Витамины, растворимые в жирах

J

Подобные реакторы нашли применение в фармакологической промышленности, например при синтезе антиревматоидного препарата преднизолона из гидрокортизона. Кроме того, они могут служить моделью для применения их с лечебной целью, поскольку при помощи иммобилизованных ферментов и коферментов можно направ­ленно осуществлять сопряженные химические реакции (включая биосинтез незамени­мых метаболитов), корректирующие наследственные пороки обмена. Таким образом, при помощи этого нового методологического подхода наука делает свои первые шаги в области «синтетической биохимии».

Не менее важным направлением исследований является иммобилизация клеток и создание методами генотехники (генноинженерного конструирования) промышлен­ных штаммов микроорганизмов — продуцентов витаминов и незаменимых аминокис­лот. В качестве примера медицинского применения достижений биотехнологии можно привести иммобилизацию клеток щитовидной железы для определения тиреотропного гормона в биологических жидкостях или тканевых экстрактах. На очереди — созда­ние биотехнологического способа получения некалорийных сладостей, т. е. пищевых заменителей сахара, которые могут создавать ощущение сладости, не неся в себе лишних калорий. Одним из подобных перспективных веществ является аспартам, который представляет собой метиловый эфир дипептида — аспартилфенилаланина. Аспартам почти в 300 раз слаще сахара, безвреден и в организме расщепляется на естественно встречающиеся свободные аминокислоты: аспарагиновую кислоту (аспартат) и фенилаланин. Аспартам, несомненно, найдет широкое применение как в медицине, так и в пищевой промышленности (в США, например, он уже исполь­зуется не только для детского питания, но и добавляется вместо сахара в диети­ческую кока-колу). Для производства аспартама методами генотехники получают не только свободную аспарагиновую кислоту и фенилаланин (предшественники), но и бактериальный фермент, катализирующий биосинтез этого дипептида.

Значение инженерной энзимологии, как и вообще биотехнологии, сильно возрастет в будущем. По подсчетам специалистов продукция всех биотехнологических процес­сов в химической, фармацевтической, пищевой промышленностях, медицине и сельском хозяйстве в течение одного года в мире будет исчисляться десятками миллиардов

долларов к 2000 г. В нашей стране уже к 1990—1995 гг. будет налажено получение методом генной инженерии L-треонина и витамина В₂. Предполагается производ­ство уже к 1990 г. ряда ферментов, антибиотиков, а_ь (3-, у-интерферонов; проходят клинические испытания генноинженерные препараты инсулина и гормона роста. Гиб-ридомной техникой налажен в нашей стране выпуск реактивов для осуществления иммуноферментных методов определения многих химических компонентов в биоло­гических жидкостях.

Проблемы медицинской энзимологии

Успехи энзимологии находят все большее применение в медицине, в частности во многих аспектах профилактики, диагностики и лечения заболеваний. Успешно развивается новое направление энзимологии — медицинская энзимология, имеющая свои цели и задачи, специфические методологические подходы и методы исследова­ния. Медицинская энзимология развивается по трем главным направлениям, хотя возможности применения достижений энзимологии в медицине теоретически безгра­ничны, особенно в области анз. им.о. патологии, имеющей целью исследование ферментативной активности в норме и при патологии. Многие наследственные по­роки обмена, как оказалось, являются результатом дефекта определенного фермента. Так, галактоземия — наследственное заболевание, при котором наблюдается ненор­мально высокая концентрация галактозы в крови, развивается в результате наслед­ственного дефекта синтеза фермента — гексозо-1-фосфат-уридилтрансферазы, катали- ( зирующего превращение галактозы в легко метаболизируемую глюкозу. Причиной) другого наследственного заболевания — фенилкетонурии, сопровождающейся расстрой-/ ством психической деятельности, является потеря клетками печени способности син-1 тезировать фермент, катализирующий превращение фенилаланина в тирозин (см/ главу 11).

