Витамин С - Институт за клетъчен метаболизъм на ИТМ
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.