К У Р С О В А Я Р А Б О Т А П О Б И О Х И М И И
«Витамины и витаминоподобные вещества. Антивитамины»
Выполнила студентка
Группы БМ 301(1)
Овсянникова А.С.
Научный руководитель
Зырянова Ю.М.
Челябинск 2012
Оглавление
Введение ………………………………………………...………………………….4
Глава 1. Витамины: история открытия, классификация и характеристика отдельных представителей…………………………………..…………………...7
1.1. Общие сведения о витаминах…...……………………………….………..7
1.1.1. История открытия витаминов и развития витаминологии………………8
1.1.2. Основные принципы номенклатуры и классификации витаминов……13
1.2. Характеристика отдельных витаминов и их биологическая роль.…….14
1.2.1. Жирорастворимые витамины…….………………………………………14
1.2.1.1. Витамин А……………….………………………………….....……….15
1.2.1.2. Витамины группы D…………………..……...……………………….23
1.2.1.3. Витамин Е...……………………………………………………………26
1.2.1.4. Витамины группы К…….……………….……………...……………..27
1.2.2. Водорастворимые витамины……………………………………………..29
1.2.2.1. Витамины группы В...…………...……………………...……………..29
1.2.2.2. Витамин С...……………………………………………………………42
1.2.3. Роль витаминов в функционировании ферментов...……………………44
Глава 2. Витаминоподобные вещества…...………………………....………….48
2.1. Основные представления о витаминоподобных веществах…..………….48
2.2. Характеристика витаминоподобных веществ…………….…..……….….48
Глава 3. Свойства и функции антивитаминов, их значение в обмене веществ………………………………………………………………………..….59
Заключение…………………………………………………………………...…..63
Список использованных источников…………………………………………66
Приложение…………………………………………………………………….67
Введение
Среди физиологически активных природных органических соединений – алкалоидов, гормонов, антибиотиков и других – особое место занимают витамины, витаминоподобные вещества и антивитамины. Их значение заключается не только в том, что они являются обязательными постоянными составными частями живого организма и незаменимы для питания, но и в том, что они могут быть широко использованы как лечебные средства против заболеваний витаминной недостаточности; могут являться средствами, усиливающими защитные функции организма в сопротивлении против многих и многих заболеваний различной природы, а также, например, антивитамины, могут тормозить или нарушать нормальное течение реакций метаболизма.
На изучение витаминов, витаминоподобных веществ и антивитаминов, их роли в обмене веществ, применения в медицине и питании потрачены уже очень многие годы, и это не предел. Исследования ведутся в разных областях естествознания, в первую очередь в биохимии, биологии и медицине, химии.
Несмотря на то, что информация о витаминах, витаминоподобных веществах и антивитаминах широко распространена и доступна, часто имеют место заблуждения и некорректные представления об этих соединениях и их действии на живой организм. В прошлом остались такие страшные заболевания-авитаминозы, как цинга, бери-бери, пеллагра, но на смену им пришли латентные витаминно-дефицитные состояния – гиповитаминозы. Это обусловлено тем, что современный человек не испытывает потребности в большом количестве собственной энергии для выполнения каких-либо действий, в настоящее время многие функции за нас выполняет техника. Это привело к тому, что теперь человеку требуется гораздо меньшее количество пищи. Но с уменьшением потребления продуктов, уменьшилось и потребление так необходимых для организма веществ: витаминов и витаминоподобных соединений. В зависимости от того, какой вид деятельности осуществляет человек, какого он пола и возраста, количество витаминов, необходимых его организму, может быть разным. В таблице 1 представлена суточная норма потребления некоторых витаминов (приложение, таблица 1).