Второе направление медицинской энзимологии, получившее название э н з и м о-диагностики, развивается как по пути использования Пферментов в качестве из­бирательных реагентов для открытия и количественного определения нормальных или аномальных химических веществ в сыворотке крови, моче, желудочном соке и др. (например, открытие при помощи ферментов глюкозы, белка или других веществ в моче, в норме в ней не обнаруживаемых), так и по путшоткрытия и количествен­ного определения самих ферментов в биологических жидкостях при патологии. Ока­залось, что ряд ферментов появляется в сыворотке крови при распаде клеток (отсюда их название — некротические ферменты);.1для диагностики органических и функциональных поражений органов и тканей широко применяются отдельные фер­ментные тесты, выгодно отличающиеся от других химических диагностических тес­тов, используемых в клинике, высокой чувствительностью и специфичностью; сейчас известно около двух десятков тестов, основанных на количественном определении активности ферментов (и изоферментов) главным образом в крови (реже в моче), а также в биоптатах. Следует, однако, отметить, что из огромного числа ферментов (более 2000), открытых в природе (частично и в организме человека), в диагности­ческой энзимологии используется лишь ограниченный набор ферментов и для весьма небольшого числа болезней (гепатиты, инфаркт миокарда, органические поражения печени и др.). Так, уровень липазы, амилазы, трипсина и химотрипсина резко уве­личен при диабете, злокачественных поражениях поджелудочной железы, болезнях печени и др. Резко повышается в сыворотке крови уровень аминотрансфераз, креатинкиназы (и ее изоформ) и лактатдегидрогеназы (и ее изоформ) при инфаркте миокарда; умеренно повышено их содержание при поражениях тканей мозга и пе­чени. Определяют, кроме того, активность кислой фосфатазы (уровень повышен при карциноме предстательной железы), щелочной фосфатазы, холинэстеразы и некоторых других органоспецифических ферментов (например, гистидазы, уроканиназы, глици-намидинотрансферазы) в сыворотке крови при патологии костной ткани, печени, мета-

статических карциномах и т. д. Получены доказательства, что органы и ткани человека) характеризуются специфическим ферментным и изоферментным спектром, подвер-' женным не только индивидуальным, но и суточным колебаниям. Существует боль­шой градиент концентрации ферментов между внутриклеточными и внеклеточными частями тела. Поэтому любые, даже незначительные повреждения клеток (а иногда и функциональные расстройства) приводят к выделению ферментов во внеклеточное пространство, откуда они поступают в кровь. Механизм гицерферментемии до конца не расшифрован. Степень повышения содержания внутриклеточных ферментов в плазме крови находится в прямой зависимости от природы повреждающего воз­действия, времени действия и степени повреждения органов. В оценке ферментных гестов для диагностических целей особое значение имеет знание периода полужиз­ни в плазме крови каждого из диагностических ферментов, что делает важным выбор точного времени ферментного анализа крови. Весьма существенным является также знание особенностей распределения (топографии) ферментов в индивидуальных органах и тканях, как и их внутриклеточной локализации.

Третье направление медицинской энзимологии — э н з и м о т е р а п и я, т. е. исполь­зование ферментов и регуляторов действия ферментов в качестве лекарственных средств, пока имеет небольшую историю. До сих пор работы в этом направлении почти не выходят за рамки эксперимента. В клинике применяются пепсин, трипсин, химотрипсин и их смеси (абомин, химопсин) при заболеваниях желудочно-кишечного тракта. Помимо протеиназ, ряд других ферментов, в частности РНКаза, ДНКаза, гиалуронидаза, коллагеназы, эластазы, отдельно или в смеси с протеина-зами используются для обработки ран, воспалительных очагов, ожогов, устранения отеков, гематом, келоидных рубцов (туберкулез легких). Ферменты применяются также для лечения сердечно-сосудистых заболеваний, растворения сгустка фови; в нашей стране, например, для этих целей создан первый в мире препарат иммобилизованной стрептокиназы. Калликреины — ферменты кининовой системы — используются для снижения кровяного давления.

