Биохимия пособие Коновалова 2012

Лекция 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