カロテノイド(カロチノイド、英: carotenoid)は黄、橙、赤色などを示す天然色素の一群である。微生物、動物、植物などからこれまで750種類以上[1][2]のカロテノイドが同定されている。たとえばトマトやニンジン、フラミンゴやロブスターの示す色はカロテノイド色素による着色である。自然界におけるカロテノイドの生理作用は多岐にわたり、とくに光合成における補助集光作用、光保護作用や抗酸化作用等に重要な役割を果たす[2]。また、ヒトをはじめとする動物の必須栄養素であるビタミンAの前駆体となるほか、近年ではがんや心臓病の予防効果も報告されている[2][3]。
カロテノイドは一般に8個のイソプレン単位が結合して構成された化学式 C40H56 の基本骨格を持つ。テルペノイドの一種でもあり、テトラテルペンに分類される。ごくわずかの細菌からは、化学式C30H48を基本骨格とするものも発見されており[4]、トリテルペンに分類される。カロテノイドのうち炭素と水素原子のみで構成されるものはカロテン類、これに加えて酸素原子を含むものはキサントフィル類に分類される。カロテンの名称はニンジン(carrot)から得られた不飽和炭化水素(ene)に、キサントフィルの名称は黄色い(xantho)葉(phyll)の色素にそれぞれ由来する[3]。
カロテノイドの色素としての性質は、その分子骨格にそってのびる長い共役二重結合(ポリエン)によるものである。その共役系の長さによって、400から500 nm の間に極大をもつ異なる吸収スペクトルを示すことにより、黄色、橙色、赤色の異なる色を呈する。また、カロテノイドのもつ高い抗酸化作用もこの共役二重結合に由来する。 高等植物の色素体および一部の細菌は、糖などの栄養から中心代謝経路を経て自らカロテノイドを生合成することができる。動物はカロテノイド生合成経路をもたないが、食物から摂取したカロテノイドを代謝し、ビタミンAなどをつくる。本項目では色素体や細菌内でのカロテノイド生合成経路について述べる。 まず、メバロン酸経路または非メバロン酸経路によってイソペンテニル二リン酸(IPP)とジメチルアリル二リン酸(DMAPP)が生合成される。どちらの経路によってIPPおよびDMAPPを生合成するかは、それぞれの生物に依存する(植物の色素体や、多くのグラム陰性菌は非メバロン酸経路をもつ一方で、赤色酵母 2分子のGGPPが縮合され、安定な反応中間体であるプレフィトエン二リン酸を経て、カロテノイドの基礎骨格となる炭素数40のフィトエンが生成される。フィトエンの中心には3つの共役した二重結合があるが、内側の単結合から順に不飽和化(脱水素化)されることにより共役系が2つずつ伸びてゆき、フィトフルエン、ζ-カロテン、ニューロスポレン、リコペンが生成される[5]。リコペンまでの生合成経路は多くの生物で共通であるが、この後の生合成経路はそれぞれの生物によって大きく異なる。
生合成経路
基質であるゲラニルゲラニル二リン酸の生合成経路
フィトエンからリコペンまでの生合成経路
各種の末端が修飾されたカロテノイドの生合成経路
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出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』
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