Витамины: начало пути. Витаминный алфавит. Научно-популярный журнал для юношества «Страна знаний» №8, 2018

Без преувеличения можно сказать, что сегодня профессия диетолога – одна из самых востребованных. Ведь здоровым питанием ради продления полноценной жизни обеспокоен практически каждый житель нашей планеты. Но без витаминов это невозможно, о чём известно даже маленьким детям.

А что же нам известно о витаминах? Конечно же, достаточно много, и, прежде всего, о том, какие именно они существуют. Сегодня список витаминов выглядит так: A, B1, B2, B3, B5, B6, B9, B12, C, D, E, F, H, K и несколько витаминоподобных соединений.

Интересно, как же появился этот витаминный алфавит?

В начале 20-го века исследования в области питания и влияния его компонентов на организм человека и животных велись очень бурно и практически одновременно независимыми группами учёных в разных странах Европы и Америки.

Томас Берр Осборн
Томас Берр Осборн
(1859–1929)

Некоторые учёные, такие как англичанин Фредерик Гоуленд Хопкинс, не придавали большого значения своим работам в этой области. Но, как выяснилось позже, он оказался первым, кто экспериментально доказал важную биологическую роль соединений, названных впоследствии витаминами, и получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1929 г.

Другие же, напротив, упорно на протяжении всей своей жизни изучали влияние факторов пищи на организм животных и человека, внесли неоценимый вклад в витаминологию и диетологию, но так и не стали Нобелевскими лауреатами. К таким учёным принадлежит, прежде всего, Казимир Функ, о котором мы писали раньше, и многие другие европейские физиологи и биохимики.

Отдельно нужно сказать об учёных американской школы проблем питания и здоровья. Её основателями считаются Рассел Генри Читтенден (1856–1943), первый исследователь в области биохимии пищеварения и питания, профессор физиологической химии Йельского университета, и его ученик Лафайет Мендель (1872–1953). Л. Мендель со своим коллегой Томасом Б. Осборном (1859–1929) в 1904 году были направлены на сельскохозяйственную экспериментальную станцию Коннектикута (The Connecticut Agricultural Experiment Station), где начали изучать белковые компоненты пищи и их влияние на организм. Тандем этих биохимиков был очень продуктивным и успешным. Их исследования в области незаменимых аминокислот (аминокислоты, которые не синтезируются в организме млекопитающих и могут поступать только с пищей) стали фундаментом для новых открытий в диетологии. Благодаря работам Л. Менделя и Т.Б. Осборна, обратившимся к структурным исследованиям пищевых компонентов, этот раздел науки вышел за пределы простых расчётов энергетической ценности продуктов питания.

В 1906 году под руководством Л. Менделя и Т.Б. Осборна в том же исследовательском центре проходил последипломную стажировку, исследуя растительные белки в питании, ещё один выпускник Йельского Университета Элмер Вернер МакКолум (1879–1967). Через год после окончания стажировки МакКолума переводят работать в университет штата Висконсин, где он продолжает заниматься также проблемами питания.

Лафайет Мендель
Лафайет Мендель
(1872–1953)

Надо сказать, что в начале XX-го века над проблемой усовершенствования питания крупного рогатого скота, а именно над созданием «идеального корма» активно работали немецкие физиологи и биохимики. Многие из американских учёных, получивших образование в университетах Германии, продолжали воплощать эту идею у себя на родине в США и детально изучали влияние различных диет на организм животных. И вся экспериментальная работа проводилась на коровах и телятах, что было очень трудоёмким и финансово затратным процессом. Тем не менее, в 1907–1909 гг исследовательская группа, в которую входил Э.В. МакКолум, провела основательный эксперимент по изучению ограниченной (одно-зерновой) диеты на рост, жизнеспособность и репродуктивную функцию коров. Эффекты от применения 4-х разных диет (овсяной, пшеничной, кукурузной и комбинированной из всех трёх видов зерна) были настолько поразительными и так отличались друг от друга, что Э.В. МакКолум пришёл к выводу: он и его коллеги находятся на пороге важного открытия. Чтобы получить ответы на вопросы о влиянии состава пищи на организм, Э.В. МакКолум в 1908 году начинает использовать для опытов лабораторных крыс, став первым в Америке, кто проводил исследования в области диетологии и питания на этих животных.

