Витамины, растворимые в воде

Условно можно считать, что отличительной особенностью витаминов, раство­римых в воде, является участие большинства из них в построении молекул кофермен-тов (см. табл. 5.1), представляющих собой низкомолекулярные органические вещества небелковой природы, называемые также простетическими группами и принимающие вместе с белковым компонентом (апоферментом) непосредственное участие в каталити­ческих реакциях. Коферментная роль с достоверностью доказана для следующих витаминов и витаминоподобных веществ: В_ь В₂, В₆, Bj₂, PP, биотина, фолиевой, пара-аминобензойной, пантотеновой и липоевой кислот, а также жирорастворимого коэнзи-ма Q. Поскольку почти все они в организме человека и животных не синтезируют­ся, недостаточное содержание или полное отсутствие этих витаминов в пище при­водит к существенным нарушениям процессов обмена веществ и к развитию соот­ветствующего синдрома, характерного для данного гипо- или авитаминоза.

Витамин Bj

Витамин В] (тиамин, антиневритный), как было указано выше, был первым кристаллическим витамином, выделенным К. Функом в 1912 г. Позже был осуществлен его химический синтез. Наряду с аминогруппой витамин Bi содержит атом серы, поэтому он был назван тиамином. В химической структуре его содержатся два кольца — пиримидиновое и тиазоловое, соединенных метиленовой связью.

Тиамин хорошо растворим в воде. Водные растворы тиамина в кислой среде выдерживают нагревание до высоких температур без снижения биологической актив­ности. В нейтральной и особенно в щелочной среде витамин В_ь наоборот, быстро разрушается при нагревании. Этим объясняется частичное или даже полное разрушение тиамина при кулинарной обработке пищи, например выпечке теста с добавлением гидрокарбоната натрия или карбоната аммония. При окислении тиамина образуется тиохром, дающий синюю флюоресценцию при УФ-облучении. На этом свойстве тиамина основано его количественное определение.

Витамин В! легко всасывается в кишечнике, но не накапливается в тканях и не обладает токсичными свойствами. Избыток пищевого тиамина быстро выводится с мочой. В превращении витамина B_t в его активную форму — тиаминпирофосфат (ТПФ), часто называемый также тиаминдифосфатом, участвует специфический АТФ-

Если витамин Bj поступает с пищей в виде ТПФ, то пирофосфатная группа отщепляется от него под действием кишечных пирофосфатаз.

При отсутствии или недостаточности тиамина развивается тяжелое заболевание — бери-бери, широко распространенное в ряде стран Азии и Индокитая, где основным продуктом питания является рис. Следует отметить, что недостаточность витамина В] встречается и в европейских странах, где она известна как симптом Вернике, проявляющийся в виде энцефалопатии, или синдром Вейса с преимущественным пора­жением сердечно-сосудистой системы. Специфические симптомы связаны с преиму­щественными нарушениями деятельности сердечно-сосудистой и нервной систем, а также желудочно-кишечного тракта. В настоящее время пересматривается точка зре­ния, что бери-бери у человека является следствием недостаточности только витамина Bj. Более вероятно, что это заболевание представляет собой комбинированный или полиавитаминоз, при котором организм испытывает недостаток также в рибофлавине, пиридоксине, витаминах РР, С и др. Однако на животных и добровольцах получен экспериментальный авитаминоз Bj и в зависимости от преобладания тех или иных симптомов различают ряд клинических типов недостаточности, в частности полиневрит-ную (или сухую) форму бери-бери, при которой на первый план выступают нару­шения со стороны периферической нервной системы. При так называемой отечной форме бери-бери преимущественно поражается сердечно-сосудистая система, хотя отмечаются также явления полиневрита. И, наконец, различают остро протекающую кардиальную форму болезни, называемую пернициозной, которая приводит к леталь­ному исходу в результате развития острой сердечной недостаточности. В связи с внедрением в медицинскую практику кристаллического препарата тиамина леталь­ность резко сократилась и наметились рациональные пути лечения и профилактики этого заболевания.

