Aszkorbinsav (C-vitamin)
Az L-aszkorbinsav olyan anyag, amely számos anyagcsere-reakcióban vesz részt. Az emberi faj és a többi főemlős, valamint néhány más állat nem tudja szintetizálni, ezért számukra ez egy vitamin, és szükségszerűen az étrendben kell lenniük. Hiánya a mechanikai rendszer számos rendellenességét okozza, és különösen a skorbutot, amely betegség a 16. század óta ismert. Így történik, hogy a tengerimalac, a laboratóriumban széles körben használt állat, egyike azoknak az állatoknak, amelyek nem képesek szintetizálni az aszkorbinsavat, ezért jó kísérleti modellnek bizonyult a C-vitamin-hiány és a skorbut vizsgálatára.
1.ábra. Az L-aszkorbinsav (C-vitamin) szerkezete és oxidációs reakciója, amelyben dehidroaszkorbinsá válik. Az aszkorbin-dehidroaszkorbikus készlet egy redox pár.
Az aszkorbinsav szerepe az anyagcserében
Nehéz volt megérteni az aszkorbinsav metabolikus funkcióját, mert hatásmechanizmusa egyedülálló az anyagcserében és teljesen eltér a többi terméktől. Elvileg elvárható volt, hogy tekintettel a redox pár (oxidáció-redukáló szer) jellegére, koenzimként be kell avatkoznia az anyagcsere oxidációs reakcióiba. A 20. század első felében ismertté vált az összes ilyen típusú koenzim szerepe az anyagcserében, de az aszkorbinsav szerepe ismeretlen maradt.
Az 1960-as években ismert volt, hogy az aszkorbinsav részt vesz a kollagén szintézisében, amely kezdte magyarázni a skorbut mechanizmusát, de ennek a szintézisnek a funkciója és mechanizmusa csaknem harminc évvel később, 1989-ben volt ismert a Kari Kivirikko [1] csoportja az Oulu Egyetem (Finnország) Orvosi Biokémiai Tanszékén, és tudásuk nagy lépés volt a biokémia területén, mivel a koenzim fogalmának kibővítéséhez vezetett.
1. Kivirikko KI, Myllylä R, Pihlajaniemi T. (1989) Protein-hidroxilezés: prolil-4-hidroxiláz, egy enzim négy koszubsztráttal és egy multifunkcionális alegységgel. FASEB J. 3, 1609-1617.
A kollagén molekula szintézise (a szervezetben a legelterjedtebb fehérje és a naponta előállított fehérje) nagyon összetett: először a prokollagént szintetizálják, majd bizonyos számú prolin- és lizinmaradékát hidroxilezik, a molekula helyesen tud hajtogatni, így kialakul a hármas spirál (lásd a struktúrát és a kollagén szintézist ezen a weboldalon). A prolin hidroxilezési reakcióját a [prokollagén] -prolin-hidroxiláz enzim katalizálja, amely katalizálja a reakciót:
2. ábra. A prokollagén molekulába beépített prolin maradék hidroxilezésének normális reakciója, amelyet a [prokollagén] -prolin-hidroxiláz enzim katalizál. A prolin maradékot molekuláris oxigén oxidálja, és az a-k-glutársav (2-OG) koenzimként működik, borostyánkősavvá alakulva, aszkorbinsav közbeiktatása nélkül. Az enzimhez kofaktorként Fe 2+ is szükséges.
Az enzim azonban óhatatlanul katalizálja az a-k-glutarát hamis oxidatív dekarboxilezési reakcióját is, prolin-hidroxilezés nélkül szukcinává alakítja, majd az aszkorbinsavnak elektron-akceptorként kell működnie.
3. ábra. A [prokollagén] -prolin-hidroxiláz enzim által katalizált hamis reakció: a-k-glutársav (2-OG) oxidációja molekuláris oxigénnel borostyánkősavat eredményezve, prolin hidroxilezése nélkül. Ehhez a reakcióhoz aszkorbinsavra van szükség koenzimként. Az aszkorbinsav nélkül a reakció nem oldódik fel, és az enzim blokkolva van.
