Витамины

Витамины







Витамины.
Коферментные функции водорастворимых витаминов.
Причины гиповитаминозных состояний.
Жирорастворимые витамины.
Структурные и функциональные особенности.
Гипервитаминозы.
Антивитамины
Витамины – это органические, низкомолекулярные, разнообразные
по химическому строению, обязательные (эссенциальные) пищевые
факторы, необходимые в ничтожно малых количествах и выполняющие в
организме каталитические функции: не включаются в структуру тканей и
не используются организмом в качестве источника энергии.
Витамины необходимы для нормального протекания биохимических и
физиологических процессов. Влияют на состояние обмена целостного
организма не только человека и животных, но также растений и
микроорганизмов. Участвуют в обмене веществ в качестве структурных
компонентов сложных ферментов.
При полном нарушении усвоения витаминов у животных и человека
возникают изменения в обмене веществ, называемые авитаминозами.
Состояние гиповитаминоза наблюдается при частичном дефиците
витаминов. При этом активность фермента, в состав которого входит
производное витамина (кофермент), будет понижена. У растений и
микроорганизмов это может привести, в частности, к задержке роста.
Причинами гипо- и авитаминозов могут быть нарушения в:
1. поступлении (синтезе)
4. образовании холофермента
2. транспорте
5. синтезе апофермента
3. синтезе кофермента
6. действие антивитаминов
Антивитамины – это инактиваторы действия витаминов.
По характеру растворимости различают две группы витаминов:
жирорастворимые и водорастворимые.
К растворимым в жирах относят витамины А, D, К, Е и F
(полиненасыщенные жирные кислоты). В обмене веществ растительной
клетки эти витамины особого значения не имеют. Главную роль играют
водорастворимые витамины, которые, как правило, входят в состав
коферментов или выполняют кофакторные функции. Это витамины группы
В: В1, В2, В3 (пантотеновая кислота), В6, В12, Вс (фолиевая кислота или В9),
а также витамины РР (В5), Н, С и Р.
Растения – это главные источники витаминов. Микроорганизмы
синтезируют ряд витаминов группы В, а также К, Е и Н.
Коферментные формы выявлены для водорастворимых витаминов.
КОФЕРМЕНТНЫЕ ФОРМЫ ВИТАМИНОВ
1. Из витамина РР (В5, никотиновая кислота и никотинамид, ниацин,
антипеллагрический – от итал. preventive pellagra – предотвращающий
пеллагру) образуется НАД (никотинамидадениндинуклеотид) и НАДФ
(никотинамидадениндинуклеотидфосфат).
Аденин
Ангидридная связь
NH2
Витамин
РР
NH2
N
N
O
+
O
N
O
N
O
O
P
OH
OH
OH
O
P
O
Рибоза
НАД+ (НАДФ+)
S+
H
2Н+
+ Н+
+ 2еN
OH
OH
H
N
O
OH
Пирофосфат
SH2
OH P + O
OH
ФАДН2
ФАД
R
НАДН + Н+ (НАДФН + Н+)
восстановленный
окисленный
НАД – зависимые дегидрогеназы:
Алкогольдегидрогеназа (спиртовое брожение)
 Лактатдегидрогеназа (гликолиз, гликогенолиз)
 Глицероальдегидфосфатдегидрогеназа (гликолитическое
окисление)
 Изоцитратдегидрогеназа, -кетоглутаратдегидрогеназа,
малатдегидрогеназа (цикл Кребса).
 Пируват- и -кетоглутаратдегидрогеназа (окислительное
декарбоксилирование -кетокислот: ПВК и -кетоглутарата).
 Первый комплекс цепи дыхательных ферментов (окислительное
фосфорилирование).
Осуществляют извлечение энергии из субстратов путем их
биологического окисление и
сопряжения с тканевым дыханием
(катаболизм).

