Аскорбинова киселина (витамин С)
L-аскорбиновата киселина е вещество, което участва в много реакции на метаболизма. Човешкият вид и останалите примати и няколко други животни не могат да го синтезират, така че за тях той е витамин и задължително трябва да бъде в диетата. Недостигът му поражда много нарушения на механичната система и особено скорбут, заболяване, което е известно от 16 век. Случва се морското свинче, животно, широко използвано в лабораторията, да е от онези животни, които не могат да синтезират аскорбинова киселина, така че се оказа добър експериментален модел за изследване на дефицит на витамин С и скорбут.
Фигура 1. Структура на L-аскорбинова киселина (витамин С) и реакция на окисление, при която тя става дехидроаскорбинова. Наборът аскорбин-дехидроаскорбин представлява редокс двойка.
Роля на аскорбиновата киселина в метаболизма
Трудно е да се разбере метаболитната функция на аскорбиновата киселина, тъй като нейният механизъм на действие е уникален в метаболизма и напълно различен от другите продукти. По принцип можеше да се очаква, че като се има предвид характера му на редокс двойка (окислително-редуциращ агент), той трябва да се намеси като коензим в окислителните реакции в метаболизма. През първата половина на 20-ти век ролята на всички коензими от този тип в метаболизма стана известна, но тази на аскорбиновата киселина остана неизвестна.
През 60-те години беше известно, че аскорбиновата киселина участва в синтеза на колаген, което започва да обяснява механизма на скорбут, но нейната функция и механизмът в този синтез са известни едва почти тридесет години по-късно, през 1989 г. с разследването на групата на Кари Кивирико [1], в Катедрата по медицинска биохимия на Университета в Оулу (Финландия), и знанията им бяха голяма стъпка в биохимията, тъй като доведоха до разширяване на концепцията за коензим.
1. Kivirikko KI, Myllylä R, Pihlajaniemi T. (1989) Протеиново хидроксилиране: пролил 4-хидроксилаза, ензим с четири косубстрата и многофункционална субединица. FASEB J. 3, 1609-1617.
Синтезът на молекулата на колагена (най-разпространеният протеин в организма и този, който се произвежда най-много ежедневно) е много сложен: първо се синтезира проколаген, а след това определен брой негови остатъци от пролин и лизин се хидроксилират до тази молекула може да се сгъне правилно, образувайки тройната спирала (вижте структурата и синтеза на колаген на тази уеб страница). Реакцията на хидроксилиране на пролин се катализира от ензима [проколаген] -пролин хидроксилаза, който катализира реакцията:
Фигура 2. Нормална реакция на хидроксилиране на пролинов остатък, включен в молекулата на проколагена, катализирана от ензима [проколаген] -пролин хидроксилаза. Пролиновият остатък се окислява от молекулярен кислород и a-k-глутаровата киселина (2-OG) действа като коензим, превръщайки се в янтарна киселина, без намесата на аскорбинова киселина. Ензимът също така изисква Fe 2+ като кофактор.
Ензимът обаче неизбежно катализира и фалшивата реакция на окислително декарбоксилиране на α-k-глутарат, превръщайки го в сукцинат без пролин хидроксилиране и тогава аскорбиновата киселина трябва да действа като електронен акцептор.
Фигура 3. Фалшива реакция, катализирана от ензима [проколаген] -пролин хидроксилаза: окисляване на a-k-глутарова киселина (2-OG) чрез молекулярен кислород, при което се получава янтарна киселина без хидроксилиране на пролин. Тази реакция изисква аскорбинова киселина като коензим. Без аскорбинова киселина реакцията не може да бъде разрешена и ензимът е блокиран.
Аскорбиновата киселина се намесва, така че тази реакция достига до успешен край, предотвратявайки блокирането на ензима и възможността да продължи да работи. Освен това, същата тази реакция може да се прегрупира, произвеждайки хидроксилиране на пролин.
Фигура 4. Алтернативна форма на горната реакция, с хидроксилиране на пролин.
Тази функция на аскорбиновата киселина (витамин С) като „евентуален коензим“ или коензим на помощ е безпрецедентна новост в метаболизма: аскорбиновата киселина не се намесва в основната реакция (фиг. 2), но е необходимо междинното пренасочване продукти от фалшиви реакции (Фигури 3 и 4). Можем да кажем, че аскорбиновата киселина играе роля, подобна на тази на членовете на банда на бикоборци, които не участват пряко в работата, но които трябва да бъдат там, за да излязат, когато има проблем. Впоследствие се видя, че аскорбиновата киселина се намесва по подобен начин, като помощен коензим (не участва в основната реакция, но е необходима за пренасочване на страничните продукти, които могат да се получат, като свободни радикали на кислород) в много други метаболитни реакции на окисляване (в поне двадесет реакции, известни понастоящем).
Произход и нуждата от аскорбинова киселина при някои групи животни. - Как и защо аскорбиновата киселина е превърната във витамин?
Метаболитният път за синтеза на аскорбинова киселина е еднакъв при всички организми (бактерии, водорасли, гъбички и животни): започва от глюкоза и има единадесет стъпки, катализирани от десет ензима. При приматите има пълен метаболитен път, с изключение на ензима L-гулонолактон оксидаза. Липсвайки този ензим, тези животни не могат да произвеждат аскорбинова киселина и зависят от нейното снабдяване в храната.
Обяснението защо приматите, включително човешкият вид и няколко други животни не могат да синтезират аскорбинова киселина, е добре разбрано и е парадигма на естествения подбор и еволюционната адаптация.
Това обаче може да създаде друг проблем за растенията: животните също могат да смилат семената, но растенията избягват този проблем, като осигуряват на семената протеазни инхибитори, за да предотвратят храносмилането им от животните и че те са ги изгонили непокътнати след преминаване през вашия храносмилателен тракт. Инхибиторите на протеази в растителните семена започват да се откриват през 50-те години на миналия век и днес биохимиците разполагат с широк спектър, който рутинно използват като лабораторен инструмент за наблюдение на ензимните реакции и предотвратяване на разграждането на ензимите при in vitro анализи.
Загубата на способност за синтез на аскорбинова киселина е настъпила при еволюцията на животните най-малко четири пъти, независимо, по същата причина. Тъй като диетата им е много богата на това вещество: при произхода на приматите (преди 25 милиона години), група, към която принадлежи човешкият вид; при някои птици-птици; в морското свинче; а в индуистката бухалка всички те са много плодородни и тревопасни [2]. Това доведе до много особена еволюционна последица: тези животни станаха напълно зависими от растенията; постигнаха метаболитни спестявания, но бяха в капан от интереса на растенията.
2. Pauling, L. (1970) Еволюция и нуждата от аскорбинова киселина. Известия на Националната академия на науките, САЩ, 67, 1643-1648.
Нужда от аскорбинова киселина в диетата. - Колко аскорбинова киселина (витамин С) трябва да се приема дневно?
СЗО е определила, че необходимото количество витамин С, което човешкият вид трябва да приема, е 50-75 mg дневно. Според доклада на ФАО от 2002 г. „Хранене на човека в развиващия се свят“ „Необходими са до 75 mg дневно, за да може тялото да остане напълно наситено с витамин С. Въпреки това, хората изглежда остават здрави с прием от само 10 mg на ден. Цифрите от 25 mg за възрастни, 30 mg за юноши, 35 mg при бременност и 45 mg по време на кърмене изглеждат разумни количества ".
Тези препоръки обаче нямат биохимична основа, тъй като се основават само на необосновани емпирични факти, като например, че тези, които следват тези препоръки, не показват явни симптоми на скорбут или други проблеми (?), Но това не означава, че препоръчителната доза е по-удобното за гладкото функциониране на метаболизма.
Логичният и най-научен начин да разберете колко аскорбинова киселина се нуждае от човешкия вид е да видите колко животно произвежда ежедневно, което може да го направи и чийто метаболизъм е подобен на този на хората по отношение на функцията на този продукт, и да го приложите данни за човешкия вид, които правят съответните изчисления. Плъхът е добър експериментален модел за това проучване, тъй като обикновено произвежда аскорбинова киселина и не го изисква в диетата.
Експериментите на Burns et al., Публикувани през 1954 г. [3], показват, че 200 g плъх произвежда между 5 и 6 mg дневно. Като се има предвид, че ролята на аскорбиновата киселина при плъховете е сходна с тази на хората, тези данни ни позволяват да изчислим нуждата от витамин С в човешкия вид, но те не могат да бъдат директно екстраполирани (просто умножавайки това количество по 350, което е съотношение на размера между плъх и 70 кг мъж); в допълнение към това трябва да направите две корекции на мащабируемостта.
3. Burns, J. J., Mosbach, E. H. & Shulenberg, S. (1954) Синтез на аскорбинова киселина при нормални и лекувани с лекарства плъхове, изследвани с L-аскорбинова-1-С 14 киселина. Вестник по биологична химия, 207, 679-687.
200 g плъх има 10,6 g скелетна маса (5,3% от телесната му маса) и 5,2 g колаген, докато 70 kg мъж (350 пъти повече маса от плъха) има 8,4 kg скелетна маса (12% от телесната им маса) и 3,72 кг колаген (приблизително двойно повече от 70 кг плъхове).
Вторият закон, който трябва да се има предвид, е законът за метаболитна мащабируемост [4]. Този закон, добре доказан емпирично, установява, че когато се увеличава размерът на животното, неговата метаболитна активност не се увеличава линейно, а експоненциално в посока надолу, с мощност от 0,75. Противно на предишния закон, той наистина следва фиксиран модел, в разумни граници. По този начин метаболитната активност на 70 кг мъж не е същата като тази на 70 кг плъхове (което би било 350 пъти повече от тази на плъх), а само 81 пъти по-голяма от тази на плъх.
4. Kleiber, M. (1947) Размер на тялото и скорост на метаболизма. Физиологични прегледи, 27, 511–541.
Нека да видим какво би било производството на аскорбинова киселина в човешкия вид, ако бихме могли да я произведем и следователно нейната ежедневна нужда от диетата, тъй като тя е основен продукт. Нека приемем като отправна точка ежедневното производство на колаген, защото процесът го консумира най-много, без да се броят разходите му за други процеси, които са много по-малко значими.
Плъхът има 5,2 g колаген, който подновява, като произвежда 3,74 g дневно (72% от общото му количество). 70 кг плъхове имат общо 1,82 кг колаген и произвеждат 1,31 кг дневно, докато 70 кг мъж има 3,72 кг колаген и произвежда ежедневно, за да го поднови 924 g (само 25% от това количество) [5].
5. Meléndez-Hevia, E., de Paz-Lugo, P. & Cornish-Bowden, A. & Cárdenas, ML, (2009) Слаба връзка в метаболизма: метаболитният капацитет за глицинов биосинтез не задоволява нуждата от колаген синтез. Journal of Biosciences, 3. 4, 853–872.
За да се получат 1,31 кг колаген, 70 кг плъхове правят между 1,75 и 2,10 г аскорбинова киселина дневно. Сега можем да направим изчислението директно, тъй като делът на разходите за аскорбинова киселина на маса произведен колаген е фиксиран (тъй като химическата стехиометрия е неизменна пропорция, независимо от количеството реакция, която се случва. Простото изчисление ни дава, че 70 kg мъж трябва да консумира между 1,22 и 1,47 g аскорбинова киселина дневно, за да произведе 924 g колаген.С тази процедура може да се изчисли, например, че 55-килограмова жена се нуждае между 0,95 и 1, 15 g витамин С и Дете от 25 кг се нуждае между 436 и 525 mg витамин С. Всеки ден, както виждаме, тези резултати са далеч от препоръките на СЗО и ФАО, които препоръчват между 20 и 28 пъти по-малко за възрастен: Очевидно е, че тази оценка не е взета предвид биохимичните данни, които представихме тук.
Твърди се, че такъв „висок“ прием на аскорбинова киселина до голяма степен води до отделянето й с урината. Това е вярно, но не означава, че тялото не се нуждае от това количество. Плъхът също отделя значително количество (15%) от аскорбиновата киселина, която произвежда с урината. Това не означава, че плъхът има синтез на аскорбинова киселина извън приспособяване и че той произвежда повече, отколкото е необходимо, но това се дължи на общо свойство на физиката: вторият принцип на термодинамиката, който, когато се прилага към химията, не изисква продукт може да се използва напълно в реакция (освен ако нейната равновесна константа не е безкрайна, което никога не се случва, нито е близко, при метаболитни реакции). Следователно този закон определя, че във всички метаболитни процеси винаги трябва да има определени отпадъци, чийто размер ще зависи от равновесните условия на процеса (колкото по-ниска е неговата константа на равновесие или толкова повече отпадъци ще има, но винаги ще има нещо). От този факт обаче трябва да направим два извода: първият, че ако има излишък, той се елиминира без затруднения, и вторият, че витамин С трябва да се приема равномерно през целия ден, за да се избегне излишък и да се елиминира по-нормалното.
Освен че се екскретира с урината, аскорбиновата киселина се разгражда до оксалат. Оксалатът присъства в много растителни храни и обикновено елиминирането му не създава проблеми за бъбреците. Ако обаче човек има тези проблеми, той трябва да приема витамин С в малки дози, широко разпределени през целия ден, но не и без консумацията му, което винаги е необходимо.
Други свързани раздели на този уебсайт: