1.2.1.1. Витамин а

Жирорастворимый витамин А, называемый также витамином A_1, ретинолом и аксерофтолом, изучение которого начато в 1909 году, был открыт в неомыляемой фракции жиров в 1912 году; его название предложено в 1916 году, а строение установлено П. Каррером в 1931 году, синтез осуществлён в 1933 году.

Первый полный синтез кристаллического ретинола был осуществлён О. Ислером в 1947 году, и в настоящее время для медицинского применения он получается в основном химическим синтезом. Витамин А представляет собой циклический непредельный одноатомный спирт, состоящий из β-иононового кольца и боковой цепи из двух остатков изопрена и первичной спиртовой группы. Ретинол (в форме сложных эфиров, обычно β-глюкуроната) содержится главным образом в животных продуктах, особенно в печени морских животных и рыб. Человек может удовлетворять свою потребность в витамине А и за счёт растительной пищи, так как содержащиеся в свежих овощах и фруктах провитамины А – каротины (от лат. Daucus carola – морковь) могут подвергаться окислительному расщеплению в печени и слизистой оболочке кишечника до ретинола, который в организме окисляется до ретиналя (альдегид витамина А) и ретиноевой кислоты (вместо спиртовой группы образуется карбоксильная); при этом симметрично построенный β-каротин даёт две молекулы ретинола, а α- и γ-каротины – только по одной.

Витамин А

α-каротин

β-каротин

γ-каротин

Недостаток ретинола (или провитаминов А) в пище особенно опасен для детей, так как он практически отсутствует у новорождённых. У взрослых ретинол способен накапливаться в печени в количествах, обеспечивающих потребности организма в течение двух лет. При недостатке витамина А в первую очередь страдает зрение и проявляются специфические заболевания: ксерофтальмия (сухость роговой оболочки глаза) и гемералопия (нарушение темновой адаптации – ночная, или «куриная», слепота). У молодых растущих организмов происходит также остановка роста, особенно костей, кератинирующая метаплазия (перерождение) эпителиальных клеток («жабья кожа»), клеток надпочечников, эпителия семенников, повреждение тканей центральной нервной системы.

Витамин А участвует во многих биохимических процессах, в особенности связанных с функционированием мембран клеток. Ростовым фактором, по-видимому, является не ретинол, а продукт его окисления в печени – ретиноевая кислота, которая является также и основным продуктом метаболической дезактивации ретинола; следует заметить, что гипервитаминоз А тоже приводит к ряду опасных заболеваний, например ломкости костей.

Ретиноевая кислота

Основную роль в зрительных процессах играют продукты ферментативной изомеризации и окисления ретинола – 11-цис- и полностью транс-ретиналь. Первый из них связывается с белком опсином и образует зрительный пурпур – родопсин, входящий в состав светочувствительных клеток – колбочек и палочек. В ходе сложного процесса восприятия кванта света и трансформации его в нервный импульс 11-цис-ретиналь изомеризуется в составе родопсина до полностью транс-ретиналя, который после диссоциации белкового комплекса восстанавливается до ретинола. Неизбежные потери последнего в этом цикле пополняются из печени.

Витамин A₂ отличается от A₁ добавочной двойной связью между третьим и четвёртым углеродными атомами шестичленного цикла (содержится в печени пресноводных рыб). Обе формы (A₁ и A₂) существуют в виде ряда геометрических изомеров, но лишь некоторые из них физиологически активны. Таким образом, витамин А состоит из смеси циклических ненасыщенных спиртов характерного химического строения с большим числом сопряжённых двойных связей.

Это кристаллические тела лимонно-желтого цвета с температурой плавления от 59 до 64^о C (в зависимости от вида геометрического изомера), хорошо растворимые в жирах и жирорастворителях: бензине, серном эфире, хлороформе, ацетоне и др.

Витамины группы А легко окисляются как в лабораторных условиях (посредством MnO₂), так и в организме. Окисляясь в организме при участии биокатализатора, ретинол (спирт) превращается в ретиналь (альдегид), тоже обладающий активностью витамина А:

Однако при отсутствии O₂ ретинол устойчив даже при 100^о C. В тканях животных организмов, например в печени, витамин А часто находится в форме сложных эфиров с пальмитиновой кислотой. В таком виде он более устойчив и, следовательно, может запасаться впрок, высвобождаясь по мере надобности. К другим тканям и органам ретинол транспортируется, соединяясь с ретинолсвязывающим белком крови, впервые выделенным в 1968 году. (М = 21000, составлен из 181 аминокислотного остатка, первичная структура выяснена в 1974 году).

