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-метиласпарагиновой 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.