Окислительный распад и восстановление аскорбиновой кислоты
Аскорбиновая кислота (I) окисляется обратимо до дегидроаскорбиновой кислоты (II) и далее в необратимое состояние. В процессе обратимого самоокисления L-аскорбиновой кислоты в дегидроаскорбиновую при температуре жидкого воздуха и освещении ультрафиолетовыми лучами было выделено промежуточное лабильное соединение, которое оказалось монодегидроаскорбиновой кислотой (1а) или свободным радикалом аскорбиновой кислоты. При медленном самоокислении L-аскорбиновой кислоты был выделен промежуточный комплекс монодегидроаскорбиновой кислоты [ 3].
Необратимое самоокисление аскорбиновой кислоты протекает в растворе аэрированного калий — фосфатного буфера pH 6,06 при 30°С согласно скорости реакции первого порядка с Kv = 7,37*10-2 М в минуту и заканчивается в течение 35 минут. При варке пищи в присутствии кислорода и кислой среды L-аскорбиновая кислота разлагается до фурфурола (IV) с образованием промежуточного З-деокси-L-пентозана (III) (см.схему). Тот же процесс происходит при хранении кормов, содержащих аскорбиновую кислоту, но гораздо медленнее.
Подобное же разложение L-аскорбиновой кислоты происходит в растворе 5%-ной серной кислоты в более аэробных условиях с той разницей, что дегидратация предшествует декароксил ированию.
Распад L-аскорбиновой кислоты происходит при самоокислении и энзиматическом катализе:
В анаэробных условиях аскорбиновая кислота более устойчива. Однако длительное нагревание растворов аскорбиновой кислоты при 100° в анаэробных условиях вызывает декарбоксилирование. Ионы металлов катализируют анаэробное разложение. Причем из двухвалентных металлов наиболее активно катализирует свинец, а из трехвалентных — алюминий. [12]
Распад аскорбиновой кислоты самоокислением отличается от энзиматического тем, что продукты расщепления дикетогулоновой кислоты (V), образованной при самоокислении аскорбиновой, вызывали деполимеризацию гиалуроновой кислоты. Церулоплазмин — сывороточный 0.2-глобулин — обладает активностью аскорбиноксидазы. При окислении аскорбиновой кислоты церуплазмином деполимеризация гиалуроновой кислоты не наступает. В печени и почках многих животных был найден энзим, катализирующий декарбоксилирование дегидроаскорбиновой и дикетогулоновой кислот.
Продуктами реакции оказались L-ксилоновая (VI) и L-ликсоновая (VII) кислоты. При инкубации энзима, выделенного из гомогената печени с соединением (V) в аэробных условиях, были найдены также небольшие количества щавелевой (VIII) и треоновой (XI) кислот (см. схему).
При утомлении мышц происходит как обратимое, так и необратимое окисление L- аскорбиновой, а при покое дегидроаскорбиновая кислота обратно восстанавливается в аскорбиновую. Гемолизаты эритроцитов животных восстанавливают дегидроаскорбинову кислоту в аскорбиновую в присутствии глютатиона.
Аскорбиновая кислота принимает участие в следующих химических процессах:
участвует в окислительно-восстановительных процессах путем ее окисления в дегидроаскорбиновую кислоту. Аскорбиновая кислота служит как донором водорода в многочисленных восстановительных реакциях, так и промежуточным переносчиком электронов и протона в различных окислительно-восстановительных процессах;
участвует в гидроксилировании пролина в оксипролин при превращении проколлагена в основной белок соединительной ткани коллаген, в образовании мукополисахаридов соединительной ткани, гиалуроновой и хондроитинсерной кислот. Из хондроитинсерной кислоты образуется опорный белок хондромукоид;
участвует в микросомальном гидроксилировании ксенобиотиков, это может отнести его к группе экологопротекторов. Доказана способность аскорбиновой кислоты в составе комплексной терапии выводить из организма человека избыток свинца, нитрозаминов, мышьяка, бензолов, цианидов.
участвует в синтезе стероидных гормонов, нейромедиаторов, карнитина;
участвует в превращении фолиевой кислоты в ее активную форму – тетрагидрофолиевую кислоту;
участвует в обмене тирозина;
участвует в стимуляции макрофагов, индукции эндогенного интерферона;
активно участвует в реакциях свободнорадикального окисления и гидроксилирования;
в комбинации с Se и витаминами A, E выступает эссенциальным антиоксидантным энтеросорбентом, т.е. обеспечивает элиминацию СРК, продуцируемых микрофлорой кишечника.
Способствует окислению и выведению из организма холестерина, препятствует развитию экспериментального атеросклероза, снижая уровень холестерина в крови;
участвует в активации ряда ферментов;
Метаболизм аскорбиновой кислоты связан с обменом других витаминов. Отмечен синергизм действия витаминов С и В1, который возможно, объясняется сберегающим действием аскорбиновой кислоты на тиамин. Аскорбиновая кислота оказывает защитное действие также на пантотеновую и никотиновую кислоты, способствует ферментативному превращению фолиевой кислоты в ее активные, коферментные формы. Аскорбиновая кислота играет важную роль в обмене витамина Е в организме. Способствуя восстановлению молекул токоферола, подвергшихся окислению при их взаимодействии с активными свободнорадикальными формами кислорода.
Аскорбиновая кислота оказывает сберегающее влияние на ряд минеральных элементов. Например, аскорбиновая кислота восстанавливает трехвалентное железо в двухвалентное, которое значительно легче всасывается в кишечнике и связывается ферритином. Аскорбиновая кислота влияет на процесс созревания эритроцитов, образование гемоглобина. Способствует усвоению кальция.
Витамин С также признанный онкопротектор. Проведенные научные исследования показали, что содержание аскорбиновой кислоты, β- каротина и α – токоферола обратно пропорционально заболеваемости раком желудка. Аналогичные данные получены у больных раком кожи, лучевым кератозом, возникшим вследствие неблагоприятного воздействия ультрафиолетовой радиации.