Его примеру последовали Л. Мендель с Т.Б. Осборном, которые, также, используя крыс, детально исследовали, какие из аминокислот являются незаменимыми для роста и жизнеспособности животных. Для этой цели учёные разработали специальные диеты и тщательно контролировали потребление пищи крысами. В результате Л. Мендель и Т.Б. Осборн пришли к выводу, что существуют «неполные белки», которые необходимо дополнять аминокислотами (в частности, лизином и триптофаном), отсутствие которых ограничивает биологическую ценность корма. Если помните, к такому же выводу пришёл и Ф.Г. Хопкинс после серии опытов в 1906–1908 гг в Кембридже. «Неполными» оказались растительные белки, а в качестве адекватной добавки служили белки молока. А Л. Мендель и Т.Б. Осборн после тщательного анализа определили, что белок молока казеин является «полным», в его состав входят все незаменимые аминокислоты.

Поначалу Э.В. МакКолум с помощницей Маргарет Дэвис в своих исследованиях придерживались другого мнения, нежели его первые научные руководители, считая, что ценность и адекватность пищи определяют её вкус и количество, о чём написали в своей статье в 1911 году. Мендель и Осборн, опираясь на свои результаты, выступили с критикой в адрес этой гипотезы. МакКолум принял во внимание доводы своих учителей и коллег и в последующих экспериментах использовал принципы формирования рациона, которых придерживались Мендель и Осборн.

Элмер Вернер МакКолум
Элмер Вернер МакКолум
(1879–1967)

По сути, работы Л. Менделя с Т.Б. Осборном и Э.В. МакКолума с М. Дэвис повторяли эксперименты Н.И Лунина и Ф.Г. Хопкинса. Так же, как Н.И. Лунин и Ф.Г. Хопкинс, две группы учёных заменяли в питании животных определённые продукты (молоко, яйца, растительное и сливочное масло) отдельными питательными компонентами (казеин, углеводы, агар-агар, минеральные соли). И независимо друг от друга показали, что дефицит незаменимых компонентов пищи приводит к торможению и полной остановке роста, который полностью возобновлялся после соответствующей коррекции рациона введением экстрактов из яиц и сливочного масла. Л. Мендель и Т. Б. Осборн также выяснили, что дефицит этих компонентов пищи вызывает у крыс ксерофтальмию (сухость глаз, нарушение работы слёзных желез). В результате обе группы соавторов практически одновременно в 1913 г. подают свои результаты для публикации в авторитетное американское издание – Биохимический Журнал (Journal of Biological Chemistry), но Э.В. МакКолум сделал это на три недели раньше. Правда сей факт ничего не решил, обе статьи вышли в одном июльском номере журнала за 1913 г.

И тут необходимо остановиться, чтобы сделать акцент на важности события. К этому времени Казимир Функ выделил из рисовой шелухи в чистом состоянии водорастворимое соединение, которое первым обнаружил Х. Эйкман как фактор для лечения заболевания бери-бери. Кроме того, польский биохимик выяснил состав молекулы этого соединения и дал название «тиамин». Эта работа стала основанием для написания К. Функом в 1912 г. книги «Витамины», в которой был введён сам термин, сформулирована концепция этих веществ как жизненно важных факторов и заложен новый раздел биохимии – витаминология.

Американские же учёные обнаружили пищевой компонент в яйцах и сливочном масле, от которого зависел рост животных. Этот компонент не растворялся в воде, то есть имел жирорастворимую природу в отличие от вещества, которое получил К. Функ. Э.В. МакКолум вместе с М. Дэвис смогли экстрагировать открытый ими пищевой фактор также из листьев люцерны (alfalfa) и мяса. То ли от того, что этот весьма важный для биологических функций организма компонент пищи был обнаружен авторами исследования первым среди подобных соединений, то ли от того, что название люцерны начинается с буквы «А», так или иначе, Э.В. МакКолум и М. Дэвис назвали обнаруженное ими вещество – фактор А.

Джек Сесиль Драммонд
Джек Сесиль Драммонд
(1891–1952)

Почему «фактор», а не «витамин», как предложил К. Функ, спросите Вы? Надо сказать, что Э.В. МакКолум был категорически против термина «vitamine», который считал неудачным, поскольку не все из этих соединений содержат аминогруппу («amine»), хотя все они важны для жизни («vita»).

