Витамины и витаминоподобные вещества: химическая природа, классификация, роль в обмене веществ

Витамины - "незаменимые органические вещества, необходимые для поддержания жизненно важных функций организма, участвующие в регуляции биохимических и физиологических процессов", "биомолекулы с преимущественно регуляторными функциями, поступающие в организм с пищей", "незаменимые (эссенциальные) пищевые вещества, которые не образуются в организме или образуются в недостаточном количестве".

Классифицировать витамины по химической структуре невозможно - настолько они разнообразны и относятся к самым разным классам химических соединений. Однако их можно разделить по растворимости: на жирорастворимые и водорастворимые.

К жирорастворимым витаминам относят 4 витамина: витамин А (ретинол), витамин D (кальциферол), витамин Е (токоферол), витамин К, а также каротиноиды, часть из которых является провитамином А. Но холестерин и его производные (7-дегидрохолесторол) также можно отнести к провитамину D.

К водорастворимым витаминам относят 9 витаминов: витамин B1 (тиамин), витамин В2 (рибофлавин), витамин В5 (пантотеновая кислота), витамин РР (ниацин, никотиновая кислота), витамин В6, (пиридоксин), витамин В9 (витамин Вс, фолиевая кислота), витамин В12 (кобаламин) и витамин С (аскорбиновая кислота), витамин Н (биотин)

асть витаминов представлена в форме моносоединений - 4 витамина:

Витамин B1 - тиамин

Витамин B5 - пантотеновая кислота

Витамин С - аскорбиновая кислота

Витамин Н - биотин

Все остальные 9 витаминов, представляют собой группы соединений, обладающих похожими свойствами:

Витамин А. Известны два соединения с активностью витамина А: ретинол (витамин А1) ретиналь (витамин А2). В тканях ретинол превращается в сложные эфиры: ретинилпальмитат, ретинилацетат и ретинилфосфат. Витамин А и его производные находятся в организме в транс конфигурации, лишь в сетчатке глаза образуются цис-изомеры ретинола и ретиналя.

Каротиноиды. Каротиноиды встречаются практически во всех животных и растениях, особенно в организмах, развивающихся на свету. Описано около 563 вида каротиноидов (Штрауб О., 1987), не считая их цис- и транс-изомеров. Основными каротиноидами и полиенами являются:

- альфа- и бета-каротины и бета-ano-8-каротиноиды,

- бета-криптоксантин, астаксантин, кантаксантин, цитроксантин, неоксантин, виолаксантин, зеаксантин,

- лютеин,

- ликопин,

- фитоен, фитофлуен

Большинство каротиноидов является ксантофиллами, селективно поглощают свет, имеют обычно желтый цвет и придают желтую окраску осенним листьям. К основным ксантофиллам относятся лютеин и зеаксантин. Кроме ксантофиллов, существует группа каротинов (альфа-, бета- и гамма-каротины), к которым принадлежит наиболее известный каротиноид - бета-каротин, наиболее активный из всех каротиноидов. При расщеплении молекулы бета-каротина может образовываться 2 молекулы ретиналя, альфа- гамма- формы образуют лишь по одной молекуле витамина А. Однако в процессе метаболизма превращение бета- каротина в ретинол происходит и соотношении 6:1, т.е. из 6 мг бета-каротина образуется 1 мг ретинола. Для всех каротиноидов это соотношение составляет 12:1.

Витамин D. Из многочисленных соединений, обладающих активностью витамина D (кальциферолы), наиболее важны для человека эргокальциферол (витамин D2) и холекальциферол (витамин D3). Основной предшественник витамина D - провитамин 7-дегидрохолестерин содержится в пище животного происхождения, а также образуется в слизистой оболочке тонкой кишки и в печени. В коже под воздействием определенного спектра естественного ультрафиолетового облучения он превращается в холекальциферол (витамин D3). Следует подчеркнуть, что при искусственном загаре витамин D в коже не образуется. В пище растительного происхождения содержится провитамин эргостерин, который в коже может превратиться в эргокальциферол (витамин D2). В организме человека активность обоих групп витаминов приблизительно одинакова. Эрго- и холекальциферолы, транспортируются в печень, где из них образуется 25-гидроксикальциферал, который в дальнейшем в почках гидроксилируется до 1,25-дигидроксикальциферола. Эта активная форма витамина D, поступая в кишечник, вызывает образование специфического кальций (Са)-связывающего белка, который усиливает всасывание Са в тонкой кишке. Одновременно этот метаболит ускоряет реабсорбцию Са в почечных канальцах.

Таким образом, недостаточность витамина D может наблюдаться не только при его дефиците в составе питания, но и при недостаточном образовании в коже при отсутствии солнечного облучения, а также и при заболеваниях печени и почек.

Витамин Е. Это группа из восьми химически родственных соединений - четырех токоферолов (альфа-, бета- гамма- и дельта-) и четырех токотриенолов, активность которых в качестве витамина Е сильно различается. Наиболее активной формой витамина является D-альфа-токоферол, однако дельта-токоферол обладает более высокой антирадикальной активностью.

Витамин К. Широко распространен в природе и представлен в двух формах. В зеленых растениях и водорослях содержатся витамины ряда K1 (филлохиноны). Продукты животного происхождения и бактерии содержат витамины ряда К2 (менахиноны).

Витамин В2. Рибофлавин (лактофлавин) в организме человека представлен в двух формах: флавинмононуклеотида и флавинадениндинуклеатида.

Витамин PP. Ниацин (никотиновая кислота) - два соединения, включающих никотиновую (пиридин-5-карбоновую) кислоту и никотинамид, имеющие одинаковую активность. Коферментные формы - НАД и НАДФ функционируют в составе более чем 100 дегидрогеназ.

Витамин В6. Объединяет пиридоксин, пиридоксамин и пиридоксаль,а также их фосфаты. Витамин поступает с пищей в форме пиридоксина, который фосфорилируется в тонкой кишке и в печени, а затем окисляется до пиридоксальфосфата. В качестве коферментов работают пидоксаль-5-фосфат и пиридоксаминфосфат.

Витамин В9. Фолиевая кислота (фолацин, птероилглутаминовая кислота) - группа родственных соединений, обладающих сходной биологической активностью, представлены фолиевой кислотой, ее многочисленными коферментными формами, а также ди- и полиглутаматами. При всасывании в кишечнике образуется тетрагидрофолиевая кислота и продукт ее метилирования.

Витамин В12. Кобаламин (цианкобаламин) - общее название группы соединений, которые характеризуются наличием атома кобальта в центре порфиринового кольца. В организме активностью витамина В12 обладают 6 форм кобаламина: цианкобаламин, гидроксикобаламин, кобаламин R, кобаламин S, метилкобаламин и аденозилкобаламин. Кобаламин образует две коферментные формы: метилкобаламин и дезоксиаденозилкобаламин.

С точки зрения физиологического действия все витамины можно разделить на три основных группы: витамины, обладающие свойствами коферментов, витамины, обладающие способностью к антиоксидантной (антирадикальной) активности и витамины, проявляющие гормоноподобное действие.

итамин А

Ретинол, ретиналь и их эфиры контролируют две группы процессов: дифференцировку и деление клеток, рост и регенерацию тканей, особенно быстро растущих (слизистые оболочки, эпителий кожи, кровь, хрящ, костная ткань). Витамин А активно участвует в процессах жизнедеятельности эпителиальных покровов и слизистых оболочек, он необходим на стадии заживления тканей после травматического или воспалительного повреждения, способствуя ускорению регенерации эпителия, важен для роста кости и хряща, то есть для развитии скелета. Витамин А играет решающую роль в процессах размножения: у женщин он участвует в развитии плаценты и эмбриона, Мужчинам необходим для образования тестостерона и нормального функционирования половых желез и сперматогенеза.

Фотохимические процессы зрения. Из ретинола в сетчатке глаза образуется ретиналь, который входит в состав зрительного пигмента родопсина, необходимого для сумеречного зрения. Поэтому недостаток витамина А проявляется нарушением темновой адаптации и ослаблением сумеречного видения - "куриная слепота". Витамин А защищает роговицу от бактерий.

Регуляции иммунных процессов. Прием высоких доз витамина А стимулирует образование антител и улучшает устойчивость человека к инфекции.

Витамин D

Вместе с кальцитонином и паратиреоидным гормоном он необходим для регуляции гомеостаза кальция (Са) и обмена фосфора (Р) в организме. Активная форма витамина D кальцитриол увеличивает всасывание Са в кишечнике и регулирует процесс выведения и реабсорбции Са и Р почками и содержание этих минералов в костной ткани.

Регуляция обмена Са и Р, стимуляция всасывания Са в тонкой кишке и реабсорбции Са в почечных канальцах, влияние на резорбцию Р в почках

Снижение содержания щелочной фосфатазы в крови

Действие на паращитовидные железы.

Витамин Е

Прежде всего, витамин Е выступает в организме в качестве антиоксиданта, предотвращая окисление липидов в клеточных мембранах и других частях клетки и витамина А кислородными радикалами. В этом он действует совместно с витамином С и бета-каротином, а также со специфическими ферментами (глутатионпероксидазой). Витамин Е восстанавливает перекиси липидов, которые нарушают функции мембран клеток, могут повреждать ДНК, выступая в качестве мутагенов и канцерогенов. Он оказывает прямое стабилизирующее действие на мембраны клеток, например, эритроцитов, предотвращая гемолиз.