При отсутствии в пище витамина А в организме животного и человека развивается ряд специфических патологических изменений (А-авитаминоз): ослабление зрения (сумеречная, или «куриная», слепота), поражение эпителиальных тканей (сухость, слущивание эпителия), в том числе роговицы глаза (сухость её и воспаление называется ксерофтальмией, отсюда и название витамина А – антиксерофтальмический). Кроме того, при А-авитаминозе наблюдается торможение роста, падение в массе и общее истощение организма.

Сухость кожи и слизистых оболочек, способствующая проникновению в организм болезнетворных микробов, ведёт к возникновению дерматитов, бронхитов и катаров дыхательных путей. Витамин А, предохраняющий от этих инфекционных заболеваний, относят поэтому к группе антиинфекционных витаминов.

У растений только при достаточном содержании предшественников витамина А (каротиноиды) происходят нормальное прорастание пыльцы и оплодотворение.

Механизм участия витамина А в поддержании нормального состояния эпителиальных тканей неизвестен. Роль его в поддержании остроты зрения выяснена: окисленная форма витамина А (ретиналь) в виде цис-изомера является простетической группой белка – опсина, образуя родопсин – основное светочувствительное вещество сетчатки (ретины) глаза (отсюда и название ретинол). Родопсин открыт более столетия тому назад (в 1876 году) Ф. Боллом.

Опсин имеет М = 38850, содержит два олигосахаридных фрагмента, соединенных с полипептидной цепью из 348 аминокислотных остатков, чередование которых выяснено. Он вмонтирован в мембрану диска наружного сегмента фоторецепторной клетки типа палочки, пронизывая мембрану компактно расположенными семью α-спиралями, к одной из которых присоединен иминной связью, возникающей при взаимодействии альдегидной группы с ε-NH₂-группой лиз₂₉₆, 11-цис-ретиналь. Под действием кванта света происходит превращение цис-ретиналя в транс-форму (чувствительность этой реакции – единичный фотон):

Это, в свою очередь, возбуждает активность родопсина, вследствие чего несколько сотен молекул трансдуцина (~500) – белка (М=85000), относящегося к G-семейству и являющегося вторым членом биохимического каскада усиления светового сигнала (это происходит в течение 1 мс), распадается на α-субъединицу (М = 39000), у которой одновременно гуанозиндифосфат заменяется на гуанозинтрифосфат, и димер из β- и γ-субъединиц (М = 35000 и 8000 соответственно). Комплекс α-субъединицы трансдуцина с гуанозинтрифосфатом взаимодействует с третьим членом каскада усиления – фосфодиэстеразой циклического гуанозинмонофосфата (состоит из четырёх субъединиц: α – 88 кДа, β – 84 кДа и двух γ, по 11 кДа каждая), которая в присутствии белка, её активирующего (он является интегральным белком ретинальной мембраны), превращает в течение секунды несколько сотен молекул цГМФ в линейные. Гидролиз циклического гуанозинмонофосфата сопровождается закрытием натриевых каналов плазматической мембраны фоторецепторной клетки, её гиперполяризацией и возникновением электрического импульса, поступающего в синапс внутреннего сегмента и передаваемого в центральную нервную систему. Проходящий одновременно процесс фосфорилирования С-концевой части молекулы родопсина снимает его дальнейшее воздействие на распад трансдуцина, то есть фоторецепторный цикл завершается.

Квантово-химические расчеты строения ретиналя позволяют более глубоко понять его возможную роль в зрительном акте. Система из сопряженных двойных связей в молекуле ретиналя создаёт условия для возникновения геометрических изомеров в первую очередь (как это следует из значений порядка связей) по двойным связям между 9 – 10м и 11 – 12м атомами углерода (они здесь минимальны по сравнению с таковыми при 7 – 8м и 13- 14м атомами):

Если при взаимодействии цис-ретиналя (в составе родопсина) с квантами света происходит возбуждение электронов, что можно рассматривать как начальную фазу возникновения электрического импульса, то, видимо, цис-транс-переход может служить своеобразным блокирующим механизмом, обеспечивающим односторонний ход процесса утилизации световой энергии.

Источниками витамина А для человека являются рыбий жир, печень рыб и домашних животных, желток яйца, сливочное масло, зеленые части растений и красномякотные овощи (морковь, перец, томаты и др.). В двух последних витамин А содержится в виде провитамина, которым является β-каротин. Молекула β-каротина распадается в кишечной стенке человека и животных с образованием двух молекул витамина А₁.

Применение витамина А в животноводстве приносит ощутимый эффект. Когда жарким летом пастбища выгорают и содержание витамина А, а точнее провитамина А – каротина в травах резко падает, у каракульских овец возникает А-авитаминоз, снижающий их плодовитость. Подкормка витамином А обеспечивает возрастание приплода на 5 – 7 ягнят на каждые 100 овцематок, то есть примерно на 3 млн. ягнят в южных районах нашей страны. Кроме того, добавление витамина А или каротина в корм молодняку (цыплята, телята, поросята) обеспечивает их лучшую выживаемость и более быстрый рост, а включение его в рационы при откорме крупного рогатого скота повышает прирост живой массы на 12 – 15%.

Если попытаться обобщить биохимические функции витамина А, то его роль заключается в следующем:

1. Ретинол является структурным компонентом клеточных мембран.

2. Регулирует рост и дифференцировку клеток эмбриона и молодого организма, а также деление и дифференцировку быстро пролиферирующих тканей, в первую очередь, эпителиальных, хряща и костной ткани. Он контролирует синтез белков цитоскелета, реакции распада и синтеза гликопротеинов. Синтез последних осуществляется в аппарате Гольджи. Недостаток витамина А приводит к нарушению синтеза гликопротеинов (точнее, реакций гликозилирования, то есть присоединения углеводного компонента к белку), что проявляется потерей защитных свойств слизистых оболочек.

3. Участвует в фотохимическом акте зрения.

4. Является важнейшим компонентом антиоксидантной защиты организма.

5. Витамин А и ретиноиды стимулируют реакции клеточного иммунитета, в частности, увеличивают активность Т-киллеров.

6. Витамин А является антиканцерогенном, так как при его недостатке в организме увеличивается заболеваемость раком легкого и раком других локализаций.

Рассмотрим подробнее участие витамина А в антиоксидантной защите организма. Благодаря наличию сопряженных двойных связей в молекуле ретинол способен взаимодействовать со свободными радикалами различных типов, в том числе и со свободными радикалами кислорода. Эта важнейшая особенность витамина позволяет считать его эффективным антиоксидантом.

Антиоксидантное действие ретинола проявляется также в том, что он значительно усиливает антиоксидатное действие витамина Е. Вместе с токоферолом и витамином С он активирует включение Se в состав глутатионпероксидазы (фермента, обезвреживающего перекиси липидов). Витамин А способствует поддержанию SH-групп в восстановленном состоянии (SH-группам многообразного класса соединений также присуща антиоксидантная функуия). В частности, препятствуя окислению SH-содержащих белков и образованию в них поперечных S-S-сшивок в составе кератина, ретинол тем самым уменьшает степень кератинизации эпителия (усиление кератинизации кожи приводит к развитию дерматита и раннему старению кожи).

Однако витамин А может проявлять себя и как прооксидант, так как он легко окисляется кислородом с образованием высокотоксичных перекисных продуктов. Полагают, что симптомы гипервитаминоза А как раз и обусловлены его прооксидазным действием на биомембраны, особенно усиливается процесс перекисного окисления липидов в лизосомных мембранах, к которым витамин А проявляет выраженную тропность. Витамин Е, предохраняя ненасыщенные двойные связи ретинола от окисления и образования вследствие этого свободнорадикальных продуктов самого ретинола, препятствует проявлению его прооксидантных свойств. Необходимо отметить и синергическую с токоферолом роль аскорбиновой кислоты в этих процессах.

В настоящее время большое внимание в мировой литературе уделяется производным витамина А – ретиноидам. Полагают, что их механизм действия сходен со стероидными гормонами. Ретиноиды действуют на специфические рецепторные белки в клеточных ядрах. Далее такой лиганд-рецепторный комплекс связывается со специфическими участками ДНК, которые контролируют транскрипцию специальных генов. Идентификация этих генов служит предметом активного научного поиска.