Витамины, растворимые в воде

Отличительной особенностью витаминов, растворимых в воде, является участие большинства из них в построении молекул коферментов. Большинство из витаминов не синтезируются в организме животных и человека, поэтому недостаточное содержание или полное отсутствие их в пище приводит к существенным нарушениям процессов обмена веществ и развитию гипо- и авитаминоза.

Витамин В₁

Витамин В₁ (тиамин, антиневритный) в своей структуре содержит два кольца – пиримидиновое и тиазоловое, соединенные метиленовой связью.

Тиамин хорошо растворим в воде; водные растворы выдерживают нагревание до высоких температур без снижения биологической активности. В нейтральной и щелочных средах при нагревании быстро разрушается. Разрушение витамина наблюдается при кулинарной обработке пищи, в частности при выпечке теста с добавлением соды или карбоната аммония. Витамин В₁ чувствителен к свету и кислороду воздуха, распадается под действием УФ-лучей.

Биологически активной формой витамина является его пирофосфорный эфир- тиаминпирофосфат (ТПФ), в образовании которого участвует специфический АТФ-зависимый фермент тиаминпирофосфаткиназа, содержащийся главным образом в печени и ткани мозга.

При отсутствии в рационе питания тиамина развивается тяжелое заболевание бери-бери, широко распространенное в ряде стран Азии и Индокитая, где основным продуктом питания является полированный рис. Специфические симптомы связаны с нарушением деятельности сердечно-сосудистой, нервной систем, пищеварительного тракта.

Активная форма витамина – тиаминпирофосфат является составной частью как минимум пяти ферментов, участвующих в промежуточном обмене веществ. ТПФ входит в состав двух сложных ферментных систем – пируват и a-кетоглутара­тдегидрогеназных комплексов, катализирующих окислительное декарбоксилирование пировиноградной и a-кетоглутаровой кислот. При недостатке витамина В₁ фермент, декарбоксилирующий пировиноградную кислоту, не образуется, повышается концентрация этой кислоты в крови и тканях, оказывая нежелательное воздействие на нервную систему всего организма.

В составе транскетолазы ТПФ участвует в переносе гликоальдегидного радикала от кетосахаров на альдосахара. ТПФ является коферментом пируватдекарбоксилазы клеток дрожжей (при алкогольной ферментации) и дегидрогеназы g-оксикетоглутаровой кислоты.

ТПФ участвует в окислительном декарбоксилировании глиоксиловой кислоты и a-кетокислот, образующихся при распаде аминокислот с разветвленной цепью; в растениях ТПФ является эссенциальным кофактором при синтезе валина и лейцина в составе фермента ацетолактатсинтетазы.

Витамин В₁ широко распространен в природе. Основное его количество человек получает с растительной пищей. Много витамина содержится в дрожжах, пшеничном хлебе из муки грубого помола, оболочке и зародышах семян хлебных злаков, сое, фасоли, горохе, меньше – в картофеле, моркови, капусте. В зерне мягких пшениц содержание витамина больше, чем в зерне твердых. Из продуктов животного происхождения наиболее богаты витамином печень, почки, мозг. Суточная потребность тиамина составляет от 1,2 до 2,2 мг/сут.

Витамин В₂

Витамин В₂ (рибофлавин) входит в состав флавиновых коферментов. В основе молекулы рибофлавина лежит гетероциклическое соединение изоаллоксазин (сочетание бензольного, пиранозинового и пиримидинового колец), к которому в положении 9 присоединен пятиатомный спирт рибитол. Химическое название «рибофлавин» отражает наличие рибитола и желтой окраски препарата, рациональное название его 6,7-диметил-9-D-рибитилизоаллоксазин.

Рибофлавин хорошо растворим в воде, устойчив в кислых растворах, но легко разрушается в нейтральных и щелочных растворах. Чувствителен к видимому и УФ-излучению и легко подвергается обратному восстановлению, присоединяя водород по месту двойных связей и превращаясь в бесцветную лейкоформу.

