В переводе частично опущен раздел, посвященный метаболизму витамина Е.

The FASEB Journal. 1999;13:1145-1155
Витамин E: функция и метаболизм

REGINA BRIGELIUS-FLOHE and MARET G. TRABER
German Institute of Human Nutrition, Bergholz-Rehbrucke, Germany; and Department of Nutrition and Food Management, Linus Pauling Institute, Oregon State University, Corvallis, Oregon 97330, USA

Реферат

Хотя витамин E известен как необходимый нутриент для репродукции начиная с 1922 г., мы все еще далеки от понимания механизмов его физиологических функций. Витамин E - термин для группы токоферолов и токотриенолов, из которых альфа-токоферол имеет самую высокую биологическую активность. Из-за мощных антиоксидантных свойств токоферолов, считается, что действие альфа-токоферола в предотвращении хронических болезней связано с воздействием на окислительный стресс, изучение которого показало выгодные эффекты альфа-токоферола. Недавние наблюдения показали, что альфа-токоферол-транспортный протеин в печени, сортирует все поступающие токоферолы и выделяет RRR-альфа-токоферол для встраивания в плазменные липопротеины. Альфа-токоферол имеет функцию передачи сигналов в клетках сосудистых гладких мышц, которая не может осуществляться другими формами токоферола с подобными антиокисидантными свойствами, что увеличило интерес к исследованию роли витамина E вне его антиокисидантной функции. Альфа-токоферол кроме антиоксидантных имеет и другие функции. Это нуклеофил, способный захватывать электрофильные мутагены в липофильных камерах и производить метаболиты, которые способствуют натрийурезу. Метаболизм витамина E до конца неясен. Избыток альфа-токоферола конвертируется в альфа-CEHC и выделяется с мочой. Другие токоферолы, гамма- и дельта- токоферолы, также выделяются с мочой в виде CEHCs. Имеется специфическая молекулярная роль RRR-альфа-токоферола, который регулируется системой, сортирующей, распределяющей и разлагающей различные формы витамина E, но все еще не идентифицированной. В этой статье мы суммируем текущие знания о функции витамина E, с акцентом на его антиоксидантных свойствах, преимуществах для организма RRR-альфа-токоферола и его метаболизме к CEHCs.

Введение

ВИТАМИН E - термин, характеризующий группу мощных антиоксидантов. Структурные исследования показали, что молекулы, имеющие антиоксидантную активность витамина E включают четыре токоферола (альфа, бета, гамма, дельта) и четыре токотриенола (альфа, бета, гамма, дельта). Одна из форм, альфа-токоферол, является наиболее широко распространенной формой в природе (2), имеет самую высокую биологическую активность (3 4 5) и полностью изменяет симптом дефицита витамина E у человека (6 7 8 9 10). Хотя молекулярные функции альфа-токоферола довольно полно описаны, маловероятно, что они ограничены только антиоксидантной функцией.

В 1922 г. Evans и Bishop (11) обнаружили витамин E - существенно необходимый элемент для воспроизводства у крыс. Впоследствии было доказано, что витамин E эффективен в предотвращении перекисного окисления липидов и других свободнорадикальных реакций (13 14 15).

Антиоксидантная активность витамина E подняла интерес к его способности предотвращать хронические заболевания: сердечно-сосудистые болезни, атеросклероз и рак. Эпидемиологические исследования (16, 17) показали, что высокие уровни потребления витамина E коррелируют с уменьшением риска сердечно-сосудистых болезней и не связаны с потреблением других антиоксидантов (витамина С и бета-каротина), предполагая, что витамин E имеет дополнительную специфическую роль, кроме его антиоксидантной функции.

Возможность, что витамин E может быть полезен при хронических болезнях, усиливает интерес к определению его специфических молекулярных функций и поднимает вопрос, связаны ли они с его антиоксидантой функцией. Эта статья описывает текущие знания о функции витамина E: антиоксидантная функция, роль в передаче сигналов между клетками, признание существования альфа-токоферол транспортного белка, метаболизм витамина Е. Эти важные функции обсуждены в связи с дефицитом витамина E у человека, нормальным метаболизмом и хроническими болезнями.

