Химическое строение витамина К. Его физико-химические свойства. Биохимическая роль витамина К. Распространение его в природе и суточная потребность. Этапы биосинтеза витамина К у микроорганизмов. Схема превращения сукцинилбензойной кислоты в менадион.
Аннотация к работе
В отличии от всех других жизненно важных пищевых веществ (незаменимых аминокислот, полиненасыщенных жирных кислот и т.д.) витамины не обладают пластическими свойствами и не используются организмом в качестве источника энергии. Добавление дрожжей в качестве источника витаминов В и рыбьего жира, богатого витаминами А и D, не устраняло патологических явлений. Вещества, излечивающие геморрагию, были названы витаминами К, или витаминами коагуляции, так как было установлено, что кровоизлияния у подопытных птиц, например, связаны с понижением способности крови к свертыванию. Этот фактор получил наименование витамина К2 в отличие от витамина из люцерны, названного витамином К1. Шемякин синтезировали дисульфидное производное 2-метил-1,4-нафтохинона, получившее название викасола, который применяется в медицинской практике в качестве заменителя витамина К: IMG_c11ce476-27d4-4378-9b7f-8d6068a33a0dВитамин К является жирорастворимым витамином, запасаемым в небольших количествах в печени, он разрушается на свету и в щелочных растворах. Под общим названием витамин К объединяется большая группа близких по своему химическому составу и действию на организм веществ (от витамина К1 до К7). Из этой группы наибольший интерес представляют две главные формы витамина К, существующие в природе: витамин К1 и витамин К2. Витамин К2 - вещество, которое преимущественно синтезируется в организме микроорганизмами (сапрофитными бактериями) в тонком отделе кишечника, а также клетками печени животных. Наиболее богаты витамином К1 зеленые листовые овощи, которые дают от 50 до 800 мкг витамина K на 100 г пищи.
Введение
Витамины - низкомолекулярные органические соединения различной химической природы, необходимые для нормальной жизнедеятельности организмов. Являются незаменимыми веществами, так как за исключением никотиновой кислоты они не синтезируются организмом человека и поступают главным образом в составе продуктов питания. Некоторые витамины могут продуцироваться нормальной микрофлорой кишечника. В отличии от всех других жизненно важных пищевых веществ (незаменимых аминокислот, полиненасыщенных жирных кислот и т.д.) витамины не обладают пластическими свойствами и не используются организмом в качестве источника энергии. Участвуя в разнообразных химических превращениях, они оказывают регулирующее влияние на обмен веществ и тем самым обеспечивают нормальное течение практически всех биохимических и физиологических процессов в организме.
Витамины принято делить на водорастворимые и жирорастворимые. Водорастворимые включают витамин С, Р, Н и витамины группы В: тиамин, рибофлавин, пантотеновую кислоту, В6, В12, ниацин, фолат и биотин. Жирорастворимыми являются витамины А, Е, D, F и К.
В 1929 г. датский ученый Дам описал авитаминоз у цыплят, находившихся на синтетической диете. Основным признаком его являлась геморрагия - кровоизлияние в подкожную клетчатку, мышцы и другие ткани. Добавление дрожжей в качестве источника витаминов В и рыбьего жира, богатого витаминами А и D, не устраняло патологических явлений. Оказалось, что целебным эффектом обладают зерна злаков и другие растительные продукты. Вещества, излечивающие геморрагию, были названы витаминами К, или витаминами коагуляции, так как было установлено, что кровоизлияния у подопытных птиц, например, связаны с понижением способности крови к свертыванию.
В 1939 г. в лаборатории Каррера впервые был выделен из люцерны витамин К, его назвали филлохинон. В том же году Бинклей и Доизи получили из гниющей рыбной муки вещество с антигеморрагическим действием, по с иными свойствами, чем препарат, выделенный из люцерны. Этот фактор получил наименование витамина К2 в отличие от витамина из люцерны, названного витамином К1.
Недостаточное поступление в организм витамина К вызывает подкожные и внутримышечные кровоизлияния - геморрагии, возникшие в результате снижения скорости свертывания крови.
1. Химическое строение
Природные витамины К являются производными 2-метил-1,4-нафтохинона, у которых в положении 3 водород замещен на остаток спирта фитола или на изопреноидную цепь с различным числом углеродных атомов:
Витамин К2 представлен несколькими формами, отличающимися по длине изопреноидной цепи. Выделены производные с боковой цепью из 20, 30 и 35 углеродных атомов.
