senchuk_v_v_biohimiya_kurs_lekcii

вительным реакциям. Участвует в биохимических реакциях в качестве восстановителя, окисляясь до дегидро-L-аскорбиновой кислоты, которая восстанавливается ферментативно при нали- чии в клетках достаточного количества глутатиона. Аскорбиновая кислота играет роль кофактора в реакции гидроксилирования остатков L-пролина в составе коллагена. Витамин С обладает антиоксидантной активностью, защищает фенольные соединения, например ангиопротекторные биофлавоноиды, от окисления. Однако в присутствии ионов железа может проявлять и прооксидантные свойства, т. е. усиливать окислительные процессы. Синтезируется всеми растениями, пресмыкающимися и земноводными. Беспозвоночные, рыбы, высокоорганизованные виды птиц и некоторые млекопитающие (человек, обезьяны, морские свинки, летучие мыши) утратили способность к биосинтезу витамина С в процессе эволюции. В организме человека и многих животных наивысшая концентрация витамина С (до 10 мМ!) характерна для хрусталика глаза, где он защищает белки хрусталика от агрегации, развития помутнения и катаракты. Суточная потребность человека (около 100 мг) пополняется главным образом с растительной пищей. Содержание витамина С достигает 2 % в плодах шиповника и 0,5 % в ягодах черной смородины, что значительно выше, чем в лимонах.

Витамин Н (биотин) является кофактором биотиновых ферментов (рис. 47). В составе ферментов биотин соединен амидной связью с белком через свою СООН-группу со свободной -амино- группой лизина. Активная форма, карбоксибиотин, как универсальный донор карбоксильной группы принимает участие в ре-

Ðèñ. 47. Биотин и витамин С

162

акциях карбоксилирования. Сырой яичный белок содержит особый биотин-связывающий белок авидин и тем самым может вызывать авитаминоз.

Витамин РР (антипеллагрический, ниацин) представлен в виде производных пиридина — никотинамида и никотиновой кислоты. Животная и растительная пища обычно вполне удовлетворяет суточную потребность человека (около 15 мг). В организме животных и человека соединения пиридина превращаются в активные и весьма распространенные коферментные формы — никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ) (рис. 48).

Ðèñ. 48. Строение никотинамидного кофермента

Обе коферментные формы витамина РР включаются в состав более 100 окислительно-восстановительных ферментов, главным образом пиридин-зависимых дегидрогеназ, в качестве обратимых промежуточных акцепторов и переносчиков электронов и атомов водорода от субстратов окисления (АН2), как показано на схеме (рис. 49). Реакция восстановления коферментов НАД и НАДФ затрагивает только пиридиновое ядро и является стереогенной. Таким образом, оба никотинамидных кофермента в клетках существуют в двух формах — окисленной (НАД+ è ÍÀÄÔ+) и восстановленной (НАДН и НАДФН). НАД+ ферментативно восстанавливается в клетках в сопряженных биохимиче- ских реакциях окисления (в гликолизе и цикле Кребса). НАДН

163

Ðèñ. 49. Схема окислительно-восстановительной реакции с участием никотинамидных коферментов

используется как универсальный восстановительный эквивалент клеток, как донор электронов для электрон-транспортной цепи митохондрий и последующего сопряженного синтеза АТФ, в реакциях репарации и репликации ДНК и др. Реакции восстановления НАДФ+ в основном происходят при окислении жирных кислот и в пентозофосфатном пути, а восстановленный нуклеотид расходуется в разнообразных биосинтезах, включая образование стероидов, жирных кислот, участвует в восстановительном аминировании кетокислот и образовании аминокислот, в восстановлении рибозы до дезоксирибозы, в образовании тетрагидрофолиевой кислоты, в восстановлении глутатиона и метгемоглобина, в реакциях гидроксилирования и многих других.

Жирорастворимые витамины и коферменты

Витамины группы А — это производные циклического ионона, которые в основном представлены в виде полных транс-изо- меров ретинола (витамина А1), 3-дегидроретинола (витамина А2) и превращаются в организме в 11-öèñ-ретиналь — биохимически активное соединение (рис. 50).

