История появления витаминов 
CH
CH2 CH
Поскольку
наиболее неожиданной характеристикой молекулы стало наличие в ней атома серы
(по-гречески «теион»), витамин В1 получил название тиамин.
Исследователи,
занимавшиеся витамином С, столкнулись с проблемами другого рода. Получить
витамин С в достаточном количестве не представляло большого труда: его много
содержится в плодах цитрусовых растений. Гораздо труднее было найти
экспериментальных животных, которые бы не вырабатывали свой собственный витамин
С. Большинство млекопитающих, за исключением человека и других приматов,
обладают способностью синтезировать этот витамин. Требовались недорогие
подопытные животные, на которых можно было бы создать модель цинги, чтобы
затем, скармливая им различные фракции, получаемые из сока цитрусовых, узнать,
в которой из них содержится витамин С.
В 1918
году американские биохимики Б. Коэн и Лафаэтт Бенедикт Мендель наконец нашли
таких экспериментальных животных, обнаружив, что морские свинки не могут
синтезировать собственный витамин С. И действительно, у морских свинок цинга
развивалась даже быстрее, чем у человека. Но тут возникла очередная трудность:
витамин С оказался очень нестабильным (он самый нестабильный из витаминов), и
все попытки выделить его заканчивались провалом, так как витамин при выделении
терял свои свойства. Немало исследователей безуспешно трудились над решением
этой проблемы.
Получилось
так, что выделил в конце концов витамин С человек, который специально этим
вопросом не интересовался. Это был американский биохимик, венгр по
происхождению, Алберт Сент-Дьерди. В то время, а это был 1928 год, он работал в
лаборатории Хопкинса и, занимаясь проблемой использования кислорода тканями,
выделил из кочанной капусты вещество, которое помогало переносить атомы
водорода от одного соединения к другому. Вскоре после этого Чарльз Глен Кинг и
его сотрудники из университета в Питсбурге, которые направленно занимались
выделением витамина С, получили из капусты некое вещество, которое обладало
сильным защитным действием против цинги. Более того, они обнаружили, что это
вещество идентично кристаллам, полученным ими ранее из лимонного сока. В 1933
году Кинг установил структуру этого вещества. Оказалось, что оно состоит из
шести атомов углерода, принадлежит к классу Сахаров, относящихся к L-серии:
O
O C
CH CH CH2OH
C C OH
OH
OH
Этому
веществу дали название аскорбиновая кислота (слово «аскорбиновая» происходит от
греческого слова, означающего «нет цинги»).
Что
касается витамина А, то первый намек на его структуру исследователи получили,
заметив, что все продукты, богатые витамином А, имеют желтую или оранжевую
окраску (сливочное масло, яичный желток, морковь, рыбий жир и т. д.).
Оказалось, характерный цвет этим продуктам придает углеводород, известный под
названием каротин, и в 1929 году британский биохимик Томас Мор показал, что в
печени крыс, находившихся на рационе, содержавшем каротин, накапливается
витамин А. Витамин А не имел желтой окраски, из чего был сделан вывод, что сам
по себе каротин не является витамином А, каротин — его предшественник, который
преобразуется в печени в витамин А. (То есть является провитамином.)
В 1937
году американские химики Гарри Николе Холмс и Рут Элизабет Корбет выделили из
рыбьего жира витамин А в кристаллическом виде. Оказалось, что состоит он из 20
атомов углерода и, по сути, является половиной молекулы каротина с гидроксильной
группой в месте разрыва.
CH3
CH3
C
CH3 CH3
CH3
C CH CH C CH
CH C CH CH2 OH
CH2
C СН3
CH2
Химики,
занимавшиеся витамином D, обнаружили, что его наличие в
организме зависит от солнечного света. Еще в 1921 году исследователи,
работавшие в группе Макколама (который первым доказал существование витаминов),
показали, что у крыс, находящихся на рационе, дефицитном по витамину D,
но содержащихся на солнечном свету, рахит не развивается. Биохимики
предположили, что витамин D в организме образуется
из провитамина благодаря энергии солнца. И поскольку витамин В растворялся в
жирах, они стали искать его предшественник среди жирорастворимых компонентов
пищи.
Расщепляя
жиры на фракции и воздействуя на эти фракции солнечным светом, исследователи
установили, что вещество, которое при действии света переходит в витамин D,
является стероидом. Но какой это стероид? Они проверили холестерин и другие
известные природные стероиды, но не обнаружили у них свойств витамина D.
