Продолжение. Начало в №6, 2018

ЗАГАДКА БЕРИ-БЕРИ

Как мы уже упоминали, среди болезней, вызванных некачественным питанием, были такие, которые связаны со спецификой употребления в пищу продуктов в определённых регионах Земного шара.

Первым в списке этих заболеваний стоит бери-бери. Оно распространено в странах Юго-Восточной Азии и Дальнего Востока: Филиппинские острова, Индонезия, Океания, Китай и Япония. Во всех этих странах основным продуктом питания всегда был и остаётся рис, а с началом использования этого злака в шлифованном виде (очищенном от наружной оболочки при помощи машинной обработки) проблема встала очень остро.

Европейцы столкнулись с этой болезнью в начале 1600-х годов, когда Голландия захватила и сделала своей колонией остров Ява, входящий сейчас в состав Индонезии. Жители острова, а в особенности заключённые местных тюрем, страдали от жестокой болезни, которая сопровождалась сильной слабостью, постепенной утратой чувствительности конечностей, их параличом и очень часто заканчивалась смертью.

Эта болезнь для заключённых стала настоящим проклятием, да таким, что слова «тюрьма» и «смерть» для жителей Явы превратились в синонимы. Болезнь была распространена в огромном регионе, но речь пойдет об острове Ява, потому что именно там было сделано открытие причины этого грозного заболевания.

Исследования провёл голландский микробиолог Христиан Эйкман (11.08.1858 – 05.11.1930), талантливый врач и учёный, начинавший свою врачебную практику офицером медицинской службы на острове Ява, куда отбыл в составе медицинской комиссии Королевства Нидерланды в 1886 году для изучения проблемы заболевания бери-бери и поисков путей её лечения.

На то время существовало несколько теорий о причине этого заболевания. После того, как японский врач К. Такаки вылечил в 1882 г. больных моряков от бери-бери, убрав из их рациона рис, предположили, что рис отравлен, инфицирован каким-то микроорганизмом. Бактериология тогда была прогрессивной, набирающей обороты наукой.

Сам Х. Эйкман поначалу также был приверженцем бактериологической причины изучаемой им болезни и начал своё исследование в бактериологической лаборатории столичного военного госпиталя (г. Батавия, ныне Джакарта). Там же он возглавлял Яванскую медицинскую школу, впоследствии ставшую Университетом Индонезии.

Кроме бактериальной теории возникновения болезни существовали ещё две. По одной из них считалось, что рис содержит некое токсическое вещество, а по другой – что в данном злаке отсутствуют такие важные питательные вещества, как белки и жиры.

В поисках причины болезни и спасения жизни тысяч людей Х. Эйкману помогли, как ни удивительно, цыплята. Стоили они дёшево, и их в большом количестве разводили на Яве. Х. Эйкман обратил внимание, что цыплята, так же, как и люди, больные бери-бери, страдают недугом с теми же симптомами.

Учёный с коллегами все эксперименты провёл на этих домашних птицах, их использовали в качестве подопытных. В результате вскрытия трупов больных птиц было обнаружено, что причиной смерти является воспаление множества нервов. Х. Эйкман назвал патологию полиневритом, продолжал считать её происхождение бактериальным и искал возбудителя.

И тут случилась неожиданная вещь, больные птенцы выздоровели! Как такое могло произойти, ведь от болезни ещё никто не мог спастись?!

В ход событий вмешался Его Величество Случай. В виварий пришёл новый сотрудник, посчитавший очень расточительным кормить цыплят шлифованным рисом, которым питались люди, и покупал для птиц дешёвый необработанный рис, рис вместе с шелухой. Через некоторое время такого питания больные птицы излечились.

Чтобы убедиться, что причина выздоровления находится именно в рисовой шелухе, выздоровевших птиц снова начинали кормить шлифованным рисом, и болезнь появлялась вновь. Когда в рацион цыплят после этого снова вводили неочищенный рис, повторно наступало выздоровление. Х. Эйкман предположил, что в шлифованном рисе появляется яд в процессе очистки.

Результатом проведенных Х. Эйкманом экспериментов стало доказательство того, что причиной болезни является использование в пищу шлифованного риса. По собранной статистке частота возникновения заболеваний у заключенных о. Ява, которые питались очищенным рисом, была в 300 раз выше, чем у тех, кто употреблял «плохой» дешёвый нешлифованный злак.

В 1890 году учёный опубликовал статью «Полиневрит у цыплят», в которой описал сходство симптомов заболевания полиневритом у цыплят и бери-бери у людей и результаты экспериментов с неочищенным рисом. На этом работа Эйкмана оборвалась, из-за болезни он вынужден был вернуться на родину в Нидерланды и больше на Яву не возвращался.

Зато там, на острове остался ассистент Эйкмана, Гарри Грийнс (Грейс), он-то и продолжил начатое шефом дело и после серии дополнительных экспериментов в 1901 году предположил, что болезнь бери-бери вызывается нехваткой некоего специфического вещества, содержащегося в рисовой шелухе.

Предположение Г. Грийнса натолкнулось, как это нередко бывает, на стену неприятия, ведь бактериальная теория возникновения заболевания оставалась на то время самой признанной в научных и медицинских кругах.

Но именно экспериментальные работы Х. Эйкмана считаются отправной точкой в выяснении причины различных заболеваний, связанных с нарушением рациона. И спустя почти 40 лет после описанных событий, в 1929 году, Христиан Эйкман за год до своей смерти стал одним из двух Лауреатов Нобелевской премии по физиологии и медицине «за открытие витаминов, стимулирующих процессы роста».

Вторым учёным, который разделил с Эйкманом эту Нобелевскую премию, стал английский биохимик Фредерик Гоуленд Хопкинс (1861–1947). Этому выдающемуся учёному принадлежит несколько важных открытий. Он является автором метода осаждения мочевой кислоты хлоридом аммония (1891 г.), метода, который был общепризнан и востребован многие десятилетия.

После получения докторской степени в 1894 году Ф. Хопкинс успешно начинает работать в университете Гюи в направлении химии белков, а через 4 года его приглашают на работу в Кембридж, где молодой талантливый исследователь в результате рутинных трудоёмких экспериментов открывает новую аминокислоту – триптофан.

Изученная и описанная Ф. Хопкинсом аминокислота пополнила список соединений, уже открытых немецкими биохимиками Эмилем Германом Фишером и Альбрехтом Косселем.

Работая в области химии белков (протеинов), Хопкинс предположил, а позже, в 1906 году доказал, что различные белки в рационе мышей способны оказывать различные эффекты на рост животных. В частности, белки, в которых отсутствует открытая им аминокислота триптофан, недостаточны для потребностей организма, т.е. он установил, что некоторые аминокислоты являются «незаменимыми», заложив фундамент новой концепции в биохимии.

И тут мы должны вспомнить опыты Н.И. Лунина в далёком 1880 году, который кормил мышей искусственным молоком, от чего у них замедлялся рост. Эксперименты, проведенные Ф. Хопкинсом в 1906–1908 гг., имели ту же постановку.

Полагая, что свойства белков, необходимых для роста организма, определяются составом употребляемых в пищу компонентов, он скармливал мышатам пищу, состоящую из свиного жира, крахмала и казеина (белка молока). От такого питания прекращался рост животных, после чего Ф. Хопкинс добавлял в рацион небольшое количество молока, и мышата снова начинали активно расти. Значит, предположил Хопкинс, молоко содержит некоторые отсутствующие в искусственном питании факторы, необходимые для роста и назвал их «добавочные факторы пищи». Н.И. Лунин в своё время сделал такое же предположение, и вот Ф. Хопкинс полностью его подтвердил.

Итак, Фредерику Хопкинсу принадлежит открытие новых соединений, название которым «витамины» («vita» – с лат. «жизнь», «аmine» – азотосодержащее соединение) дал в 1912 году польский химик Казимир Функ (1884–1967).

Основываясь на опыте своих предшественников, изучавших причину заболевания бери-бери, К. Функ также предположил наличие в рисовой шелухе компонента, нормализующего нарушенный болезнью обмен веществ. Более того, он выделил это соединение и успешно лечил им птиц и людей. В состав молекулы входили сера и аминогруппа (NH₂), и поэтому К. Функ назвал новое соединение «тиамин» (thio – приставка в номенклатуре серосодержащих соединений, аmine – приставка для соединений с аминогруппой).

Термин «витамины», дословно можно определить, как жизненно необходимые азотосодержащие вещества, ведь от их присуствия в рационе очень часто зависели жизнь и здоровье людей, животных и птиц. Хотя впоследствии выяснилось, что в состав этих соединений не всегда входит аминогруппа, тем не менее, термин успешно прижился и оставил в веках память о его авторе.

Кроме того, Казимиру Функу принадлежит ещё один термин – «авитаминоз», состояние организма при отсутствии витамина или витаминов в рационе как причина развития различных патологий. Обобщённые данные в области новых соединений К. Функ опубликовал в книге «Витамины» в 1912 году, а в 1936 году установил химическую структуру тиамина.

Фредерик Хопкинс свои эксперименты провёл несколько раньше Казимира Функа, в 1906–1908 гг., но не придавал им большого значения, а опубликовал их результаты только в 1912 году. В лекции на присуждении Нобелевской премии в 1929 году Ф. Хопкинс отдал должное польскому учёному, отметив его неоценимый вклад в формирование новой теории и раздела биохимии – витаминологии.

Почему Ф. Хопкинс считал свои эксперименты, оказавшиеся впоследствии революционным открытием, несерьёзными? Судите сами, ведь он занимался вопросами промежуточного обмена веществ, изучал комплекс окислительно-восстановительных реакций, в результате которого клетка получает энергию.

Он в соавторстве с Уолтером Флетчером показал накопление молочной кислоты в мышцах при снижении содержания в них кислорода. Этот факт стал фундаментом для открытия связи механизма мышечного сокращения с процессом преобразования энергии биохимических реакций в электрическую энергию высокого потенциала. Это открытие принадлежит Арчибалду В. Хиллу и Отто Мейергофу и отмечено Нобелевской премией по физиологии и медицине в 1922 году.

Кроме того, в 1921 году Хопкинс открыл трипептид (триаминокислота), названный им глутатионом, который участвует в переносе кислорода в клетках. Также он открыл фермент ксантиноксидазу, катализирующий окисление ксантина и гипоксантина до мочевой кислоты.

Все перечисленные открытия являются вехами фундаментальной биохимии, и Ф. Хопкинс в полной мере понимал их значимость. Поэтому открытие им в промежуточных опытах новых, неизвестных на тот момент добавочных соединений не казалось таким уж значительным событием.

И только спустя несколько десятилетий после экспериментов Х. Эйкмана и Ф. Хопкинса, в 1929 году Нобелевский комитет принял решение, что их работы являются первыми, заложившими новый раздел биохимической науки – витаминологию, и удостоил их звания Лауреатов по физиологии и медицине «за открытие витаминов, стимулирующих процессы роста».

Рядом с именами этих учёных, безусловно, стоит и имя Казимира Функа, хотя его и не было в списке Нобелевских лауреатов за это открытие. Справедливости ради, стоит сказать, что создатель концепции витаминов Казимир Функ номинировался на Нобелевскую премию четыре (!!!) раза: дважды – по химии (1926 и 1946 гг.) и дважды – по медицине (1914 и 1925 гг.). За что его можно считать рекордсменом по части номинаций.

За долгие годы после открытия тиамина изучены структура и функции этого важного биологически активного соединения.

Так что же представляет собой этот тиамин, витамин В1, авитаминоз которого унёс столько жизней в странах Юго-Восточной Азии и Дальнего Востока?

Тиамин – бесцветное кристалличесоке вещество, хорошо растворимое в воде, эфире и хлороформе, относительно термостабилен, выдерживает обработку, в том числе, и термическую (до 130–140 ⁰С) концентрированными кислотами, в щёлочной среде при температуре 80–100 ⁰С быстро инактивируется. По своей структуре это – гетероциклическое соединение, содержит пиримидиновое и тиазоловое кольца. Его синтезируют растения и многие микроорганизмы. Человеческий организм и организм животных его не вырабатывают, вот почему потребность в этом веществе мы можем восполнить только с пищей за счёт продуктов животного и растительного происхождения (хлеб, крупы, картофель, пивные дрожжи, а также мясо, печень и почки домашних животных).

Суточная норма тиамина для человека составляет 1,5-3 мг в зависимости от возраста и физической нагрузки. При уменьшении содержания тиамина в организме развивается гиповитаминоз, а при отсутствии – авитаминоз. Симптомы такого состояния описаны выше, это болезнь бери-бери или полиневрит.

Как же действует на нервную систему низкое содержания тиамина в крови, или полное его отсутствие, вызывая воспаление нервной ткани – полиневрит? Дело в том, что без участия витамина В1 не могут проходить некоторые очень важные реакции энергетического обмена, в первую очередь углеводов.

Попадая в организм, тиамин присоединяет к себе фосфатную группу (от одной до трёх, этот процесс называется фосфорилированием), после чего становится активным и включается в один из метаболических путей, прежде всего в гликолиз, процесс окисления глюкозы.

А глюкоза – это единственный источник энергии для нервных клеток, то есть при недостатке тиамина нервные клетки не получают своей суточной дозы этого важного углевода. И тогда они разрастаются, стремясь за счёт большей площади увеличить контакт с мельчайшими кровеносными сосудами, из которых можно добывать ценное питание. Но, в увеличенных нервных клетках усвоение глюкозы сокращается на 60%, а мембрана (защитный слой) нервных клеток истончается, теряя свою естественную консистенцию и вязкость, то есть определённую степень текучести. Результатом становятся «оголённые», раздражённые нервы.

Сегодня ни у кого не вызывает сомнение важность роли витаминов в профилактике и лечении многих грозных заболеваний. А начатое нами повествование – это повод ещё раз вспомнить имена великих учёных, чьи открытия стали давно прописной истиной, воспринимаются, как само собой разумеющееся, и навсегда вписаны в учебники как фундаментальные знания.

Продолжение следует…

Р.П. Виноградова, доктор биологических наук, профессор,
О.А. Гудкова, ведущий инженер отдела регуляции обмена веществ,
Институт биохимии им. А.В. Палладина НАН Украины, г. Киев.