НАДФ – зависимые дегидрогеназы участвуют в процессах:
 Пентозофосфатный шунт (образование НАДФН2)
 Синтез жирных кислот, изопреноидов: терпенов и стероидов
 Трансреаминирование (глутаматдегидрогеназа): синтез АМК
 Восстановление фолиевой кислоты (синтез ДНК)
 Восстановление рибоза до дезоксирибозы (синтез ДНК)
Обеспечивают реакции восстановительного синтеза протонами (Н+) в
качестве восстановительного эквивалента (анаболизм).
2. ФМН (флавинмононуклеотид) и ФАД (флавинадениндинуклеотид) – это
производные витамина В2 (рибофлавин, витамин роста).
изоаллоксазин (сочетание
бензольного, пиразинового
и пиримидинового колец)
аденин
O
ангидридная
связь
N
H3C
1
H3C
9
N
NH
NH2
10
O
N
H H H
пиразиновый
цикл
OH OH OH O
P
O
рибитол
P
O
N
O
O
H 3C
N
OH
O
H
S+
N
N
OH
SH2
N
2Н+ + 2е-
H 3C
1
NH
9
10
N
N
R
H
O
O
пирофосфат
OH
OH
KoQH2
KoQ
ФАДН2 (ФМНН2) восстановленный
рибофлавин + Ф = ФМН (окисленный)
ФАД (окисленный)
ФАД – зависимые дегидрогеназы.
Первый тип реакций – прямое окисление субстрата с участием кислорода:
1) Сукцинатдегидрогеназа (цикл Кребса)
2) Ацил-КоА-дегидрогеназа (-окисление жирных кислот)
3) Оксидазы L- и D-аминокислот (окислительное дезаминирование)
4) Ксантиноксидаза (распад пуриновых азотистых оснований)
Второй тип реакций – обмен электронами и протонами с пиридиновыми
коферментами:
1) Пируват- и -кетоглутаратдегидрогеназа (окислительное
декарбоксилирование -кетокислот: ПВК и -кетоглутарата).
2) Второй комплекс цепи дыхательных ферментов (окислительное
фосфорилирование).
Окисленная форма НАД и ФАД в качестве акцептора принимает от
субстратов атомы водорода (биологическое окисление).
Восстановленная форма НАД и ФАД в качестве донора передает атомы
водорода в цепь дыхательных ферментов (тканевое дыхание).
Участвуют в окислительном расщеплении субстратов (катаболизм) и,
тем самым, обеспечивают клетки энергией.
3. HS-KoA (коэнзим ацетилирования или кофермент А) содержит
витамин В3 (пантотеновая кислота или антидерматитный). Название от
греческого слова pantoten – повсюду (микроорганизмы, растения, ткани
животных).
2,4-диокси-3,3-диметилбутират
NH2
бета-аланин
N
OH
CH3
NH
NH
O
HS
O
O
CH3
O
O
P O
OH
P
N
O
O
OH
N
N
OH
бета-меркаптоэтиламин
пантотеновая кислота
HO
P
O
OH
O
3'-фосфоаденозин-5'-дифосфат
Коэнзим А
Реакционноспособным участком молекулы KoA в биохимических реакциях
служит HS-группа тиоэтаноламина, поэтому его сокращенное обозначение
принято в виде HS-KoA.
Он выполняет коферментные функции в следующих процессах:
Окислительное декарбоксилирование -кетокислот (ПВК, -КГ ).
-окисление жирных кислот (ацил-КоА)
Синтез жирных кислот (малонил-КоА), изопреноидов (ацетилКоА): терпенов, каратиноидов, стероидов
Синтез пиррольных – порфириновых колец (сукцинил-КоА). Затем
образуются:
 хлорофилл (магнийпорфирин)
 гем (железопорфирин).
Субстратное фосфорилирование в цикле Кребса (сукцинил-КоА).
Участвует как в реакциях синтеза (нейтральные жиры,
фосфолипиды, ацетилхолина, гиппуровой кислоты и др.), так и
распада.
4. ПФ, ПАФ (пиридоксальфосфат, пиридоксаминфосфат) производные
витамина В6 (пиридоксин или пиридоксол, пиридоксаль, пиридоксамин или
антидерматитный, адермин), модифицированные фосфатом.
OH
O
H
АТФ
HO
АДФ
O
HO
OH
O
P
OH
OH
H3C
N
Пиридоксалькиназа
пиридоксин
H3C
N
пиридоксальфосфат (ПФ)
Образование активной формы витамина В6 путем фосфорилирования
АТФ
NH2
NH2
АДФ
O
HO
HO
O
OH
P
OH
OH
H3C
N
пиридоксамин
Киназа
H3C
N
пиридоксаминфосфат (ПАФ)
Активирование пиридоксаминфосфата киназой
Более 20 пиридоксалевых ферментов катализируют ключевые реакции
азотистого обмена во всех живых организмах. В тканях животных
происходят
взаимопревращения
пиридоксальфосфата
и
пиридоксаминфосфата.
Это коферменты:
 аминотрансфераз,
участвующих
в
трансаминировании,
трансдезаминировании и трансреаминировании
 декарбоксилаз - образование биогенных аминов путем необратимого
отщепления карбоксильной группы от аминокислот в виде СО2
 в ферментативных реакциях неокислительного дезаминирования
серина и треонина
 окисления триптофана и кинуренина
 превращения серосодержащих аминокислот
 взаимопревращения серина и глицина
 в синтезе δ-аминолевулиновой кислоты (предшественник гема)
 гликогенфосфорилазы – важна фосфорильная, а не альдегидная группа
5. ТПФ (ТДФ) (тиаминпирофосфат или тиаминдифосфат) – это
модифицированный
пирофосфатом
витамин
В1 (тиамин или
антиневритный). В его составе, кроме аминогруппы, был обнаружен атом
серы. Это послужило основанием для его названия.
метиленовый мостик
+
N
H3C
CH3
N
N
NH2
O
S
O
O
P
O
OH
пиридиновый цикл
P
OH
ТПФ
OH
тиазольное
кольцо
тиамин
пирофосфат
Кольцевые системы синтезируются сначала в виде фосфорилированных
форм. Затем соединяются через четвертичный атом азота.
В активную форму (ТПФ) витамин В1 превращается под действием
АТФ-зависимого специфического фермента – тиаминпирофосфаткиназы.
Это один из пяти коферментов окислительного декарбоксилирования
-кетокислот (ПВК, -КГ ).
В составе транскетолазы ТПФ переносит гликоальдегидный радикал от
кетосахаров на альдосахара в реакциях регенерации пентозофосфатного
пути.
С дефицитом этого витамина связывают тяжелые заболевания:
 Бери-бери – полиавитаминоз (пиридоксин, витамин РР, С и др.) со
специфическими симптомами нарушения деятельности сердечнососудистой и нервной систем, а также пищеварительного тракта.
 Синдром Вернике проявляется в виде энцефалопатии.
 Синдром Вейса – преимущественное поражение сердечно-сосудистой
системы.
Наиболее ранние симптомы авитаминоза В1:
 нарушения моторной и секреторной функций пищеварительного тракта
(потеря аппетита, атония – замедление перистальтики кишечника)
 изменения психики (потеря памяти, галлюцинации)
 нарушения в работе сердечно-сосудистой системы (одышка,
сердцебиение)
6. ТГФК (тетрагидрофолиевая кислота) образуется из витамина Вс (В9,
фолиевая кислота или антианемический) в результате восстановления
птеридинового кольца в 5, 6, 7 и 8 позициях. Индекс «с» взяли от англ.
Chicken –цыпленок: фактор роста для цыплят. От лат. Folium – лист
получилось окончательное название.
H2N
N
OH
N
5
H
N8
O
H
N
OH
6
H H
5,6,7,8-ТГФК
NH
7
H NH
O
O
HO
птеридиновый цикл
глутамат
п-аминобензойная
кислота
Переносит одноуглеродные фрагменты:
1) -СН3- метильный
4) -СН2ОН- оксиметильный
2) -СН2- метиленовый
5) -СНО- формильный
3) -СН= метенильный
6) -СН=NН- формиминовый
N5, N10-метилен-ТГФК
Глицин
Из глицина, например, образуется активный одноуглеродный фрагмент,
участвующий в синтезе серина, метионина, тимина, пуриновых
нуклеотидов, следовательно, в синтезе белка и нуклеиновых кислот.
