БИОЛОГИЯ ВИТАМИН СВЕРТЫВАНИЯ КРОВИ Д. М. ЗУБАИРОВ Казанский государственный медицинский университет
BLOOD COAGULATION V...
113 downloads
215 Views
102KB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
БИОЛОГИЯ ВИТАМИН СВЕРТЫВАНИЯ КРОВИ Д. М. ЗУБАИРОВ Казанский государственный медицинский университет
BLOOD COAGULATION VITAMIN D. M. ZUBAIROV
Vitamin K is a fat-soluble product of synthesis by green plants and bacteria. The role of vitamin K in human liver is the gamma-carboxylation of the glutamate residues of previously formed polypeptide chains (precursors of prothrombin, VII, IX and X factors), i.e., of the constituting elements that provide for coagulation of blood.
© Зубаиров Д.М., 2001
Витамин К – жирорастворимый продукт синтеза зеленых растений и бактерий. Роль витамина К в печени человека заключается в гамма-карбоксилировании остатков глютаминовой кислоты ранее синтезированных полипептидных цепей (предшественников протромбина, факторов VII, IX, X) – составных элементов, обеспечивающих ферментативное свертывание крови.
www.issep.rssi.ru
Витамины – обязательные и незаменимые составные части пищи человека. Среди группы витаминов особое место занимает витамин К, о котором незаслуженно редко упоминают в популярной литературе, посвященной гигиене питания. ХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ В 1929 году в опытах на цыплятах, которых кормили пищей, лишенной жира, датский биохимик Х. Дам (Dam, 1895–1976) отметил появление кровоизлияний в коже, мышцах и слизистых оболочках пищеварительного тракта. В 1936 году он смог точно установить, что причиной кровоточивости является пониженная способность крови к свертыванию. Последняя возникает в результате недостаточного синтеза в печени важного для этого процесса белка протромбина из-за отсутствия в такой диете жирорастворимого витамина К (витамина коагуляции, свертывания). Витамин К был идентифицирован химически благодаря исследованиям, проведенным несколькими группами ученых, среди которых следует отметить Э.А. Дойзи (Doisy) с соавторами. За эти работы Дам и Дойзи в 1943 году были удостоены Нобелевской премии. Витамины группы К, витамины коагуляции, или антигеморрагические витамины, являются производными 2-метил-1,4-нафтохинона. Они необходимы для синтеза в печени млекопитающих протромбина, факторов VII, IX, X, антикоагуляционных протеинов С, S и Z, остеокальцина в костной ткани. В природе найдены только два витамина К: первый выделен из люцерны и назван витамином К1 (филлохинон), второй – из гниющей рыбной муки, то есть является продуктом микроорганизмов (рис. 1), и назван витамином К2 (менахинон). Менахинон – небелковый компонент электрон-транспортной цепи бактерий – синтезируется из хоризмата серией специфических реакций. Ген, который кодирует синтез ферментов, обеспечивающих, в свою очередь, биосинтез нафтохинонового кольца менахинона, заключен в их хромосоме. Синтезируется он многими, в том числе и кишечными, бактериями, в частности кишечной палочкой.
З У Б А И Р О В Д . М . В И ТА М И Н С В Е Р Т Ы В А Н И Я К Р О В И
9
БИОЛОГИЯ мый препарат викасол, однако его эффективность в последнее время подвергается сомнению, особенно по сравнению с природным витамином К.
O CH3
МЕХАНИЗМ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
O Филлохинон
O CH3 O Менахинон Рис. 1. Химическая структура витаминов К1 и К2
Менахинон – форма витамина К, обнаруженная в печени млекопитающих. Он является представителем большой семьи соединений с активностью витамина К. Имеются разные по длине и степени ненасыщенности длинной боковой цепи формы витамина К. Значение этих вариаций не выяснено. Что касается филлохинона, им наиболее богаты темно-зеленые растения, в которых он содержится в хлоропластах. В тканях животных содержится относительно мало витамина К. Среди продуктов животного происхождения первое место по его уровню занимает свиная печень. Ниже приведены данные о содержании витамина К1 в некоторых пищевых продуктах. Продукты
Витамин К1, мкг/г
Печень сухая
10
Яйца куриные
Следы
Морковь
20
Капуста
20–40
Шпинат
60
Картофель
1
Пшеница
0,5
Пшеничные зародыши Тыква
0,5 40
Некоторые синтетические хиноны, отличающиеся от природных витаминов К, обладают различной способностью предотвращать кровоточивость. В нашей стране большое распространение нашел водораствориH2N
Ферменты свертывающей системы крови (протромбин, факторы VII, IX, X, протеины С, S и Z [2]) вначале синтезируются в форме предшественников, состоящих из аминокислотных остатков, обнаруженных в зрелых молекулах, и дополнительных, лидерных последовательностей на NH2-конце полипептидных цепей перечисленных молекул. Лидерная последовательность содержит от 20 до 30 гидрофобных аминокислотных остатков. Последние служат сигналом, требующимся для проникновения всего белка через липопротеидную мембрану в эндоплазматическую сеть. Этот участок молекулы обозначают как пре-сегмент. В перечисленных белках пре-сегмент сопровождается последовательностью примерно из 15 аминокислотных остатков, которые называют про-сегментом. Он требуется для распознавания народившейся белковой цепи витамин К-зависимой карбоксилазой. Аминокислотная последовательность про-сегментов в белках, участвующих в свертывании крови, довольно консервативна и отличается от про-сегментов в костных γ-карбоксилируемых белках. В процессе созревания молекул оба вида сегментов отщепляются (рис. 2). После открытия витамина К прошло около 40 лет, прежде чем стал известен этап белкового синтеза, в котором он принимает участие. В гидрохинонной форме он выполняет роль кофермента в реакции карбоксилирования (присоединения СО2) расположенных рядом остатков глутаминовой кислоты в полипептидной цепи белков. В результате такого ферментативного процесса происходит превращение глутаминовой кислоты в гамма-карбоксиглутаминовую кислоту. Последняя получила сокращенное обозначение Гла (рис. 3). Гамма-карбоксиглутаминовая кислота благодаря двум свободным карбоксильным группам, как клешнями, схватывает ион кальция, но оставляет при этом возможность присоединения к нему с другого конца полярных головок, находящихся на поверхности клеточных мембран [1, 4]. Частично очищенный препарат фермента карбоксилазы, катализирующей эту реакцию, был выделен из печени коров. Его действие начинается уже после того, как на рибосомах завершается синтез полипептидных
Пре-сегмент Про-сегмент Аминокислотная последовательность фактора свертывания COOH Рис. 2. Схема строения полипептидных цепей витамин К-зависимых факторов свертывающей системы крови
10
С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 9 , 2 0 0 1
БИОЛОГИЯ а
б
NH CH CO
NH CH CO
CH2
CH2
CH2
CH2 −
−
OOC COO−
COO
Рис. 3. Ионизированные формы остатков глутаминовой (а) и гамма-карбоксиглутаминовой (б ) кислот
цепей и они проникают в эндоплазматическую сеть печеночных клеток. Витамин К-зависимая карбоксилаза встроена в мембраны эндоплазматической сети, иными словами, является интегральным белком, для функционирования которой необходимы СО2 и О2 . Первые остатки γ-карбоксиглутаминовой кислоты в факторах свертывания крови после отщепления просегмента в печени и попадания в кровь оказываются от NH2-конца молекулы в шестом положении (факторы VII и X, протеины C и S) или в седьмом (протромбин и фактор IX), их общее число около 10. Часто остатки γкарбоксиглутаминовой кислоты бывают расположены попарно. Они формируют Гла-домен, ответственный за присоединение ионов кальция [3]. Вслед за этими сегментами начинается полипептидная цепь, формирующая каталитическую часть молекул (см. рис. 2). На рис. 4 приведен механизм реакции γ-карбоксилирования, который предусматривает окисление гид-