Интересно, что даже если в организм человека вместе с пищей поступает достаточное количество того или иного витамина или витаминоподобного вещества, или этот витамин образуется в самом организме, то всегда существует антивитамин, полностью противоположный ему по действию. Активность антивитамина может привести к витаминной недостаточности, а затем и к более серьезным последствиям. Но не стоит думать, что антивитамины несут исключительно негативный характер. Эти вещества широко используются в микробиологии, они имеют большое значение для изучения специфического действия витаминов на микроорганизмы, так как создание искусственных питательных сред, лишенных какого-либо витамина, во многих случаях представляет большие трудности. За счёт того, что антивитамины имеют схожую структуру с соответствующими им витаминами, в организме они легко превращаются в ложный кофермент и занимают место настоящего витамина. Специфические белки не замечают отличия и пытаются выполнять свои функции, но из-за антивитамина уже ничего не получается. Соответствующий ферменту биохимический процесс останавливается. Из таких свойств антивитамина также можно выделить полезное для человека действие: например, подобные изменения структуры нарушают в микобактериях туберкулеза обменные процессы, в результате задерживают размножение и рост возбудителей заболевания. Но, конечно, далеко не все антивитамины находят применение в медицинской практике.
В продуктах питания все вещества, в том числе витамины, витаминоподобные соединения и антивитамины находятся в оптимальном соотношении - дополняют друг друга. С одной стороны, антивитамины являются естественным регулятором, то есть соперничая с витаминами, они практически исключают гипервитаминоз, даже если дневная норма витаминов будет значительно превышена. С другой стороны, антивитамины участвуют в биохимических процессах, то есть как и витамины, предотвращают некоторые заболевания. Поэтому если начать принимать дополнительные искусственные витамины, можно нарушить баланс. Витамины, как и другие препараты, следует принимать по назначению врача, когда уже произошли нарушения в ту или иную сторону (гипо или гипервитаминоз).
Целью работы является изучение биохимических свойств витаминов, витаминоподобных веществ и антивитаминов, их функций в метаболизме животного организма, принципов грамотного использования этих веществ в профилактических и лечебных целях, а также использования для нормального течения обмена веществ.
Глава 1. Витамины
1.1. Общие сведения о витаминах
Витаминами (от лат. vita – жизнь) называют низкомолекулярные биорегуляторы, которые необходимы в небольших количествах для нормальной жизнедеятельности человека и должны поступать с пищей, так как организм не может удовлетворить свою потребность в них за счёт биосинтеза. В настоящее время, мы можем принимать витамины не только с пищей, но и в концентрированном виде в таблетках. К витаминам не относятся обычные продукты питания, обеспечивающие энергетические и белковые потребности организма, а также неорганические соли и микроэлементы, необходимые для жизни. Ряд незаменимых аминокислот (для человека это лизин, изолейцин, лейцин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан, валин, а для детей ещё и аргинин и гистидин) также не принято относить к витаминам. Биосинтез некоторых витаминов всё-таки может протекать в организме человека, но только под влиянием внешних факторов, например ультрафиолетового облучения (витамины группы D), или из каких-то предшественников (провитаминов), получаемых с пищей (например, витамин А синтезируется из каротинов). Большинство витаминов являются коферментами или их предшественниками и участвуют в многочисленных ферментативных реакциях.
Витамины представляют сборную в химическом отношении группу органических соединений, поэтому с точки зрения химического строения им нельзя дать общего определения. Физические свойства веществ, относящихся к витаминам, столь же разнообразны, как и их химическая природа. Физиологическое действие витаминов на животных, растительные ткани и микроорганизмы тоже весьма различно, и отдельные витамины в этом отношении совершенно не похожи друг на друга.
Витамины объединены в отдельную группу природных органических соединений по признаку абсолютной необходимости их для гетеротрофного организма в качестве дополнительной к белкам, жирам, углеводам и минеральным веществам составной части пищи.
В большинстве случаев витамины не синтезируются гетеротрофными организмами, и их недостаток сопровождается возникновением патологических явлений.
В количественном отношении потребность в витаминах ничтожна: так, человек в среднем должен потреблять ежедневно около 600 г (сухого вещества) основных питательных веществ и только 0,1 – 0,2 г дополнительных факторов питания – витаминов.
Отсюда ясно, что витамины в организме выполняют каталитические функции. Во многих случаях, как будет показано ниже, витамины являются составными частями ферментов и необходимы для их функционирования.
