К веществам, проявляющим свойства витамина А, относятся ретинол, ретиналь и ретиноевая кислота. Из них только ретинол в полной мере обладает свойствами этого витамина

Ретинол

Витамин А широко распространен в природе. Основными его источниками для человека служат продукты животного происхождения – жир печени морских рыб и крупного рогатого скота, сливочное масло, яичный желток и др.

В растительной пище содержится провитамин А – каротин. Наиболее мощными источниками каротина являются морковь, абрикосы и листья петрушки. Существует несколько разновидностей каротина (α-, β- и γ-ка-ротины). Особое значение в обеспечении организма человека витамином А имеет β-каротин. Это связано с тем, что его молекула состоит из двух сконденсированных “хвост к хвосту” молекул ретиналя. Строение β-ка-ротина:

Несмотря на то, что каротин является важным источником витамина А, за счет него организм человека может обеспечиваться данным витамином не больше чем на 1/6 от его потребности. Суточная потребность в витамине А около 2,7 мг (в расчете на ретиналь).

Поступающий в организм с пищей каротин попадает в кишечник. Здесь он подвергается расщеплению под действием фермента каротиндиоксигеназы, в результате чего из него образуется две молекулы ретиналя (рис. 36):

Рисунок 36 – Схема превращения каротина в кишечнике

Образовавшийся ретиналь, вместе с другими формами витамина А, поступающими с пищей, в просвете кишечника образует комплекс с жирными и желчными кислотами и в таком виде всасывается. Транспортной формой витамина А служат особые липопротеидные частицы крови – хиломикроны. В их составе витамин А достигает печени, где происходит его депонирование.

Далее витамин А из печени поступает в ткани остальных внутренних органов. Он попадает в кровь, связывается с ретинолсвязывающим белком (РСБ) и в комплексе с ним транспортируется в организме. Попадая в клетки внутренних органов, этот витамин связывается с внутриклеточным РСБ, транспортируется в клеточное ядро и соединяется с определенными участками генома, контролируя при этом скорость экспрессии определенных генов.

Важным биологическим эффектом витамина А является его участие в контроле дифференцировки клеток и клеточной репродукции. Особое значение витамин А имеет для регуляции роста эпителиальных тканей.

В отличие от других жирорастворимых витаминов, витамин А выполняет специфическую функцию, которая связана с его участием в процессах свето- и цветовосприятия (рис. 37). Он входит в состав зрительного пигмента – родопсина, который содержится в светочувствительных клетках сетчатки глаза – палочках и колбочках.

Рисунок 37 – Механизм участия ретиналя в процессе световосприятия

Родопсин представляет собой сложный белок, который состоит из белкового компонента – опсина и небелкового компонента – ретиналя. Характерным свойством родопсина является то, что в его состав входит только 11-cis-изомер ретиналя, который ковалентно связывается с лизиновым остатком, входящим в состав опсина. сis-Изомер ретиналя под влиянием кванта видимого света превращается в trans-изомер, который не может входить в состав родопсина. В результате родопсин распадается на опсин и trans-ретиналь. Именно эта фотохимическая реакция лежит в основе возникновения процесса световосприятия.

Распад родопсина сопровождается изменением проницаемости мембран палочек сетчатки, в результате чего на мембране возникает нервный импульс, который передается в зрительный центр коры головного мозга и формирует процесс световосприятия.

Образовавшийся под воздействием кванта света trans-ретиналь далее подвергается восстановлению под влиянием фермента ретинальредуктазы в ретинол, а последний изомеризуется в II-cis-ретиналь. Как только в палочке образуется II-cis-ретиналь, он немедленно вновь соединяется с опсином. При этом образуется родопсин, который снова участвует в процессе световосприятия.

Процесс цветовосприятия происходит в колбочках сетчатки глаза. В этих клетках существует несколько разновидностей родопсина. Их различия связаны с особенностями аминокислотного состава опсина. Ввиду того что структура белкового компонента оказывает существенное влияние на свойства сложного белка в целом, разные формы родопсина воспринимают свет различной длины волны. Каждая разновидность родопсина сконцент-рирована в разных типах колбочек. Существуют три основных их типа, способных воспринимать синий, зеленый или красный свет. Импульс, поступающий в зрительный центр мозга от разных типов колбочек, обрабатывается в мозгу и при этом формируется процесс цветового восприятия объекта.

При недостаточном поступлении витамина А в организм возникает гипо- или авитаминоз, первым проявлением которого является нарушение сумеречного зрения (куринная слепота). Помимо этого, возникают проявления поражения эпителиальных тканей (поражение кожи и слизистых оболочек).