Кроме природных витаминов К, в настоящее время известен ряд производных нафтохинона, обладающих антигеморрагическим действием, которые получены синтетическим путем. К их числу относятся следующие соединения:
В 1943 г. А. В. Палладин и М. М. Шемякин синтезировали дисульфидное производное 2-метил-1,4-нафтохинона, получившее название викасола, который применяется в медицинской практике в качестве заменителя витамина К:
IMG_c11ce476-27d4-4378-9b7f-8d6068a33a0d
Викасол
1.2 Физико-химические свойства
Витамин К1 представляет собой светло-желтое масло, которое кристаллизуется при температуре -20° и кипит при 115-145° в вакууме. Это вещество растворимо в хлороформе, диэтиловом эфире, этиловом спирте и других органических растворителях. Его растворы поглощают УФ лучи. Так, в петролейном эфире максимумы адсорбции находятся при длине волны, равной 243, 249, 261, 270 и 325 нм. В этом ряду наибольшую оптическую плотность (
IMG_236518b3-e1c9-40c0-8b30-735399297465 = 420) витамин К проявляет при К = 249 нм.
Витамин К2 - желтый кристаллический порошок с температурой плавления 54°, растворяющийся в органических растворителях. Он имеет адсорбционные спектры, сходные с таковыми витамина К1, но менее интенсивно поглощает УФ лучи. Например, в петролейном эфире максимум его поглощения находится при 248 нм и составляет
IMG_7c8de4a5-e837-4ccb-b368-69e61c40c954 = 295.
Витамин К3 представляет собой лимонно-желтое кристаллическое вещество с характерным запахом. Температура плавления 160°. Он слабо растворим в воде, что обусловлено отсутствием в его молекуле длинной углеводородной цепи. витамин химический микроорганизм менадион
Витамины К, содержащие в положении 3 изопреноидную цепь, относятся к светочувствительным соединениям. При освещении ультрафиолетом происходит фотолиз, отщепляется изопреноидная цепь, которую замещает гидроксил, а молекула фитола окисляется в кетон фитон.
Витамины К, будучи, как сказано выше, производными нафтохинона, обладают способностью к окислительно-восстановительным реакциям. На этой способности витаминов К основано количественное определение их полярографическим методом. Нафтохиноновая молекула, присоединяя два водорода, переходит в нафтогидрохиноновую. Эта реакция в присутствии кислорода воздуха обратима. Реакция восстановления нафтохинонов (окрашенных веществ) сопровождается их обесцвечиванием.
Витамины К способны непосредственно взаимодействовать с кислородом, присоединяя его в положении 2, 3 молекулы нафтохинона. Продуктом окисления является эпоксид:
IMG_a88622f6-6d37-41a6-93b4-6cd8a8371758
Эпоксид витамина К<1>
Эпоксиды витаминов К сохраняют витаминную активность исходных молекул.
Витамин К3 под влиянием света и кислорода воздуха может давать димерное производное:
IMG_8b14f95b-1c83-44ae-9410-8a949c87b4b8
Димер витамина К<3>
Как отмечено выше, бисульфидное производное витамина К3 обладает витаминной активностью. Это важное для медицинской практики вещество получают воздействием бисульфита натрия на 2-метил-1,4-нафтохинон.
Хорошими стабилизаторами витамина К являются монокальциевый фосфат, пирофосфаты натрия или калия и др., стабилизирующее действие которых состоит в поддерживании в водном растворе кислой реакции (РН = 4,8).
2. Биохимические функции
Как отмечено выше, обнаружение К-авитаминоза было связано с клинической картиной, показывающей замедление процессов свертывания крови. Это выражалось в точечном кровоизлиянии в ткани. Кровь, взятая из организма К-авитаминозных цыплят и других животных, часами оставалась жидкой при ее хранении.
В последующие годы было выяснено, что витамин К имеет отношение к синтезу протромбина - одного из факторов сложной ферментативной системы свертывания крови. Роль системы состоит в превращении растворимого в плазме белка фибриногена под ферментативным действием тромбина сначала в мономерную форму белка фибрина, а затем в полимерный, уже нерастворимый белок фибрин. Тромбин образуется из протромбина. Особенно сложным является многоступенчатый процесс превращения протромбина в тромбин. В плазме крови постоянно содержатся плазменные факторы свертывания крови (см. табл. 3), являющиеся белковыми веществами, и ионы кальция. В форменных элементах крови - тромбоцитах - содержится особый липопротеид, называемый тромбопластином тромбоцитов, или фактором III тромбоцитов. При разрушении тромбоцитов этот неактивный белок превращается под действием белков плазмы акцеллерина и конвертина в активную тромбокиназу, которая в присутствии других названных плазменных факторов и, кроме того, тканевого фактора начинает ферментативный процесс образования тромбина.
Витамин К непосредственно не входит в систему свертывания крови. Он необходим для синтеза в печени протромбина, проконвертина, фактора Х и фактора IX.
Биохимическая роль витамина К заключается во влиянии на заключительную стадию формирования молекулы протромбина на посттрансляционном уровне.
IMG_84215d34-5387-4638-a756-b30370ecadb3
Схема свертывания крови
Помимо участия витаминов К в процессе биосинтеза белковых факторов свертывания крови у высших животных, установлено, что они участвуют в окислительно-восстановительных превращениях. Это обусловлено способностью нафтохинонового ядра к обратимым окислительно-восстановительным превращениям. На некоторых микроорганизмах, в частности Escherichia Coli, и микобактериях показана роль менахинонов в биосинтезе пиримидиновых оснований при аэробных условиях. Менахинон принимает участие в превращении дигидрооротовой кислоты в оротовую. Возникающая при этом молекула восстановленного витамина К (менахинола) дегидрируется в присутствии фумаровой кислоты:
IMG_24699205-77cc-4da3-9136-f5d72fbcb38a
3. Биосинтез
Установлены основные этапы биосинтеза витамина К у микроорганизмов. Шикимовая кислота является одним из предшественников ароматического ядра хиноновых производных:
IMG_e9e46981-327f-42ae-bc50-c8fee7ba1e2f
Шикимовая кислота
Имеются данные, показывающие значение сукцинилбензойной кислоты в синтезе менадионов. Схема превращения сукцинилбензойной кислоты в менадион представлена следующим рядом реакций:
К 2-метилнафтоевой кислоте присоединяется в дальнейшем пирофосфорный эфир соответствующего изопреноида.
Интересно отметить, что независимо от того, из каких объектов (растительных или микробных) поступает витамин К в организм человека и животных, в печени все они отщепляют изопреноидную цепь в положении 3 и превращаются в менадион (витамин К3). Затем происходит реакция присоединения свойственного для витамина К2(20) изопреноида, содержащего 20 углеродных атомов.
4. Авитаминоз
Как отмечено выше, недостаточное поступление в организм витамина К вызывает подкожные и внутримышечные кровоизлияния - геморрагии, возникшие в результате снижения скорости свертывания крови.
Уже упоминалось, что витамин К не является непосредственным участником процесса образования фибрина. Он необходим для синтеза в печени белков протромбина (фактор II), проконвертина (фактор VII), фактора Проуэра - Стюарта (фактор X) и фактора Кристмаса (антигемофильный глобулин В - фактор IX).
При К-авитаминозе оказываются сниженными содержание протромбина в крови и концентрация плазменных факторов свертывания крови.
Известен ряд заболеваний, сопровождающихся повышенной свертываемостью крови и образованием тромбов в сосудах (например, инфаркт, тромбофлебит). В этих случаях применяются различные препараты антивитаминов К. Следует отметить также, что для усвоения витамина К необходимо нормальное поступление желчи в кишечный тракт (последнее важно также и для других жирорастворимых витаминов).
5. Распространение в природе и суточная потребность
Определение суточной дозы витамина К затруднительно в связи с синтезом его микроорганизмами, населяющими кишечный тракт. Обычно суточная потребность человека составляет 100 мкг, однако она может быть и более высокой.
Рекомендуемая профилактическая доза для взрослых лиц мужского пола составляет 80 мкг в сутки, а для взрослых лиц женского пола - 65 мкг в сутки. Имеющиеся данные не достаточны для установления профилактической дозы витамина К во время беременности и кормления грудью. Количество витамина К, потребляемое с пищей, в целом превышает рекомендуемую профилактическую дозу. Рекомендуемая общая доза для новорожденных составляет 5 мкг филлохинона или менахинона в сутки в течение первых шести месяцев и 10 мкг в течение последующих шести месяцев. Прописи для новорожденных должны содержать 4 мкг витамина К на 100 ККАЛ. Профилактическая доза для детей установлена на уровне примерно 1 мкг/кг массы тела.
Лечебные дозы витамина К значительно превышают суточную потребность здоровых людей и составляют, например при заболевании желтухой, 10-15 мг в сутки.
Не наблюдалось никаких проявлений токсичности даже после длительного приема больших количеств витамина К1 и К2. Однако введение менадиона (К3) может вызывать гемолитическую анемию, желтуху и ядерную желтуху (серую форму желтухи у новорожденных).
В природе витамином К особенно богаты зеленые части растений. Наиболее высоко его содержание в бобовых растениях, шпинате, капусте, листьях крапивы, томатах и др. Из животных продуктов следует отметить печень, в которой он депонируется (табл. 1).
Таблица 1 Содержание витамина К в некоторых продуктах, мг % на сухой вес
За исключением специальных продуктов для новорожденных витамин К не добавляют в пищу. Витамин К синтезируется промышленным образом и используется в прописях для новорожденных (100 мг/литр) и лекарственных препаратах для человека.
Вывод
Витамин К является жирорастворимым витамином, запасаемым в небольших количествах в печени, он разрушается на свету и в щелочных растворах. Под общим названием витамин К объединяется большая группа близких по своему химическому составу и действию на организм веществ (от витамина К1 до К7).
Из этой группы наибольший интерес представляют две главные формы витамина К, существующие в природе: витамин К1 и витамин К2.
Витамин К1 - вещество, которое синтезируется в растениях и содержится в листьях.
Витамин К2 - вещество, которое преимущественно синтезируется в организме микроорганизмами (сапрофитными бактериями) в тонком отделе кишечника, а также клетками печени животных. Витамин К можно обнаружить во всех тканях животных.
Наиболее богаты витамином К1 зеленые листовые овощи, которые дают от 50 до 800 мкг витамина K на 100 г пищи. Также витамин К содержат: зеленые томаты, плоды шиповника, листья шпината, капуста (брюссельская и цветная), крапива, хвоя, овес, соя, рожь, пшеница. Значительно меньше содержится витамина К в корнеплодах и фруктах. Из пищевых продуктов наиболее богатое содержание этого витамина в печени свиньи, яйцах.
Витамин К синтезируется также микрофлорой в кишечнике человека. Следует помнить, что несмотря на то, что витамин К находится в широком спектре овощной пищи, тем не менее, поскольку витамин является жирорастворимым, для того, чтобы его усвоение осуществлялось нормально (неважно, является ли он продуктом деятельности бактерий или получен с пищей), в кишечнике должно быть немного жира.
При недостаточности витамина К наблюдается снижение активности аденозинтрифосфатазы и креатинкиназы в крови и скелетной мышце. Это приводит к пониженному использованию макроэргов, что отражается на повышении содержания АТФ в печени и сердце крыс и цыплят. Дополнительное введение витамина Е в рацион, лишенный витамина К, предупреждает снижение активности указанных энзимов в мышцах крыс. Это обнаруживает образование метаболитов, не обладающих антигеморрагическим действием, но, подобно витамину К, обеспечивающих нормальный биосинтез энзиматических белков. Включение в рацион крыс витамина А значительно снижало содержание протромбина и повышало выделение витамина К с калом. Таким образом, витамин А тормозит всасывание витамина К. Как недостаточность витамина А, так и гипервитаминоз А вызывают хрупкость лизосомных оболочек клеток толстой кишки, приводит к выделению из клеток ряда энзимов - Добавление витамина К1 в инкубируемую среду предохраняет лизосомы печени от освобождения арилсульфатазы. Следовательно, витамин К стабилизирует мембраны клеток и их органелл.
Список литературы
1 Биохимия: Учеб. для вузов, Под ред. Е.С. Северина., 2003. 779 с.
2 Мецлер, Д. Биохимия. Химические реакции в живой клетке: В 3-х т. Т.1 Пер с англ. / Под ред. Брауншетйна А. Е., Гинодмана Л.М., Северина Е.С. - М.: Мир, 1980. - 408 с.
3 Биохимия. Учебник: Е. С. Северин, Т. Л. Алейникова, Е. В. Осипов - Санкт - Петербург, Медицина, 2000 г.- 168 с.
4 Витамины: Ула Унгер-Гебель - Москва, АСТ, Астрель, 2007 г.- 128 с.
5 Витамины и минералы: В. Г. Лифляндский - Санкт-Петербург, Олма Медиа Групп, 2010 г.- 640 с.