Позже, в 1926 году, американские биохимики Отто Розенхайм и Т.А. Вебстер
обнаружили что под действием света в витамин D
превращается очень близкое к нему по химической структуре вещество эргостерол,
которое было выделено ранее из ржи, пораженной спорыньей. Одновременно – и независимо
от них это же открытие сделал немецкий химик Адольф Виндаус. За эту работу, а
также и за другие достижения в области изучения стероидов Виндаус в 1928 году
был удостоен звания лауреата Нобелевской премии в области химии.
Однако
вопрос о предшественнике витамина В в организме оставался открытым: дело в том,
что эргостерол в организме животных не образуется. Со временем вещество,
являющееся провитамином В, было установлено. Им оказался 7-дегидрохолесте-рин,
который отличался от обычного холестерина отсутствием двух атомов водорода. Образующийся
витамин D
имеет следующее строение:
CH3
CH3
CH3
CH2
CH CH2
CH2 CH2
CH CH2
CH2 C CH
CH2 CH2 CH2
CH2
CH2 C C CH
CH C CH CH2
HO
CH2
CH
Одна их
форм витамина В называется кальциферол, что в переводе с латинского означает
«несущий кальций». Это название кальциферол получил за свою способность
усиливать отложение кальция в костях.
Дефицит
витаминов в организме может проявляться не только в виде острого заболевания. В
1922 году Герберт Маклин Эванс и К.Дж. Скотт, сотрудники Калифорнийского
университета, установили, что причиной бесплодия у животных также является
дефицит соответствующего витамина. Только в 1936 году группе Эванса удалось
установить, что это витамин Е, и выделить его. Новому витамину дали название
токоферол, что в переводе с греческого означает «производить детей».
К
сожалению, до сих пор неизвестно, насколько велика потребность человека в этом
витамине, поскольку, безусловно, никто не решится вызвать у человека
экспериментальное бесплодие, посадив его на диету, дефицитную по витамину Е. А
факт, что дефицит витамина Е в рационе вызывает бесплодие у животных, вовсе не
означает, что в природных условиях стерильность у них развивается именно по
этой причине.
В 30-х
годах XX столетия датский биохимик Карл Петер Хенрик Дам, экспериментируя на
цыплятах, обнаружил существование витамина, который участвует в свертывании
крови. Он назвал его коагуляционным витамином, впоследствии его стали называть
сокращенно витамином К. Позже Эдвард Дойси с коллегами из университета в
Сент-Луисе выделили этот витамин и определили его структуру. За открытие и
установление структуры витамина К Даму и Дойси в 1943 году была присуждена
Нобелевская премия по медицине и физиологии.
Витамин
К принадлежит к числу витаминов, поступление которых в организм мало зависит от
состава пищи. В норме наличие основного количества этого витамина обеспечивают
бактерии, населяющие кишечник. Они производят его настолько много, что в кале
этого витамина гораздо больше, чем в пище. В большей степени авитаминозу К
подвержены новорожденные младенцы, что может проявиться у них в плохом
свертывании крови и как следствие в кровотечениях. В некоторых родильных домах
новорожденным первые три дня жизни, пока кишечные бактерии не заселили
кишечник, вводят витамин К в виде инъекций или же врачи назначают его матери за
несколько дней до родов. В последующие дни, когда бактерии заселятся в кишечник
новорожденного, они ему еще доставят массу неприятностей, но, по крайней мере,
тогда младенец будет защищен от кровотечений. В действительности остается
загадкой вопрос: может ли организм существовать в условиях полной изоляции от
бактерий, или, другими словами, не зашел ли наш симбиоз с микроорганизмами так
далеко, что без них мы попросту не можем жить? Некоторые исследователи
пробовали выращивать животных в условиях абсолютной стерильности. Мыши,
например, в таких условиях даже размножались. Было получено 12 поколений мышей,
которым не были известны микробы. Такие опыты в 1928 году проводились в
Нотрдамском университете.
На
стыке 30-х и 40-х годов биохимики открыли еще несколько витаминов,
принадлежащих к группе В, которым были даны названия биотин, пантотеновая
кислота, пиридоксин, фолиевая кислота и цианокобаламин. Все эти витамины
синтезируются кишечными бактериями; более того, они присутствуют в достаточных
количествах во всех продуктах питания, так что для этих витаминов случаи
авитаминоза неизвестны. Для того чтобы выяснить, какие симптомы возникают в
случае дефицита этих витаминов, ученым приходилось даже содержать животных на
специальной диете, искусственно лишенной этих витаминов, или вводить в диету
антивитамины, которые бы нейтрализовали те витамины, которые образуются
кишечными бактериями. (Антивитамины — это вещества, схожие по структуре с
витаминами. В силу своей схожести они конкурентно ингибируют фермент, который
использует данный витамин в качестве кофермента.)
Вскоре
вслед за установлением структуры каждого витамина производился его синтез, но
были случаи, когда синтез витамина даже предшествовал установлению его
структуры. Например, группа ученых, возглавляемая Уильямсом, синтезировала
тиамин в 1937 году, за три года до того, как была установлена его структура, а
швейцарский биохимик, выходец из Польши, Тадеуш Рейх-штейн и возглавляемая им
группа химиков синтезировали аскорбиновую кислоту в 1933 году, несколько раньше
того, как Кинг окончательно установил ее точную структуру. Еще один пример —
витамин А, который был синтезирован в 1936 году независимо двумя группами
химиков также незадолго до того, как была окончательно установлена его
химическая структура.
Биохимикам,
конечно, не терпелось узнать, каким образом витамины, присутствующие в столь
малых количествах, играют такую важную роль в химических процессах, протекающих
в организме. Детальное изучение химии ферментов позволило найти ответ на этот
вопрос. Исследователи, занимавшиеся химией белков, давно знали, что некоторые
белки состоят не только из аминокислот, что в некоторых из них могут еще
присутствовать простетические группы, как, например, ген в гемоглобине, который
не является аминокислотой. Как правило, простетические группы довольно прочно
связаны с остальной частью молекулы. Что касается ферментов, то в некоторых
случаях неаминокислотный фрагмент белковой молекулы бывает слабо связан с
полипептидной цепью и может легко от нее отойти.
Этот
факт в 1904 году впервые обнаружил Артур Харден (вскоре после этого он открыл
фосфорсодержащие промежуточные метаболиты). Харден работал с экстрактом
дрожжей, которым он сбраживал сахар. Он вносил экстракт в мешочек, сделанный из
полупроницаемой мембраны, и помещал этот мешочек в чистую воду. Молекулы
небольшого размера, которые могут свободно проникать через поры мембраны,
выходили в воду, а крупные молекулы белков не могли выйти через поры в силу
своего размера, поэтому они оставались в мешочке. После завершения этой
процедуры (она называется диализ) Харден обнаружил, что экстракт полностью
потерял свою сбраживающую активность. Ни раствор внутри мешочка, ни вода,
которая была снаружи, не сбраживали сахар. Но при соединении обеих жидкостей
(той, что была внутри мешочка, и той, что была снаружи) активность дрожжевого
экстракта восстанавливалась.
Получалось,
что помимо крупной молекулы белка в состав фермента входила еще какая-то
небольшая молекула, способная проникать через поры мембраны, — молекула
кофермента. Кофермент был необходим для проявления активности фермента (можно
сказать, что он был «лезвием» фермента).
Химики
сразу же взялись за определение структуры помощника сбраживаюшего фермента
(впрочем, и других коферментов тоже). Швейцарский химик, немец по
происхождению, Ганс Карл Август Симон фон Эйлер-Чеплин первым достиг успеха в
этом направлении. В результате он и Харден в 1929 году получили Нобелевскую
премию в области химии.
Согласно
результатам Эйлера-Чеплина, кофермент сбраживающего фермента дрожжей состоял из
молекулы аденина, двух молекул рибозы, двух фосфатных групп и молекулы
никотинамида, соединенных вместе. Последнее вещество, никотинамид, было впервые
обнаружено в живых тканях, поэтому нет ничего удивительного в том, что интерес
ученых сконцентрировался в большей степени на нем. (Это вещество получило такое
название потому, что оно содержит аминогруппу, CONH3,
и его можно легко получить из никотиновой кислоты. Никотиновая кислота по
структуре очень схожа с содержащимся в табаке алкалоидом никотином, но
диаметрально отличается от него тем, что никотиновая кислота необходима для
жизни, тогда как никотин является смертельным ядом). Формулы никотиновой
кислоты и никотинамида таковы:
СН O CH
O
HC
C
C
HC
C
C
HC CH OH HC
CH NH2
N
N
После
установления Харденом структуры кофермента он был сразу же переименован в
никотинамидадвниндинуклеотид (или сокращенно НАД): никотинамид — поскольку в
его состав входит это вещество; адениннуклеотид — поскольку фрагмент молекулы
кофермента представлен сочетанием аденина, рибозы и фосфата характерным для
нуклеотидов, из которых построены нуклеиновые кислоты; ди — поскольку таких
фрагментов в коферменте два
Вскоре
был обнаружен другой кофермент, очень похожий на НАД и отличавшийся от него
лишь тем, что содержал не две фосфатные группы, а три. Ему дали название
никотинамидадениндинуклеотидфосфат (сокращенно НАДФ). Оба эти вещества НАД и
НАДФ, широко распространены в организме и являются коферментами для многих
ферментов, осуществляющих передачу атомов водорода с одного вещества на другое.
(Название этих ферментов дегидрогеназы.) Коферменты НАД и НАДФ как раз и
являются теми веществами, которые выполняют функцию переносчиков водорода,
фермент лишь «выбирает» субстрат — то вещество, с которым требуется провести
подобную операцию (для каждого субстрата существует своя дегидрогеназа).
Поэтому для организма жизненно одинаково важны как фермент, так и кофермент, в
случае дефицита одного из них замедляется процесс передачи водорода и,
следовательно, прекращается утилизация энергии, заключенной в пищевых
продуктах.
Как
выяснилось, никотинамид в организме не образуется Организм способен
синтезировать все ферменты, все компоненты, из которых состоят коферменты НАД и
НАДФ, за исключением никотинамида, поэтому никотинамид должен поступать в
готовом виде (или, по крайней мере, в виде никотиновой кислоты) с пищей. В
противном случае не будет происходить образования НАД и НАДФ, и тогда
затормозятся контролируемые ими реакции переноса водорода.
Являются
ли никотинамид или никотиновая кислота витамином? В свое время еще Фанк
(который ввел термин витамин) выделил никотиновую кислоту из рисовой шелухи.
Обнаружив, что никотиновая кислота не лечит бери-бери, он потерял к ней
интерес. Но когда выяснилось, что это вещество тесно связано с деятельностью
ферментов, биохимики из Висконсинского университета под руководством Конрада
Арнольда Элвейема попробовали применить никотиновую кислоту для лечения другой
болезни, связанной с неполноценным питанием, — пеллагры.
В 20-х
годах XX века американский врач Джозеф Голдбергер занимался изучением пеллагры
(иногда эту болезнь называли итальянской проказой} — заболевания,
распространенного в то время в областях, удаленных от побережья; в южных штатах
Америки в начале века распространение пеллагры носило даже характер эпидемии.
Наиболее характерными симптомами пеллагры являются сухая, покрытая чешуйками
кожа, диарея и воспаленный язык, иногда при этом заболевании наблюдаются
психические расстройства. Голдбергер обратил внимание на то, что пеллагра, как
правило, поражала людей, питавшихся преимущественно кукурузной мукой, и
обходила семьи, в которых содержали коров молочных пород. Он начал
экспериментировать с искусственными рационами; объектами исследования служили
животные и заключенные тюрем, среди которых пеллагра была очень распространена.
Голдберг добился некоторых успехов, сумев вызвать у собак аналогичное пеллагре
заболевание, характеризующееся почернением языка, и затем вылечить его
введением в рацион экстракта дрожжей. У заключенных после введения в их рацион
молока также исчезали симптомы пеллагры. Голдбергер решил, что в дрожжах и
молоке содержится витамин, предупреждающий развитие пеллагры, он назвал его
витамином РР (от pellagra-preventive»,
или «предупреждающий пеллагру»).
Итак,
Элвейем решил испробовать никотиновую кислоту для лечения пеллагры. Он добавлял
небольшие дозы этого вещества в рацион собакам, страдающим почернением языка, и
наблюдал при этом улучшение их состояния. Увеличение дозы никотиновой кислоты
приводило к полному выздоровлению животных. Значит, предположение было
правильным: никотиновая кислота — это витамин, тот самый витамин РР,
существование которого предполагал Голдбергер.
Страницы: 1, 2, 3
|
|