К наиболее ранним симптомам авитаминоза В₁ относятся нарушения моторной и секреторной функций желудочно-кишечного тракта, выражающиеся в потере аппетита, замедлении перистальтики (атония) кишечника, а также изменении психики, заключаю­щиеся в потере памяти на недавние события, склонности к галлюцинациям; отме­чаются изменения деятельности сердечно-сосудистой системы: одышка, сердцебиение, боли в области сердца. При дальнейшем развитии авитаминоза выявляются симпто­мы поражения периферической нервной системы (дегенеративные изменения нервных окончаний и проводящих пучков), выражающиеся в расстройстве чувствительности, ощущении покалывания, онемения и болей по ходу нервов. Эти поражения завер­шаются контрактурами, атрофией и параличами нижних, а затем и верхних конеч­ностей. В этот же период развиваются явления сердечной недостаточности (учащение ритма, сверлящие боли в области сердца). Биохимические нарушения при авитамино­зе В_х проявляются в развитии отрицательного азотистого баланса, выделении в повышенных количествах с мочой аминокислот и креатина, накоплении в крови и в тканях а-кетокислот, а также пентозосахаров. Содержание тиамина и ТПФ в сер­дечной мышце и печени у больных бери-бери в 5 —6 раз ниже нормы.

Биологическая роль. Экспериментально доказано, что витамин В₁ в форме ТПФ является составной частью минимум четырех ферментов, участвующих в проме-

зависимый фермент — тиаминпирофосфокиназа, содержащаяся главным образом в пе­чени и ткани мозга. Опытами с меченным ³²Р АТФ доказан перенос на тиамин целиком пирофосфатной группы в присутствии фермента. ТПФ имеет следующее строение:

жуточном обмене веществ. Так, известно, что ТПФ входит в состав двух сложных ферментных систем — пируват- и а-кетоглутаратдегидрогеназных комплексов, ката­лизирующих окислительное декарбоксилирование пировиноградной и а-кетоглутаровой кислот. В составе транскетолазы ТПФ участвует в переносе гликоль-альдегидного радикала от кетосахаров на альдосахара (см. главу 9).

ТПФ является коферментом дегидрогеназы у-оксикетоглутаровой кислоты. При­веденные примеры, вероятно, не ограничивают биологические функции тиамина. В частности, ТПФ участвует в окислительном декарбоксилировании глиоксиловой кисло­ты и ос-кетокислот, образующихся при распаде аминокислот с разветвленной боковой цепью.

Распространение в природе и суточная потребность

Витамин B_t широко распространен в природе. Основное количество его человек получает с растительной пищей. Большое количество витамина В, содержится в дрожжах, пшеничном хлебе из муки грубого помола, оболочке и зародышах семян хлебных злаков, сое, фасоли, горохе, меньше — в картофеле, моркови, капусте. Из продуктов животного происхождения наиболее богаты витамином В! печень, почки, мозг. Некоторые бактерии, населяющие кишечник животных, способны синтезировать достаточное количество тиамина, например количества витамина В_ь синтезирован­ного микрофлорой кишечника коров, оказывается вполне достаточно для покрытия потребностей организма. Рекомендуемые Институтом питания АМН СССР нормы суточного потребления тиамина для отдельных групп населения составляют от 1,2 до 2,2 мг.

Витамин В₂

Витамин В₂ (рибофлавин) впервые был выделен из молока и ряда других пищевых продуктов. В зависимости от источника получения витамин В₂ называли по-разному, хотя по существу это было одно и то же соединение: лактофлавин (из молока), гепатофлавин (из печени), овофлавин (из белка яиц), вердофлавин (из растений). Химический синтез витамина В₂ был осуществлен в 1935 г. Р. Куном. Растворы витамина В₂ имеют оранжево-желтую окраску и характеризуются желто-зеленой флюоресценцией.

В основе молекулы рибофлавина лежит гетероциклическое соединение — изоал-локсазин (сочетание бензольного, пиразинового и пиримидинового колец), к которому в положении 9 присоединен пятиатомный спирт рибитол. Химическое название «рибофлавин» отражает наличие рибитола и желтой окраски препарата ¹; рациональ­ное название его 6,7-диметил-9-Е)-рибитилизоаллоксазин:

Рибофлавин хорошо растворим в воде, устойчив в кислых растворах, но легко разрушается в нейтральных и щелочных растворах. Он весьма чувствителен к види­мому и УФ-излучению и сравнительно легко подвергается обратимому восстанов­лению, присоединяя водород по месту двойных связей и превращаясь в бесцветную лейкоформу. Это свойство рибофлавина легко окисляться и восстанавливаться лежит в основе его биологического действия в клеточном метаболизме.

Клинические проявления недостаточности рибофлавина лучше всего изучены на экспериментальных животных. Помимо остановки роста, выпадения волос (алопеция), характерных для большинства авитаминозов, специфичными для авитаминоза В₂ являются воспалительные процессы слизистой оболочки языка (глоссит), губ, особенно у углов рта, эпителия кожи и др. Наиболее характерны изменения со стороны глаз: кератиты (воспалительные процессы и усиленная васкуляризация роговой оболочки), катаракта (помутнение хрусталика). При авитаминозе В₂ у людей развивает­ся общая мышечная слабость и слабость сердечной мышцы.

Биологическая роль. Рибофлавин входит в состав флавиновых коферментов, в частности ФМН и ФАД ', являющихся в свою очередь простетическими груп­пами ферментов-флавопротеинов. Различают два типа химических реакций, катализи­руемых этими ферментами. К первому относятся реакции, в которых фермент осу­ществляет прямое окисление с участием кислорода, т. е. дегидрирование (отщепление электронов и протонов) исходного субстрата или промежуточного метаболита. К фер­ментам этой группы относятся оксидазы L- и D-аминокислот, глициноксидаза, альдегидоксидаза, ксантиноксидаза и др. Вторая группа реакций, катализируемых флавопротеинами, характеризуется переносом электронов и протонов не от исходного субстрата, а от восстановленных гщэидиновых коферм ентов. Ферменты этой группы играют главную роль в биологическом ттпятении. Ё каталитическом цикле изоал-локсазиновый остаток ФАД и ФМН подвергается обратимому восстановлению с присоединением атомов водорода к N¹ и N¹⁰.

ФМН синтезируется в организме животных из свободного рибофлавина и АТФ при участии специфического фермента — рибофлавинкиназы:

Mg²*

Рибофлавин + АТФ —» Рибофлавин-5'-фосфаг (ФМН) + АДФ

Образование ФАД в тканях также протекает при участии специфического АТФ-зависимого фермента ФМН-аденилилтрансферазы. Исходным веществом для синтеза является ФМН:

Mg²*

ФМН + АТФ —>ФАД + Пирофосфат

Распространение в природе и суточная потребность

Рибофлавин достаточно широко распространен в природе. Он содержится почти во всех животных тканях и растениях; сравнительно высокие концентрации его обна­ружены в дрожжах. Из пищевых продуктов рибофлавином богаты хлеб (из муки грубого помола), семена злаков, яйца, молоко, мясо, свежие овощи и др.; в молоке он содержится в свободном состоянии, а в печекч и почках животных прочно связан с белками в составе ФАД и ФМН. Из организма человека и животных рибофлавин выделяется с мочой в свободном виде. Суточная потребность взрослого человека в рибофлавине составляет 1,7 мг; в пожил on¹ возрасте и при тяжелой физической работе эта потребность возрастает.

Витамин РР

Витамин РР (никотиновая кислота, никотинамид, ниацин) получил также назва­ние антипеллагрического витамина (от итал. preventive pellagra — предотвращающий пеллагру), поскольку его отсутствие является причиной заболевания, называемого пеллагрой.

Никотиновая кислота известна давно, однако только в 1937 г. она была выделена К. Эльвегеймом из экстракта печени и было показано, что введение никотиновой кислоты (или ее амида — никотинамида) или препаратов печени предохраняет от раз­вития или излечивает от пеллагры. Ранее в 1904 г. А. Гарден и У. Юнг устано­вили, что для превращения глюкозы в этанол в бесклеточном экстракте дрожжей необходимо присутствие легкодиализуемого кофактора, названного козимазой. Xhmh^l ческий состав аналогичного кофактора из эритроцитов млекопитающих был расшифро­ван в 1934 г. О. Варбургом и У. Кристианом; он оказался производным амида никотиновой кислоты.

Никотиновая кислота представляет собой соединение пиридинового ряда, содержа­щее карбоксильную группу (никотинамид отличается наличием амидной группы).