В мембране сетчатки глаза 11-öèñ-ретиналь соединяется с гидрофобным белком опсином. В результате формируется родопсин, который способен поглощать кванты света видимой области спектра, фотоактивироваться и трансформировать энергию электромагнитного излучения в фотохимические реакции, приводящие к генерации нервных импульсов и их распространению по зрительному тракту в зрительные поля мозга. Таким образом,

164

Ðèñ. 50. Витамины группы А и каротиноиды

важнейшей функцией витаминов группы А является обеспече- ние восприятия света. Кроме витаминов А к биологически активным ретиноидам относится ретиноевая кислота, которая не участвует в зрительном акте, а осуществляет регуляцию метаболизма, пролиферации и дифференцировки многих клеток. В кровеносной системе ретиноиды разносятся по клеткам-мише- ням специальным транспортным белком — ретинолсвязывающим белком. В печени морских животных концентрация витаминов А достигает 30 мг на 100 г продукта. Важным источником ретиноидов являются желтые, оранжевые и красные пигменты — каротиноиды. Каротиноиды по своей химической структуре являются терпенами. Родоначальником каротиноидов является ациклический каротиноид ликопин, присутствующий в плодах помидоров, в некоторых ягодах. В результате образования иононовых колец на концах ликопина и введения функциональных групп формируется все многообразие природных каротиноидов. Наилучшие источники каротиноидов — корень моркови, плоды тыквы, шиповника, облепихи и рябины, сладкий перец, листья каштана, а также грибные и бактериальные суперпроду-

165

центы. Попадая в организм человека, каротиноиды ферментативно расщепляются пополам с образованием ретиноидов. Поэтому каротиноиды являются провитаминами группы А, а самый активный из них — -каротин, так как только он распадается на две молекулы ретинола.

Витамины группы D (кальциферолы) — это природные соединения антирахитического действия. Известно около десяти природных антирахитических стероидов, но только два принято считать истинными витаминами — витамин D2 (эргокальциферол) и витамин D3 (холекальциферол; 9,10-секохолестатриен- 5,7,10(19)-ол-3 ). Строение витаминов D рассмотрено ранее в разделе «Стероиды». Потребность взрослых и детей (около 10 и 25 мкг в сутки) обеспечивается инсоляцией и фотохимическим синтезом в коже под действием ультрафиолета. В больших дозах высокотоксичны. В печени и почках витамины D гидроксилируются и превращаются в гормональные формы, которые осущест-

вляют регуляцию обмена кальция и фосфатов в организме. Витамины группы Е — это токоферолы и менее активные то-

котриенолы (рис. 51). Природные токоферолы — это производные бициклического спирта токола, содержат стереоцентр при С-2, который критичен для проявления биологической активности. Представляют собой светло-желтые жидкости. В кровеносной системе организма траспортируются липопротеинами низкой плотности, а в клетках локализованы в составе биологи- ческих мембран. При недостатке токоферолов развивается бесплодие, мышечная дистрофия, некроз печени и др. По биологи- ческой активности природные -, -, - и -токоферолы располагаются в ряду: >> > > . Биологическая активность в значи- тельной степени определяется антиоксидантными свойствами токоферолов, так как они способны эффективно реагировать с высокотоксичными свободнорадикальными окислителями с образованием устойчивого токоферилхинона, который стабилизирован благодаря электронодонорным заместителям в аромати- ческом ядре. Суточная доза для взрослых около 15 мг. Самым богатым природным источником -токоферола является масло из зародышей пшеницы и кукурузы (до 0,4 %), а также другие нерафинированные растительные масла. Препараты синтетиче- ских токоферолов, как правило, представляют смесь активных, малоактивных и неактивных гомологов и изомеров.

Витамины группы К — природные соединения, производные 1,4-нафтохинона, стимулирующие свертывание крови

166

(рис. 51). Представляют собой светло-желтые жидкости. Строение и биологическая активность стереоспецифичны. Витамины группы К выполняют роль коферментов в реакциях -карбокси- лирования остатков глутаминовой кислоты в неактивных белках системы свертывания крови. При этом в белках появляются центры специфического связывания Са2+. В результате связывания Са2+ такие белки изменяют свою конформацию, активируются и включают реакцию свертывания крови. В связи с очевидным военно-медицинским значением витаминов К в годы второй мировой войны Х. Дам (Дания) и Э. Дойзи (США) получили Нобелевскую премию за открытие структуры и функции витамина К. Структурные аналоги (например, природные дикумарины донников) являются антагонистами витаминов К и блокируют свертывание крови. Витамины К участвуют также в формировании Са2+-связывающих участков во внутриклеточных регуляторных белках (кальмодулин, тропонин С и др.). Витамин К1

Ðèñ. 51. Витамины группы Е, группы К, группы Q

167

встречается в основном в зеленых частях растений — особенно в листьях крапивы (до 0,2 %), в калине, в кукурузных рыльцах, шпинате, капусте. Синтезируются также микроорганизмами ки-

шечника.