Витамин D

Свойствами витамина D обладают вещества стероидной природы – эргокальциферол (витамин D₂) и холекальциферол (витамин D₃). Основными источниками холекальциферола являются продукты животного происхождения – сливочное масло, печень крупного рогатого скота и крупных морских рыб, а также яичный желток. Эргокальциферол имеет растительное происхождение. Основным источником его поступления являются растительные масла, дрожжи. Содержание этого витамина выражается в Интернациональных Единицах (ИЕ). 1ИЕ соответствует 0,025 мкг витамина D. Суточная потребность в витамине D у грудных детей соответствует 500–1000 ИЕ.

Дополнительным источником поступления витамина D в организм человека служит провитамин – 7-дегидрохолестерин. Этот предшественник в фотохимической реакции, которая происходит в коже, под влиянием квантов ультрафиолетового света превращается в холекальциферол. Образование витамина D₃ из провитамина в фотохимической реакции показано ниже.

Образование витамина D в коже имеет лишь вспомогательное значение. В результате этого даже летом организм человека не получает более 1/10 от его суточной потребности.

Витамин, поступающий в организм с пищей, в тонком кишечнике образует комплекс с желчными кислотами и в таком виде всасывается в кровь. Здесь он связывается со специфическим белком-переносчиком (глобулином) и транспортируется в печень. В печени витамин D подвергается гидроксилированию с помощью особого фермента – витамина D-25-гид-роксилаза, который располагается на эндоплазматическом ретикулуме печеночных клеток. Продукт реакции гидроксилирования – 25-гидрокси-холекальциферол депонируется в печени:

В условиях возрастания потребности тканей внутренних органов в витамине D 25-гидроксихолекальциферол поступает в кровоток и переносится в почки. Здесь происходит его повторное гидроксилирование по одному углеродному атому:

Этот процесс происходит в митохондриях почек. Образующееся 1,25-дигидроксипроизводное витамина D обладает высокой биологической активностью. Оно получило особое название – кальцитриол. Все эффекты витамина D в организме обеспечиваются именно кальцитриолом.

Кальцитриол участвует в регуляции фосфорно-кальциевого обмена в организме. Это вещество обладает способностью увеличивать содержание в крови кальция и солей фосфорной кислоты. Формирование этого эффекта определяется тем, что под влиянием кальцитриола происходит

· увеличение всасывания кальция и фосфора в кишечнике;

· ограничение выделения кальция и фосфора через почки с мочой.

В основе этих физиологических эффектов лежит свойство кальцитриола выступать в роли регулятора экспрессии генов кальцийсвязывающих белков.

Проявлением гиповитаминоза D у детей является заболевание – рахит, которое проявляется в нарушении процесса окостенения и роста зубов.

Витамин Е

Свойствами витамина Е обладает группа соединений – токоферолов. Существует несколько разновидностей этих соединений. Наибольшая витаминная активность присуща α-токоферолу:

Витамин Е поступает в организм с пищей животного и растительного происхождения. Наиболее мощным его источником служат растительные масла и мучные изделия. В большом количестве α-токоферол присутствует в хлебо-булочных изделиях. Даже только за счет них организм в полной мере обеспечивается этим витамином. По этой причине до настоящего времени у человека не было обнаружено проявлений Е-витаминной недостаточности.

Суточная потребность в витамине Е у взрослых – 5 мг, у детей 20–30 мг. Ее величина может существенно возрастать с увеличением в рационе полиненасыщенных жирных кислот, которые в значительных количествах содержатся в растительных маслах.

Для усвоения витамина Е необходимо адекватное поступление с пищей жиров, которые по своей сути являются его растворителем. Поступивший в тонкий кишечник витамин всасывается в комплексе с желчными кислотами и в крови транспортируется при помощи особых липопротеидных частиц – хиломикронов. В составе хиломикронов витамин Е попадает в печень. Из печени он переносится при помощи других липопротеидных частиц – липопротеидов очень низкой плотности (ЛПОНП) – в жировую ткань и здесь депонируется.

В организме человека и животных витамин Е выполняет различные функции. Особое значение среди них имеет то, что данный витамин:

1) обладает свойствами антиоксиданта. Антиоксиданты– это вещества, которые способны тормозить свободнорадикальные процессы. Антиоксиданты, подобные витамину Е, обладают свойством превращать свободные радикалы в стабильные молекулы. Свободные радикалы, ввиду высокой реакционной способности вызывают повреждение клеток. Поэтому антиоксиданты и, в том числе витамин Е, защищают ткани организма от свободнорадикального повреждения;

2) особым образом влияет на упаковку молекул в липидном бислое биологических мембран. При его включении в состав мембраны она приобретает более структурированный (упорядоченный) характер;

3) участвует в регуляции экспрессии генов целой группы фермен-тов – гемопротеидов, которые участвуют в энергетическом обмене. К их числу относятся цитохромы, каталаза и др. По этой причине витамин Е оказывает влияние на состояние энергетического обеспечения клеток.

Витамин К

К этой группе витаминов относятся нафтохиноны, в состав которых входят изопреновые боковые цепи разной длинны. Наибольшая витаминная активность характерна для филлохинона, представляющего собой витамин К1.

Витамин К₁

Витамины этой группы существенно различаются по длине изопреновой цепи в молекуле. Так, в состав витамина К3 (менадиона) вообще не входит изопреновая цепь, что определяет его способность растворяться в воде.

Отечественным биохимиком В. А. Палладиным был синтезирован водорастворимый синтетический аналог витамина К – викасол, который до настоящего времени широко используется в медицине, как кровоостанавливающее средство.

Витамин К₃ Викасол

Главными источниками этого витамина являются пищевые продукты растительного происхождения. Наиболее богаты им продукты, представляющие собой листья растений (салат, шпинат и др.). Значительный вклад в обеспечение организма витамином К вносит сапрофитная микрофлора кишечника, представленная кишечной палочкой.

Среднесуточная потребность в витамине К для взрослого человека составляет около 0,1 мг.

Всосавшийся в кровь витамин поступает в печень и депонируется в ней. Однако в отличие от других жирорастворимых витаминов его запасы в печени сравнительно невелики. Поэтому прекращение поступления витамина К с пищей быстро приводит к возникновению гиповитаминоза.

Биологическая роль витамина К связана с его участием в процессе свертывания крови. Этот витамин представляет собой кофермент фермента витамин К-зависимой карбоксилазы, который принимает участие в карбоксилировании остатков глютаминовой кислоты, входящих в состав II, VII, IX и X-факторов свертывания крови. Продуктом реакции являются остатки γ-карбок-сиглутамата, включенные в состав полипептидной цепи. Образование остатков γ-карбоксиглутамата в полипептидной цепи белковых факторов свертывания крови представлено ниже.

Особенности строения этих остатков позволяют им участвовать в хелатаровании свободного кальция, который также представляет собой один из факторов свертывания крови:

Реакция карбоксилирования идет только в присутствии кислорода, хотя он и в ней не участвует. Помимо того, витамин К используется в реакции только в восстановленном состоянии.

Белковые факторы свертывания крови после того, как в их составе появятся остатки γ-карбоксиглутамата, приобретают способность участвовать в процессе гемокоагуляции (свертывании крови).

Таким образом, биологическая роль витамина К заключается в том, что он принимает участие в процессе свертывания крови. Его недостаточность сопровождается нарушением процесса свертывания крови и возникновением повышенной кровоточивости.

В настоящее время известна целая группа веществ из группы антивитаминов К, для которых характерны эффекты, противоположные витамину. При их попадании в организм тормозится процесс свертывания крови. Антивитаминные свойства этих веществ связаны с тем, что они обладают способностью тормозить восстановление окисленных форм витамина в восстановленные. К ним относятся соединения дикумаролы, а также салициловая кислота. Дикумаролы имеют растительное происхождение. В большом количестве они содержатся в клевере.

Салициловой кислотыДикумарина

Водорастворимые витамины

В отличие от жирорастворимых витаминов подавляющее большинство водорастворимых выполняет коферментную функцию, т.е. они участвуют в построении небелковых компонентов ферментов. Особое значение среди них имеет аскорбиновая кислота. Именно с этого витамина началось изучение витаминов. Однако именно для него не характерна коферментная функция.

Витамин С

Источником этого витамина является пища растительного происхождения. Наиболее богатыми витамином С плоды цитрусовых, картофель, плоды шиповника, хвоя и т.д. Суточная потребность в витамине для взрослого человека составляет около 75 мг.

Витамин С (аскорбиновая кислота) имеет следующую структуру:

Аскорбиновая кислота

Биологическая активность аскорбиновой кислоты во многом связана с тем, что она способна участвовать в окислительно-восстановительных процессах. При окислении аскорбиновой кислоты происходит образование дегидроаскорбиновой кислоты

Реакция окисления аскорбиновой кислоты происходит в несколько стадий. В процессе нее возникают свободнорадикальные промежуточные продукты. По этой причине при определенных условиях витамин С участвует в инициации свободнорадикальных превращений в клетках.

В то же время аскорбиновая кислота при взаимодействии со свободными радикалами может передавать им электроны. В результате этого свободные радикалы трансформируются в стабильные молекулы. Подобное свойство лежит в основе антиоксидантного действия аскорбиновой кислоты.

Особую роль среди многочисленных функций витамина С играет его участие в образовании оксипролина. Оксипролин представляет собой аминокислоту, которая в значительном количестве входит в состав белка соединительной ткани – коллагена.

Окисление пролина происходит при участии фермента пропилгидроксилазы:

Аскорбиновая кислота участвует в активации кислорода, который используется для окисления пролина. Для этого она взаимодействует с атомом Fe в активном центре фермента пролилгидроксилазы:

Активная форма

кислорода,

связанная с активным

центром фермента

где ДАК – дегидроаскорбиновая кислота; АК – аскорбиновая кислота;

Е – пролилгидроксилаза.

После активации один из атомов молекулы кислорода используется для окисления пролина, а другой включается в α-кетоглутаровую кислоту, превращая ее в янтарную кислоту. В реакцию вступает остаток пролина, который находится в связанном состоянии, включенном в полипептидную цепь “созревающего“ коллагена.

Оксипролин необходим для синтеза нормального коллагена, который в свою очередь используется для построения основного вещества соединительной ткани. Это связано с тем, что оксипролин принимает участие в образовании дополнительных водородных связей, стабилизирующих тройную спираль коллагена.

Еще одной важной функцией аскорбиновой кислоты является ее участие в обеспечении организма железом. Это связано с тем, что железо всасывается только после его восстановления аскорбиновой кислотой. Кроме того, именно в восстановленном состоянии оно способно соединяться с белком ферритином и транспортироваться в организме кровью.

Ввиду своей способности восстанавливать металлы переменной валентности витамин С оказывает регуляторное влияние на каталитические свойства ферментов, в состав активного центра которых входят подобные металлы.

В процессе реализации биологических эффектов аскорбиновой кис-лоты происходит ее окисление в дегидроаскорбиновую. В клетках существуют различные ферментативные системы, которые обеспечивают процесс превращения дегидроаскорбиновой кислоты в аскорбиновую. Важное значение в этом имеют:

· редуктазные системы микросом,

· трипептид глютатион.

Восстановительные свойства глутатиона связаны с присутствием в его составе сульфгидрильной группы цистеина. Процесс восстановления может быть описан следующим уравнением:

где GSH – восстановленный глутатион; GS-SG – окисленный глутатион).

Недостаточность витамина С часто возникает в весенний период года, когда резко снижается его поступление в организм с пищей. Она проявляется повышенной кровоточивостью, из-за счет нарушения проницаемости кровеносных капилляров, понижением сопротивляемости организма к неблагоприятным воздействиям, снижением работоспособности, понижением устойчивости к возникновению инфекционных заболеваний.

Витамин В₁ (тиамин)

Структура тиамина:

Пирофосфорное производное тиамина – тиаминпирофосфат, представляет собой его активную форму. Он образуется путем фосфорилирования тиамина за счет АТФ под влиянием фермента тиаминкиназы:

Суточная потребность в витамине В₁ составляет 1–2 мг. Широко распространен в пищевых продуктах. В значительных количествах присутствует в хлебобулочных изделиях, дрожжах, бобовых, печени крупного рогатого скота и др.

Биологическая роль тиамина определяется тем, что его активная форма (тиаминпирофосфат) выполняет коферментную функцию. Тиаминсодержащие коферменты входят в состав ферментов, катализирующих реакции окислительного декарбоксилирования кетокислот (α-кетоглутарат-дегидрогеназы и пироватдегидрогеназы), а также фермента, участвующего в пентозофосфатном пути окисления глюкозы – транскетолазы.

Ферменты, катализирующие реакции окислительного декарбоксилирования кетокислот, играют важную роль в энергетическом обеспечении клеток. По этой причине наиболее чувствительны к недостатку тиамина те ткани внутренних органов, функционирование которых сопряжено с высоким уровнем потребления энергии (нервная ткань, сердечная мышца и др.).

Витамин В₂ (рибофлавин)

В основе строения рибофлавина лежит молекула изоаллоксазина:

Суточная потребность в этом витамине составляет около 2 мг. Наиболее богаты этим витамином дрожжи, хлебобулочные изделия, молоко, свежие овощи и др. Активными формами рибофлавина, определяющими его биологическую роль являются флавинмононуклеотид(ФМН) и флавинадениндинуклеотид (ФАД). Оба этих производных витамина В₂ представляют собой нуклеотиды, у которых в качестве азотистого основания выступает изоаллоксазин:

ФМН ФАД

Данные нуклеотиды выступают в роли простетических групп ферментов – флавиновых дегидрогеназ, которые участвуют в процессах биологического окисления и в том числе в тканевом дыхании. По этой причине рибофлавин играет важную роль в процессах, связанных с энергетическим обеспечением клеток.