Рибофлавин входит в состав ФМН (флавинмононуклеотида) и ФАД (флавинадениндинуклеотида), являющихся в свою очередь простетическими группами ферментов ряда сложных белков – флавопротеинов. Различают два типа реакций, катализируемых этими ферментами. К первому относятся реакции, в которых фермент осуществляет прямое окисление с участием кислорода, т.е. дегидрирование (отщепление электронов и протонов) исходного субстрата или промежуточного метаболизма. К ферментам этой группы относятся оксидазы L- и D- аминокислот, глициноксидаза, альдегидоксидаза, ксантиноксидаза и др. Вторая группа реакций, катализируемых флавопротеинами, характеризуется переносом электронов и протонов не только от исходного субстрата, а от восстановленных пиридиновых коферментов. Ферменты этой группы играют главную роль в биологическом окислении.

ФМН синтезируется в организме животных из свободного рибофлавина и АТФ при участии специфического фермента рибофлавинкиназы:

Рибофлавин + АТФ Рибофлавин-5^/-фосфат (ФМН) + АДФ

Образование ФАД в тканях также происходит при участие специфического АТФ-зависимого фермента ФМН-аденилилтрансферазы. Исходным веществом для синтеза является ФМН:

ФМН + АТФ ФАД + Пирофосфат

При недостатке рибофлавина наблюдается остановка роста, выпадение волос (алопеция); развивается мышечная слабость, слабость сердечной мышцы; возникают бессонница и невротические симптомы, атеросклероз. Развиваются воспалительные процессы слизистой оболочки языка (глоссит), губ, особенно у уголков рта, эпителия кожи и т.д. Характерны также кератиты, воспалительные процессы роговой оболочки, катаракта (помутнение хрусталика).

Рибофлавин содержится почти во всех тканях растений и животных. Высокое содержание его отмечено в пекарских и пивных дрожжах. Для обеспечения суточной потребности в витамине В₂ важное значение имеют такие продукты, как печень, почки, сердце, мясо, рыба, молоко, сыр, яйца, свежие овощи, семена злаков, хлеб из муки грубого помола. Суточная потребность составляет от 2 до 4 мг.

Витамин В₆

Витамин В₆ (пиридоксин, антидерматический) по своей химической природе является производным 3-оксипиридина, в частности, 2-метил-3-окси-4,5-диоксиметилпиридином. Термином «витамин В₆» обозначают все три производных 3-оксипиридина, обладающих одинаковой витаминной активностью: пиридоксин (пиридоксол), пиридоксаль и пиридоксамин:

Производные 3-оксипиридина отличаются друг от друга природой замещающей группы в положении 4 пиридинового ядра. Хотя все производные наделены витаминными свойствами, коферментные функции выполняют только фосфорилированные производные пиродоксаля и пиридоксамина.

Витамин В₆ хорошо растворим в воде и этаноле. Водные растворы витамина устойчивы по отношению к кислотам и щелочам.

Пиродоксин принимает участие в процессах азотного обмена. Известно более 20 пиридоксалевых ферментов, катализирующих ключевые реакции азотного обмена во всех живых организмах. Пиридоксальфосфат является простетической группой аминотрансфераз, катализирующих обратимый перенос аминогруппы (NH₂-группы) от аминокислот на a-кетокислоту, и декарбоксилаз аминокислот, осуществляющих необратимое отщепление СО₂ от карбоксильной группы аминокислот с образованием биогенных аминов. Установлена коферментная роль пиридоксальфосфата в ферментативных реакциях неокисленного дезаминирования серина и треонина, окисления триптофана, кинуренина, превращения серосодержащих аминокислот, взаимопревращения серина и глицина, а также в синтезе d-аминолевулиновой кислоты, являющейся предшественником молекулы гема гемоглобина и др.

Недостаточность витамина В₆ ведет к развитию специфического дерматита, который не поддается лечению витамином РР, но быстро проходит при введении пиридоксина. У животных при глубоком авитаминозе отмечались припадки с дегенеративными изменениями в ЦНС.

Основными источниками витамина В₆ для человека служат хлеб, горох, фасоль, мясо, почки, печень и др. В продуктах животного происхождения пиридоксин связан с белком, но в пищеварительном тракте под действием ферментов он легко освобождается. Суточная потребность в пиридоксине для человека точно не установлена, так как он синтезируется микрофлорой кишечника в количествах, частично покрывающих потребности в нем организма. В среднем человек должен получать около 2 мг витамина В₆.