Витамин Е играет существенную роль в процессах клеточного дыхания и метаболизма нуклеиновых кислот в каждой клетке организма, влияет на синтез белка, регулирует процессы в нервной и мышечной ткани. Токоферол оказывает влияние на синтез простоциклинов и метаболизм эйкозаноидов, препятствуя возникновению воспалительных заболеваний и тромбообразованию. Витамин Е ингибирует окисление холестерина в составе липопротеинов, замедляя развитие атеросклероза.

Мощное антиокислительное (антирадикальное) действие как антиоксиданта, предотвращение гемолиза эритроцитов

Действие на репродуктивную систему: обеспечение нормальной репродуктивной функции у мужчин и женщин, нормального течения беременности, усиление действия эстрогена

Обмен белка: защитное действие на белки, тормозящее действие на протеазы (трипсин, папаин), стимуляция синтеза нуклеопротеидов

Обмен липидов: предотвращение перекисного окисления липидов, замедление окислительного разрушения каротиноидов и витамина А, увеличение запасов жира в организме, снижение уровня холестерина

Обмен углеводов: регулирует глюконеогенез, стимулирует образование гликогена

Мышечная система: регуляция метаболизма мышечной ткани (скелетной мускулатуры, миокарда, мышц матки), предотвращение миодистрофий, поражения сердечной мышцы

Эндокринная система: регуляция и стимуляция выработки гормонов гипофиза, регуляция выработки гонадотропина и лютенизирующего гормона, влияние на выработку тиреотропного гормона и АКТГ

Действие на нервную систему

Действие на печень: профилактика жировой дистрофии и некроза печени, усиление детоксикации ксенобиотиков

Действие на почки: предотвращение нефроза

Витамин К

Витамин К необходим для активации в печени протромбина (фактора II) и пяти других (факторы VII, IX и X белки С и S) белков, участвующих в процессе свертывания крови. Витамин К участвует в качестве катализатора в биосинтезе ряда белков, содержащихся в плазме крови, в почках, костях и зубах. В кости вместе с витамином D он принимает участие в синтезе белка остеокальцина.

Действие на свертывающую систему крови: участие в биосинтезе протромбина и других факторов свертывающей системы крови, снижает сосудистую проницаемость, предотвращает кровоизлияния

Действие на печень: усиливает образование желчи

Участие в процессах клеточного дыхания и фосфорилирования.

Витамин B1 - Тиамин

В своей биологически активной форме (тиамин-дифосфат) витамин B1 играет важную роль в ключевых реакциях гидролиза жиров и углеводов, связанных с выделением энергии. Тиамин принимает участие в работе нервной системы - в процессах генерации нервных импульсов и регенерации периферических нервов.

Обмен углеводов: карбоксилирование и декарбоксилирование пирувата (ко-карбоксилаза), нормализует уровень сахара в крови, усиление гипогликемического действия инсулина, инсулин увеличивает содержание ко-карбоксилазы в крови

Обмен липидов: стимулирует переход углеводов в липиды и белков в липиды (необходимы рибофлавин, пантотенол и пиридоксин), повышает содержание холестерина в крови

Обмен белка: торможение распада белка, препятствует окислительному расщеплению нуклеотидов с образованием мочевой кислоты, участие в переаминировании аминокислот

Иммунитет: стимуляция иммунитета, профилактика инфекционных заболеваний, повышение сопротивляемости организма

Сердечно-сосудистая система: повышает артериальное давление, внутривенное введение тиамина расширяет венечные сосуды

Пищеварение: увеличение желудочной секреции и ускорение эвакуации содержимого (торможение желудочной секреции, секреции слюнных желез и снижение желудочной перистальтики при B1-авитаминозе), усиление детоксикационной функции печени

Эндокринная система: инактивация действия тироксина, стимуляция образование тиреотропного гормона, регуляция системы гипофиз - надпочечники, усиление и удлинение действия адреналина, инактивация эстрогенов

Нервная система: регуляция деятельности коры больших полушарий, обеспечение трофической функции ЦНС, повышает содержание ацетилхолина.