Более того, чуть позже, уже в соавторстве с другой своей коллегой, Корнелией Кеннеди, Э.В. МакКолум выяснил, что вещество, обнаруженное Х. Эйкманом в шелухе риса, не только вызывает полиневрит у цыплят, но также оказывает влияние на рост организма крыс (мы уже писали, что витамин В1, или тиамин, участвует во многих биохимических процессах). Поэтому в 1916 г. Э.В. МакКолум и К. Кеннеди предлагают назвать эти неизвестные соединения с одинаковым эффектом, но разной природы буквами алфавита: жирорастворимое – «А» и водорастворимое – «В». Так, что этот год можно считать годом рождения алфавитной номенклатуры (классификации) витаминов. Было решено, что по мере открытия новых компонентов пищи, дефицит которых вызывает определённые физиологические эффекты или заболевания, присваивать этим соединениям буквенные обозначения, поскольку очень сложно в названии отразить и химическую природу вещества, и его физиологическую роль, не говоря уже о том, что их структура ещё оставалась неизвестной.

Споры вокруг термина «vitamine» велись ещё несколько лет, пока в 1920 г. британский биохимик Джек Сесиль Драммонд (1891–1952) не нашёл весьма оригинальный и разумный выход из создавшегося затруднительного положения. Дж.С. Драммонд заинтересовался диетологией и проблемами питания, а затем и стал изучать их, после того как в 1914 г. начал работать в Исследовательском Институте онкологии при Лондонском Университете под руководством самого Казимира Функа! Понятно, что Дж.С. Драммонд был досконально знаком с работами своего шефа и полностью принимал его концепцию витаминов. Тем не менее, доводы Э.В. МакКолума он тоже считал весомыми, ведь окончание «amine» было некорректным по отношению ко всем этим соединениям.

Что же делать?

Как всегда, выход нашёлся и оказался очень простым. Дж.C. Драммонд предлагает в слове «amine» (в русской транскрипции читается «амайн») убрать глухую «е», тем самым оставить часть слова «amin», которое произносится иначе («амин») и, строго говоря, уже не означает наличие аминогруппы в составе вещества, но при этом сохраняет первоначальную идею термина. При этом учёный полностью поддерживает буквенную классификацию и называет фактор А, обнаруженный Л. Менделем, Т. Б. Осборном, Э. В. МакКалумом и М. Дэвис, и фактор В, выделенный К. Функом, соответственно, витамином А и витамином В. Более того, Дж.С. Драммонд пошёл дальше и предложил известный, не идентифицированный на тот момент, компонент свежих овощей и фруктов с антицинготными свойствами назвать витамином С.

Вскоре после этих событий, в начале 20-х годов, Э.В. МакКолум, активно занимаясь изучением проблем рахита и поисками путей его лечения, а также опираясь на работы Эдварда Меланби в этой области, предлагает присвоить компоненту рыбьего жира с антирахитичными свойствами, новому витамину, следующую букву алфавита – «D».

Пауль Каррер
Пауль Каррер
(1889–1971)

Ну, и так далее…

За огромные заслуги в биохимии питания и витаминов, создание так называемой Британской диеты, специфического рациона британских военнослужащих во время Второй мировой войны, Джек Сесиль Драммонд был удостоен рыцарского титула. А вклад Элмера Вернера МакКолума в исследование витаминов настолько велик, что на родине в США его называют «Доктор Витамин». Но имена обоих учёных, так же, как и Лафайета Менделя, Томаса Осборна и многих других, ни разу не внесли в список Нобелевских лауреатов.

Алфавитная номенклатура витаминов сохранялась до тех пор, пока каждый из них не был идентифицирован. Тем учёным, которым удалось выделить эти новые факторы пищи с определёнными физиологическими эффектами в чистом виде, определить их химическую структуру и синтезировать, и были присуждены Нобелевские премии.

Этой чести первыми удостоились Христиан Эйкман и Фредерик Гоуленд Хопкинс в 1929 году за открытие витамина В1, а вот за открытие витамина А и В2 Нобелевскую премию по химии в 1937 году получил швейцарский химик-органик и биохимик Пауль Каррер (1889–1971).

Поэтому о Пауле Карерре мы обязаны рассказать более подробно.

П. Каррер, как и многие Нобелевские Лауреаты, был неординарной личностью и блестящим учёным в своей области. Очевидно, он является ярким примером, подтверждающим тот факт, что имея талант, трудолюбие и упорство ещё и важно оказаться в нужное время в нужном месте. И первым таким местом для Пауля была гимназия старших классов в Арау (Швейцария). Ведь учебное заведение с девизом «Изучай, думай, потом говори!» не могло не наложить отпечаток на формирование интересов и ответственности своих учеников. Здесь Пауль серьёзно заинтересовался наукой и навсегда остался ей верен.

Альфред Вернер
Альфред Вернер
(1866–1919)

Вторым знаковым местом стал, безусловно, Цюрихский университет, где в 1908 г. П. Каррер начал изучать химию, и не у кого-нибудь, а у самого Альфреда Вернера, создателя координационной химии и будущего Нобелевского Лауреата по химии (1913 г.). Это была ещё одна огромная удача на пути нашего героя. Всего за шесть семестров (3 курса!), занимаясь химией комплексных соединений кобальта под руководством А. Вернера, П. Каррер получает докторскую степень и диплом об окончании Университета. Успехи в работе и выдающиеся способности подопечного настолько впечатлили А. Вернера, что он берёт молодого доктора своим ассистентом в Химическом институте Университета и поручает самостоятельный участок исследований по комплексным органическим соединениям мышьяка.

П. Каррер в новой для себя области, органической химии, добивается больших успехов, синтезирует новые мышьякосодержащие красители и патентует их. Публикация этих результатов принесла её автору новую знаковую удачу в виде внимания знаменитого химика-мышьякоорганика того времени – Пауля Эрлиха, достижения которого в химии были отмечены Нобелевской премией в 1908 году! Да уж, молодой талантливый учёный явно родился под счастливой звездой, но своим трудолюбием и упорством приумножил все выпавшие на его пути бонусы. Следующим местом, где 26- летний П. Каррер блестяще себя проявил, был Научно-исследовательский химико-терапевтический институт во Франкфурте-на-Майне (Германия), куда его пригласил на должность своего ассистента и руководителя химического направления основатель и директор этого института, сам П. Эрлих. Оба специалиста-мышьякоорганика объединили свои усилия для всестороннего изучения мощного терапевтического средства на основе мышьяка (сальварсан), которое разработал и успешно внедрил П.Эрлих для лечения сифилиса.

Два больших этапа работы с великими и признанными учёными стали фундаментом дальнейших достижений П. Каррера. А их в карьере учёного было немало, рассказ об этом займёт много времени, но здесь в нашем повествовании мы расскажем только о тех, которые привели к открытию и идентификации соединения, фактора пищи, влияющего на рост млекопитающих – витамина А, рассказу о нём в начале нашей истории уделено много внимания.

В 1927 г. П. Каррер приступает к изучению химического состава пигментов, отвечающих за окраску цветов и растений в красный и синий цвет – антоцианов, выделение и определение структуры которых к этому времени уже выполнил ещё один Нобелевский Лауреат по химии немецкий учёный Рихард Вильштеттер. Вклад П. Каррера и тут был заметным, ему принадлежит разработка аналитических методов определения структуры антоцианов.

Рихард Кун
Рихард Кун
(1900–1967)

Работая в этом направлении, он стал изучать кроцин – жёлтый растительный пигмент, что подтолкнуло учёного заняться исследованием каротиноидов, также окрашивающих цветы и плоды растений в жёлтый цвет. Одну группу веществ-каротиноидов составляют каротины, в частности β-каротин является пигментом моркови. В 1930 г. П. Каррер определил строение молекулы β-каротина одновременно с учеником и последователем Р Вильштеттера Рихардом Куном, но сумел первым показать, что это соединение в организме млекопитающих превращается в витамин А. А годом позже П. Каррер выделяет этот пищевой фактор из жира печени рыб (о присутствии в печени рыб витамина А тогда же сделал предположение и Р. Кун), определяет состав и строение его молекулы. Оказалось, что она состоит из 20 атомов углерода, 30 атомов водорода и одного атома кислорода, и вместе эти атомы образуют шестичленное замкнутое кольцо, к двум концам которого присоединяются три метильных группы, а к третьему – длинная зигзагообразная цепь. Вещество получило название ретинол, исходя из химического строения его молекулы, которое является синонимом термина «витамин А». Молекула β-каротина состоит из двух молекул ретинола, которые являются зеркальным отображением друг друга. То есть витамин А по сути есть половина молекулы β-каротина с присоединённой к ней молекулой воды.

