Витамины и их значение в регуляции метаболизма

Витамины — это разнообразные по химическому строению вещества, необходимые для протекания некоторых ключевых биохимических процессов в клетке. В организме человека витамины в большинстве своем не могут синтезироваться совсем или в достаточных количествах. Поэтому витамины должны поступать из внешней среды, они являются для организма экзогенными веществами. Некоторые витамины проявляют свое действие в виде нескольких родственных соединений, обычно превращающихся одно в другое. Эти сходные по строению и функции вещества называются витамерами.

Сбалансированные рационы питания предусматривают поступление в организм достаточного количества витаминов с продуктами животного и растительного происхождения. Недостаток (гиповитаминоз) или отсутствие (авитаминоз) витаминов, как и избыток их (гипервитаминоз) в клетках организма, приводит к специфичным для каждого бб из витаминов изменениям метаболизма. Они проявляются в определенных симптомах и при нехватке некоторых из витаминов приводят к развитию заболеваний. Например, при длительном отсутствии в организме витамина С (аскорбиновой кислоты) и рутина (витамина Р) развивается цинга (скорбут).

Причиной гипо-, авитаминозов, кроме недостатка витаминов

в пище, являются повышенные потребности в витаминах, обусловленные различными причинами. В организме требуется больше витаминов при интенсивных физических нагрузках, при жизнедеятельности в трудных климатических условиях (пониженных температурах, коротком световом дне и т. д.), а также при таких физиологических состояниях, как беременность, лактация, или при различных заболеваниях и в период реабилитации после них. Причиной авитаминозов также является нарушение всасывания витаминов в пищеварительном тракте и действие антивитаминов.

Антивитамины — это вещества, препятствующие действию витаминов. Среди них выделяют, во-первых, вещества, сходные по структуре с витаминами, а во-вторых — вещества, разрушающие витамины. Многие водорастворимые витамины входят в состав коферментов определенных ферментов, поэтому антивитамины инактивируют эти ферменты, так как они конкурируют с витаминами за место в коферменте как основной части активного центра фермента.

Например, к веществам, сходным по строению с витаминами, относится пиридин 3-сульфоновая кислота (антивитамин В₅). По строению это вещество похоже на витамин В₅ и, занимая место этого витамина в активном центре ферментов оксидоредуктаз, инактивирует эти ферменты. Антивитамином В_с являются сульфаниламидные препараты, так как их структура сходна по строению с пара-аминобензойной кислотой, входящей в состав витамина В_с (фолиевой кислоты). Этот витамин, в свою очередь, является частью коферментов сложных ферментов, необходимых для синтеза в клетке нуклеотидов. Бактерицидное действие сульфаниламидных препаратов связывают с тем, что они инактивируют ферменты бактерий, содержащие витамин В_с и тем самым препятствуют биосинтезу в них нуклеиновых кислот, т. е. — размножению бактерий.

К антивитаминам, разрушающим витамины, относятся некоторые ферменты, как например, тиаминаза, разрушающая витамин В₁₅ или аскорбатоксидаза — антивитамин витамина С. Кроме того, это могут быть вещества, не являющиеся ферментами, как, например, белок овидин. Он содержится в яичном белке и является антивитамином витамина Н. При поступлении овидина в пищеварительный тракт он разрушает витамин Н, препятствуя его поступлению в клетки организма.

Потребности в витаминах зависят от возраста: в детском возрасте и при старении их должно поступать в организм несколько больше средней суточной нормы потребления. Нормы потребления витаминов, их содержание в различных продуктах и описание симптомов авитаминозов и гипервитаминнозов приведены во всех справочниках и учебниках по физиологии и биохимии.

