Филиппович Ю.Б. - Основы Биохимии

Особенно велико значение витаминов для развивающегося детского ор­ ганизма, о чем дает представление табл. 13.

Таблица 13

Суточва. потребность (мr) в некоторых BRТ8МВn8X ДJII1 дете' 8 подростков

(по М. и. Смирнову, 1974)

По растворимости в воде и жировых растворителях витамины делят на две

группы: водо- и жирорастворимые.

Жирорастворимым и некоторым водорастворимым витаминам свойст­ венна вumамерuя. Явление это состоит в том, что физиологическим

действием, характерным для того или иного витамина, обладает не одно,

а несколько сходных по химическому строению соединений, наз'ываемых

виmамерами.

По физиологическому действию на организм человека витамины принято делить на следующие группы (табл. 14).

Аналогичное влияние оказывают иитамины на процессы. жизнедеятель­ ности у животных. Отсутствие или недостаток витаминов в корме приводит

к нарушению нормального развития, замедлению роста, снижению продук­

150

в рацион питания животных позволяет резко повысить продуктивность животноводства.

Таблица 14

ljJупповая характерастика некоторых витаминов

(по п. и. ШнловУ D Т. Н. Яковлеву, 1974)

1 IeмоppaлIJI (от rpeч. гaii.мa-EpOBЬ врагг-ПРОРЫВ)-Jl:ровотечение, ЕрОвоизлияние. выход ЕрОви из сосудов.

Витамин А (ретинол). Изучение этого витамина начато в 1909 г., а синтез

осуществлен в 1933 г. Витамин А имеет несколько витамеров, из которых

наиболее распространенным считают витамин Аl (его много в печени морских рыб):

Ретиноn (витамии A1)

Витамин Az отличается от Аl добавочной двойной связью между З-м и 4-м

углеродными атомами шестичленного цикла (содержится в печени пресновод­

ных рыб). Обе формы (А1 и А2) 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 сопряженных двойных связей.

Это кристаллические тела лимонно-желтого цвета с температурой плавле­ ния от 59 до 640 С (в зависимости от вида геометрического изомера), хорошо растворимые в жирах и жирорастворителях: бензине, серном эфире, хлорофор­

ме, ацетоне и др.

Витамины группы А легко окисляются как в лабораторных условиях (посредством МПО2), так и в организме. Окисляясь в организме при участии

биокатализатора, ретинол (спирт) превращается в ретиналь (альдегид), тоже обладающий активностью витамина А:

151

Однако при отсутствии 02 ретинол устойчив .1аже при 1000 с. 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, соединя­

ясь с ретинолсвязывающим белком крови, впервые выделенным в 1968 г.

(М=21 000, составлен из 181 аминокислотного остатка, первичная структура

выяснена в 1974 г.).

При отсутствии в пище витамина А в организме животного и человека

развивается ряд специфических патологических изменений (А-авитаминоз):

I ослабление зрения (сумеречная, или «куриная», слепота), поражение эпители­

альных тканей (сухость, слущивание эпителия), в том числе роговицы глаза

(сухость ее и воспаление называются ксерофтальмией, отсюда и название витамина A-антиксерофтальмическиЙ). Кроме того, при А-авитаминозе

наблюдается торможение роста, падение в массе и общее истощение ор­

ганизма.

Сухость кожи и слизистыIx оболочек, способствующая проникновению в организм болезнетворных микробов, ведет к возникновению дерматитов,

бронхитов и катаров дыхательных путей. Витамин А, предохраняющий от

этих инфекционных заболеваний, относят поэтому к группе анmинфекцион­

ных витаминов.

у растений только при достаточном содержании предшественников вита­

мина А (каротиноиды) происходят нормальное Прорастание ПЫЛЬЦЫ и опло­

дотворение.

Механизм участия витамина А в поддержании нормального состояния

эпителиальных тканей неизвестен. Роль его в поддержании остроты зрения

выяснена: окисленная форма витамина А (реmналь) в виде цис-изомера является простетической группой белка-опсина, образуя родопсин-основ­ ное светочувствительное вещество сетчатки (ретины) глаза (отсюда и название

ретинол). Родопсин открыт более столетия тому назад (1876) Ф. Боллом.

