Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Метаболизм. Процессы, требующие притока энергии
Биологическая роль и биосинтез витаминов
Жирорастворимые витамины

К жирорастворимым витаминам относятся витамины A, D, E, K, а также Q и F. Последние два часто относят к витаминоподобным веществам. По химической структуре все эти витамины, кроме F, являются изопреноидами.

Изопреноиды (терпены) представляют собой обширную группу соединений, имеющих общие начальные стадии биосинтеза, в которых участвует в качестве предшественника пятиуглеродный разветвленный ненасыщенный углеводород — изопрен (2-метилбутадиен-1,3). К изопреноидам, кроме перечисленных витаминов, относятся каротиноиды, стеролы, каучук, фитол (входит в состав хлорофилла) и многие другие соединения.

Жирорастворимые витамины выполняют в организме некоферментные функции.

Витамин А (ретинол). Этот витамин существует в форме двух витамеров (сходные по химическому строению формы витамина, обладающие разным физиологическим действием) — А₁ (ретинол) и А₂ (дегидроретинол). Дегидроретинол отличается от ретинола наличием двойной связи между 3-м и 4-м атомами углерода в шестичленном кольце (рис. 17.1). Кроме этого, витамин А (спирт), легко окисляясь, дает начало группе ретиноидов, к которой принадлежит ретиналь и ретиноевая кислота (рис. 17.1). Известно, что ретиналь выполняет роль зрительного пигмента (глава 13), а ретиноевая кислота служит ростовым фактором, участвуя в развитии костной ткани и поддерживая нормальную секреторную функцию слизистых оболочек.

Рис. 17.1. Структура разных форм витамина А (пояснения в тексте)

Биологическая роль витамина А и его форм состоит в регуляции дифференцировки клеток, предупреждении ороговения эпителиальных тканей, участии в обмене белков и липидов, в окислительных процессах, в регуляции проницаемости мембран. Суточная потребность в витамине составляет для взрослого человека 1 мг. А-авитаминозы сопровождаются утратой остроты зрения и возникновением сумеречной слепоты, поражением эпителиальных тканей и слизистых оболочек, торможением роста, уменьшением массы тела, повреждением тканей нервной системы, клеток надпочечников и семенников.

Следует отметить, что недостаток витамина А в пище особенно опасен для детей, поскольку у взрослых этот витамин может запасаться, образуя сложные эфиры с пальмитиновой кислотой. В таком виде ретинол более устойчив и накапливается в печени в количествах, способных обеспечить потребность в нем в течение 2 лет.

Источниками витамина А являются животные продукты (особенно печень морских животных и рыб), а также растительные продукты, содержащие каротиноиды. Каротины служат в организме человека предшественниками (провитаминами), из которых синтезируется витамин А.

В свою очередь, ß-каротин содержится в свежих овощах и фруктах, особенно много его в моркови и тыкве. Кроме этого, каротиноиды синтезируются в клетках многих микроорганизмов: микроскопических водорослей, дрожжей, мицелиальных грибов, актиномицетов, микобактерий.

Биосинтез каротиноидов, так же как и других изопреноидов, осуществляется из ацетил-СоА в ходе нескольких стадий и подчиняется «изо-преновому правилу», впервые сформулированному швейцарским химиком Л. Ружичкой. Согласно этому правилу, обязательным в синтезе является участие изопреновых единиц и следующих превращений:

1) формирование мевалоната из ацетил-СоА или лейцина; 2) фосфорилирование, дегидратация и декарбоксилирование мевалоната с образованием «активного изопрена» — изопентенилпирофосфата; конденсация изопреновых звеньев с образованием линейных молекул разной длины; 3) циклизация частей линейных молекул изопреноидов; 4) модификация циклических структур.

Основные стадии процесса биосинтеза ß-каротина, подчиняющегося правилу Ружечки, представлены на рис. 17.2 и 17.3.

Рис. 17.2. Синтез бесцветного предшественника окрашенных каротиноидов — фитоена (С40-линейная молекула)

Рис. 17.3. Синтез окрашенных пигментов из фитоена, образование ß- каротина и ретинола

Следует отметить, что промежуточное соединение, образующееся на начальных этапах биосинтеза каротиноидов — фарнезилпирофосфат (рис. 17.2), является предшественником для синтеза стеролов (глава 15) и витамина Q.

Фитоен — линейная 40-углеродная молекула, состоящая из повторяющихся изопреновых единиц, подвергается далее четырем последовательным реакциям дегидрирования, в результате чего в ней образуется 4 дополнительные двойные связи (ликопин — красный пигмент томатов), а затем циклизуется в ß-каротин через промежуточную стадию образования g-каротина (рис. 17.3).

В клетках печени и слизистой кишечника животных и человека ß-каротин может подвергаться окислительному расщеплению с образованием двух молекул ретинола (рис. 17.3).

Витамин D (кальциферол). Кальциферол, как и витамин А, существует в виде нескольких витамеров. Наиболее распространены витамины D₂ и D₃. Витамин D₂ образуется из провитамина эргостерола, а витамин D₃ — из продукта модификации холестерола (7-дегидрохолестерола) под действием солнечной иррадиации. Ультрафиолетовое облучение приводит к раскрытию в молекуле стерола кольца В в результате размыкания связи между 9-м и 10-м углеродными атомами (рис. 17.4, сравни с рис. 4.4). У животных эта реакция протекает в клетках кожи.

Поскольку провитамины (стеролы) способны синтезироваться в организмах животных и человека (глава 15), а также поступают с пищей, дефицит витамина D у взрослых наблюдается редко (при недостатке солнечного облучения, иногда — в результате наследственных нарушений). Но у детей, в организмах которых происходит интенсивный мембраногенез, развитие тканей, костной и мышечной систем, часто регистрируется недостаточность витамина D, которая может привести к развитию рахита — заболевания, связанного с нарушением процесса минерализации костной ткани.

Рис. 17.4. Структура витаминов D, E, К

Витамин D принимает участие в реакциях перекисного окисления липидов, а, кроме того, витамер D₃ гидроксилируется в печени и почках животных с образованием гормона кальцитриола (1, 25-дигидрокси-холекальциферол). Кальцитриол вместе с двумя другими гормонами участвует в регуляции обмена кальция в организме. В частности, известно, что кальцитриол стимулирует всасывание кальция в желудочно-кишечном тракте и включение его в костную ткань.

Витамином D₃ богаты такие продукты, как рыбий жир, сливочное масло, желток куриного яйца, печень животных, молоко. Суточная потребность в витамине D составляет 0,01 мг. Важно присутствие витамина D в рационе сельскохозяйственных животных, в первую очередь кур и коров, поскольку у них кальциевый обмен происходит особенно интенсивно. Получают витамин D (в основном эргокальциферол), облучая ультрафиолетом дрожжевую или грибную биомассу либо уже выделенный эргостерол.

Витамин Е (токоферол). Под этим названием объединяется группа витамеров, синтезируемых растениями. Наиболее распространены а- (рис. 17.4), ß- и g-токоферолы, которые различаются числом и положением метильных групп у бензольного кольца. Токоферолы обладают антиоксидантным действием по отношению к ненасыщенным липидам: выступают в роли восстановителей, которые легко реагируют с окисляющими веществами (например, с пероксидными радикалами) и таким образом защищают другие молекулы от окисления. Наиболее полно это свойство токоферолов проявляется по отношению к липидам мембран, что стабилизирует их функции и, соответственно, биохимические процессы, связанные с деятельностью мембран.

Кроме этого, токоферолы участвуют в регуляции синтеза ферментов, а также контролируют обмен и функции убихинона — одного из компонентов дыхательной цепи.

Наибольшее количество витамина Е содержится в проростках пшеницы и растительных маслах, а также в салатах, капусте. Суточная потребность в этом витамине для человека составляет 10 мг.

Недостаток витамина Е в рационе может приводить к нарушению эмбриогенеза, развитию заболеваний органов размножения, а также к мышечной дистрофии, параличу конечностей, дегенерации спинного мозга и др. Однако Е-авитаминозы встречаются достаточно редко при сбалансированном питании, поскольку витамин Е способен запасаться в тканях животных, восполняя недостаточное поступление токоферола с пищей в течение нескольких месяцев.

Витамин К (филлохинон). К витаминам группы К относят соединения со структурой молекул, подобных витамину К₁ — филлохинону (рис. 17.4). Кроме этого, распространены витамины К₂ (менахиноны), отличающиеся строением боковой цепи, а также многие производные нафтохинона.

Витамин К является антигеморрагическим фактором, способствующим нормализации и ускорению свертываемости крови. При этом филлохинон принимает участие в карбоксилировании остатков глутаминовой кислоты белков плазмы крови. У растений и микроорганизмов менахиноны участвуют в окислительно-восстановительных процессах, происходящих при окислительном фосфорилировании и фотофосфорилировании.

Суточная потребность в витамине К для взрослого человека составляет 0,08 мг. Большие количества этого витамина присутствуют в зеленых частях и плодах растений (томаты, капуста, тыква), а также в печени животных. Кроме того, витамин К синтезирует кишечная микрофлора, поэтому К- авитаминозы наблюдаются обычно только у новорожденных.

Витамин Q (убихинон). Хиноны, в том числе убихинон (Q₁₀), уже рассмотрены в главе 12 как коферменты. Однако есть основания считать убихиноны веществами витаминной природы, поскольку, хотя они и синтезируются в организмах животных и человека, известны заболевания, которые излечиваются при введении Q₁₀. К таким заболеваниям можно отнести, например, анемию или нарушения в костном мозге при белковом голодании у детей.

Известно участие убихинонов в процессах транспорта электронов при дыхании и фотосинтезе, а также антиоксидантное действие в мембранах, причем еще более эффективное, чем у токоферола.

Убихиноны синтезируются всеми организмами, за исключением некоторых бактерий. Предшественниками ароматического кольца служит n-оксибензойная кислота, которая у животных синтезируется из тирозина и фенилаланина, поэтому синтез убихинонов у животных зависит от белкового питания. Боковая изопренильная цепь убихинонов синтезируется по правилу Ружечки. Богатыми источниками убихинонов являются ткани, в которых интенсивно осуществляются окислительно-восстановительные процессы: сердечная мышца, печень, «бурый жир».

Витамин F (незаменимые жирные кислоты). Жирные кислоты с большим количеством двойных связей — линолевая (18:2), линоленовая (18:3) и арахидоновая (20:4) — не могут самостоятельно синтезироваться в организме человека и должны поступать с пищей. На этом основании предложено относить их к витаминам. Арахидоновая кислота, однако, может образовываться из линолевой и линоленовой. Она служит предшественником большой группы медиаторов (локальных гормонов эйкозаноидов). Эйкозаноидам присущи важные функции: они участвуют в высвобождении веществ внутриклеточного синтеза, контролируют сокращение гладкомышечной ткани, оказывают влияние на метаболизм костной ткани, нервную и иммунную системы и др.

Отмечено участие витамина F в регуляции обмена липидов, выявлена его роль в выведении из организма избыточных количеств холестерола. Имеются сведения о положительном влиянии ненасыщенных жирных кислот на состояние кожного и волосяного покрова. Однако случаев F-авитаминоза у человека не описано.