Бактериоруберин и другие каротиноиды: чем C50-каротиноиды отличаются от C40

Бета-каротин из моркови, ликопин из томатов, астаксантин из микроводорослей — названия этих природных пигментов встречаются довольно часто. Все три относятся к C40-каротиноидам: основу их молекул составляют 40 атомов углерода. Но этим разнообразие группы не ограничивается. Некоторые микроорганизмы синтезируют значительно более редкие C50-каротиноиды, среди которых бактериоруберин.

Разница в десять атомов углерода может показаться небольшой химической деталью. На молекулярном уровне она гораздо существеннее: меняет размер углеродного скелета. У конкретных C50-молекул, таких как бактериоруберин, дополнительно отличаются система сопряжённых связей, функциональные группы и характер взаимодействия с мембраной. Особенно хорошо это видно при сравнении привычных C40 с каротиноидами галоархей.

Что такое каротиноиды и какими они бывают

Каротиноиды — природные соединения, большинство окрашенных представителей которых имеют оттенки от жёлтого и оранжевого до насыщенного красного. Их синтезируют растения, водоросли, бактерии, археи и некоторые другие организмы.

Каротины и ксантофиллы

По химическому составу выделяют две большие группы. Каротины построены из углерода и водорода — сюда входят бета-каротин и ликопин. Ксантофиллы содержат ещё и кислород: примерами служат астаксантин, лютеин и зеаксантин.

Это различие отражается на свойствах молекул. Кислородсодержащие группы влияют на полярность и взаимодействие пигмента с окружающими молекулами, в том числе с компонентами биологических мембран.

Почему каротиноиды различают по числу атомов углерода

Есть другая характеристика — размер углеродного скелета. Обозначение C40 говорит о наличии 40 атомов углерода, C50 — 50.

Большинство наиболее известных и хорошо изученных каротиноидов относится к первой группе. Бета-каротин, ликопин, астаксантин, лютеин и зеаксантин имеют C40-основу. C50 встречаются намного реже; бактериоруберин — один из наиболее изученных представителей этой группы, наряду с некоторыми связанными с его биосинтезом C50-соединениями.

C40-каротиноиды: знакомые молекулы с разным строением

Одинаковое количество атомов углерода ещё не делает молекулы одинаковыми.

Бета-каротин

Бета-каротин — оранжевый растительный пигмент, хорошо известный по моркови. Он относится к каротинам и может выступать предшественником витамина А. Его структура содержит систему сопряжённых двойных связей, которая определяет спектральные свойства молекулы и участвует в её антиоксидантной активности.

Ликопин

Если отвечать на вопрос «что такое ликопин?» с точки зрения химии, это линейный красный C40-каротин. Он содержится в томатах и ряде других растительных продуктов.

Для сравнения C40 и C50 ликопин особенно показателен: у галоархей он не просто один из пигментов, а предшественник более длинных каротиноидных молекул.

Астаксантин

Астаксантин тоже имеет C40-скелет, но относится к ксантофиллам. Кислородсодержащие группы отличают его и от ликопина, и от бета-каротина. Пигмент встречается у микроводорослей и других организмов и активно изучается как антиоксидант.

Лютеин и зеаксантин также являются C40-ксантофиллами. Уже внутри одной размерной группы видно значительное химическое разнообразие, поэтому число атомов углерода — только одна из характеристик каротиноида.

Что такое C50-каротиноиды

У C50 углеродный скелет содержит на десять атомов углерода больше, чем у C40. Эти соединения не настолько распространены в природе и значительная часть известных представителей связана с микроорганизмами.

Особый интерес представляют экстремофильные организмы. Некоторые галоархеи, живущие в средах с очень высокой концентрацией соли, накапливают красные и красно-фиолетовые C50-пигменты. Среди них встречаются бактериоруберин и ряд промежуточных продуктов его биосинтеза, причем не все такие промежуточные соединения относятся к C50.

Названия последних довольно громоздки — например, бисангидробактериоруберин и моноангидробактериоруберин. Для понимания общей картины важнее другое: бактериоруберин образуется в результате последовательности ферментативных реакций — удлинения углеродного скелета, десатурации и гидратации.

Бактериоруберин как представитель C50-каротиноидов

Бактериоруберин — кислородсодержащий C50-каротиноид, то есть ксантофилл, характерный для многих галоархей. Несмотря на название пигмента, сами галоархеи не являются бактериями — они относятся к отдельному домену Archaea.

Строение бактериоруберина

В молекуле бактериоруберина 50 атомов углерода, 13 сопряжённых двойных связей и четыре гидроксильные группы. Такая структура заметно отличается от структуры ликопина или бета-каротина.

Она же связана с интенсивной красно-оранжевой или красной окраской. Накопление этих пигментов определяет красноватую окраску многих культур галоархей и может вносить вклад в окраску гиперсолёных природных местообитаний, где они массово развиваются.

Какую роль он играет у галоархей

Бактериоруберин связан с клеточной мембраной и рассматривается в контексте её стабильности, антиоксидантной защиты и адаптации клеток к экстремальной среде.

Высокая солёность при этом не единственный фактор. Галоархеи могут одновременно испытывать воздействие интенсивного света и окислительного стресса. Каротиноидный пигмент вносит вклад в комплекс клеточных механизмов адаптации, а не действует как самостоятельный универсальный «щит».

C40 и C50: в чём разница на практике

Сравнение становится понятнее, если не ограничиваться одной химической формулой.

Размер скелета — заметное, но не единственное отличие. Нельзя взять два произвольных вещества C40 и C50 и заключить, что второе автоматически стабильнее или является более сильным антиоксидантом. На свойства влияют расположение двойных связей, функциональные группы, молекулярное окружение и условия эксперимента.

Антиоксидантные свойства C40- и C50-каротиноидов

Сопряжённая система двойных связей позволяет каротиноидам участвовать в гашении синглетного кислорода и взаимодействовать со свободными радикалами. Антиоксидантная активность показана для многих представителей группы, однако её выраженность зависит от конкретного соединения и условий эксперимента.

Бета-каротин, ликопин и астаксантин отличаются друг от друга уже внутри C40. С бактериоруберином ситуация аналогична: его антиоксидантные характеристики связаны с собственной химической структурой, а не только с принадлежностью к C50.

Исследования бактериоруберина рассматривают его активность в том числе в контексте выживания галоархей при окислительном стрессе. Прямое ранжирование в духе «C50 лучше C40» здесь малоинформативно: результаты зависят от того, какие вещества сравниваются и в какой экспериментальной системе.

Почему бактериоруберин характерен для галоархей-экстремофилов

Галоархеи существуют при концентрациях соли, губительных для множества других организмов. Их клеточная организация приспособлена к такой среде на разных уровнях: от состава мембранных липидов до работы белков и накопления защитных молекул.

Бактериоруберин находится в этом же биологическом контексте. Его присутствие в мембране связывают с её физическими свойствами и защитой клеточных структур при воздействии стрессоров.

Связь бактериоруберина с экстремофильными галоархеями интересна ещё и с эволюционной точки зрения. Она показывает, насколько далеко может зайти модификация базового каротиноидного пути, когда клетке приходится существовать в необычной среде.

Как из C40-ликопина образуется C50-бактериоруберин

Биосинтез начинается задолго до появления бактериоруберина. Из небольших изопреноидных предшественников клетка собирает более крупные молекулы, образует фитоен, а после серии реакций десатурации получает ликопин.

Затем в пути биосинтеза бактериоруберина к скелету ликопина последовательно добавляются C5-фрагменты. Дальнейшие реакции удлинения, десатурации и гидратации, катализируемые в изученной системе ферментами LyeJ, CrtD и CruF, приводят к образованию бактериоруберина. Последующие ферментативные реакции изменяют количество двойных связей и добавляют функциональные группы, постепенно превращая промежуточные соединения в бактериоруберин.

На интенсивность синтеза влияют особенности конкретного штамма, питательная среда и условия культивирования. Эти зависимости уже представляют практический интерес: оптимизация условий культивирования и метаболических путей может повышать выход C50-пигмента.

Где C40 и C50 могут быть полезны

C40-каротиноиды давно вышли за пределы лабораторий. Отдельные представители применяются как природные красители, пищевые и косметические ингредиенты, а их биологические свойства продолжают изучаться. Бета-каротин, ликопин и астаксантин при этом имеют собственные области использования — принадлежность к одной группе не делает их взаимозаменяемыми.

У C50 история пока другая. Бактериоруберин привлекает внимание как необычный природный пигмент с антиоксидантной активностью, показанной в экспериментальных системах, и как продукт микробного биосинтеза. Исследователи ищут продуктивные штаммы галоархей, изучают ферменты каротиногенеза и подбирают условия, позволяющие увеличивать выход вещества.

Для биотехнологической косметики потенциальный интерес к C50-каротиноидам связан с возможностью использовать выделенные и охарактеризованные биомолекулы, а не с самим экстремофильным организмом. Эффективность конкретного косметического продукта при этом определяется уже составом формулы и результатами её собственных исследований, а не одним происхождением компонента.

Если хочется глубже разобраться в биологии галоархей, каротиноидах, бактериородопсине и технологиях получения активных компонентов, продолжение этой темы есть в блоге Restet. Новые материалы также выходят в сообществе Restet во ВКонтакте и Telegram-канале Restet.

Научная часть помогает понять происхождение и свойства биомолекул, а посмотреть, как биотехнологические компоненты используются уже в формулах бренда, можно в официальных магазинах Restet на Ozon, Wildberries и Яндекс Маркете.