Витамин B2 - Рибофлавин

В форме коферментов флавинмононуклеотида и флавиндинуклеотида рибофлавин входит в состав множества ферментов (флавопротеинов) окислительного и восстановительного действия. Некоторые флавопротеины участвуют в окислительных реакция в составе дыхательной цепи, связанных с выделением энергии в клетке. Тем самым он участвует в метаболизме белков, жиров и углеводов. Рибофлавин принимает участие в работе зрительного анализатора. Он участвует в метаболизме совместно с другими витаминами группы В: ниацином, пиридоксином и фолиевой кислотой. По этой причине витамины группы В целесообразно назначать в комплексе. Кроме того, рибофлавин играет важную роль в выработке гормонов коры надпочечников.

Участие в окислительно-восстановительных реакциях и клеточном дыхании (все рибофлавиновые коферменты являются катализаторами окислительных реакций), отчетливое снижение основного обмена

Обмен углеводов: регуляция углеводного обмена (пища богатая углеводами повышает потребность в рибофлавине), нормализует высокий уровень сахара, увеличивает секрецию инсулина, увеличивает содержание гликогена

Обмен белка: участие в усвоении и синтезе аминокислот, окислительное дезаминирование аминокислот, повышение усвоения белка, низкий уровень белка в диете снижает усвоение рибофлавина

Обмен липидов: участие в усвоении и биосинтезе липидов (пища богатая жирами повышает потребность в рибофлавине), усиливает действие тиамина и активирует образование липидов из белка

Пищеварение: участие в образовании соляной кислоты и повышение ее секреции, улучшает метаболическую функцию печени, снижает содержание билирубина в крови при гепатите

Н ервная система: участие в регуляции функции нервной системы, снижает возбудимость нервных центров, регуляция зрительной функции (улучшает остроту зрения и, наряду с витамином А, сумеречное зрение, при дефиците витамина нарушения зрения наступают ранее других признаков рибофлавиновой недостаточности)

Сердечно-сосудистая система: уменьшает тахикардию, понижает артериальное давление, увеличение числа эритроцитов ретикулоцитов и уровня гемоглобина при анемии, профилактика и лечение анемии

Иммунитет: повышение резистентности к инфекционным заболеваниям

Антигистаминный эффект

Ниацин - Никотиновая кислота

Ниацин участвует в реакциях, связанных с освобождением энергии в тканях при гидролизе углеводов, жиров и белков. Важен для работы мышечной системы, состояния кожи, желудочно-кишечного тракта, роста организма. Участвует в синтезе отдельных гормонов

Участие в окислительно-восстановительных процессах

Участие в обмене углеводов: снижение содержание сахара в крови, торможение адреналиновой гипергликемии, уменьшение уровня пирувата в крови, регуляция углеводного обмена в ЦНС

Действие на сосуды: сосудорасширяющее действие на периферические капилляры и артериолы, действие на венечное кровообращение - нормальные и средние дозы - сосудорасширяющий эффект, высокие дозы - сужают венечные сосуды, ускорение капиллярного кровообращения, повышение венозного давления, ускорение ритма сердечных сокращений

Действие на желудок: повышение кислотности, ускорение моторики желудка

Регуляция антитоксической функции печени

Стимуляция эритропоэза

Регуляция деятельности ЦНС.

Витамин B5 - Пантотеновая кислота

Пантотеновая кислота входит в состав важнейшего метаболита - кофермента А и некоторых пептидных коферментов, принимая участие в ключевых реакциях обмена аминокислот, углеводов и липидов. Кофермент А присутствует во всех клетках и связан с реакциями ацетилирования и образованием ацетоуксусной, лимонном и щавелевой кислот, эфиров, амидов и углеводных цепочек. Витамин выступает в качестве переносчика ацетила- в составе комплекса ацетил-коэнзима А, КОТОРЫЙ НЕОБХОдим для биосинтеза жирных кислот, фосфолипидов, холестерина и ряда стероидных гормонов.

Пантотенол играет важную роль в процессах роста, поддерживает устойчивость слизистых оболочек к инфекции, нормализует обменные процессы в коже и других эпителиальных тканях. Он участвует в процессах регенерации эпителия, способствует заживлению ран и эпителизации, ускоряет рост и пигментацию волос.

Обмен углеводов: снижение гипергликемии после нагрузки сахаром

Обмен белка: участие в синтезе пептидов и белков

Обмен липидов: участия в биосинтезе и гидролизе жиров, участие в биосинтезе жирных кислот, фосфолипидов, холестерина

Эндокринная функция: синергизм между действием пантотенола и тироксина, предотвращение токсического действия тироксина, участие в синтезе стероидных гормонов надпочечников, предотвращение надпочечниковой недостаточности.

Витамин В6 - Пиридоксин

Пиридоксин играет ключевую роль в обмене аминокислот, необходим дня синтеза биогенных аминов в ЦНС. Он играет важную роль в обмене углеводов при высвобождении глюкозы из гликогена (гликогенфосфорилаза). Пиридоксин влияет на превращение триптофана в ниацин, биосинтез порфиринов, гемоглобина, регулирует некоторые функции нервной системы, иммунитет.

