Аскорбінова кислота (вітамін С)
L-аскорбінова кислота - речовина, яка бере участь у багатьох реакціях метаболізму. Людський вид та решта приматів, а також деякі інші тварини не можуть його синтезувати, тому для них це вітамін, і він обов’язково повинен бути в раціоні. Його дефіцит викликає багато розладів механічної системи, і особливо цингу - хвороба, відома з 16 століття. Так трапляється, що морська свинка, тварина, яка широко використовується в лабораторіях, є однією з тих тварин, які не можуть синтезувати аскорбінову кислоту, тому це виявилося гарною експериментальною моделлю для вивчення дефіциту вітаміну С та цинги.
Фігура 1. Структура L-аскорбінової кислоти (вітамін С) та реакція окислення, при якій вона стає дегідроаскорбіновою. Набір аскорбін-дегідроаскорбін становить редокс-пару.
Роль аскорбінової кислоти в обміні речовин
Важко зрозуміти метаболічну функцію аскорбінової кислоти, оскільки її механізм дії унікальний в обміні речовин і повністю відрізняється від інших продуктів. В принципі можна було очікувати, що з огляду на його характер як окисно-відновна пара (окисно-відновник), він повинен втручатися як кофермент в реакції окислення в метаболізмі. Протягом першої половини 20 століття стала відома роль усіх коферментів цього типу в метаболізмі, але роль аскорбінової кислоти залишалася невідомою.
У 1960-х рр. Було відомо, що аскорбінова кислота бере участь у синтезі колагену, що почало пояснювати механізм цинги, але її функція та механізм цього синтезу були відомі майже майже через тридцять років, у 1989 р. групи Карі Ківірікко [1], на кафедрі медичної біохімії Університету Оулу (Фінляндія), і їх знання стали великим кроком у біохімії, оскільки призвели до розширення поняття коферменту.
1. Ківірікко К.І., Myllylä R, Піхладжаніємі Т. (1989) Гідроксилювання білка: проліл-4-гідроксилаза, фермент з чотирма косубстратами та багатофункціональна субодиниця. FASEB J. 3, 1609-1617.
Синтез молекули колагену (найпоширенішого білка в організмі, і того, який виробляється найбільш щодня) дуже складний: спочатку синтезується проколаген, а потім певна кількість його залишків проліну та лізину гідроксилюється до молекула може правильно складатися, утворюючи потрійну спіраль (див. структуру та синтез колагену на цій веб-сторінці). Реакція гідроксилювання проліну каталізується ферментом [проколаген] -пролін-гідроксилазою, який каталізує реакцію:
Малюнок 2. Нормальна реакція гідроксилювання залишку проліну, включеного в молекулу проколагену, каталізується ферментом [проколаген] -пролін-гідроксилазою. Залишок проліну окислюється молекулярним киснем, а a-k-глутарова кислота (2-OG) діє як кофермент, перетворюючись у бурштинову кислоту, без втручання аскорбінової кислоти. Фермент також потребує Fe 2+ як кофактор.
Однак фермент також неминуче каталізує хибну реакцію окисного декарбоксилювання α-k-глутарата, перетворюючи його в сукцинат без гідроксилювання проліну, і тоді аскорбінова кислота повинна діяти як акцептор електронів.
Малюнок 3. Неправдива реакція, що каталізується ферментом [проколаген] -пролін-гідроксилазою: окислення a-k-глутарової кислоти (2-OG) молекулярним киснем, що дає бурштинову кислоту без гідроксилювання проліну. Ця реакція вимагає аскорбінової кислоти як коферменту. Без аскорбінової кислоти реакція не може бути вирішена, і фермент блокується.
Втручається аскорбінова кислота, щоб ця реакція досягла успішного кінця, не даючи ферменту блокуватися і мати можливість продовжувати працювати. Крім того, ця сама реакція може перегрупуватись, виробляючи гідроксилювання проліну.
Малюнок 4. Альтернативна форма вищевказаної реакції з гідроксилюванням проліну.
Ця роль аскорбінової кислоти (вітаміну С) як „можливого коферменту“, або коферменту допомоги, була безпрецедентною новинкою в метаболізмі: аскорбінова кислота не втручається в основну реакцію (рис. 2), але необхідно перенаправити проміжний продукт продукти помилкових реакцій (рис. 3 і 4). Можна сказати, що аскорбінова кислота відіграє роль, подібну до ролі членів банди тореадорів, які безпосередньо не беруть участі в роботі, але які повинні бути там, щоб вийти, коли є проблема. Згодом було виявлено, що аскорбінова кислота втручається подібним чином, як кофермент-помічник (не бере участь в основній реакції, але необхідна для перенаправлення побічних продуктів, які можуть утворюватися, таких як вільні радикали кисню) у багатьох інших метаболічні реакції окислення (щонайменше у двадцяти реакціях, відомих на даний момент).