Витамин РР малорастворим в воде (порядка 1 %), но хорошо растворим в водных растворах щелочей. Никотиновая кислота кристаллизуется в виде белых игл.

Наиболее характерными признаками авитаминоза РР, т. е. пеллагры (от итал. pelle agra — шершавая кожа), являются поражения кожи дерматиты), желудочно-кишечного тракта (диарея) и нарушения нервной деятельности (деменция).

Дерматиты чаще всего симметричны и поражают те участки кожи, которые под­вержены влиянию прямых солнечных лучей: тыльную поверхность кистей рук, шею, лицо; кожа становится красной, затем коричневой и шершавой. Поражения кишеч­ника выражаются в развитии анорексии, тошноты, болей в области живота, поноса. Диарея приводит к обезвоживанию организма. Слизистая оболочка толстого кишеч­ника сначала воспаляется, затем изъязвляется. Специфичными для пеллагры являют­ся стоматиты, гингивиты, поражения языка со вздутием и трещинами. Поражения мозга выражаются в головных болях, головокружениях, повышенной раздражимости, депрессии и других симптомах, включая психозы, психоневрозы, галлюцинации и др. Симптомы пеллагры особенно резко выражены у больных с недостаточным белко­вым питанием. Установлено, что это объясняется недостатком триптофана, кото­рый является предшественником никотинамида, частично синтезируемого в тканях человека и животных, а также недостатком ряда других витаминов (пиридоксина; см. главу 11).

Биологическая роль. Витамин РР входит в состав НАД и НАДФ, являющихся коферментами большого числа обратимо действующих в окислительно-восстановительных реакциях дегидрогеназ (формулы приведены в главе 8).

Показано, что ряд дегидрогеназ используют только НАД или НАДФ, другие могут катализировать окислительно-восстановительные реакции в присутствии любого из них. В процессе биологического окисления НАД и НАДФ выполняют роль промежуточных переносчиков электронов и протонов между окисляемым субстратом и флавиновыми ферментами (молекулярные механизмы участия пиридиновых нуклеотидов в этом про­цессе подробно рассматриваются в главе 8).

Распространение в природе и суточная потребность

Никотиновая кислота также относится к витаминам, широко распространенным в растительных и животных организмах. Для человека основными источниками никотиновой кислоты и ее амида являются рис, хлеб, картофель, мясо, печень, почки, морковь и другие продукты. Суточная потребность для взрослого человека составляет 18 мг.

Витамин В_б

Витамин В₆ (пиридоксин, антидерматитный) как самостоятельный независимый пищевой фактор был открыт П. Дьерди в 1934 г. в результате того, что в отличие от известных уже к тому времени водорастворимых витаминов В_ь В₂ и РР он устранял особую форму дерматита конечностей у крыс, названного акродинией. Впервые витамин В₆ был выделен в 1938 г. из дрожжей и печени и вскоре после этого был синтезирован химически. Он оказался производным 3-оксипиридина, в частности 2-метил-3-окси-4,5-диоксиметилпиридина. Термином «Витамин В₆», по реко­мендациям Международной комиссии по номенклатуре биологической химии, обозна­чают все три производных 3-оксипиридина, обладающие одинаковой витаминной активностью: пиридоксин (пиридоксол), пиридоксаль и пиридоксамин:

Как видно, производные 3-оксипиридина отличаются друг от друга природой за­мещающей группы в положении 4 пиридинового ядра. Витамин В₆ хорошо раство­рим в воде и этаноле. Водные растворы весьма устойчивы по отношению к кислотам и щелочам, однако они чувствительны к влиянию света в нейтральной зоне рН среды.

Недостаточность витамина В₆ наиболее подробно изучена на крысах, у которых самым характерным признаком является акродиния, или специфический дерматит с преимущественным поражением кожи лопать, хвоста, носа и ушей. Отмечаются повышенное шелушение кожи, выпадение шерсти, изъязвление кожи конечностей, закан­чивающееся развитием гангрены пальцев. Эти явления не поддаются лечению вита­мином РР, но быстро проходят при введении пиридоксина. При более глубоком авитаминозе В₆ у собак, свиней, крыс и кур отмечаются эпилептиформные припадки с дегенеративными изменениями в ЦНС.

/ У человека недостаточность витамина В₆ встречается реже, хотя некоторые пеллагроподобные дерматиты, не поддающиеся лечению никотиновой кислотой, легко проходят при введении пиридоксина. У грудных детей описаны дерматиты, пораже­ния нервной системы (включая эпилептиформные припадки), обусловленные недостаточ­ным содержанием пиридоксина в искусственной пище. Недостаточность пиридоксина часто наблюдается у больных туберкулезом, которым вводят с лечебной целью изо-ниазид, оказавшийся, как и дезоксипиридоксин, антагонистом витамина В₆.

Из биохимических нарушений при недостаточности витамина В₆ следует отметить гомоцистинурию и цистатионинурию, а также нарушения обмена триптофана, выра­жающиеся в повышении экскреции с мочой ксантуреновой кислоты и снижении коли­чества экскретируемой кинуреновой кислоты (см. главу 11).

Биологическая роль. Оказалось, что хотя все три производных 3-оксипири-дина наделены витаминными свойствами, коферментные функции выполняют только фосфорилированные производные пиридоксаля и пиридоксамина.

Фосфорилирование пиридоксаля и пиридоксамина является ферментативной реак­цией, протекающей при участии специфических киназ. Синтез пиридоксальфосфата, например, катализирует пиридоксалькиназа, которая наиболее активна в ткани мозга. Эту реакцию можно представить следующим уравнением:

Пиридоксаль + А.ТФ -» Пиридоксальфосфат + АДФ

Кроме того, доказано, что в животных тканях происходят взаимопревращения пиридоксальфосфата и пиридоксаминфосфата, в частности в реакциях трансаминиро-вания аминокислот (см. главу 11).

Следует отметить, что в выяснение биологической роли витамина В₆ и пиридоксаль­фосфата в азотистом обмене существенный вклад внесли А. Е. Браунштейн, С. Р. Мардашев, Э. Снелл, Д. Мецлер, А. Майстер и др. Сейчас известно более 20 пиридоксалевых ферментов, катализирующих ключевые реакции азотистого метабо­лизма во всех живых организмах. Так, доказано, что пиридоксальфосфат является простетической группой аминотрансфераз, катализирующих обратимый перенос аминогруппы (NH₂-rpynnbi) от аминокислоты на а-кетокислоту, и декарбоксилаз аминокислот, осуществляющих необратимое отщепление СО₂ от карбоксильной группы аминокислот с образованием биогенных аминов. Установлена, кроме того, коферментная роль пиридоксальфосфата в энзиматических реакциях неокислительного дезаминирования серина и треонина, окисления триптофана, кинуренина, превраще­ния серосодержащих аминокислот, взаимопревращения серина и глицина (см. главу 11), а также в синтезе 5-аминолевулиновой кислоты, являющейся предшественником мо­лекулы гема гемоглобина и др. Пиридоксин относится к витаминам, коферментная роль которых изучена наиболее подробно. В последние годы число вновь открытых пиридоксалевых ферментов быстро увеличивалось. Вследствие широкого участия пиридоксальфосфата в процессах обмена при недостаточности витамина В₆ отме­чаются разнообразные нарушения метаболизма аминокислот.

Распространение в природе и суточная потребность

Витамин В₆ широко распространен в продуктах растительного и животного происхождения. Основными источниками витамина В₆ для человека служат: хлеб, горох, фасоль, картофель, мясо, почки, печень и др. Во многих продуктах животного происхождения пиридоксин химически связан с белком, но в желудочно-кишечном тракте под действием ферментов он легко освобождается. Суточная потребность в пиридоксине для человека точно не установлена, поскольку он синтезируется микрофлорой кишечника в количествах, частично покрывающих потребности в нем организма. Косвенные расчеты показывают, что взрослый человек должен получать в сутки около 2 мг витамина В₆.

