Текст книги "Витамины и витаминоподобные соединения в биохимии обмена веществ человека"

Витамины и витаминоподобные соединения в биохимии обмена веществ человека
Саид Ирекович Лутфуллин
Юрий Александрович Тюрин

© Саид Ирекович Лутфуллин, 2017

© Юрий Александрович Тюрин, 2017

ISBN 978-5-4485-9070-2

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Рецензенты

С. Н. Куликов, кандидат биологических наук, в.н. с. ФБУН Казанского научно-исследовательского института эпидемиологии и микробиологии, Роспотребнадзора

Н. Н. Маянская, профессор кафедры биохимии и клинической лабораторной диагностики ФГБОУ ВО Казанский государственный медицинский университет, Министерства здравоохранения Российской Федерации, доктор медицинских наук

Предисловие

Еще древние врачи стали замечать, что при отсутствии в рационе некоторых продуктов питания у человека могут развиваются специфические заболевания. Во время длительных морских путешествий цинга (авитаминоз витамина С) уносила жизни многих моряков. Пока эмпирически не было установлено, что включение в рацион продуктов, богатых витамином С (а именно – цитрусовых), значительно снижало смертность и заболеваемость цингой.

Отечественный врач Н. И. Лунин проводил эксперименты: кормил мышей компонентами коровьего молока по-отдельности: белками, жирами, углеводами, минеральными солями. И мыши несмотря на полноценное, как казалось, питание, умирали. Ученый сделал вывод, что продукты питания содержат некие неизвестные ранее вещества, необходимые для работы организма. Однако результаты его работ не получили всеобщего признания в то время.

Патофизиолог В. В. Пашутин, рассуждая о цинге, предположил, что это заболевание – есть ни что иное, как недостаток подобного неизвестного вещества, которое содержится в цитрусовых и не синтезируется в организме человека.

По результатам воспроизведения симптомов болезни бери-бери у куриц (Gallus gallus), патолог Х. Эйкман установил, что заболевание развивается только у птиц, питающихся шлифованным рисом. А у тех, кто питался рисом с оболочкой – нет. Некоторым временем после Ф. Хопкинс высказал предположение, что помимо белков, жиров и углеводов в пище содержатся другие необходимые для жизнедеятельности вещества. И повторил тем самым выводы Н. И. Лунина.

В 1911г польский биохимик К. Функ выделил вещество, прием которого излечивал от болезни бери-бери. Этим веществом был тиамин (витамин B₁). Позднее ученый установил структурную формулу тиамина. Для обозначения полученного вещества К. Функ ввел термин «витамин».

Vita – жизнь, вторая часть названия: «amine» была выбрана, потому что в структуре тиамина есть аммонийный азот.

Карл Функ предположил, что и другие заболевания: цинга, рахит тоже вызываются нехваткой таких веществ, как тиамин.

Позднее были открыты и другие витамины, установлены их структуры.

Несколько научных открытий, связанных с витаминами, были отмечены Нобелевской премией:

По физиологии и медицине:

1. Христиан Эйкман «За вклад в открытие витаминов».

2. Фредерик Гоуленд Хопкинс «За открытие витаминов, стимулирующих процессы роста».

3. Альберт Сент-Дьёрди «За открытия в области процессов биологического окисления, связанные в особенности с изучением витамина С и катализа фумаровой кислоты».

4. Хенрик Карл Петер Дам «За открытие витамина К».

5. Эдуард Адальберт Дойзи «За открытие химической структуры витамина К».

По химии:

1. Адольф Отто Рейнгольд Виндаус «За работы по изучению строения стеринов и их связи с витаминной группой».

2. Уолтер Норман Хоуорс «За исследования углеводов и витамина С».

3. Пауль Каррер «За исследование каротиноидов и флавинов, а также за изучение витаминов А и В₂».

4. Рихард Кун «В знак признания проделанной им работы по каротиноидам и витаминам».

Основные термины

Какие вещества мы будем называть витаминами? Что отличает витамины от других веществ? Признаки витаминов:

– Низкомолекулярные соединения.

– Абсолютно необходимы организму.

– В организме не синтезируются (или синтезируются в недостаточном количестве), должны поступать извне. Есть группа витаминов, синтезируемых нашей кишечной микрофлорой. И мы должны понимать, что это никакое не «исключение из правил». Кишечник для нашего организма – среда внешняя. И хотя бактерии кишечника – это обязательный его компонент. Бактерии – это другой организм. И то, что они синтезируют – для нас это вещества, поступающие извне.

