БАВ

РАЗДЕЛ 2. ВЕЩЕСТВА ПЕРВИЧНОГО СИНТЕЗА

2.1 ВИТАМИНЫ

Витамины и антивитамины

Витамины – это пищевые незаменимые факторы, которые, присутствуя в небольших количествах в пище, обеспечивают нормальное развитие организма животных и человека и адекватную скорость протекания биохимических и физиологических процессов.

Структурные аналоги витаминов, называемые антивитаминами, обычно блокируют активные центры ферментов, вытесняя из него соответствующее производное витаминов (кофермент), и вызывают конкурентное ингибирование ферментов. К антивитаминам относят вещества, способные вызывать после введения в организм животных классическую картину гипоили авитаминоза. Причины гипо- и авитаминозов у человека и животных обычно делят на экзогенные и эндогенные.

К экзогенным относят – недостаточное поступление витаминов или полное отсутствие их в пище; следовательно, недостаточное и неполноценное питание чаще всего является причиной развития экзогенных авитаминозов.

Эндогенными причинами, которые, по-видимому, являются более существенными, служат:

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 пищеварительного 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.

Понятие об авитаминозах, гиповитаминозах и гипервитаминозах

Авитаминозы – болезни, возникающие при полном отсутствии в пище или полном нарушении усвоения какого-либо витамина. Известны так называемые гиповитаминозы, обусловленные недостаточным поступлением витаминов с пищей или неполным их усвоением. Практически у человека встречаются именно эти формы заболевания, т.е. состояния относительной недостаточности витаминов. В литературе описаны также патологические состояния, связанные с поступлением чрезмерно больших количеств витаминов в организм – гипервитаминозы. Эти заболевания встречаются

11

реже, чем гиповитаминозы. Многие расстройства обмена веществ при авитаминозах обусловлены нарушениями деятельности или активности ферментных систем, поскольку многие витамины входят в состав простетических групп ферментов.

История открытия витаминов

Важность некоторых видов еды для предотвращения определённых болезней была известна ещё в древности. Так, древние египтяне знали, что печень помогает от куриной слепоты (ныне известно, что куриная слепота может вызываться недостатком витамина A). В 1330 году в Пекине Ху Сыхуэй опубликовал трёхтомный труд «Важные принципы пищи и напитков», систематизировавший знания о терапевтической роли питания и утверждавший необходимость разнообразить рацион для поддержания здоровья.

В1747 году шотландский врач Джеймс Линд, пребывая в длительном плавании, провел своего рода эксперимент на больных матросах. Вводя в их рацион различные продукты, он открыл свойство фруктов предотвращать цингу. В 1753 году Линд опубликовал «Трактат о цинге», где предложил использовать фрукты для профилактики цинги. Однако эти взгляды получили признание не сразу. Тем не менее, Джеймс Кук на практике доказал роль растительной пищи в предотвращении цинги, введя в

корабельный рацион капусту, солодовое сусло и подобие цитрусового сиропа. В итоге он не потерял от цинги ни одного матроса – неслыханное достижение для того времени. В 1795 году лимоны и другие цитрусовые стали стандартной добавкой к рациону британских моряков. Это послужило причиной появления крайне обидной клички для матросов – лимонник. Известны так называемые лимонные бунты: матросы выбрасывали за борт бочки с лимонным соком.

Истоки учения о витаминах заложены в исследованиях российского ученого Николая Ивановича Лунина. Он скармливал подопытным мышам по отдельности все известные элементы, из которых состоит молоко: сахар, белки, жиры, углеводы. Мыши погибли. В сентябре 1880 года при защите своей докторской диссертации Лунин утверждал, что для сохранения жизни животного, помимо белков, жиров, углеводов и воды, необходимы ещё и другие, дополнительные вещества. Придавая им большое значение, Н. И. Лунин писал: «Обнаружить эти вещества и изучить их значение в питании было бы исследованием, представляющим большой интерес». Вывод Лунина был принят в штыки научным сообществом, так как другие ученые не смогли воспроизвести его результаты. Одна из причин была в том, что Лунин в своих опытах использовал тростниковый сахар, в то время как другие исследователи использовали молочный – плохо очищенный и содержащий некоторое количество витамина B.