Az aszkorbinsav közreműködik, hogy ez a reakció sikeres véget érjen, megakadályozva az enzim blokkolását és a további működését. Továbbá, ugyanez a reakció átcsoportosíthatja a prolin hidroxilezését.
4. ábra. A fenti reakció alternatív formája a prolin hidroxilezésével.
Az aszkorbinsav (C-vitamin), mint „esetleges koenzim” vagy asszociációs koenzim funkciója példátlan újdonság volt az anyagcserében: az aszkorbinsav nem avatkozik be a fő reakcióba (2. ábra), de a közbenső terméket át kell irányítani hamis reakciók termékei (3. és 4. ábra). Mondhatnánk, hogy az aszkorbinsav hasonló szerepet játszik, mint egy bikaviadal-banda tagjai, akik közvetlenül nem vesznek részt a munkában, de akiknek ott kell lenniük, hogy kijöjjenek, ha probléma merül fel. Ezt követően azt tapasztalták, hogy az aszkorbinsav hasonló módon, segítő koenzimként avatkozik be (nem vesz részt a fő reakcióban, de szükséges az esetlegesen keletkező melléktermékek, például oxigén szabad gyökök átirányításához) sok más az oxidáció metabolikus reakciói (legalább húsz jelenleg ismert reakcióban).
Származás és aszkorbinsav szükségesség egyes állatcsoportokban. - Hogyan és miért alakult az aszkorbinsavból vitamin?
Az aszkorbinsav szintézisének metabolikus útja minden organizmusban (baktériumban, algában, gombában és állatban) azonos: glükózból indul ki, és tizenegy lépésből áll, amelyeket tíz enzim katalizál. A főemlősökben a teljes metabolikus útvonal zajlik, kivéve az L-gulonolakton-oxidáz enzimet. Ezen enzim hiányában ezek az állatok nem képesek aszkorbinsavat előállítani, és attól függenek, hogy az étrendben milyen mennyiségben vannak jelen.
Jól érthető annak magyarázata, hogy a főemlősök, köztük az emberi fajok és néhány más állat miért nem képes szintetizálni az aszkorbinsavat, és a természetes szelekció és az evolúciós adaptáció paradigmája.
Ez azonban újabb problémát okozhat a növények számára: az állatok megemészthetik a magokat is, de a növények ezt a problémát elkerülve azáltal kapták meg a magokat proteázgátlókkal, hogy megakadályozzák az állatok által történő emésztést, és hogy épségben kiűzték őket, miután áthaladtak a emésztőrendszer. A növényi magokban lévő proteázok inhibitorait az 1950-es években kezdték felfedezni, és ma a biokémikusok széles skálájával rendelkeznek, amelyeket rutinszerűen laboratóriumi eszközként használnak az enzimatikus reakciók nyomon követésére és az enzimek lebomlásának megakadályozására in vitro vizsgálatokban.
Az aszkorbinsav szintetizáló képességének elvesztése az állatok evolúciójában legalább négyszer, egymástól függetlenül, ugyanazon okból következett be. Mivel étrendjük nagyon gazdag ebben az anyagban: a főemlősök eredeténél (25 millió évvel ezelőtt) ez a csoport, amelyhez az emberi faj tartozik; néhány passzív madaraknál; a tengerimalacban; a hindu denevérben pedig mindegyik nagyon takarmányos és növényevő [2]. Ez egy nagyon sajátos evolúciós következményhez vezetett: ezek az állatok teljesen függővé váltak a növényektől; anyagcsere-megtakarítást ért el, de csapdába esett a növények érdeklődése miatt.
2. Pauling, L. (1970) Az evolúció és az aszkorbinsav szükségessége. A Nemzeti Tudományos Akadémia közleményei, USA, 67, 1643-1648.
Az aszkorbinsav szükségessége az étrendben. - Mennyi aszkorbinsavat (C-vitamint) kell bevenni naponta?
A WHO megállapította, hogy a szükséges C-vitamin mennyiség, amelyet az emberi fajnak be kell vennie, napi 50-75 mg. A FAO emberi táplálkozás a fejlődő világban című 2002. évi jelentése szerint „Napi 75 mg-ra van szükség ahhoz, hogy a szervezet teljes mértékben telítődjön a C-vitaminnal. Úgy tűnik azonban, hogy az emberek egészségesek maradnak napi 10 mg-os bevitel mellett. A 25 mg felnőtteknél, 30 mg a serdülőknél, 35 mg a terhességnél és a 45 mg a szoptatás alatt számszerűsnek tűnik. ".
Ezeknek az ajánlásoknak azonban nincs biokémiai alapja, mivel csak megalapozatlan empirikus tényeken alapulnak, például azokon, akik követik ezeket az ajánlásokat, nincsenek nyilvánvaló tünetei skorbutnak vagy más problémáknak (?), De ez nem jelenti azt, hogy az ajánlott dózis a kényelmesebb az anyagcsere zavartalan működéséhez.
A leglogikusabb és legtudományosabb módszer annak megismerésére, hogy mennyi aszkorbinsavra van szüksége az emberi fajoknak, ha megnézzük, hogy egy állat mennyit termel naponta, amely képes rá, és amelynek anyagcseréje a termék funkcióját tekintve hasonló az emberi anyagcseréhez, és alkalmazza ezt adjuk meg az emberi fajokat, elvégezve a vonatkozó számításokat. A patkány jó kísérleti modell ehhez a vizsgálathoz, mivel általában aszkorbinsavat állít elő, és nem igényli az étrendben.
Burns és mtsai. 1954-ben publikált kísérletei [3] azt mutatták, hogy egy 200 g-os patkány napi 5 és 6 mg közötti mennyiséget állít elő. Tekintettel arra, hogy az aszkorbinsav szerepe patkányokban hasonló az emberekéhez, ezek az adatok lehetővé teszik számunkra a C-vitamin szükségességének kiszámítását az emberi fajokban, de közvetlenül nem extrapolálhatók (egyszerűen megszorozzuk ezt a mennyiséget 350-tel, ami a patkány és 70 kg ember közötti méretarány); ezen felül két méretezhetőségi korrekciót kell végrehajtania.
3. Burns, J. J., Mosbach, E. H. és Shulenberg, S. (1954) Az aszkorbinsav szintézise normál és gyógyszerrel kezelt patkányokban, L-aszkorbin-1-C 14 savval tanulmányozva. Journal of Biological Chemistry, 207, 679-687.
Egy 200 g-os patkányban 10,6 g csontváz (testtömeg 5,3% -a) és 5,2 g kollagén található, míg egy 70 kg-os embernél (350-szer nagyobb tömeg, mint a patkánynál) 8,4 kg csontváz (12% testtömegük) és 3,72 kg kollagén (körülbelül kétszerese a 70 kg patkánynak).
A második törvény, amelyet szem előtt kell tartani, az anyagcsere méretezhetőség törvénye [4]. Ez az empirikusan jól bevált törvény megállapítja, hogy az állat méretének növelésekor anyagcsere-aktivitása nem lineárisan, hanem lefelé exponenciálisan, 0,75-ös hatvánnyal növekszik. A korábbi törvénnyel ellentétben ez egy rögzített mintát követ, ésszerű határok között. Így a 70 kg-os ember metabolikus aktivitása nem azonos a 70 kg-os patkányokéval (ami 350-szerese lenne a patkányénak), hanem csak 81-szerese.
4. Kleiber, M. (1947) Testméret és anyagcsere sebesség. Physiological Reviews, 27., 511–541.
Lássuk, mi lenne az aszkorbinsav termelése az emberi fajokban, ha előállíthatnánk, és ezért napi szükséglete az étrendben, mivel elengedhetetlen termék. Vegyük referenciaként a kollagén napi előállítását, mert ez az a folyamat fogyasztja a legtöbbet, nem számítva más, sokkal kevésbé jelentős folyamatokra fordított kiadásokat.
