Для чего нужны витамины и микроэлементы

 


 

 

Витамины. Загадка пеллагры.

В первой трети XX в. в США свирепствовала странная болезнь. Ее эпицентром были южные штаты. В 1910-1935 гг. ежегодно регистрировали в среднем 170 тыс. случаев заболеваний. Десятки тысяч американцев умерли от этой болезни. Это заболевание - пеллагра [pella agra (итал.) - сухая кожа]; известно и другое название - болезнь "трех D", поскольку за поражением кожи [dermatitis (лат.)-дерматит] следуют расстройство кишечника [diarrheo (греч.)-диарея] и тяжелые нарушения нервной системы [delirium (лат.)- бред] вплоть до полного умственного расстройства и смерти больного.

Поскольку в бактериологии были достигнуты большие успехи, в научном мире прежде всего возникло предположение, что возбудителем пеллагры является микроорганизм. Однако, несмотря на все усилия, возбудитель обнаружить не удалось. Обращал на себя внимание тот факт, что случаи заболевания пеллагрой были сосредоточены главным образом в местностях, где монокультурой являлась кукуруза, причем болезнью поражались только бедные слои населения. Это побудило американского врача Йозефа Гольдбергера изучить более подробно состав пищевого рациона населения, где отмечались случаи заболевания. Ему удалось показать, что пеллагра неинфекционное заболевание, обусловленное неполноценной малокалорийной крахмалсодержащей пищей. Болезнь удавалось предупредить, включив в диету мясо, яйца и молоко.

Сейчас уже хорошо известно, что пеллагра, как и цинга, - бич моряков; эти болезни, а также рахит или бери-бери относятся к типичным заболеваниям, развивающимся при недостаточном поступлении в организм одного или нескольких витаминов (авитаминозы или гиповитаминозы). Витамины - это жизненно необходимые (так называемые существенные) органические соединения, часто сложного строения, которые, как правило, не могут образовываться в организме животного и человека и поэтому должны вводиться в организм с пищей. Витамины действуют в очень малых количествах. Суточная доза витаминов для человека составляет всего несколько миллиграммов. Поэтому уже в начале нашего века многие ученые были убеждены, что витамины относятся к биологическим катализаторам или по крайней мере тесно связаны с ними.

Только в 1937 г. было выяснено, какой витамин отсутствует при пеллагре. Он был обнаружен случайно в ходе ряда совершенно независимых биохимических исследований, начало которых можно датировать 1904 г. Именно в этом году американскими учеными А. Харденом и В. Дж. Янгом при изучении спиртового брожения было установлено, что зимаза- фермент, обнаруженный в 1897 г. Эдуардом Бухнером в дрожжевом экстракте, состоит из двух частей: термолабильной белковой части и термостабильной небелковой части, которая в отличие от белковой части легко проникает через полупроницаемую мембрану пузыря свиньи, т. е. небелковый компонент, по-видимому, меньше по размерам, чем белковый. Белковая часть, отделенная от небелковой, не обладала каталитической активностью. Для проявления этой активности необходимо было взаимодействие ("кооперация") с небелковой частью, которая получила поэтому название козимазы или кофермента. Только кофермент и неактивный белок фермента (так называемый апофермент) образуют функционально активный фермент (холофермент).

В 1933 г. немецкому биохимику Отто Варбургу в результате кропотливой работы удалось получить несколько миллиграммов сходного кофермента из 200 л лошадиной крови. Наряду с известными фосфатными и сахарными группами полученный кофермент содержал совершенно неизвестный компонент. Для установления точной структуры кофермента по расчетам Варбурга потребовалась бы кровь всех лошадей Германии юю времени. Естественно, проведение подобных опытов было невозможно. Выход нашелся удивительно быстро. Хотя были известны только брутто-формула и температура плавления неизвестного вещества, один из сотрудников Варбурга решил обратиться к справочнику Бейльштейна (1837 - 1906, русский химик - органик) и посмотреть, что сообщается в этом энциклопедическом издании о соединениях с такой формулой. К огромному удивлению, там, действительно, было точно описано неизвестное соединение! Это был никотинамид, синтезированный уже в 1878 г. Описывая этот случай, Варбург выразился весьма образно: "Еще вчера мы не могли его (это вещество) купить за все золото мира, а сегодня можем купить по 2 марки за фунт".

Как удалось показать Варбургу, биологическая роль амида никотиновой кислоты обусловлена тем, что он входит в состав никотинамидадениндинуклеотида (НАД)-кофермента I или фосфата этого кофермента (НАДФ). Сам Варбург, однако, не догадывался, что он держит в руках лекарство от пеллагры. В 1937 г. другим ученым удалось вылечить пеллагру с помощью никотинамида и никотиновой кислоты. Поэтому никотиновую кислоту уже тогда называли витамином РР [pellagra preventing (англ.) - предохраняющий от пеллагры], а сейчас называют также ниацином, чтобы не возникали неприятные ассоциации с никотином, ядовитым алкалоидом табака.

Таким образом, из витамина ниацина в организме образуются коферменты НАД и НАДФ. Они абсолютно необходимы для функционирования большого числа ферментов, главным образом тех из них, которые регулируют обмен веществ, т.е. они непосредственно участвуют в превращениях белков, сахаров и жиров в организме. Если нет ниацина и, следовательно, НАД и НАДФ, то эти ферментные системы не функционируют. Поэтому недостаток ниацина имеет катастрофические последствия для организма.

Неожиданно оказалось, что пеллагру можно вылечить не только ниацином, но и с помощью больших доз аминокислоты триптофана, содержащейся в полноценных белках. Выяснилось, что ниацин может синтезироваться из триптофана в печени млекопитающих. Таким образом, если в пище содержится достаточно белка, богатого триптофаном, то и в отсутствие ниацина явления авитоминоза не возникают. Впрочем, синтез ниацина не очень экономный: 60 мг триптофана заменяют один-единственный миллиграмм ниацина. Кукуруза же исключительно бедна триптофаном. Взрослому человеку необходимо ежедневно потреблять 1,5 кг кукурузы, чтобы получить суточную норму витамина. Кроме того, интереснб, что для синтеза ниацина в печени нужны еще два витамина (В2 и В6). Таким образом, заболевание пеллагрой может быть обусловлено также недостатком одновременно и других витаминов, и белка. В связи со сложным взаимодействием различных витаминов и белков в организме при лечении многих заболеваний врачи назначают поливитаминные препараты (несколько витаминов в сочетании).

Большинство водорастворимых витаминов имеет аналогичный с ниацином механизм действия, т. е. из них в организме образуются различные коферменты. Самую многочисленную группу витаминов, в которую входит и ниацин, образуют витамины В, к которым относятся тиамин (витамин В1), рибофлавин (витамин В2), пиридоксин (витамин В6), пантотеновая кислота, биотин (витамин Н), фолевая кислота и кобаламин (витамин В12). Эти витамины и образуемые из них в организме коферменты имеют жизненно важное значение для обмена веществ в целом.

Однако можно ли на основании всего вышесказанного утверждать, что по крайней мере механизм действия витаминов группы В выяснен до конца? К сожалению, нет! И хотя можно опытным путем с помощью бедной витаминами диеты сознательно вызвать определенные авитаминозы, механизмы действия витаминов на молекулярном и клеточном уровнях остаются тем не менее в значительной хмере непонятными. Так, например, лишь свойствами коферментов НАД и НАДФ нельзя объяснить "три D" пеллагры. Совокупность биохимических процессов, ведущих при нехватке витаминов и коферментов в организме к явным симптомам авитаминозов, очень сложна.

Инструменты ферментов.

"Квалифицированные" ферменты, которые функционируют вместе с коферментами, характеризуются, естественно, и более сложным механизмом действия, чем "простые" ферменты, такие, как лизоцим. Коферменты выполняют различные функции: они изменяют структуру субстрата, чтобы он легче мог вступать в реакцию с ферментом, переносят электроны, протоны и более крупные химические группы между ферментом и субстратом, часто на большие расстояния в пределах огромной молекулы фермента.

Такие коферменты, как НАД и НАДФ, относительно легко отделяются от фермента. Однако в активном центре фермента имеются еще другие небелковые группы, связанные прочными химическими связями. Их называют простетическими группами. К ним относится, например, гемогруппа - порфириновое кольцо, в центре которого находится атом железа. В ходе ферментативной реакции ферменты и простетические группы отдают электроны, протоны или целые химические группы, которыми они вновь "заряжаются" (регенерируют) по окончании реакции. Как и ферменты, простетические группы всегда многократно используются в клетке, в то время как субстраты обычно быстро расщепляются и выводятся. Поэтому с пищей должны постоянно поступать огромные количества субстратов (углеводов, белков, жиров). В то же время организму достаточно очень небольших количеств предшественников коферментов, витаминов. Однако, поскольку коферменты (как и ферменты) "изнашиваются" при постоянном их использовании, запас этих веществ должен все время пополняться путем синтеза из витаминов.

Что же играет решающую роль при превращении субстратов: белковые компоненты, апоферменты, коферменты или простетическая группа?

Чтобы ответить на этот вопрос, японский биохимик Ванг изучил каталазу - фермент, расщепляющий пероксид водорода Н2О2. Каталаза в качестве простетической группы содержит геминовое железо; она относится к наиболее "быстродействующим" ферментам. Ванг проследил, как влияет железо в разных формах на расщепление Н2О2. В отсутствие примесей пероксид водорода может сохраняться, не разлагаясь, месяцами. При добавлении же ионов железа наблюдалось его расщепление: 1 ион железа катализировал расщепление 1 молекулы Н2О2 примерно за 30 мин. Ион железа действует как обычный химический катализатор. При добавлении к Н2О2 гемогруппы (ион железа + порфириновое кольцо) за 1 минуту расщеплялись уже 5 молекул Н2О2, т.е. процесс ускорялся в 150 раз. Таким образом, катализатор стал совершеннее. Когда же гемогруппа была соединена с соответствующим белком (апоферментом) с образованием каталазы, то такой "полный" фермент расщеплял 5 млн. молекул Н2О2 за 1 мин! Следовательно, каталаза в 150 млн. раз эффективнее, чем ион железа. Трудно более наглядно продемонстрировать различие между биологическими и абиогенными катализаторами. Ионы железа и гемогруппы соответствовали здесь простым химическим моделям каталазы.

Итак, белковая часть фермента - это "мастер", от которого зависит эффективность работы фермента, а простетические группы и коферменты - его инструменты. Конечно, без инструментов даже самый лучший мастер беспомощен. Точно так же белок каталазы без гемогруппы полностью неактивен.

действие ферментов

Что же, собственно, происходит, когда разные "мастера" используют один и тот же инструмент, т.е. различные белки взаимодействуют с одним и тем же коферментом или одной и той же простетической группой? Этот случай можно хорошо проиллюстрировать на примере белков, простетическими группами которых являются гемогруппы (гемопротеины). К ним относятся белки - переносчики кислорода (такие, как гемоглобин и миоглобин), переносчики электронов (например, цитохром с) и ферменты (такие, как каталаза, пероксидаза и цитохром Р-450). Все они имеют одинаковые простетические группы, но разные белковые компоненты. Как показано на рис. 6, они вступают в совершенно различные реакции с абсолютно разными соединениями.

На примере гемопротеинов легко уясняется, на что действует фермент и как он превращает субстрат - это в конечном счете определяется "мастером", т.е. белковыми компонентами фермента!

Следующая

Вернуться на главную

загрузка...

Для чего нужны витамины.
Для чего нужны микроэлементы.
Ферменты, яды и лекарства.
Ферменты, сульфамиды и антибиотики.
Как действуют нервно-паралитические газы.
Подвижное равновесие живой клетки.
Стрессовый гормон адреналин.
Регуляторные ферменты.
Почему нельзя пить спиртное во время приема лекарств.
Накопление вредных веществ в организме человека.
Превращение безвредных веществ в ядовитые (мутагенные).
Алкоголь и ферменты печени.
Диагностика - ферменты, тест-полоски.
Использование ферментов в терапии.
Ферменты и гемофилия.


 

Новое на сайте:
Серия статей о анализах крови, мочи, кала
Серия статей по биохимии крови
Серия статей о шейном остеохондрозе
Комплекс утренней зарядки
Простатит
Нефрит