Существует несколько классификаций и номенклатур витаминов. Витамины классифицируют по растворимости (водои жирорастворимые), по функции в клетке (ферменто-витамины, гормоно-витамины, редокс-витамины), а также по физиологическому действию в организме (повышающие резистентность, анитиоксиданты и т. д.). Для обозначения витаминов используются буквенная номенклатура (А, В, С, Д), химическая (тиамин, пиридоксин, ретинол) и номенклатура по названию заболевания, которое вызывает недостаток витамина с приставкой анти- (антипеллагрический, антиксерофтальмический).

По растворимости витамины делятся на жирорастворимые (А, Д, Е, К, F) и водорастворимые (В_х, В₂, В₃, В₅, В₆, В₁₂, В_с, Н, С, Р).

Ферменто-витамины — это водорастворимые витамины, входящие в состав кофермента сложных ферментов (В_1} В₂, В₃, В₅, В₆, В₁₂, В_с, Н, Р). Гормоно-витамины — это жирорастворимые витамины: А, Д, Е, К, F. Их производные действуют как вещества-регуляторы: стимулируют в клетке биосинтез определенных белков. Витамин Д и его витамер кальцитриол (тканевый гормон почек) стимулируют биосинтез белка-переносчика кальция. Витамер витамина, А — ретиноевая кислота является ростовым фактором, веществом, участвующим в регуляции клеточного цикла; витамин К индуцирует биосинтез нескольких факторов свертывания крови, в частности, протромбина; производные витамина F — обширная группа веществ-регуляторов — эйкозаноидов. Редокс-витамины, или витамины-антиоксиданты (Д, Е, С, липоевая кислота), — это витамины, участвующие в окислительно-восстановительных реакциях.

Все жирорастворимые витамины являются изопреноидами —

циклическими производными ненасыщенного углеводорода — изопрена.

Поступающие с пищей жирорастворимые витамины всасываются в пищеварительном тракте с помощью их переносчиков — желчных кислот. При недостатке желчных кислот в пищеварительном тракте, например при желчекаменной болезни, могут наблюдаться признаки авитаминозов жирорастворимых витаминов.

Витамин Д может синтезироваться в организме человека. При действии ультрафиолетового излучения на производные холестерина, поступающие в кожу из печени, где они синтезируются, из них образуется витамин Д. Витамин К обычно в достаточном количестве поступает с пищей, а также может синтезироваться микрофлорой кишечника. Витамин, А поступает в организм с продуктами животного происхождения: печень, молоко, но также может образовываться в организме из каротиноидов многих растительных продуктов: моркови, шиповника, облепихи. Витамин Е попадает в организм человека, главным образом, с продуктами растительного происхождения. Он содержится в семенах злаков, орехах, плодах, например в авокадо.

Большинство водорастворимых витаминов входит в состав многих ферментов, поэтому при их недостатке в клетках снижается интенсивность протекания определенных метаболических процессов.

Таким образом, на клеточном уровне недостаток витаминов проявляется или в недостатке определенных белков, или в снижении активности в клетке белков — ферментов. Это, в свою очередь, является причиной изменений функциональной активности клеток различных тканей и органов, проявляющихся на организменном уровне.

В клетке жирорастворимые витамины выполняют следующие функции.

Витамин А (ретинол, антиксерофтальмический) необходим для синтеза родопсина — светочувствительного белка клеток сетчатки глаза. Недостаток витамина, А проявляется на организменном уровне в снижении остроты зрения при слабой освещенности. Кроме того, витамин, А входит в состав мембран эпителиальных клеток, продуцирующих защитные слизи. Поэтому при недостатке этого витамина снижается интенсивность биосинтеза слизей, что облегчает проникновение микроорганизмов через эпителиальные ткани дыхательных, мочеполовых путей, пищеварительного тракта и способствует развитию в них воспалительных процесов. Витамин, А также обладает антиоксидантными свойствами. Он обезвреживает активные формы кислорода (АФК), образующиеся в клетках: перекись водорода, супероксид ионрадикал, гидроксил-радикал и др. Такая форма витамина А, как ретиноевая кислота, является ростовым фактором, веществом, стимулирующим деление клеток. Поэтому этот витамин необходим в детском возрасте. Вместе с тем, его избыток в период эмбрионального развития может приводить к нарушениям развития, например к дисплазиям — неправильному взаиморасположению органов.