– Организму достаточно следовых (крайне малых) количеств этих веществ.

– Витамины не используются как субстрат для получения энергии и как пластический материал.

– Биологическая функция витаминов обусловлена их участием в метаболических процессах, многие витамины являются коферментами.

В основе базовой классификации витаминов лежит их растворимость: различают жирорастворимые и водорастворимые витамины.

В зависимости от содержания витамина в организме различают несколько групп патологий:

– Гипервитаминоз – заболевание, развивающиеся при избыточном поступлении витамина. Гипервитаминозы характерны только для жирорастворимых витаминов.

– Гиповитаминоз – заболевание, развивающиеся при недостатке витамина.

– Авитаминоз – заболевание, развивающиеся при полном отсутствии витамина, по своей сути, это – крайняя степень гиповитаминоза.

Причина гипервитаминозов – это избыточное поступление витаминов с пищей или в виде лекарственных средств.

Причины авитаминозов и гиповитаминозов могут быть разнообразными. Различают экзогенные и эндогенные гиповитаминозы и авитаминозы.

Экзогенные развиваются при недостаточном поступлении витамина извне (с пищей или при недостаточности синтеза микрофлорой, например, при дисбактериозах).

Эндоогенные гиповитаминозы и авитаминозы развиваются в следующих случаях:

– вследствие расстройства пищеварения витамин не высвобождается из потребленных продуктов питания.

– при беременности, лактации потребность в некоторых витаминах возрастает.

– нарушается всасывание витамина в кишечнике.

– нарушение преобразование витамина в активную форму.

– нарушение транспорта витамина в организме: из-за неправильной работы транспортных белков.

– поступление с пищей антивитаминов.

Для некоторых витаминов открыты антивитамины. Антивитамины – это вещества, при поступлении которых, снижается физиологическая активность витаминов. Различают две группы антивитаминов, которые принципиально отличаются друг от друга механизмом действия.

Первая группа антивитаминов по своей структуре схожи с витаминами, поэтому конкурируют с ними за активные центры соответствующих ферментов.

Ко второй группе антивитаминов относят вещества, непосредственно влияющие на структуру витамина: разрушая его, связывая, нарушая транспортировку или всасывание.

Жирорастворимые витамины

К жирорастворимым витаминам относятся гидрофобные по своей природе вещества: A, D, E, K. У жирорастворимых витаминов есть особенности:

– Для лучшего всасывания должны употребляться с жирной пищей. Например, чтобы удовлетворить потребность в витамине А, употребляя морковь, ее лучше есть со сметаной.

– Поскольку эти вещества не растворимы в воде, они могут накапливаться. При этом могут возникать гипервитаминозы.

Витамин А. Антиксерофтальмический

Общие сведения

Витамин A₁ существует в трех формах в зависимости от глубины окисления концевого атома углерода: спирт, альдегид, кислота.

Витамин A₂ отличается от витамина A₁ всего лишь дополнительной двойной связью в цикле. Он так же существует в трех формах.

Источники

Свободный ретинол обычно не содержится в продуктах питания. Там содержатся его производные (сложные эфиры, димеры).

Животного происхождения: печень свиньи, крупного рогатого скота (говяжья), морских рыб (например, трески), рыбий жир, жирномолочные продукты (сметана, сливочное масло, творог), яичный желток.

Растительного происхождения: желтые и оранжевые овощи содержат каротиноиды – вещества, которые в организме преобразуются в витамин А.

Например, β-каротин является димером витамина А. Поэтому в кишечнике под действием фермента β-каротиндиоксигеназа (в присутствии молекулярного кислорода) из одного моля β-каротина образуется два моля ретиналя:

α-каротин не является димером, поэтому из него образуется только один моль витамина А.

Биологическая роль

Витамин А свои биологические функции выполняет в альдегидной и кислотной форме: ретиналь и ретиноевая кислота.

1. Участие в акте световосприятия.

В сетчатке содержатся фоторецепторы: колбочки, ответственные за цветное зрение, и палочки, ответственные за черно-белое. Колбочки содержат зрительный пигмент иодопсин, а палочки – родопсин. Они отличаются только апопротеиновой частью, кофермент обоих зрительных пигментов – 11-цис-ретиналь.

Механизм преобразования света в нервный импульс связан с переходом 11-цис-ретиналя в транс-ретиналь.

Схема зрительного цикла

1 – цис-ретиналь в темноте соединяется с опсином, образется родопсин;

2 – под действием света происходит изомеризация 11-цисретиналя в транс-ретиналь;

3 – транс-ретиналь-опсин распадается на транс-ретиналь и опсин;

4 – поскольку пигменты встроены в мембраны светочувствительных клеток сетчатки, это приводит к местной деполяризации мембраны и возникновению нервного импульса, распространяющегося по нервному волокну;

5 – заключительный этап этого процесса – регенерация исходного пигмента. Это происходит при участии ретинальизомеразы: транс-ретиналь → цис-ретиналь; последний вновь соединяется с опсином, образуя родопсин. ^[11
  Биохимия: Учеб. для вузов, Под ред. Е. С. Северина., 2003. 779 с. стр 135


[Закрыть]^]

2. Влияние на рост и дифференцировку клеток и тканей

Ретиноевая кислота, подобно гормонам, взаимодействует с рецепторами в ядре клеток-мишеней. Образовавшийся комплекс связывается с определенными участками ДНК и стимулирует транскрипцию генов. Белки, образующиеся в результате стимуляции генов с участием ретиноевой кислоты, влияют на рост, дифференцировку, репродукцию и эмбриональное развитие.

3. Участие в антиоксидантной защите – из-за наличия двойных связей.

4. Участие в синтезе гликопротеинов (в том числе, входящих в состав биологических мембран).

5. Участие в иммунной защите.

Гиповитаминоз

1. Нарушение сумеречного зрения – куриная слепота.

2. Поражение эпителиальных тканей.

Дерматиты, сопровождающиеся патологической пролиферацией (гиперкератоз), кератинизацией и десквамации эпителия. Ксерофтальмия (сухость роговицы и конъюнктивы) вызвана тем, что в следствие десквамации эпителия слезных каналов происходит закупорка последних. Глазное яблоко меньше смачивается слезой. Позже происходит размягчение – кератомаляция – образуются язвы. Поражения глаз могут привести к полной слепоте.

Происходит поражение эпителия желудочнокишечного тракта, дыхательных путей и мочеполовой системы (нарушение сперматогенеза).

Подобные нарушения вызываются нарушением синтеза гликопротеинов.

3. Задержка роста, истощение.

Гипервитаминоз

Высокие дозы витамина A вызывают острое отравление, при регулярном употреблении повышенных доз витаминов в течение нескольких месяцев развивается хроническое отравление.

Острое отравление витамином А возникает при употреблении в пищу печени тюленя, медведя, акулы. Там содержится большое количество этого витамина. Это может привести даже к летальному исходу.

1. Головная боль, тошнота, рвота, повышение внутричерепного давления.

2. Воспаляется роговица.

3. Снижается аппетит.

4. Бессонница.

5. Облысение.

6. При остром отравлении наблюдаются судороги, паралич.

Витамин D. Кальциферолы. Антирахитический

Общие сведения

Витамин D – это собирательный термин для обозначения группы близких по структуре стероидов.

Витамин D₂ – эргокальциферол. Используется как лекарственное средство для восполнения недостатка витамина D. Синтезируется в основном растениями из эргостерина. Или же может быть получен искусственно из того же эргостерина под действием ультрафиолета.

Витамин D₃ – холекальциферол. Помимо поступления с пищей, может синтезироваться в коже из 7-дегидрохолестерола под действием ультрафиолетовых лучей.

Витамин D является биологически неактивным, поэтому в организме человека происходит его активация. В коже холекальциферол связывается со специальным протеином (витамин-D-связывающий белкок) и в таком виде поступает в кровь. С кровью доставляется в печень. В печени к 25-атому углерода присоединяется гидрокси-группа (реакция гидроксилирования). Образуется 25-гидроксикальциферол (25 (ОН) D₃). 25 (ОН) D₃ – это основной циркулирующий метаболит витамина D. Поэтому концентрация 25-гидроксикальциферола, используется для определения обеспеченности им организма.

25 (ОН) D₃ в проксимальных почечных канальцах подвергается гидроксилированию по 1-атому углерода.

Образуется активная форма витамина D: 1,25-дигидроксикальциферол (1,25 (OH) ₂), или кальцитриол.

Источники

1. Витамин D синтезируется под действием ультрафиолетовых лучей. Дети и подростки, которые проводят даже короткое время 2—3 раза в неделю на улице, как правило, синтезируют достаточное количество витамина D для предотвращения дефицита.

2. Жирные сорта рыбы (сельдь, горбуша, сардины, макрель, лосось). И их рыбий жир.

3. В значительно меньшей степени: жирномолочные продукты (сметана, сливочное масло, сливки). Желток яиц. Говяжья печень.

4. Грибы лисички, выращенные при естественном освещении (в лесу) и дрожжи. В грибах синтезируется витамин D₂ (эргокальциферол) из эргостерола (так же, как и у нас в организме синтезируется холекальциферол из 7-дегидрохолестерола).

Однако, есть данные о том, что даже диета, богатая продуктами, содержащими витамин D, не может полностью обеспечить его потребность без достаточного нахождения на солнце.

Биологическая роль

Кальциферол – это витамин-гормон. Свои биологические функции выполняет через ядерный фактор транскрипции.

1. Кальцитриол повышает концентрацию Ca²⁺ в плазме:

Витамин D синтезируется в ответ на низкие концентрации кальция в крови. Эта связь опосредована действием паратгормона: при снижении концентрации кальция вырабатывается паратгормон, который активирует фермент, осуществляющий реакцию гидроксилирования в почках. Таким образом повышается концентрация активной формы витамина D, которая:

– Стимулирует всасывание Ca²⁺ и PO₄^3- в тонком кишечнике (усиливает синтез Ca²⁺-связывающих белков эпителия тонкого кишечника).

– Уменьшает экскрецию Ca²⁺ и PO₄^3- в почках, очевидно усиливая реабсорбцию.

– При очень низкой концентрации Ca²⁺, и, следовательно, высокой концентрации витамина D стимулируется мобилизация Ca²⁺ из костной ткани.

2. 1,25-дигидроксикальциферол оказывает действие на функции иммунной системы, что способствует усилению врожденного иммунитета и препятствует развитию аутоиммунных заболеваний.

3. Особый интерес вызывает способность кальцитриола угнетать пролиферацию и вызывать дифференцировку опухолевых клеток.

4. Витамин D играет важную роль в секреции инсулина в условиях повышенной потребности.

Гиповитаминоз

Гиповитаминоз возникает:

1. При недостаточном поступлении с пищей витамина.

2. При некоторых заболеваниях печени и почек. Из-за нарушения синтеза активной формы витамина.

3. У детей, живущих в условиях недостатка солнечного света.

При недостатке витамина D у детей развивается рахит. При рахите, несмотря на достаточное поступление с пищей, Ca²⁺ не всасывается, в почках вымывается. Происходит понижение его концентрации в крови. Нарушается минерализация кости, происходит остеомаляция. Деформируется череп (появляется бугристость), грудная клетка, нижние конечности (varus, valgus), позвоночник. На ребрах появляются «рахитические четки» – утолщения в области соединения хрящей с костью.

Наблюдается гипотония мышц, их вялость, дряблость. Этим объясняется характерный симптом «лягушачьего живота».

Гипервитаминоз

1. Деминерализация костей, приводящая к хрупкости. Повышается риск переломов.

2. Повышенная концентрация кальция и фосфатов приводит к кальцификации стенок сосуда, внутренних органов.

Витамин E. Токоферол. Антистерильный

Общие сведения

Витамин Е – это группа веществ, с общим биологическим действием. Различают токоферолы, и токотриенолы. В зависимости от заместителей (метил или водород) у бензольного кольца различают α, β, γ и δ токоферолы и токотриенолы:

Источники

Содержится в продуктах растительного происхождения: в большом количестве в растительных маслах (оливковом, подсолнечном, соевом, облепиховом), зародышах злаков, бобовых, зеленых овощах, орехах.

Из продуктов животного происхождения следует отметить: печень, сливочное масло.

Биологическая роль

1. Антиоксидантная защита за счет ингибирования свободно-радикальных реакций:

– Остатков ненасыщенных жирных кислот в фосфолипидах мембран – протектор биологических мембран.

– Остатков ненасыщенных жирных кислот ЛПНП от перекисного окисления, которое может привести к развитию атеросклероза.

– Витамина А.

– ДНК (оказывает тем самым противоопухолевую функцию).

2. Участвует в поддержании иммунитета.

3. Обеспечивает встраивание ультрамикроэлемента селена в состав активного центра глутатионпероксидазы. Этот фермент восстанавливает поврежденные перекисным окислением липиды.

Гиповитаминоз

1. Общая слабость, боли в мышцах.

2. Гемолитическая анемия (из-за утраты биологическими мембранами устойчивости).