В последнее время изучается роль витаминов для автотрофных организмов, в частности растений, где витамины синтезируются. Оказалось, что для жизнедеятельности растений они тоже абсолютно необходимы и выполняют здесь также главным образом каталитические функции. Следовательно, на первый план в характеристике витаминов как особой группы соединений выступает их способность в ничтожных концентрациях обеспечивать осуществление ферментативных процессов.
Таким образом, витамины могут быть охарактеризованы как группа органических веществ, обладающих разнообразным строением и физико-химическими свойствами, абсолютно необходимых для нормальной жизнедеятельности любого организма и выполняющих в нём непосредственно или в составе более сложных соединений каталитические и регулярные функции.
1.1.1.История открытия витаминов и развития витаминологии.
История развития витаминов связана с изучением роли различных пищевых веществ в жизнедеятельности организма. Уже в древности люди неоднократно замечали, что отсутствие в пище каких-либо компонентов может быть причиной различных заболеваний. Так, в Древнем Китае было известно, что отвар рисовых отрубей излечивает болезнь, названную позднее бери-бери (от сингальского beri – слабость) и представляющую собой полиневрит, основными симптомами которого являются потеря веса, атрофия мышц, сердечнососудистые расстройства и отёки. В древнекитайских письменных источниках содержатся также сведенья о «куриной слепоте», но лечение этой болезни употреблением в пищу печени впервые упоминается только в трудах великого врача древности Гиппократа; ему принадлежит и первое описание основных признаков цинги (слабость, мышечно-суставные боли, кровоточивость дёсен, выпадение зубов и т.п.).
Внимание медицины к отысканию эффективных способов лечения цинги (скорбута) было привлечено уже в XVI веке, то есть с наступлением эпохи Великих географических открытий. В 1601 году Дж. Ланкастер ввел лимоны в качестве обязательного пищевого компонента пищевого рациона на английском военно-морском флоте. Несколько позднее, в 1757 году, английский морской врач Дж. Линд, основатель морской гигиены в Англии, отметил в своём «Тракте о цинге», что только свежие овощи и фрукты «эффективны как факторы, предохраняющие организм от этого заболевания».
В XVIII веке для лечения рахита начинает широко использоваться жир из печени трески. В 1735 году Г. Казаль, врач испанского короля Филиппа V, впервые описал пеллагру (от итал. pella agra – шершавая кожа) – болезнь, при которой сначала поражается кожа, язык, слизистые оболочки, желудочно-кишечный тракт, а позднее развиваются нервно-психические расстройства. Уже в 1785 году итальянский врач Марзари нашел связь между этим заболеванием и питанием исключительно продуктами из кукурузы, которое характеризовалось им как неполноценная диета. В 1816 году французский физиолог Ф. Мажанди одним из первых применил экспериментальный метод в физиологии животных: он содержал молодых животных на искусственных рационах и установил, что они не могут сотаваться здоровыми, если получают только белки, сахара и жиры.
Среди исследований, положивших путь к открытию витаминов, следует упомянуть работы петербургского врача Н.И. Лунина, который в 1880 году впервые обратил внимание и экспериментально доказал, что животным, помимо белков, жиров, углеводов, минеральных солей и воды, необходимы некие особые факторы питания, без которых они заболевают и гибнут, тормозится их рост и нормальное развитие и эти вещества неизвестной природы содержатся в природных продуктах питания (например, в молоке). В своей диссертации «О значении неорганических солей для питания животных», защищенной 18 сентября 1880 г. в Дерптском (ныне Тартуском) университете, Н.И. Лунин пришел к выводу, что исследование неизвестных, но так необходимых в питании веществ представляет большой интерес и сделает весомый вклад в науку и медицину.
Огромный вклад в изучение витаминов внес голландский врач Х. Эйкман, долгое время работающий на острове Ява в Индонезии. В 1897 году он установил, что болезнь бери-бери развивается пи использовании в пищу исключительно полированного риса, а излечивается при приёме водных экстрактов рисовой шелухи или отрубей. Отсюда им был сделан вывод (1906), что рис содержит какой-то фактор – вещество, необходимое организму. В ещё более явном виде это положение было сформулировано английским биохимиком Ф.Г. Хопкинсом; он, в частности, описывал цингу и рахит как «заболевания, о которых в течение многих лет известно, что их развитие связанно с диетическими факторами». Позже, в 1912 году, польский исследователь К. Функ выделил из рисовых отрубей вещество, предохраняющее людей от заболевания бери-бери, и назвал его «витамин» (от слов vita – жизнь и «амин», поскольку это вещество содержало NH2-группу). С тех пор термин «витамины» стал популярным, хотя в структуру многих витаминов аминогруппа не входит.
Н.Д. Зеленский в 1921 году определил роль витаминов в обмене веществ животного организма следующим образом: «Биологическое значение витаминов заключается не в том, что при их помощи в организм вводятся большие запасы энергии или основные кирпичи для постройки органического субстрата, а в том, что эти дополнительные вещества вызывают в клетках организма деятельность, подобную той, какая обусловливается ферментами и продуктами внутренней секреции… Связь между ферментами и витаминами, возможно, и выражается в том, что последние необходимы как строительный материал для первых» Раскрытие существа витаминов Н.Д. Зеленским было блестяще подтверждено в последующие годы.
В 1929 году Х. Эйкман и Ф.Г. Хопкинс были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине за открытие витаминов.
Со времени открытия витаминов в течение нескольких десятилетий были проведены многочисленные исследования, определившие роль, которую витамины выполняют в обмене веществ человека и животных; при этом были открыты различные органические соединения, отсутствие или недостаток которых приводит к специфическим нарушениям функций организма, однако химическая природа ни одного их этих соединений к тридцатым годам нашего века ещё не была расшифрована.
Область знаний, относящихся к природе, функции и взаимодействию витаминов, ещё недавно была самостоятельной наукой – витаминологией. Достигнутый прогресс в этом разделе медико-биологических наук несколько «усыпил» исследователей и врачей, поставил витаминологические изыскания в разряд второстепенных, не заслуживающих пристального внимания и не предполагающих в себе новых фундаментальных открытий и важных практических результатов.
В 1960 – 1970х годах витаминология пережила период самоизоляции, но с конца XX столетия возникший скептицизм и равнодушие были отвергнуты. Среди исследований советского периода выделяются работы В.Н. Букина, А.В. Палладина, Л.А. Черкес, М.Н. Шатерникова, А.В. Труфанова, В.В. Ефремова, К.М. Леутского, Б.А. Кудряшова, М.И. Смирнова, Ю.М. Островского, Р.В. Чаговца и др.
Витаминология обогатила медико-биологическую науку новыми представлениями, в том числе теорией антиоксидантной защиты организма. Сделан скачок в понимании роли межвитаминных взаимоотношений, значимость которых особенно велика в стратегии и тактике метаболической профилактики и терапии.
В современной науке о питании принят постулат рационального питания, что подразумевает необходимость полного обеспечения ежедневной потребности организма человека в энергии и основных питательных веществах – белках, жирах, углеводах (в том числе пищевых волокнах), витаминах, минеральных солях и микроэлементах. Рациональное питание как непременное условие здорового образа жизни – это сбалансированное питание, в котором витаминная ценность пищи занимает чрезвычайно важное место. Именно поэтому витаминология является важнейшей составной частью медико-биологической науки о питании – нутрициологии (нутриологии).
Благодаря усилиям многих биохимиков и физиологов за более чем столетнюю историю витаминологии выделено около трех десятков витаминов, изучены их состав и строение, физиологическое действие и в подавляющем большинстве случаев осуществлён химический синтез соответствующих препаратов.
1.1.2. Основные принципы номенклатуры и классификации витаминов
При изучении витаминов сначала каждому из них давали название по имени того заболевания, которое развивалось при отсутствии витамина в пище. При этом к названию соответствующей болезни добавлялась приставка «анти», так как введение витамина в диету приводило к быстрому излечению. Заболевания же, развивающиеся при полном отсутствии витаминов в пище, стали обозначать как авитаминозы, при недостаточном их поступлении – как гиповитаминозы, при избыточном – как гипервитаминозы. Позже, по предложению Мак-Коллума (1913), отдельные витамины по мере их выделения условились обозначать буквами латинского алфавита: A, B, C и т.д. Наконец, после того, как была исследована химическая природа ряда витаминов, стали вводить химические их названия. В настоящее время используют все три вида номенклатуры витаминов. Наметилась тенденция перехода к химическим наименованиям, которые биохимическая секция Международного союза по чистой и прикладной химии с 1956 года признала международными. Важнейшие витамины и их названия перечислены в таблице 2 (приложение, таблица 2); некоторые из них (Q, F, B15, U) иногда относят к витаминоподобным веществам.