ФУНКЦИИ

Антиоксидантная функция

Для стимулирования перекисного окисления липидов, Ham и Liebler (22) обрабатывали печень крыс Sprague-Dawley мм tert-butylhydroperoxide (t-BuOOH) в течение 10 мин. t-BuOOH индуцировал окисление альфа-токоферола к альфа-токоферол хинонону, альфа-токоферол гидрохинону, 2,3-эпокси-альфа-токоферол хинону и 5,6-эпокси-альфа-токоферол хинону. Однако, в печени крыс которым давался дополнительный витамин E (в 7- 10 раз больше), перекисное окисление липидов и метаболические изменения, индуцированные t-BuOOH, были меньше. Относительная степень окисления альфа-токоферола, формирование продуктов окисления и их распределение в печени и митохондриях были подобны в обоих группах. Эти данные говорят, что ''дополнительный'' витамин E предотвращал митохондриальную дисфункцию при серьезном окислительном стрессе.

Антиоксидантная активность in vivo

В 1996 г. исследование Cambridge Heart Antioxidant Study (CHAOS) (23) показало, что у более 2000 пациентов с ангиографически доказанным коронарным атеросклерозом, витамин E (400-800 IU/day) в течение 2 лет значительно (P < 0.005) уменьшил частоту смерти от сердечно-сосудистых болезней и нефатальный инфаркт миокарда на 77 %. Было установлено, что уменьшение перекисного окисления липопротеинов низкой плотности (LDL) было основным механизмом этого результата. Однако, ответ ткани на окислительный стресс также может быть важен. В Японском исследовании 60 пациентов с коронарной спастической ангиной, лечение в течение 30 дней с суточной дозой 300 милиграмм альфа-токоферола, привело к значительному улучшению (P < 0.001) ослабленной эндотелий-зависимой вазодилатации с сопутствующим уменьшением в плазме TBARS (субстрат тиобарбитуровой кислоты), маркера перекисного окисления липидов (24).

Демонстрация свободнорадикального повреждения и его предотвращения витамином E in vivo отсутствует из-за отсутствия достаточно чувствительных аналитических методов. Однако, недавно, количественный анализ изомеров простагландина F2, был предложен различными исследователями как надежный индекс генерации свободных радикалов и окислительного повреждения липидов in vivo.

Прооксидантная активность

Антиатерогенные результаты находятся в противоречии с прооксидантными эффектами витамина E, наблюдаемыми in vitro. Витамин E, подобно любому компоненту, имеющему окислительно-восстановительный потенциал, может усиливать анти- или про-оксидантный эффект, в зависимости условий реакции. Прооксидантные функции альфа-токоферола были показаны в исследовании LDL, изолированных у здоровых добровольцев (34) и пациентов с дефектом гена альфа-TTP (35). В присутствии других коаксидантов, включая аскорбиновую кислоту и убихинон (коэнзим Q10), витамин E не имеет функции прооксиданта. Эта тема наиболее полно обсуждена в обзоре Upston (36).

Специфическая химическая роль гамма-токоферола

В отличие от альфа-токоферола, токоферол-гамма - мощный нуклеофил, который захватывает электрофильные мутагены в липофильных камерах (37 38 39). Таким образом, токоферол-гамма дополняет действие глутатиона, который также утилизирует электрофильные мутагены в водной фазе клеток. Электрофильные мутагены, склонные реагировать с токоферолом гамма, являются пероксинитритами. Таким образом, токоферол-гамма может защищать липиды, ДНК и белки от пероксинитрит-зависимого повреждения.

Hoglen с коллегами (40) показал, что реакция пероксинитритов с токоферолом-гамма in vitro приводит к формированию четырех основных продукта: 2,7,8-триметил-2-(4,8,12-триметилдецил)-5-нитро-6-хроманол (NGT), 2,7,8-триметил-2-(4,8,12-триметилдецил)-5,6-хромахинон (Tocored) и двух стереомеров 8-альфа-(гидрокси)-гамма-токоферол. Однако, когда токоферол-гамма реагирует с NO₂⁺BF₄^-, главным обнаруженным продуктом был хинон-гамма-токоферол, продукт, который не был обнаружен в реакциях, включающих пероксинитриты. Так как продукты окисления с участием NO₂⁺BF₄ отличаются от продуктов окисления пероксинитритов, NO₂+, возможно, не является основным участником формирования NGT. Из-за его стабильности, Hoglen (40) считает, что NGT может быть полезен in vivo как маркер взаимодействия пероксинитритов с токоферолом-гамма.

Дефицит витамина E и неврологическая дисфункция

У людей, серьезный дефицит витамина E ведет к нервно-мышечным ненормальностям, характеризованных спиноцеребральной атаксией (8, 41 42 43 44) и миопатиями (9, 45). Периферическая невропатия вероятно происходит из-за повреждения свободными радикалами нервов и отмирания окончаний сенсорных нейронов (46). Анемия вследствие дефицита витамина E часто происходит у недоношенных младенцев в результате свободнорадикального повреждения (47). Уменьшенная продолжительность жизни эритроцитов (48, 49) и увеличенная восприимчивость к пероксид-индуцированному гемолизу наблюдается при серьезном дефиците витамина E у гиперхолестеринемических пациентов (50).

Явный дефицит витамина E происходит редко и фактически никогда в результате пищевого дефицита. Дефицит витамина E происходит в результате генетических ненормальностей альфа-токоферол транспортного протеина (альфа-TTP) и в результате различных синдромов малабсорбции (51). Частота дефицита витамина E в результате дефекта альфа-TTP у человека неизвестна.

Пациенты с семейным дефицитом витамина E, врожденным генетическим дефекта гена транспортного протеина альфа-токоферола (52, 53), имеют значительно уменьшенные плазменные уровни витамина E и неврологические нарушения, такие как мозжечковая атаксия, дизартрия, отсутствие глубоких сухожильных рефлексов, потеря вибрационной и проприоцептивной сенсорики и положительный рефлекс Бабинского (52).

Симптомы, связанные с этим синдромом могут быть улучшены, когда этим пациентам вводится витамин E до 2000 милиграмм в день (8 9 10). Также, симптомы дефицита витамина E, вызванного хронической болезнью печени, жировой малабсорбцией или акантоцитозом улучшаются при введении высоких доз витамина E (7, 54). Лечебная дозировка не может быть достигнута оптимизацией диеты; пациенты должны принимать дополнительный витамин E.

НЕАНТИОКСИДАНТНЫЕ ФУНКЦИИ

Клеточная передача сигналов

Роль витамина E в межклеточной передаче сигналов, особенно протеинкиназы C, интенсивно изучилась группой Аззи (55). Альфа-токоферол ингибирует пролиферацию клеток гладких мышц (56), уменьшает активность протеинкиназы C (57), увеличивает активность фосфопротеин фосфатазы 2A (58) и управляет экспрессией гена альфа-тропомиозина (55). Эти функции не связаны с антиоксидантной активностью витамина E, потому что бета-токоферол, который имеет подобную антиоксидантую активность, не выполняет ни одну из этих функций.

О влиянии альфа-токоферола на ингибирование протеинкиназы C также сообщалось для человеческих тромбоцитов (59), почек диабетических крыс (60, 61) и человеческих моноцитов (62). Механизм ингибирования протеинкиназы C альфа-токоферолом может быть частично связан с ослаблением генерации мембранного диацилглицерола, липида, который активизирует транслокацию и активность протеинкиназы C (63, 64). Cachia с коллегами (65) также считают, что ингибирование активности протеинкиназы C - не непосредственный эффект антиоксидантной активности альфа-токоферола, но требует интеграции альфа-токоферола в структуру мембраны, и, вероятно, происходит из-за прямого взаимодействия между альфа-токоферолом и протеинкиназой C в клеточной мембране.