Такой неожиданный поворот на пути изучения растительных пигментов к витаминологии, вдохновил П. Каррера на продолжение работы в этом направлении. Он выделяет из нескольких тонн сыворотки ещё одни желтый пигмент, но этот, в отличие от ретинола, являлся водорастворимым и азотсодержащим. Учёный назвал его лактофлавином, а позднее переименовал в рибофлавин, или витамин В2.

B-каротин и витамин A (ретинол)
B-каротин и витамин A (ретинол)

Витамин В2 входит в состав молекул нескольких ферментов, участвующих в окислительно-восстановительных реакциях клеточного дыхания. Это вещество необходимо в процессах образования эритроцитов, регуляции роста и репродуктивной функции организма, а также в работе щитовидной железы. От содержания рибофлавина в организме зависит здоровье ногтей, волос и кожи. Главными проявлениями авитаминоза В2 являются анемия и нервные расстройства, которые проявляются в виде мышечных болей, жжения и сильных болей в ногах.

Выделение, определение состава и структуры молекулы лактофлавина П. Каррер выполняет вновь одновременно с группой немецких биохимиков под руководством Р. Куна. Они даже вместе в 1935 г. успешно синтезировали этот витамин! Но признание и Нобелевскую премию по химии первым из соперников получает все же Пауль Каррер в 1937 году с формулировкой «за исследования каротиноидов, флавинов и витаминов А и В2».

Достижения в витаминологии обоих учёных были настолько явными, неоспоримыми, получены независимо друг от друга и практически одновременно, что Нобелевский комитет в следующем 1938 году отдает эту престижную премию по химии Рихарду Куну «в знак признания проделанной им работы по каротиноидам и витаминам». К сожалению, Р. Кун смог получить премию только после окончания Второй мировой войны, а в 1939 году об этом не могло быть и речи, нацистское правительство запретило своим подданным принимать награду Нобелевского комитета.

Витамин В2 (рибофлавин)
Витамин В2 (рибофлавин)

На этих достижениях оба великих химика не остановились и дополнили своими открытиями витаминный алфавит: в 1938 году П. Каррер синтезировал витамин Е, после войны – витамин К1, а Р. Кун к 1939 году выделил адермин, вещество, нехватка которого вызывает заболевания кожи (дерматиты), известный сегодня как витамин В6. Р.Кун также определил химический состав и молекулярную структуру этого вещества, участвующего в функционировании нервной системы.

Очевидно, друзья, вы обратили внимание, что кроме буквенных обозначений для витаминов, появились ещё и цифры в виде индексов, в основном у буквы «В». Дело в то, что со временем, по мере открытия новых факторов и их выделения и идентификации, стало ясно – все они делятся на два больших класса: водорастворимые и жирорастворимые, а часть водорастворимых витаминов являются азотсодержащими, как и тиамин, с которого и началась вся история витаминологии и, собственно, сам термин «витамин». Поэтому таким соединениям не стали присваивать отдельные буквы, а объединили в одну группу «В» с разными цифрами-индексами, которые соответствуют хронологическому порядку открытия и идентификации. Их известно на сегодняшний день 20, но только часть соединений признаны витаминами (В1, В2, В3, В5, В6, В9, В12), остальные – называются витаминоподобные вещества.

Со временем была изучена химическая структура всех открытых витаминов, и в современных названиях этих соединений отражена их химическая природа, а в некоторых случаях и основной биологический эффект с приставкой «анти». Например, витамин В1 и его синонимы: тиамин (отражает химическое строение молекулы) и антиберийный фактор (фактор, предотвращающий заболевание бери-бери).

Ну, что же, с витаминным алфавитом мы разобрались, теперь следующая остановка: история витамина С. О ней читайте в продолжении.

Р.П. Виноградова, доктор биологических наук, профессор,
О.А. Гудкова, ведущий инженер отдела регуляции обмена веществ,
Институт биохимии им. А.В. Палладина НАН Украины, г. Киев.