3. В опытах на животных при недостатке витамина E нарушалось развитие плода, поэтому витамин назвали антистерильным. О влиянии недостатка витамина Е на беременность у людей ведутся исследования.

Витамин К. Нафтохинон. Антигеморрагический

Общие сведения

Источники

Кишечная микрофлора синтезирует витамин K₂ – менахинон.

Витамин K₁ – филлохинон содержится в капусте, крапиве, шпинате, тыкве, томатах.

Из продуктов животного происхождения – только свиная печень.

Биологическая роль

Биологическая роль витамина обусловлена его участием в γ-карбоксилировании остатка глутамата в белках:

1. Факторов свертывания: протромбина (фактор II), проконвертина (фактор VII), фактора Кристмаса (фактор IX), фактора Стюарта (фактор X), а также белки S и C (тоже участники системы гемостаза). Тем самым обеспечивается нормальное свертывание крови.

2. Белков соединительной ткани.

Антивитамины (например, дикумарол и варфарин) могут ингибировать фермент (из-за структурного сходства с нафтохиноном), восстанавливающий окисленный витамин К до активной формы – и витамин больше не сможет выполнять свои функции. Поэтому эти вещества называются антивитаминами для витамина К.

Гиповитаминоз

Кишечная микрофлора синтезирует витамин в достаточном количестве. Но поскольку он жирорастворимый, его всасывание может нарушаться при нарушении выделения желчи, липидного обмена.

Так же гиповитаминоз может быть спровоцирован приемом антивитаминов – дикумарола и варфарина. И третья причина – это гибель кишечной микрофлоры после принятия антибиотиков.

Поскольку витамин К участвует в синтезе белков, обеспечивающих свертывание крови, гиповитаминоз будет характеризоваться плохим свертыванием крови. Сильное кровотечение может привести к летальному исходу.

Гипервитаминоз

Гипервитаминоз может возникнуть при избыточном приеме витамина в виде лекарственного средства. У взрослых обычно не развивается, опасно для новорожденных. Наблюдается гемолитическая анемия, гипербилирубинемия.

Водорастворимые витамины

Водорастворимые витамины, в отличие от жирорастворимых не накапливаются. Их избыток выводится из организма. Поэтому для них не описаны гипервитаминозы.

Витамин B₁. Тиамин. Антиневритный

Общие сведения

Источники

Отруби злаков, нешлифованный рис, горох, фасоль, дрожжи, печень.

Биологическая роль

1. Тиаминпирофосфат – кофермент транскетолазы, катализирующей реакции неокислительного этапа пентозофосфатного пути. В пентозофосфатном пути, как известно, образуется рибоза.

2. Тиаминпирососфат – кофермент декарбоксилаз α-кетоглутаратдегидрогеназного и пируватдегидрогеназного комплекса.

α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс катализирует 4 реакцию ЦТК:

Пируватдегидрогеназный комплекс превращает пируват в ацетил-КоА, который затем направляется в ЦТК:

3. Тиамин участвует в работе нервной системы: передаче импульса, транспорте ионов через мембрану нейрона, обмене ацетилхолина.

Гиповитаминоз

Гиповитаминоз может быть обусловлен:

1. Недостаточным поступлением витамина с пищей (например, при употребление только шлифованного риса – без оболочки).

2. Хронической интоксикацией алкоголем (при алкоголизме).

3. Употреблением продуктов, содержащих тиаминазу – антивитамин В₁. Например, сырой рыбы.

При гиповитаминозе перестают работать ферменты, коферментом которых является тиаминпирофосфат. Нарушается утилизация пирувата, накапливается лактат. Развивается ацидоз.

Нарушается утилизация α-кетоглутарата. Вследствие всего этого снижается активность энергетического обмена, накапливаются токсичные метаболиты. И первой страдает нервная система.

1. Болезнь бери-бери – ножные кандалы. Ранее была распространена среди жителей восточной Азии. Развивалась из-за преимущественного употребления шлифованного риса и в целом из-за диеты, бедной тиамином. Клинические проявления: полиневрит, боли по ходу периферических нервов, нарушение чувствительности, парестезии, параличи, расстройства психики.

2. Корсаковский психоз – расстройство психики, развивающееся при алкоголизме. Характеризуется фиксационной амнезией – неспособностью запоминать текущие события при сохранности памяти на прошлые.

3. Энцефалопатия Гая-Вернике – психотическое расстройство, вызванное органическим поражением головного мозга. Развивается при алкоголизме.