Курс лекций: биохимия витаминов и минеральных элементов

кафедра медицинской химии
Д.б.н., доцент Суменкова Д.В.
Лекция 17. Биохимия витаминов и

микроэлементов.
Обмен железа в организме

процессов и важнейших функций организма взрослого человека, ребенка и подростка
Нарушение

обмена витаминов и микроэлементов приводит к нарушению обмена веществ и развитию заболеваний

авитаминозы, гипервитаминозы
Витаминоподобные вещества и их роль в метаболизме
Водорастворимые витамины и

их роль в организме человека
Жирорастворимые витамины и их роль в организме человека
Роль основных микроэлементов в обмене веществ
Обмен железа в организме человека

биохимических реакций, протекающих при участии витаминов-коферментов и микроэлементов-кофакторов ферментов (называть

фермент, субстраты, продукты и объяснять роль реакции в обмене веществ)
механизм участия жирорастворимых витаминов в регуляции метаболизма
обмен железа в организме человека (всасывание, транспорт, участие в метаболических процессах, нарушения обмена)

и жирорастворимые
Высокая биологическая активность (проявляют активность в малых концентрациях -

мг, мкг)
Незаменимые соединения (в основном не синтезируются в организме или образуются в недостаточном количестве, например, микрофлорой кишечника; большинство витаминов не запасаются)
Основной источник – пища (среднее содержание 10-100 мг/100 г продукта)
Биологическая роль: участие в обмене веществ
водорастворимые витамины являются коферментами
жирорастворимые витамины участвуют в регуляции экспрессии генов по механизму действия стероидных гормонов, контроле состояния биомембран, в некоторых случаях являются коферментами или простетическими группами сложных белков
Витамины не выполняют пластической и энергетической функции
Неспецифическое действие: повышение трудоспособности, резистентности организма

в опытах на животных показал роль витаминов в питании (1880)

Х. Эйкман (нидерландский врач) и Ф. Хопкинс (английский биохимик). Изучение причин заболевания «бери-бери» (1901). Нобелевская премия за вклад в открытие витаминов (1929)

г – выявлена роль витамина Е в репродуктивном процессе
1927 г

– из лимонного сока выделен витамин С (С. Зильва)
1929-1935 г – выделен витамин К, изучена его структура и роль в свертываемости крови (Х. Дам, Э. Дойзи, Нобелевская премия 1943 г)
1957 г – расшифрована структура витамина В12

пола, состояния организма и условий среды

Нерациональное питание (например, дефицит полноценного

белка нарушает ассимиляцию витаминов в ЖКТ и их метаболизм в клетках)
Нарушение правил хранения и обработки пищевых продуктов (большинство витаминов чувствительны к температуре, УФО, изменениям рН и др.)
Заболевания органов ЖКТ: нарушение переваривания и всасывания
Нарушения обмена витаминов (снижение активности белков и ферментов, участвующих в ассимиляции витаминов, образовании их активных форм)
Интенсивное разрушение в организме под влиянием лекарственных препаратов и антивитаминов

с витамином и занимают активный центр как коферменты или вызывают

модификацию витаминов
тиаминаза сырой рыбы и папоротника орляка – гидролиз В1
акрихин (противопаразитарный препарат) – антивитамин В2
аспирин – подавляет образование активных форм фолиевой кислоты
изониазид (противотуберкулезный препарат) – антивитамин В6
авидин (белок сырого яичного белка) – связывает биотин
никотин – снижает уровень витамина С
неомицин (антибиотик) - однократное применение нарушает всасывание витамина А
фенобарбитал – антивитамин фолиевой кислоты

работоспособности, слабость, утомляемость
Раздражительность
Снижение резистентности организма
Задержка роста
Головные боли
Ухудшение состояния кожи,

волос, ногтей
Примеры специфических проявлений авитаминозов
В1 – бери-бери
РР – пеллагра
С - цинга
D – рахит, остеомаляция
А – куриная слепота
Исследование витаминной обеспеченности имеет важное диагностическое значение. С этой целью определяют содержание витаминов в крови и моче, исследуют активность ферментов, в состав которых входят данные витамины.

употреблении натуральных продуктов (исключение: витамины А и D, смертельная для

человека доза которых содержится в печени полярных животных)
Примеры нарушений, вызванных токсичными дозами витаминов
В1 – крапивница, повышенное потоотделение, головная боль, слабость и др.
РР – приступы стенокардии, повышение уровня сахара, чувство жара, тахикардия
С – бессонница, головная боль, накопление оксалатов в почках, повышение АД
В6 – расстройства НС
D – нефрокальциноз
А – головная боль, тошнота, сонливость, шелушение кожи, боли в костях, повышение tᵒ, тератогенное действие

действием витаминов, но требуются в больших количествах, могут выполнять пластическую

функцию, многие из них могут синтезироваться в организме человека
Карнитин (В11): γ-триметиламино-β-гидроксибутират
синтезируется в печени, почках из лизина и метионина
транспортная форма ВЖК в митохондрии (карнитинацилтрансферазная реакция)

Все формулы, представленные в лекции, даны для ознакомления

аминокислот
участвует в реакциях ацетилирования (дигидролипоилтрансацетилаза в ПДК, образование ацетил-КоА), в

реакциях образования активной формы ВЖК (ацилсинтетаза), в реакциях ацилирования (ацилтрансферазы, синтез ТАГ)

1 – адениловая кислота;
2 – пирофосфат;
3, 4 – пантотеновая кислота: (пантоевая кислота и β-аланин);
5 - меркаптоэтаноламин

из мевалоновой кислоты и производных тирозина и фенилаланина
участник ЦПЭ

(тканевого дыхания) и окислительного фосфорилирования в митохондриях

дигидролипоилтрансацетилазы пируватдегидрогеназного комплекса (окислительное декарбоксилирование пирувата) и α-кетоглутарат-дегидрогеназного комплекса (ЦТК)
антиоксидантный

эффект

образование этаноламина с его последующим метилированием при участии метионина
необходим для

синтеза ацетилхолина
входит в состав фосфолипидов (лецитин) мицелл желчи, клеточных мембран и липопротеинов

хинон (В14)
Пангамовая кислота (В15)
Диметилглицин (В16)
Амигдалин (В17)
Метилметионин (витамин U)
Незаменимые полиненасыщенные ЖК

(витамин F)
Биофлавоноиды (растительные полифенолы, витамин Р)

Вы можете самостоятельно найти информацию о биологической роли указанных витаминоподобных веществ!

– никотиновая кислота
В5 – пантотеновая кислота
В6 – пиридоксин
В7, или Н

– биотин
В9 – фолиевая кислота
В12 – цианокобаламин
Аскорбиновая кислота – витамин С
Некоторые витамины имеют различные формы - витамеры

(ТТФ)
Биохимическая функция ТДФ: декарбоксилирование (кофермент С-С лиаз)
Примеры:
окислительное декарбоксилирование α-кетокислот (входит

в состав мультиферментных комплексов пируватдегидрогеназы, α-кетоглутаратдегидрогеназы) – участие в энергетическом обмене
окислительное декарбоксилирование кетосахаров (транскетолазы пентозофосфатного цикла)
Биохимическая функция ТТФ связана с участием в обеспечении функционирования нервной ткани (изменение проницаемости мембраны и транспорта ионов, проведение нервного импульса)
Основные источники, *суточная норма: мясо, крупы, изделия из муки грубого помола, бобовые, печень, дрожжи; 1,5-2,5 мг
Клинически выраженные формы недостаточности: бери-бери (патология ССС, нервной системы)
Причины недостаточности: питание продуктами переработки зерна тонкого помола, избыток углеводов в рационе, хронический алкоголизм, синдром мальабсорбции, действие антивитаминов (тиаминаза – гидролиз)

* - суточная норма витаминов указана для взрослых;
для детей в зависимости от возраста и вида витамина значение нормы меньше в 2-3 раза (см. информацию в специальной литературе)

аэробных и анаэробных дегидрогеназ)
Примеры: моноаминооксидаза (реакция инактивации биогенных аминов), ксантиноксидаза

(катаболизм пуриновых нуклеотидов), ацил-КоА-дегидрогеназа (β-окисление ВЖК), дигидролипоилдегидрогеназа (ПДК), сукцинатдегидрогеназа (ЦТК), NADH-дегидрогеназа (ЦПЭ)
Основной источник, суточная норма: молочные продукты, печень, дрожжи, мясо, яйца; 1,3-2,1 мг
Клинически выраженные формы недостаточности: повреждения слизистой, кожи («кожный» витамин), расстройства НС, ЖКТ
Причины недостаточности: неупотребление молочных продуктов, хронические заболевания ЖКТ (гипоацидный гастрит, мальабсорбция), неправильное хранение продуктов (чувствителен к свету), прием лек. препаратов, содержащих акрихин (антивитамин)

триптофана (ксантурениновый путь метаболизма триптофана)
Биохимическая функция: перенос электронов (анаэробные дегидрогеназы)
Примеры

ферментов, работающих с участием NAD: дигидролипоилдегидрогеназа (ПДК), дегидрогеназы цикла Кребса, лактатдегидрогеназа (анаэробный гликолиз, глюконеогенез), глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (гликолиз), гидроксиацил-КоА-дегидрогеназа (β-окисление ВЖК), гидроксибутиратдегидрогеназа (образование кетоновых тел), глутаматдегидрогеназа (окислительное дезаминирование аминокислот), ИМФ-дегидрогеназа (синтез пуриновых нуклеотидов), дигидрооротатдегидрогеназа (синтез пиримидиновых нуклеотидов) и многие др.
Примеры ферментов, работающих с участием NADР: глюкозо-6-фосфат дегидрогеназа (ПФП окисления глюкозы), глутатионредуктаза, ГМГ-КоА редуктаза (синтез холестерина), пальмитоилсинтаза, различные гидрокисилазы (синтез желчных кислот, стероидных гормонов), тиоредоксинредуктаза (образование дезоксирибонуклеотидов), фолатредуктаза (обмен фолиевой кислоты) и др.
Основной источник, суточная норма: крупы, бобовые, хлеб грубого помола, печень, мясо, рыба; 15-25 мг
Клинически выраженные формы недостаточности: пеллагра (поражение НС, ЖКТ, кожи)
Причины недостаточности: диета, бедная триптофаном; длительное лечение противотуберкулезными препаратами – антагонистами В6, который необходим для синтеза РР из триптофана; заболевания ЖКТ

пантоевая кислота)
Биохимическая функция: перенос ацетильных и ацильных остатков
Примеры: ацетилтрансфераза (ПДК),

ацил-КоА синтетаза (реакция активации жирной кислоты), ацилтрансферазы (синтез ТАГ)
Основной источник, суточная норма: от греч «пантотен» – всюду; 10-12 мг
Клинически выраженные формы недостаточности: дерматиты, депигментация, потеря волос, изменения в различных системах органов
Причины недостаточности: заболевания ЖКТ, прием антибиотиков, сниженное содержание в пище белка, витаминов С и группы В

трансаминирование (АЛТ, АСТ), декарбоксилирование, дезаминирование аминокислот
синтез гема (аминолевулинатсинтаза)
синтез коллагена (лизилоксидаза)
Основной

источник, суточная норма: крупы, бобовые, печень, мясо, рыба, дрожжи; 1,8-2 мг
Клинически выраженные формы недостаточности: нарушения ЦНС, кожи, микроцитарная гипохромная анемия (особенно у детей)
Причины недостаточности: алиментарный фактор, заболевания ЖКТ, длительное лечение противотуберкулезными препаратами, которые инактивируют В6

функция: присоединение СО2 (кофермент С-С лигаз)
Примеры:
пируваткарбоксилаза (образование ЩУК из ПВК

для глюконеогенеза и ЦТК)
ацетил-КоА карбоксилаза (образование малонил-КоА из ацетил-КоА в синтезе ВЖК)
Основной источник, сут.норма: бобовые, печень, дрожжи, орехи; 0,15 – 0,3 мг
Клинически выраженные формы недостаточности: поражения кожи, гипотония, анемия, замедление роста, депрессия и др.
Причины недостаточности: лечение антибиотиками, заболевания ЖКТ, авидин сырых яиц связывает биотин, злоупотребление алкоголем, употребление сахарина, продуктов, содержащих сернистые соединения (Е221-228)

– метилен-, метил-, формил-, метенил- Н4-фолаты

фрагментов (кофермент трансфераз)
Основной источник, суточная норма: зеленые листья, крупы, бобовые,

печень, мясо, дрожжи; 0,1-0,5 мг
Клинически выраженные формы недостаточности: нарушения кроветворения с развитием мегалобластной гиперхромной анемии, поражение НС, ЖКТ, дефицит витамина при беременности – причина анемии и дисплазии плода
Причины недостаточности: алиментарный фактор, хронический алкоголизм, заболевания ЖКТ (нарушение всасывания, дисбактериоз), нерациональная терапия сульфаниламидными препаратами, которые блокируют синтез витамина кишечной флорой, длительное применение фенобарбитала, снижение активности ферментов образования Н4-фолата в печени

– метилирование гомоцистеина (см. схему на след. слайде) (значение реакции

определяется важной ролью метионина)
Основной источник, суточная норма: продукты животного происхождения; 2-3 мкг
Клинически выраженные формы недостаточности: нарушения кроветворения с развитием макроцитарной гиперхромной анемии, поражение НС, ЖКТ
Причины недостаточности: отсутствие в рационе продуктов животного происхождения, хронический алкоголизм, заболевания ЖКТ (нарушение синтеза фактора Касла,
необходимого для всасывания витамина)

реакциях. Как восстановитель железа участвует в реакциях:
синтеза коллагена (гидроксилирование пролина

и лизина)
синтеза норадреналина (гидроксилирование дофамина)
катаболизма тирозина (образование и окисление гомогентизиновой кислоты)
активации цитохромоксидазы
способствует всасыванию железа в кишечнике
Нейтрализует нитрозамины (канцерогены)
Антиоксидант, участвует в регенерация окисленной формы витамина Е
Основной источник, суточная норма: свежие овощи и фрукты, 70-100 мг; усвоению витамина С способствуют биофлафоноиды (витамин Р)
Клинически выраженные формы недостаточности: кровоточивость десен (нарушение синтеза коллагена), железодефицитные состояния
Причины недостаточности: исключение из рациона свежих овощей и фруктов, их длительное хранение, варка в открытой посуде или в присутствии солей меди и железа

Биохимическая функция: принимает участие в механизме свертывания крови (антигеморрагический витамин).

Механизм: витамин К – кофермент глутамилкарбоксилазы:
карбоксилирование γ-глутамильных остатков в предшественниках факторов свертывания крови для связывания факторов свертывания на тромбогенных участках мембран клеток крови и поврежденного эндотелия при участии кальция
Основной источник, суточная норма: капуста, томаты, тыква, морковь, орехи, зеленые листья; 1,8-2,2 мг
Клинически выраженные формы недостаточности: кровотечения, гемморагическая болезнь новорожденных
Причины недостаточности: заболевания ЖКТ (нарушение переваривания и всасывания липидов, дисбактериоз). Алиментарный фактор существенной роли не играет: витамин К широко распространен и термостабилен

витамин А
Синтезируется из β-каротина (растительная форма витамина А, провитамин)
Биохимическая функция:
Ретиноевая

кислота стимулирует рост, деление клеток, регулирует синтез НК и белка (повышает синтез коллагена, мукопротеидов слизи, протеогликанов, иммуноглобулинов, лизоцима (витамин А – «первая линия защиты»); снижает синтез кератина), ускоряет сульфирование гетерополисахаридов соединительной ткани
Ретинол - компонент клеточных мембран (регулирует текучесть и проницаемость)
Ретиналь – простетическая группа зрительного белка родопсина (участвует в процессе фоторецепции)
Антиоксидантное действие, участвует в регенерации токоферильного радикала (окисленной формы витамина Е)

овощи и фрукты; 1-2,5 мг или 2-5 мг бета-каротина
Клинически выраженные

формы недостаточности: нарушение сумеречного зрения, снижение способности к регенерации, изменения кожи и слизистых (сухость, ороговение), нарушение барьерных свойств эпителия, изменение иммунного статуса
Причины недостаточности: нарушение процесса переваривания и всасывания липидов, белковая недостаточность, сопряженная с нарушением синтеза ретинолсвязывающего белка

необходим для нормального протекания беременности: витамин размножения (от греч. tokos —

потомство, phero — несу )
Антиоксидант, протектор клеточных мембран от окислительного повреждения:
препятствует контакту О2 с ненасыщенными липидами, защищает SH-группы белков от окисления, непосредственно взаимодействует с активными метаболитами кислорода и перекисями липидов
защищает от окисления двойные связи в молекуле витамина А, необходим для всасывания каротиноидов
совместно с витамином С способствует включению селена в активный центр глутатионпероксидазы

фосфорилирования
На уровне транскрипции контролирует синтез коэнзима Q 10, миозиновой АТФ-азы,

Са-АТФ-азы, каталазы, гема, коллагена, сократительных белков, белков слизистых оболочек и плаценты, креатинкиназы, гонадотропных гормонов
Оказывает иммуномодулирующее действие
Метаболизм витамина Е связан с липопротеинами плазмы крови и токоферолсвязывающими белками
Основной источник, суточная норма: растительные масла, молоко, яйца; 10-12 мг
Откладывается в мышцах, жировой ткани, поджелудочной железе
Клинически выраженные формы недостаточности: усиление ПОЛ, гемолиз эритроцитов, угнетение функции половых желез, мышечная дистрофия, жировая инфильтрация печени, нарушение вынашивания беременности, бесплодие
Причины недостаточности: нарушение переваривания липидов, алиментарный фактор

клетках кожи). Провитамин превращается в витамин под действием УФО («солнечный

витамин»). Загар снижает образование витамина D.
Витамин: холекациферол (D3)
Витамин гидроксилируется в печени и почках с образованием активной формы – кальцитриола

Биохимическая функция: регуляция обмена кальция и фосфора (механизм участия витамина D в обмене кальция и фосфора рассматривается в лекции «Биохимия макроэлементов…»)
Основной источник, суточная норма: жир из печени рыб и морских животных, икра, яйца, сливки, сметана; 2,5- 10 мкг; депонируется в печени
Клинически выраженные формы недостаточности (распространены среди детей раннего возраста): рахит (нарушение сна, раздражительность, потливость, задержка прорезывания зубов и закрытия родничка, мышечная слабость, деформация костей), у взрослых - остеомаляция, остеопороз
Причины недостаточности: недостаточная инсоляция

микроэлементами. Микроэлементами называют также минеральные вещества, содержащиеся в пищевых продуктах

в малых количествах. Микроэлементы не образуются в организме и не запасаются (исключение: йод, железо). К микроэлементам относятся железо, цинк, фтор, молибден, медь, марганец, кобальт, хром, кремний, йод, селен и др.
Биологическая роль микроэлементов: участие в метаболических процессах и регуляции физиологических функций.
Механизм участия в метаболических процессах:
кофакторы ферментов (см. примеры на следующих слайдах)
кофакторы витаминов (Co+ - витамин В12)
простетическая группа белков (железо гема – гемоглобина)
синтез и метаболизм гормонов (йод – тироксин, цинк – инсулин )

молекулы субстрата, чтобы обеспечить взаимодействие с активным центра фермента (например,

Mg2+ - АТФ)
Стабилизируют активный центр фермента и способствуют присоединению кофермента; стабилизируют конформацию апофермента (Zn2+ - алкогольдегидрогеназа)
Непосредственно участвуют в катализе (Fe2+, Cu2+ в переносе электронов)

быть вызван изменением их содержания в почве или воде, нерациональным

питанием, нарушением всасывания, нарушением правил хранения и обработки пищи и приводит к заболеваниям
дефицит йода – гипотиреоз; дефицит фтора – кариес;
дефицит железа - анемия
В то же время некоторые заболевания являются причиной нарушения обмена микроэлементов
дисбаланс кремния и хрома характерен для больных сахарным диабетом; цинка - для больных аллергическими заболеваниями
Избыток микроэлементов вызывает заболевания
железо – гемохроматоз; фтор - флюороз

супероксиддисмутаза (антиоксидант)
Моноаминооксидаза (инактивация биогенных аминов)
Лизилоксидаза (синтез коллагена)
Дофамингидроксилаза (синтез катехоламинов)
Тирозиназа (синтез