Таким образом,аскорбиновая кислота играет фундаментальную биохимическую и физиологическую роль, участвует в окислительно-восстановительных процессах, тканевом дыхании, стимулирует рост, способствует нормальному развитию соединительной ткани, процессов регенерации и заживления, устойчивости к различным видам стресса, обеспечению нормального иммунного статуса организма, нормализации белкового, углеводного, жирового и холестеринового обменов, поддержанию процессов кроветворения. Аскорбиновая кислота регулирует функции нервной системы, стимулирует деятельность эндокринных желез, особенно надпочечников, улучшает антитоксическую функцию печени. Влияет на обмен многих витаминов, оказывает антиоксидантное действие.
Симптомы гиповитаминоза, авитаминоза.
Нормальное содержание аскорбиновой кислоты в крови составляет 28 мкмоль/л. Пограничный дефицит витамина С составляет 11 – 17 мкмоль/л в крови, выраженный дефицит возникает при концентрациях ниже указанных величин.
Гиповитаминоз С у человека может тянуться годами проявляясь неспецифическими симптомами: снижение умственной и физической работоспособности, вялость, ощущение общей слабости, повышенная заболеваемость острыми респираторно вирусными инфекциями. Нередки – повышенная чувствительность к холоду, зябкость, сонливость или, наоборот плохой сон, депрессия, снижение аппетита.
Наиболее ранним специфическим клиническим микросимптомом дефицита витамина С является точечное кровоизлияние на коже (петехии), обусловленное сниженной резистентностью капилляров.
Переход гиповитаминоза в авитаминоз (цингу) сопровождается усилением приведенных проявлений заболевания, развитием выраженной кровоточивости из-за нарушения синтеза коллагена в сосудистой стенке. При авитаминозе С отмечаются перифолликулярный гиперкератоз, боли в ногах, петехийная сыпь, кровоизлияния в окружности волосяных фолликулов, раньше всего на нижних конечностях в области голеней, стоп, вокруг коленных суставов, на задних частях бедер, на местах травм и сдавливаний краями чулок, одежды, белья, обуви. Возникают подкожные и внутримышечные кровоизлияния в области икр, лодыжек и предплечий, серозно-геморрагические выпоты, чаще в коленные суставы, плевральную полость и т.д. Все эти явления примерно в 75 % случаев сопровождаются лихорадочной и субфебрильной температурой. Прогрессирует артериальная гипотония, развивается сердечная недостаточность. Наблюдается умеренная гипохромная анемия, резко снижается сопротивляемость организма к различным инфекциям.
Наряду с кровоизлияниями при цинге средней тяжести развиваются гипохлоргидрия или ахлоргидрия, вначале запор, а затем диарея.
Длительный хронический недостаток аскорбиновой кислоты может способствовать нарушению жирового, холестеринового обмена, образованию конкрементов в желчевыводящих путях.
Биотин синтезируется микрофлорой кишечника.
Тем не менее, вариабельная биологическая доза биотина: от 30 до 100 мкг/сутки для взрослых и от 10 до 30 мкг/сутки для детей. Введение понятия вариабельной биологической дозы биотина обусловлено результатами исследования, проведенного комиссией по питанию и лекарствам США (Food and Drag Administration) на здоровых волонтерах. Здоровые волонтеры принимали в сутки от 30 до 100 мкг/сутки биотина, при этом одним донорам было достаточно 30 мкг/сутки биотина, чтобы признаки дефицита не развивались, у других доноров лишь доза 100 мкг/сутки биотина позволяла нивелировать признаки гиповитаминоза (Подколозин А.А., Гуревич К.Г., 2002). Потребность в биотине для различных групп населения представлена в приложении (приложение 3.2.).
Содержание в продуктах питания: Биотин содержится во всех пищевых продуктов, особенно богаты им (мкг/100 г) печень — 200 и почки – 250. Содержание биотина в яичном желтке – 30, в коровьем молоке — 5 мкг/100 г.
Из растительных продуктов – рожь – 46, цветная капуста – 17, бобовые, орехи.
В процессе кулинарной обработки биотин практически не разрушается.
Сырой яичный белок содержит антивитаминный фактор – авидин, который соединяется в кишечнике с биотином и делает этот витамин недоступным для усвоения.
Основная биологическая роль витамина Н связана с тем, что он входит в состав ферментов, участвующих в метаболизме глюкозы: пируватдегидрогеназы и транскетолазы (Bender, 1999).
Биотин способствует образованию жирных кислот, поддерживает метаболизм аминокислот и углеводов, нормальное функционирование потовых желез, нервной ткани, костного мозга, мужских семенных желез, клеток кожи и волос, минимизирует симптомы дефицита цинка.
Дефицит витамина в организме может возникнуть при нарушениях пищеварения, обусловленных атрофией слизистой оболочки желудка и кишечника, а также микробном эффекте длительного применения антибиотиков и сульфаниламидных препаратов.
Кожные покровы и слизистые:шелушение кожи головы, лица, рук, ног, диффузное выпадение волос. Возможно развитие конъюнктивита.
Нервная система:утомляемость, сонливость, ощущение вялости, разбитости, депрессии. Синдром Вернике — Корсакова.
Пищеварительная система: снижение аппетита, тошнота, реже – рвота, увеличение печени.
Позже может присоединиться анемия.
Дефицит биотина у беременных может приводить к тератогенным эффектам у плода.
Нарушение метаболизма и толерантности к глюкозе. Повышение уровня холестерина в сыворотке крови и некоторое повышение желчных пигментов.
При дефиците биотина возможно появление мышечных болей.
Витамин А (ретинол). К витаминам группы А относятся соединения, производные β –ионона, обладающие биологической активностью ретинола. Наиболее важными и широко распространенными из них являются: сам ретинол (витамин А), ретиналь и ретиноевая кислота. Провитаминами А являются каротины, из которых наибольшей биологической ценностью обладает β – каротин.