Авитаминоз вызывает введение антибиотиков. Они подавляют рост
микрофлоры, которая снабжает организм этим витамином. Это приводит к:
 нарушению синтеза ДНК в клетках костного мозга
 тормозится эритропоэз
 развивается макроцитарная анемия.
OH
OH
H
H
N
N
5
8
H2N
N
N
CH3
6
OH
7
H
H
тетрагидробиоптерин
Это простетическая группа монооксигеназ (гидроксилаз).
Путем
гидроксилирования
лизина
и
пролина
происходит
посттрансляционная модификация проколлагена в коллаген.
Гидроксилирование повышает растворимость ксенобиотиков и облегчает
выведение их из организма – защитная функция.
7. Биотин (витамин Н или коэнзим R) – это циклическое производное
мочевины с валериановой кислотой в качестве боковой цепи
(антисеборейный, фактор роста для бактерий, дрожжей, грибов).
Получил название от греч. bios – жизнь.
O
O
-
N
NH
имидазольное кольцо
производное мочевины)
(циклическое
амидная связь
O
тиофеновый цикл
NH
R
S
O
R = лизин + соединенный с ним
какой-либо биотиновый фермент
карббиотин
валериановая кислота
Амидной связью биотин соединяется через лизин с ферментом.
Образуется биоцитин (ε-N-биотиниллизин) – кофермент реакций
карбоксилирования. Он активирует СО2 и в составе биотиновых ферментов
участвует в реакциях карбоксилирования:
1) образование малонил-КоА при синтезе высших жирных кислот
СО2
Ацетил-КоА
малонил-КоА
АТФ, вит. Н
2) синтез карбамоилфосфата в орнитиновом цикле или при
образовании пиримидиновых нуклеотидов
1) синтез мочевины
1) NH3
СО2 + 2АТФ
карбамоилфосфат
2)Глн
2) синтез пиримидиновых
нуклеотидов
3) синтез пуриновых нуклеотидов (включение СО2 в 6 положение кольца
пуринового основания).
Гликопротеин авидин, выделенный из сырого яичного белка, связывает
биотин в нерастворимый комплекс. Действует как антивитамин.
Сульфаниламидные препараты и антибиотики подавляют рост бактерий
в кишечнике. Это вызывает недостаточность биотина, который является
продуктом жизнедеятельности этих бактерий.
У человека в результате этой недостаточности может:
o проявиться дерматид в виде воспалительных процессов кожи
o произойти усиление деятельности сальных желез
o начаться выпадение волос
o наступить поражение ногтей
o появиться боль в мышцах, усталость, сонливость, депрессия,
анорексия, анемия.
8.
Дезоксиаденозилкобаламин,
коферментные
формы
метилкобаламин
В12,
витамина
в
основе
-
которого
это
лежит
порфириноподобное корриновое ядро из 4-х восстановленных пиррольных
колец с атомом кобальта в центре.
Нуклеотидный лиганд располагается перпендикулярно плоскости этого
кольца и также связан с металлом через атом азота.
Это единственный витамин, содержащий металл. Синтезировать его
могут только микроорганизмы.
Метилкобаломин
участвует
в
реакциях
трансметилирования,
например, в реакции синтеза метионина, фосфатидилхолинов. Активирует
и переносит одноуглеродные фрагменты:
метилкобаламин
N5-CН3-ТГФК + гомоцистеин
метионин + ТГФК
трансфераза
В реакциях изомеризации (перенос Н от соседнего С) действует
дезоксиаденозилкобаламин, в частности при обратимом превращении
метилмалонил-КоА в сукцинил-КоА:
ВЖК
Пропил-КоА + СО2
метилмалонил-КоА
сукцинил-КоА
Недостаток витамина В12 у человека и животных вызывает:
 злокачественную макроцитарную, мегалобластическую анемию,
 нарушения деятельности нервной системы,
 резкое снижение кислотности желудочного сока.
ЦТК
Жирорастворимые витамины
Терпены - это высшие спирты, кетоны и альдегиды. Изопреновый
радикал – это общая структурная единица терпенов и стероидов.
Линейные полиизопреновые цепочки образуют терпены.
Циклизация таких цепочек ведет к образованию стероидов.
CH3
O
O
CH3
H3C - C = CH - CH2 - O - P - O - P - OH
OH
OH
OH
OH
Изопентинилпирофосфат
CH3
CH3
O
H2C = C - CH2 - CH2 - O - P - O - P - OH
Диметелаллилпирофосфат
H3C
O
CH3
OH
Витамин А
Вит.А1, цис-А1(неовитамин А)
Вит.А2: в иононовом кольце- (=)
β-иононовое Изопреновая часть
кольцо
CH3
O
CH3
CH3
Витамин К
O
CH3
CH3
CH3
CH3
Полиизопреновая часть
2-метил-1,4-нафтохинон
К1 – филлохинон (растительная форма) К2 – менахинон (n изопреновых остатков)
К3 – менадион (без полиизопреновой части)
Викасол (водорастворимая сульфоформа) – натриевая соль бисульфитного
производного К3.
CH3
CH3
HO
O
H3C
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
Витамин Е
6-оксихромановый цикл
Полиизопреновая часть
Токоферолы: α-, β-, γ-, δ-
O
H3CO
CH3
CH3
(CH2-CH =C-CH2)n-H
H3CO
O
Убихиноны
Коэнзим Q10
Хиноновый цикл Полиизопреновая часть
Стероиды – это производные циклопентанпергидрофенантрена.
H3C
CH3
12
11
1
2
10
3
5
4
9
13
17
16
14
15
13
CH3
CH3
CH3
17
13
CH3
17
CH3
10
8
6
CH3
H3C
CH3
7
6
HO
10
R1
5
3
5
3
6
C-O
O
Циклопентанпергидро- Холестерин
фенантрен
(холестерол)
Холестерид
(эфир холестерина)
Провитамины (стероиды)
Витамины (не стериды)
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH2
УФ
CH3
H3C
HO
CH3
CH3
Эргостерин (клетки растений)
CH3
CH3
CH3
7-Дегидрохолестерин (клетки животных)
H3C
CH2
УФ
H3C
CH3
Витамин D2 – эргокальциферол
CH3
CH3
HO
H3C
HO
HO
H3C
CH3
Витамин D3 – холекальциферол
Различия:
Эти витамины не относятся к стероидам из-за разрыва связи в
стероидном кольце в положении 9-10.
Эргостерин и витамин D2 в отличии от 7-Дегидрохолестерина и
Витамина D3 имеют дополнительную метильную группу и двойную
связь в «хвостовой» части.
Синтезируются
различными
типами
клеток:
первые
–
растительными, вторые – клетками животных.
Гипервитаминоз – вызывает избыток в организме животных и
человека только жирорастворимых витаминов.
Витамины А (ретинол, антиксерофтальмический: А1, А2, неовитамин А
(цис-форма витамина А1) – циклический, непредельный, одноатомный спирт:
шестичленное β-иононовое кольцо, два остатка изопрена и первичная
спиртовая группа.
Ретинены (ретинали) – цис- и транс-альдегиды витамина А.