Походження та потреба в аскорбіновій кислоті у деяких груп тварин. - Як і чому аскорбінова кислота перетворилася на вітамін?
Метаболічний шлях синтезу аскорбінової кислоти однаковий у всіх організмів (бактерії, водорості, гриби та тварини): він починається з глюкози і має одинадцять ступенів, що каталізуються десятьма ферментами. У приматів існує повний метаболічний шлях, за винятком ферменту L-гулонолактон-оксидази. Не маючи цього ферменту, ці тварини не здатні виробляти аскорбінову кислоту і залежать від її надходження в раціон.
Пояснення, чому примати, включаючи людський вид та деякі інші тварини не можуть синтезувати аскорбінову кислоту, добре зрозуміле і є парадигмою природного відбору та еволюційної адаптації.
Однак це може створити ще одну проблему для рослин: тварини також можуть перетравити насіння, але рослини уникли цієї проблеми, забезпечивши насіння інгібіторами протеази, щоб запобігти їх перетравленню тваринами, і що вони вигнали їх цілими після проходження через ваш травний тракт. Інгібітори протеаз у насінні рослин почали виявляти в 1950-х роках, і сьогодні біохіміки мають широкий спектр, який вони регулярно використовують як лабораторний інструмент для моніторингу ферментативних реакцій та запобігання деградації ферментів в аналізах in vitro.
Втрата здатності синтезувати аскорбінову кислоту сталася при еволюції тварин щонайменше чотири рази, незалежно, з тієї ж причини. Оскільки їх раціон дуже багатий цією речовиною: у походження приматів (25 мільйонів років тому), групи, до якої належить людський вид; у деяких ворожих птахів; у морської свинки; а в індуїстській кажані всі вони дуже плодоносні та рослиноїдні [2]. Це призвело до дуже своєрідних еволюційних наслідків: ці тварини стали повністю залежними від рослин; досягли метаболічної економії, але потрапили в пастку інтересу рослин.
2. Полінг, Л. (1970) Еволюція та потреба в аскорбіновій кислоті. Праці Національної академії наук, США, 67, 1643-1648.
Потреба в аскорбіновій кислоті в раціоні. - Скільки аскорбінової кислоти (вітаміну С) слід приймати щодня?
ВООЗ визначила, що необхідна кількість вітаміну С, яку повинен приймати людський вид, становить 50-75 мг на день. Згідно з доповіддю ФАО від 2002 р. Харчування людини у країнах, що розвиваються, «для того, щоб організм залишався повністю насиченим вітаміном С., потрібно до 75 мг на день. Однак люди, здається, залишаються здоровими, приймаючи їх до 10 мг на день. Показники 25 мг для дорослих, 30 мг для підлітків, 35 мг під час вагітності та 45 мг під час лактації здаються обґрунтованими ".
Однак ці рекомендації не мають біохімічної основи, оскільки вони базуються лише на необґрунтованих емпіричних фактах, наприклад, що ті, хто дотримується цих рекомендацій, не мають явних симптомів цинги або інших проблем (?), Але це не означає, що рекомендована доза є більш зручним для безперебійного функціонування метаболізму.
Логічним і найбільш науковим способом дізнатись, скільки аскорбінової кислоти потрібно людському виду, є побачити, скільки щодня виробляє тварина, яка може це зробити, і метаболізм якого подібний до людського щодо функціонування цього продукту, і застосовувати це дані для людського виду, які роблять відповідні розрахунки. Щур - хороша експериментальна модель для цього дослідження, оскільки він зазвичай виробляє аскорбінову кислоту і не потребує її в харчуванні.
Експерименти Бернса та ін., Опубліковані в 1954 р. [3], показали, що 200 г щури виробляють від 5 до 6 мг на день. Враховуючи, що роль аскорбінової кислоти у щурів подібна до ролі людини, ці дані дозволяють розрахувати потребу у вітаміні С у людських видах, але їх неможливо безпосередньо екстраполювати (просто помноживши цю кількість на 350, що є співвідношенням розміру між щуром та чоловіком 70 кг); на додаток до цього ви повинні зробити дві корекції масштабованості.
3. Бернс, Дж. Дж., Мосбах, Е. Х. і Шуленберг, С. (1954) Синтез аскорбінової кислоти у нормальних та лікуваних лікарськими засобами щурів, досліджуваних за допомогою кислоти L-аскорбін-1-С 14. Журнал біологічної хімії, 207, 679-687.
