Биохимия пособие Коновалова 2012
.pdfЛекция 35
ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ВИТАМИНЫ
Особенности водорастворимых витаминов:
1.Растворимы в воде.
2.Характерна коферментная функция (кроме витаминов С и Р).
3.Не депонируются.
4.Не вызывают гипервитаминозов.
Витамин С (аскорбиновая кислота, антискорбутный)
0
11
п |
|
|
|
но— с |
|
|
|
но— с ? |
~2Н |
|
|
Н - С — 1 |
+2H |
I |
|
1 |
но— |
н |
|
но—<j:— н |
|
||
сн2он |
|
сн2он |
|
L-аскорбиновая кислота |
дегндроаскорбиновая кислота (ДЛК) |
Химическая природа аскорбиновой кислоты была выяснена по сле выделения ее в кристаллической форме из ряда животных и расти тельных продуктов. Большое значение в этих исследованиях имели работы А. Сент-Дьердьи и Хэворта. Строение витамина С было окон чательно установлено синтезом его из L-ксилозы. Витамин С получил название L-аскорбиновой кислоты. Аскорбиновая кислота является ненасыщенным соединением и не содержит свободной карбоксильной группы. Кислый характер этого соединения обусловлен наличием двух гидроксилов у второго и третьего углеродного атома, способных к Диссоциации с отщеплением протонов. Витаминные свойства обу словлены наличием лактонного кольца, после его раскрытия витамин ные свойства исчезают.
L-Аскорбиновая кислота представляет собой кристаллическое соединение, легко растворимое в воде с образованием кислых раство ров. Особенностью этого соединения является его способность к обра тимому окислению (дегидрированию) с образованием дегидроаскорбиновой кислоты. Таким образом, L-аскорбиновая кислота и ее дегид- Р°форма образуют окислительно-восстановительную систему, которая может как отдавать, так и принимать электроны и протоны. Антискорбутным действием обладают L-аскорбиновая кислота, Дегидроакскор-
3 4 1
биновая кислота и аскорбиген (запасная растительная форма). В прй сутствии широко распространенного в растительных тканях фермента аскорбиноксидазы, или аскорбиназы, аскорбиновая кислота окисляется кислородом воздуха с образованием дегидроаскорбиновой кислоты Аскорбиновая кислота (особенно ее дегидроформа), является весьма неустойчивым соединением. Превращение в дикетогулоновую кислоту, не обладающую витаминной активностью, является необратимым процессом, который заканчивается обычно окислительным распадом. Наиболее быстро витамин С разрушается в присутствии окислителей в нейтральной или щелочной среде при нагревании. По этому при различных видах кулинарной обработки пищи и при изго товлении овощных и фруктовых консервов часть витамина С обычно теряется. Особенно быстро витамин С разрушается в присутствии со
лей тяжелых металлов (железо, медь).
Биохимические функции
Витамин С играет важную роль во внеклеточной и внутрикле точной антиоксидантной защите. Антиоксидантная функция аскор биновой кислоты обусловлена ее способностью легко отдавать два атома водорода, которые используются в реакциях обезвреживания свободных радикалов. Выраженный антиоксидантный эффект аскор биновой кислоты проявляется только при совместном введении с то коферолом, так как именно витамин Е способен эффективно устра нять свободные радикалы жирных кислот и их перекиси, образующие ся в реакциях ПОЛ. Таким образом, аскорбиновая кислота стабилизи рует витамин Е, который легко разрушается, а витамин Е усиливает антиоксидантное действие витамина С. Помимо токоферола синергистом антиоксидантного действия аскорбата является витамин А.
Важную роль играет витамин С в реакциях восстановления.
1)Витамин С участвует во всасывании железа из кишечника и высвобождении железа из связи его с транспортным белком крови - трансферрином, облегчая поступление этого металла в ткани.
2)Аскорбиновая кислота необходима для образования актив
ных форм фолиевой кислоты.
3) Защищает железо гемоглобина и оксигемоглобина от окисле
ния.
4) Поддерживает железо цитохромов Р450 в восстановленном
состоянии.
5) Аскорбиновая кислота может включаться в работу дыхатель ной цепи митохондрий, являясь донором электронов для цитохрома С- Очень важную роль играет аскорбат в реакциях гидроксилир0
вания.
342
1) Гидроксилирование пролина и лизина при синтезе коллагена, осуществляемое пролин-гидроксилазой с участием витамина С. ОНуПпы гидроксипролина участвуют в стабилизации структуры, фор мируя водородные связи между цепями триплетной спирали зрелого коллагена. Остатки гидроксилизина в коллагене служат для образова
ния участков связывания с полисахаридами.
2)Гидроксилирование триптофана в 5-гидрокситриптофан (при синтезе серотонина).
3)Реакции гидроксилирования при биосинтезе гормонов корко
вой имозговой части надпочечников.
{Пп Гидроксилирование пара-гидроксифенилирувата в гомогентизшювую кислоту.
5)Гидроксилирование бутиробетаина при синтезе карнитина.
6)Витамин С активно участвует в обезвреживании ксенобиоти ков (чужеродных дтя организма соединений), осуществляемом оксиге- назной системой цитохромов Р450 микросом.
Витамин С является антиканцерогеном не только потому, что обладает антиоксидантным действием, но также в силу способности ингибировать синтез нитрозаминов (эти мощные канцерогены обра зуются в кислой среде желудка из нитритов и аминосоединений пи щи).'
, Гипо- и авитаминоз
К числу наиболее известных с давних времен заболеваний, воз никающих на почве дефектов в питании, относится цинга, или скорбут («язвенный рот»), или худосочная болезнь. В средине века в Европе цинга была одной из страшных болезней, принимая иногда характер эпидемий. Наибольшее число жертв цинга уносила в зимнее и весен нее время года, когда население было лишено возможности получать в достаточном количестве свежие овощи и фрукты.
Окончательно вопрос о причинах возникновения и способах ле чения цинги был разрешен экспериментально лишь в 1907-1912 гг. в опытах на морских свинках. Оказалось, что морские свинки, подобно людям, подвержены заболеванию цингой, которая развивается на почве недостатков в питании. Стало очевидньм, что цинга возникает при отсутствии в пище особого фактора. Этот фактор, предохраняющий от Цинги, получил название витамина С (антицинготного или антискорбутного витамина).
Одно из первых описаний цинги дал путешественник Джеквиз ^аРти, исследовавший бассейн реки Святого Лоуренса в 1536 году: Одни из нас потеряли все силы и не могли встать на ноги.... Кожа других стала пятнистой, с синяками на лодыжках, коленях, бедрах, ру
343
ках и шее. Изо рта их исходило зловоние, их десны так сгнили, что вся плоть исчезла, обнажив корни зубов, которые также почти все выда. ли”.
Гиповитаминоз С проявляется быстрой утомляемостью, крово точивостью десен, снижением устойчивости организма к инфекциям При далеко зашедшем гиповитаминозе С может развиться цинга, если содержание витамина С в организме меньше 300 мг (в норме 1,5 Гр) Для клинической картины цинги характерно опухание десен, расша тывание и выпадение зубов, отечность и болезненность суставов. Воз никают кровоизлияния в мышцах, коже, суставах, трофические язвы ног. Появляется сердечная недостаточность.
Патогенез цинги может быть представлен следующими механизмами:
1)Нарушением окислительно-восстановительных процессов в пенгозном цикле. Это объясняется тем, что аскорбиновая кислота и ее дегидроформа образуют окислительно-восстановительную систему. В пенгозном цикле аскорбиновая кислота служит переносчиком водоро да. Она легко окисляется, отдавая два атома водорода. Образующаяся дегидроаскорбиновая кислота легко восстанавливается за счет окисле ния других соединений.
2)Гипофункцией надпочечников. Известно, что аскорбиновая кислота необходима для синтеза гормонов надпочечников. Понижение
еесодержания в данной железе свидетельствует о низкой функцио
нальной способности надпочечников.
3)Падением активности ряда ферментов, в частности гексокиназы. Это приводит к задержке всасывания углеводов из кишечника, нарушению запасания гликогена в печени, что может вести вначале к гипергликемии, а затем и к гипогликемии. В печени накапливаются нейтральные липиды (развивается жировая инфильтрация печени).
4)Торможением синтеза белков и усилением их распада. Это вызывает следующие явления: а) возникновение дистрофических из менений в организме, слабость сердечной мышцы; б) торможение ак тивности остеобластов, в результате задерживается образование бел ковой костной матрицы и, следовательно, нарушаются процессы око стенения; в) уменьшение выработки антител и как следствие этого - снижение устойчивости организма к инфекциям; г) нарушение образо вания коллагена из проколлагена, что ведет к снижению эластичности сосудистой стенки, увеличению их проницаемости, кровотечениям и
отекам, заживление ран ухудшается.
Источники и суточная потребность
Большинство животных, за исключением морских свинок и при'
344
маТОв, не нуждается в получении витамина С извне, так как аскорбиноВая кислота синтезируется у них в печени. Человек не обладает спо собностью к синтезу витамина С и должен обязательно получать его с
пишей-
Основными источниками витамина С являются растения. Осо бенно много аскорбиновой кислоты в шиповнике, перце, хрене, ягодах рябины, черной смородины, земляники, клубники, цитрусовых, капус те (как свежей, так и квашенной), шпинате. Картофель, хотя и содержпт значительно меньше витамина С, чем вышеперечисленные про дукты, но, принимая во внимание значение его в нашем питании, сле дует признать наряду с капустой основным источником снабжения ви тамином С. Важнейшими источниками витамина С непищевого харак тера является шиповник, хвоя (сосны, ели и лиственницы) и листья черной смородины.
Суточная потребность взрослого человека в витамине С состав ляет 70-120 мг.
По мнению Л. Поллинга, большинство простудных заболеваний может быть предотвращено или существенно ослаблено диетой, без использования каких-либо лекарств. В качестве такого диетического вещества может быть использована аскорбиновая кислота. Для этой цели он рекомендовал от 0,25'до 10 г аскорбиновой киЪлоты в сутки. Оптимальная доза —1,0 г (по 250 мг 4 раза в день во время приема пи щи). При контакте с больным, утомлении или охлаждении дозу необ ходимо несколько увеличить. При начавшемся простудном заболева нии суточная доза первые четыре дня составляет 4 г, следующие 3-4 дня - 3 г, затем в течение 6-8 дней доза снижается до 2 и 1 г.
Согласно гипотезе Л. Поллинга, эффективность протекторного действия аскорбиновой кислоты при вирусных инфекциях обусловле на повышением синтеза и активности интерферона с антиоксидантным действием, а также тем, что аскорбиновая кислота является физиоло гическим ингибитором гиалуронидазы. По расчетам Л. Поллинга, ка ждый человек должен потреблять в год 0,5 кг аскорбиновой кислоты (чуть менее 1,5 г в сутки). В настоящее время высказаны опасения, что при длительном применении в больших дозах аскорбиновая кислота может оказывать угнетающее влияние на инсулярный аппарат подже лудочной железы и повреждать гломерулярный аппарат почек, вызы вая тем самым гипертоническую реакцию.
Показателями обеспеченности организма аскорбиновой кисло той являются определение ее ренальной экскреции (в норме 20-30 мг в вутки), содержание в плазме крови (в норме 0,007-0,012 г/л) и лейко цитах (в норме 0,2-0,3 г/л), а также тесты на проницаемость сосудов (проба Нестерова и др.).
345
Витамин Р (витамин проницаемости)
углеродный скелет рутина
Имеется целая группа природных соединений (биофлавоноиды), обладающих свойствами витамина Р. Эта группа включает в себя бо лее 600 соединений. Основные представители биофлавоноидов: 1) ру тин из листьев гречихи; 2) катехин из листьев чайного дерева; 3) гесперидин (цитрин) из кожуры цитрусовых.
Биохимические функции
\ ^Витамин Р предназначен для лучшего всасывания и эффективно го Действия витамина^JC. Предохраняет аскорбиновую кислоту от окисления, а также способствует восстановлению ДАК^Витамин Р об ладает высокой проникающей способностью и поэтому укрепляет ка пилляры и регулирует их проницаемостьНАктивно помогает витамину
'С в формировании и функционировании соединительной ткани.-Вита- мину Р присуще антиоксидантное и гиполипидемическое действие (снижает скорость окисления ЛПОНП)£уменьшает агрегацию тромбо цитов.
Гиповитаминоз
При недостатке витамина Р повышается хрупкость капилляров и даже при легких ударах на теле появляются синяки. Наблюдаются бо ли в ногах и утомляемость при ходьбе.
Источники и суточная потребность
Витамин Р содержится в черной смородине, перце, гречке, ка пусте, салате, помидорах, винограде, цитрусовых, шиповнике.
Суточная потребность взрослого человека - 25-50 мг. Эффективность витамина Р повышается при совместном приеме
с витамином С.
346
Витамин В] (тиамин, антиневритный)
NH
Г с"' с—сн2-сн2-он
Н,С
В химической структуре витамина В] содержатся два кольца - пиримидиновое и тиазоловое, соединенные метиленовой связью. Тиа мин хорошо растворим в воде, водные растворы его в кислой среде выдерживают нагревание до высоких температур. В нейтральной и щелочной среде витамин В! быстро разрушается при нагревании.
Витамин Bi, содержащийся в продуктах, активно всасывается в тонком кишечнике. При нарушении структуры и функции слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта (воспалительный процесс) всасывание существенно снижается.
Главным образом в печени тиамин подвергается фосфорилиро ванию. При этом образуются моно-, ди- и трифосфаты. Главное значе ние для организма имеет тиаминдифосфат (тиаминпирофосфат - ТПФ), образующийся только при достаточном снабжении органов и тканей кислородом.
Элиминация фосфорилированного тиамина осуществляется пу тем деградации в тканях, преимущественно в печени. Экскреция обра зовавшихся метаболитов тиамина (их более 10) и витамина Bi в неиз мененном виде происходит с мочой.
Биохимические функции
Витамин В1 в форме ТПФ (коферментная форма) является со ставной частью ферментов, катализирующих реакции окислительного декарбоксилирования кетокислот.
1.Реакции окислительного декарбоксилирования
1.1.Окислительное декарбоксилирование ПВК катализирует пи-
Руватдегидрогеназа (коферментом является ТПФ). — Окислительное декарбоксилирование пирувата является одной из ключевых реакций в обмене углеводов. В результате этой реакции
вцетил-КоА, образовавшийся из пировиноградной кислоты, вюпочается в главный метаболический путь клетки —цикл Кребса, где окисля-
347
ется до углекислоты и воды с выделением энергии. Таким образ0(я благодаря реакции окислительного декарбоксилирования пируВат^ создаются условия для полного окисления углеводов и утилизации всей заключенной в них энергии. Кроме того, образующийся ацетилКоА служит источником для синтеза многих соединений: жирных ки слот, холестерина, стероидных гормонов, кетоновых тел.
1.2.Окислительное декарбоксилирование а-кетоглутатарата ка тализирует а-кетоглутаратдегидрогеназа. Этот фермент является со ставной частью цикла Кребса. Строение и механизм действия а- кетоглутаратдегидрогеназного комплекса схожи с пируватдегидрогеназным, т. е. ТПФ также катализирует начальный этап превращения кетокислоты. Таким образом, от степени обеспеченности клетки ТПф зависит бесперебойная работа ЦТК.
1.3.ТПФ принимает участие в окислительном декарбоксилировании кетокислот с разветвленным углеродным скелетом ^продукты дезаминирования валина, изолейцина и лейцина), Эти реакции играют
важную роль в процессе утилизации аминокислот и, следовательно, белков клеткой.
2. Участвует в транскетолазных реакциях пентозофосфатного пути
ТПФ —кофермент транскетолазы. Транскетолаза - фермент пен тозофосфатного пути окисления'углеводов. Физиологическая роль этого пути заключается в том, что он является основным поставщиком НАДФН2 и рибозо-5-фосфата.
3. Витамин Bi принимает участие в синтезе ацетилхолина
Катализируя в пируватдегидрогеназной реакции образование ацетил-КоА - субстрата ацетилирования холина. Кроме того, тиамин, ингибируя холинэстеразу, препятствует разрушению ацетилхолина.
Гипо- и авитаминоз
Тиамин абсолютно необходим для обмена углеводов. При недос таточности этого витамина в организме нарушается дальнейшее окис ление пировиноградной кислоты и развивается пищевой полиневрит. Эта болезнь в недалеком прошлом была известна под названием берибери («ножные оковы»). Она встречается, главным образом, в странах, где население питается почти исключительно полированным рисом (Юго-Восточная Азия), когда в организм поступает меньше 0,4 мг/сутки витамина Bi. Бери-бери проявляется следующими симптома-
3 4 8
й- 1) со стороны нервной системы - полиневрит; 2) со стороны сер дечно-сосудистой системы - кардиомегалия, нарушение сердечного пйТма, сердечно-сосудистая недостаточность; 3) со стороны пищева рительной системы - угнетения перистальтики кишечника и секреции
pjCl в желудке.
Дефицит витамина Bi имеет место у больных, страдающих хро ническим алкоголизмом, что проявляется: 1) энцефалопатией ГайеЗернике (двигательное возбуждение, бред, галлюцинации, нистагм, атаксия, апатия, дезориентация в пространстве, спутанность сознания, нарушение сердечного “ритма и функции печени); 2) Корсаковским психозом (ретроградная амнезия, конфабуляции —ложные воспомина ния, неспособность усваивать информацию, болтливость, полиневрит). Однако наиболее частой причиной развития недостаточности тиамина является нарушение его всасывания в кишечнике при хронических за болеваниях (энтериты, энтероколиты).
Для авитаминоза Bi характерно поражение нервной системы (развитие параличей, потеря памяти на недавние события, склонность к галлюцинациям, расстройство походки). Гистологически отмечается дегенерация нервных волокон, миелиновой оболочки периферических нервов и задних столбов спинного мозга. Также наблюдаются нару шения функции эндокринных желез, сердца, пищеварительного аппа рата, потеря аппетита, падение массы тела.
Патогенез бери-бери
В основе патогенеза бери-бери лежат ферментативные наруше ния. Витамин Bi в виде тиаминдифосфата входит в состав ряда фер ментов (см. выше). При дефиците тиамина возникает недостаточ ность пируватдегидрогеназы, а-кетоглутаратдегидрогеназы, транскетолазы.
Вследствие недостаточности пируватдегидрогеназы при дефици те витамина В] происходит накопление молочной и пировиноградной кислот в тканях и крови. Отмечается сдвиг pH в кислую сторону (аци доз). Молочная и пировиноградная кислоты раздражают болевые ре цепторы нервных окончаний, следствием этого является возникнове ние болевой реакции. Накопившаяся пировиноградная кислота не в состоянии подвергнуться окислительному превращению, поэтому уг леводы не превращаются в липиды, стероиды, ацетилхолин. Наруше ние синтеза стероидов может послужить причиной эндокринных рас стройств. Снижение синтеза ацетилхолина приводит к нарушению пе редачи нервного импульса (преобладает симпатическая иннервация), Угнетается перистальтика кишечника, секреторная функция желудка. Недостаточность а-кетоглутарат-дегидрогеназы приводит к наруше
349
нию работы ЦТК.
При бери-бери снижается активность транскетолазы пентозофосфатного пути, что приводит к нарушению биосинтеза нуклеиновых кислот и белков. Белковый баланс становится отрицательным, проис ходит потеря массы тела, истощение организма.
^Источники и суточная потребность
Витамин В) содержится преимущественно в продуктах расти тельного происхождения: в злаках, крупах (овес, гречиха, пшено), в муке грубого помола (при тонком помоле наиболее богатые витами ном Bj части зерна удаляются с отрубями, поэтому в высших сортах муки и хлеба содержание витамина В! резко снижено), бобовых, фун дуке, грецких орехах, дрожжах.
Суточная потребность в витамине В! взрослого человека состав ляет 2-3 мг.
Для оценки обеспеченности им организма определяют содержа ние тиамина, пировиноградной кислоты в моче и ТПФ в плазме крови. Однако наиболее специфичным показателем является исследование стимулирующего действия ТПФ на активность транскетолазы в эрит роцитах (так называемый ТПсЬ-эффект).
Витамин В2 (рибофлавин, витамин роста)
рибофлавин
Витамин В2 - желтое кристаллическое вещество, хорошо раство римое в воде, разрушающееся при облучении ультрафиолетовыми лу чами с образованием биологически неактивных соединений (люмифлавин в щелочной среде и люмихром в нейтральной или кислой). Он относится к группе естественных пигментов, известных под названием флавинов.
Витамин В2 представляет собой метилированное производное изоаллоксазина, к которому в положении 9 присоединен спирт рибитол; поэтому витамин В2 часто называют рибофлавином.
Наличие активных двойных связей в циклической структуре ри бофлавина обуславливает некоторые химические реакции, лежащие в
350