рохинонной формы витамина К в гипотетическое очень сильное основание – алкоксид витамина К, которая отщепляет протон от γ-углеродного атома глутамильного остатка. Активная форма витамина К переходит в его 2,3-эпоксид. Хинонная форма витамина К может трансформироваться вновь в гидрохинонную форму двумя независимыми путями, различающимися по действию на них некоторых ингибиторов. Первый путь: катализируется витамин К-эпоксидредуктазой и расценивается как физиологически значимый для восстановления витамина К в печени, второй путь – пиридинзависимыми дегидрогеназами печени. Реакция карбоксилирования экспериментально до конца еще не изучена. Исследуются две конкурирующие гипотезы. Согласно первой, с СО2 реагирует γ-метиленовый радикал глутаминовой кислоты в белковой цепи, по второй – активированный глутамат находится в форме γ-метиленового карбаниона, а не свободного радикала, а реакция с СО2 – простая нуклеофильная атака. Витамин К-зависимое γ-карбоксилирование остатков глутамата происходит вскоре после трансляции белка, завершаясь примерно за первые 10 мин. ГИПОВИТАМИНОЗ Суточную потребность человека в витамине К определить трудно, но было установлено, что для сохранения нормального свертывания крови у взрослых, лишенных этого витамина, требуется его внутривенное введение в
O OH
O R
O2
CH3
OH
OH
N C R CH N O + CH2 CH H O− 3 C H COO−
Витамин K-гидрокинон
Витамин K-алкоксид
Редуктазы витамина K
O R O CH3
Непрямые антикоагулянты
O N
H
C
CH
C
O N
CH2 COO−
Глутамильный остаток
N CO2 Карбоксилаза −
OOC
C
CH
C N
CH2 COO−
Гамма-карбоксиглутамильный остаток
OH−
O Эпоксид витамина K
Рис. 4. Механизм реакции γ-карбоксилирования. Восстановленный витамин К окисляется в витамин К эпоксид γ-глутамилкарбоксилазой. Витамин К-гидрохинон из хинонной формы регенерируется двумя редуктазами, одна из которых использует такие тиолы, как липоевая кислота (первый путь), и чувствительна к действию непрямых антикоагулянтов. Эта стадия также может катализироваться НАДН- или НАДФН-зависимыми редуктазами (второй путь). Обратите внимание, что у образующейся на конечном этапе γ-карбоксиглутаминовой кислоты имеются две свободные карбоксильные группы, которые способны присоединять ионы кальция
З У Б А И Р О В Д . М . В И ТА М И Н С В Е Р Т Ы В А Н И Я К Р О В И
11
БИОЛОГИЯ дозе приблизительно 0,03 мг в день. Первичная недостаточность витамина К у человека редка из-за широкого его распространения в растительных и животных продуктах. Таким образом, витамин К довольно широко распространен в природе и доступен человеку. Более того, он продуцируется бактериями, находящимися в кишечнике человека, особенно в толстом кишечнике, где формируется кал. Однако поступление витамина с пищей и образование в кишечнике не всегда обеспечивают его всасывание в кровь и поступление в печень. Витамин К – желто-оранжевое масло, которое не растворяется в воде. Усвоение жиров сопряжено с выработкой в печени и выделением в кишечник через желчевыводящие пути физиологических поверхностноактивных веществ – желчных кислот. Эти природные детергенты, подобно синтетическим моющим средствам, образуют с нерастворимыми в воде продуктами переваривания жиров мельчайшие капельки диаметром около 50 Å – мицеллы. В состав этих мицелл включается также витамин К, и в таком виде происходит его всасывание клетками, выстилающими внутреннюю поверхность кишечника. Недостаток витамина К в организме взрослого человека возникает главным образом вследствие плохого всасывания его в кишечнике, что, как правило, происходит в тех случаях, когда какие-либо причины приводят к нарушению образования и выделения желчи в пищеварительный тракт. В результате нарушается всасывание всех жирорастворимых веществ, в том числе и витамина К. К числу таких наиболее часто встречающихся причин относятся закупорка желчного протока камнем, нередко образующимся в желчном пузыре при желчнокаменной болезни, и недостаточное образование желчи при некоторых заболеваниях печени. Хирургическое удаление желчного камня нельзя начинать сразу же после установления диагноза, потому что из-за гиповитаминоза во время операции может возникнуть опасное кровотечение. Чтобы избежать его, вначале больному назначают витамин К и лишь после восстановления синтеза протромбина и других перечисленных ранее факторов свертывания крови приступают к хирургической операции. Причиной гиповитаминоза может быть длительное лечение антибиотиками, которые подавляют кишечную микрофлору, а также искусственное питание без витамина К, осуществляемое не через кишечник, а посредством внутривенного введения белков, углеводов и даже жиров. Нередко гиповитаминоз К развивается вскоре после рождения при грудном вскармливании ребенка. Женское молоко содержит мало витамина К. Плацента, через которую питательные вещества поступают к плоду в утробе матери, относительно плохо пропускает этот жирорастворимый витамин, поэтому и запасов его в печени новорожденного тоже мало. В
12
стерильном при рождении кишечнике при вскармливании материнским молоком микроорганизмы длительное время не имеют возможности размножаться. Детские врачи справедливо усматривают в этом преимущество грудного вскармливания новорожденных. Однако у части детей отсутствие в кишечнике микрофлоры, синтезирующей витамин К, и недостаток этого витамина в материнском молоке приводят к гиповитаминозу и развитию кровоточивости (геморрагического диатеза). Исторически термин “геморрагическая болезнь новорожденных” используется как синоним кровоточивости из-за дефицита витамина К. У таких новорожденных снижена активность витамин К-зависимых факторов свертывания крови (протромбина, факторов VII, IX, X), активность же других факторов остается нормальной или даже может быть повышенной. В крови выявляются акарбокси-формы (то есть не содержащие гамма-карбоксиглутаминовую кислоту) витамин К-зависимых белков. Диагноз может быть проверен назначением витамина К, после которого должна произойти нормализация перечисленных показателей свертывающей системы крови. Различают ранние, классические и поздние формы кровоточивости новорожденных. В редких случаях заболевание проявляется даже через 15 недель после рождения. Верхний предел по возрасту составляет шесть месяцев. Самопроизвольные, не связанные с грудным вскармливанием причины кровоточивости новорожденных, вызванные гиповитаминозом К, неизвестны. При вторичной недостаточности витамина К обычно выявляются прекращение тока желчи, ее застой. Такого рода недостаточность может быть устранена приемом внутрь солей желчных кислот или внутримышечным введением витамина К. В западноевропейских странах, США и Канаде в настоящее время отрабатывается метод предупреждения классической и поздних форм кровоточивости новорожденных. Он заключается либо в назначении после рождения однократно или повторно 1 мг витамина К внутрь, либо во внутримышечном введении той же дозы витамина. Оба метода профилактики уменьшают частоту внутричерепных кровоизлияний и позволяют продолжить естественное грудное вскармливание. Внутримышечный способ введения витамина К новорожденным проверяется на онкогенную безопасность. В индустриально развитых странах полноценное питание для кормящих матерей в настоящее время не составляет проблемы. Однако именно в крупных индустриальных центрах отмечается интенсивное загрязнение окружающей среды химическими агентами. С 70-х годов XX века установлено загрязнение женского молока диоксинами. По данным академического медицинского центра в Амстердаме, вместе с другими химическими
С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 9 , 2 0 0 1
БИОЛОГИЯ агентами, изменяющими среду обитания, оно может привести к заметному дефициту витамина К. НЕПРЯМЫЕ АНТИКОАГУЛЯНТЫ – АНТАГОНИСТЫ ВИТАМИНА К В растительном царстве широко распространены производные лактонов коричных кислот – кумарины. Некоторые из них являются токсичными для травоядных, вызывая у них кровоточивость. Врачи в содружестве с химиками создали несколько эффективных синтетических аналогов (например, варфарин) для лечения повышенной свертываемости крови, чреватой тромбофилией.
O O
O
O CH CH2 CO CH3
OH Кумарин
Варфарин
Варфарин, как видно из его химического строения, имеет в составе циклический лактон, кумарин и похож на обе формы – витамины К1 и К2 (см. рис. 1). На этом основании высказано предположение, что между ними существуют конкурентные отношения за связывание с одним и тем же ферментом. Многие из производных кумаринов обладают свойствами антивитаминов К и поэтому называются непрямыми антикоагулянтами. Они необратимо тормозят первый путь перехода хинонной формы витамина К в гидрохинонную. Второй путь мало подвержен действию непрямых антикоагулянтов. Передозировка и отравление (непрямые антикоагулянты используются в качестве крысиного яда) препаратами кумаринов способны привести к фатальному кровотечению. В таких случаях высокие концентрации витамина К могут быть применены в качестве противоядия. Только второй путь гамма-карбоксили-
рования восстанавливается при использовании витамина К для лечения отравлений непрямыми антикоагулянтами. При недостатке витамина К или введении его антагонистов нарушается гамма-карбоксилирование протромбина, факторов VII, IX, X, протеинов C, S и Z. У человека и крупного рогатого скота по крайней мере часть недозрелых полипептидных цепей, не подвергаясь гамма-карбоксилированию, выделяется в кровь. Однако они не связывают должным образом ионы кальция и не участвуют в свертывании крови. Подбирая дозировку непрямых антикоагулянтов, удается регулировать свертываемость крови на уровне, уменьшающем вероятность образования тромбов (внутрисосудистых сгустков крови), но еще не приводящем к кровоточивости. Это позволяет сохранить жизнь людям, страдающим тромбофилией. ЛИТЕРАТУРА 1. Васильев В.П. Комплексоны и комплексонаты // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 4. С. 39–44. 2. Зубаиров Д.М. Почему свертывается кровь? // Там же. 1997. № 3. С. 46–52. 3. Наградова Н.К. Как построены ферменты // Энциклопедия “Современное естествознание”. М., 2000. Т. 8: Молекулярные основы биологических процессов. С. 137–148. 4. Харитонов Ю.Я. Комплексные соединения // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 1. С. 48–56.
Рецензент статьи В.И. Капелько *** Дилявер Мирзабдуллович Зубаиров, доктор медицинских наук, профессор, зав. кафедрой биохимии Казанского государственного медицинского университета, академик АН Татарстана, заслуженный деятель науки Татарстана и РФ, лауреат Государственной премии РФ. Область научных интересов – биохимия свертывания крови. Автор 205 статей, пяти монографий и одного учебника.
З У Б А И Р О В Д . М . В И ТА М И Н С В Е Р Т Ы В А Н И Я К Р О В И
13