По растворимости в воде и жировых растворителях витамины делят на две группы: водо- и жирорастворимые.
Жирорастворимым и некоторым водорастворимым витаминам свойственна витамерия. Явление это состоит в том, что физиологическим действием, характерным для того или иного витамина, обладает не одно, а несколько сходных по химическому строению соединений, называемых витамерами.
По физиологическому действию на организм человека витамины принято делить на группы, указанные в таблице 3 (приложение, таблица 3).
Аналогичное влияние оказывают витамины на процессы жизнедеятельности у животных. Отсутствие или недостаток витаминов в корме приводит к нарушению нормального развития, замедленного роста. Снижению продуктивности и другим нежелательным последствиям. Особенно дефицитны в подавляющем большинстве кормов витамины D, A, и B12. Введение их в рацион питания животных позволяет резко повысить продуктивность животноводства.
1.2 Характеристика отдельных витаминов и их биологическая роль
По физико-химическим свойствам витамины делятся на две группы: водорастворимые (витамины группы В, витамины С, Н, Р) и жирорастворимые (витамины А, Е, D, К). Для обозначения каждого из них существует буквенный символ, химическое название и название с учётом излечиваемого этим витамином заболевания с приставкой «анти». Кроме того, для некоторых витаминов сохранено наименование, данное им открывшими их авторами.
1.2.1. Жирорастворимые витамины
Жирорастворимые витамины способны накапливаться в тканях. Недостаточность в них встречается редко. При передозировке витамины А и D проявляют токсичность. Коферментная функция (за исключением витамина К) для них не характерна. Выполняя функцию индукторов синтеза белков, жирорастворимые витамины уподобляются стероидным гормонам (ярко выраженную гормональную активность проявляют активные формы витамина D). Все жирорастворимые витамины являются структурными компонентами клеточных мембран и проявляют антиоксидантное действие.
1.2.1.1. Витамин А
Жирорастворимый витамин А, называемый также витамином A1, ретинолом и аксерофтолом, изучение которого начато в 1909 году, был открыт в неомыляемой фракции жиров в 1912 году; его название предложено в 1916 году, а строение установлено П. Каррером в 1931 году, синтез осуществлён в 1933 году.
Первый полный синтез кристаллического ретинола был осуществлён О. Ислером в 1947 году, и в настоящее время для медицинского применения он получается в основном химическим синтезом. Витамин А представляет собой циклический непредельный одноатомный спирт, состоящий из β-иононового кольца и боковой цепи из двух остатков изопрена и первичной спиртовой группы. Ретинол (в форме сложных эфиров, обычно β-глюкуроната) содержится главным образом в животных продуктах, особенно в печени морских животных и рыб. Человек может удовлетворять свою потребность в витамине А и за счёт растительной пищи, так как содержащиеся в свежих овощах и фруктах провитамины А – каротины (от лат. Daucus carola – морковь) могут подвергаться окислительному расщеплению в печени и слизистой оболочке кишечника до ретинола, который в организме окисляется до ретиналя (альдегид витамина А) и ретиноевой кислоты (вместо спиртовой группы образуется карбоксильная); при этом симметрично построенный β-каротин даёт две молекулы ретинола, а α- и γ-каротины – только по одной.
Витамин А
α-каротин
β-каротин
γ-каротин
Недостаток ретинола (или провитаминов А) в пище особенно опасен для детей, так как он практически отсутствует у новорождённых. У взрослых ретинол способен накапливаться в печени в количествах, обеспечивающих потребности организма в течение двух лет. При недостатке витамина А в первую очередь страдает зрение и проявляются специфические заболевания: ксерофтальмия (сухость роговой оболочки глаза) и гемералопия (нарушение темновой адаптации – ночная, или «куриная», слепота). У молодых растущих организмов происходит также остановка роста, особенно костей, кератинирующая метаплазия (перерождение) эпителиальных клеток («жабья кожа»), клеток надпочечников, эпителия семенников, повреждение тканей центральной нервной системы.
Витамин А участвует во многих биохимических процессах, в особенности связанных с функционированием мембран клеток. Ростовым фактором, по-видимому, является не ретинол, а продукт его окисления в печени – ретиноевая кислота, которая является также и основным продуктом метаболической дезактивации ретинола; следует заметить, что гипервитаминоз А тоже приводит к ряду опасных заболеваний, например ломкости костей.
Ретиноевая кислота
Основную роль в зрительных процессах играют продукты ферментативной изомеризации и окисления ретинола – 11-цис- и полностью транс-ретиналь. Первый из них связывается с белком опсином и образует зрительный пурпур – родопсин, входящий в состав светочувствительных клеток – колбочек и палочек. В ходе сложного процесса восприятия кванта света и трансформации его в нервный импульс 11-цис-ретиналь изомеризуется в составе родопсина до полностью транс-ретиналя, который после диссоциации белкового комплекса восстанавливается до ретинола. Неизбежные потери последнего в этом цикле пополняются из печени.
Витамин A2 отличается от A1 добавочной двойной связью между третьим и четвёртым углеродными атомами шестичленного цикла (содержится в печени пресноводных рыб). Обе формы (A1 и A2) существуют в виде ряда геометрических изомеров, но лишь некоторые из них физиологически активны. Таким образом, витамин А состоит из смеси циклических ненасыщенных спиртов характерного химического строения с большим числом сопряжённых двойных связей.
Это кристаллические тела лимонно-желтого цвета с температурой плавления от 59 до 64о C (в зависимости от вида геометрического изомера), хорошо растворимые в жирах и жирорастворителях: бензине, серном эфире, хлороформе, ацетоне и др.
Витамины группы А легко окисляются как в лабораторных условиях (посредством MnO2), так и в организме. Окисляясь в организме при участии биокатализатора, ретинол (спирт) превращается в ретиналь (альдегид), тоже обладающий активностью витамина А:
Однако при отсутствии O2 ретинол устойчив даже при 100о C. В тканях животных организмов, например в печени, витамин А часто находится в форме сложных эфиров с пальмитиновой кислотой. В таком виде он более устойчив и, следовательно, может запасаться впрок, высвобождаясь по мере надобности. К другим тканям и органам ретинол транспортируется, соединяясь с ретинолсвязывающим белком крови, впервые выделенным в 1968 году. (М = 21000, составлен из 181 аминокислотного остатка, первичная структура выяснена в 1974 году).
При отсутствии в пище витамина А в организме животного и человека развивается ряд специфических патологических изменений (А-авитаминоз): ослабление зрения (сумеречная, или «куриная», слепота), поражение эпителиальных тканей (сухость, слущивание эпителия), в том числе роговицы глаза (сухость её и воспаление называется ксерофтальмией, отсюда и название витамина А – антиксерофтальмический). Кроме того, при А-авитаминозе наблюдается торможение роста, падение в массе и общее истощение организма.
Сухость кожи и слизистых оболочек, способствующая проникновению в организм болезнетворных микробов, ведёт к возникновению дерматитов, бронхитов и катаров дыхательных путей. Витамин А, предохраняющий от этих инфекционных заболеваний, относят поэтому к группе антиинфекционных витаминов.
У растений только при достаточном содержании предшественников витамина А (каротиноиды) происходят нормальное прорастание пыльцы и оплодотворение.
Механизм участия витамина А в поддержании нормального состояния эпителиальных тканей неизвестен. Роль его в поддержании остроты зрения выяснена: окисленная форма витамина А (ретиналь) в виде цис-изомера является простетической группой белка – опсина, образуя родопсин – основное светочувствительное вещество сетчатки (ретины) глаза (отсюда и название ретинол). Родопсин открыт более столетия тому назад (в 1876 году) Ф. Боллом.
