Чому моряки, мандрівники і студенти університетів повинні їсти свіжі фрукти та овочі

... на біду, окрім загального нездорового клімату в країні, де ніколи не випадає й краплини дощу, ми були вражені "табірною хворобою", при якій плоть наших кінцівок почала зсихатися, а шкіра на ногах покрилася темними пліснявими плямами, як на старих чоботах, а ясна у тих, хто захворів, оголилися до м'яса і нікого з хворих не проминули щелепи смерті. Сиґналом було наступне: якщо з носа починала йти кров, то смерть була близькою...

 «Спогади лорда Джойнвілла», близько 1300р.

Цей уривок описує положення в армії Луї ІХ в кінці 7 хрестового походу (1248-1254 рр.), безпосередньо перед битвою при Фаріскурі, в якій ослаблена цингою армія хрестоносців була знищена єгиптянами. Що було причиною хвороби цих солдатів у тринадцятому столітті?

Унаслідок нестачі вітаміну С, або аскорбінової кислоти (аскорбату) виникає захворювання, яке отримало назву цинга. Окрім участі в інших процесах, вітамін С необхідний для гідроксилювання проліну та лізину у складі колагену, тому цинга призводить до загальної деґенерації сполучної тканини. Прояви важкої форми цинги супроводжуються численними невеликими крововиливами внаслідок крихкості кровоносних судин, втратою зубів, поганим загоюванням свіжих і відкриванням старих ран, болями, деґенерацією кісток і, врешті решт, зупинкою серця. Також спостерігається апатія і підвищена чутливість до різних подразнювачів. Менш гострі випадки, спричинені дефіцитом вітаміну С, характеризуються виснаженням, дратівливістю і зростанням гостроти захворювань дихальної системи. Більшість тварин виробляють значну кількість вітаміну С, перетворюючи ґлюкозу на аскорбат у чотиристадійному ензиматичному процесі. Проте у ході еволюції люди і деякі тварини - ґорили, морські свинки та вид кажанів, що харчуються фруктами, - втратили останній з ензимів цього шляху, і тому повинні отримувати аскорбат з їжею. Вітамін С міститься в багатьох фруктах та овочах. Проте до 1800 р. він часто був відсутній у висушених харчових продуктах та продуктах, що запасалися на зиму чи для далеких подорожей.

Цинга вперше згадується єгиптянами в 1500 р. до Р.Х. і описана Гіпократом у п'ятому столітті до Р.Х. Хоча ця хвороба відігравала критичну роль в середньовічних війнах і реґулярно виникала взимку в північних країнах, проте вона не привертала широкої уваги до початку європейських морських подорожей у період з 1500 до 1800 рр. Перша кругосвітня подорож Маґелана (1520 р.) супроводжувалася втратою від цинги понад 80% екіпажу. З тієї ж причини Васко да Ґама втратив дві третини свого екіпажу під час першого дослідження торговельного шляху до Індії (1499 р.). Упродовж другої морської подорожі Жака Картье з метою обстеження басейну річки Св. Лаврентія (1535-1536 рр.), в його команді виникли численні смертельні випадки і вся експедиція була під загрозою, поки індіанці не навчили його моряків варити кедровий чай, котрий лікував і попереджав цингу (він містив вітамін С) (Рис. 1). Встановлено, що між 1600 і 1800 роками від цинги померло близько мільйона моряків. Зимові спалахи цинги в Європі поступово припинилися у 19 ст. після початку широкого культивування картоплі, завезеної з Південної Америки.

У 1747 р. Джеймс Лінд, шотландський лікар Королівського флоту (Рис. 2), виконав перше зареєстроване клінічне дослідження. Під час довгого морського плавання 50-гарматного військового корабля Селсбері Лінд відібрав 12 матросів, що хворіли на цингу, і розділив їх на групи по дві особи. Всі 12 отримували однакову їжу, але окрім неї кожній групі давали один із рекомендованих на той час протицингових засобів. Моряки, що отримували лимони і апельсини, вилікувалися і повернулися до служби. Стан моряків, що отримували прокип'ячений яблучний сік, дещо покращився, інших - продовжував погіршуватися. "Трактат про цингу" Лінда був опублікований в 1753 р., проте впродовж наступних сорока років на флоті нічого не змінилося. У 1795 р. Британське адміралтейство нарешті затвердило раціон з концентрованим соком лимону для всіх британських моряків (за що вони отримали кличку «лимонники»). Захворювання на цингу продовжувалися в деяких інших частинах світу аж до 1932 р., коли угорський вчений Альберт Сент-Дьйордьї і В.С. Во та С.Ґ.Кінґ з університету Пітсбурґа виділили і синтезували аскорбінову кислоту.

L-Аскорбінова кислота (вітамін С) – це білий кристалічний порошок без запаху. Вона легко розчиняється у воді і погано - в орґанічних розчинниках. У сухому і темному місці може зберігатися досить довго. Необхідна щоденна доза цього вітаміну все ще не встановлена однозначно. Рекомендована доза в США складає 60 мг (Австралія і Великобританія рекомендують від 30 до 40 мг, Росія - 100 мг). Іноді рекомендують вищі дози вітаміну С, однак дані щодо цього теж суперечливі. Скажімо, тварини зі здатністю до синтезу власного вітаміну С підтримують рівень, властивий людському організму, тільки у випадку споживання такої його кількості, яка у сотні разів перевищує рекомендовану денну дозу. Окрім цитрусових та майже всіх інших свіжих фруктів, джерелом вітаміну С є також перець, томати, картопля і брокколі. Вітамін С у фруктах та овочах руйнується при занадто тривалому приготуванні їжі чи довгому зберіганні продуктів.

Чому ж аскорбат настільки необхідний для здоров'я? У даний момент нас цікавитиме його роль в утворенні колаґену. Похідне проліну 4(R)-L-гідроксипролін (4-Нур) відіграє критичну роль у згортані колаґену і підтриманні його структури. Як було відзначено в тексті, колаґен побудований із повторюваної трипептидної одиниці Gly-X-Y, де Х і Y зазвичай - Pro чи 4-Нур. Синтетичний пептид з десяти повторів Gly-Pro-Pro згортається з утворенням колаґенової потрійної спіралі, але ця структура плавиться за температури 41^оС. Якщо така ж структура утворюється з десяти повторів Gly-Pro-4-Hyp, то температура плавлення підстрибує до 69^оС. Стабільність колаґену забезпечується його структурою, визначеною незалежно Хеленою Берман і Адріаною Заґарі з колеґами. Кільце проліну, як правило, існує у вигляді двох складчастих конформацій, названих С_γ-ендо і С_γ-екзо (Рис. 3). Для спіральної структури колагену необхідно, щоб залишок Pro в положенні Y був у конформації С_γ-екзо, і якраз вона стабілізується гідроксилюванням в положенні С-4 молекули 4-гідроксипроліну. Проте у положенні Х залишок Pro повинен мати конформацію С_γ-ендо, і поява там залишку 4-Нур може дестабілізувати спіраль. Неможливість гідроксилювання Pro e положенні Y за відсутності вітаміну С призводить до нестабільності колаґену і проблем зі сполучною тканиною у разі захворювання на цингу.

Гідроксилювання певних залишків Pro у колаґені (точніше, у протоколаґені, попередникові колаґена) відбувається за участю ензиму проліл-4-гідроксилази. У всіх хребетних цей ензим (М_r 240 000) складається з тетрамера α₂β₂, гідроксилювальна активність виявлена в α-субодиницях. (Дослідники були здивовані тим фактом, що β-субодиниці цього ензиму такі ж, як у протеїндисульфідізомеразі (ПДІ; стр. 152); ці субодиниці не беруть участі в гідроксилюванні проліну). Кожна α-субодиниця містить один атом негемового заліза (Fe²⁺), a ензим належить до класу гідроксилаз, які для каталізу реакції потребують наявності α-кетоґлутарату.

У звичайній реакції, каталізованій проліл-4-гідроксилазою (Рис. 4а), з ензимом зв'язуються по одній молекулі α-кетоґлутарату та О₂. α-Кетоглутарат оксидативно декарбоксилюється з утворенням СО₂ і сукцинату. Атом кисню, що залишився, використовується для гідроксилювання відповідного залишку Pro у протоколаґені. Для цієї реакції не потрібен аскорбат. Проте проліл-4-гідроксилаза каталізує також і оксидативне декарбоксилювання α-кетоглутарату, не спряжене з гідроксилюванням проліну, а для цієї реакції аскорбат необхідний (Рис. 4б). Під час реакції Fe²⁺ гему окиснюється, а окиснена форма ензиму неактивна і не здатна гідроксилювати пролін. Функція аскорбату в цій реакції полягає у відновлені заліза та активності ензиму.

Однак роль вітаміну С не вичерпується участю у гідроксилюванні проліну. Дуже схожі реакції гідроксилювання характерні і для менш поширених залишків 3-гідроксипроліну та 5-гідроксилізину, які також входять до складу колаґену. Ензими, що каталізують ці реакції, належать до тієї ж родини α-кетоглутарат-залежних діоксиґеназ, і аскорбат відіграє в їх активності аналогічну роль. Дані діоксиґенази – це лише кілька прикладів із десятків близькоспоріднених ензимів, що виконують різноманітні метаболічні функції у різних класах орґанізмів. Аскорбату також притаманні й інші функції. Він служить антиоксидантом, реаґуючи ензиматично і неензиматично з активними сполуками кисню, які в орґанізмах ссавців відіграють важливу роль у процесах старіння та канцероґенезу.

Для рослин аскорбат необхідний у якості субстрата для ензиму аскорбатпероксидази, яка перетворює Н₂О₂ на воду. Пероксид утворюється з О_2, що виділяється під час фотосинтезу у компартментах з потужними окисно-відновними системами (Розділ 19). Аскорбат у рослинах виступає також попередником оксалату та тартрату і бере участь у гідроксилюванні залишків Pro у складі екстенсинів - протеїнів стінок клітин. Він міститься в усіх субклітинних компартментах рослинних клітин у концентрації від 2 до 25 мМ, саме тому рослини служать багатим джерелом вітаміну С.

Захворювання на цингу залишається проблемою до сьогоднішнього дня. Її спалахи відбуваються не лише у віддалених реґіонах, де набір продуктів харчування обмежений, але, як не дивно, і у гуртожитках американських коледжів. Деякі студенти вживають овочі лише в салатах і можуть кілька днів не їсти жодних фруктів. Обстеження 230 студентів Державного університету штату Арізона 1998 р. показало, що 10% мали суттєву недостатність вітаміну С в орґанізмі, а 2% з них - можливо навіть цингу. Лише половина з обстежених студентів щоденно вживала рекомендовану дозу вітаміну С.

Не забувайте їсти свіжі овочі та фрукти!

Рисунок 1Ірокези показують Жаку Картье, як готувати кедровий чай для лікування цинги

Рисунок 2Джеймс Лінд, 1716-1794 рр.; корабельний лікар, 1739-1748 рр.

Рисунок 3С_γ-ендо-конформація проліну і С_γ-екзо-конформація 4-гідроксипроліну

С_γ-ендо  Пролін  С_γ-екзо  4-гідроксипролін

Рисунок 4Реакції, каталізовані проліл-4-гідроксилазою. (а) Нормальна реакція, спряжена з гідроксилюванням проліну, для проходження якої не потрібен аскорбат. Перетворення двох атомів кисню, що походять з О₂, показано червоним кольором. (б) Неспряжена реакція, в якій α-кетоглутарат оксидативно декарбоксилюється без гідроксилювання проліну. У цьому процесі аскорбат стехіометрично поглинається і перетворюється на дегідроаскорбат.

Залишок Pro      α-Кетоглутарат Залишок 4-Нур Сукцинат

‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