Наследственные пиридоксальфосфат-зависимые ферментопатии

Алкогольная интоксикация

Атонический дерматит, стероидзависимая астма

Сахарный диабет: снижает содержание глюкозы, преодоление плохого гликемического контроля, диабетическая периферическая нейропатия

Гипертония: уменьшает артериальное давление

Депрессия - уменьшает симптомы депрессии

Предменструальный синдром - снижение выраженности клинических симптомов.

Витамин В12 - Кобаламин

Метилкобаламин участвует в синтезе метионина из гомоцистеина в митохондриях (этот процесс может быть связан с присутствием фолатов). Он играет роль в преобразовании фолиевой кислоты в ее активную форму, необходимую для процесса кроветворения. Аденозилкобаламин регулирует процессы деградации некоторых жирных кислот и аминокислот. Своим участием в биосинтезе пуриновых и пиримидиновых оснований, витамин В12 регулирует обмен нуклеиновых кислот и белков.

Витамин С - Аскорбиновая кислота

Аскорбиновая кислота является высокоэффективным восстановителем и принимает участие во многих окислительно-восстановительных реакциях. Реакции гидроксилирования являются ключевыми в инактивации токсических веществ и лекарств. В качестве антиоксиданта аскорбиновая кислота участвует в антиокислительных защитных механизмов клеток, направленных против содержащих кислород свободных радикалов, с которыми связывают различные повреждения клеток и макромолекул, сердечно-сосудистые заболевания, рак, возрастные изменения. Совместно с витаминами А, Е и бета-каротином она улавливает свободные радикалы и дезактивирует их. В этом процессе витамины С и Е выступают как синергисты, поскольку после реакции витамина Е с липидпероксидными радикалами он регенерируется аскорбиновой кислотой.

Витамин С играет важную роль в синтезе гемоглобина, улучшает усвоение Fe 3+ из пищи в кишке, восстанавливая его до Fe2+. Аскорбиновая кислота участвует в образовании катехоламинов, оказывая влияние на метаболизм кортикостероидов, Она стимулирует фагоцитарную активность лейкоцитов, усиливает иммунную защиту.

Витамин Н - Биотин

Биотин участвует в работе ряда ферментных комплексов, необходимых для нормального роста организма. Он играет ключевую роль в процессах обмена углеводов, белков и жиров. В качестве кофермента он участвует в биосинтезе жирных кислот, аминокислот и глюкозы, играет важную роль в энергетическом обмене.

Витаминоподобные:

Парааминобензойная кислота

История открытия и изучения парааминобензойной кислоты как необходимого фактора размножения микроорганизмов тесно связана с развитием химиотерапии, в частности с началом практического применения сульфаниламидных препаратов. Ростстимулирующий фактор был выделен из экстрактов дрожжей в чистом виде и идентифицирован с параамино-бензойной кислотой следующего строения:

Как отмечалось, витаминные свойства парааминобензойной кислоты связаны, по-видимому, с тем, что она входит в состав молекулы фолиевой кислоты. Парааминобензойная кислота представляет собой кристаллическое вещество, плохо растворимое в воде, хорошо — в спирте и эфире. Химически стойкая, она не разрушается при автоклавировании, выдерживает кипячение в кислой и щелочной средах. В парааминобензойной кислоте нуждаются, кроме микроорганизмов (хотя некоторые из них, например микобактерии туберкулеза, способны сами синтезировать ее), также животные. Доказано, что парааминобензойная кислота необходима для нормального процесса пигментации волос, шерсти, перьев и кожи. Показано также активирующее влияние этого витамина на действие тиро-зиназы — ключевого фермента при биосинтезе меланинов кожи, определяющих ее нормальную окраску.

В медицине широко используются структурные аналоги параамино-бензойной кислоты, в частности сульфаниламиды, обладающие антибактериальными свойствами. Предполагают, что сульфаниламидные препараты вследствие структурного сходства могут конкурентно замещать парааминобензойную кислоту в ферментных системах микроорганизмов с последующей остановкой их роста и размножения. Коферментные функции этой кислоты не установлены, но, являясь составной частью ко-ферментов фолиевой кислоты, парааминобензойная кислота тем самым участвует во многих процессах обмена.

Источниками парааминобензойной кислоты для человека являются печень, почки, мясо, дрожжи; меньше ее содержится в молоке, куриных яйцах, картофеле, хлебе, шпинате, моркови.

Витамин В15

Витамин В15 (пангамовая кислота) впервые был обнаружен в 1950 г. в экстрактах печени быка, а позже выделен из многих семян растений; отсюда его название (от греч. pan—всюду, gami — семя). Ни авитаминоз, ни гипервитаминоз В15 у человека не описаны, хотя препараты его применяются в медицине при некоторых заболеваниях, связанных с нарушениями процесса обмена (в частности, реакций трансметилирования). Препараты пангамовой кислоты дают хороший лечебный эффект при жировом перерождении печени и некоторых формах кислородного голодания.

С химической точки зрения пангамовая кислота представлена эфиром глюконовой кислоты и диметилглицина.

Биологическая роль витамина B15 изучена недостаточно. Имеются отдельные указания и предположения о возможном участии его в биосинтезе холина, метионина и креатина в качестве источника метильных групп.

Пищевыми источниками витамина B15 для человека являются печень, семена растений, дрожжи и др. Суточная потребность в нем для человека не установлена.

Инозит (инозитол)

В опытах на мышах было показано, что при отсутствии в пище этого водорастворимого фактора, помимо остановки роста, отмечаются своеобразная потеря шерстяного покрова и жировая инфильтрация печени с отложением холестерина. Добавление в пищу животных экстрактов из печени устраняло эти явления. Вещество, оказывающее лечебное действие, было названо фактором против алопеции и позже идентифицировано с фосфорным эфиром инозита; витаминными свойствами обладает также фитин—соль инозитфосфорной кислоты.

Инозитол представляет собой циклический шестиатомный спирт цикло-гексана:

Инозитол обнаружен в составе фосфоглицеролов (производные фосфа-тидной кислоты), он является компонентом фосфатидилинозитола (см. главу 11). Биологическая роль инозитола, вероятнее всего, связана с обменом фосфоглицеролов и образованием инозитол-1,4,5-трифос-фата—одного из наиболее активных вторичных посредников (мессенд-жеров) внутриклеточных сигналов (см. главу 11). Инозитол оказывает мощный липотропный эффект, тормозит развитие дистрофии печени у животных, находящихся на безбелковой диете, и у человека при злокачественных новообразованиях. Необходимость инозита как незаменимого пищевого фактора для крыс и мышей и его специфическое липо-тропное действие продемонстрированы довольно убедительно, однако его витаминные свойства для других животных и человека нельзя считать окончательно установленными.

Инозит довольно широко распространен в природе. Много его в печени, мясе, молоке, хлебе из муки грубого помола, овощах и фруктах.

Коэнзим Q (убихинон)

Коэнзим Q (кофермент Q, KoQ) относится к чрезвычайно широко распространенным коферментам, отсюда его второе название «убихинон» («вездесущий хинон»). Убихинон открыт во всех живых клетках: растений, животных, грибов, микроорганизмов. Внутри клеток убихинон локализован, по-видимому, исключительно в митохондриях или аналогичных им мембранных структурах бактерий.

По химической природе убихинон представляет собой 2,3-диметокси-5-метил-1,4-бензохинон с изопреновой цепью в 6-м положении.

Число остатков изопрена в боковой цепи убихинона из разных источников варьирует от 6 до 10, что обозначают как KoQ6, KoQ7 и т. д. В митохондриях клеток человека и животных встречается убихинон только с 10 изопреновыми звеньями. Как и близкие к нему по структуре витамины К и Е, убихинон нерастворим в воде. В хлоропластах растений открыто близкое к убихинону соединение пластохинон, который отличается строением бензольного кольца: вместо двух метоксильных остатков содержатся две метальные группы и отсутствует СН3-группа у 5-го углеродного атома.

К настоящему времени выяснена основная коферментная роль KoQ10. Он оказался обязательным компонентом дыхательной цепи (см. главу 9): осуществляет в митохондриях перенос электронов от мембранных де-гидрогеназ (в частности, НАДН-дегидрогеназы дыхательной цепи, СДГ и т. д.) на цитохромы. Таким образом, если никотинамидные коферменты участвуют в транспорте электронов и водорода между водорастворимыми ферментами, то KoQ10 благодаря своей растворимости в жирах осуществляет такой перенос в гидрофобной митохондриальной мембране. Пластохиноны выполняют аналогичную функцию переносчиков при транспорте электронов в процессе фотосинтеза.

В организме человека KoQ может синтезироваться из мевалоновой кислоты и продуктов обмена фенилаланина и тирозина. По этой причине KoQ нельзя отнести к классическим витаминам, однако при некоторых патологических состояниях, развивающихся как следствие неполноценности питания, KoQ становится незаменимым фактором. Так, у детей, получающих с пищей недостаточное количество белка, развивается анемия, не поддающаяся лечению известными средствами (витамин В12, фолиевая кислота и др.). В этих случаях препараты KoQ более эффективны. KoQ оказался также эффективным средством при лечении мышечной дистрофии (в том числе генетической ее формы) и сердечной недостаточности.

Пирролохинолинохинон (PQQ)

Недавно открыт новый класс белков—хинопротеины, или PQQ-ферменты, содержащие в качестве кофермента неизвестный до сих пор новый ви-таминоподобный фактор пирролохинолинохинон (PQQ). Он имеет следующую структуру:

PQQ оказался производным хинона, довольно широко распространенным у микроорганизмов, в животных тканях и растениях. Среди бактериальных ферментов, в состав которых PQQ входит в качестве кофермента, следует указать на метанолдегидрогеназу и алкогольдегидро-геназу. Из тканей животных, растений, грибов и дрожжей выделен медьсодержащий фермент метиламиноксидаза, в котором также есть кова-лентно связанный PQQ в качестве кофермента.

Животные и растительные хинопротеины входят в состав оксидаз и декарбоксилаз (аминоксидаз, диаминоксидаз, монооксигеназ, диокси-геназ). Имеются данные о возможности наличия 2 коферментов: пири-доксальфосфата и PQQ — в составе ряда декарбоксилаз аминокислот (глу-таматдекарбоксилазы и ДОФА-декарбоксилазы).

Интересно отметить, что PQQ-дегидрогеназы и оксидазы по механизму действия аналогичны флавопротеинам, катализирующим перенос 2 электронов и протонов, возможно, непосредственно на убихинон. PQQ-декарбо-ксилазы, напротив, аналогичны по механизму действия пиридоксалевым ферментам, поскольку обе системы содержат карбонильную группу. На примере трехмерной структуры одного из хинопротеинов — метиламино-ксидазы — получены данные, свидетельствующие о том, что коферментом ее является не свободный PQQ, а его предшественник Pro-PQQ (содержит остатки PQQ, индола и глутаминовой кислоты), ковалентно связанный с белковой молекулой.

Как видно на примере PQQ, в природе может встречаться и ряд других незаменимых пищевых факторов, принимающих участие в ключевых реакциях метаболизма, хотя истинные витаминные свойства их, включая PQQ, пока не раскрыты.

Витамин U

Витамин U (S-метилметионин; противоязвенный фактор) впервые обнаружен в 1950 г. в сырых овощах, парном молоке и печени. Поскольку сок сырых овощей (например, капусты) предотвращал или задерживал у цыплят развитие язвы желудка, индуцированной введением алкалоида цинко-фена, было высказано предположение, что язвенная болезнь вызывается недостатком особого пищевого фактора, содержащегося в овощах и относящегося, очевидно, к витаминам. Активное начало было предложено называть витамином U (от лат. ulcus—язва). В настоящее время витамин U выделен из капустного сока в кристаллическом виде; осуществлен также его химический синтез. Препарат оказался в 1000 раз более активным при лечении язвенной болезни, чем исходный капустный сок; уже через 2-3 дня после приема его значительно ослабевают боли, а через 15-20 днейВитамин U хорошо растворим в воде; при температуре 100°С легко разрушается, особенно в нейтральной и щелочной средах; устойчив в кислой среде.

Биологическая роль. Витамин U у крыс полностью заменяет потребности в метионине как незаменимой аминокислоте. Установлено его участие в синтезе метионина, холина и креатина; бактерии используют его также в качестве донатора метильных групп.

Источниками витамина U для человека являются свежая капуста, зелень петрушки и репы, морковь, лук, перец, зеленый чай, бананы, фрукты, сырое молоко и др.

Липоевая кислота

В 50-е годы в дрожжах и ткани печени был открыт фактор роста молочнокислых бактерий, не относящийся ни к одному из известных витаминов; некоторые виды стрептококков также нуждались в нем как в факторе роста. В кристаллическом виде этот фактор был идентифицирован с а-липоевой (1,2-дитиолан-З-валериановой) кислотой.

Как видно из формул, липоевая кислота может существовать в окисленной (—S—S—) и восстановленной (SH—) формах, благодаря чему реали-зовываются ее коферментные функции. В частности, липоевая кислота играет незаменимую роль в окислении и переносе ацильных групп в составе многокомпонентных ферментных систем. Основная функция ее—прямое участие в окислительном декарбоксилировании в тканях а-кетокислот (пировиноградной и а-кетоглутаровой; см. главу 10). Липоевая кислота служит простетической группой наряду с тиаминпирофосфатом и КоА сложной мультиферментной пируват — и кетоглутарат-дегидрогеназной систем. Однако до сих пор нет сведений о механизмах биосинтеза липоевой кислоты не только в тканях животных, но и в растениях, и у микроорганизмов.

Холин

Впервые холин был выделен А. Стрекером из желчи в 1892 г. и тогда же получил свое название. Биологическая роль холина стала известна значительно позже, когда было показано, что холин является структурнымкомпонентом более сложного органического фосфорсодержащего соединения — фосфатидилхолина, или лецитина (см. главу 11), открытого в яичном желтке и ткани мозга. Доказано, что особая роль лецитина как пищевого фактора обусловлена холином, а не фосфорсодержащим его компонентом. Последующие опыты показали, что исключение холина из диеты животных приводит к ожирению печени. Добавление его к пище, наоборот, способствует рассасыванию этого жира. Дальнейшие исследования позволили установить, что холин в организме человека и животных синтезируется в достаточных количествах и не может быть истинным пищевым фактором, однако в определенных условиях, например при недостатке белка в пище, развивается вторичная холиновая недостаточность. Вследствие указанных причин холин был отнесен к группе ви-таминоподобных веществ, или «частичных витаминов».

По структуре холин представляет собой аминоэтиловый спирт, содержащий у атома азота три метильные группы:

Хорошо растворим в воде и спирте. В организме животных синтезируется не свободный холин, а холин в составе фосфолипидов. Донорами метильных групп являются метионин (в составе S-аденозилме-тионина) или серин и глицин (при синтезе метильных групп). Вследствие этого при белковой недостаточности, которая в свою очередь может быть связана с дефицитом белка в пище или эндогенного происхождения, развиваются симптомы холиновой недостаточности: жировая инфильтрация печени, геморрагическая дистрофия почек, нарушение процесса свертывания крови (нарушение синтеза V фактора свертывания—акцелерина) и др.

Сведения о механизме действия холина свидетельствуют, что он является прежде всего составной частью биологически активного ацетил-холина — медиатора нервного импульса. Кроме того, холин принимает участие в реакциях трансметилирования при биосинтезе метионина, пури-новых и пиримидиновых нуклеотидов, фосфолипидов и т. д.

Основными источниками холина для человека являются печень, почки, мясо, рыбные продукты, капуста. О потребностях человека в холине точных данных нет. В значительной степени они определяются обеспеченностью организма пищевым белком, витамином В12 и фолиевой кислотой.

Антивитамины

В настоящее время антивитамины принято делить на две группы: 1) антивитамины, имеющие структуру, сходную со структурой нативного витамина, и оказывающие действие, основанное на конкурентных взаимоотношениях с ним; 2) антивитамины, вызывающие модификацию химической структуры витаминов или затрудняющие их всасывание, транспорт, что сопровождается снижением или потерей биологического эффекта витаминов. Таким образом, термином «антивитамины» обозначают любые вещества, вызывающие независимо от механизма их действия снижение или полную потерю биологической активности витаминов. Структуроподобные антивитамины (о некоторых из них уже упоминалось ранее) по существу представляют собой антиметаболиты и при взаимодействии с апоферментом образуют неактивный ферментный комплекс, выключая энзиматическую реакцию со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Помимо структуроподобных аналогов витаминов, введение которых обусловливает развитие истинных авитаминозов, различают антивитамины биологического происхождения, в том числе ферменты и белки, вызывающие расщепление или связывание молекул витаминов, лишая их физиологического действия. К ним относятся, например, тиаминазы I и II, вызывающие распад молекулы витамина В1, аскорбатоксидаза, катализирующая разрушение витамина С, белок авидин, связывающий биотин в биологически неактивный комплекс. Большинство этих антивитаминов применяют как лечебные средства со строго направленным действием на некоторые биохимические и физиологические процессы. В частности, из антивитаминов жирорастворимых витаминов используются дикумарол, варфарин и тромексан (антагонисты витамина К) в качестве антисвертывающих препаратов. Хорошо изученными антивитаминами тиамина являются окситиамин, пири — и неопиритиамин, рибофлавина — атербин, акрихин, галактофлавин, изорибофлавин (все они конкурируют с витамином В2 при биосинтезе коферментов ФАД и ФМН), пиридоксина — дезоксипиридоксин, циклосерин, изоникотиноилгидразид (изониазид), оказывающий антибактериальное действие на микобактерии туберкулеза. Антивитаминами фолиевой кислоты являются амино — и аметоптерины, витамина В12 — производные 2-аминометилпропанол-В12, никотиновой кислоты—изониазид и 3-ацетилпиридин, парааминобензойной кислоты—сульфаниламидные препараты; все они нашли широкое применение в качестве противоопухолевых или антибактериальных средств, тормозя синтез белка и нуклеиновых кислот в клетках.