4.1.6. Открытие витаминов и коэнзимов
После работ Ю. Либиха господствовало убеждение, что три категории питательных веществ — пластические (белки), дыхательные (углеводы и жиры) и минеральные (соли) — способны полностью удовлетворить потребности организма. Были проведены многочисленные исследования рационов, предложены первые химические и биологические принципы определения питательной ценности различных веществ (в частности, опубликованы таблицы питательной ценности множества продуктов) и разработаны представления о химическом и энергетическом балансах организма. В 1898 г. Ч. Лэнгуорти сформулировал «закон питания», согласно которому пища служит двум целям: поставке энергии для поддержания температуры тела и работы и снабжению материалом для построения тела. Было подсчитано даже необходимое соотношение белков, жиров и углеводов как источников энергии (1 : 2,5 : 1).
Но уже в 80-х годах было показано, что в отличие от животных, питавшихся естественной пищей, подопытные животные, получавшие смесь очищенных белков, жиров, углеводов и солей, погибали. Было высказано предположение, что искусственные питательные смеси неполноценны из-за отсутствия в них некоторых солей, в первую очередь солей редких элементов.
В 1886 г. голландский врач Христиан Эйкман (1858 — 1930) был командирован на Яву для изучения болезни бери-бери (авитаминоза). Были причины предположить, что болезнь могла явиться результатом несбалансированной диеты. Японские моряки неимоверно страдали от этой странной болезни. В 1880-х годах, когда по приказу японского адмирала к рациону, составлявшему ранее рыбу и рис, были добавлены молоко и мясо, болезнь почти отступила.
Эйкман, будучи поклонником микробиологической теории, полагал, что возбудитель болезни — бактерия. Он привез с собой на Яву выводок цыплят и вознамерился выявить возбудителя в их организмах. Сделать это ему не удалось, но в 1896 г. подопытные цыплята начали погибать от заболевания, по симптомам очень похожего на бери-бери. Эйкман вновь не сумел выявить причин: болезнь исчезла. Восстанавливая историю своих подопытных, Эйкман выяснил, что некоторое время их кормили только рисом из госпитальных запасов и именно в это время они заболели. Откормив оставшихся в живых коммерческим кормом, специально разработанным для цыплят, их спасли. Вскоре Эйкман убедился, что болезнь как возникает, так и излечивается при смене рациона. Поначалу он не оценил по достоинству важность своих наблюдений. Он предполагал наличие в рисе какого-либо токсина. Его дело продолжили Хопкинс и биохимик-поляк Казимир Фанк. Каждый независимо друг от друга предположил, что не только бери-бери, но и такие болезни, как цинга, пеллагра, рахит, бывают вызваны дефицитом каких-то веществ в следовых количествах в рационе (рис.4.1.9).
Рис. 4.1.9. Больной, страдающей пеллагрой — заболеванием, которое является следствием длительного неполноценного питания (недостаток витамина B3 и белков, в особенности содержащих незаменимую аминокислоту триптофан)
Под впечатлением того, что почти все пищевые продукты принадлежат к классу веществ, известных под названием амины, Фанк в 1912 г. предложил назвать эти вещества витаминами («вита» — жизнь).
Витаминная гипотеза Хопкинса — Фанка появилась вовремя: уже в первой трети XX в. удалось победить некоторые заболевания, просто установив разумный рацион, или диету. Австрийско-американский врач Джозеф Голдбергер (1874 — 1929) показал в 1915 г., что эндемическая болезнь пеллагра, характерная для американского Юга, вовсе не бактериального происхождения. Она была преодолена добавлением молока в рацион больных.
Поначалу о витаминах не было известно ничего, помимо их способности преодолевать и излечивать болезни. Американский биохимик Элмер Верной Макколлам в 1913 г. предложил именовать витамины первыми буквами латинского алфавита. Теперь науке известны витамины А, В, С, D, Е, К. Впоследствии выяснилось, что витамин В способен корректировать несколько разных симптомов, поэтому выделили витамины В1, В2 и т. д. Именно дефицит В1 вызывал болезнь бери-бери, а дефицит В3 — пеллагру. Дефицит витамина С ведет к цинге, а витамина D — к рахиту. Недостаток витамина А становится причиной ухудшения зрения и вызывает ночную слепоту. По мере накопления знаний о витаминах такие заболевания перестали быть серьезной проблемой человечества.
XX в. открывал все новые и новые детали метаболизма клетки. Каждая метаболическая реакция, как выяснилось, катализируется каким-то определенным энзимом. Для того чтобы понять природу метаболизма, нужно исследовать данный энзим. Хэрден в своих исследованиях клеточного метаболизма также приоткрыл завесу тайны над энзимами. Он и еще несколько ученых пришли к заключению, что энзим — очень большая молекула, включающая еще и маленькую молекулу, способную открепиться от большой и пройти через молекулярную мембрану. Эта малая, свободно связанная с большой, молекула была названа коэнзим. Структуру коэнзима исследовал в 1920-х годах немецкий химик Ганс Карл фон Элер-Челпин. По мере выяснения молекулярной структуры витаминов стало совершенно очевидным, что многие коэнзимы содержат витаминоподобные структуры.
Было установлено, что витамины представляют собой те части коэнзимов, которые организм сам не вырабатывает и поэтому должен потреблять с пищей (рис.4.1.10). Без витаминов коэнзимы не формируются; без коэнзимов, в свою очередь, энзимы бывают неэффективны, и метаболизм расстраивается. В результате возникают авитаминоз и болезнь дефицита витаминов.
Рис. 4.1.10. Синтез коэнзима тиаминпирофосфата (ТРР) из витамина В1.
Поскольку энзимы представляют собой катализаторы, необходимые организму лишь в небольших количествах, коэнзимы (и витамины) также нужны в небольших количествах. Вот почему следовые количества витаминов бывают насущно необходимы. Легко было установить, что организму необходимы следовые количества таких элементов, как медь, кобальт, молибден, цинк.