Egy patkányban 5,2 g kollagén van, amelyet naponta 3,74 g előállításával újít meg (a teljes mennyiség 72% -a). 70 kg patkány összesen 1,82 kg kollagént tartalmaz, és naponta 1,31 kg-ot termel, míg egy 70 kg-os ember 3,72 kg kollagént tartalmaz, és naponta gyárt 924 g megújításához (ennek a mennyiségnek csak 25% -a) [5].
5. Meléndez-Hevia, E., de Paz-Lugo, P. & Cornish-Bowden, A. & Cárdenas, ML, (2009) Az anyagcsere gyenge pontja: a glicin bioszintézisének metabolikus képessége nem elégíti ki a kollagén szükségletét szintézis. Biosciences folyóirat, 3. 4, 853–872.
1,31 kg kollagén előállításához 70 kg patkány 1,75 és 2,10 g közötti aszkorbinsavat állít elő naponta. Most közvetlenül elvégezhetjük a számítást, mivel az aszkorbinsav-ráfordítás aránya az előállított kollagén tömegére vonatkozóan rögzített (mivel a kémiai sztöchiometria változatlan arány, függetlenül a bekövetkező reakció mennyiségétől. Az egyszerű számítás megadja, hogy egy 70 kg embernek naponta 1,22 és 1,47 g aszkorbinsavat kell fogyasztania 924 g kollagén előállításához. Ezzel az eljárással kiszámítható például, hogy egy 55 kg-os nőnek 0,95 és 1, 15 g C-vitamin és egy 25 kg-os gyermeknek naponta 436 és 525 mg C-vitaminra van szüksége. Mint láthatjuk, ezek az eredmények messze vannak a WHO és a FAO ajánlásaitól, amelyek 20 és 28-szor kevesebbet ajánlanak egy felnőtt számára: Nyilvánvaló, hogy ez a becslés nem vette figyelembe figyelembe veszi az itt bemutatott biokémiai adatokat.
Azt mondják, hogy az aszkorbinsav ilyen „magas” bevitele nagy mértékben kiváltja a vizelettel. Ez igaz, de ez nem jelenti azt, hogy a testnek nincs szüksége erre a mennyiségre. A patkány a vizeletben előállított aszkorbinsav jelentős részét (15%) is kiválasztja. Ez nem azt jelenti, hogy a patkánynak aszkorbinsav szintézise nem megfelelő, és hogy többet gyárt, mint amire szüksége van, de ez a fizika általános tulajdonságának köszönhető: a termodinamika második elvének, amely a kémia alkalmazásakor megköveteli, hogy semmilyen termék teljes mértékben felhasználható egy reakcióban (kivéve, ha egyensúlyi állandója végtelen, ami metabolikus reakciókban soha nem fordul elő, és nem is közelít). Ezért ez a törvény meghatározza, hogy minden anyagcsere-folyamatban mindig kell lennie egy bizonyos hulladéknak, amelynek nagysága a folyamat egyensúlyi körülményeitől függ (minél alacsonyabb az egyensúlyi állandója vagy annál több hulladék lesz, de mindig lesz valami). Ebből a tényből azonban két következtetést kell levonnunk: az első, hogy ha van felesleg, akkor nehézségek nélkül kiküszöbölhető, a második pedig, hogy a C-vitamint a nap folyamán egyenletesen kell bevenni, hogy elkerüljük a felesleget és megszüntessük a szokásosnál többet.
A vizelettel történő kiválasztáson kívül az aszkorbinsav oxaláttá bomlik. Az oxalát sok növényi élelmiszerben jelen van, és eliminációja általában nem okoz problémát a vese számára. Ha azonban az embernek ilyen problémái vannak, akkor a C-vitamint kis adagokban, a nap folyamán széles körben elosztva kell bevennie, de nem mindig annak fogyasztása nélkül, amelyre mindig szükség van.
A weboldal további kapcsolódó szakaszai: