Витамин свертывания крови

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