У 200 г щура 10,6 г скелетної маси (5,3% від маси тіла) і 5,2 г колагену, тоді як у 70-кілограмової людини (у 350 разів більшої маси, ніж у щурів) - 8,4 кг скелетної маси (12% від маси тіла). маси тіла) і 3,72 кг колагену (приблизно вдвічі більше, ніж у 70 кг щурів).
Другий закон, про який слід пам’ятати, - це закон масштабованості метаболізму [4]. Цей закон, добре доведений емпірично, встановлює, що при збільшенні розміру тварини метаболічна активність його не збільшується лінійно, а експоненційно в напрямку вниз, із потужністю 0,75. На відміну від попереднього закону, цей закон дотримується фіксованого зразка в розумних межах. Таким чином, метаболічна активність 70-кілограмової людини не така, як у 70-кілограмових щурів (що в 350 разів більше, ніж у щурів), а лише в 81 разів більше, ніж у щурячої.
4. Клейбер М. (1947) Розмір тіла та швидкість метаболізму. Фізіологічні огляди, 27, 511–541.
Давайте подивимось, яким би було виробництво аскорбінової кислоти у людському виді, якби ми могли її виробляти, а отже, її щоденна потреба в раціоні, оскільки вона є необхідним продуктом. Візьмемо як орієнтир щоденне виробництво колагену, оскільки саме процес споживає його найбільше, не враховуючи його витрат на інші процеси, які є набагато менш значними.
Щур має 5,2 г колагену, який він поновлює, виробляючи 3,74 г щодня (72% від загальної кількості). 70 кг щурів мають в цілому 1,82 кг колагену і виробляють 1,31 кг щодня, тоді як 70-кілограмовий чоловік має 3,72 кг колагену і виробляє щодня, щоб відновити його 924 г (лише 25% від цієї кількості) [5].
5. Мелендес-Хевія, Е., де Пас-Луго, П. та Корніш-Боуден, А. і Карденас, МЛ, (2009) Слабка ланка метаболізму: метаболічна здатність до біосинтезу гліцину не задовольняє потреби в колагені синтезу. Журнал біологічних наук, 3. 4, 853–872.
Щоб утворити 1,31 кг колагену, 70 кг щурів вносять від 1,75 до 2,10 г аскорбінової кислоти щодня. Тепер ми можемо зробити обчислення безпосередньо, оскільки частка витрат аскорбінової кислоти на масу виробленого колагену є фіксованою (оскільки хімічна стехіометрія є незмінною пропорцією, незалежно від кількості реакції, що відбувається. Простий розрахунок дає нам, що A 70 кг чоловіка повинен споживати від 1,22 до 1,47 г аскорбінової кислоти щодня, виробляючи 924 г колагену. За допомогою цієї процедури можна підрахувати, наприклад, що 55-кілограмовій жінці потрібно від 0,95 до 1,15 г вітаміну С, а 25 кг дитини потребує від 436 до 525 мг вітаміну С. Щодня. Як ми бачимо, ці результати далекі від рекомендацій ВООЗ та ФАО, які рекомендують для дорослих від 20 до 28 разів: Очевидно, що ця оцінка не врахована враховуючи біохімічні дані, які ми представили тут.
Кажуть, що такий "високий" прийом аскорбінової кислоти значною мірою спричиняє її виведення з сечею. Це правда, але це не означає, що організм не потребує такої кількості. Щур також усуває значну кількість (15%) аскорбінової кислоти, яку вона виробляє, із сечею. Це не означає, що у щура синтез аскорбінової кислоти виходить з ладу і що він виробляє більше, ніж потрібно, але що це пов’язано із загальною властивістю фізики: другим принципом термодинаміки, який, застосовуючи до хімії, вимагає, щоб жоден продукт він може бути повністю використаний у реакції (якщо його константа рівноваги нескінченна, яка ніколи не виникає або навіть не наближається до метаболічних реакцій). Отже, цей закон визначає, що у всіх метаболічних процесах завжди повинні бути певні відходи, величина яких буде залежати від рівноважних умов процесу (чим нижче його константа рівноваги або тим більше буде відходів, але завжди буде щось). Однак з цього факту ми повинні зробити два висновки: перший, що якщо є надлишок, він усувається без труднощів, а другий, що вітамін С повинен прийматися рівномірно протягом дня, щоб уникнути надлишку та усунути більше, ніж зазвичай.
Окрім виведення із сечею, аскорбінова кислота розщеплюється до оксалату. Оксалат присутній у багатьох рослинних продуктах харчування, і зазвичай його виведення не створює проблем для нирок. Однак якщо у людини є ці проблеми, їм слід приймати вітамін С у невеликих дозах, широко розподілених протягом дня, але не без його споживання, що завжди необхідно.
Інші пов’язані розділи цього веб-сайту: