КНОРРЕ_3227

Глава 18. Витамины

§ 18.1. Витамины и их биологическое значение

Основными органическими питательными веществами для многоклеточ­ ных животных, в том числе и человека, являются белки, жиры и углеводы. Белки, как продукты питания главным образом необходимы как источники аминокислот, из которых по программам, заданным потребляющим их орга­ низмом, строятся все необходимые ему белки. Окисление жиров и углеводов является основным процессом, обеспечивающим энергетические потребности организма. Систематическое поступление этих веществ в достаточных количе­ ствах - необходимое условие роста, развития и функционирования организмов.

Но кроме этих веществ животным организмам в небольших количествах требуются некоторые другие низкомолекулярные вещества, не использую­ щиеся в качестве источника энергии и не являющиеся структурными компо­ нентами различных тканей и органов. К числу таких веществ относится большая группа соединений, объединяемых под общим названием витамины.

Витамины - это низкомолекулярные соединения, необходимые для нор­ мального протекания метаболизма в очень малых количествах. Некоторые из них у ряда животных могут в достаточном количестве производиться самими организмами или присущей им микрофлорой. Но в большинстве случаев они должны поступать с пищей.

Как по структуре, так и по выполняемым функциям витамины чрезвы­ чайно разнообразны, и термин носит собирательный характер. Одной из ос­ новных функций витаминов является их роль как коферментов (коферментами обычно называют субстраты, общие для некоторой достаточно широкой группы ферментов), кофакторов или их предшественников. Есть витамины, выполняющие строго специфическую функцию, например, витамин А, участ­ вующий в восприятии светового сигнала.

В зависимости от растворимости в различных полярных и неполярных растворителях витамины делятся на водорастворимые и жирорастворимые. В пределах каждой из этих групп витамины различают, присваивая им бук­ венные обозначения латинского алфавита и снабжая дополнительно цифро­ выми индексами.

Недостаточное поступление или полное отсутствие в пище некоторых ви­ таминов, нарушение их всасывания или транспорта приводит к негативному изменению протекания биохимических и физиологических процессов, в ре­ зультате развиваются различные заболевания - авитаминозы. Заболевания, обусловленные поступлением водорастворимых витаминов в чрезмерно больших количествах, встречаются редко, поскольку большинство водорас-

______ § 18.2. Витамины как кофакторы, коферменты и их предшественники 391

творимых витаминов быстро выводится из организма. В то же время избы­ точное потребление жирорастворимых витаминов (особенно витаминов А и D) может оказаться опасным для жизни.

Серьезные проблемы вызывают заболевания, связанные с генетическими нарушениями обмена и функций витаминов. Таким образом, встают вопросы диагностики и лечения различных нарушений обмена и функций витаминов. Открытие витаминов сыграло исключительную роль в профилактике и лече­ нии многих заболеваний.

§ 18.2. Витамины как кофакторы, коферменты и их предшественники

Первым витамином, выделенным в кристаллическом виде, был тиамин или витамин Bh молекула которого представляет собой замещенные пири­ мидиновое и тиазоловое гетероциклы, соединенные метиленовым фрагмен­ том:

Действующей в организме формой является не сам тиамин, а тиаминпирофосфат, называемый также кокарбоксилазой:

Он образуется по реакции тиамина с АТР:

Тиамин + АТР -> тиаминпирофосфат + АМР

Тиаминпирофосфат - кофактор ферментов, катализирующих реакции окислительного декарбоксилирования а-кетокислот (пирувата и а-оксоглу- тарата). Механизм окислительного декарбоксилирования, катализируемый тиаминпирофосфат-зависимыми ферментами, рассматривался нами в § 13.4. При декарбоксилировании образуется ацильный остаток, который связывает­ ся с атомом серы липоевой кислоты (6,8-дитиооктановая кислота),

HSCH2-C H 2-C H (SH)-(CH 2)5-CO OH

которая является кофактором фермента декарбоксилазы и квалифицируется как витамин N. Липоевая кислота, строго говоря, является витамином для дрожжей, ряда других микроорганизмов и простейших. Высшие животные способны ее синтезировать. Липоевая кислота в декарбоксилазах ковалентно связана своей карбоксильной группой с аминогруппой остатка лизина апофермента.

Излишнее накопление пирувата и а-оксоглутарата, образующихся при ка­ таболизме углеводов, крайне вредно для организма. В XIX и начале XX века

вЮго-Восточной Азии широкое распространение получило заболевание бе- ри-бери (от сингальского beri - слабость), для которого характерны невроло­ гические расстройства и сердечная недостаточность. Болезнь связана с тем, что очищенный (полированный) рис - основной продукт питания в регионе - беден тиамином. Аналогичное заболевание развивается и у домашних кур, получающих в пищу полированный рис. Включение в рацион питания экс­ тракта рисовой шелухи приводит к выздоровлению, так как оболочка риса содержит тиамин. Свежее мясо, молоко и овощи также богаты витамином В]. При бери-бери содержание пирувата и а-оксоглутарата в крови превышает норму, а транскетолазная активность эритроцитов снижена. Бери-бери иногда встречается при остром истощении у алкоголиков. Оптимальная потребность

ввитамине Bi составляет 1,5-2 мг в сутки. Организм человека практически не в состоянии откладывать его про запас, в связи с чем необходимо получать его каждый день.

Витамин В2 - рибофлавин, в структуру которого входит D-рибитильное производное сложного трициклического соединения изоаллоксазина (флавина):

н . с - с н - с н - с н - с н , о н

2| 2

рибофлавин

Рибофлавин легко подвергается обратимому окислению-восстановлению, так как может присоединять два атома водорода к атомам азота N1и N10. Это свойство лежит в основе его функционирования в качестве кофактора фер­ ментов оксидаз, механизм действия которой рассматривается в § 16.3. Функциональными производными витамина В2 являются флавиновые нук­ леотиды: монофосфорный эфир рибофлавина (FMN, флавинмононуклеотид), а также пирофосфорный ангидрид FMN и аденозинмонофосфата (FAD, флавинадениндинуклеотид), которые образуются по реакциям:

Обычно сокращенно этот кофермент записывают как CoASH, поскольку он функционирует в виде производных, ацилированных по SH-группе. Так, наиболее широко участвующее в метаболизме ацетильное производное запи­ сывают как C0ASCOCH3. В животных организмах имеется ферментативная система синтеза CoASH из пантотеновой кислоты с участием аденозинтрифосфата (АТР) и цистеина. Кофермент А занимает одно из центральных мест в метаболизме липидов.

Витамин Вв объединяет группу соединений - пиридоксин, пиридоксаль

и пиридоксамин. Кофакторные функции выполняют фосфорилированные производные пиридоксаля и пиридоксамина. Известно большое число пиридоксалевых ферментов, катализирующих реакции переноса аминогруппы от аминокислоты на а-кетокислоту, реакции декарбоксилирования с образова­ нием соответствующих аминов и ряд других процессов во всех живых орга­ низмах. Механизм пиридоксалевого катализа более детально описан в § 16.4.

пиридоксин (фосфат) пиридоксаль (фосфат)

H2 C-NH2

СН2ОН

(Р 03 Н2)

Н з С ^ м ^

пиридоксамин (фосфат)

Витамин В6 содержится практически во всех продуктах питания животно­ го и растительного происхождения, его потребность составляет 0,5-2 мг в сутки. Недостаточность этого витамина у человека возникает редко и обу­ словлена нарушением его метаболизма, повышенным потреблением белковой пищи, этанольной интоксикацией, туберкулезом.

Витамин В% - птероилглутаминовая, или фолиевая кислота состоит из гетероциклического соединения птеридина, «-аминобензойной кислоты (так­ же являющейся витаминоподобным фактором, Вх или НО и L-глутаминовой кислоты:

§ 18.2. Витамины как кофакторы, коферменты и их предшественники 395

фолиевая кислота

Фолиевая кислота переходит в свою активную форму - 5,6,7,8- тетрагидрофолиевую кислоту или ее соль тетрагидрофолат (THF) при вос­ становлении птеридинового кольца:

н

тетрагидрофолат

Это восстановление осуществляется ферментом фолатредуктазой, содер­ жащим в качестве кофермента NADPH.