Витамин В₁₂

Витамин В₁₂ (кобаламин; антианемический витамин) является единственным витамином, содержащим металл.

В молекуле витамина центральный атом кобальта соединен с атомами азота четырех восстановленных пиррольных колец, образующих порфириноподобное корриновое ядро, и с атомом азота 5,6-диметилбензимидазола. Кобальтсодержащая часть молекулы витамина представляет собой планарную (плоскостную) фигуру; по отношению к ней перпендикулярно расположен нуклеотидный лиганд, который, помимо 5,6-диметилбензимидазола, содержит рибозу и остаток фосфата у 3-го атома углерода.

Недостаток витамина В₁₂ у человека и животных приводит к развитию злокачественной макроцитарной, мегалобластической анемии. Предшественники эритроцитов разрушаются еще в костном мозге, количество эритроцитов резко снижено. Для авитаминоза также характерны нарушения деятельности нервной системы и резкое снижение кислотности желудочного сока. Для активного процесса всасывания витамина В₁₂ в тонкой кишке обязательным условием является наличие в желудочном соке особого белка – гастромукопротеина (внутренний фактор Касла), который специфически связывает витамин В₁₂ в особый сложный комплекс. Поэтому нарушение синтеза внутреннего фактора в слизистой оболочке желудка приводит к развитию авитаминоза даже при наличии в пищи достаточного количества кобаламина.

Витамин В₁₂ входит в состав ферментных систем. В построении этих ферментов участвует не свободный витамин, а его производные, так называемые В₁₂-коферменты, или кобамидные коферменты. Они отличаются тем, что содержат два типа лигандов: метильную группу и 5^/-дезоксиаденозин. Соответственно различают метилкобаломин СН₃-В₁₂ и дезоксиаденозилкобаламин. Превращение свободного витамина В₁₂ в В₁₂-коферменты протекает в несколько этапов при участии специфических ферментов, в присутствии ФАД, восстановленного НАД, АТФ и глутатиона.

Витамин В₁₂ принимает участие как кофермент в реакциях трансметилирования, в которых метилкобаломин выполняет роль промежуточного переносчика метильной группы (реакции синтеза метионина и ацетата).

Синтез метионина протекает согласно уравнению

N⁵-СН₃-ТГФК + гомоцистеин Метионин + ТГФК

Фермент (тетрагидроптероилглутамат-метилтрансфераза), катализирующий эту реакцию, был открыт в печени человека и ряда животных, а также у микроорганизмов. Механизм реакции включает перенос метильной группы N⁵-СН₃-ТГФК на активный центр фермента с образованием метил-В₁₂-фермента и последующий перенос этой группы на гомоцистеин.

Другая группа реакций при участии В₁₂-коферментов заключается во внутримолекулярном переносе водорода в реакциях изомеризации. Например, глутаматмутазная реакция (взаимопревращения глутаминовой и b-метиласпарановой кислот), метилмаллонилмутазная реакция (обратимое превращение метилмалонил-КоА в сукцинил-КоА), глицерол- и диолдегидратазные реакции, ферментативные реакции восстановления рибонуклеотидов до дезоксирибонуклеотидов и др. В организме человека из указанных процессов открыта только реакция изомеризации метилмалонил-КоА в сукцинил-КоА.

Синтез витамина В₁₂ осуществляется только микроорганизмами. Основные источники витамина для человека являются печень, мясо, почки, рыба, молоко, яйца. Витамин синтезируется микрофлорой кишечника при условии доставки с пищей кобальта. В организме витамин накапливается в печени. Суточная потребность около 3 мкг (0,003 мг).

Витамин РР

Витамин РР (никотиновая кислота, никотинамид, ниацин) представляет собой соединение пиридинового ряда, содержащее карбоксильную группу (никотинамид отличается наличием амидной группы).

Витамин РР малорастворим в воде (примерно 1%), но хорошо растворим в водных растворах щелочей. Никотиновая кислота хорошо кристаллизуется в виде белых игл.

В отсутствие витамина РР развивается заболевание пеллагра, отсюда и название витамина антипелларгический. Признаками пеллагры (от итал. рelle agra - шершавая кожа) являются поражения кожи (дерматиты), пищеварительного тракта (диарея) и нарушения нервной деятельности человека (деменция).

Дерматиты поражают участки кожи, подверженные влиянию прямых солнечных лучей: тыльную поверхность кистей рук, шею, лицо; кожа становится красной, затем коричневой и шершавой. При поражении кишечника наблюдается анорексия, тошнота, боли в области живота, поносы. Диарея ведет к обезвоживанию организма. Специфическими для пеллагры являются стоматиты, гингивиты, поражения языка со вздутием и трещинами. Поражения мозга проявляются головными болями, головокружением, повышенной раздражимостью, депрессией и другими симптомами, включая психозы, психоневрозы, галлюцинации и т.д.

Витамин РР входит в состав никотинамидадениндинуклеотида (НАД) и никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФ), являющихся коферментами большого числа обратимо действующих в окислительно-восстановительных реакциях дегидрогеназ. В процессе биологического окисления НАД и НАДФ выполняют роль промежуточных переносчиков электронов и протонов между окисляемым субстратом и флавиновыми ферментами.

Никотиновая кислота содержится в мясе, печени, почках, рисе, хлебе, картофеле и других продуктах. Суточная потребность для взрослого человека составляет 18 мг.

Витамин Н

Биотин (витамин Н) был впервые выделен из яичного желтка в 1935 г. Молекула биотина (от греч. bios - жизнь) является циклическим производным мочевины, а боковая цепь представлена валериановой кислотой.

Карбонильная группа биотина связывается амидной связью с e-аминогруппой лизина, образуя e-N-биотиниллизин (биоцитин), обладающий биологической активностью. Природные сложные белки, содержащие биотин, при попадании в организм подвергаются протеолизу с освобождением свободного биоцитина; последний подвергается гидролизу под действием биоцитиназы печени и сыворотки крови с образованием биотина и лизина.

Биотин – слабая одноосновная кислота, стабильная в кристаллическом состоянии при температуре до 100^оС, в растворе устойчивая к нагреванию и действию разбавленных кислот, щелочей, а также к кислороду воздуха.

Биотиновые ферменты (содержащие в качестве кофермента биотин) катализируют два типа реакций:

1) реакции карбоксилирования (с участием СО₂ или НСО₃^-), сопряженные с распадом АТФ

RH + НСО₃^- + ATФ R-СООН + АДФ + Н₃РО₄.

К реакциям подобного типа относятся, например, ацетил-КоА- и пируваткарбоксилазные реакции.

СН₃-СО-S-КоА + АТФ НООС-СН₂-СО-КоА + АДФ + Р_i.

Пируваткарбоксилаза является высокоспецифичным ферментом, катализирующим реакцию усвоения СО₂ в организме животных. Сущность реакции сводится к пополнению запасов оксалоацетата (щавелевоуксусной кислоты) в лимонном цикле, т.е. его синтезу из СО₂ и пирувата:

Пируват + СО₂ + АТФ + Н₂О ® Оксалоацетат + АДФ + Р_i + 2Н⁺

2) реакции транкарбоксилирования (протекающие без участия АТФ), при которых субстраты обмениваются карбоксильной группой

R₁-СООН + R₁Н R₁Н + R₂-СООН.

Примером подобного типа реакций является метилмалонил-оксалоацетат-транскарбоксилазная реакция, катализирующая превращение пировиноградной и щавелевоуксусных кислот:

При недостатке биотина у животных и человека наблюдается депигментация кожи, развиваются дерматиты (отсюда происходит одно из названий биотина Н – от нем. haut - кожа), сопровождающиеся усиленной деятельностью сальных желез, выпадением волос, поражением ногтей. Наблюдаются также нервные расстройства, происходит торможение роста, боли в мышцах, усталость, депрессия, анорексия и анемия.

Биотин содержится в продуктах животного и растительного происхождения, где он находится как в свободном состоянии, так и в комплексе с белком. Комплекс гидролизуется под действием кислот и ферментов, в частности, папаина.

Содержание биотина в пищевых продуктах (мкг на 100 г продукта): в пшеничном хлебе 4,8; овсяной крупе 20,0; соевых семенах 60,0; куриных яйцах 28,0; молоке 3,0.

Бактерии кишечника обладают способностью синтезировать биотин в необходимых количествах. Прием сульфаниламидных препаратов, антибиотиков, большого количества сырого яйца происходит подавление роста бактерий, что ведет к недостаточной выработке витамина.

Потребность взрослого человека в биотине составляет 0,25 мг/сут.

Фолиевая кислота

Фолиевая (птероилглутаминовая) кислота (витамин В₉, витамин В_с, витамин М, фолацин) состоит из трех структурных единиц: остатка 2-амино-4-окси-6-метилптеридина (I), парааминобензойной (II) и L- глутаминовой (III) кислот:

Фолиевая кислота ограниченно растворима в воде, но хорошо растворима в разбавленных растворах спирта; имеет характерные спектры поглощения в УФ-области спектра.

Коферментные функции фолиевой кислоты связаны не со свободной формой витамина, а с восстановлением его птеридиновым производным. Восстановление сводится к разрыву двух двойных связей и присоединению четырех водородных атомов в положениях 5,6,7, и 8 с образованием тетрагидрофолиефой кислоты (ТГФК). Прцесс протекает в животных тканях в две стадии при участии специфических ферментов, содержащих восстановленный НАДФ. Сначала при действии фолатредуктазы образуется дигидрофолиевая кислота (ДГФК), которая при участии второго фермента – дигидрофолатредуктазы – восстанавливается в ТГФК:

Коферментные функции ТГФК непосредственно связаны с переносом одноуглеродных групп, первичными источниками которых в организме являются b-углеродный атом серина, a-углеродный атом глицина, углерод метильных групп метионина, 2-й углеродный атом индольного кольца триптофана, 2-й углеродный атом имидазольного кольца гистидина, а также формальдегид, муравьиная кислота и метанол.

Открыто шесть одноуглеродных групп, включающихся в разнообразные биохимические превращения в составе ТГФК: формильная (-СНО), метильная (-СН₃), метиленовая (-СН₂-), метенильная (-СН=), оксиметильная (-СН₂ОН) и формиминовая
(-СН=NН).

Производные ТГФК участвуют в переносе одноуглеродных фрагментов при биосинтезе метионина и тимина (перенос метильной группы), серина (перенос оксиметильной группы), образовании пуриновых нуклеотидов (перенос формильной группы) и т.д. Эти вещества играют важную, ключевую роль в биосинтезе белков и нуклеиновых кислот, поэтому при недостаточности фолиевой кислоты происходят глубокие нарушения обмена.

Недостаточность фолиевой кислоты у человека ведет к развитию макроцитарной анемии; нарушается процесс синтеза ДНК в клетках головного мозга, в которых в норме осуществляется эритропоэз. У обезьян фолиевая недостаточность сопровождается развитием специфической анемии; у крыс наблюлась сначала лейкопения, а затем анемия. Фолиевая кислота необходима для нормального роста бактерий.

Богаты этим витамином зеленые листья растений, дрожжи, печень, почки, мясо и другие продукты. Микроорганизмы кишечника человека и животных синтезируют фолиевую кислоту в количествах, достаочном для удовлетворения потребностей организма в этом витамине. Суточная потребность в свободной фолиевой кислоте для взрослого человека составляет 1-2 мг.

Пантотеновая кислота (Витамин В₃)

Пантотеновая кислота является комплексным соединением b-аланина и 2,4-диокси-3,3-диметилмасляной кислоты:

Представляет собой вязкую светло-желтую маслянистую жидкость, хорошо растворимую в воде; она малоустойчива, легко гидролизуется по месту пептидной связи под действием слабых кислот и щелочей.

Пантотеновая кислота входит в состав кофермента А, или коэнзима А (КоА):

КоА участвует в основных биохимических процессах, окислении и биосинтезе жирных кислот, окислительном декарбокислировании a-кетокислот (пируват, a-кетоглутарат), биосинтезе нейтральных жиров, фосфолипидов, стероидных гормонов, гема гемоглобина, ацетилхолина, гиппуровой кислоты и др.

При недостаточности или отсутствии пантотеновой кислоты у человека и животных развиваются дерматиты, поражения слизистых оболочек, дистрофические изменения желез внутренней секреции и нервной системы, изменения в сердце и почках.

Пантотеновая кислота широко распространена в природе («пантотеновая кислота» от греч. pantoten - повсюду). Основными ее пищевыми источниками для человека являются печень, яичный желток, дрожжи и зеленые части растений; она также синтезируется микрофлорой кишечника. Суточная потребность в пантотеновой кислоте для взрослого человека 3-5 мг.

Витамин С

Витамин С (аскорбиновая кислота; антискорбутный витамин) получил название антискорбутного, антицинготного фактора, предохраняющего от развития цинги.

По химической структуре аскорбиновая кислота представляет собой лактон кислоты, близкой к структуре L-глюкозы:

Витамин С содержит два асимметричных атома углерода в 4-м и 5-м положениях, что позволяет образовывать четыре оптических изомера. Аскорбиновая кислота хорошо растворима в воде, хуже – в этаноле и почти нерастворима в других органических растворителях. Аскорбиновая кислота может обратимо окисляться (кислородом воздуха, метиленовым синим, перекисью водорода и т.д.) в дегидроаскорбиновую кислоту. Этот процесс, как правило, не сопровождается снижением витаминной активности. Дегидроаскорбиновая кислота легко восстанавливается цистеином, глутатионом, сероводородом. В слабощелочной (и даже нейтральной) среде происходит гидролиз лактонового кольца, и эта кислота превращается в дикетогулоновую кислоту, лишенную биологической активности. Поэтому при кулинарной обработке пищи в присутствии окислителей часть витамина С разрушается.

Считается, что витамин С участвует в окислительно-восстановительных процессах, хотя не выделены ферментные системы, в состав которых он входит. Предполагают, что витамин С участвует в реакциях гидроксилирования пролина и лизина при синтезе коллагена, синтезе гормонов коры надпочечников, аминокислоты триптофана и в других реакциях гидроксилирования.

Аскорбиновая кислота является необходимым пищевым фактором для человека, обезьян, морских свинок и некоторых птиц и рыб. Все другие не нуждаются в пищевом витамине С, поскольку он легко синтезируется в печени из глюкозы.

При недостатке витамина С организм теряет способность депонировать межклеточные «депонирующие» вещества, что вызывает поражение сосудистых стенок и опорных тканей. У человека при недостаточности витамина С отмечаются снижение массы тела, общая слабость, одышка, боли в сердце, сердцебиение. При цинге поражаются, прежде всего, кровеносная система: сосуды становятся хрупкими и проницаемыми, что служит причиной мелких точечных кровоизлияний под кожу – так называемых петехий; отмечаются кровоизлияния во внутренние органы. Для цинги характерна кровоточивость десен; дегенеративные изменения со стороны одонтобластов и остеобластов приводят к развитию кариеса, расшатыванию, разламыванию, а затем и выпадению зубов. Наблюдаются отек конечностей и боли при ходьбе.

Наиболее важными источниками витамина С для человека служат продукты растительного происхождения (овощи и фрукты). Много витамина С в перце, салате, капусте, укропе, ягодах рябины, смородины, цитрусовых. Богаты витамином С шиповник, листья черной смородины, хвоя и др. Суточная потребность в витамине для человека составляет 75 мг.

Витамин Р

Под термином «витамин Р» (рутин, цитрин; витамин проницаемости) объединяется группа веществ со сходной биологической активностью: катехины, халконы, дигидрохалконы, флавины, флавоны, изофлавоны, флавонолы и др. Все они обладают Р-активностью, и в основе их структуры лежит дифенилпропановый углеродный «скелет» хромона или флавона:

Биофлаваноиды (общее название всех веществ) стабилизируют основное вещество соединительной ткани путем ингибирования гиалуронидазы.

При недостаточности биофлавоноидов или отсутствии их в пище у людей повышается проницаемость кровеносных сосудов, сопровождающаяся кровоизлияниями и кровотечениями; у людей наблюдается общая слабость, быстрая утомляемость, боли в конечностях.

Источниками витамина Р являются растительные продукты (овощи, фрукты).

Витаминоподобные вещества