меланина)
Ферроксидаза, или церулоплазмин (окисление железа, транспорт меди)
Факторы свертывания V, VIII
Активация ЛП-липазы, ЛХАТ (обмен липидов и липопротеинов)

в передаче сигнала гормонов в клетку)
Щелочная фосфатаза ( дефосфорилирование органических

соединений матрикса кости, образование центров кристаллизации и формирования гидроксиапатитов)
Лактатдегидрогеназа (анаэробный гликолиз, синтез глюкозы из лактата)
Алкогольдегидрогеназа (метаболизм этилового спирта в печени)
Cu/Zn-зависимая супероксиддисмутаза (антиоксидант)
NO-синтаза (образование из аргинина NO - вазодилататор, регулятор апоптоза, нейромедиатор и др.)
Металлопротеиназы ЖКТ (карбоксипептидаза, аминопептидаза)
Эндонуклеаза (участие в процессах транскрипции и трансляции)
Белки, имеющие «цинковые карманы», которые участвуют в регуляции экспрессии генов (например, ядерные рецепторы эстрогенов)

цинка:
кофактор тимулина – белка, регулирующего созревание и дифференцировку Т-лимфоцитов
участие

в ответе В-лимфоцитов на цитокины, стимулирует выработку антител
Участвует в пространственной организации инсулина в виде тетрамера в клетках поджелудочной железы (при недостатке цинка нарушается депонирование инсулина и его высвобождение)
Бактериостатическое действие
Цинк как «мужской» микроэлемент:
Содержание цинка в семенной жидкости – маркер жизнеспособности сперматозоидов и фертильности
Цинк (ингибитор 5α-редуктазы ) снижает уровень дигидротестостерона, с повышенным образованием которого связывают развитие аденомы простаты

(недостаток хрома сопряжен с уменьшением чувствительности), активатор β-ДНК полимеразы
Кобальт –

компонент витамина В12
Йод – синтез тироксина и трийодтиронина
Марганец – кофактор гуанилатциклазы (передача сигнала в клетку), Mn-СОД (антиоксидант), активатор пируваткарбоксилазы и фосфоенолпируваткарбоксикиназы в печени (синтез глюкозы), участвует в синтезе гликопротеинов и протеогликанов
Молибден – кофактор ксантиноксидазы (катаболизм пуриновых нуклеотидов)
Селен – кофактор глутатионпероксидазы (антиоксидантный фермент)
Фтор – компонент костей и зубов

Р-450 – компонент МСГ
гемоглобин, миоглобин
металлофлавопротеины (ксантиноксидаза – катаболизм пуриновых нуклеотидов,

NO-синтаза – образование NO)
железосерные белки ЦПЭ
Транспортная форма железа в крови: трансферрин (Fe3+)
Депо железа в клетках – белок ферритин (24 протомера, формирующих сферу, внутри которой находится до 3000 Fe3+)
Суточное количество пищи содержит до 20 г железа, всасывается до 2 г; суточная норма – 10-20 мг; в организме 3-4 г железа
Нарушения метаболизма железа: железодефицитная анемия (дефицит железа), гемохроматоз (избыток железа и аккумуляция гемосидерина, который повреждает клетки органов)

Fe2+ (участие витамина С в восстановлении).
Апоферритин – белок, связывающий железо

в энтероцитах и препятствующий всасыванию его избытка в кровь. Синтез апоферритина снижается при недостатке железа. В крови железо окисляется при участии ферроксидазы и меди (белок плазмы церулоплазмин). Железо в клетки доставляет трансферрин (эндоцитоз при участии рецептора). В клетках железо связано с ферритином.

«Биохимическая роль водорастворимых витаминов»

на уровне транскрипции, играют важную роль в осуществлении метаболических процессов

и физиологических функций организма.
Большинство витаминов и микроэлементы не синтезируются и не запасаются в организме человека. Их основным источником является пища.
Рациональное питание, соблюдение правил хранения и обработки пищевых продуктов – основа нормальной обеспеченности организма данными нутриентами.
Нарушение обмена витаминов и микроэлементов – причина развития ряда заболеваний человека.

ГЭОТАР-Медиа, 2014. -768 с. (раздел 3, С. 123 - 137)
Ресурсы

информационно-телекоммуникационной сети «Интернет» (см. рабочую программу дисциплины)