二、类胡萝卜素的生物学功能

1.类胡萝卜素与抗氧化

生物氧化反应是生物体内每个细胞的基本生理生化过程，生物氧化过程中产生的氧自由基和过氧化氢等活性氧具有高度不稳定性，会导致脂质的氧化、蛋白质的降解和DNA的损伤等多种细胞伤害，活性氧的数量一旦超过机体的抗氧化能力，就可能引起多种疾病。

在机体抗氧化的防御体系中，类胡萝卜素主要通过猝灭单线态氧和清除过氧化氢（H2O2）发挥作用。此外，它们还能使单线态氧和过氧化氢产生过程中的电子活化的激活分子灭活。类胡萝卜素能够接受不同电子激发态的能量，使单线态氧的能量转移到类胡萝卜素，生成基态氧分子和三重态的类胡萝卜素分子，三重态的类胡萝卜素将获得的能量分散到周围的环境中产生热量，类胡萝卜素得到再生。通过这一循环，类胡萝卜素能够不断地清除单线态氧，猝灭速度常数在109 M-1·s-1的范围内。类胡萝卜素是最有效的天然单线态氧猝灭剂，且此作用随分子中共轭双键数量的增加而增加。类胡萝卜素还能有效地清除过氧化氢，防止脂质过氧化，尤其在氧分压较低的状态下作用更加明显，这是因为生理状态下多数器官组织的氧分压都比较低。

机体的抗氧化防御系统是个复杂的网络结构，不同的抗氧化剂之间可能存在协同作用。在UVA 引起人成纤维细胞光氧化损伤的模型中，β-胡萝卜素和α-生育酚以及抗坏血酸表现出协同的作用。在相同浓度下，多种类胡萝卜素混合后的抗氧化活性比任何一种类胡萝卜素的活性都强，尤其是混合物中含有番茄红素或者叶黄素时，这种增效作用更加明显。

在一些特殊情况下，类胡萝卜素反而起到过氧化剂的作用。体外实验已经证实，给予人骨髓白血病细胞和结肠腺癌细胞高剂量的β-胡萝卜素（＞10 μmol/L）能够增加活性氧的产生以及细胞氧化型谷胱甘肽的浓度，这一作用可以被α-生育酚和N-乙酰半胱氨酸所阻断，其在体内是否同样存在类似的反应尚有待研究。叶黄素在浓度较低时（＜10 μg/mg），不仅没有清除羟基自由基的能力，还可激发自由基的产生。随浓度的升高（10～1 000 μg/mg），叶黄素清除羟基自由基的效果增强。

2.类胡萝卜素与癌症

体外实验和动物实验均表明类胡萝卜素对多种癌症具有预防作用。流行病学调查也显示富含类胡萝卜素的膳食降低多种癌症的风险，血清中β-胡萝卜素的水平与肺癌的风险性呈负相关。但是多数的干预实验结果却表明补充β-胡萝卜素对于癌症的风险并没有影响，甚至在肺癌的高危人群，如吸烟者和石棉工人，补充高剂量的β-胡萝卜素会增加肺癌的危险。这可能是因为给予的β-胡萝卜素剂量远远高于正常饮食中所能摄取的量，血液β-胡萝卜素超出了正常水平。

多项研究结果显示，多摄入番茄和番茄制品与前列腺癌风险的降低有关；部分研究也报道了，血液中番茄红素的水平与前列腺癌的风险性呈负相关。然而，一项调查报告显示，番茄红素或者番茄制品摄入量的增加与前列腺癌的风险性无关，但可能降低有前列腺癌家族史男性的发病风险。对于体外培养的癌细胞，番茄红素以剂量依赖的方式抑制乳腺癌、子宫内膜癌、肺癌和白血病细胞的生长。

类胡萝卜素是优秀的自由基清除剂，而自由基与DNA的氧化损伤，细胞的癌变息息相关，因此类胡萝卜素的抗氧化性在癌症预防中具有一定作用，但是通过对生物化学机制的深入研究显示，其他作用机制可能起着更为关键的作用。类胡萝卜素抗癌作用的机制可能涉及引起细胞生长或细胞死亡途径上的一些变化，包括激素与生长因子的信号传输、细胞周期过程的调节机制、细胞分化及凋亡。

3.细胞间的信号传输

大量的证据表明，维生素A 和类胡萝卜素都可以增强细胞的间隙连接（gap junctional communication，GJC）。细胞间隙连接是由连接蛋白在邻近细胞之间形成亲水通道，可传输细胞群体内生长调控信号，调节细胞的正常增殖与分化。但是人体多数实体瘤细胞间的间隙连接通讯功能缺陷，而且在癌前病变，如口腔黏膜白斑，子宫颈上皮不典型增厚等，即出现连接蛋白43（connexin 43，Cx43）的表达下调。连接蛋白43 起着类似于抑癌基因的作用，维生素A 和类胡萝卜素都可以上调其表达，从而增强细胞间的间隙连接，抑制肿瘤细胞增殖。但是类胡萝卜素，尤其是非维生素A 原的类胡萝卜素，如虾青素等，与维生素A 发挥作用的途径不同，后者主要通过视黄酸受体（RARs），前者则可能通过过氧化物酶体增殖激活受体（PPARs），两者最终都作用于连接蛋白43 基因的转录水平。

4.细胞周期的调节

胰岛素样生长因子（IGF-I）作为主要的癌危险因子，如果长期在血液中保持高水平，则预示着乳腺、前列腺、结肠和肺癌的危险增加。Mucci 等人发现摄入烹调过的番茄与血液IGF-I水平极显著负相关，番茄的植物性营养素能降低血液IGF-I 水平。番茄红素通过抑制IGF-I 受体信号的传输作用，延缓细胞周期进程，控制人前列腺癌细胞的生长。10 μmol/L 番茄红素处理乳腺癌细胞MCF-7、HBL-100 与MDA-MB-231 以及纤维囊肿乳腺细胞MCF-10a，48 h 后细胞周期进程在G1/S 期延滞。番茄红素也引起其他癌细胞系（白血病、子宫内膜癌及肺癌）通过G1 与S 期的进程延缓。α-胡萝卜素对GOTO 成人神经细胞瘤细胞有相似的作用。β-胡萝卜素引起正常的人成纤维细胞的细胞周期停滞在G1 期。细胞周期蛋白D 作为生长因子感受器起作用的主要元件，在许多乳腺癌细胞系及原发肿瘤中过量表达。番茄红素能够降低视网膜母细胞瘤的周期蛋白D的水平，抑制其生长。番茄红素还能与维生素D3 发生协同作用，抑制骨髓白血病细胞系HL60的细胞周期进程，诱导其分化。

5.细胞凋亡

β-胡萝卜素能抑制人结肠腺癌细胞生长，下调抗凋亡蛋白Bcl-2 和Bcl-xl的表达，诱导细胞凋亡，这是与细胞内活性氧代谢物生成的增加相关联的。β-胡萝卜素、番茄红素、叶黄素、β-隐黄质及玉米黄质可诱导淋巴母细胞凋亡，斑黄素（canthaxanthin）对此细胞却无作用，这时β-胡萝卜素的诱导凋亡作用与活性氧生成无关。环加氧酶COX-2 在许多肿瘤中过量表达，番茄红素能下调COX-2 mRNA的表达，同时伴随着恶性的乳腺上皮细胞凋亡。叶黄素不仅能够增加小鼠乳腺肿瘤p53 和前凋亡蛋白BAX的表达，阻遏Bcl-2的表达，降低血管再生的活性，而且在体外实验中，给予化疗药物后，叶黄素能够选择性地诱导癌细胞的凋亡，保护正常细胞。给大鼠注射MatLyLu 前列腺肿瘤细胞，事先补充番茄红素组的大鼠肿瘤坏死面积明显比对照组大，这可能是因为番茄红素下调了类固醇激素的代谢和信号传导的相关基因。

6.致癌物的脱毒

第Ⅰ相反应酶和第Ⅱ相反应酶在致癌物的脱毒过程中发挥着重要的作用。类胡萝卜素能够诱导这类酶的表达。实验表明，番茄红素能够通过转录因子Nrf2 和基因调节区的抗氧化剂应答元件（antioxidant responsive elements，ARE），对第Ⅱ相反应酶的转录进行调控。

7.类胡萝卜素与免疫调节

类胡萝卜素对机体免疫系统可能有“双向调节”的作用，有抑制自身免疫反应，增强细胞免疫和抑制炎症的功能。

多项动物实验证实，类胡萝卜素能够增强中性粒细胞髓过氧化物酶的活性和细胞吞噬功能；并能促进有丝分裂原诱导的淋巴细胞增殖，加强抗体反应和巨噬细胞的细胞色素氧化酶、过氧化氢酶的活性。类胡萝卜素的这些效应与是否维生素A 原无关。番茄红素能够增加自发性乳腺肿瘤小鼠T 辅助细胞的数量，使胸腺内T 细胞的分化趋于正常。β-胡萝卜素可以刺激牛血中中性粒细胞髓过氧化物酶的活性及细胞吞噬功能，而维生素A 通常会降低它的吞噬功能。体外实验表明，虾青素可显著促进小鼠脾细胞对胸腺依赖抗原（TD-Ag）反应中抗体的产生，提高依赖于T 细胞专一抗原的体液免疫反应。人体血细胞的体外研究中也发现虾青素和类胡萝卜素均能显著促进胸腺依赖抗原刺激时的抗体产生，分泌IgG 和IgM的细胞数增加。β-胡萝卜素可增强巨噬细胞杀灭肿瘤活性，保护自身细胞免于呼吸爆发引起的氧代谢物的伤害。

另一方面，类胡萝卜素具有抗炎的作用。在炎症发生的情况下，例如Crohn 病中，吞噬细胞在炎症部位（肠黏膜和肠腔内）释放出活性氧，破坏了自由基和抗氧化剂之间原有的平衡，氧化产物以及脂质过氧化水平的增加。研究表明，氧化剂与内皮细胞的炎症基因刺激有直接关系。Bennedsen 研究发现，虾青素可预防幽门螺杆菌引起的溃疡症状，明显降低幽门螺杆菌对胃的附着和感染。活性氧也能加重哮喘伴随炎症和训练引起的肌肉损伤炎症。因此，类胡萝卜素能够通过抗氧化发挥抗炎的作用。

8.类胡萝卜素与心血管疾病

许多实验证实，饮食中类胡萝卜素的摄入量、血中或脂肪组织中类胡萝卜素的水平与心脏疾病风险呈负相关。动脉粥样硬化、冠心病等心血管疾病的共有病理学特点是动脉发生了非炎症性、退行性和增生性病变，导致管壁增厚变硬，失去弹性，管腔缩小。类胡萝卜素对心血管疾病防治是在多方面同时发挥作用的。

低密度脂蛋白（LDL）的氧化是导致动脉硬化的重要原因，氧化性低密度脂蛋白（Ox-LDL）的增加加速了动脉粥样硬化的发生，类胡萝卜素通过抗氧化作用，抑制LDL的脂质过氧化，延缓动脉斑块的形成。

尽管动脉粥样硬化、冠心病等疾病的初始病理变化是非炎症性的，但是伴随着血管壁的损伤，炎性分子、炎症细胞便会参与到其中。例如，动脉内皮下巨噬细胞内有大量的脂质堆积，形成泡沫细胞是动脉粥样硬化早期的重要特征。β-胡萝卜素、叶黄素、番茄红素均能在体外改变人内皮细胞表面黏附分子的表达，可以减少巨噬细胞的附着和对内皮的浸润。

Fuhrman 等人研究了类胡萝卜素对巨噬细胞胆固醇代谢途径的影响，发现在离体条件下β-胡萝卜素和番茄红素都能促进巨噬细胞低密度脂蛋白（LDL）受体的活性，抑制胆固醇的合成；每天补充60 mg 番茄红素，连续服用3 个月后，人体血浆中的LDL 胆固醇浓度降低了14%。

9.类胡萝卜素与光保护作用

细胞膜和组织暴露于强光尤其是紫外光下，会产生单线态氧、自由基等氧化剂，称为光氧化损伤。自然界中植物靠类胡萝卜素抵御紫外光氧化，它的紫外保护特性对于维护眼睛和皮肤的健康也起着重要的作用。

老年性黄斑变性和白内障是引起老年人视觉损害甚至失明的主要疾病，这两种疾病都与眼睛内部光氧化过程有关。膳食中补充类胡萝卜素（尤其是叶黄素和玉米黄质）能降低老年性黄斑变性和白内障的发病率。类胡萝卜素保护眼睛主要通过两条途径：①作为过滤有害蓝光的滤光器，叶黄素和玉米黄质的滤光效率远远高于番茄红素和β-胡萝卜素，可在人眼视网膜内部形成一种有效的蓝光过滤器。在蓝光到达光感受器及视网膜色素上皮细胞和下部的脉络膜血管层之前，黄斑类胡萝卜素可以削弱蓝光，减少视网膜的氧化压力。②类胡萝卜素作为抗氧化剂能猝灭活性的三重态分子、单线态氧，消除活性氧，例如脂质过氧化物或过氧阴离子等。

光氧化能损伤细胞的脂质、蛋白质及DNA，引起皮肤红斑、老化，甚至皮肤癌。人体实验显示，紫外照射能降低血浆和皮肤中类胡萝卜素的水平，相较于其他类胡萝卜素，番茄红素更容易损失。补充β-胡萝卜素、番茄红素、或混合性类胡萝卜素可显著降低紫外线照射诱发的红斑，使紫外线光敏感度降低。这些类胡萝卜素对皮肤的保护作用归功于其抗氧化功能及其抑制脂氧酶、抑制炎症的功能。

10.类胡萝卜素的其他功能

根据2006年5月的《美国流行病学杂志》上的一项报告，不吸烟者，发生糖尿病和胰岛素抵抗的风险与血清类胡萝卜素水平呈负相关。有研究表明，血浆番茄红素水平可能和2 型糖尿病的发病率呈负相关，番茄红素还可以应用于糖尿病并发症的治疗。Naito 等人在研究中发现“氧化应激”是糖尿病导致肾病的一个重要机制。虾青素通过降低肾的氧化应激来控制糖尿病肾病的进展，预防肾脏细胞的损伤。Uchivama 等将虾青素用于肥胖型2 型糖尿病小鼠模型中发现，虾青素不能增加胰腺中β细胞数量，但可以保护β细胞的功能，保证胰岛分泌胰岛素的能力来改善机体血糖水平。

对自发性高血压大鼠连续喂食虾青素14 天，可使大鼠的动脉血压显著降低；连续给予易卒中的自发性高血压大鼠虾青素5 周，其血压降低显著，且延迟了脑卒中的发生。这种作用可能与其促NO 合成有关。虾青素还可以调节高血压的血液流变性，包括通过交感神经肾上腺素受体通路，特别是使α2 肾上腺素受体的敏感性趋于正常；以及通过减弱血管紧张素Ⅱ和活性氧引起的血管收缩，来修复血管紧张状态而发挥抗高血压的作用。虾青素能够调节自发性高血压大鼠体内的氧化环境，降低脂质过氧化水平，以及饱和血管的弹性蛋白，防止因高血压引起的动脉壁增厚。

类胡萝卜素是人体多种生理和病理过程中发挥着重要的作用，但由于各自之间结构的差异，体内的分布和功能也会有所不同。尽管类胡萝卜素越来越多的健康效应被发现，但是仍缺乏足够的证据证明大剂量地补充类胡萝卜素不会产生有害的影响，尤其一些研究显示在吸烟人群和石棉工人中，补充大量的β-胡萝卜素会使肺癌及心血管疾病的患病率升高。因此，从饮食中补充类胡萝卜素仍是最有效、最安全的方法。