В1895 году В. В. Пашутин пришел к выводу, что цинга является одной из форм голодания и развивается от недостатка в пище какого-то органического вещества, создаваемого растениями, но не синтезируемого организмом человека. Автор отметил, что это вещество не является

12

источником энергии, но необходимо организму и что при его отсутствии нарушаются ферментативные процессы, что приводит к развитию цинги. Тем самым В. В. Пашутин предсказал некоторые основные свойства витамина C.

Впоследующие годы накапливались данные, свидетельствующие о существовании витаминов. Так, в 1889 году голландский врач Христиан Эйкман обнаружил, что куры при питании варёным белым рисом заболевают бери-бери, а при добавлении в пищу рисовых отрубей – излечиваются. Роль неочищенного риса в предотвращении бери-бери у людей открыта в 1905 году Уильямом Флетчером. В 1906 году Фредерик Хопкинс предположил, что помимо белков, жиров и углеводов пища содержит ещё какие-то вещества, необходимые для человеческого организма, которые он назвал «accessory food factors». Последний шаг был сделан в 1911 году польским учёным Казимиром Функом, работавшим в Лондоне. Он выделил кристаллический препарат, небольшое количество которого излечивало берибери. Препарат был назван «Витамайн» (Vitamine), от лат. vita – «жизнь» и англ. amine – «амин», азотсодержащее соединение. Функ высказал предположение, что и другие болезни – цинга, пеллагра, рахит – тоже могут вызываться недостатком определённых веществ.

В1920 году Джек Сесиль Драммонд предложил убрать «e» из слова «Vitamine», потому что недавно открытый витамин C не содержал аминового компонента. Так «витамайны» стали «витаминами».

В1923 году доктором Гленом Кингом было установлено химическое строение витамина С, а в 1928 году доктор и биохимик Альберт Сент-Дьёрди впервые выделил витамин С, назвав его гексуроновой кислотой. Уже в 1933 швейцарские исследователи синтезировали идентичную витамину С столь хорошо известную аскорбиновую кислоту.

В1929 году Хопкинс и Эйкман за открытие витаминов получили Нобелевскую премию, а Лунин и Функ – не получили. Лунин стал педиатром, и его роль в открытии витаминов была надолго забыта. В 1934 году в Ленинграде состоялась Первая всесоюзная конференция по витаминам, на которую Лунин (ленинградец) не был приглашён.

В1910-х, 1920-х и 1930-х годах были открыты и другие витамины. В 1940-х годах было расшифровано химическое строение витаминов.

Последний ныне известный витамин B12 открыт в 1948 году.

В1970 году Лайнус Полинг, дважды лауреат Нобелевской премии – по химии 1954 г. и премии мира 1962 г., выпустил монографию «Витамин С и простуда» (англ. Vitamin C and the Common Cold), в которой на собственном опыте утверждал об эффективности больших доз витамина С в лечении ОРЗ.

Висследованиях, проведённых в XXI веке по принципам доказательной медицины, польза применения витамина C для лечения простудных заболеваний.

В2015 году одна исследовательская группа обнаружила фатальное избирательное воздействие большой дозы витамина C на культивированные раковые клетки прямой кишки человека с двумя мутациями (KRAS или BRAF), а также на раковые клетки мышей с такими же мутациями.

13

Классификация витаминов

Современная классификация витаминов не является совершенной. Она основана на физико-химических свойствах (в частности, растворимости) или на химической природе, но до сих пор сохраняются и буквенные обозначения. В зависимости от растворимости в неполярных органических растворителях или в водной среде различают жирорастворимые и водорастворимые витамины. В приводимой классификации витаминов, помимо буквенного обозначения, в скобках указан основной биологический эффект, иногда с приставкой «анти», указывающей на способность данного витамина предотвращать или устранять развитие соответствующего заболевания; далее приводится номенклатурное химическое название каждого витамина.

Витамины, растворимые в жирах:

1.Витамин А (антиксерофтальмический); ретинол

2.Витамин D (антирахитический); кальциферолы

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

4.Витамин К (антигеморрагический); нафтохиноны

Витамины, растворимые в воде:

1.Витамин B1 (антиневритный); тиамин

2.Витамин В2 (витамин роста); рибофлавин

3.Витамин В6 (антидерматитный, адермин); пиридоксин

4.Витамин B12 (антианемический); цианкобаламин; кобаламин

5.Витамин РР (антипеллагрический, ниацин); никотинамид

6.Витамин Вc, B9 (антианемический); фолиевая кислота

7.Витамин В3 (антидерматитный); пантотеновая кислота

8.Витамин Н (антисеборейный, фактор роста бактерий, дрожжей и грибков); биотин

9.Витамин С (антискорбутный); аскорбиновая кислота

10.Витамин Р (капилляроукрепляющий, витамин проницаемости); биофлавоноиды.

Помимо этих двух главных групп витаминов, выделяют группу разнообразных химических веществ, из которых часть синтезируется в организме, но обладает витаминными свойствами. Для человека и ряда животных эти вещества принято объединять в группу витаминоподобных.

К ним относят: холин, липоевую кислоту, витамин В15 (пангамовая кислота), оротовую кислоту, инозит, убихинон, парааминобензойную кислоту, карнитин, линолевую и линоленовую кислоты, витамин U (противоязвенный фактор) и ряд факторов роста птиц, крыс, цыплят, тканевых культур.

Роль витаминов в обмене веществ

Витамин А (ретинол) отвечает за работу иммунной системы, производство гормонов и зрение. Недостаток витамина А грозит ослаблением остроты зрения и иммунитета, быстрым старением кожи, ухудшением процессов регенерации, гормональными нарушениями.

Витамином А богаты яйца, молоко, сыр, морковь, шпинат, лук.

14

Витамин В1 (тиамин) регулирует углеводный обмен в организме, работу нервной системы и сердца. При недостатке витамина В1 наблюдается нервное истощение, нарушения работы сердца и обмена веществ, отёки. Источниками витамина В1 являются зерновые культуры, зелёные овощи, субпродукты.

Витамин В2 (рибофлавин) отвечает за остроту зрения и регенеративные процессы. Недостаток витамина В2 характеризуется появлением незаживающих язв и ран, снижением остроты зрения в условиях плохого освещения, падением иммунитета. Витамином В2 богаты мясные продукты, молоко, дрожжи.

Витамин В5 – регулярное употребление витамина В5 в целях профилактики позволяет избежать мигрени и гипотонии, некоторых заболеваний печени, проблем с желудочно-кишечным трактом, психических заболеваний, язв и гастритов, многих болезней кожи и атеросклероза.

Витамин В6 участвует во множестве процессов в организме человека – он оказывает существенное положительное влияние на центральную нервную систему и процессы кроветворения, участвует в работе печени, а также в процессах расщепления и синтеза аминокислот, способствуя усвоению белка.

Витамин В12 (или по-другому, кобаламины) является водорастворимым витамином, оказывает огромное влияние на кроветворение в костном мозге, а также в усвоении организмом аминокислот.

Витамин С (аскорбиновая кислота) важен для нормального функционирования иммунной системы, образования соединительных тканей, кроветворения и производства гормонов. Без витамина С плохо усваивается железо. При недостатке витамина С человек часто болеет, имеет нездоровый цвет лица, организм его ослаблен. Огромное количество витамина С содержится в овощах и фруктах.

Витамин D (кальциферол) отвечает за формирование костной ткани, ногтей и зубов. Недостаток витамина D чреват рахитом, высокой вероятностью переломов, ослаблением зубных тканей, кариесом. Организм человека синтезирует витамин D под действием солнечных лучей, поэтому нужно проводить больше времени на свежем воздухе.

Витамин Е (токоферол) известен своими омолаживающими свойствами. Он стимулирует деление и рост клеток, в результате чего организм омолаживается. Этот витамин особенно важен для беременных и кормящих женщин, чтобы плод правильно развивался, а уже рождённый малыш хорошо рос. К тому же, витамин Е отвечает за работу нервной и мышечной системы, а также помогает усваиваться витамину А. Недостаток витамина Е грозит быстрым старением организма, ранним появлением морщин, дистрофией плода у беременных женщин. Источниками витамина Е являются растительные масла, особенно масло зародышей пшеницы, зерновые и бобовые культуры.

Витамин F включает в себя целый комплекс полиненасыщенных жирных кислот, которые играют незаменимую роль во многих важных

15

процессах, происходящих в организме человека. Эти полиненасыщенные жирные кислоты, в свою очередь, делятся на две группы: омега-3 и омега-6, хотя, попадая в организм человека, они легко могут преобразовываться друг в друга.

Витамин К (менадион) регулирует свёртываемость крови и отвечает за формирование костной ткани. При недостатке витамина К человек склонен к длительным кровотечениям, частым переломам, остеопорозу. Получить достаточное количество витамина К можно из шпината, листового салата, капусты, яиц.

Витамин N, или по-другому липоевая кислота, относится к витаминоподобным и водорастворимым веществам и оказывает на организм существенное влияние. Он обеспечивает защиту печени от токсинов, предупреждает ее ожирение.

Витамин P немаловажную роль играет в тканевом дыхании, также оказывает антиоксидантное действие. К тому же, с его помощью в организме человека накапливается витамин С, который, в свою очередь, стимулирует деятельность эндокринных желез (надпочечников).

Витамин U является естественным веществом для организма человека, обладает способностью не только заживлять язвы на слизистых оболочках желудка и двенадцатиперстной кишки, но и повышать сопротивляемость слизистых к воздействиям агрессивных, неблагоприятных факторов. Благотворно действует на пищеварительную функцию, нормализуя секрецию пищеварительных желез.

2.2 БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ АМИНОКИСЛОТЫ

Биологическая активность аминокислот. Заменимые и незаменимые аминокислоты

Аминокислоты как основные составные части белков участвуют во всех жизненных процессах наряду с нуклеиновыми кислотами, углеводами и липидами. При попадании в живой организм аминокислоты сразу же включаются в биохимические процессы.

Многие α-аминокислоты синтезируются в организме, некоторые должны поступать в организм извне. Такие аминокислоты называются

незаменимые: лейцин, изолейцин, валин, лизин, метионин, триптофан,

треонин и фенилаланин; нередко к ним добавляют условно заменимые – тирозин и цистеин. В целом, незаменимые аминокислоты используются во всех основных процессах организма.

Большинство α-аминокислот обладают широким спектром биологической активности. Так, лизин, треонин, фенилаланин, тирозин, аспарагин, глутамин, глицин, серин, аргинин являются исходными веществами для синтеза антител, гормонов, ферментов и других веществ. Аланин участвует в метаболизме сахаров и органических кислот. Метионин, триптофан, лизин, аргинин способствуют снижению уровня холестерина в крови, выведению тяжелых металлов из организма (метионин, цистеин),

росту и восстановлению тканей (гистидин, изолейцин, лейцин, глицин, серин,

16

пролин). α-Аминокислоты служат источником энергии на клеточном уровне

(валин, лейцин, изолейцин, глутамин). Серосодержащие аминокислоты –

метионин, цистеин – являются донорами серы, достаточное содержание которой в организме способствует полноценному формированию волос, кожи и ногтей. Эти аминокислоты принимают участие в создании вторичной структуры белков за счет образования дисульфидных мостиков.

Аминокислоты – предшественники биогенных аминов: гистидин, тирозин, триптофан, глутаминовая кислота

Гистидин (L-α-амино-β-имидазолилпропионовая кислота) – аминокислота необходимая для синтеза гистамина, который влияет на скорость и качество иммунного отклика, сна, процесса пищеварения; используется для создания миелиновой оболочки, которая выступает в

качестве защитного барьера нервных клеток. В большом количестве содержится в гемоглобине; используется при лечении ревматоидных артритов, язв и анемии. Недостаток гистидина может вызвать ослабление слуха.

Тирозин

организма веществ, таких как:

1)норадреналин и адреналин – вещества, отвечающие за скорость реакции во время опасности, позволяющие подготовить тело к эффективной борьбе за жизнь;

2)гормоны щитовидной железы – принимают участие в обменных процессах;

3)дофамин – вещество, которое стимулирует нервные центры, отвечающие за чувство удовольствия, а также способствует улучшению памяти и моторики;

4)меланин – пигмент, обеспечивающий окрашивание кожи, волос и радужной оболочки глаз.

С обменом тирозина связаны некоторые известные наследственные заболевания: фенилкетонурия (избыточное количество тирозина отрицательно сказывается на развитии нервной системы), алкаптонурия (нарушено превращение гомогентизата в 4-малеилацетоацетат).

Триптофан (β-(β-индолил)-α-аминопропионовая кислота) –

гидрофобная аминокислота (содержит ароматическое ядро индола). Он является биологическим прекурсором серотонина (может

17

синтезироваться мелатонин) и ниацина. Часто гиповитаминоз по витамину B3 сопряжён с недостатком триптофана. Также триптофан является биохимическим предшественником индольных алкалоидов.

Наиболее богаты триптофаном такие продукты, как сыр, рыба, мясо, бобовые, творог, грибы, овёс, сушёные финики, арахис, кунжут, кедровый орех, молоко, йогурт. Очень малое количество триптофана содержится в кукурузе, поэтому питание только кукурузой приводит к нехватке этой аминокислоты и, как следствие, к пеллагре.

Глутаминовая кислота – (2-аминопентандио́вая кислота) – органическое соединение, алифатическая двухосновная аминокислота, входящая в состав белков всех известных

живых организмов.

Глутаминовая кислота является одним из немногих соединений, помимо глюкозы, которые служат энергетическим материалом для ткани мозга. Она играет

важную роль в метаболизме азотсодержащих биохимических веществ, является нейромедиаторной аминокислотой, одной из важных представителей класса «возбуждающих аминокислот». Глутаминовая кислота (пищевая добавка E620) и её соли (глутамат натрия Е621, глутамат калия Е622, диглутамат кальция Е623, глутамат аммония Е624, глутамат магния Е625) используются как усилитель вкуса во многих пищевых продуктах.

Аминокислоты с разветвленной боковой цепью: валин, лейцин, изолейцин, аргинин, орнитин, аспартат, S-аденозилметионин

Валин – (2-амино-3-метилбутановая кислота) – алифатическая α- аминокислота. Данное соединение, стимулирует рост мышечных волокон и принимает участие в процессе генерации энергии. Недостаток валина ведёт к потере массы, задержке роста, развитию

кератозов. У взрослых людей дефицит валина, вызванный недостатком витаминов группы В или полноценных белков сопровождается нарушением координации движений тела и повышением чувствительности кожи к раздражителям. Наблюдается отрицательный азотистый баланс.

Наибольшее токсическое действие избыток валина оказывает на центральную нервную система, что проявляется в виде рвоты, вялости, мышечных подёргиваний, нистагм. Дети отстают в росте и весе, поздно начинают держать голову и сидеть. Без лечения наступает неуклонное снижение интеллекта.

Лейцин (2-амино-4-метилпентановая кислота)

– алифатическая аминокислота. Имеет в своей структуре один хиральный центр и может существовать в виде D- или L-оптических изомера, а также в виде рацемата (смеси равных количеств D- и L-изомера). В живых организмах встречается в виде

L-изомера. Лейцин принимает участие в синтезе белка и восстановлении мышечных волокон после интенсивных нагрузок; нормализует уровень

18

сахара в крови, ускоряет процесс регенерации и стимулирует выработку гормона роста. При повышении уровня эстрона в организме способствует его уменьшению. Дефицит может развиться у строгих вегетарианцев и вегетарианцев без адекватных источников белка; создаются условия для формирования анемии и увеличения отложения кальция в костную ткань. Избыток лейцина может увеличить концентрацию аммиака в крови. Чрезмерное потребление может вызвать состояние пеллагры.

Изолейцин (2-амино-3-метилпентановая кислота) – алифатическая α- аминокислота, входящая в состав всех природных белков. Участвует в энергетическом обмене. При недостаточности ферментов, катализирующих декарбоксилирование изолейцина, возникает кетоацидоз. Изолейцин – принимает участие в

метаболизме, производстве гемоглобина и регуляции энергии; основное действие направлено на улучшение обменных процессов в мышечных волокнах.

