Основы биохимии Том 1 - А. Ленинджер 1985

Биомолекулы
Витамины и микроэлементы: их роль в функционировании ферментов
Краткое содержание главы

Витамины - это органические вещества, которые в следовых количествах присутствуют в большинстве живых организмов и необходимы для их нормальной жизнедеятельности. Однако некоторые организмы не способны синтезировать эти вещества и должны получать их из внешних источников. Большая часть водорастворимых витаминов представляет собой компоненты различных коферментов или простетических групп ферментов, играющих важную роль в клеточном метаболизме. Тиамин (витамин В₁) - активный компонент тиаминпирофосфата, кофермента, выполняющего функцию промежуточного переносчика ацетальдегида в ходе ферментативного декарбоксилирования пирувата - основного продукта распада глюкозы в клетках. Рибофлавин (витамин В₂) входит в состав коферментов флавинмононуклеотида (FMN) и флавинадениндинуклеотида (FAD), выполняющих роль водород- переносящих простетических групп в определенных ферментах, катализирующих реакции окисления. Никотиновая кислота является компонентом никотин- амидадениндинуклеотидов (NAD и NADP), которые служат переносчиками гидрид-ионов при функционировании ряда дегидрогеназ. Пантотеновая кислота

представляет собой незаменимый компонент кофермента А, играющего роль переносчика ацильных групп в процессе ферментативного окисления пирувата и жирных кислот. Витамин В₆ (пиридоксин) служит предшественником пиридоксальфосфата - простетической группы трансаминаз и других ферментов метаболизма аминокислот. Биотин функционирует как простетическая группа некоторых карбоксилаз, действуя в качестве переносчика карбоксильных групп. Фолиевая кислота служит предшественником тетрагидрофолиевой кислоты — кофермента, участвующего в ферментативном переносе одноуглеродных фрагментов. Витамин В₁₂ в форме его 5'-дезоксиаденозильного производного участвует в ферментативном обмене между связанным с углеродом атомом водорода и какой-либо группой, соединенной с соседним атомом углерода.

Жирорастворимые витамины выполняют другие важные функции. Витамин А служит предшественником светочувствительного пигмента, претерпевающего цикл химических превращений в палочках сетчатки у позвоночных. Витамин D₃, или холекальциферол, образующийся из 7-дегидрохолестерола под действием солнечного излучения, - это основной предшественник 1,25-дигидроксихолекальциферола, который, подобно гормону, регулирует обмен ионов Са²⁺ в тонком кишечнике и костях. Витамин К является кофактором при ферментативном образовании остатков у-карбоксиглутаминовой кислоты в протромбине-Са²⁺ - связывающем белке плазмы крови, играющем важную роль в свертывании крови. Железо, медь, цинк, марганец, кобальт, молибден, селен и никель - все эти элементы необходимы для действия многих ферментов. Кроме того, в пище животных должны содержаться и некоторые другие элементы, в том числе ванадий, олово, хром и кремний; однако их функции точно еще не установлены.

ЛИТЕРАТУРА

Роль витаминов и неорганических веществ в питании обсуждается в гл. 26.

Книги

Boyer Р. D., Lardy Н., Myrback К. (eds). The Enzymes, 3d ed., 14 vols., Academic, New York, 1970-1981. Содержательные обзоры функциональной роли коферментов.

Florkin М., Stotz Е. И. (eds.). Comprehensive Biochemistry, vol. 21, Metabolism of Vitamins and Trace Elements, American Elsevier, New York, 1971. Подробно рассмотрены химические, метаболические и биохимические аспекты роли витаминов и микроэлементов.

Hutchinson D. W. Nucleotides and Coenzymes, Wiley, New York, 1973.

Статьи

Harris L. J. The Discovery of Vitamins. In Joseph Needham (ed), The Chemistry of Life, Cambridge University Press, New York, 1970, pp. 156-170.

Hubbard R. 100 Years of Rhodopsin, Trends Biochem. Sсi., 1, 154-158 (1976).

Simkiss K. Metal Iones in Cells, Endeavour, 3, 2-6 (1979).

Staudinger H.A. Ascorbic Acid, Trends Biochem. Sсi., 3, 211-212 (1978).

Вопросы и задачи

1. Потребность в никотиновой кислоте. Недостаток никотиновой кислоты в пище приводит к заболеванию пеллагре.

а) Суточная потребность взрослого человека в никотиновой кислоте, составляющая 7,5 мг, уменьшается, если в пище содержится большое количество аминокислоты триптофана. Что можно сказать о взаимосвязи между никотиновой кислотой и триптофаном на основе этого наблюдения?

б) В конце прошлого и в начале нашего столетия пеллагра была довольно распространенным заболеванием, особенно в сельских местностях на юге США, где люди употребляли в пищу мало мяса, а питались в основном кукурузой. Объясните, почему такое питание приводило к недостаточности никотиновой кислоты?

2. Полиневрит у голубей В ставших классическими экспериментах голуби, содержавшиеся на экспериментальной диете, утрачивали координацию движений и способность удерживать свое тело в равновесии. Уровень пирувата в крови и мозгу этих птиц значительно превышал нормальный. Такое состояние проходило, если голубям давали мясо. Объясните эти наблюдения.

3. Бактериальный тест на рибофлавин Lactobacillus casei - представители семейства бактерий, используемых для получения таких продуктов брожения, как йогурт, квашеная капуста и соленья, не способны синтезировать рибофлавин. Характерное свойство этих бактерий заключается в том, что они получают энергию за счет расщепления глюкозы до молочной кислоты (рК' 3,5). Какой метод количественного определения рибофлавина вы предложили бы исходя из этой информации?

4. Пиридоксин и потребность бактерий в аминокислотах. Бактерии Lactobacillus casei растут на простой культуральной среде, содержащей витамины рибофлавин и пиридоксин и четыре аминокислоты. Если в культуральную среду добавить полный набор аминокислот и рибофлавин, то количество пиридоксина, необходимого для оптимального роста бактерий, сократится на 90%. Объясните, почему это происходит.

5. Яичные белки предохраняют желтки от порчи. Яйца можно держать в холодильнике от четырех до шести недель, не опасаясь, что они испортятся. Если же отделить яичные желтки от белков, то они быстро испортятся даже при низкой температуре.

а) Почему портятся желтки?

б) Как вы объясните тот факт, что наличие яичных белков предотвращает порчу желтков?

в) Какую пользу с биологической точки зрения приносит птицам такой способ защиты яиц?

6. Потребность бактерий Streptococcus faecalis в фолиевой кислоте. Бактерии Steptococcus faecalis, обитающие в толстом кишечнике, нуждаются в витамине фолиевой кислоте. Если в питательной среде содержатся аденин и тимидии, то бактерии могут хорошо расти и при отсутствии фолиевой кислоты. Исследование бактерий, выращенных в таких условиях, показало, что они не содержат фолиевой кислоты. Почему бактерии нуждаются в фолиевой кислоте? Почему потребность в фолиевой кислоте исчезает у бактерий при добавлении в культуральную среду аденина и тимидина?

7. Потребность в кобальте у жвачных. Значительную часть веса наземных растений составляют нерастворимые полисахариды, главный из которых - целлюлоза. Хотя большинство животных не имеет ферментов, необходимых для переваривания целлюлозы, жвачные (например коровы, лошади, овцы и козы) используют микроорганизмы для предварительного переваривания травянистых растений и листьев деревьев. В отличие от других животных жвачным необходим в больших количествах кобальт. В тех местах, где содержание кобальта в почве невелико (например, в Австралии), недостаточность кобальта у крупного рогатого скота и овец представляет серьезную проблему. Объясните, почему жвачным необходим кобальт?

8. Периодичность применения витаминов. Витамины А и D можно применять сразу за один прием в таком количестве, которого достаточно для поддержания их нормального уровня в течение нескольких недель; витамины же группы В необходимо принимать значительно чаще. Почему?

9. Недостаточность витамина А. Недостаточность витамина А вызывает ксерофтальмию - заболевание, сопровождающееся потерей зрения; для более ранних стадий характерны сухость и тусклость роговицы глаза. Дети в значительно большей степени подвержены этому заболеванию, чем взрослые. В тропических странах от ксерофтальмии слепнут десятки тысяч детей в возрасте от 18 до 36 месяцев. В то же время у взрослых, добровольно находившихся в течение двух лет на диете без витамина А, отмечалось лишь ослабление зрения в условиях пониженной освещенности. После введения витамина А этот дефект зрения быстро исчезал. Объясните, чем обусловлены различия в проявлении недостаточности витамина А у взрослых и детей.

10. Почечная остеодистрофия. У больных введение в организм блокирует действие витамина К.

а) Предложите молекулярный механизм действия варфарина в качестве антагониста витамина К.

б) Почему скармливание грызунам варфарина приводит к их гибели?

в) Если коров или лошадей кормить неправильно приготовленным клевером, то у них развивается заболевание, сопровождающееся сильными внутренними кровотечениями. Было установлено, что причиной этого служит дикумарол-вещество, образующееся в результате действия микроорганизмов на кумарин - обычный компонент клевера. В клинической практике дикумарол используют для лечения больных с острым тромбофлебитом (образование кровяных сгустков, закупоривающих просвет сосуда). Объясните принцип этого лечения.

с поврежденными почками, несмотря на нормально сбалансированную диету, часто развивается почечная остеодистрофия - рахитоподобное заболевание, сопровождающееся интенсивной деминерализацией костей. Какой витамин участвует в минерализации костей? Почему повреждение почек приводит к деминерализации?

11. Действие варфарина и дикумарола. Варфарин - продажный препарат, применяемый для борьбы с грызунами, является мощным антагонистом витамина К; его 12. Метилмалоновая кислота в моче. У больного с клиническими проявлениями ацидоза (снижение pH крови и мочи) в моче были обнаружены значительные количества метилмалоновой кислоты. Известно, что при скармливании здоровым животным метилмалоновой кислоты она превращается в янтарную кислоту. Как вы объясните эти наблюдения?

13. Недостаточность цинка в организме человека. В некоторых странах Ближнего Востока, главным образом в Иране и Египте, у людей встречаются случаи недостаточности цинка. Это объясняется тем, что население в зтих странах употребляет в пищу очень большое количество хлебных злаков, для которых характерно высокое содержание фитиновой кислоты (миоинозитолгексафосфата), очень прочно связывающей катионы двухвалентных металлов, особенно ионы Zn²⁺.

а) Почему употребление хлебных злаков приводит к недостаточности цинка?

б) Недостаточность цинка особенно часто наблюдается в отдаленных деревнях, где люди пекут хлеб из пресного недрожжевого теста. В городах, где в пищу употребляют хлеб из дрожжевого теста, недостаточность цинка встречается значительно реже.

Объясните эти наблюдения.