Опсин имеет М = 38850, содержит два олигосахаридных фрагмента, соединенных с полипептидной цепью из 348 аминокислотных остатков, чередование которых выяснено. Он вмонтирован в мембрану диска наружного сегмента фоторецепторной клетки типа палочки, пронизывая мембрану компактно расположенными семью α-спиралями, к одной из которых присоединен иминной связью, возникающей при взаимодействии альдегидной группы с ε-NH2-группой лиз296, 11-цис-ретиналь. Под действием кванта света происходит превращение цис-ретиналя в транс-форму (чувствительность этой реакции – единичный фотон):
Это, в свою очередь, возбуждает активность родопсина, вследствие чего несколько сотен молекул трансдуцина (~500) – белка (М=85000), относящегося к G-семейству и являющегося вторым членом биохимического каскада усиления светового сигнала (это происходит в течение 1 мс), распадается на α-субъединицу (М = 39000), у которой одновременно гуанозиндифосфат заменяется на гуанозинтрифосфат, и димер из β- и γ-субъединиц (М = 35000 и 8000 соответственно). Комплекс α-субъединицы трансдуцина с гуанозинтрифосфатом взаимодействует с третьим членом каскада усиления – фосфодиэстеразой циклического гуанозинмонофосфата (состоит из четырёх субъединиц: α – 88 кДа, β – 84 кДа и двух γ, по 11 кДа каждая), которая в присутствии белка, её активирующего (он является интегральным белком ретинальной мембраны), превращает в течение секунды несколько сотен молекул цГМФ в линейные. Гидролиз циклического гуанозинмонофосфата сопровождается закрытием натриевых каналов плазматической мембраны фоторецепторной клетки, её гиперполяризацией и возникновением электрического импульса, поступающего в синапс внутреннего сегмента и передаваемого в центральную нервную систему. Проходящий одновременно процесс фосфорилирования С-концевой части молекулы родопсина снимает его дальнейшее воздействие на распад трансдуцина, то есть фоторецепторный цикл завершается.
Квантово-химические расчеты строения ретиналя позволяют более глубоко понять его возможную роль в зрительном акте. Система из сопряженных двойных связей в молекуле ретиналя создаёт условия для возникновения геометрических изомеров в первую очередь (как это следует из значений порядка связей) по двойным связям между 9 – 10м и 11 – 12м атомами углерода (они здесь минимальны по сравнению с таковыми при 7 – 8м и 13- 14м атомами):
Если при взаимодействии цис-ретиналя (в составе родопсина) с квантами света происходит возбуждение электронов, что можно рассматривать как начальную фазу возникновения электрического импульса, то, видимо, цис-транс-переход может служить своеобразным блокирующим механизмом, обеспечивающим односторонний ход процесса утилизации световой энергии.
Источниками витамина А для человека являются рыбий жир, печень рыб и домашних животных, желток яйца, сливочное масло, зеленые части растений и красномякотные овощи (морковь, перец, томаты и др.). В двух последних витамин А содержится в виде провитамина, которым является β-каротин. Молекула β-каротина распадается в кишечной стенке человека и животных с образованием двух молекул витамина А1.
Применение витамина А в животноводстве приносит ощутимый эффект. Когда жарким летом пастбища выгорают и содержание витамина А, а точнее провитамина А – каротина в травах резко падает, у каракульских овец возникает А-авитаминоз, снижающий их плодовитость. Подкормка витамином А обеспечивает возрастание приплода на 5 – 7 ягнят на каждые 100 овцематок, то есть примерно на 3 млн. ягнят в южных районах нашей страны. Кроме того, добавление витамина А или каротина в корм молодняку (цыплята, телята, поросята) обеспечивает их лучшую выживаемость и более быстрый рост, а включение его в рационы при откорме крупного рогатого скота повышает прирост живой массы на 12 – 15%.
Если попытаться обобщить биохимические функции витамина А, то его роль заключается в следующем:
1. Ретинол является структурным компонентом клеточных мембран.
2. Регулирует рост и дифференцировку клеток эмбриона и молодого организма, а также деление и дифференцировку быстро пролиферирующих тканей, в первую очередь, эпителиальных, хряща и костной ткани. Он контролирует синтез белков цитоскелета, реакции распада и синтеза гликопротеинов. Синтез последних осуществляется в аппарате Гольджи. Недостаток витамина А приводит к нарушению синтеза гликопротеинов (точнее, реакций гликозилирования, то есть присоединения углеводного компонента к белку), что проявляется потерей защитных свойств слизистых оболочек.
3. Участвует в фотохимическом акте зрения.
4. Является важнейшим компонентом антиоксидантной защиты организма.
5. Витамин А и ретиноиды стимулируют реакции клеточного иммунитета, в частности, увеличивают активность Т-киллеров.
6. Витамин А является антиканцерогенном, так как при его недостатке в организме увеличивается заболеваемость раком легкого и раком других локализаций.
Рассмотрим подробнее участие витамина А в антиоксидантной защите организма. Благодаря наличию сопряженных двойных связей в молекуле ретинол способен взаимодействовать со свободными радикалами различных типов, в том числе и со свободными радикалами кислорода. Эта важнейшая особенность витамина позволяет считать его эффективным антиоксидантом.
Антиоксидантное действие ретинола проявляется также в том, что он значительно усиливает антиоксидатное действие витамина Е. Вместе с токоферолом и витамином С он активирует включение Se в состав глутатионпероксидазы (фермента, обезвреживающего перекиси липидов). Витамин А способствует поддержанию SH-групп в восстановленном состоянии (SH-группам многообразного класса соединений также присуща антиоксидантная функуия). В частности, препятствуя окислению SH-содержащих белков и образованию в них поперечных S-S-сшивок в составе кератина, ретинол тем самым уменьшает степень кератинизации эпителия (усиление кератинизации кожи приводит к развитию дерматита и раннему старению кожи).
Однако витамин А может проявлять себя и как прооксидант, так как он легко окисляется кислородом с образованием высокотоксичных перекисных продуктов. Полагают, что симптомы гипервитаминоза А как раз и обусловлены его прооксидазным действием на биомембраны, особенно усиливается процесс перекисного окисления липидов в лизосомных мембранах, к которым витамин А проявляет выраженную тропность. Витамин Е, предохраняя ненасыщенные двойные связи ретинола от окисления и образования вследствие этого свободнорадикальных продуктов самого ретинола, препятствует проявлению его прооксидантных свойств. Необходимо отметить и синергическую с токоферолом роль аскорбиновой кислоты в этих процессах.
В настоящее время большое внимание в мировой литературе уделяется производным витамина А – ретиноидам. Полагают, что их механизм действия сходен со стероидными гормонами. Ретиноиды действуют на специфические рецепторные белки в клеточных ядрах. Далее такой лиганд-рецепторный комплекс связывается со специфическими участками ДНК, которые контролируют транскрипцию специальных генов. Идентификация этих генов служит предметом активного научного поиска.
1.2.1.2. Витамины группы D
Заболевание детей рахитом (от греч. ραχιζ – спинной хребет) впервые описано в литературе в 1650 году, а в конце XVIII века стало известно, что оно излечивается жиром печени рыб. Изучение витамина D начато в 1916 году, а к 1924 году было установлено, что облучение ультрафиолетовым светом детей, страдающих рахитом, предупреждает развитие болезни. Эти данные позволили в 1930 – 1932 годах Ф. Аскью и А. Виндаусу получить в своих лабораториях сначала неочищенный витамин D1 и затем индивидуальный витамин D2 (эргокальциферол) из облученного провитамина – эргостерина. Г. Брокман в 1936 году выделил более универсальный природный витамин D3 (холекальциферол) из жира печени тунца, а А. Виндаус получил его в том же году фотоизомеризацией провитамина – 7-дегидрохолестерина. Строение витаминов D2 и D3 было установлено А. Виндаусом и Дж. Хейлброном в 1936 – 1937 годах и подтверждено рентгеноструктурным анализом (Д. Ходжкин, 1957). В настоящее время известно ещё четыре витамина группы D (D4 – D7), но их активность значительно ниже.
Витамин D2 (эргокальциферол)