Аргинин (2-амино-5-гуанидинпентановая кислота) – алифатическая основная α-аминокислота. Оптически активна, существует в виде L- и D- изомеров. L-Аргинин входит в состав пептидов и белков, особенно высоко содержание аргинина в основных белках – гистонах и протаминах (до 85 %).

Чрезмерное потребление аргинина иммунными клетками, которые обычно защищают мозг, является причиной возникновения болезни Альцгеймера, т.к. возникает дефицит аргинина.

Аргинин является одним из ключевых метаболитов в процессах азотистого обмена (в частности, в орнитиновом цикле млекопитающих и рыб). Он является субстратом NO-синтаз в синтезе оксида азота NO, являющегося локальным тканевым гормоном с множественными эффектами

– от противовоспалительного до сосудистых эффектов (вазодилатация) и стимуляции ангиогенеза.

Орнитин – это заменимая, но необходимая для организма человека кислота. Ее синтезе и функции в организме напрямую связаны с другой заменимой аминокислотой – аргинином, из которого он производится и в которое сам преобразуется.

Однако, в отличие от аргинина, орнитин не входит в состав белковых соединений. Вместе с аргинином орнитин причастен к продуцированию соматотропного гормона, ответственного как за рост в высоту (детей и подростков), так и за анаболические процессы – то есть синтез протеинов, следовательно, увеличение мышечной массы. Крайне важна роль орнитина в выводе аммиака, возникающего в организме в результате метаболизма азота. Он участвует в производстве ряда веществ: полиаминов спермидина и спермина, путресцина, присутствующих в клеточных ядрах самых разных

19

человеческих органов и участвующих в молекулярных взаимодействиях с ДНК и РНК.

Аспартат (аспарагиновая кислота, аминоянтарная кислота, аминобутандиовая кислота, 2-аминобутандиовая кислота) – алифатическая аминокислота. Встречается во всех организмах в свободном виде и в составе белков. Аспарагиновая кислота необходима для получения пиримидиновых

нуклеотидов и некоторых аминокислот. Кроме того, выполняет роль нейромедиатора в центральной нервной системе. Аспарагиновая кислота и аспарагин являются критически важными для роста и размножения лейкозных клеток при некоторых видах лимфолейкоза.

S-Аденозилметионин (адеметионин) – это кофермент, принимающий участие в реакциях переноса метильных групп. S-аденозилметионин образуется из АТФ и метионина ферментом метионинаденозилтрансферазой [EC 2.5.1.6]. В клетке участвует в таких метаболических путях, как трансметилирование, транссульфирование и аминопропилирование. И хотя эти анаболические реакции идут во многих тканях организма, большая часть S-аденозилметионина образуется в печени.

Обмен аминокислот с разветвленной цепью. Катаболизм аминокислот с разветвленной цепью: лейцина, изолейцина и валина – преимущественно осуществляется не в печени, а в мышечной и жировой тканях, в почках и ткани мозга. Сначала все три аминокислоты подвергаются трансаминированию с α-кетоглутаратом под действием одного общего и специфического фермента – аминотрансферазы аминокислот с разветвленной цепью (КФ 2.6.1.42) с образованием соответствующих α-кетокислот. Последующее окислительное декарбоксилирование α-кетокислот приводит к образованию ацил-КоА-производных.

2.3 БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ПЕПТИДЫ

Пептиды. Роль пептидов в процессах жизнедеятельности. Глутатион

Пептиды – это цепочечные молекулы, содержащие от двух до ста остатков аминокислот, соединенных между собой амидными (пептидными) связями. В результате реакции поликонденсации аминокислот можно получить соединения, составленные из многих аминокислотных остатков с очень высокими молекулярными массами. Такие соединения называют

полипептидами, а группировки в них –СО–NН–– пептидными связями.

Образование пептидной связи представляет собой отщепление молекулы воды от присоединяющихся к друг другу карбоксильной группы и аминогруппы (Рисунок 1).

20