Тетрагидрофолат способен присоединять по атомам азота N5 и N10 или в виде мостика, связывающего эти атомы, одноуглеродные фрагменты в раз­ личных степенях окисления. Поэтому тетрагидрофолат является переносчи­ ком метильной (-СН3), метиленовой (-СН2-), метенильной (-СН=), формильной (-СНО), формимино (-CH=NH) групп в многочисленных синтезах амино­ кислот и нуклеозидов

Главным процессом, в результате которого THF «заряжается» одноугле­ родным фрагментом, является реакция с серином, в результате которой обра­ зуется метилентетрагидрофолат и глицин:

HOCH2CH(NH3+)COO- + THF ->

-> N5,N10-CH2-THF + NH3*CH2COO- + H20

Хотя фолиевая кислота вырабатывается кишечной флорой, ее недоста­ точность считается наиболее распространенным случаем гиповитаминоза. Ею часто страдают бедные и престарелые люди, а также беременные женщины и новорожденные. Это приводит к гиперхромной анемии, потере веса и об­ щей слабости. В больших количествах фолиевая кислота содержится в зеле­ ных листьях овощей, печени, дрожжах и в мясе, однако при кулинарной об­ работке пищи она может разрушаться.

В медицине фолиевая кислота применяется для борьбы с заболеваниями кроветворной системы, особенно при анемиях или лучевой болезни, так как она участвует в процессах гемопоэза. При росте злокачественных опухолей (лейкозы, лейкемии) происходит интенсивный синтез нуклеиновых кислот, поэтому для лечения этих заболеваний применяются антагонисты фолиевой кислоты (антивитамины В9) - аминоптерин и аметоптерин, способные сни­ жать активность фолатредуктазы и тем самым угнетать синтез нуклеотидов и митоз.

Витамин Н (биотин, биос II) представляет собой бициклическое соедине­ ние, содержащее в одном кольце фрагмент мочевины, а в другом - атом серы и остаток валерьяновой кислоты, присоединенный к атому углерода цикла:

HN NH

Биотин является кофактором, карбоксильная группа которого связана амидной связью с е-аминогруппой одного из остатков лизина апофермента. С участием биотина происходят реакции карбоксилирования различных суб­ стратов, сопряженные с гидролизом АТР, например, карбоксилирование пирувата с образованием оксалоацетата, рассматриваемое в § 16.4. Недостаточ­ ность этого витамина проявляется при чрезмерном потреблении яичного бел­ ка, содержащего белок авидин, способный очень прочно связывать биотин (константа связывания порядка 1014 М'1) с образованием нерастворимого и нерасщепляющегося в желудочно-кишечном тракте комплекса, что препятст­ вует усвоению биотина. Следует отметить, что в некоторых микроорганизмах имеется белок, аналогичный авидину, с необычно высоким сродством к био­ тину - стрептавидин. В силу этого он нашел очень широкое аналитическое применение в биоорганической химии.

§ 18.3. Витамин Вп

Самый сложный по химической структуре - витамин Вп (оксикобаламин,

антианемический фактор, фактор кроветворения). За установление его структуры методом рентгеноструктурного анализа Дороти Ходжкин получи­ ла Нобелевскую премию (1964 г.).

Молекула витамина В]2 состоит из трех частей разной химической приро­ ды. Первой, планарной, частью молекулы витамина Вп является циклическая корриновая система, которая содержит четыре восстановленных пиррольных

кольца, связанных между собой в a-положении тремя одноуглеродными

фрагментами и одной прямой Са-Са-связью. В центре макроцикла в качестве хелатируемого иона металла находится катион кобальта, который может иметь степень окисления +1, +2 и +3. В пиррольных кольцах имеются замес­ тители - метальные, ацетиламидные и пропионамидные группы. Планарная группа витамина В]2 является хромофором, вследствие чего его кристаллы окрашены в рубиново-красный цвет, а водные растворы - в светлосиреневый.

Вторая, перпендикулярная к первой, группа представляет собой а-3’- фосфорибозил-5,6-диметилбензимидазол, один из атомов азота имидазольного кольца которого связан координационной связью с атомом кобальта.

Третья часть - радикал R, в витамине В12 (оксикобаламине) это ион ОН- В этом виде витамин в качестве кофактора не участвует и должен присоеди­ нить вместо ОН” 5’-аденозильный остаток. Выделяется витамин в виде цианкобаламина, в котором R = C=N” В коферменте 5’-аденозильный остаток со­ единен с атомом кобальта необычной кобальт-углеродной связью.

В1970 г. на международном симпозиуме по химии природных соедине­ ний в Риге было сообщено о синтезе витамина В12, выполненном совместно группами в Кембридже и Цюрихе. Для синтеза потребовались усилия 99 хи­ миков из 19 стран и 11 лет кропотливого труда.

Ворганизме оксикобаламин превращается в кобаламид с помощью трех последовательных ферментативных реакций. Сначала ион Со3 в оксикобала­ мине восстанавливается с помощью NADH до Со2+, затем до Со1+, после чего происходит перенос 5’-дезоксиаденозильной группы от АТР.

Кферментам, использующим в качестве кофактора производные витами­ на В12, относятся метилмалонил-СоА-мутаза, катализирующая изомеризацию связанного с СоА остатка метилмалоновой кислоты в остаток янтарной ки­ слоты; метилтрансфераза, катализирующая перенос метальной группы от N5метилтетрагидрофолата на атом S гомоцистеина с образованием метионина,

инекоторые другие.

Следует отметить, что витамин В)2 является единственным витамином, синтез которого осуществляют исключительно микроорганизмы, в особенно­ сти анаэробные бактерии. Ни растения, ни животные этой способностью не обладают. Человеку витамин Bi2 полностью поставляется микробной флорой. Суточная потребность для взрослого человека составляет 3 мкг. Недостаток его, обычно связанный с нарушением всасывания через стенку кишечника, приводит к развитию злокачественной анемии. Помимо нарушения крове­ творной функции, при дефиците Ви наблюдается расстройство деятельности нервной системы. Это заболевание было впервые вылечено скармливанием больным богатой кобаламином полусырой печени.

"ч

f N

NHo

§ 18.4. Витамин С (аскорбиновая кислота)

Одним из важнейших витаминов является витамин С (аскорбиновая ки­ слота), который представляет собой у-лактон 2,3-дегидро-Ь-гулоновой ки­ слоты. Важнейшим свойством этой кислоты является способность двуста­ дийно переносить два электрона через образование семихинонного ионрадикала как промежуточного продукта между полностью восстановленной и полностью окисленной формами.

Эта способность L-аскорбиновой кислоты легко передавать электроны лежит в основе ее участия в окислительно-восстановительных процессах. Бу­ дучи самым сильным восстановителем живого организма, она участвует во многих биохимических процессах транспорта электронов, а образующаяся при этом дегидроаскорбиновая кислота легко восстанавливается обратно специальной редуктазой. Благодаря этому свойству витамин С может взаи­ модействовать со многими коферментами и кофакторами оксидоредуктаз, такими как NAD, FAD, цитохромы, а также с внутриклеточным восстанови­ телем глутатионом.

Биологические функции витамина С чрезвычайно разнообразны. Одной из них является его участие в формировании коллагена - главного белка со­ единительной ткани. Важной особенностью этого белка является наличие большого количества гидроксилированных аминокислот - гидроксипролина и гидроксилизина (см. § 7.4). Аскорбиновая кислота является непосредствен­ ным гидроксилирующим агентом при их образовании в составе соответст­ вующих белковых предшественников. Нарушение гидроксилирования колла­ гена приводит к цинге. Это заболевание уносило сотни жизней в крестовых походах и в полярных экспедициях, когда в пище отсутствовало достаточное количество аскорбиновой кислоты.

Аскорбиновая кислота может выступать в качестве гидроксилирующего агента при превращении дофамина в норадреналин и триптофана в 5- гидрокситриптофан. Она участвует также в обмене липидов и ряде других реакций.

Аскорбиновая кислота играет важную роль в защите гемоглобина эритро­ цитов от окисления и превращения его в метгемоглобин (окисленный гемо­ глобин, в котором железо находится в трехвалентной форме, неспособной переносить кислород). Аскорбиновая кислота способна непосредственно вос­ станавливать метгемоглобин, окисляясь при этом в дегидроаскорбиновую кислоту, которая затем восстанавливается сульфгидрильной формой глутатиона. Окисленный глутатион (дисульфидная форма пептида) в дальнейшем восстанавливается с помощью NADH.

Аскорбиновая кислота способствует восстановлению трехвалентного же­ леза в двухвалентное, которое легче всасывается в кишечнике. Всасывание железа обусловлено способностью белка апоферритина связывать Fe2+ и пре­ вращаться в ферритин, что требует наличия аскорбиновой кислоты и АТР.

Имеются данные о том, что для поступления витамина С в клетки важен переход его в дегидроаскорбиновую кислоту. Последняя диффундирует через