Важной и многообещающей областью энзимотерапии является применение ин­гибиторов ферментов. Так, естественные ингибиторы протеиназ нашли применение в терапии острых панкреатитов, артритов, аллергических заболеваний, при которых имеет место активация протеолиза и фибринолиза, сопровождающаяся образованием вазоактивных кининов. Предпринимаются попытки применения ферментов для лече­ния злокачественных опухолей человека, например аспарагиназы и L-глутамин (аспарагин)азы при лимфолейкозах. Эти ферменты разрушают глутамин и аспарагин, являющиеся незаменимыми факторами для роста лейкозных клеток, поскольку последние оказались лишенными способности синтезировать эти амиды.

Идея применения ферментов в терапии (фармакология ферментов) всегда каза­лась заманчивой. Однако их лабильность, нежелательные антигенные свойства и трудности доставки к пораженным органам и тканям существенно ограничивали возможности использования ферментных препаратов. Разработка методов иммобили­зации ферментов наметила пути предотвращения указанных трудностей.

В последнее время интенсивно разрабатываются методы направленного транс­порта ферментов, заключенных в своеобразные микроконтейнеры (тени эритроцитов, липосомы и др.), к внешней поверхности которых могут быть прикреплены адресные (векторные) белковые молекулы (например, иммуноглобулины — антитела против спе­цифических компонентов органа или ткани-мишени, в частности опухоли). Иммо­билизованные ферменты в качестве лекарственных средств начали применять в спе­циальных колонках для экстракорпоральной перфузии крови (типа «искусственной почки»). Такое лечение полностью исключает нежелательные воздействия на орга­низм чужеродного белка и может проводиться в течение длительного времени.

Таким образом, области применения ферментов в медицине действительно без­граничны. Рассмотренные выше примеры ясно показывают, какие перспективы уже сегодня открывает перед будущими врачами медицинская этимология.

Глава 5 ВИТАМИНЫ

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВИТАМИНОЛОГИИ

И ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ВИТАМИНАХ

Учение о витаминах — витаминология — в настоящее время выделено в само­стоятельную науку, хотя еще 100 летдалаД-ШихалЕ, что для нормальной жизнедеятель­ности организма человека и животных вполне достаточно п оступления белков, жи­ров, углеводов, минеральных веществ и воды. Однако практика и опыт показали, что для нормального роста и развития организма человека и животных одних этих веществ недостаточно. История пу тешествий и м ореплавани и, наблюдения врачей указывали на существование особы х болезн ей, непосредственно связанных_с_негюлно-ценным 1Щ2анием7~хот~я~~онсГкак будто содержало все известные к тому времени питательные вещества. Некоторые болезни, обусловленные недостатком в питании каких-либо веществ, носили даже эпидемический характер. Так, широкое распростра­нение в XIX веке получило заболевание, названное дщнгой- (или скорбутом); леталь­ность достигала 70 — 80-.%. Примерно в это же время большое распространение, особенно в странах Юго-Восточной Азии и Японии, получило заболевание бери-бер и. В Японии около 30% всего населения было поражено этой болезнью. Японский врач К. Такаки пришел к заключению, что в мясе, молоке и свежих овощах содер­жатся какие-то вещества, предотвращающие заболевание бери-бери. Позже голланд­ский врач К. Эйкман, работая на о. Ява, где основным продуктом питания был полированный рис, заметил, что у кур, получавших тот же полированный рис, развивалось заболевание, аналогичное бери-бери у человека. Когда К. Эйкман перево­дил кур на питание неочищенным рисом, наступало выздоровление. На основании этих данных он пришел к выводу, что в оболочке риса (рисовых отрубях) содержится неизвестное вещество, обладающее лечебным эффектом. И действительно, приготов­ленный из шелухи риса экстракт оказывал лечебное действие на людей, больных бери-бери. Эти наблюдения свидетельствовали, что в оболочке риса содержатся какие-то питательные вещества, которые необходимы для обеспечения нормальной жизнедеятельности организма человека.

Развитие учения о витаминах, однако, справедливо связывают с именем оте­чественного врача Н. И. Лунина, открывшего новую главу в науке о питании. Он пришел к заключению, что, кроме белков (казеина), жиров, молочного сахара, солей и воды, животные нуждаются в каких-то еще неизвестных веществах, незаменимых для питания. В своей работе «О значении минеральных солей для питания животных» (1880) Н. И. Лунин писал: «Представляет большой интерес исследовать эти вещества и изучить их значение для питания». Это важное научное открытие в дальнейшем было подтверждено работами Ф. Гопкинса (1912). Поскольку первое вещество, выделенное К. Функом (1912) в кристаллическом виде из экстрактов оболочек риса, которое предохраняло от развития бери-бери, оказалось органическим соединением, содержащим аминогруппу, К. Функ предложил называть эти неизвестные вещества витаминами (от лат. vita — жизнь), т. е. аминами жизни. Действительно, витамины ока­зались обязательными дополнительными пищевыми факторами и, хотя некоторые из них не содержат аминогруппу и вообще азот, термин «витамины» прочно укоре­нился в биологии и медицине.

В определении понятия «витамины» до сих пор существуют разногласия, поскольку имеется ряд примеров, когда витамины оказываются незаменимыми фак­торами питания для человека, но не для некоторых животных. В частности, из­вестно, что цинга развивается у человека и морских свинок, но не возникает у крыс, кроликов и других животных при отсутствии витамина С, т. е. в последнем случае витамин С не является пищевым или незаменимым фактором. С другой стороны, некоторые аминокислоты (см. главу 11), как и ряд растительных ненасыщенных жирных кислот (линолевая, линоленовая и др.), оказались незаменимыми для чело­века, поскольку они не синтезируются в его организме. Однако в последнем случае перечисленные вещества не относят к витаминам, так как витамины отличаются от всех других органических пищевых веществ двумя характерными признаками: ц£)не включаются в структуру тканей ^Ъ) не используются организмом в качестве источника энергии.

Таким образом, витамин ы — пишевые фактор ы, ь-птпр^ при^утструя g_Bf-

больших..количествах в, пище, обеспечивают лормальное.лротекание- биохимических и физиологических процессов путем участия в регуляции-обмена целостного.организ­ма. Нарушения нормального процесса обмена часто связаны с недостаточным поступлением витаминов в организм, полным отсутствием их в потребляемой пище или нарушениями их всасывания, транспорта и т. д. В результате развиваются а в^и т а м и н о з ы — болезни, возникающие на почве полного отсутствия в пище или полного нарушения усвоения какого-либо витамина, и гиповитаминоз ы, обус­ловленные недостаточным поступлением витаминов с пищей или плохим их усвое­нием. Практически у человека встречается именно эта форма заболевания, т. е. состоя­ние относительной недостаточности витамина. В некоторых районах стран Азии, Африки и Южной Америки, где население употребляет однообразную, преимуществен­но растительную пищу, встречаются иногда случаи полного авитаминоза. В литера­туре описаны также патологические состояния, связанные с поступлением чрезмерно больших количеств витаминов в организм (г и п е р в и т а м и н о з ы). Эти заболева­ния встречаются реже, чем гиповитаминозы, однако описаны случаи гипервигамино-зов A, D, К и др.

Следует отметить, что многие расстройства обмена веществ при авитаминозах обусловлены, как теперь установлено, нарушениями деятельности или активности ферментных систем, поскольку многие витамины входят в состав простетических групп ферментов. На связь витаминов с ферментами впервые в 1922 г. указал акад. Н. Д. Зелинский. Он считал, что витамины регулируют обмен веществ не непосред­ственно, а опосредованно через ферментные системы, в состав которых они входят. Эта точка зрения в настоящее время подтвердилась.

Открытие витаминов сыграло исключительную роль в профилактике и лечении многих инфекционных заболеваний. Так как бактерии для своего роста и размноже­ния тоже нуждаются в присутствии многих витаминов для синтеза коферментов, введение в организм структурных аналогов витаминов, называемых антивита­минами, приводит к гибели микроорганизмов. Антивитамины обычно блокируют активные центры ферментов, вытесняя соответствующее производное витаминов (кофермент) из активного центра, и вызывают конкурентное ингибирование фермен­тов. К антивитаминам в широком смысле относят вещества, способные вызывать после введения в организм животных классическую картину гипо- или авитаминоза.

Причины гипо- и авитаминозов у человека и животных обычно делят на экзо­генные и эндогенные. К первым относится недостаточное поступление витаминов или полное отсутствие их в пище; следовательно, недостаточное и неполное пита­ние чаще всего является причиной развития экзогенных авитаминозов. В число эндо­генных причин, которые, по-видимому, являются более существенными, входят: а) повышенная потребность в витаминах при некоторых физиологических и патоло­гических состояниях (беременность, лактация, тиреотоксикоз, кахексические заболе­вания и др.); б) усиленный распад витаминов в кишечнике вследствие развития в нем

микрофлоры; в) нарушение процесса всасывания витаминов в результате поражения секреторной и моторной функций кишечника при заболеваниях желудочно-кишечного тракта, когда относительная недостаточность витаминов развивается даже при пол­ноценном питании; г) болезни печени, поджелудочной железы, вызывающие закупор­ку общего желчного протока и сопровождающиеся нарушением всасывания жиров, продуктов их распада — жирных кислот и соответственно жирорастворимых вита­минов; в этих случаях также развиваются вторичные, или эндогенные, авитаминозы.

Таким образом, знание закономерностей развития гипо- и авитаминозов, кли­нической картины этих состояний, как и знание биологической роли витаминов, необходимо для лечащего врача; это же определяет его тактику при разработке способов предотвращения и лечения гиповитаминозов. Если авитаминоз (гиповита­миноз) развивается на экзогенной почве, то вводят недостающий витамин с пищей или чистый его препарат. Если же причина эндогенная, то, помимо лечения основ­ного заболевания, параллельно вводят соответствующий витамин парентерально, т. е. минуя кишечный тракт.

Нельзя не согласиться с мнением ряда ведущих витаминологов (Р. Гаррис, К. Скривер, В. Б. Спиричев и др.), что болезни, связанные с недостаточным потреб­лением витаминов, стали в настоящее время благодаря «рационализации питания» редкостью и являются проблемой скорее социально-экономической, чем медицинской. В то же время в последние два десятилетия описано большое количество ранее неизвестных врожденных заболеваний, клиническая картина которых напоминает типичные авитаминозы. Они развиваются в раннем детском возрасте независимо от обеспеченности организма всеми известными витаминами. Иногда болезнь удается излечить мегавитаминной терапией, т. е. введением количеств соответствующего витамина, в 50—100 раз превышающих физиологические потребности (так называе­мые витаминзависимые состояния). В других случаях болезнь не удается устранить даже путем применения высоких доз витаминов (витаминрезистент-ные состояния). Они протекают очень тяжело и часто приводят к смерти боль­ного. Так, описаны случаи витамин D-резистентного рахита, витамин D-зависимого рахита, тиаминзависимой мегалобластической анемии, пиридоксинзависимого судо­рожного синдрома и пиридоксинзависимой анемии, пернициозной анемии и др.

Накопившиеся фактические клинические данные и подробные генетические и биохимические исследования позволили отнести подобные заболевания к врож­денным нарушениям обмена и функций витаминов, которые уже описаны для тиамина, пиридоксина, биотина, фолиевой кислоты, витамина В₁₂, никотиновой кис­лоты, витаминов A, D, Е, К и др. В настоящее время имеется достаточно оснований считать, что причиной развития этих болезней являются генетические дефекты, связан­ные с нарушениями или всасывания витаминов в кишечнике, или их транспорта к органам-мишеням, или, наконец, с нарушениями превращений витаминов в кофер-менты (или в активные формы — в случае витаминов группы D). Имеются также доказательства наследственного дефекта синтеза белковой части фермента (апофер-мента) в развитии некоторых врожденных расстройств обмена и функций витами­нов, а также нарушения взаимодействия (связи) кофермента (или активной формы витамина) со специфическим белком — апоферментом, т. е. дефект формирования холофермента.

Поскольку клиническая картина врожденных нарушений обмена и функций вита­минов мало или почти не отличается от истинной картины алиментарного авитаминоза и ряда наследственных дефектов обмена, своевременное проведение дифференциаль­ной диагностики и патогенетической терапии представляется задачей исключитель­ной важности. В зависимости от причины дефекта терапевтические подходы вклю­чают заместительную терапию, парентеральное введение высоких доз соответствую­щего витамина (мегавитаминная терапия) при врожденном нарушении его всасыва­ния или транспорта, введение кофермента и т. д.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВИТАМИНОВ

Современные методы определения витаминов в биологических объектах делят на физико-химические и биологические.

При взаимодействии витаминов с рядом химических соединений наблюдаются характер­ные цветные реакции, интенсивность окраски которых пропорциональна концентрации вита­минов в исследуемом растворе. Поэтому витамины можно определять фотоколориметрически, например витамин В, — при помощи диазореактива и т. д. Эти методы позволяют судить как о наличии витаминов, так и о количественном содержании их в исследуемом пищевом про­дукте или органах и тканях животных и человека. Для выяснения обеспеченности организма человека каким-либо витамином часто определяют соответствующий витамин или продукт его обмена в сыворотке крови, моче или биопсийном материале. Однако эти методы могут быть применены не во всех случаях. Встречаются трудности при подборе специфического реактива для взаимодействия с определенным витамином. Некоторые витамины обладают способностью поглощать оптическое излучение только определенной части спектра. В частности, витамин А имеет специфичную полосу поглощения при 328 — 330 нм. Измеряя коэффициент поглощения спектрофотометрически, можно достаточно точно определить количественное содержание вита­минов в исследуемом объекте. Для определения витаминов В], В₂ и других применяют флюорометрические методы. Используют и титриметрические методы. Например, витамин С определяют, титруя его раствор в кислой среде 2,6-дихлорфенолиндофенолом.

Биологические методы основаны на определении того минимального количества витами­на, которое при добавлении к искусственной диете, лишенной только данного изучаемого витамина, предохраняет животное от развития авитаминоза или излечивает его от уже раз­вившейся болезни. Это количество витамина условно принимают за единицу (в литературе известны «голубиные», «крысиные» единицы). Большое место в количественном определении ряда витаминов — фолиевой, парааминобензойной кислот и др. — в биологических жидкостях, в частности в крови, занимают микробиологические методы, основанные на измерении ско­рости роста бактерий; последняя пропорциональна концентрации витамина в исследуемом объекте. Количество витаминов принято выражать, кроме того, в миллиграммах, микрограм­мах, международных единицах (ME).

КЛАССИФИКАЦИЯ ВИТАМИНОВ

Современная классификация витаминов не является совершенной; она основана на физико-химических свойствах (в частности, растворимости), химической природе и имеет буквенные обозначения. В зависимости от растворимости различают жиро­растворимые и водорастворимые витамины. В приведенной ниже классификации витаминов, помимо буквенного наименования, в скобках дается обозначение основ­ного биологического эффекта, иногда с приставкой «анти», указывающей на способ­ность данного витамина предотвращать или устранять развитие соответствующего заболевания; далее приводится номенклатурное химическое название каждого вита­мина.

1. Витамин А (антиксерофтальмический); ретинол

2. Витамин D (антирахитический); кальциферолы

3. Витамин Е (антистерильный, витамин размножения); токоферолы

4. Витамин К (антигеморрагический); нафтохиноны

Дата добавления: 2014-12-27