Лікарі, фізіологи, хіміки-органіки і біохіміки вже сотню років вивчають вітаміни і хвороби, пов'язані з їх недоліком. Ці дослідження внесли чималий внесок у бурхливий розвиток біохімії, яке припало на двадцяте століття. Здавалося, за такий термін можна було дізнатися про вітаміни все, однак дієтологи і фармакологи раз у раз виявляють нові сфери їх застосування. Так, протицинговий фактор - вітамін С, або аскорбінову кислоту, - стали широко використовувати для лікування гострих респіраторних захворювань, алергії, хвороб серця, подагри.
Вітамін групи B - тіамін
Не виключено, що подібні відкриття піднесуть нам вітаміни групи В і речовини, схожі на них за структурою. У самому кінці XIX і в першій половині XX століття стало ясно, що ці вітаміни потрібні для нормального обміну речовин, а їх нестача призводить до різноманітних порушень в діяльності організму. В останні роки з'ясувалося, що аналоги вітаміну В, можуть приносити користь і по-іншому: руйнувати шкідливі продукти реакцій, які без контролю з боку ферментів постійно протікають в організмі, і таким чином запобігати або навіть усувати деякі ознаки старості.
Хвороба обробленого зерна
Довідники повідомляють, що брак їжі вітаміну В1, або тіаміну, викликає порушення в діяльності нервової, серцево-судинної і травної систем. До тих пір поки це не з'ясували, мільйони жителів Південно-Східної Азії гинули від хвороби з місцевою назвою бери-бери. Найбільш яскравим симптомом захворювання були паралічі, в зв'язку з чим європейські медики назвали цю хворобу поліневрітом.Голландскій лікар Х.Ейкман в 1897-1906 роках довів, що бери-бери починається при нестачі в їжі якихось речовин, а вилікувати її можна відваром рисових висівок. З них-то і виділили цілющу речовину. Першим це зробив Б.К.П.Янсен в 1926 році, а в 1935-м Р.Р.Уільямс остаточно встановив його структуру. У наступні роки хіміки синтезували тіамін і налагодили його виробництво, а лікарі уточнили дозування і показання до застосування.
Одночасно розвивалися біохімічні дослідження. У 1937 році К.Ломан і П.Шустер довели, що тіамін необхідний для роботи піруват-декарбоксилази дріжджів. Згодом були знайдені і інші ферменти, які використовують тіамін, наприклад піруват і кетоглутаратдегідрогеназнs комплекси, або транскетолаза. Їх субстрати містять карбонільну групу або приєднують її в ході реакції, причому розірваний або утворений зв'язок примикає до карбонільної групи. Таким чином, вітамін В1 потрібний багатьом ферментам, що відповідає за перетворення вуглеводів і органічних кислот з цими групами. Напевно, самий вивчений серед них - піруватдегідрогеназа.
Перші успіхи у вивченні вітаміну В1 дозволили припустити, що авітаміноз призводить до накопичення в організмі пірувату, який впливає на діяльність нервових клітин, приводячи до паралічів і втрати чутливості. Згодом виявилося, що справа йде трохи складніше.
У клітинах центральної нервової системи до 90% пірувату перетворюється в ацетил-кофермент А в піруват-дегідрогеназній реакції за участю тіаміну. На відміну від цього в печінці, наприклад, по цій реакції метаболізується лише 15-20% пірувату. Саме тому клітини центральної нервової системи більш чутливі до нестачі тіаміну, ніж інші клітини організму.
Останнім часом гострі авітамінози стали рідкістю, але нестача вітаміну В1 відчувають багато з нас. Харчування надмірно очищеними і переробленими продуктами, термічна обробка їжі, вікове зниження здатності до засвоєння вітамінів шлунково-кишковим трактом, захоплення алкогольними напоями - все це призводить до дефіциту тіаміну.
Багато вітаміну В1 міститься в оболонках зерен, які при виробництві борошна вищих сортів і деяких круп перетворюються в висівки і викидаються. Саме це було причиною бери-бери: хвороба розвивалася у тих людей, які їли полірований, позбавлений оболонок рис. У наш час до дефіциту тіаміну найчастіше призводить харчування хлібом тонкого помелу і борошняними кондитерськими виробами при обмеженому вживанні бобових і м'ясних продуктів. Їсти дуже багато печива і тістечок погано і тому, що їх печуть із застосуванням розпушувачів - соди або пекарського порошку, які створюють в тісті лужне середовище, руйнівне для тіаміну.
При нагріванні тіамін і його активна форма тіамінпірофосфат циклізуєтся і незворотньо інактивується, а тіамінпірофосфат при цьому ще і гідролізується по ефірного зв'язку пірофосфорної кислоти.
При дегідруванні етилового спирту в організмі утворюється ацетальдегід. Він реагує з аміногрупою піримідинового фрагмента молекули тіаміну - ця реакція лежить в основі дефіциту вітаміну В1 у хронічних алкоголіків.
Вчені вже звикли вважати, що основне призначення тіаміну - участь у ферментативних реакціях як кофермент. Однак останнім часом з'явилися дані про те, що цим його роль не вичерпується. Структура вітаміну В1 і хімічні реакції його аналогів навели на цікаві думки про те, як можна загальмувати вікові зміни в тканинах організму.
Дублення організму зсередини
Одна з головних задач біохімії полягає в розшифровці метаболічних шляхів, тобто перетворень молекул в клітині за допомогою ферментів. Однак багато продуктів метаболізму можуть і без ферментів реагувати між собою, а також з білками і іншими життєво важливими полімерними молекулами. Такі процеси, звані параметаболітичними, рідко бувають нешкідливими, частіше вони порушують природний хід біологічних процесів.
Стаття в липневому номері журналу «Scientific American» за 2000 рік розповідає про параметаболічні реакціях конденсації білків і вуглеводів, що містять карбонільні групи.
Давно відомо, що продукти таких реакцій дуже міцні і жорсткі, так як між окремими молекулами білків і окремими ділянками пептидного ланцюга в одній молекулі утворюються зшивання.
Саме цими перетвореннями пояснюється, наприклад, дезінфікуючий і дубильний ефект формальдегіду і його розчину - формаліну, а також токсичну дію метанолу, який в ході метаболічного окислення перетворюється в фомальдегід. До речі, етиловий спирт менш токсичний, оскільки продукт його окиснення - ацетальдегід - легше перетворюється в ацетат відповідним ферментом. Цей фермент дуже вибірковий і не окисляє вищі альдегіди (продукти метаболічного дегідрірування бутилового, амилового і ізоамилового спиртів, що входять до складу сивушних масел). Через це вони дуже токсичні і до перетворення в кислоти встигають денатурировати багато важливих білків.
«Дублення» білків альдегидами і кетонами відбувається не тільки при отруєннях метанолом, формаліном або самогоном. Формальдегід, ацетон і інші речовини з карбонільних груп в невеликих кількостях утворюються і в самому організмі.
Добре, якщо в параметаболічні перетворення залучаються швидко оновлюючі білки, наприклад глобулярні білки крові. Навпаки, білки сполучної тканини еластин і колаген, на який припадає близько третини всієї маси білків тваринного організму, змінюються дуже повільно. Їх взаємодія з альдегідами призводить до зниження еластичності, «всихання» шкіри, зв'язок, хрящів, кровоносних судин, легеневої тканини та інших органів, в яких еластин і колаген виконують функцію структурного елемента.
Поки ми говорили тільки про прості карбонільні сполуки. Але існування живих систем неможливо без вуглеводів, які також містять альдегідні і кетонні функціональні групи. Правда, вуглеводи в основному знаходяться в вигляді менш реакційноздатніх циклічних напівацеталій або полукеталій, що утворюються в результаті внутрішньо-молекулярної взаємодії карбонільних і гідроксильних груп (рис. 6). Вільних альдегідних і кетонових груп в рідинах організму дуже мало, тим більше що концентрація глюкози в крові в нормальних умовах становить близько 5 ммоль/л (близько 0,1%). Однак ця мала кількість вільних груп впливає на білки постійно протягом всього життя.
На відміну від формальдегіду, ацетальдегіду і інших карбонільних з'єднань, що містять тільки одну функціональну групу і реагують з утворенням не дуже стійких продуктів, цукри можуть взаємодіяти з аміногрупами білків, утворюючи стабільні з'єднання в результаті так званого перегрупування Амадор. Новоутворена карбонильная група може знову реагувати з амідними, сульфгідрильними і іншими функціональними групами білків.
При взаємодії білків з глюкозою виходять продукти жовтовто-токоричневого кольору, знайомого нам по топленому молоці, запеченої в духовці курки, тостів або смаженої кави.
Зрозуміло, що ця реакція протікає швидше при високій температурі, проте вона відбувається і при звичайній температурі тіла. Її продукти надають жовтуватий колір зубів, кісток і шкірі, що помітно у літніх людей. Можливо, уповільнене старіння при обмеженій калорійності харчування пояснюється тим, що в організмі утворюється менше таких речовин.
Старість можна відсунути
В результаті псування білків вуглеводами особливо швидко старіють тканини у хворих на діабет. Е.Серамі з лабораторії К.С.Уоррена в Торрітауні (Нью-Йорк) ще більше 30 років тому запідозрив, що швидке старіння тканин у діабетиків пояснюється підвищеною концентрацією глюкози в крові і міжклітинної рідини. Чим вище ця концентрація, тим більше утворюється з'єднань білків з цукрами - «кінцевих продуктів прогресивного оцукрювання». (По-англійськи advanced glycation end products, скорочено - АСЕ, що перекладається як «вік».)
Беручи до уваги, що у глюкози найбільш активна альдегідна форма, група дослідників на чолі з Е.Серамі вирішила пов'язувати альдегідні групи відповідними речовинами. Першим об'єктом вивчення став аміногуанідин, який в реакціях з альдегідами утворює гідразони. Досвід виявився недаремним. У хворих на цукровий діабет аміногуанідин сповільнював старіння тканин: кровоносні судини довше зберігали еластичність, поліпшувалася серцево-судинна діяльність, повільніше деградували ниркова тканина і сітківки очей.
На жаль, гідразиди, до яких відноситься аміногуанідин, взаємодіють і з коферментом транс-аміназ і декарбоксилаз - пірідок-сальфосфатом. При цьому порушуються не тільки біоенергетичні процеси в клітинах, а й біосинтез нейромедіаторів, в першу чергу нейромедіатора гальмування - лабільної у-аміномасляної кислоти (ГАМК). Це призводить до підвищеної збудливості і епілептичних припадків. До того ж багато гідразидів, наприклад дігідразид тіовугільної кислоти, дуже токсичні.
Для прикладу візьмемо протівоту-беркулезний препарат ізоніазид. Ця речовина являє собою гідразид ізонікотиновоїкислоти. Для того щоб пацієнт не страждав від цього препарату, одночасно з ізоніазидом йому вводять піридоксин, глутамінової кислоти (попередник ГАМК).
При епілепсії цей препарат використовувати не можна.
Продовжуючи дослідження в цій області, Е.Серамі зробив ще більш цікаве відкриття: він виявив молекулу, яка руйнує зв'язки глюкози з білками. «Замість того щоб шукати профілактичний засіб, ми вже зараз можемо застосовувати речовина, яке зменшує жорсткість тканин у старих людей та діабетиків», - повідомив Серамі на останньому симпозіумі фонду «Новартіс» в Лондоні. Ця речовина - хлорид диметил-N-фенацілтіазолія, або АLТ-711 (рис. 8). Він моделює дію тіамінпірофосфату, самою природою призначеного для участі в метаболізмі з'єднань з карбонільними групами.
Очевидно, АLТ-711 розкладає продукти конденсації вуглеводів і білків. Він зв'язується з вуглеводною складовою і утворює розчинні у воді сполуки, які легко виводяться через нирки. При цьому білки, зшиті вуглеводами, повертаються в початковий стан.
Чудові результати дали досліди з хворими на діабет тваринами, старими собаками і похилого віку макаками, яким щодня протягом трьох тижнів давали хлорид диметил-N-фенацілтіазолія.
«Серце і головні артерії, які були майже твердими, стали більш гнучкими і еластичними. Завдяки цьому серце стало прокачувати більше крові, як це відбувається у молодих тварин », - заявив Серамі. Він передбачає, що за допомогою АLТ-711 можна зробити більш еластичним дренуючий канал очі, що призведе до зцілення глаукоми. Препаратами такого типу можна також відновлювати еластичність легеневої тканини, размягчать збільшену і отверділу передміхурову залозу. Однак для того, щоб ці ліки пройшли клінічні випробування і були допущені для лікування людей, буде потрібно не менше десяти років.
Успіхи з випробуваннями АLТ-711 дозволяють задати питання: чи може його прообраз, тіамін, розривати зшивання між молекулами цукрів і білків? Адже обидва ці речовини схожі за хімічною будовою і повинні вступати в аналогічні реакції, хіба що з різною швидкістю. Дивно, але відповіді на це питання досі немає. Якщо тіамін здатний відновлювати білки, його можна буде вживати з профілактичною метою, щоб віддалити старіння тканин. Зареєструвати підвищені дозування вітаміну для такого застосування простіше, ніж АLТ-711, оскільки його випробовували багато років і це нормальний компонент організму.
Звичайно, процес старіння обумовлений не тільки утворенням жорстких зв'язків в молекулах білків і між ними. В організмі відбуваються також реакції окислення фенольних складових білків і нейромедіаторів. Хінони, які виходять при цьому, також можуть утворювати зшивки, тільки іншої хімічної природи. Крім того, до старіння призводять накопичені пошкодження спадкового апарату клітин. Запобігти цим порушення можуть вітаміни з антиоксидантним механізмом дії: А (ретинол), С (аскорбінова кислота), Е (токоферол), а також глутатіон - найважливіший регулятор окисно-відновних реакцій, який до того ж нейтралізує алкиліруючі і інші електрофільні агенти. Особливо добре приймати ці вітаміни разом із збільшеною кількістю тіаміну в якості харчових добавок. В цьому випадку тривалі клінічні випробування не настільки важливі.
Уже майже століття відомо, що вітаміни необхідні для життєдіяльності організму, проте до цих пір не можна сказати, що ми знаємо про них все. Останні відкриття показують, що ці речовини, можливо, запобігають небажані реакції, що призводять до старіння організму, і навіть іноді повертають їх назад.