Витамин Д (кальциферол, антирахитный) содержится в продуктах животного происхождения и образуется в коже из производных холестерина под действием ультрафиолета. Этот витамин поступает в печень, а затем в почки, где превращается в кальцитриол. С кровью он доставляется ко всем органам, в частности к клеткам кишечника, костной ткани. Взаимодействуя с клетками, кальцитриол стимулирует в них синтез белка-переносчика кальция, способствуя поступлению кальция в клетки. Таким образом, при недостатке витамина Д происходит уменьшение поступления кальция в кровь и в клетки организма, прежде всего, в костную ткань. Результатом этого является понижение прочности костей, выпадение зубов. При недостатке этого витамина у детей возникает рахит с характерной симптоматикой в виде деформации костей черепа и нижних конечностей, недостаток этого витамина у взрослых приводит к остеомаляции — размягчению костей.

Витамин К (филлохинон) необходим для биосинтеза в печени нескольких факторов свертывания крови: II фактора (протромбина), VII фактора (конвертина), IX фактора (Кристмаса), X фактора (Стьюарта-Проуэра). Поэтому при недостатке витамина К уменьшается свертываемость крови.

Витамин Е (токоферол, антистерильный) является мощным антиоксидантом. Являясь «ловушкой» активных форм кислорода, он препятствует окислению компонентов биологических мембран, в том числе витамина А, входящего в их состав. Витамин Е ингибирует липооксигеназный путь окисления арахидоновой кислоты и препятствует образованию лейкотриенов. Эти вещества каскада арахидоновой кислоты вызывают резкий спазм гладкой мускулатуры, например в бронхах. Кроме того, витамин Е необходим для протекания многих окислительно-восстановительных реакций, происходящих при участии глутатиона. Отсутствие этого витамина в клетках проявляется на организменном уровне в нарушении сперматогенеза, в прерывании беременности, миодистрофиях.

Витамин F — это комплекс полиненасыщенных жирных кислот: линолевой, линоленовой, арахидоновой. Он необходим для биосинтеза фосфолипидов клеточных мембран, в состав которых входят данные кислоты, предшественники эйкозаноидов — множества веществ-регуляторов.

Водорастворимые витамины входят в состав следующих ферментов. Bj (тиамин, антиневритный) — это компонент активного центра декарбоксилаз кетокислот, пировиноградной и а-кетоглютаровой. При его недостатке наблюдаются нарушения энергетического обмена — уменьшается интенсивность биосинтеза основной энергетической валюты клетки — АТФ. Кроме того, из-за накопления кетокислот в клетках организма и повышения их содержания в крови развивается ацидоз — смещение реакции среды (pH) в кислую сторону. Гиповитаминоз этого витамина проявляется на организменном уровне в появлении таких симптомов, как дерматиты, невриты. При стойком авитаминозе развивается болезнь бери-бери, ее основные признаки — боли в икроножных мышцах, неуверенная, шатающаяся походка. Антивитамин этого витамина тиаминаза содержится в рыбе.

В₂ (рибофлавин) — входит в состав коферментов дегидрогеназ — ФАД, ФМН. Недостаток приводит к нарушению энергетического обмена в клетках и организме в целом. Появляются нарушения в эпителиальных тканях. Возможно появление трещин на губах, возникновение стоматита, дерматитов различных участков тела, нарушение зрения, развитие заболеваний глаз: блефарита и конъюнктивита.

В₃ (пантотеновая кислота) — входит в состав кофермента, А (КоА). Это вещество активного центра ацилтрансфераз — ферментов, переносящих остатки жирных кислот, а также ацилпереносящих белков, необходимых для биосинтеза жирных кислот. Это вещество содержится во всех продуктах питания. Авитаминоз можно наблюдать в эксперименте на животных. Он проявляется судорогами, парезами, дерматитом. У человека при гиповитаминозе появляется жжение в стопах, что считается признаком поражения малых артерий дистальных отделов конечностей.

В₅ (никотинамид, ниацин, РР, антипеллагрический) — входит в состав коферментов оксидоредуктаз (дегидрогеназ): НАД, НАДФ. В небольшом количестве может синтезироваться из аминокислоты триптофана. При недостатке в клетках наблюдается нарушение катаболизма углеводов, метаболизма липидов, энергетического обмена. Это может приводить к нарушению функционирования, прежде всего, нервной ткани, вплоть до усиления интенсивности процесса гибели нейронов головного мозга. На организменном уровне недостаток этого витамина приводит к появлению таких синдромов, как воспаление на коже дерматит (воспаление на коже и слизистых оболочках половых органов); диарея (нарушение пищеварения, понос, обезвоживание); деменция (неврастенческий синдром, головные боли, ощущения жжения и связанные с ними психозы с дезориентацией, бредом и галлюцинациями). Эти признаки авитаминоза В₅ объединяют названием «синдромов три Д». Недостаток В₅ — основная причина заболевания пеллагрой, при которой все вышеперечисленные синдромы выражены в той или иной степени.

В₆ (пиридоксин) — входит в состав ферментов, осуществляющих переаминирование и дезаминирование аминокислот. При недостатке В₆ снижается интенсивность биосинтеза заменимых аминокислот и процесса биосинтеза мочевины как основного процесса обезвреживания аммиака. Это проявляется на организменном уровне в появлении дерматитов, вплоть до изъязвления кожи и гангрены, а также в наличии дегенеративных изменений в ЦНС, головных болей, эпилептоидных припадков. Гиповитаминоз может появиться при увеличении интенсивности белкового обмена, например, при беременности. Недостаток В₆ является одной из причин раннего токсикоза беременности.

В₁₂ (кобаламин) — это сложное органическое соединение, в состав которого входит кобальт. Данный витамин содержится только в продуктах животного происхождения. Для всасывания В₁₂ в кровь необходим белок — внутренний фактор Кастла. Этот белок образуется и выделяется в желудке. Поэтому при резекции желудка может наблюдаться авитаминоз данного витамина. Витамин В₁₂ входит в состав ферментов, катализирующих реакции трансметилирования, а также ферментов, переносящих водород в реакции полимеризации. Эти реакции имеют значение для эритрои гемопоэза, т. е. для образования эритроцитов и крови. При недостатке В]₂ развивается злокачественная мегалобластическая анемия. Авитаминоз может наблюдаться при гельминтозах и многократных наркозах закисью азота.

Вс (В₉, фолиевая кислота). Активной формой этого фермента является тетрагидрофолиевая кислота (ТГФК). Для ее образования из В_с нужен витамин С. ТГФК входит в состав ферментов, переносящих одноуглеродные фрагменты. Эти ферменты катализируют синтез аминокислоты метионина, а также азотистых оснований нуклеотидов. Недостаток витамина проявляется на организменном уровне разнобразными симптомами: воспалением слизистых желудочно-кишечного тракта — от глоссита (воспаление языка) до энтерита (воспаление кишечника).

Витамин Н (биотин, кофермент R) входит в состав ферментов, катализирующих карбоксилирование различных веществ, участвующих в биосинтезе жирных кислот, мочевины, а также в фермент пируваткарбоксилазу, катализирующий превращение пирувата в оксалоацетат. При недостатке этого витамина уменьшается интенсивность протекания процессов, реакции которых катализируют эти ферменты. На организменном уровне недостаток витамина Н проявляется в таких симптомах, как дерматит носогубного треугольника и головы, а у новорожденных в сочетании поноса и характерной себорреи: шелушении кожи головы.

С (аскорбиновая кислота, антицинготный) является косубстратом окислительно-восстановительных реакций. При окислении различных веществ (субстрата), протекающем при участии ферментов оксидоредуктаз, витамин С является донором, или акцептором, атомов водорода (косубстратом). Этот витамин может проявлять как антиоксидантные свойства, препятствуя окислению веществ, так и являться прооксидантом, т. е. вызывать окисление.

Витамин С необходим для синтеза белка коллагена и полисахарида гиалуроновой кислоты, как основных компонентов межклеточного вещества соединительной ткани, а также для синтеза таких веществ-регуляторов, как адреналин и норадреналин. Эти катехоламины являются гормонами мозгового слоя надпочечников. Кроме того, они выполняют функцию нейромедиаторов многих отделов головного мозга и симпатического отдела вегетативной нервной системы.

При недостатке в организме витамина С, вследствие изменений в структуре соединительной ткани, увеличивается проницаемость кровеносных сосудов и появляются множественные геморрагии (кровоизлияния) на коже и внутренних органах. При длительном дефиците витамина С развивается цинга (скорбут).

Витамин Р (рутин, цитрин, биофлавоноиды, полифенолы) — группа витамеров растительного происхождения. Они являются ингибитором гиалуронидазы — фермента, расщепляющего гиалуроновую кислоту, «цементирующее» вещество соединительной ткани. Этот витамин также является антиоксидантом. Хотя детали механизма действия биофлавоноидов в клетках организма еще не изучены, известно, что они влияют на функционирование ЦНС: препятствуют ухудшению настроения, возникновению депрессивных состояний, снижают риск развития рака. Кроме того, выяснено, что появление цинги взаимосвязано не только (и не столько) с витамином С, сколько с дефицитом витамина Р.

При несбалансированной диете, индивидуальных особенностях метаболизма и интенсивности биосинтеза некоторых ферментов или при некоторых состояниях организма (экстремальных условиях, заболеваниях и т. д.) в организме возникает дефицит некоторых веществ. Они могут синтезироваться в организме, но из-за вышеперечисленных причин эти вещества синтезируются в организме в количествах, не достаточных для его нормального функционирования. Дефицит этих веществ проявляется на организменном уровне в специфичных симптомах, исчезающих при увеличении их количества в пище.

Так как дефицит этих веществ в организме, как и дефицит витаминов, восполняется их поступлением из внешней среды, то эти вещества называются витаминоподобные вещества. Такими веществами являются: витамин Q (коэнзим Q — убихинон) — кофермент одной из оксидоредуктаз дыхательной цепи; парааминобензойная кислота (часть витамина В_с); пангамовая кислота (В₁₅) — вещество, необходимое для реакции трансметилирования, т. е. переноса метальных групп; аминоспирт холин (В₄) — входит в состав фосфолипидов клеточных мембран; карнитин (В_т) — азотсодержащее вещество, переносчик жирных кислот из цитозоля в митохондрии; циклический спирт инозит (В₈) и фитин — соль инозит-фосфорной кислоты, которые являются компонентами фосфолипидов мембран; витамин U — противоязвенный фактор; липоевая кислота (витамин N) — входит в состав пируватдегидрогеназного и а-кетоглютаратного комплексов; оротовая кислота (В₁₃), необходимая для синтеза пиримидиновых азотистых оснований и нуклеиновых кислот.

Таким образом, наличие в клетках организма достаточного количества витаминов и витаминоподобных веществ обеспечивает активность такого количества молекул различных ферментов, которое является достаточным для сбалансированности различных процессов метаболизма. Прежде всего, процессов трансформации энергии, то есть ее извлечения, аккумуляции и расходования в ходе жизнедеятельности на биосинтезы в клетке эндогенных биомолекул, необходимых для поддержания структуры клеток и тканей организма.