Биоорганическая химия. Учебное пособие

Тема 17. Жирорастворимые витамины

Витамин А оказывает влияние на проницаемость клеточных мембран и биосинтез их компонентов (в частности, гликопротеи нов), а также на барьерную функцию кожи и слизистых оболочек. Вероятна причастность витамина А к синтезу белка. Благодаря на личию двойных связей в молекуле витамин А может участвовать в окислительно восстановительных реакциях (образует перекиси, повышающие скорость окисления других соединений).

Витамин А играет важную роль в процессе светоощущения. Сложный белок родопсин (зрительный пурпур), являющийся од ним из двух основных светочувствительных пигментов, состоит из липопротеина опсина и простетической группы, представлен ной альдегидом витамина А1 (ретиналем). На свету родопсин рас падается на белок опсин и ретиналь, который после серии кон формационных изменений превращается в трансформу. С этим превращением связан процесс трансформации энергии световых лучей в зрительное возбуждение. В темноте происходит обратный процесс — синтез родопсина, требующий наличия активной фор мы альдегида — 11 цисретиналя, который может синтезироваться из цисретинола, трансретиналя или трансформы витамина А при участии ферментов дегидрогеназы и изомеразы.

Симптомами недостаточности витамина А являются тормо жение роста, снижение массы тела, специфические поражения кожи, слизистых оболочек и глаз. Поражение эпителия прояв ляется пролиферацией и его патологическим ороговением. Харак терно развитие сухости роговой оболочки глаза (ксерофтальмия) вследствие закупорки слезного канала, эпителий которого под вергается ороговению. Ксерофтальмия влечет за собой размягче ние роговицы (кератомаляцию) с последующим ее изъязвлением.

Наиболее ранним и специфическим симптомом гиповитами ноза А является куриная, или ночная, слепота (гемералопия), вы ражающаяся в потере способности различать предметы в сумер ках при нормальном дневном зрении.

Витамин А в наибольшем количестве содержится в печени крупного рогатого скота и свиней, яичном желтке, цельном моло ке, масле, сметане, сливках. Особенно много свободного витами на А в жирах печени морских рыб. Красномякотные овощи (мор

171

Тема 17. Жирорастворимые витамины

ковь, томаты, перец и др.) содержат большое количество витами на А в виде провитаминов — каротинов α, β и γ. Наибольшей био логической активностью обладает β каротин, при распаде которого образуются 2 молекулы витамина А. При распаде α и γ каротина образуется по 1 молекуле витамина А.

2. Витамины группы D. Витамин D (кальциферол, антирахитиче ский витамин) существует в природе в виде нескольких соединений, различающихся по химическому составу и биологической актив ности, — витамины D2 (эргокальциферол) и D3 (холекальцифе рол). Известен также витамин D4 (дигидроэргокальциферол).

Предшественником витамина D2 является провитамин D2 (эр гостерин) — одноатомный ненасыщенный циклический спирт, в основе структуры которого лежит циклопентанпергидрофенан трен. Под действием УФ излучения эргостерин через ряд проме жуточных продуктов превращается в витамин D2:

Витамин D2 (эргокальциферол)

172

Тема 17. Жирорастворимые витамины

Предшественником витамина D3 является провитамин D3 (7 дегидрохолестерин), который при УФ облучении превращается в активный витамин D3:

Витамин D3 (холекальциферол)

Благодаря наличию холестерина и 7 дегидрохолестерина в со ставе липидов кожи человека возможен синтез витамина D3 при солнечном или УФ облучении.

Витамины D2 и D3 представляют собой бесцветные кристал лы с температурой плавления 115–117 oС, нерастворимые в воде, но растворимые в жирорастворителях.

Витамин D выполняет свои биологические функции в организ ме в форме активных метаболитов — 1,25 диоксихолекальциферола [1,25(OH)2D3] и 24,25 диоксихолекальциферола [24,25(OH)2D3]. Процесс гидроксилирования в положениях 2, 5 осуществляется

впечени, в положении 1 — в почках. Эти метаболиты функциони руют в системе регуляции обмена кальция и минерализации кост ной ткани. [1,25(OH)2D3] регулирует всасывание кальция и фосфора

вкишечнике, резорбцию костной ткани и реабсорбцию кальция

173

Тема 17. Жирорастворимые витамины

и фосфора в почечных канальцах. 24, 25(OH)2D3 регулирует про цессы остеогенеза и ремоделирования костной ткани.

Недостаток витамина D в детском возрасте приводит к возник новению рахита, в основе развития которого лежат изменения фосфорно кальциевого обмена. Симптомы рахита обусловлены нарушением нормального процесса остеогенеза — развивается остеомаляция (размягчение костей), кости под тяжестью тела принимают X и O образные формы, на границе костной и хряще вой частей ребер образуются утолщения («рахитические четки»). Задерживаются появление первых зубов и формирование денти на. Развивается гипотония мышц.

Недостаток витамина D у взрослых приводит к остеопорозу — кости становятся хрупкими вследствие вымывания отложившихся солей, что часто приводит к переломам.

В наибольшем количестве витамин D3 содержится в продук тах животного происхождения — сливочном масле, яичном желт ке, печени и жирах (особенно рыбьем). В растительных продуктах (растительных маслах и дрожжах) содержится витамин D2.

3. Витамины группы E. Витамин Е, или токоферол, (от греч. tokos — «потомство», phero — «несу») — активное вещество, пре дохраняющее от бесплодия животных и человека. Впервые вита мин Е был выделен из масла пшеничных зародышей и хлопково го масла.

Существует 5 природных соединений, обладающих биологи ческой активностью витамина Е, — α , β , γ , δ токоферолы и 8 метилтокотриенол. Все токоферолы являются производными 2 метил 2 (4', 8', 12' триметилтридецил) хроман 6 ола, или токола.

174

Тема 17. Жирорастворимые витамины

Разные виды токоферола отличаются друг от друга числом и расположением метильных групп в бензольном кольце. Токофе ролы представляют собой бесцветные маслянистые жидкости, хо рошо растворимые в жирах и жирорастворителях, устойчивые к на греванию и легко разрушающиеся под действием УФ излучения.

Между витамином Е и тканевым дыханием существует прямая связь, а между витамином Е и степенью окисления липидов — об ратная. Токоферолы являются наиболее активными природными жирорастворимыми антиоксидантами — они разрушают наибо лее активные формы кислорода, предохраняя таким образом от окисления полиненасыщенные жирные кислоты. Кроме того, то коферолы играют специфическую роль в обмене селена, который является составной частью фермента глутатионпероксидазы, обеспечивающего защиту мембран от повреждающего действия пероксидных радикалов. Таким образом, биологическая роль то коферолов сводится к предотвращению окисления мембранных липидов и снижению потребности клеток в глутатионпероксида зе, разрушающей образующиеся в клетке перекиси. Предпола гается участие токоферолов в транспорте электронов и протонов, регуляции процесса транскрипции и метаболизме убихинона.

Недостаточность витамина Е у экспериментальных живот ных (в частности, крыс) вызывает нарушение эмбриогенеза и де генеративные изменения репродуктивных органов, что в конеч ном счете ведет к стерильности. У самок плацента поражается сильнее, чем яичники, процесс оплодотворения яйца не нарушает ся, но оно вскоре рассасывается. У самцов атрофируются половые железы, что влечет полную или частичную стерильность.

Специфическими проявлениями недостаточности витамина Е являются мышечная дистрофия, жировая инфильтрация пече ни, дегенерация спинного мозга. Следствием этого является рез кое ограничение подвижности. В мышцах снижается содержание миозина, гликогена, калия, магния, фосфора и креатинина и по вышается содержание липидов и хлорида натрия.

Наиболее ценные источники витамина Е — растительные масла (подсолнечное, хлопковое, соевое, кукурузное и др.), салат, капуста и семена злаков. Также витамин Е содержится в мясе, сливочном масле и яичном желтке.

175

Тема 17. Жирорастворимые витамины

Витамин Е способен откладываться во многих тканях (мыш цах, жировой ткани, поджелудочной железе), поэтому авитами нозы и гиповитаминозы Е встречаются редко.

4. Витамины группы K. Согласно номенклатуре биологиче ской химии к витаминам группы К относятся два типа хинонов с боковыми цепями, состоящими из изопреноидных звеньев, — витамины К1 (филлохинон) и К2 (менахинон). В основе их хими ческой структуры лежит кольцо 1,4 нафтохинона. Витамин К яв ляется компонентом дыхательной цепи у некоторых бактерий вместо убихинона.

O

OВитамин К1 (филлохинон)

O

O

Витамин К2 (менахинон, n = 6,7 или 9)

Витамин К1 представляет собой светло желтую жидкость, распадается при нагревании в щелочной среде и при облучении. Витамин К2 представляет собой желтые кристаллы; он также не устойчив. Витамины группы К нерастворимы в воде, но раство римы в полярных растворителях.

Некоторые производные нафтохинона, помимо витаминов К1 и К2, обладают витаминными свойствами и высокой активно стью. Синтетический аналог витамина К, лишенный боковой це

176

Тема 17. Жирорастворимые витамины

пи в положении 3, называется витамином К3 (менадиол, или 2 метил 1,4 нафтохинон). По своей сути это провитамин К. Наибо лее широкое применение в медицинской практике нашел именно витамин К3 в виде растворимого в воде бисульфитного производ ного — викасола:

Витамин К является антигеморрагическим фактором, сущест венно укорачивающим время свертывания крови. Он принимает участие в синтезе протромбина в печени и стимулирует биосинтез в печени витамин К зависимых плазменных факторов свертыва ния крови — II, VII, IX, X. Активность этих факторов и протром бина определяется количеством остатков карбоксиглутаминовой кислоты в их молекулах. Посттрансляционное γ декарбоксилиро вание остатков глутаминовой кислоты в молекулах протромбина и плазменных факторов свертывания идет с участием γ глутамил декарбоксилазы, для работы которой необходим витамин К, играю щий роль кофактора. Постсинтетическое карбоксилирование глутаминовой кислоты играет важную роль в связывании молеку лой белка ионов кальция за счет образования дополнительных от рицательно заряженных ионов карбоксильных групп.

При авитаминозе витамина К развиваются самопроизвольные паренхиматозные и капиллярные кровотечения (носовые кровотече ния, кровоизлияния во внутренние органы и др.). При недостаточно сти витамина К любые повреждения сосудов (включая повреждения при хирургических операциях) могут приводить к значительным кровотечениям.

177

Тема 18. Водорастворимые витамины

У человека авитаминоз витамина К встречается редко, так как смешанная пища богата витамином К, и он дополнительно син тезируется кишечной микрофлорой. Авитаминоз развивается при нарушении всасывания жиров в кишечнике.

К антивитаминам К относятся природное вещество дикума рол (дикумарин) и синтетический аналог витамина К варфарин (действует как конкурентный ингибитор тромбообразования). Ди кумарол и варфарин используются для лечения болезней, харак теризующихся повышенной свертываемостью крови (например, коронарных тромбозов и тромбофлебитов).

Наиболее богаты витамином К зеленые листья каштана, крапивы, люцерны. В большом количестве витамин К содержится в капусте, шпинате, тыкве, зеленых томатах, арахисовом масле, ягодах ря бины и других растительных продуктах. В животных продуктах витамин К содержится в незначительном количестве.