Недостаточность витамина А вызывает у животных и человека:
 торможение роста
 снижение массы тела
 общее истощение организма
 специфические повреждения эпителия:
 кожи:
пролиферация
и
патологическое
ороговение
эпителия
(фолликулярный гиперкератоз – сухость и шелушение кожи, вторичные
гнойные и гнилостные процессы)
 слизистых оболочек пищеварительного тракта, мочеполового и
дыхательного аппарата
 глазного яблока – ксерофтальмия (от греч. xeros – сухой, ophthalmos –
глаз): сухость роговой оболочки глаза и кератомаляция (от греч. keras –
рог и malatia – распад): воспаление конъюнктивы, отек, изъязвление и
размягчение роговицы
 куриная, ночная слепота (гемералопия) – потеря сумеречного зрения
Гипервитаминоз – характеризуется:
воспалением глаз
гиперкератозом
выпадением волос
общее истощение организма, потеря аппетита
головные боли
диспепсические явления (тошнота, рвота)
Функциональные особенности:
 биосинтез гликопротеинов – компонентов клеточных мембран
 влияние на барьерную функцию кожи, слизистых оболочек,
проницаемость клеточных мембран
 фоторецепция – процесс светоощущения с помощью зрительного
пурпура (родопсина, основного пигмента сетчатки глаза). Ретиналь
связывается альдегидной группой с ε-NH2-группой лизина молекулы
липопротеина опсина. На свету образовавшийся родопсин распадается
на белок опсин и ретиналь.
 обладает антиоксидантными свойствами
Дальтонизм (цветовая слепота) – формируется в результате
врожденного дефицита синтеза одного из типов опсина.
Каротины (от лат. carota – морковь, α-, β- и γ-каротины) –
провитамины витамина А. Наиболее активный - β-каротин, поскольку βкаротин-диоксигеназа расщепляет его на две молекулы витамина А. Жиры в
пище и желчные кислоты необходимы для усвоения каротинов и витамина А.
Витамины D (кальциферол, антирахитический) - D2 (эргокальциферол)
и D3 (холекальциферол): одноатомный ненасыщенный циклический спирт,
производное циклопентанапергидрофенантрена.
Может образовываться в коже человека при ультрафиолетовом облучении
(солнце, лампа).
Недостаточность витамина D:
Рахит – нарушения процесса остеогенеза у детей из-за нарушения
отложения в костной ткани фосфата кальция:
 остеомаляция – размягчение и искривление костей ног до О- и Хобразной формы
 рахитические четки – утолщения на костно-хрящевой поверхности
ребер
 относительно большая голова
 гипотония мышц обусловливает увеличенный живот
 задержка появления первых зубов и формирования дентина
Остеопороз – потеря костной тканью минеральной основы, хрупкость и
переломы костей у взрослых.
Гипервитаминоз – возникает при приеме очень больших доз (1 500 000
МЕ витамина D в сутки – лечение рахита и дерматозов) и может вызвать
смертельный исход из-за отложения в костях и внутренних органах
(кальцификация) гидроксилапатита.
Витамин
К
(антигеморрагический)
–
1,4-нафтохиноны
с
изопреноидными боковыми цепями.
Недостаточность витамина К вызывает:
 самопроизвольные паренхиматозные и капиллярные кровотечения

геморрагический диатез – обильные подкожные кровотечения и
кровоизлияния у детей грудного возраста как следствие недостаточности
свертывания крови у матери.
Антивитамины витамина К – дикумарол и варфарин снижают
свертываемость крови и применяются при коронарных тромбозах,
тромбофлебитах, разжижают сгусток крови, оказывают эффективное
лечебное действие.
Витамины Е (токоферолы: от греч. tokos - потомство и phero - несу,
антистерильный, витамин размножения) – α-, β-, γ-, δ-токоферолы и 8метилтокотриенол (производные токола).
Недостаточность витамина Е у животных вызывает:
 стерильность:
 нарушение эмбриогенеза
 дегенеративные изменения репродуктивных органов:
 поражается плацента
 рассасывание плода
 атрофия половых желез у самцов
 мышечная дистрофия
 жировая инфильтрация печени
 дегенерация спинного мозга
 резкое ограничение подвижности
 снижение количества миозина, гликогена, калия, магния, фосфора и
креатина
Функциональные особенности:
 участвуют в тканевом дыхании
 природные жирорастворимые антиоксиданты:
 разрушают наиболее реакционные формы кислорода
 предохраняют от окисления полиненасыщенные жирные кислоты
 участвует в обмене селена