Опсин имеет М =38850, содержит два олигосахаридных фрагмента, соеди­ ненных 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 tX-спиралями, к одной из которых присоединен имин­

ной связью, возникающей при взаимодействии альдегидной группы с E-NНz- группой ЛUЗ296, ll-цис-ретиналь (рис. 60). Под действием кванта света проис­

ходит превращение цис-ретиналя в транс-форму (чувствительность этой реак­ ции-единичный фотон):

152

Ввутренвее

щ:iocтpaиcrвo

двс:ха

Рис. 60. Структура фоторецепториого белка-родопсина и ero расположение

вмембране диска фоторецепторнОЙ клетки (пояснение в'тексте):

влевом верхнем углу рисунха-фрагмент наружного сегмента фоторсцепторной хлетхи, состоящего

примерно из двух тысач дисков; квадратом обозначено местоположение родопсина в мембране

Это, в свою очередь, возбуждает активность родопсина, вследствие чего

несколько сотен молекул трансдуцина ( '" 500) - белка (М= 85 000), относящего­

ся к О-семейству (см. с. 457) и являющегося вторым членом биохимического

каскада усиления светового сигнала (это происходит в течение 1 мс), распадает­

ся на tX-субъединицу (М = 39 000), у которой одновременно гуанозиндифосфат

заменяется на гуанозинтрифосфат (см. с. 458), и димер из 13- и у-субъединиц (М= 35 000 и 8000 соответственно). Комплекс tX-субъединицы трансдуцина

с гуанозинтрифосфатом взаимодействует с третьим членом каскада усиления­

фосфоДИэстеразой циклического гуанозинмонофосфата (состоит из четырех субъединиц: (Х-88 кДа, 13-84 кДа и двух у, по 11 кДа каждая), которая

в присутствии белка, ее активирующего (он является интегральным белком ретинальной мембраны), превращает в течение секунды несколько сотен моле­

кул цГМФ в линейные. Гидролиз циклического гуанозинмонофосфата сопровож­ дается закрытием натриевых каналов плазматической мембраны фоторецептор­

ной клетки, ее 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 (см. рис. 60) снимает его дальнейшее воздействие на распад трансдуцина, т. е. фоторецепторный цикл завершается.

Квантово-химические расчетыI строенияретиналя позволяют более глубоко понять его возможную роль в зрительном акте. Система из сопряженных

153

двойных связей в молекуле ретиналя создает условия для возникновения

геометрических изомеров в первую очередь (как это следует из значений

порядка связей-см. с. 191) по двойным связям между 9-10-м и 11-12-м

атомами углерода (они здесь минимальны по сравнению с таковыми при

7-8-м и 13-14-M атомами):

Если при взаимодействии цис-ретиналя (в составе родопсина) с квантами света

происходит возбуждение электронов, что можно рассматривать как началь­

ную фазу возникновения электрического импульса, то, видимо, цис-транс­ переход может служить своеобразным блокирующим механизмом, обеспечи­

вающим односторонний ход процесса утилизации световой энергии..

Источниками витамина А для человека являются рыбий жир, печень рыб

идомашних животных, желток яйца, сливочное масло, зеленые части растений

икрасномякотные овощи (морковь, перец, томаты и др.). в двух последних

витамин А содержится в виде провитамина, которым является Р-каротин. Молекула Р-каротина распадается в кишечной степке человека и животных

с образованием двух модекул витамина Аl (см. с. 418).

. Применение витамина А в животноводстве приносит ощутимый эффект. Когда жарким летом пастбища выгорают и содержание витамина А, точнее.

провитамина А-каротина в травах резко падает, у каракульских овец воз­

никает А-авитаминоз, снижающий их плодовитость. Подкормка витамином

А обеспечивает возрастание приплода на 5-7 ягнят на каждые 100 овцематок,

т. е. 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%.

Витамин D (кальциферол). Изучение этого витамина начато в 1916 г.; в 1931 г. он бьш получен синтетическим путем.

Как и витамин А, витамин D существует в виде нескольких витамеров. Наиболее распространены витамины О2 и Dз; их можно рассматривать как

производные стеролов (см. гл. IX):

Провитаминами D2 и· Dз являются соответственно эргостерол и холесте­

рол, которые переходят в активную форму в результате размыкания связи

между 9-м и lO-м углеродными атомами кольца В под действием солнечной

радиации (холестерол предварительно дегидрируется и переходит в 7-дегид­

рохолестерол, являющийся непосредственно провитамином). Следовательно,

при наличии соответствующих провитаминов (например, 7-дегидрохолестерол

154

OкoIIОЩИn>ВИДИЫС

железы

Рис. 61. Превращения витамина Dз• их регуЛJIЦИJl И воздействие диокси­ производных на фосфОРНО-J:альциевый обмен

У человека) витамин Dэ может синтезироваться в организме, и его поступление с пищей не обязательно.

Витамины D2 и Dэ- бесцветные кристаллыI' плавящиеся при температуре

115-116°

ирастворителях жиров (хлороформ, бензол, серный и уксусно-этиловый эфир,

ацетон, спирт). Оба они малостабильны и быстро разрушаются под действием

окислителей (распад идет по двойной связи между 7-м и 8-м углеродными

атомами кольца В) и минеральных кислот.

При отсутствии в рационе витамина D у детей развивается широко извест­

ное заболевание-рахит. Причина его состоит в расстройстве фосфорно-каль­ циевого обмена и нарушении нормального отложения фосфата кальция в кост­ ной ткани. Предполагают, что при D-авитаминозе нарушается всасывание Са

иР в желудочно-кишечном тракте и образование фосфорных эфиров ряда

органических соединений; вероятно, оба эти процесса взаимосвязаны. В по­

следнее время показано, что всасывание, перенос Са и кальцификация костей регулируются не непосредственно витамином Dэ, а его гормонально-актив­

ным метаболитом, содержащим оксигруппы в l-м И 25-м положениях. Именно он, связываясь с ядерными рецепторами, обеспечивает биосинтез информаци­ онной РНК дЛЯ наработки Са-связывающих белков и гормонов (кальцитонин

И паратгормон), регулирующих обмен кальция (рис. 61).

Источником витамина D для человека являются рыбий жир, сливочное

масло, желток яйца, печень животных, молоко.

Особенно важен витамин D для KYP-несl,illек и дойныIx коров. Подсчитано.

что в скорлупу куриного яйца переходит /10 часть всего Са, содержащегося

в теле курицы, а с каждым литром молока из организма коровы вьmОСИТСJl

более 1 г Са. Даже малейшее нарушение всасывания Са в кишечнике животных· при D-авитаминозе пагубно сказывается на их состояции и продуктивности.

155

Поэтому витамин D находит широкое применение в животноводстве для

повышения продуктивности птицы и крупного рогатого скота, обеспечивая рост привесов на 12-15%.

Витамин Е (токоферол). Первые сведения о существовании витамина, регу­

лирующего процесс размножения, появились в 1922 г. Однако только в 1936 г.

из масла пшеничных зародышей и хлопкового масла были выделены три производных бензопирана, которые оказались витамерами витамина Е: (Х-, 13- и 'У-токоферолами (от греч. mокос-потомство, феро-несу). В 1938 г. (Х­

токоферол был синтезирован:

р.Токоферол отличается от (Х-токоферола тем, что лишен метильной группы

в положении 7, а 'У-токоферол--в положении 5. В последующее время "бьши

выделены еще четыре токоферола, отличающиеся числом и расположением метильных групп в бензольном ядре.

токоферолыI-бесцветные маслянистые жидкости, хорошо растворимые

в растительных маслах, спирте, серном и петролейном эфире. Химически они

весьма устойчивы; выдерживают нагревание до 100° С с концентрированной

HCl и 1700 С на воздухе; разрушаются под воздействием ультрафиолетового

излучения; оптически активны.

Витамин Е может окисляться до (Х-токоферилхинона, структура которого

очень близка к структуре витаминов К и Q (см. ниже):

Близость химического строения витаминов Е, К и Q обусловливает сходст­

во механизмов их действия в организме.

Долгое время считали, что значение витамина Е исчерпывается лишь его

влиянием на процесс размножения, так как при отсутствии или недостатке

витамина Е у человека" и животных нарушается эмбриогенез (развитие плода в организме матери) и наблюдаются дегенеративные изменения репродуктив­

ных органов. У растений витамины Е способствуют прорастанию пыльцы.

Однако более глубокое изучение Е-авитаминоза показало ошибочность такого представления. Е-авитаминоз выражается в нарушении нормального функцио­

нирования и структуры многих тканей: развиваются мышечная дистрофия,

дегенерация спинного мозга и паралич конечностей, :жировое переро:ждение

и т. п., т. е. общее заболевание организма.

Механизм действия витамина Е в организме двоякий. С одной стороны,

витамин Е-важнейший внутриклеточный агент, предохраняющий от окисле-

156

нии жиры и другие легко окисляемые соединения, это один. из самых

сильных природных анmоксидантов, прежде всего ffiШИДОВ. Реагируя с перо­

ксидными радикалами липидов и сами при этом окисляясь, токоферолы

обрывают цепи окисления. С другой стороны, витамин Е функционирует как

структурный компонент биологических мембран, образуя своим углеводо­

родным радикалом молекулярные комплексы с ненасыщенными высшими

жирными кислотами фосфолипидов и стабилизируя (защищая от окисления)

мембраны. Так как это обеспечивает нормальное протекание биохимических

процессов, то понятны те множественные нарушения функций, которые

набmoдаются при Е-авитаминозе. Недавно высказана еще одна точка зрения на механизм действия витамина Е-возможное участие в регуляции биосин­

теза некоторых ферментов на уровне транскрипции в генетическом аппарате

клетки их матричных РНК. Кроме того, есть данные о том, что витамин

Е контролирует обмен и функции у6ихинона и имеет, таким образом,

отношение к сопряжению окисления с фосфорилированием АДФ, т. е. к био­

энергетике организма.

Источником витамина Е для человека являются растительные масла (под­

солнечное, кукурузное, хлопковое, соевое, конопляное и др.), салат, капуста

и зерновые продукты. Потребность в этом витамине ничтожна, так что Е-авитаминозы и гиповитаминозы-явление очень редкое, тем более, что

витамин Е откладывается во многих тканях (главным образом в жировой).

Запасы его обеспечивают восполнение убыли даже при полном отсутствии

витамина в пище в течение нескольких месяцев.

ВитаМин К (фllЛJlохинон). Первые набmoдения, указывающие на существо­ вание особого витамина, регулирующего процесс свертывания крови, были сделаны в 1929 г. ДальнеЙI1Ше работы привели к открытию двух природных витаминов Кl и К2, которые оказались производными нафтохинона. Витамин

Витамин К2 отличается строением боковой цепи, содержащей от 30 до 45

углеродных атомов и несущей соответственно от 6 до 9 двойных связей. Он

специфичен для бактерий и также получен синтеmчески (K2(3S». Его общая формула такова (n принимает значения от 5 до 8):

Кроме витаминов К1 'И К2, многие производные нафтохинона обладают

аналогичным физиологическим действием. ИЗ них широкое практическое применt:ние нашел синтезированный в 1942 г. А. В. Палладиным препарат

157

(ВИI<:аСОЛ».(бисульфитное соединение метилнафтохинона, растворимое в воде).

Он является производным витамина Кз (метилбензохинон):

Витамин К. -желтоватая маслянистая жидкость с температурой кипения 115-1450 С, не растворимая в воде. Очень неустойчив при нагревании в ще­ лочной среде и при облучении. Витамин К2(З5)-желтые кристаллы с темпе­ ратурой плавления· 540 C~ еще более неустойчив, чем витамин Кl'Витамин Кз-желтый кристаллический порошок с температурой плавления 1060 С, не растворим в воде, но растворим в спирте и эфире. Викасолбесцветный, мелкокристаллический порошок.

Витамин К способствует синтезу компонентов, участвующих в свертыва­ нии крови, и положительно влияет на состояние эндотелиальной оболочки кровеносных сосудов. При недостатке его в пище могут возникать самопроиз­

вольные кровотечения (носовые кровотечения, кровавая рвота, внутренние

кровоизлияния и т. п.). Полагают, что витамин К принимает участие в син­ тезе протромбина и ряда других белковых факторов, необходимых для свертывания. Протромбин переходит в тромбин, а последний вызьmает

превращение фибриноrена в фибрин, т. е. непосредственно обеспечивает

коагуляцию крови. Витамин К., следовательно, стоит у самых истоков этой сложной системы.

Основное назначение витамина К у растений и микробов состоит в перено­

се электронов при осуществлении процесса фотосинтеза. В последнее время показано, что посттрансляционная модификация белков путем превращения

глутамильных радикалов в 'У-карбоксиглутамильные (см. с. 301) осуществля­ ется витамин К-зависимой карбоксилазой, локализированной в мембране

эндоплазматической сети. Роль витамина К при этом сводится к отнятию

атома водорода от 'У-углеродного атома радикала глутаминовой кислоты.

Источниками витамина К для человека являются томаты, капуста, тыква, зеленые части растений, печень животных. Кроме того, витамин К синтезиру­

ется микробами, нормально обитающими в кишечнике. Кишечная микрофло­

ра-постоянный поставщик витамина К для человека и животных.

Витамин Q (убихинон). Эта группа ЖJlрорастворимых витаминов открыта совсем недавно. Она очень близка по строению и, вероятно, по функциям к витаминам Е и К, что явилось формальным основанием для зачисления

убихинонов в разряд витаминов. В 1955 г. убихинон был впервые выделен из

жира животных.

Витамины Q распространены повсеместно. Они найдены в микроорганиз­

мах, растениях, теле человека и животных, в пищевых веществах. Поэтому

чрезвычайно трудно установить их незаменимость в пище и доказать, что они.

не синтезируются самим животным организмом. Тем не менее в опытах .

с пищевой недостаточностью на обезьянах, крысах, кроликах, цыплятах, ин­

дюках и хомяках показана витаминная активность убихинонов. Полагают, что если полиизопреноидная боковая цепь витамина Q может легко синтезиро­

ваться в животном организме, то циклическая хиноидная часть, видимо, в нем

158

не создается. Химическая структура и механизм действия убихинона рассмот­

рены на с. 121, а его участие в функционировании дыхательной цепи-в гл. Х.

Источником витамина Q являются растительные и животные ткани, в ко­

торых протекают интенсивные окислительно-восстановительные процессы.

Так, например, высокой концентрацией убихинона (n.= 10) отличаются сер­ дечная мышца, печень и бурая жировая ткань животных, впадающих в зим­ нюю спячку. Убихинон (n=10) применяют в терапии сердечно-сосудистых заболеваний.

Витамин F (комплекс ненасыщенных жирных кислот). В этот комплекс

входят линолевая, линоленовая, арахидоновая Н, возможно, некоторые другие

ненасыщенные высшие кислоты. Биологически наиболее активны арахидоно­

вая и линолевая кислоты; линоленовая кислота усиливает действие линолевой

кислоты. В 1928 г. Гоген и Пurrер предложили считать эти три кислоты

витамином. Линолевая илиноленовая КИСJ!:ОТЫ получены синтетически. Принадлежность высших ненасыщенных жирных кислот к витаминам при­

знается не всеми, так как неизвестна их каталитическая функция в организме и отсутствуют явные признаки авитаминозов у человека. Однако при исключе­ нии линолевой, линоленовой и арахидоновой кислот из корма крыс и собак наблюдались яркие симптомы F-авитаминоза: сухость и шелушение кожи,

выпадение шерсти, омертвение коliчика хвоста, задержка роста и падение в весе.

Витамин F участвует в регуляции обмена липидов. Особенно важно, что непредельные высшие жирные кислоты способствуют выведению из организ­

ма животных и человека холестерола, а это препятствует развитию атероск­

лероза. Отмечено также положительное действие витамина на состояние

кожного и волосяного покровов.

Механизм действия витамина F неизвестен. В специальном исследовании

с применением ряда ~интетических непредельных кислот выявлено, что биоло­

гическая активность ненасыщенных жирных кислот связана с наличием двой­

ных связей между 6-7-м и 9-10-м углеродными атомами.

В последние годы прояснился биохимический эффект действия арахидоно­

вой кислоты: она оказалась предшественником нового типа гормонов- про­

стагландинов:

Из арахидоновой кислоты и других полиеновых кислот синтезируется около

20 различных простагландинов, оказывающих мощное влияние на обмен

веществ и физиологические функции у человека и животных. В частности, ряд

простагландинов влияет на деятельность гладких мышц сосудов матки и дру­

гих органов и тканей, в связи с чем их используют для лечения гипертонической

болезни, облегчения родов, прерывания беременности и т. п. (см. с. 463). 811Тамив 81 (тиамин). Витамин В1 занимает особое место в ИСТОРИII учении

о витаминах-это первый кристаллический витамин, полученный в лаборато­ рии. Впервые его исследовал польский ученый К. Функ в 1912 г.• а уже в 1913 г. витамин В. был получен в виде кристаллов, в 1936 г.-синтезирован. Строение витамина В. таково:

159