Тема 18. ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ВИТАМИНЫ

1. Витамин B1. Витамин В1 (тиамин, антиневритический ви тамин) был первым кристаллическим витамином, выделенным К. Функом в 1912 г. Химическая структура его состоит из двух ко лец (пиримидинового и тиазолинового), соединенных метиленовой связью. Оба кольца синтезируются отдельно в виде фосфорили рованных форм, а затем объединяются через четвертичный атом азота:

CH2 N+ C–CH3 N

HC C—CH2—CH2OH H3C N NH2 S

Витамин В1

Витамин В1 (тиамин) хорошо растворим в воде, его водные раст воры в кислой среде выдерживают нагревание до высоких темпе

178

Тема 18. Водорастворимые витамины

ратур без снижения биологической активности. В нейтральной или щелочной среде при нагревании витамин В1 быстро разрушает ся. При окислении тиамина образуется тиохром, дающий синюю флюоресценцию при УФ облучении (на этом основано коли чественное определение витамина В1).

В кишечнике витамин В1 легко всасывается, однако не накап ливается в тканях и не обладает токсическим эффектом. Его из быток быстро выводится с мочой.

Активная форма тиамина — тиаминпирофосфат, или тиа миндифосфат, (ТПФ или ТДФ) — образуется при участии специ фического АТФ зависимого фермента тиаминпирофосфокиназы (содержится в основном в печени и ткани мозга):

Тиаминпирофосфат (тиаминдифосфат)

Если витамин В1 поступает в организм с пищей в виде ТПФ, то пирофосфат отщепляется от него под действием пирофосфатаз кишечника.

Витамин В1 в виде ТПФ является составной частью по меньшей ме ре пяти ферментов, участвующих в промежуточном обмене веществ. ТПФ входит в состав важнейших ферментных систем — пируват и α кетоглутаратдегидрогеназных комплексов (катализируют окислительное декарбоксилирование пировиноградной и α ке тоглутаровой кислот). ТПФ в составе фермента транскетолазы участвует в переносе гликоальдегидного радикала от кетосахаров на альдосахара, является коферментом дрожжевой пируватде карбо ксилазы (при алкогольной ферментации) и дегидрогеназы γ оксикетоглутаровой кислоты. Кроме того, ТПФ участвует в окис лительном декарбокслировании α кетокислот и гликосиловой кислоты, образующихся при распаде аминокислот с разветвлен ными радикалами, является эссенциальным кофактором в со ставе фермента ацетолактатсинтетазы при синтезе валина и лей цина у растений.

179

Тема 18. Водорастворимые витамины

При недостаточности или отсутствии витамина В1 развивает ся тяжелое заболевание — бери бери (симптом Вернике, синдром Вейса), специфические симптомы которого связаны с нарушением деятельности сердечно сосудистой, нервной и пищеварительной систем. В зависимости от преобладания тех или иных симптомов выделяют полиневритическую (сухую), отечную и остро проте кающую кардиальную (пернициозную) формы бери бери.

Ранними симптомами недостаточности витамина В1 являются нарушения моторной и секреторной функций пищеварительного тракта, изменения психики и нарушения деятельности сердечнососу дистой системы. При прогрессировании заболевания выявляются симптомы поражения периферической нервной системы (вплоть до параличей конечностей), а также явления сердечной недостаточ ности.

Основное количество витамина В1 человек получает с расти тельной пищей (дрожжами, пшеничным хлебом из муки грубого помола, соей, фасолью, горохом). Наиболее богаты витамином В1 продукты животного происхождения — печень, почки, мозг. Не которое количество тиамина синтезируется кишечной микро флорой животных (например, коров).

2. Витамин B2. Витамин В2 (рибофлавин) в основе своей мо лекулы имеет гетероциклическое соединение изоаллоксазин (соче тание бензольного, пиразинового и пиримидинового колец), к кото рому в положении 9 присоединен пятиатомный спирт рибитол. Рациональное название рибофлавина — 6,7 диметил 9 D риби тилизоаллоксазин:

OH OH OH

C–CH2–CH2–CH2–CH2OH

H3CN N O

NH H3C N N

O Рибофлавин

180