Витамины группы Q (коферменты Q, убихиноны) — 2,3-ди- метокси-5-метил-6-полипренилбензохиноны желтого или жел- то-оранжевого цвета (рис. 51). Строение и биологическая активность стереоспецифичны. В биообъектах встречаются так называемые убихиноны Q6—Q10, где цифровой индекс показывает число полипренильных остатков в боковом радикале (у человека Q10). Убихиноны локализованы во внутренней мембране митохондрий и хлоропластов, где вступают во взаимодействие с белками и ферментами электрон-транспортной цепи, осуществляют перенос электронов и протонов от различных субстратов к цитохромам при окислительном фосфорилировании. Восстановленные формы убихинонов обладают антиоксидантной активностью. Витамины группы Q получают биотехнологическими методами из микроорганизмов.

Витаминоподобные соединения

Витамин U (метионинметилсульфоний хлорид) содержится в зеленых частях растений (спаржа, капуста, незрелые томаты). Ис-

пользуется в многочисленных биосинтезах как донор метильной группы. Аналогичную функцию выполняют S-аденозил-L-метио- íèí (S-Ad-Met, SAM) è холин. Холин — (СН3) 3N+ÑÍ2ÑÍ2ÎÍ, øè-

роко распространенный в природе донор метильной группы в биосинтезе метионина, входит в состав фосфатидилхолинов, фосфатидальхолинов и сфингомиелинов биологических мембран. Потребность человека (0,25—4 г в сутки) только лишь частично покрывается за счет собственного биосинтеза. Мясо, рыба, яичный желток, соевая мука богаты холином.

L-Карнитин (витамин Вò) — кофермент в реакциях переноса остатков жирных кислот через мембрану из цитоплазмы в митохондрии, соединение формулы (СН3)3N+ÑÍ2ÑÍ(ÎÍ)ÑÍ2ÑÎΖ (рис. 52). Это витамин для некоторых насекомых. Присутствует в клетках от бактерий до человека, где синтезируется из L-лизина.

Инозит (инозитол; L-ìåçî-инозит; L-ìèî-инозитол; L-1,2,3, 5/4,6-инозитол) — универсальный структурный компонент фосфатидилинозитолов биологических мембран (рис. 52), метаболи- ческий предшественник внутриклеточных регуляторов биохимических реакций — инозитолфосфатов. Встречается в свобод-

168

ном состоянии и в виде фосфатов, выполняя в растениях роль за-

пасной формы фосфата.

Биофлавоноиды (витамин Р) — большая группа природных полифенольных соединений (рис. 52). Желтые или желто-оран- жевые соединения, ограниченно растворимы в воде и в этиловом спирте. Биофлавоноиды — это продукты метаболизма растений. Обладают мощным ангиопротекторным, кардиопротекторным, антиоксидантным действием. Наиболее активен кверцетин (ОН-группа при С-3) и рутин (рутинозид кверцетина). Они содержатся в цветках софоры японской (до 20 %!), в зеленой массе гречихи (до 4 %), в плодах черной смородины и черноплодной рябины (до 2 %), в плодах цитрусовых, в винограде, в натураль-

ных соках, в виноградном вине, в кожуре фруктов и др. Пангамовая кислота (витамин В15; 6-О-N,N-диметил-глици-

новый эфир D-глюконовой кислоты) содержит две подвижные метильные группы (рис. 52), улучшает метаболизм липидов,

Ðèñ. 52. Витаминоподобные соединения

169

МАКРОЭРГИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Макроэргические соединения — это особая группа активированных биомолекул, которые участвуют в накоплении и трансформации энергии в биосистемах.

Биохимические превращения молекул происходят в полном соответствии с химическими законами. Принципиальная возможность протекания биохимических реакций, их направление и полнота осуществления зависят от количества энергии, полу- чаемой биохимической системой. Законы термодинамики вполне применимы к биологическим системам и на основе расчетных количественных параметров позволяют предсказать направление биохимических реакций, возможность использования определенной реакции для совершения полезной работы или определить количество внешней энергии, которая необходима для протекания биохимической реакции. Основные положения термодинамики формулируются с помощью термодинамических функций, к числу которых относится свободная энергия G и ее изменение в результате биохимической реакции ( G). Величина G любой реакции может быть рассчитана и выражается в джоулях или калориях на моль. При стремлении биохимической системы к равновесию изменение свободной энергии характеризует энергию, которая при определенных условиях может стать доступной для совершения полезной работы. Следовательно, неравновесные системы самопроизвольно изменяются при условии уменьшения свободной энергии, т. е. если величина G отрицательная. В состоянии равновесия самопроизвольное изменение свободной энергии не происходит. При условии доступности свободной энергии биохимическую систему можно вывести из равновесного состояния. Таким образом, если величина G отрицательна, биохимическая реакция может происходить самопроизвольно (экзергоническая реакция), а если величина G положительна, реакция может происходить только при условии поступления извне доступной свободной энергии (эндергоническая реакция). На этих термодинамических принципах, по существу,

171