Витамины

В 1881 г. русский ученый Николай Иванович Лунин провел интересные эксперименты, с пищевыми веществами: извлекая белки, жиры, углеводы и соли из молока, он кормил этой смесью лабораторных мышей. Несмотря на то что пища бралась, казалось бы, из самого полноценного продукта, животные чахли и умирали. Из этого Лунин, совершенно естественно, сделал вывод, что для удовлетворения потребностей организма кроме указанных веществ необходимы еще какие-то. Однако его публикация, как и работы многих других ученых на эту тему, не обратила на себя особого внимания.

Как выяснилось впоследствии, с этими веществами связан ряд заболеваний, в лечении которых в конце прошлого века врачи испытывали затруднения.

К ним относится, в частности, болезнь берибери, которая была серьезной проблемой для стран Юго-Восточной Азии, и особенно для Индонезии, которая была в то время голландской колонией.

В 1886 г. голландское правительство направило на остров Яву известного патологоанатома Корнелиса Пекельхаринга и невролога Клеменса Винклера из Утрехтского университета. Их помощником был назначен военный врач Христиан Эйкман, уже работавший в тропических районах. В то время бактериология переживала расцвет, и, совершенно естественно, голландские ученые занялись поисками микроба, вызывающего берибери. Пекельхаринг и Винклер, не обнаружив ничего заслуживающего внимания, вскоре уехали, оставив Эйкмана в Батавии (Джакарта) для продолжения работы. Он пробыл там 10 лет, проводя многочисленные исследования, связанные с тропической медициной, и продолжая поиски причины болезни берибери. Его исследования завершились интересным открытием.

Тайна этой болезни была разгадана совершенно случайно. Лаборатория в Батавии имела небольшое хозяйство по разведению кур. Птицы находились на довольно однообразной рисовой диете и постепенно становились жертвой болезни, клиническая картина которой весьма напоминала берибери. Интересовавшийся этим заболеванием Эйкман сразу уловил сходство и занялся экспериментами. Он добавил в пищу кур немного рисовых отрубей, и они быстро выздоровели. Оказалось, что при полировке риса, когда зерно очищается от оболочки, теряется какое-то ценное вещество, и местные жители, питавшиеся преимущественно рисом, становились жертвами берибери.

Подозрение, что эта болезнь связана с питанием, высказывалось еще в 70-е годы прошлого века. В 90-е годы Эйкман открыл причину болезни, но на это почти никто не обратил внимание. Болезнь берибери продолжала оставаться серьезной проблемой. Во время русско-японской войны из-за нее была выведена из строя шестая часть личного состава японской армии. Чтобы разрешить проблему, необходим был иной подход. Одним из ученых, способствовавших этому, был Фредерик Гоуленд Хопкинс.

Рано заинтересовавшись химией, Хопкинс работал в различных фирмах и лишь в 28-летнем возрасте занялся медициной. В 32 года он получил диплом и стал преподавать физиологическую химию, как называли в конце прошлого века биохимию. Знание химии и медицины позволило Хопкинсу провести интересные исследования. По существу его методика была такой же, как и у Лунина. Он кормил лабораторных животных (детенышей мышей и крыс) искусственной смесью из различных пищевых веществ и регулярно взвешивал их на весах, наблюдая за ростом. При появлении малейших отклонений от нормы Хопкинс тотчас начинал проводить химические анализы пищи.

Прежде всего он открыл, что белковые вещества различаются по своей питательной ценности. Более подробные исследования показали, что это определяется их составом. Хопкинс открыл незаменимые аминокислоты, которые не могут синтезироваться организмом и должны поступать в него с пищей. Питание неполноценным белком плохо отражалось и на мышах, поэтому в своих дальнейших экспериментах Хопкинс использовал наиболее полноценный белок — казеин (молочный белок). Несмотря на это, состояние лабораторных животных нельзя было назвать хорошим. Хопкинс выяснил, что в зависимости от степени очистки казеин оказывает различное воздействие. Тогда он решил добавить в пищу животных немного молока — эффект был поразительный. Состояние животных резко улучшалось.

К 1910 г. Хопкинс собрал достаточно данных и в марте 1911 г. на одном из собраний членов Английского биохимического общества выступил со своей теорией о «дополнительных» питательных веществах. Эта тема сразу была подхвачена прессой. Лондонская газета «Дейли мейл» опубликовала сенсационные материалы, которые были перепечатаны многими газетами Европы и Америки. Создалась обстановка, в которой кто-то должен был сделать последний завершающий шаг.

Его сделал польский ученый Казимеж Функ, который в 1911 г. также работал в Лондоне. В декабре он опубликовал результат своих исследований экстрактов из семян риса. Выделив вещество в кристаллическом состоянии, он назвал его витамином. Позднее стало ясно, что не все соединения такого рода являются витаминами, но то, что они жизненно важны, не вызывало сомнений. Введя новое понятие — авитаминоз, К. Функ разработал теорию этого явления, которая, между прочим, весьма напоминала идеи Хопкинса, Между учеными завязался спор о приоритете.

Безусловно, Хопкинс является пионером в этой области, однако Функ как автор понятия «авитаминоз», активно работавший потом в области производства витаминов, приобрел гораздо большую известность.

Кандидатуры Эйкмана и Хопкинса не раз выдвигались на соискание Нобелевской премии — и наконец эксперты пришли к заключению, что их исследования уже устарели. Наука, однако, богата неожиданностями. В 1929 г. вопрос о витаминах вдруг предстал в новом свете. Выяснилось, что витамины связаны с ферментами, являясь для них кофакторами. Тогда-то Каролинский институт принял решение наградить двух пионеров в этой области — Эйкмана и Хопкинса, — заявив, что важность их исследований стала теперь очевидной.

Открытия Эйкмана и Хопкинса, за которые они получили Нобелевскую премию по медицине и физиологии, были связаны с витаминами B₁ и А. Эти названия, правда, возникли позднее, когда началось химическое исследование витаминов. В этой области работали многие ученые, и некоторые из них были удостоены Нобелевской премии.

К числу, самых известных исследователей витаминов относится швейцарский химик-органик Пауль Каррер. В своих экспериментах он в основном использовал методы селективной абсорбции Вильштеттера, ультрацентрифугирования Сведберга и хроматографии Цвета.

Каррер занялся витаминами после того, как в 1929 г. шведский биохимик Ханс фон Эйлер-Хельпин показал, что пигмент каротин оказывает то же воздействие, что и витамин А. В 1930 г. швейцарский исследователь, уже зная структуру бетакаротина, мог сказать, как из него образуется витамин А.

Это имело большое значение, так как позволяло лучше исследовать физиологическое действие этого вещества и разработать методы его производства.

Другое открытие Пауля Каррер а связано также о пигментами. Занимаясь «желтыми ферментами», открытыми Отто Генрихом Варбургом и Вальтером Кристианом, он показал, что их цвет обусловлен особыми соединениями, которые получили название «флавины» («флавус». по-латыни значит «желтый»). В дальнейшем Каррер установил, что вещество рибофлавин идентично хорошо известному физиологам витамину В₂. Проводя химический анализ, Каррер установил структуру этого витамина. Продолжая далее исследовать витамин C, он подтвердил выводы Сент-Дьёрдьи о его структуре. Каррер исследовал также витамины Е и К, многочисленные коферменты, алкалоиды, растительные пигменты и многие другие органические соединения. Результаты его исследований представлены более чем в тысяче публикаций. Столь плодотворная научная деятельность принесла ему широкую известность и авторитет в научных кругах. За успехи в исследовании каротиноидов, флавинов и витаминов А и В₂ Карреру в 1937 г. была присуждена Нобелевская премия по химии. Он разделил ее с Хоуорсом. Каррер был удостоен многих званий и титулов рядом зарубежных академий и учебных заведений. Он стал почетным доктором Софийского университета.

В следующем, 1938 г. Нобелевский комитет по химии принял решение вновь присудить премию исследователю, занимающемуся каротиноидами и витаминами. Это был немецкий ученый Рихард Кун, профессор Гейдельбергского университета.

Начало его деятельности связано с изучением ферментов. Затем он занялся соединениями с сопряженными двойными, связями, так называемыми полиенами. Это привело Куна к изучению каротиноидов, которые также имеют подобную структуру. Состав этих соединений, содержащих в молекуле 40 атомов углерода и 56 атомов водорода, был установлен Рихардом Вильштеттером. В 1930 г. Каррер в Цюрихе и Зигмунд Отто Розенхейм в Лондоне выделили альфа- и бета-каротин. В 1933 г. Кун открыл гамма-каротин, вслед за чем осуществил обширное исследование каротиноидов и их распространения в растительном и животном мире. В ходе этих экспериментов он внес разного рода усовершенствования в метод хроматографии.

Вторую большую область его работы составляли витамины группы В. Из 5300 л обезжиренного молока Кун с сотрудниками выделили 1 г желтого вещества, которое было названо лактофлавином. Из него выделили лумифлавин, который оказался тем же самым соединением, что и кофактор «желтого фермента» из дрожжей. Выясняя структуру этого вещества, Кун попутно определил и строение лактофлавина, известного также под названием «рибофлавин». Это витамин В₂.

В начале 1939 г., после того как Кун был уже удостоен Нобелевской премии по химии за исследование каротиноидов и флавинов, он вместе со своими сотрудниками выделил витамин В₆ и в короткий срок определил его состав и структуру. Это соединение оказалось производным пиридина.

Кун стан лауреатом Нобелевской премии в 1938 г., через два года после того, как Гитлер запретил подданным Германского рейха любые контакты с Нобелевскими комитетами[17].

По приказу гестапо Кун вынужден был отказаться от награды. Лишь 11 лет спустя, в 1949 г., он получил ее одновременно с Адольфом Бутенандтом, лауреатом Нобелевской премии по химии за 1939 г., который также отказался от получения премии по аналогичным причинам.

В 1929 г. был открыт еще один витамин. Хенрик Дам из Копенгагенского университета ставил классические опыты с искусственными пищевыми смесями. У цыплят, которых умышленно лишали жиров, вдруг начинались тяжелые кровоизлияния. Анализ крови показал замедление ее коагуляции — процессы свертывания крови были очень затруднены.

В 1931 и 1933 гг. подобные явления наблюдали и американские исследователи. Тем временем Дам, добавляя в пищевые смеси различные вещества, установил, что добавка конопляного семени приводит к прекращению кровоизлияния и восстановлению свойств крови. Так как это было время большой популярности витаминов, естественно напрашивался вывод, что в данном случае наблюдается действие какого-то неизвестного представителя этой группы. Новый витамин был обозначен буквой К (от слова «коагуляция»).

Он был обнаружен в семенах капусты, томатов, сои, люцерны, а также в ткани печени животных. Последнее, наблюдение указывало на механизм действия этого витамина. Оказалось, что печень содержит фермент, участвующий в коагуляции крови. В отсутствие витамина К₃ фермент не работает, и тем самым нарушается вся цепь реакций, ведущих к свертыванию крови.

Дам был биохимиком высокой квалификации. В 1925 г. он специализировался по микрохимическому анализу у, Франца Прегля в Австрии. Через 10 лет он в сотрудничестве с Паулем Каррером начал работать над выяснением структуры вновь открытого витамина К.

Однако первым эту задачу решил Эдуард Аделберт, Дойзи, профессор биохимии университета в Сент-Луисе (США, шт. Миссури). В 1939 г. Дойзи выделил из семени люцерны и из рыбной муки два вещества в кристаллическом виде: K₁ и К₂. Вскоре он определил их структуру: они оказались производными нафтохинона. За этим последовал их синтез, и были открыты аналогичные вещества, но проще по строению и более сильно действующие.

Искусственное получение витамина К явилось большим подарком для медицины. Его начали широко применять для остановки кровотечений, при хирургических операциях, для лечения заболеваний печени и т. д. Использование витамина К для лечения новорожденных, у которых такой авитаминоз часто встречается, позволило значительно снизить детскую смертность.

В 1944 г. Нобелевский фонд возобновил вручение премий, которое вследствие войны было прервано на три года (1940—1942). Поскольку правила фонда допускают задержку объявления премии на год, это дало возможность вручить в 1944 г. премии лауреатам 1943 г. В области медицины ими стали X. Дам и Э.А. Дойзи — за открытие витамина К и определение его химической структуры.

Витамины, как сравнительно низкомолекулярные соединения, можно было успешно исследовать методами органической химии. Однако при исследовании самого сложного из них (витамина В₁₂) возникла необходимость в более современных средствах. После восьмилетних кропотливых исследований Дороти Кроуфут-Ходжкин из Оксфордского университета определила наконец его строение методом рентгеноструктурного анализа.

Витамин В₁₂ был открыт в 1948 г. Ученые установили, что он синтезируется различными микроорганизмами, прежде всего обитающими в кишечнике жвачных животных. Человек также получает это вещество от микроорганизмов, находящихся в его пищеварительном тракте. Однако иногда этот чрезвычайно тонкий процесс нарушается — и наступают тяжелые авитаминозы. Вскоре после открытия витамина B₁₂ выяснением его структуры и занялась английская исследовательница.

Через восемь лет, в 1956 г., строение витамина В₁₂ стало известно. Это явилось триумфом метода рентгеноструктурного анализа. Впервые таким образом была раскрыта структура столь сложного вещества. Необходимо вместе с тем отметить, что уже в то время другие ученые готовились к более сложным исследованиям. Макс Фердинанд Перуц и Джон Коудери Кендрю определили структуру таких сложных белков, как гемоглобин и миоглобин, за что в 1962 году получили Нобелевскую премию по химии. Их сенсационные результаты были достигнуты с помощью более современных средств рентгеноструктурного анализа с использованием ЭВМ.

Однако в 1964 г. Нобелевский комитет по химии, проявив уважение к пионерам в этой области, принял решение присудить премию Дороти Кроуфут-Ходжкин, которая установила структуру пенициллина и витамина B₁₂ без ЭВМ и современной техники.