Биотин (витамин Н)

В 1916 г. в опытах на животных было показано токсичное действие сырого яичного белка; употребление печени или дрожжей снимало этот эффект. Фактор, предотвращающий развитие токсикоза, был назван витамином Н. Позже было установ­лено, что в дрожжевом экстракте, печени и желтке куриного яйца содержится пищевой фактор, отличный от всех других известных к этому времени витаминов. Этот фактор стимулирует рост дрожжей и азотфиксирующих бактерий Rhizobiurn, в связи с чем он и получил название биотин (от греч. bios — жизнь), или коэнзим R. В 1940 г. было установлено, что все три названия (биотин, витамин Н и коэнзим R) относятся к одному и тому же химически индивидуальному соединению. Что касается ве­щества, выделенного из сырого яичного белка, то им оказался гликопротеин -белок основного характера, названный авидином; этот белок обладает способ­ностью связывать биотин с образованием нерастворимого в воде комплекса. Этот комплекс не расщепляется в желудочно-кишечном тракте, поэтому биотин не под­вергается всасыванию, хотя и содержится в пищевых продуктах.

Биотин был впервые выделен в 1935 г. из яичного желтка. Молекула биотина является циклическим производным мочевины, а боковая цепь представлена валериа­новой кислотой:

Карбонильная группа биотина связывается с е-аминогруппой лизина, образуя e-N-биотиниллизин (б и о ц и т и н), обладающий биологической активностью.

Клинические проявления недостаточности биотина у человека изучены недостаточ­но. Это объясняется тем, что бактерии кишечника обладают способностью синтези­ровать биотин в необходимых количествах. Недостаточность его проявляется в случае употребления большого количества сырого яичного белка или приема сульфаниламид­ных препаратов и антибиотиков, подавляющих рост бактерий в кишечнике. У чело­века при недостаточности биотина отмечаются воспалительные процессы кожи (дерма­титы), сопровождающиеся усиленной деятельностью сальных желез, выпадением волос, поражением ногтей, часто отмечаются боли в мышцах, усталость, сонливость, депрес­сия, а также анорексия и анемия. Однако все эти явления обычно проходят через несколько дней после ежедневного введения биотина. У крыс недостаточность биотина, вызванная введением с пищей сырого яичного белка, вызывает явления острого дерматита, облысение и параличи.

Биологическая роль. Биотин подробно изучен благодаря работам Ф. Линена. Известные к настоящему времени биотиновые ферменты (т. е. содержащие в ка­честве кофермента биотин) катализируют два типа реакций:

1) реакции карбоксилирования (с участием СО₂ или HCOJ), сопряженные с распадом АТФ

RH + HCOJ + АТФ f± R - СООН + АДФ + Н₃РО₄

2) реакции транскарбоксилирования (протекающие без участия АТФ), при которых субстраты обмениваются карбоксильной группой:

Rj - СООН + R₂H j± R;H + R₂ - СООН

Получены доказательства двухстадийного механизма этих реакций с образова­нием промежуточного комплекса (карбоксибиотинилфермента).

К реакциям первого типа относятся, например, ацетил-КоА и пируваткарбокси-лазные реакции:

СНз-CO-S-KoA + СО₂ + АТФ *± HOOC-CH₂-CO-S-KoA + АДФ + Ф_н

Пируваткарбоксилаза является высокоспецифичным ферментом, катализирующим уникальную реакцию усвоения СО₂ в организме животных. Сущность реакции сводится к пополнению запасов оксалоацетата (щавелевоуксусная кислота) в лимоннокислом цикле Кребса (так называемые «анаплеротические», «пополняющие» реакции), т. е. его синтезу из СО₂ и пирувата:

Пируват+ СО2+АТФ+Н2О—»-Оксалоацетат+АДФ+Ф_н+2Н ⁺

Реакция протекает в две стадии: на первой стадии, связанной с затратой энергии, СО₂ подвергается активированию, т. е. ковалентному связыванию с биотином в активном центре фермента (Е-биотин):

С02+Е-Биотин+АТФ+Н₂05^Е-Биотин -СОО >АДФ+Ф_Н+2Н ⁺

На второй стадии СО₂ из комплекса переносится на пируват с образованием оксало­ацетата и освобождением фермента:

Е"Биотин — СОО~+Пируват «** ^F~ Биотин+Оксалоацетат

Примером второго типа реакций является метилмалонил-оксалоацетат-транс-карбоксилазная реакция, катализирующая обратимое превращение пировиноградной и щавелевоуксусной кислот:

Реакции карбоксилирования и транскарбоксилирования имеют важное значение в организме при синтезе высших жирных кислот, белков, пуриновых нуклеотидов (соответственно нуклеиновых кислот) и др.

Дата добавления: 2014-12-27