Альфа-токоферол in vitro модулирует экспрессию некоторых значительных белков и ферментов в различных типах клеток, участвующих в атерогенезе (66). Обогащение витамином E эндотелиальных клеток привело к уменьшению экспрессии молекул межклеточной адгезии и молекул адгезии сосудистых клеток, таким образом уменьшая индуцированную LDL окислительную адгезию лейкоцитов с эндотелием (67).

Недавние исследования арахидоновой кислоты также показали, что альфа-токоферол может регулировать эти процессы и этот эффект не всегда производится другими формами витамина E (66). Витамин E регулирует активность фосфолипазы A2 (68, 69) и циклооксигеназы (69). Увеличенная активность этих двух ферментов указывет, что витамин E дозозависимо увеличивает производство простациклина, мощного сосудорасширяющего средства и ингибитора агрегации тромбоцитов (70 71 72 73 74).

Бесплодие

Витамин E предотвращает потерю сперматогенеза у мужчин (11). Мужское бесплодие также является следствием дефицита селена и может, таким образом, может поддержать общую антиоксидантную функцию витамина E в репродуктивной системе. Синергизм действия витамина E и селена при защите биологических мембран от окислительного воздействия широко обсуждается. Витамин E, как известно, редуцирует алкил-перокси радикалы ненасыщенных липидов (75), таким образом производя гидроперекиси, которые редуцируются селенпероксидазой, в особенности глутатионпероксидазой (76, 77). Соответственно, витамин E и селен могут замещать друг друга или по крайней мере действовать синергистически при патогенных явлениях, являющихся результатом окислительного стресса (78). Удивительно, однако, что витамин E не был способен заменить селен при предотвращении функциональных и структурных изменений сперматозоида (79). Это наблюдение предполагает различную роль витамина E и селена. Специфическая роль селена в сперматогенезе, возможно, связана с глутатионпероксидазой, которая экспрессирована в зависимости от состояния сперматиды (80) и конвертируется в структуру зрелого сперматозоида (81). Молекулярная роль альфа-токоферола в этом контексте остается неизвестной.

МЕТАБОЛИЗМ

Биопотециал и биоактивность

Коммерчески доступный витамин E обычно содержит только альфа-токоферол или этерифицированный сложный эфир ацетата, сукцината или никотината. Препарат может содержать естественный RRR или синтетический (оба rac) альфа-токоферол. Все rac альфа-токоферолы состоят из восьми возможных стереоизомеров (82). Эти формы не биоэквивалентны; исследование стереоизомеров показало высоко различные биологические активности (83). Приняв активность RRR-альфа-токоферола ацетата за 100 %, другие формы имели следующую активность: RRS 90 %, RSS 73 %, SSS 60 %, RSR 57 %, SRS 37 %, SRR 31 % и SSR 21 % (83). В тканях преобладали 2R формы (5, 84).

Эквимолекулярная смесь свободного и этерифицированного альфа-токоферола, меченого различными количествами дейтерия, произвела одинаковую концентрацию альфа-токоферола в плазме и эритроцитах (85). Эти результаты показывают, что свободный и этерифицированный альфа-токоферол имеют одинаковую биоактивность.

Детерминанты биологической активности

Биологическая активность естественного RRR-альфа-токоферола выше активности синтетических rac альфа-токоферолов и других естественных форм витамина E. Различия в абсорбции, однако, не позволяют удовлетворительно объяснить различия в специфическом действии изомеров. Следующие возможности и факты могут объяснять их различный терапевтический профиль: 1) различная биологическая активность изомеров или их метаболитов; 2) различная скорость и/или способ метаболизма; 3) компартментализация транспортных механизмов, специфическая для RRR-альфа-токоферола; и 4) специфическое взаимодействие изомеров со специфическими рецепторами.

Витамин E поглощается в кишечнике и попадает в кровообращение через лимфатическую систему. Он поглощается вместе с липидами, упакованными в хиломикроны и транспортируется в печень (процесс подробно рассмотрен в (51)). Этот процесс подобен для всех форм витамина E. Только после прохода через печень, альфа-токоферол появляется в плазме (51). Большинство бета, гамма, и дельта токоферола выделяется в желчь или не всасывается и выделяется с фекалиями (86).

Причина такого предпочтения альфа-токоферола - существование специфического альфа-токоферол транспортного протеина (альфа-TTP) (87). Альфа-TTP не только сортирует различные формы токоферола, но также и имеет предпочтение к 2R-стереоизомерам. Исследования помеченных дейтерием альфа-токоферолов показали, что 2R эпимеры по сравнению с 2S эпимерами - предпочтительно накапливаются во всех тканях кроме печени (88, 89). Кроме того, плазма и ткани после введения всех rac альфа-токоферолов, содержала 2R эпимеры (5, 84, 90).

Накопление RRR-альфа-токоферола в плазме характеризуется насыщением. Плазменные уровни витамина E прекращают увеличиватся при ~80 µM несмотря на увеличение дозировки RRR-альфа-токоферола до 800 милиграмм (91, 92) или 1320 милиграмм всех rac альфа-токоферолов в день (93). Исследование ответа в зависимости от дозировки RRR-альфа-токоферола показали, что ограничение плазменной концентрации является результатом быстрого изменения циркуляции альфа-токоферола (94). Эти данные совместимы с исследованиями кинетики, показавшими, что полный плазменный пул альфа-токоферола обновляется ежедневно (95).

ВЫВОДЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Только спустя три четверти столетия после открытия, мы начинаем понимать физиологию витамина E. Была проведена идентификация различных типов токоферолов и синтетических изомеров, определены специфические эффекты и функции изомеров. Альфа-токоферол является уникальным в многих отношениях. Процесс сортировки существует только для естественного RRR-альфа-токоферола; транспортный белок альфа-TTP обеспечивает попадание только естественного RRR-альфа-токоферола в плазму. Гамма- и дельта- токоферолы могут фактически могут замещать альфа-токоферол in vitro по антиоксидантной активности, различия между ними in vivo проявляются прежде всего из-за существования альфа-токоферол-специфической системы сортировки. Аналогичное отсутствие эквивалентности in vivo существует между RRR-альфа-токоферолами и всеми rac альфа-токоферолами. Процесс сортировки высоко специфичен, что предотвращает альфа-токоферол от быстрого омега-окисления и таким образом поддерживает низкую экскрецию альфа-CEHC. Только избыток альфа-токоферола конвертируется к альфа-CEHC, принимая во внимание, что гамма- и дельта- токоферолы почти полностью конвертируются в гамма- и дельта- CEHC и выделяться с мочой. Эти результаты предполагают, что имеется специфическая молекулярная роль RRR-альфа-токоферола.

Альфа-токоферол является уникальным регулятором каскада фосфорилирования. Такая роль может быть важной при болезнях сердца, где адгезия клеток, пролиферация и производство оксидантов могут весь быть изменены с помощью витамина E.

Токоферол гамма - уникальный мощный нуклеофил и генерирует метаболиты с интригующей фармакологической функцией, натрийурезом. Эта форма витамина Е может участвовать в удалении электрофильных мутагенов и предотвращении сердечно-сосудистой болезни, снижая кровяное давление.

Ввиду значительных различий в метаболизме и биопотенциале различных токоферолов, не удивительно, что результаты мночисленных эпидемиологических исследований, имевших цель разъяснить роль витамина E, но не принимавших во внимание метаболические различия между токоферолами, остались неокончательными. Определенные рекомендации по использованию и дозировке токоферолов могут быть сформулированы после проведения проспективных интервенционных исследований конкретных изомеров альфа-токоферолов с конкретной стереохимией.