și de la un anotimp la altul.

În plantele superioare se găsesc clorofila a și clorofila b, iar în alge și bacterii sunt răspândite și clorofilele c și d.

Clorofila a este cel mai important pigment de pe planetă, deoarece este implicată în transformarea energiei luminoase în energie chimică.

Clorofila a are o structură porfirinică, pe care sunt grefați:

• patru radicali metil în pozițiile: C1, C3, C5, C8;

• o grupă vinil la C2;

• un radical etil la C4;

• un rest de acid propionic la C6 legat într-un ciclu pentagonal exterior, de atomul de carbon de la gruparea metinică a nucleului pirolic, a cărei grupă carboxil este esterificată cu metanol;

• un rest de acid propionic la C7, esterificat cu fitol (un alcool nesaturat cu catena ramificată cu 20 de atomi de carbon).

Prezența fitolului în moleculă conferă clorofilei un caracter amorf, ceros, care îngreunează separarea clorofilelor în stare pură. Saturarea dublei legături C=C din inelul D ca și formarea noului ciclu legat de inelul C, conduce la apariția în molecula clorofilelor a trei atomi de carbon asimetrici, care conferă moleculei activitate optică, clorofilele fiind puternic levogire.

Clorofila b însoțește clorofila a, în raport de 3/1–5/1, diferind de la o specie la alta. Se diferențiază structural de clorofila a, prin înlocuirea radicalului metil din poziția C3 a inelului pirolic B cu gruparea formil (-CH=O). Nu poate transforma energia luminoasă în energie chimică ci doar o transferă clorofilei a. Clorofila c nu conține radicalul fitil, iar clorofila d are un radical formil la C2.

Bacterioclorofila din bacteriile verzi are în structură, la C2, un radical acetil (-CO-CH3), iar în inelul pirolic B o singură legătură dublă.

Rolul de fotoreceptori le este conferit clorofilelor a și b de structura polienică care absoarbe puternic în domeniul vizibil al spectrului.

Acizii organici slabi (acid oxalic) produc scindarea magneziului din molecula clorofilelor, pe care le transformă în feofitine a și b. Sub acțiunea acizilor concentrați, se elimină atât Mg cât și radicalul fitil, rezultând feoforbide a și b. Această comportare explică de ce clorofila nu poate exista cu resturi acide libere, cele două grupe carboxil fiind esterificate cu metanol și cu fitol.

Fig.4.2.Structura chimică a clorofilei a ,clorofilei b și a fitolului

(Marinescu,G.,Glodeanu,E.,1995,Biochimie Generala, Editura "Universitaria" Craiova,pag 71)

Cromoproteide porfirinice cu rol respirator

Hemoglobinele (A, A2, A3, F) sunt cromoproteide cu structură feroporfirinică, de culoare roșie, prezente în sângele tuturor vertebratelor. Componenta proteică (96%), este o globină (asemănătoare histonei, cu caracter bazic), iar componenta neproteică (prostetică) este hemul (4%).

În timp ce proteina globina diferă de la o hemoglobină la alta, imprimând hemoglobinelor

specificitatea, structura porfirinică a hemului este comună tuturor speciilor vertebratelor și este întâlnită și în: citocromi, peroxidaza, catalaza, fitocrom etc. Componenta proteică, globina este o proteină organ-specifică. Structura chimică a hemului este următoarea:

Fig.4.3.Structura chimică a hemului

(Marinescu,G.,Glodeanu,E.,1995,Biochimie Generala, Editura "Universitaria" Craiova,pag 72.)

Hemul are o structură identică cu a protoporfirinei, în centrul căreia se află ionul Fe2+ legat hexacoordinativ. Dintre cele șase legături coordinative pe care le stabilește fierul, patru sunt legate (în același plan) de cele patru nuclee pirolice ale protoporfirinei, una este legată de proteina globina, iar ultima poate fixa molecula de apă, molecula de oxigen sau pe cea de dioxid de carbon. Molecula de apă legată coordinativ de fier în complexul chelatic, poate fi substituită cu O2, ceea ce explică rolul de transportor de oxigen, sau poate lega alte molecule, cu formare de compuși nedisociabili. Hemoglobina se combina cu O2 (la presiunea din alveolele pulmonare) formând oxihemoglobina, compus disociabil la presiunea mai mică din capilarele tisulare. În aceleași condiții, hemoglobina poate reacționa reversibil cu CO2, (produs de biodegradare metabolică) cu formarea carbhemoglobinei, care este transportată spre locul unde CO2 poate fi înlocuit cu O2. Funcția transportoare de O2 și CO2 esențială în respirație, încetează când hemoglobina reacționează ireversibil cu CO cu formarea carboxihemoglobinei, nedisociabilă, care blochează funcția hemoglobinei, producând asfixia (intoxicarea) organismului. Afinitatea hemoglobinei pentru CO este de aproximativ 210 ori mai mare decât afinitatea pentru O2, astfel încât în prezența CO în aerul respirat, hemoglobina nu mai leagă oxigenul ci monoxidul de carbon.

De remarcat faptul că, în toate aceste transformări, cationul Fe2+ din structura feroporfirinică (Fig.4.4.) nu își modifică starea de oxidare.

Fig.4.4.Structura feroporfirinică

(Marinescu,G.,Glodeanu,E.,1995,Biochimie Generala, Editura "Universitaria" Craiova,pag 73)

Leghemoglobina este o cromoproteidă de culoare roșie prezentă în nodozitățile rădăcinilor plantelor leguminoase, cu rol în activarea bacteriilor fixatoare de azot atmosferic. Componenta prostetică este reprezentată de o porfirină cu fier.

Pe rădăcinile leguminoaselor se formează niște noduli (nodozități), ca urmare a simbiozei cu bacterii din genul Rhizobium. Aceste bacterii fixează azotul atmosferic, oferindu-il plantei-gazdă, care la rândul ei pune la dispoziția bacteriei hidrații de carbon de care aceasta are nevoie.

Valoarea leguminoaselor ca amelioratoare a solului se cunoaște din antichitate, dar abia Hellriegel și Wilfarth (1886) scot în evidență rolul microorganismelor în acest fenomen. Beijerink (1888) izolează bacteriile din nodozități, denumindu-le Rhizobium. Bacteriile sunt de forma unor bastonașe de l – 7 microni lungime și 0,2 – l microni grosime, însă forma și mărimea lor variază mult în cadrul ciclului vital. În sol formele ciliate ale bacteriilor se mișcă, iar când întâlnesc rădăcinile leguminoaselor se fixează de ele (chimiotactism specific). Bacteriile pătrund prin perii absorbanți, formând un cordon ce traversează scoarța rădăcinii (prin secreția unor enzime, dizolvă pereții celulelor). Până când începe să fixeze azot atmosferic, bacteria trăiește ca parazit pe planta-gazdă, care intră într-o „criză” (la 7-12 zile de la răsărire) de dezvoltare peste care trece după ce se stabilesc relațiile simbiotice. Uneori când planta este slabă și infecția puternică, planta poate chiar să moară. În acest timp bacteria se comportă ca un parazit și consumă hidrati de carbon dim plantă.Ulterior, când bacteria devine lucratoare, in radacină se acumulează cantități mari de azot, care sunt deja utilizate de plantă.[15]

Procesul de fixare biologică a azotului este determinat de existența unui sistem enzimatic complex numit nitrogeneză, care mediază reacția centrală de rupere a triplei legături dintre atomii moleculari de azot și cuplarea lor cu atomi de hidrogen . Întregul sistem fixator de azot este condiționat de o serie de factori endogeni. Amoniul produs în nitrogeneză este folosit în sinteza proteică, prin fixarea de către acizii organici și în urma ciclului lui Krebs, luând naștere aminoacizii . Speciile de Rhizobium sunt aerobe, adaptate la diferite pH-uri și sunt sensibile la uscăciunea solului. Ele folosesc ca surse energetice glucidele (glucoza, zaharoza, maltoza etc.). În vecinătatea cordonului (filamentului) de infecție, celulele încep să se dividă, formând nodozitățile. Forma, mărimea și așezarea pe rădăcină a nodozităților este diferită, după plantă. La mazăre, linte, latir, nodozitățile sunt alungite, la bob și fasole aproape sferice, iar la lupin iau diferite forme. Nodozitățile sunt dispuse în special pe pivotul principal la lupin, iar la fasole și soia pe ramificații. Numărul nodozităților, mărimea și adâncimea de formare ajung la un maxim în faza de înflorire a plantelor (când are loc și acumularea maximă a substanței uscate în rădăcini), în această fază este maximă și activitatea bacteriilor simbiotice. S-a constatat că, în momentul când bacteriile devin active, apare un pigment roșu de natură hemoproteică în nodozității (G. BOND, 1967). H. KUBO (1939) a descoperit această porfirină cu fier în nodozitățile leguminoaselor, dându-i denumirea de leghemoglobină. Ea este asemănătoare cu hemoglobina sângelui nevertebratelor. Prin oxidare leghemoglobină se transformă în methemoglobină. Fixarea azotului este în strânsă corelație cu concentrația în leghemoglobină. Menținerea echilibrului biologic și al fertilității solului are o mare importanța în intensitatea fixării azotului de către bacterii. Folosirea nerațională a produselor fitofarmaceutice, erbicidelor și a altor tratamente fizico-chimice dereglează activitatea microflorei fixatoare de azot. Când se respectă condițiile de aplicare a acestora, pericolul este minim. Inocularea (infecția) cu bacterii specifice se poate face și artificial. Pentru aceasta se folosește preparatul „Nitragin” (produs în țara noastră), care conține culturi de bacterii. Se distribuie în flacoane colorate, pentru a feri bacteriile de lumină, pe etichetă menționându-se specia pentru care se poate folosi și tehnica de tratament. Pentru inoculare, cultura de bacterii din 3-4 flacoane se amestecă cu 0,5 – 2 litri apă, formându-se o suspensie de bacterii cu care se stropește sămânța folosită pentru un ha. Tratamentul se face la umbră și în preajma semănatului. Inocularea artificială este necesară în special la plantele leguminoase nou introduse în cultură în anumite zone, unde nu se găsesc în sol bacterii specifice, cum este cazul soiei, pe unele soluri. Rezultate bune s-au obținut, însă, și cu alte plante leguminoase tratate cu Nitragin. Simbioza, atât cu bacterii din sol sau inoculate artificial, dă rezultate în condiții favorabile de fertilizare cu N.P.K., Ca și microelemente (borul, molibdenul etc.). În soluri cu azot asimilabil în cantitate mare, este frânată pătrunderea în rădăcini a bacteriilor, formarea nodozităților și procesul de fixare a azotului. [27]

4.2 Citocromii

Citocromii, existenți în frunzele verzi ale plantelor, alcătuiesc o clasă de cromoproteide ferporfirinice, a căror componentă prostetică este asemănătoare hemului din hemoglobine.. Citocromii prezintă un rol deosebit în fenomenul respirației tisulare, sunt proteine transportoare de electroni care conțin în molecula lor ca și grupări prostetice fier porfirinic. Aceste structuri există doar în celulele aerobe. Unii citocromi sunt prezenți în membrana mitocondrială internă, unde acționează secvențial pentru transportul de electroni de la diferite sisteme de oxido-reducere până la oxigen molecular. Alți citocromi prezină un rol important în procesele specializate de hidroxilare. Toți citocromii suferă tranziții reversibile de stare de oxidare Fe(II) – Fe(III) în timpul secvențelor de transport de electroni. Formele reduse de citocromi nu pot fi oxidate direct de către oxigenul molecular, cu excepția citocromului terminal al respirației mitocondriale, și anume citocromul a3 sau citocrom c oxidaza, care conține cupru ca și cofactor. În membrana mitocondriile animalelor superioare, au fost identificați cel puțin cinci citocromi diferiți (cit. b, c1, c, a și a3).

Citocromii conțin ca și grupare prostetică porfirinică protoporfirina. Dacă protoporfirina

complexează ionul de Fe+2 rezultă hemul iar dacă complexează ionul Fe+3 rezultă hemina. Se știe că ionul de fier are șase coordinații. Datorită structurii plane a sistemului aromatic porfirinic cei patru atomi de azot formează un pătrat iar ionul de fier se află în centru, consumând în felul aceste patru coordinații. Coordinațiile 5 și 6 se află de o parte și de alta a planului pătratului pe o perpendiculară. În mioglobină și hemoglobină, coordinația a cincea este legată de gruparea imidazolică a unui rest de histidină, iar poziția a șasea este fie neocupată, fie ocupată cu O2. În aproape toți citocromii (cu excepția citocromului a3, atât poziția a cincea cât și poziția a șasea de coordinare sunt ocupate de grupările R ale unor resturi specifice de aminoacizi. Deci citocromii pot lega liganzi ca O2, CO sau CN-.

În funcționarea normală a hemoglobinei și a mioglobinei atomul de fier nu suferă schimbări ale stării de oxidare, în timp ce oxigenul este desprins sau prins. La citocromi, însă, atomul de fier suferă treceri reversibile între starea de oxidare Fe(II) și Fe(III). Deci, se constată că citocromii servesc ca transportori de electroni, pe când hemoglobina și mioglobina acționează ca transportori de liganzi. [7]

Fitocromul este o cromoproteidă cu structură tetrapirolică liniară, (Fig. 4.5. ) cu rol de fotoreceptor în toate reacțiile din plantele superioare. Indeplineste și un rol regulator al creșterii și dezvoltării plantelor, (începând cu germinarea și terminând cu înflorirea), intervine în sinteza pigmenților vegetali antocianici, în biosinteza unor enzime, biosinteza fitohormonilor gibereline, precum și în procesele de reglare hormonală a metabolismului plantelor.[12,pg 73]

Fig. 4.5. Stuctura tetrapirolică liniară a fitocromului

(Marinescu,G.,Glodeanu,E.,1995,Biochimie Generala, Editura "Universitaria" Craiova,pag 73)

Ficocianina este un pigment albastru, din categoria ficobilinelor e poate fi găsit în alge albastre. Acest pigment este atașat la membranele fotosintetice. De asemenea, îndeplinesc funcția de molecule de depozitare a azotului (nitrogenului). Ficocianina absoarbe lumina roșie, ce pătrunde în apă, și emite lumină albastră. Ficocianina are multe proprietăți anti-inflamatorii și antioxidante. Ficocianina, care se găsește în Spirulină, influențează diviziunea celulelor sușă din măduva osoasă, ce servesc ca celule mamă atât pentru leucocite, componente ale sistemului imun, cât și pentru eritrocite, ce asigură oxigenarea organismului. Cercetătorii chinezi demonstrează că ficocianina stimulează eritropoieza, având efect similar cu eritropoina. Eritropoina este produsă la nivelul rinichiului sănătos și reglează diferențierea globulelor roșii din celulele stem ale măduvei osoase.

Savanții chinezi Zhilong Chen și Xuejun Gao presupun, că ficocianina are capacitatea de a stimula sinteza eritrocitelor sanguine, asemenea hormonului eritropoietina. Pigmentul stimulează sinteza atât a celulelor albe cât și a celor roșii, chiar și în cazul afecțiunilor toxico-chimice și/sau radiaționale. Bazându-se pe acest efect spirulina este aprobată în calitate de „supliment alimentar curativ” în caz de iradieri radioactive. [26]

Ficoeritrina este un pigment roșu, din categoria ficobilinelor și care absoarbe predominant radiația cu lungimea de 570-580 nm și conferă speciilor purtătoare culoarea roșie sau brună.

Aloficocianina este tot un pigment ficobilinic gasit în algele albastre-verzi și în algele roșii.

Ficocianina, ficoeritrina și aloficocianina au grupări prostetice destul de asemănătoare din punct de vedere chimic cu clorofilele.Acești pigmenți posedă patru grupări pirolice, care nu mai formează însă un nucleu tetrapirolic și sunt lipsiți de metal ( magneziu) și de fitol.( fig.4.6) [21]

Fig.4.6 Gruparea prostetică a ficobilinei

(https://bio.unibuc.ro/pdf/licenta_2014/biologie/Botanica_Fiziologia_frunzei.pdf)

Biosinteza hemoglobinei

Sinteza hemoglobinei are loc în celulele eritropoietice din măduva osoasă, ficat și splină. Prima și ultimele trei enzime ce intervin în procesul biosintezei hemului se găsesc în mitocondrii, pe când celelalte patru se află în citosol. Prima enzimă, 5-aminolevulinat sintetaza (ALA sintetaza), catalizează condensarea glicinei activată de piridoxal fosfat și succinil coenzima A pentru a forma ALA. În ficat, această enzimă cu valoare limitantă este indusă de către o varietate de droguri, steroizi și alte substanțe chimice. Formele distincte eritroid-specifice și non-eritroide (respectiv de curățare) ale ALA sintetazei sunt codificate de gene separate. Cele două gene ale ALA sintetazei asigură bazele pentru reglarea căii specifice în functie de țesut. Cea de-a doua enzimă, 5-aminolevulinat dehidraza (ALA dehidraza), catalizează condensarea a două molecule de ALA pentru a forma porfobilinogen (PBG). Patru molecule de PBG se condensează pentru a forma tetrapirol uroporfirinogen III printr-un proces în doua faze, catalizat de hidroximetilbilan sintetaza (HMB sintetaza, cunoscută și ca PBG-dezaminaza sau uroporfirinogen I sintetaza) și de uroporfirinogen HI sintetaza (URO sintetaza). HMB sintetaza catalizează condensarea cap-coada a patru molecule de PBG printr-o serie de dezaminări pentru a forma tetrapirol hidroximetilbilanul liniar. Uroporfirinogen III sintetaza (URO sintetaza) catalizează rearanjarea și ciclizarea rapidă a HMB pentru a forma asimetricul, fiziologicul, octacarboxilat porfirinogenul uroporfirinogen III. Cea de-a cincea enzimă din acest proces, uroporfirinogen decarboxilaza (URO decarboxilaza), catalizează îndepartarea secvențială a celor patru grupări carboxil ale legăturilor laterale ale acidului acetic din uroporfirinogen III pentru a forma copro-porfirinogen III, un porfirinogen tetracarboxilat. Acest compus intră apoi în mitocondrie, unde copro-porfirinogen oxidaza (COPRO oxidaza), cea de-a șasea enzimă, catalizează decarboxilarea a două dintre cele patru grupări ale acidului propionic . Apoi, proto-porfirinogen oxidaza (PROTO oxidaza) oxidează protoporfiri-nogenul IX în protoporfirina IX prin îndepartarea a șase atomi de hidrogen. Produsul reacției este o porfirină (forma oxidată), spre deosebire de produșii intermediari precedenți de tip tetrapirol, care sunt porfirinogeni (forme reduse). Ultimul pas este inserția fierului în protoporfirina IX pentru a forma hemul. Aceasta reacție este catalizată de către a opta enzimă a procesului, ferochelataza (cunoscută și sub denumirea de hemsintetaza sau protohem feroliaza). Fiecare dintre enzimele ce intervin în biosinteza hemului este codificată de o genă separată. Întreaga lungime a ADN uman pentru fiecare din aceste enzime, incluzând pe cele pentru ambele forme ale ALA sintetazei, au fost izolate și secvențializate, iar localizarea cromozomială a genelor a fost identificată .

Reglarea biosintezei hemului – Aproximativ 85% din hem este sintetizat în celulele eritroide pentru a furniza hemul pentru hemoglobină și mare parte din rest este produs în ficat, unde procesul de biosinteză a hemului este sub control feedback negativ. Hemul "liber" din ficat reglează sinteza și translocația mitocondrială a formei neeritroide a ALA sintetazei hepatice. Hemul reprimă sinteza ARNm și a ALA sintetazei și, de asemenea, împiedică transportul de enzime din citosol în mitocondrie. ALA sintetaza este indusă de multe din aceleași substanțe chimice care induc enzimele citocromului P450 în reticulul endoplasmatic al ficatului. Pentru că majoritatea hemului sintetizat în ficat este folosit pentru sinteza enzimelor citocromului P450, ALA sintetaza hepatică și citocromul P45Os sunt produse într-un mod coordonat. Mecanisme de reglare diferite controlează producția de hem pentru hemoglobină. ALA sintetaza eritroid specifică codificată pe cromozomul X este exprimată la niveluri mai mari decât enzima hepatică, iar un mecanism de control eritroid specific reglează transportul fierului în hematie. În timpul diferențierii eritroidului, activitatea enzimelor biosintezei hemului crește într-un mod coordonat.

Degradarea hemoglobinei (Bilirubinogeneză)

Bilirubina se formează în organism prin desfacerea oxidativă a inelului porfirinic din Hb și alte hemoproteine. Locul de formare al bilirubinei este reprezentat de celulele sitemului reticuloendotelial din splină, ficat (celulele Kupfer), ganglioni limfatici și macrofagele din diverse țesuturi. Sursa principală de bilirubină este Hb hematiilor îmbătrânite. Mecanismul enzimatic al formării bilirubinei implică mai întâi acțiunea unui sistem enzimatic microsomal – hemoxigenaza microsomală, care în prezența oxigenului molecular și a NADPH desface nucleul porfirinic din hem cu eliberarea Fe, Cα sub formă de CO și biliverdină. În activarea O2 intervine citocromul P450, iar pentru transferul H de pe NADPH intervine o flavoproteină. Fe este preluat de feritină în vederea reutilizării lui în resinteza hemoproteinelor. Feritina poate stoca până la 4.500 Fe3+/moleculă.

Biliverdina, compus colorat intens în verde, este în continuare redusă sub acțiunea biliverdinreductazei la bilirubină. Alături de bilirubină se formează și mici cantități de compuși mono- și dipirolici – bilifuxina și mezobilifuxina. Viteza de formare a bilirubinei depinde de activitatea hemoxigenazei microsomale, care este etapa limitantă a procesului. Biliverdin-reductaza este totdeauna în exces, de aceea nu se acumulează biliverdină (pigment verde).

Bilirubina formată în celulele sitemului reticulo-endotelial este un pigment galben, insolubil în apă. Fiind liposolubil, poate pătrunde cu ușurință prin membranele celulare de natură lipoproteică. Bilirubina difuzează din celule în sânge unde se fixează pe albumină, formând fracția plasmatică a bilirubinei cunoscută sub denumirea de bilirubină indirectă sau neconjugată. Prin fixarea pe albuminele serice, bilirubina este reținută în lumenul vaselor și transportată la ficat. Aici, datorită fenestrațiilor largi ale capilarelor sinusoidale, bilirubina este preluată de pe albumină de către celulele hepatice. Procesul de captare este facilitat de existența unor proteine transportoare – ligandine – proteina I și proteina Z. Datorită faptului că bilirubina este liposolubilă, ea ar putea difuza prin membrana hepatocitului și să se reîntoarcă în plasmă. Acest proces este blocat în momentul în care bilirubina este conjugată cu acidul glicuronic. Conjugarea este catalizată de bilirubin-glucurono-transferaza, enzimă care participă la reacție sub formă activă, localizată la nivelul microzomilor din hepatocit. Acidul glucuronic, sintetizat din glucoză se activează la acid UDP-glucuronic (UDPGA). Formarea bilirubin-diglucuronidului poate avea loc și în regiunea canaliculară biliară a membranei hepatocitare printr-o UDP-glucuronil-transferază similară. O mică parte din bilirubină rămâne sub formă de monoglucuronid. Prin conjugare bilirubina devine hidrosolubilă, fapt ce favorizează eliminarea ei prin bilă și menținerea ei în soluție pe căile biliare intra- și extrahepatice. Secreția bilei în canaliculele biliare este un proces biologic activ, energodependent și saturabil. Preluarea bilirubinei conjugate se realizează tot prin participarea unei proteine acceptoare specifice. Eliminarea bilirubinei în bilă, mai ales curgerea ei prin căile biliare, depinde și de fluxul apos al bilei. Un adult sănătos elimină zilnic prin bilă 200 – 300 mg bilirubină (1,0-1,2 mg/dL ser). În porțiunea finală a ileonului și mai ales în colon are loc un proces de hidroliză a bilirubinei conjugate sub acțiunea unei b -glicuronidaze bacteriene și în același timp are loc o reducere a bilirubinei rezultând o serie de compuși tetrapirolici incolori – urobilinogeni (stercobilinogeni). Urobilinogenul este forma de eliminare care în contact cu aerul este oxidată la urobilină (stercobilină), colorată.

La nivelul colonului, o mică cantitate de urobilinogen se reabsoarbe, este trecut în circulație, ajunge la ficat și excretată în bilă, proces dependent de energie (circuit enterohepatic). O mică parte (0-4 mg/24h) scapă în vena suprahepatică și apare în urină, unde prin oxidare trece în urobilină. Cantitățile acestea de urobilinogen nu pot fi decelate cu reactiv Erlich. În cazul formării de bilirubină în exces (icter hemolitic) și a eliminării crescute de pigmenți biliari în intestin se formează cantități mari de urobilinogen care pot depăși capacitatea de captare și excreție a hepatocitelor și în consecință, apar în urină cantități detectabile. Urobilinogenuria apare și în caz de afecțiuni hepatocelulare, când mecanismul activ de captare și transport a urobilinogenului de către hepatocite este perturbat. Creșteri ale eliminărilor urinare de urobilinogen au loc și în cazuri de proliferare microbiană intestinală, în unele cazuri de constipație, când prin stagnarea conținutului intestinal, crește posibilitatea de absorbție a urobilinogenului din colon. Cantitatea maximă de urobilinogen urinar se depistează între orele 14-16 probabil datorită faptului că după masa de prânz se ajunge la concentrația cea mai mare de bilă în intestin. Eliminarea urinară de urobilinogen se face prin filtrare glomerulară și secreție tubulară. Se poate spune deci că urobilinogenuria depinde de cantitatea absorbită în intestin, de funcția hepatică și de funcția renală.

Bilirubina directă și indirectă

Măsurarea bilirubinei directe și indirecte servește pentru stabilirea naturii icterului. – Icter prehepatic – (icter hemolitic) – În unele boli sau în intoxicații se produce degradarea unor cantități mai mari de eritrocite și deci eliberarea unei cantități mai mari de hemoglobină. Bilirubina indirectă care se formează în exces, transportată la ficat depășește capacitatea de conjugare a celulei hepatice. Rezultatul este creșterea concentrației de bilirubină în plasmă, însoțită de creșterea producției de urobilinogen, ce apare în cantități mari în urină. Astfel de situații se întâlnesc și la nou-născuții cu incompatibilitate de Rh. De obicei acești copii sunt prematuri și pe lângă problemele hemolitice de cele mai multe ori prezintă și deficit de enzime necesare pentru glucuronoconjugare. Creșterea bilirubinei poate depăși de 16-20 ori valoarea normală și este în principal indirectă.

– Icter hepatic. În bolile difuze ale ficatului, cum ar fi hepatitele și cirozele, celulele hepatice pierd capacitatea de captare a bilirubinei din sânge și capacitatea de conjugare și de aceea nivelele bilirubinei sunt de obicei crescute, cu creșterea fracțiunii indirecte, dar uneori poate crește și bilirubina directă deoarece lezarea celulei hepatice permite totuși trecerea glucuronidului în circulație. Urobilinogenul este crescut.

– Icter posthepatic (icter prin obstrucție) – Blocarea căilor biliare împiedică bilirubina de a părăsi celula hepatică. Consecința primară este diminuarea formării urobilinogenului și astfel absența lui în urină. Fecalele sunt decolorate din cauza lipsei stercobilinei. Formarea continuă a bilirubinei duce la creșterea bilirubinei totale în ser (la început, bilirubina directă, care apare și în urină), ducând la apariția unui pigment brun în urină. În sânge se va găsi atât bilirubină directă cât și indirectă. Bilirubina care apare în urină este în cea mai mare parte directă, probabil din cauza faptului că în urină se excretă numai bilirubină conjugată, mai solubilă. De subliniat că bilirubina în urină apare atunci când există o creștere a bilirubinei directe în ser. Dozarea bilirubinei totale este considerată utilă și în detectarea unui icter latent, când valorile sunt cuprinse între 1,5-2 mg/dL ser. Hiperbilirubinemia poate fi întâlnită și în alte stări de boală care implică hemoliza, cum ar fi bolile infecțioase, anemia pernicioasă, sau hemoragiile. Evoluția unui icter manifest poate fi urmărită prin dozări repetate ale bilirubinei în ser: – creșterea concentrației bilirubinei în ser este semn nefavorabil, – scăderea progresivă a bilirubinei serice indică o ameliorare a bolii hepatice sau a obstrucției căilor biliare. [20]

Fig. 4.7 Formarea și excreția urobilinogenului

( https://www.labpedia.net/urine-urobilinogen-urine/ )

O clasa specială de pigmenți organici o constituie pigmenții pteridinici , care se aseamănă cu purinele dar sunt mai puțin răspândite în natură. Compusul de bază al acestor pigmenți este pteridina, ce conține un nucleu biciclic alcătuit dintr-un inel pirimidinic condensat cu un inel pirazinic.

" Pteridina a fost obținută prin sinteză din 4,5- diaminopirimidină și glioxal ( A.Albert, 1948).

+ =

Pteridina este o substanță solidă, galbenă ,cu p.t.139,50 , volatilă dar inodoră, foarte ușor solubilă în apă, greu în eter.

Hidroxi- și amino-pteridinele au, întocmai ca analogii lor din grupa purinelor, p.t. ridicate și sunt greu solubile, ceea ce dovedește prezența unor legături de hidrogen puternice între molecule. Hidroxi- și amino-pteridinele prezintă tautomerie lactam-lactimică de același tip cu aceea întâlnită la pirimidinele monociclice și la purine.

Se cunosc , încă din 1895, doi derivați ai pteridinei, izolați din solzi de pe aripile fluturilor: leucopterina fluturelui alb obișnuit(albilița, Pieris brassicae ) și xantopterina, galbenă a fluturelui galben ( Genopteris rhamni ), izolată și din benzile galbene ale viespilor.Structura acestor compuși a fost studiată de H.Wieland și stabilită prin degradare și sinteză de către Purrmann ( 1940).

O sinteză a leucopterinei pornește de la 2,4,5-triamino-6-hidroxipirimidină ( un compus accesibil printr-o variantă a metodei Traube).

Ichitiopterina și fluorescianina sunt două substanțe albe, cu fluorescență albastră, cu structura unor derivați relativi simpli ai pteridinei, izolați din solzii peștilor din genul Cyprinus. " [13,pg 759-760]

a b

Fig.4.8 Structura chimică a a) Leucopterinei,b) Xantopterinei

(Nenițescu, C. D.,1980, Chimie Organică, Vol.II,Editura didactica si pedagogică, pag.760.)

Pteridinele sunt folosite în determinarea vârstei unor anumite specii de insecte. [19]

Abrevieri folosite în text

ADN = Acizi deoxiribonulcleic

ADH = Alcool dehidrogenază

ALA = Alanină

ARN = Acizi ribonulcleic

ARNm = ARN mesager

Hb = Hemoglobină

NADP (NADP+ ) = Nicotin adenin dinucleotid fosfat (forma oxidată)

NADPH (NADPH + H+ ) = Nicotin adenin dinucleotid fosfat (forma redusă)

PBG = porfobilinogen

UDP = Uridin difosfat

UDP-G = Uridin difosfat-glucoza

Concluzii

Oamenii de știință definesc pigmenții ca molecule de recoltare a luminii. Fiecare pigment absoarbe selectiv anumite lățimi de bandă de lumină vizibilă și le reflectă pe celelalte. Lungimile de undă reflectate sunt culorile pe care le vedem.

Pigmenții animali și vegetali au roluri deosebit de importante în menținerea vieții pentru ambele categorii de organisme și pe cât de importante, pe atât și de diversificate.

În cazul plantelor au rol de captatori de lumină și de inițiatori ai procesului de fotosinteză, clorofila fiind cea care transformă energia luminoasă în enegie chimică.Pigmenții imprimă o anumită amprentă de culoare folosită fie pentru recunoașterea anumitor specii, fie pentru înlesnirea fenomenului de înmulțire ( atragerea polenizatorilor, și a dispersorilor de semințe, selecția sexuală între parteneri), fie pentru camuflarea sau pentru avertizarea în cazul speciilor aposematice . Tot cu ajutorul pigmenților se poate determina și vârsta anumitor specii.

Pe lângă paleta coloristică aceste substațe reacționează fiziologic în interiorul organismelor având și diverse roluri: enzimale,hormonale ( de termoreglare,regulatori de creștere, puternic antioxidanți, de îmbunatățire a toleranței la stres, de stimulare a videcarii țesuturilor, de rezistență la secetă sau la exces de apă, de rezistență la diverși radicali liberi , la diverse boli și la radiațiile dăunătoare ), de coenzime și chiar de vitamine.

Mulți pigmenți naturali sunt folosiți în alimentație ca aditivi sau coloranți alimentari.

Coloranți alimentari

( http://www.food-info.net/ro/e/e100-200.htm )

Alimentele naturale conținând o diversificată paletă de pigmenți ne aduc multe beneficii în favoarea sanătății. Foarte importantă este și diversitatea acestora pentru că pigmenții au un rol mult mai benfic atunci când acționează sinergic.Varietatea alimentară și dozarea cantitativă potrivită este cheia sănătății mult dorite.

Să învățăm de la plante cum să ne colorăm viața!

BIBLIOGRAFIE

[1] Aguirre, L., și al., 2011, Beneficial effects of quercetin on obesity and diabetes, în: J. Open Nutraceuticals , 4, pag.189–198.

[2] Bădulescu,L., 2010, Biochimie horticola, Editura USAMV , Bucuresti, pag. 88-98

[3] Butnariu,M., 2012, Biochimie vegetala Curs pentru studenții IFR, Editura Agoprint Timișoara, pag. 101-105,124-125

[4] Corti,R. și al.,2009, Cocoa and cardiovascular health, în:  Circulation,119, pag.1433–1441.

[5] Curtis ,A. și al., 2003, A procyanidin extract prolongs bleeding time but does not prevent thrombosis in rats, în: J Thromb Haemost,1, pag.199–200.

[6] Davis, J.M., și al., 2009, Effects of the dietary flavonoid quercetin upon performance and health, în: Curr. Sports Med. ,8, pag.206–213.

[7] Dobjanschi, L., Mureșan,M.,2008, Biochimie Medicală, Editura Universității din Oradea, pag. 95-96.

[8]  Hammerstone, J.F. și al.,1999, Identification of flavan 3-ol s in cocoa (Theobroma cacao) and chocolate using high-performance liquid chromatography/mass spectrometry în:J Agric Food Chem.,47, pag 490–496.

[9] Ionică,E., Costache,M., 2014, Biochimie Generală, Vol. III,Vitamine Și Elemente minerale,Editura ARS DOCENDI, București,pag. 30-62

[10] Keen,C.L.și al.,2005,Cocoa antioxidants and cardiovascular health,în: Am J Clin Nutr. ,81, 1 Suppl, pag298S–303S.

[11] Kiernan,J.A., 2007, Indigogenic substrates for detection and localization of enzymes, în: Biotehnic and Histochemistry,82, 2, pag73-103

[12] Marinescu,G.,Glodeanu,E.,1995,Biochimie Generala, Editura "Universitaria" Craiova,pag 69-131.

[13] Nenițescu, C. D.,1980, Chimie Organică, Vol.II,Editura didactica si pedagogică, pag.329,386,670,729,759,760.

[14] Raddatz,D. și al., 2017,Achiote ( Bixa orellana L.) a natural source of pigment and vitamin E, în:J.Food Sci Technol,54,6,pag.1729-1741

[15] Starodub,V.,2008,Tehnologii în Fitotehnie, Centrul Ed. UASAM, Chișinău, pag. 180

[16] Stănescu , U. și al., 2002, Bazele farmaceutice, farmacologice și clinice alefitoterapiei, Iași, Editura Grigore T. Popa,Universitatea de Medicină și Farmacie, Iași,pag.41

[17] Selmi,C.și al.,2006, The anti-inflammatory properties of cocoa flavanols, în: J Cardiovasc Pharmacol,47, (Suppl 2),pag.S163–S171.

[18] Taofiq,O. și al.,2016, Mushrooms extracts and compounds in cosmetics, cosmeceuticals and nutricosmetics, în: Industrial Crops and Products, 90, pag.38-48.

[19] Timmons, C.și al. 2011, Age determination of the glassy-winged sharpshooter, Homalodisca vitripennis, using wing pigmentation, în: J. Insect Sci. ,11,78.

[20] Truția,E. și al., 1998, Biochimie Medicală, Editura Medicală București,pag. 519-534.

[21]https://bio.unibuc.ro/pdf/licenta_2014/biologie/Botanica_Fiziologia_frunzei.pdf (02.02.2020)

[22] https://farma.com.ro/articles/2014.2/PF_Nr-2_2014_Art-1.pdf ( 12.03.2020)

[23]https://health.ro/ce-se-intampla-in-corpul-tau-daca-consumi-turmeric-zilnic/( 12.03.2020)

[24] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4808895/( 13.03.2020)

[25] https://www.labpedia.net/urine-urobilinogen-urine/( 13.03.2020)

[26]https://ro.wikipedia.org/wiki/Ficocianin%C4%83( 13.03.2020)

[27]http://www.scrigroup.com/afaceri/agricultura/LEGUMINOASE-PENTRU-BOABE-GENER44122.php( 03.02.2020)

[28]https://www.qbebe.ro/sanatate/endocrinologie/totul_despre_melanina( 02.02.2020)

[29]http://www.food-info.net/ro/e/e100-200.htm (09.03.2020)

[30]https://www.ft-shop.ro/blog/cerneala-de-sepie-colorant-alimentar-natural.html (09.03.2020)

[31]http://www.despreochi.ro/sfaturi-si-noutati/luteina-zeaxantina-si-sanatatea-ochilor/(09.03.2020)

[32]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5430180/( 09.03.2020)

[33]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3652297/(12.03.2020)