Потребность. Биологическую активность витамина А можно выразить в международных единицах (МЕ). Установленная суточная потребность в витамине А в США выше чем в России и составляет 5000 МЕ, или 1,5мг чистого витамина, в России 3300МЕ. 1МЕ витамина А соответствует биологической активности 0,3 мкг ретинола.
В России нормы суточного потребления витамина А выражают в ретиноловом эквиваленте (мг или мкг ретинола). 1мкг ретинолового эквивалента равен 1мкг ретинола или 6 мкг β – каротина.
При расчете НППВ витамина А ФАО/ВОЗ был использован метод измерения количества пищевого витамина А, необходимого для накопления и поддержания организмом определенных запасов витамина в печени.
Нормы потребностей в витамине А для различных групп населения по различным рекомендациям представлены в приложениях (приложение 1.1; 1.2; 2.8; 3.2).
Активность каротина в 2 раза меньше, чем витамина А, и каротин лишь на 30 – 40 % всасывается в кишечнике. Поэтому в расчетах при оценке пищевого рациона для перевода каротина в витамин А его количество делят на 6.
У детей потребность в витамине А по отношению к единице массы тела выше, чем у взрослых; запасы витамина А у детей незначительны и способность их накапливать его ниже, чем у взрослых, но абсолютная потребность с возрастом увеличивается.
Потребность в витамине А у человека почти не зависит от пола, однако у женщин при беременности и лактации она увеличивается. В отношении воздействия физических нагрузок четких данных нет. Данные о влиянии климата разноречивы. Однако, в последние годы получены данные о прямой зависимости развития дефицита витамина А у людей при длительном пребывании на солнце (WHO).
Потребность в витамине А повышается при недостатке в рационе белков. Длительный дефицит полноценных белков в рационе нарушает усвоение витамина А, переход каротина в витамин А, поскольку белковая недостаточность приводит к нарушению синтеза ретинол-связывающего белка, процессов всасывания и транспорта ретинола.
Усвоение каротина в значительной степени зависит от состояния эндокринной системы, особенно щитовидной железы, а также от состояния печени и желчевыводящих путей, секреторной функции поджелудочной железы и тонкого кишечника.
Повышается потребность в витамине А у работающих в горячих цехах металлургического производства до 2мг/сутки.
Содержание в продуктах питания:
Витамин А широко распространен в природе и присутствует в пищевых продуктах в виде эфиров, а также в виде провитаминов.
К продуктам животного происхождения богатых витамином А относят печень рыб (печень трески 4 мг/100 г), говяжью печень 8 мг/100 г, свиную печень 3,4 мг/100 г, рыбий жир 19 мг/100 г. Сливочное масло, сыр, яичный желток. Меньше витамина А содержится в мышечной ткани рыб, молоке и кисломолочных продуктах. Мясо животных более бедно витамином А.
Провитамин А содержится в растительных продуктах и представлен каротиноидами (α- и β – каротины, ликопин, криптоксантин и другие), большая часть которых превращается в организме в витамин А. Из каротиноидов наиболее распространен в природе и обладает наибольшей биологической активностью β – каротин. Он локализован в зеленых частях растений, а также в плодах и овощах, имеющих оранжевый цвет, в водорослях, грибах, бактериях. Каротин наряду с витамином А содержится также в органах и тканях человека и животных. Молоко животных содержит β – каротин только в тех случаях, когда животные едят корма богатые им. Процесс разрушения каротина в продуктах и кормах тем интенсивнее, чем выше соотношение его и нитритов.
Основным источником ликопина и криптоксантина являются томаты и кукуруза.
Степень усвоения каротина из растительной пищи зависит от полноты разрыва клеточных оболочек. Каротин, содержащийся в пюре из моркови, усваивается лучше, чем из целой вареной и сырой моркови. Усвоение каротина из мелко натертой моркови выше (до 20%), чем из крупно натертой (до 5 %). При добавлении масла к мелко натертой моркови усвояемость каротина увеличивается до 50 – 70 %.
Потери ретинола при тепловой обработке колеблются от 0 до 40 %, каротина от 0 до 30%. Ретинол и каротин разрушаются в значительной степени под влиянием света, воздуха, нейтральной или щелочной среды.
Всасывание ретинола улучшается при поступлении его одновременно с жирной пищей. Тем не менее продукты прогоркания жиров, в частности перекиси, образующиеся при окислении ненасыщенных жирных кислот оказывают отрицательное влияние на усвоение каротина и витамина А.
Наличие в рационе природного антиоксиданта витамина Е предохраняет ретинол от окисления и способствует более полному всасыванию его в кишечнике.
Содержание витамина А в различных продуктах питания представлено в приложении
Эфиры ретинола, поступающие с пищей в организм, расщепляются в желудочно-кишечном тракте с освобождением ретинола, всасываются и поступают в печень. Транспорт ретинола обеспечивают специфические глобулины или преальбумины, которые предохраняют его от фильтрации в почечных клубочках. При гипопротеинемии возрастают потери ретинола с мочой, и нарушается его транспорт из кишечника в ткани.
Поступающий в организм с продуктами питания каротин всасывается более медленно. Для его абсорбции в кишечнике необходимо присутствие желчи и абсорбируемых жиров. Превращение β – каротина в витамин А происходит в основном в стенке тонких кишок. При этом β – каротин переходит в витамин А не полностью, а лишь на 60 — 80%.
В организме ретинол окисляется в ретиналь и ретиноевую кислоту под влиянием соответствующих дегидрогеназ. Основным депо витамина А в организме является печень, содержащая значительные количества этого витамина, главным образом в форме ретинилпальмитата (резерв может быть рассчитан на 500 дней). Уменьшают запасы – алкоголь, канцерогены, сильное уменьшение в диете белка. При необходимости ретинол освобождается из эфирсвязанной формы и секретируется в кровоток со специфическим ретинолсвязывающим белком (РСБ).
Роль витамина А в организме связана:
с процессами размножения и роста. Это значение витамина обусловлено его влиянием на развитие сперматогенного эпителия и плаценты. Витамин А участвует в формировании скелета;
с процессами дифференцировки эпителиальной и костной тканей. Значение обусловлено функцией ретиноевой кислоты, регулирующей эти процессы на уровне соответствующих клеточных рецепторов;
с процессами поддержания иммунологического статуса;
с процессами поддержания функции зрения (фоторецепция). Необходимость витамина А для процессов зрения определяется его участием в построении зрительного пигмента родопсина. Распад родопсина под влиянием поглощенного кванта света играет существенную роль в механизме возникновения зрительного ощущения. Ресинтез родопсина и увеличение его содержания в сетчатке обеспечивают адаптацию глаза к пониженной освещенности (темновая адаптация);
с участием в метаболизме липидов, путем руководства перекисным окислением. В сочетании с витамином С витамин А вызывает уменьшение липоидных отложений в стенках сосудов и снижает содержание холестерина в организме;
с участием в обмене аминокислот, углеводов, в образовании белка в тканях.
Витамин А обнаружен в составе ряда биологических мембран, причем как его дефицит, так и введение в избыточных количествах ведут к значительным изменениям их свойств.
В последние годы показана многообразная роль витамина А, а именно ретиноевой кислоты в предупреждении развития рака. Данные о профилактической роли каротиноидов, и, в частности, β – каротина, при злокачественных новообразованиях дискутабельны. Однако есть указания, на то что часть β каротина, который не превращается в организме в витамин А выполняет особые защитные функции: снижает канцерогенный риск от облучения, табачного дыма и других канцерогенов, а также снижает риск преждевременного старения.
Таким образом, витамин А влияет на рост и развитие организма, формирование скелета и нормальное существование клеток эпителия кожи и слизистых оболочек глаз, дыхательных, пищеварительных и мочевыводящих путей. Витамин А обеспечивает функцию зрения, повышает сопротивляемость организма к инфекциям, оказывает антиоксидантное и противоопухолевое действие, влияет на состояние мембран клеток, тканевое дыхание и энергетический обмен, воздействует на обмен углеводов, липидов, аминокислот, образование белков в тканях и гормонов коры надпочечников, на функции половых и щитовидных желез.
II. Витамины, влияющие на окислительно-восстановительные процессы.
Витамин С– аскорбиновая кислота, антискорбутный, антиинфекционный.
В значительных количествах содержится в овощах, фруктах, ягодах, черной смородине.
Гиповитаминоз. Цинга или скорбут: утомляемость, сухость кожи, геморрагии, гингивит с кровоточивостью десен, выпадение зубов, угнетение иммунитета.
Участвует в ОВП: аскорбиновая кислота окисляется в дегидроаскорбиновую кислоту, что сопровождается переносом водорода и восстановлением окисленных субстратов.
Активирует синтез аминокислоты оксипролина, которая входит в состав основного вещества соединительной ткани – коллагена.
Активирует функцию надпочечников: увеличивает выработку глюкокортикоидов.
Обладает противовоспалительной активностью:
– укрепляет сосудистую стенку
– снижает сосудистую проницаемость
Обладает антиинфекционной активностью, что связано с антибактериальным действием и активацией фагоцитоза, системы интерферона и лизоцима.
Оказывает антитоксическое действие.
Обладает иммуностимулирующей активностью: увеличивает синтез интерферона, лизоцима, иммуноглобулинов.
Обладает антигеморрагической активностью: способствует синтезу гиалуроновой кислоты, снижает проницаемость сосудистой стенки, угнетает гиалуронидазу.
Оказывает противоаллергическое действие: препятствует освобождению гистамина и увеличивает синтез ГКГ.
Облегчает всасывание железа из ЖКТ, его транспортировку и включение в гем, т. к. восстанавливает негеминовое 3-валентное железо в 2-валентное.
Для профилактики гиповитаминоза.
Для лечения инфекционных заболеваний.
При гипо- и гиперхромных анемиях (переводит фолиевую кислоту в активную форму – тетрагидрофолиевую).
У ослабленных детей, с пониженным иммунитетом для профилактики ОРВИ и гриппа.
При интоксикациях и отравлениях.
Воспалительные и аллергические реакции.
В комплексном лечении атеросклероза, лучевой болезни, при вялотекущих регенеративных процессах.
Гипергликемия и глюкозурия, т. к. нарушается поступление глюкозы в ткани и повреждается островковый аппарат поджелудочной железы.
Повышает возбудимость ЦНС, нарушается сон, увеличивает АД.
Прерывание беременности в результате повышенного синтеза эстрогенов (беременным только физиологические дозы!).
витамин РР – никотиновая кислота, никотинамид. Содержится в гречке, молоке. Никотинамид образуется в организме из триптофана.
Гиповитаминоз (пеллагра): диарея, дерматит, деменция, глоссит, гастрит, дистрофия.
Фармакодинамика.Входит в состав никотинамидадениндинуклеотида (НАД) и никотинамидадениндинуклеотид фосфата (НАДФ), которые являются коферментами дегидрогеназ, участвующих в дыхании тканей и метаболических процессах.
Регулирует синтез белков, жиров, распад гликогена.
Увеличивает активность фибринолитической системы и снижает агрегацию тромбоцитов (уменьшает образование ТХА2).
Обладает антиатерогенной активностью, уменьшает синтез ЛПОНП и увеличивает образование ЛПВП (липопротеиды).
Способствует освобождению гистамина и активации системы кининов.
Витамин РР расширяет сосуды и улучшает микроциркуляцию.
В комплексном лечении атеросклероза.
Облитерирующий эндартериит, болезнь Рейно, мигрень, дисциркуляторная энцефалопатия в комплексе с другими препаратами (пикамилон, никоверин, никошпан, ксантинола никотинат).
Гастриты с пониженной секрецией.
Связаны с активацией гистамина (расширение сосудов кожи и покраснение, чувство жара, тахикардия, снижение АД, крапивница, зуд).
Окислительно-восстановительные превращения аскорбиновой кислоты и ее антиоксидантные функции
Аскорбиновая кислота — белое кристаллическое, очень кислое на вкус вещество без запаха. Вопреки своему названию она не имеет карбоксильной группы и своими кислотными свойствами обязана ендиольному фрагменту, в котором гидроксильная группа при третьем углеродном атоме легко отдает протон и имеет константу диссоциации (рК^ равную 4,17. Таким образом, при pH выше 4,17 аскорбиновая кислота находится преимущественно в диссоциированном состоянии (рис. 38). Аскорбиновая кислота хорошо растворима в воде, в 10 раз хуже растворима в спирте, не растворима в масле и органических растворителях. В диссоциированной форме она поглощает ультрафиолет с максимумом при 265 нм, а в недиссоциированной (то есть при pH ниже 4) — при 245 нм.
Аскорбиновая кислота стабильна в сухом виде и в кислой среде, а в нейтральных и слабощелочных растворах она быстро окисляется. В результате одноэлектронного окисления АК превращается в монодегидроаскорбиновую кислоту (МДАК) — вещество, представляющее собой свободный радикал (рис. 39). Этот радикал не вызывает
Рис. 38. Реакция диссоциации аскорбиновой кислоты (по: Streller, Roth, 2009) цепной свободнорадикальной реакции, так как он относительно инертен для радикала. Стабильность ему придает делокализация электронного облака. Тем не менее МДАК недостаточно стабильна, чтобы накапливаться в значительных количествах при окислении АК. Этот радикал димеризуется. Одна молекула в димере передает электрон другой. В результате такой реакции диспропорционирования донирующая электрон молекула МДАК окисляется глубже, превращаясь в дидегидроаскорбино- вую кислоту (ДАК), а другая молекула МДАК восстанавливается до АК. Затем димер распадается: 2 МДАК АК + ДАК. Равновесие этой химической реакции сильно сдвинуто вправо, поэтому содержание АК и ДАК в клетках в тысячи раз превышает содержание МДАК.
Восстановительный потенциал для пары МДАК/АК составляет 0,166 В. Таким образом, АК отвечает критериям первичного антиоксиданта: имеет невысокий восстановительный потенциал, то есть является донором электронов, а возникающий при ее окислении свободный радикал обладает низкой реактивностью.
В клетках и растений, и животных существуют механизмы регенерации окисленной аскорбиновой кислоты. У растений МДАК восстанавливается следующими способами:
- 1) в хлоропластах МДАК восстанавливается в фотосистеме I, принимая электроны от ферредоксина, то есть в результате работы электрон-транспортной цепи (см. рис. 2);
- 2) апопластная МДАК может восстанавливаться за счет электронов электрон- транспортной цепи плазмалеммы (см. рис. 43);
- 3) восстановление МДАК может происходить при окислении ЫАЭН с участием специфических редуктаз. Редуктазы МДАК обнаружены в разных клеточных ком- партментах: в хлоропластах, митохондриях, пероксисомах, цитозоле.
ДАК также подвергается химическим превращениям. Она может быть восстановлена до АК с помощью редуктазы ДАК в результате окисления трипептида глутатиона. Если ДАК не восстанавливается, то она быстро подвергается спонтанной или ферментативной делактонизации, превращаясь в 2,3-дикетогулоновую кислоту (рис. 39). Дальнейшие преобразования приводят к разрыву углеродного скелета между С2 и СЗ либо между С4 и С5. Важнейшими продуктами окислительного распада
Рис. 39. Реакции окисления аскорбиновой кислоты (по: Streller, Roth, 2009).
АК — восстановленная аскорбиновая кислота, ДАК — дидегидроаскорбиновая кислота, ДКГК — 2,3-дикетогулоновая кислота, МДАК — монодегидроаскорбиновая кислота
ДАК являются щавелевая и винная кислоты. Таким образом, аскорбиновую кислоту можно рассматривать как основной метаболический предшественник этих соединений.
В клетках аскорбиновая кислота выполняет целый ряд важных антиоксидантных функций:
1) обрывает цепные реакции окисления органических соединений:
2) прямо реагирует с АФК, например с гидроксил-радикалом:
Особенно детально охарактеризована способность аскорбиновой кислоты к детоксикации озона (03), происходящей в клеточных стенках растений;
- 3) АК может восстанавливать другие важные антиоксиданты — фенольные вещества и витамин Е. Благодаря способности восстанавливать витамин Е аскорбиновая кислота, хоть и является гидрофильным соединением, фактически препятствует окислению мембранных липидов (рис. 40);
- 4) АК служит субстратом аскорбатпероксидазы — основного фермента, с помощью которого в тканях растений удаляется пероксид водорода:
Рис. 40. Механизм торможения аскорбиновой кислотой пероксидации липидов (по: Бгагка е. а., 2012)
Аскорбатпероксидаза была открыта в 1979 г. Это один из важнейших ферментов антиоксидантной защиты растений.
Аскорбатпероксидаза (ЕС 1.11.1.11) относится к I классу гемсодержащих перокси- даз. Пероксидазы I класса — внутриклеточные ферменты, которые, в отличие от экс- траклеточных пероксидаз III класса (то есть от гваяколпероксидаз, подробно рассмотренных в разделе 1.5), не имеют сигнального пептида, адресующего белки в клеточную стенку, и дисульфидных мостиков, не содержат Са 2+ . Аскорбатпероксидазы выявлены у широкого круга растительных организмов, от зеленых водорослей до цветковых. Кроме того, они обнаружены у красных водорослей и у некоторых протистов.
У хлорофитовых в геноме обычно содержится 2-3 гена, кодирующих аскорбат — пероксидазы, у споровых — не более 7, у хвойных — до 4, у арабидопсиса — 9: два в цитозоле, два в пероксисомах, один стромальный, один связанный с мембраной ти- лакоида, один в полости тилакоида, локализация двух оставшихся неизвестна. У риса 8 генов кодируют аскорбатпероксидазы, локализованные в пероксисомах, хлоропла- стах, митохондриях и цитозоле.
Отличить в гомогенате активность аскорбатпероксидазы от активности гваякол- пероксидазы непросто. Дело в том, что гваяколпероксидаза в присутствии фенольных веществ также будет окислять аскорбат. Почему? Она окисляет фенолы до феноксиль- ных радикалов (РЬО*, см. рис. 6), а феноксильные радикалы, подобно витамину Е, восстанавливаются, окисляя аскорбиновую кислоту. Следовательно, если в среде преобладает аскорбиновая кислота, то окисляется только она, а фенольные вещества играют роль кофакторов, не изменяясь в итоге такой реакции. В отсутствие фенольных соединений гваяколпероксидаза не может окислить аскорбат. Если очистить экстракт от фенольных соединений, то окисление аскорбиновой кислоты пероксидом водорода будет происходить только с помощью аскорбатпероксидазы. Однако очистить растительный экстракт от фенолов трудно. Поэтому обычно для различения этих активностей используют ингибиторный анализ.
Активность аскорбатпероксидазы подавляется пара-хлормеркурибензоатом (р-сЫоготегсипЬепгоа1е — РСМВ) и другими ингибиторами, взаимодействующими с БН-группами белков, так как в ее активном центре находится остаток цистеина. Гваяколпероксидаза к этим ингибиторам не чувствительна. Поэтому активность аскорбатпероксидазы в растительном экстракте определяют как разность скоростей окисления аскорбиновой кислоты пероксидом водорода в отсутствие и в присутствии РСМВ.
Аскорбатпероксидазы быстро разрушаются, если концентрация их субстрата оказывается ниже 20 мкМ, причем наиболее уязвимы хлоропластные и митохондриальные ферменты. В отсутствие аскорбата в среде цитозольные и пероксисомные ферменты теряют половину своей активности примерно за час, а хлоропластные и митохондриальные — за 30 с.
У растений кроме аскорбатпероксидазы есть еще один фермент, специфическим субстратом которого служит аскорбат. Этот фермент — аскорбатоксидаза, которая катализирует следующую реакцию:
Аскорбатоксидаза относится к семейству голубых, медьсодержащих оксидаз. К этому же семейству медьсодержащих белков относятся полифенолоксидазы, пла- стоцианин электрон-транспортной цепи хлоропластов, церулоплазмин плазмы крови человека и млекопитающих. В организме человека в церулоплазмине сосредоточена большая часть меди. Этот белок обладает слабой аскорбатоксидазной активностью.
Аскорбатоксидаза — гликозилированный гомодимер, в каждой субъединице которого находится 4 иона меди, то есть в сумме 8. Этот фермент есть у всех изученных растений. Особенно активна она у тыквенных (огурец, тыква, дыня) и пасленовых (табак). Фермент сосредоточен в клеточной стенке. Результаты опытов с трансгенными растениями доказали, что аскорбатоксидаза регулирует соотношение АК/ДАК в апопласте. Так, в норме в клеточных стенках табака АК составляет 40% от суммарного аскорбата (АК +ДАК), у растений с подавленной активностью аскорбатоксида- зы — 70%, а у растений со сверхэкспрессией аскорбатоксидазы — 3%.
Таким образом, аскорбиновая кислота выполняет целый ряд важных антиоксидантных функций. Поэтому ее дефицит в нашем организме приводит к окислительному стрессу, повышает вероятность возникновения онкологических и сердечно-сосудистых заболеваний, катаракты. Кроме антиоксидантных у АК есть и другие функции. Рассмотрим важнейшие из них.
Водорастворимые витамины. Витамин С (аскорбиновая кислота) участвует во многих обменных процессах, окислительно-восстановительных реакциях
Витамин С (аскорбиновая кислота) участвует во многих обменных процессах, окислительно-восстановительных реакциях, тканевом дыхании, обмене аминокислот, синтезе нуклеиновых кислот, поддержании проницаемости капилляров. Витамин С непосредственно связан с белковым обменом — при дефиците его снижается использование белка и потребность в нем возрастает Он стимулирует образование проколлагена и переход его в коллаген, что играет важную роль для нормального состояния стенок капилляров и сохранения их эластичности. Витамин С способствует увеличению запасов гликогена в печени и повышению ее антитоксической функции, усвоению железа и нормальному кроветворению, стимулирует процесс роста, регулирует обмен холестерина и кортикостероидных гормонов, положительно влияет на функции нервной и эндокринных систем, стимулирует иммунитет, повышает сопротивляемость организма при инфекционных заболеваниях и экстремальных воздействиях, препятствует образованию в организме нитрозоаминов – сильнейших канцерогенов.
При недостатке витамина С в пище снижается умственная и физическая работоспособность, сопротивляемость организма к инфекциям, могут возникать поражения десен и т.д. При далеко зашедшем гиповитаминозе С может появиться цинга, для которой характерны разрыхление, опухание, кровоточивость десен и выпадение зубов, мелкие подкожные кровоизлияния и т.д.
Организм человека в отличие от подавляющего большинства животных не способен синтезировать витамин С и все необходимое количество получает с пищей, главным образом с овощами, фруктами и ягодами. Очень много витамина С содержится в свежем шиповнике (до 2000 мг%), красном сладком перце (250 мг%), черной смородине и облепихе (200-250 мг%), в петрушке (150 мг%), меньше в капусте, шпинате (50-70 мг%), апельсинах лимонах, мандаринах, красной смородине (40-60 мг%), картофеле (10-20 мг%)., зеленом луке, зеленом горошке, яблоках (6-16 мг%).
Витамин С самый нестойкий витамин. Он легко разрушается при нагревании, воздействии кислорода воздуха, солнечного света, длительном хранении. Так, при варке очищенного картофеля, погруженного в холодную воду, теряется 30-60% витамина С, погруженного в горячую — 25-30%, при варке в супе — 50%, При варке капусты разрушается до 40% витамина С, при тушении — до 70%. Варка картофеля в кожуре сокращает потери витамина в 2 раза, по сравнению с варкой очищенного.
Оптимальная потребность в витамине С для взрослого человека 60-70 мг в сутки. Профилактические дозы до 150 мг и более.
При длительном поступлении больших доз (1-2 г/сутки) витамина С возникает гипервитаминоз. Он характеризуется бессонницей, раздражительностью, жаром, отложением камней в почках из-за накопления щавелевой кислоты (продукт распада аскорбиновой кислоты). Могут возникнуть нарушения в генетическом аппарате клеток. Чрезмерное поступление витамина С крайне опасно в первые недели беременности, т.к. может спровоцировать выкидыш.
Витамин В1 (тиамин) относится к серосодержащим веществам, биологическая роль тиамина состоит в его участии в обмене углеводов, белков и жиров. Чем выше уровень потребления углеводов, тем больше требуется тиамина, т.к при его недостатке происходит неполное сгорание углеводов и накопление молочной и пировиноградной кислот. Витамин В1 участвует в превращениях ацетилхолина (химического передатчика нервного возбуждения), повышает двигательную и секреторную функцию желудка, нормализует работу сердца, функцию центральной и периферической нервной системы. При отсутствии тиамина, может возникнуть В1 авитаминоз (бери-бери). Он обнаруживается у людей, употребляющих рафинированные углеводы (сахар, кондитерские, хлебобулочные изделия из муки высших сортов и др.), которые бедны тиамином. Характеризуется В1-гиповитаминоз быстрой утомляемостью, мышечной слабостью, потерей аппетита, беспокойством, головными болями, ухудшением памяти, гипотонией, тахикардией, снижением функции желудочно-кишечного тракта.
Тиамин содержится в продуктах животного и растительного происхождения. Основным источником его являются зерновые продукты не освобожденные от оболочек и зародыша (хлебобулочные изделия из муки низших сортов), содержащие 0,4-0,8 мг% тиамина. Мало тиамина содержится в большинстве овощей (0,02-0,1 мг%), фруктов (0,01-0,06 мг%), в хлебе из муки высшего сорта (0,11 мг%). При тепловой обработке теряется 20-40% этого витамина.
Суточная потребность в витамине В1 для взрослого человека составляет 1,5-2,5 мг.
Витамин В2 (рибофлавин) участвует в окислительно-восстановительных реакциях, является составной частью дыхательных ферментов (флавопротеидов), транспортирующих кислород тканям, способствует. Рибофлавин нормализует состояние вегетативной нервной системы, состояние кожи и слизистых оболочек, стимулирует образование эритроцитов, регулирует работу печени. Он благоприятно влияет на сетчатку глаза, усиливает световое и цветовое ощущения, повышает темновую адаптацию. При недостатке рибофлавина поражаются слизистые оболочки полости рта, кожи и глаз; отмечается сухость, шелушение и кровоточивость губ (хейлоз); стоматит, язвочки в полости рта (глоссит); снижение остроты зрения.
Источниками витамина В2 служат животные (до 60%) и растительные продукты (около 40%). Удовлетворение суточной потребности в этом витамине осуществляется в основном за счет молочных продуктов, хлеба, мяса, яиц. В мясе содержится около 0,2 мг% рибофлавина, в яйцах — 0,4 мг%, в твороге — 0,3 мг%, сыре — 0,4 мг%, в бобовых — 0,15 мг%, в хлебе из муки грубого помола — 0,1 мг%. Большинство овощей и фруктов содержат витамина В2 в пределах 0,01-0,06 мг%. При тепловой обработке продуктов теряется от 15 до 30% рибофлавина.
Суточная потребность в витамине В2 для взрослого человека составляет около 1,5-2,4 мг.
Витамин В6 (пиридоксин)участвует в обмене аминокислот, фосфорилировании гликогена в печени, способствует усвоению тканями белков и ПНЖК, усиливает образование витамина РР из триптофана, оказывает благотворное влияние на нервную систему, печень, кроветворение, на кислотообразующую функцию желудка.
Гиповитаминоз В6 встречается редко, т.к. он содержится во многих пищевых продуктах. Гиповитаминоз может возникать при грубых нарушениях рационального питания, при токсикозе у беременных, у больных атеросклерозом, при хронических заболеваниях печени. Он характеризуется нервно-психическими расстройствами (депрессия, раздражительность и др.), дерматитами, полиневритами, гипертрофией сосочков языка и трещинами на языке («географический язык«). Витамин В6 может частично синтезироваться в кишечнике микрофлорой. Однако при приеме антибиотиков (в том числе пищевых консервантов) жизнедеятельность их подавляется и может возникнуть недостаточность пиридоксина.
Наиболее богаты витамином В6 фасоль и соя (0,9 мг%), мясные продукты (0,3-0,4 мг%). В рыбе и большинстве овощей и фруктов его содержится меньше — 0,1-0,2 мг%.
Потребность взрослого человека в витамине В6 составляет около 1,8-2,0 мг в сутки. Чем больше поступает белков с пищей, тем больше требуется пиридоксина. Потребность в нем также возрастает при болезнях кишечника и печени, токсикозах беременности, почечнокаменной болезни с оксалурией (соли щавелевой кислоты), анемиях и др.
Витамин В12 (цианкобаламин) выделен впервые из сырой печени. Основное значение витамина В12 заключается в его антианемическом действии. В качестве кофермента он участвует в обмене нуклеиновых кислот, аминокислот, в процессах кроветворения, у детей активизирует рост. Обладает липотропными свойствами, стимулирует образование метионина и холина, превращение каротина в витамин А. Поступающий с пищей витамин В12 связывается с вырабатываемым в желудке особым белком (внутренний фактор Касла), благодаря чему всасывается в кишечнике. Без этого фактора всасывается только 1 % витамина В12. Поэтому при атрофических гастритах часто наблюдается В12–дефицитная анемия (злокачественное малокровие).
Витамин В12 содержится только в животных продуктах, в растительных продуктах и дрожжах он отсутствует. Поэтому дефицит его наблюдается при длительной строго вегетарианской диете. Наиболее высоким содержанием витамина В12 отличается говяжья печень (60 мкг%) и почки (25 мкг%). В мясе содержится 2-4 мкг% витамина В12, в рыбе — 1-3 мкг%, в молоке — 0,4 мкг%, сырах — 1-2 мкг%.
Потребность взрослого человека составляет 3 мкг (0,003 мг) витамина В12 в сутки.
Витамин РР (ниацин) входит в состав ферментов клеточного дыхания (дегидрогеназ), обмена углеводов, белков и липидов. Регулирует высшую нервную деятельность, органы пищеварения, сердечно-сосудистую систему. В животных тканях ниацин содержится преимущественно в виде никотинамида. Другой представитель ниацина — никотиновая кислота имеет такую же биологическую активность, как никотинамид, но обладает более выраженными сосудорасширяющими свойствами.
Случаи проявления недостаточности ниацина (крайнее ее проявление пеллагра) встречаются в основном у взрослого населения в сельской местности, питающегося преимущественно зерновыми продуктами. Это связано с тем, что в зерновых продуктах, особенно в кукурузе, большая часть ниацина находится в связанной форме (ниацитин), которая не усваивается организмом Она становится доступной только после тепловой или щелочной обработки. Связанная форма ниацина отсутствует в бобовых и животных продуктах. Провоцирует проявление недостаточности витамина РР солнечная радиация.
Витамин РР может синтезироваться в организме человека из триптофана, входящего в состав белков. Поэтому включение высокобелковых продуктов снижает потребность в этом витамине.
Установлено, что из 60 мг триптофана образуется 1 мг ниацина. В связи с этим потребность в этом витамине выражают в ниациновом эквиваленте, учитывающем содержание триптофана.
Потребность в ниацине в основном удовлетворяется мясными продуктами — в птице 6-8 мг%, говядине — около 5 мг%, свинине — 3 мг%, печени — 9-12 мг%. В хлебе пшеничном из муки грубого помола содержится 3 мг% витамина РР, гречневой крупе – 4 мг%, бобовых — 2 мг%, в хлебопекарных прессованных дрожжах — 40-50 мг%. В зерновых продуктах значительная часть витамина РР находится в трудноусвояемой форме. Если пересчитать витаминную ценность с учетом содержания триптофана, то молоко, содержащее мало ниацина (0,1 мг%) за счет триптофана (50 мг% обладает уже заметным ниациновым эквивалентом — 0,94 мг%. В говядине содержится 4,7 мг% витамина РР и 210 мг% триптофана, ниациновый эквивалент равен 8,2 мг%.
Витамин РР относительно устойчив к тепловой кулинарной обработке — разрушается обычно около 20% витамина.
Потребность взрослого человека в ниацине или его эквиваленте составляет 15-20 мг в сутки.
Фолацин (фолиевая кислота, витамин Вс). Производные фолиевой кислоты называются фолатами, поэтому фолацин иногда обозначают термином «фолаты». Фолацин, как и витамин В12, в качестве кофермента участвует в синтезе нуклеиновых кислот и метаболизме аминокислот. Фолацин. необходим для нормального кроветворения, процессов роста, течения беременности и развития плода.
Особенно богаты фолацином печень, а также зелень петрушки, шпинат, салат, фасоль. Большое количество фолацина (20-40 мкг в 100 г продукта) содержится в хлебе, крупе, твороге, яичных желтках, цветной капусте, зеленом горошке; умеренное (10-19 мкг в 100 г) — в сыре, рыбе, кабачках, капусте белокочанной, зеленом луке, сладком перце, свекле, томатах, клубнике; малое (5-9 мкг) — в молоке, кефире, сметане, мясе животных и птиц, моркови, картофеле, арбузе, дыне, вишне, персиках, апельсинах, лимонах, смородине.
Фолацин легко разрушается при кулинарной обработке пищи, особенно овощей, при длительной варке которых теряется до 90% фолатов. Лучше сохраняется фолацин при варке животных продуктов. Небольшое количество фолацина образуется кишечной микрофлорой.
Суточная потребность в фолацине взрослых здоровых людей — 200 мкг (0,2 мг). Потребность возрастает при болезнях кишечника и печени, рентгенотерапии, длительном приеме антибиотиков и др.
Пантотеновая кислота (витамин В3) входит в состав ферментов, обеспечивающих обмен жирных кислот, аминокислот, холестерина и стероидных гормонов коры надпочечников. Она оказывает регулирующее влияние на нервную систему и двигательную функцию кишечника. Частично синтезируется микрофлорой кишечника.
Пантотеновая кислота содержится во всех продуктах, но больше всего ее в печени, мясе, яйцах, бобовых, относительно мало — в молочных продуктах, фруктах и многих овощах. Алиментарный дефицит пантотеновой кислоты встречается редко — при длительном очень неполноценном питании. Усугубляют дефицит пантотеновой кислоты заболевания кишечника, особенно инфекционные, нарушающие усвоение витамина и его образование нормальной микрофлорой кишечника.
Ориентировочная суточная потребность — 5-10 мг.
Биотин (витамин Н) является коферментом в реакциях карбоксилирования и участвует в обмене углеводов, аминокислот и жирных кислот, влияет на состояние кожи. Содержится почти во всех продуктах, в основном в печени, дрожжах, бобовых, орехах. Биотин частично образуется микрофлорой кишечника.
Дефицит биотина возможен при заболеваниях кишечника, угнетении кишечной микрофлоры и при употреблении сырых яичных белков (по 7-8 сырых яиц в день 3-4 недели подряд и более), в которых содержится особое вещество авидин, соединяющийся в кишечнике с биотином и препятствующий его усвоению.
Ориентировочная суточная потребность — 0,15-0,30 мг в сутки.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском: