Ретинол , также называемый витамином А1 , является жирорастворимым витамином из семейства витаминов А , который содержится в пище и используется в качестве пищевой добавки . [3] Ретинол или другие формы витамина А необходимы для зрения, развития клеток, поддержания кожи и слизистых оболочек , иммунной функции и репродуктивного развития. [3] Пищевые источники включают рыбу, молочные продукты и мясо. [3] В качестве добавки он используется для лечения и профилактики дефицита витамина А , особенно того, который приводит к ксерофтальмии . [1] Его принимают внутрь или вводят путем инъекции в мышцу . [1] В качестве ингредиента в средствах по уходу за кожей он используется для уменьшения морщин и других эффектов старения кожи. [4]
Ретинол в обычных дозах хорошо переносится. [1] Высокие дозы могут вызвать увеличение печени , сухость кожи и гипервитаминоз А. [ 1] [5] Высокие дозы во время беременности могут нанести вред плоду. [1] Организм преобразует ретинол в ретиналь и ретиноевую кислоту , через которые он действует. [3]
Ретинол был открыт в 1909 году, выделен в 1931 году и впервые получен в 1947 году. [6] [7] Он входит в список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения . [8] Ретинол доступен в виде дженерика и без рецепта . [1] В 2021 году витамин А был 298-м наиболее часто назначаемым лекарством в Соединенных Штатах, было выписано более 500 000 рецептов. [9] [10]
Ретинол используется для лечения дефицита витамина А.
При низком уровне витамина А у населения можно использовать три подхода: [11]
Ретинол также используется для снижения риска осложнений у больных корью . [12]
Рекомендуемая суточная доза (RDA) для предварительно сформированного дополнительного витамина А для взрослых мужчин и женщин составляет 900 и 700 единиц активности ретинола (RAE)/день соответственно, или около 3000 МЕ и 2300 МЕ. [3] Во время беременности RDA витамина А составляет 750–770 RAE/день (около 2500–2550 МЕ). [3] Во время лактации RDA увеличивается до 1200–1300 RAE/день (около 4000–4300 МЕ, с различиями в зависимости от возраста). [3]
Единицы активности ретинола можно преобразовать в МЕ (международные единицы) только в том случае, если известен источник витамина А. [3] Значения МЕ, указанные выше, не применимы к пищевым источникам витамина А. [3]
Слишком много витамина А в форме ретиноида может быть вредным. Организм преобразует димеризованную форму, каротин , в витамин А по мере необходимости, поэтому высокие уровни каротина не токсичны, тогда как эфирные (животные) формы токсичны. Печень некоторых животных, особенно тех, которые адаптированы к полярной среде, таких как белые медведи и тюлени, [13] часто содержит количество витамина А, которое было бы токсичным для человека. Таким образом, токсичность витамина А обычно сообщается у исследователей Арктики и людей, принимающих большие дозы синтетического витамина А. Первая задокументированная смерть, возможно, вызванная отравлением витамином А, была смертью Ксавье Мерца , швейцарского ученого, который умер в январе 1913 года во время антарктической экспедиции, которая лишилась своих запасов продовольствия и была вынуждена есть своих ездовых собак. Мерц мог потребить смертельные количества витамина А, съев печень собак. [14]
Острая токсичность витамина А возникает, когда человек потребляет витамин А в больших количествах, превышающих суточную рекомендуемую норму в 25 000 МЕ/кг или более. Часто пациент потребляет примерно в 3–4 раза больше, чем указано в спецификации RDA. [15] Считается, что токсичность витамина А связана с методами увеличения витамина А в организме, такими как модификация продуктов питания, обогащение и добавление, все из которых используются для борьбы с дефицитом витамина А. [16] Токсичность подразделяется на две категории: острая и хроническая. Первая возникает через несколько часов или дней после приема большого количества витамина А. Хроническая токсичность имеет место, когда около 4000 МЕ/кг или более витамина А потребляется в течение длительного времени. Симптомы обоих включают тошноту, нечеткое зрение, усталость, потерю веса и нарушения менструального цикла. [17]
Избыток витамина А, как предполагается, способствует остеопорозу . Это, по-видимому, происходит при гораздо меньших дозах, чем те, которые требуются для того, чтобы вызвать острую интоксикацию. Только предварительно сформированный витамин А может вызывать эти проблемы, поскольку преобразование каротиноидов или ретиниловых эфиров в витамин А снижается при удовлетворении физиологических потребностей; [18] но чрезмерное потребление каротиноидов может вызвать каротиноз .
Избыток готового витамина А на ранних сроках беременности связан со значительным увеличением врожденных дефектов. [19] Эти дефекты могут быть серьезными, даже опасными для жизни. Даже двукратное превышение рекомендуемой суточной дозы может вызвать серьезные врожденные дефекты. [20] FDA рекомендует беременным женщинам получать витамин А из продуктов, содержащих бета-каротин, и следить за тем, чтобы они потребляли не более 5000 МЕ готового витамина А (если таковой имеется) в день. Хотя витамин А необходим для развития плода, большинство женщин несут достаточные запасы витамина А в своих клетках печени, [21] поэтому следует строго избегать чрезмерного приема добавок.
Обзор всех рандомизированных контролируемых испытаний в научной литературе, проведенный Cochrane Collaboration и опубликованный в JAMA в 2007 году, показал, что добавление бета-каротина или витамина А увеличивает смертность на 5% и 16% соответственно. [22] Этот эффект объясняется ролью ретинола и ретиноевой кислоты в повышении уровня циркулирующего холестерина и триглицеридов, а также в повышении заболеваемости раком. [23]
Исследования, проведенные в развивающихся странах, Индии, Бангладеш и Индонезии, убедительно свидетельствуют о том, что в группах населения, где дефицит витамина А распространен, а материнская смертность высока, назначение ретинола будущим матерям может значительно снизить материнскую смертность. [24] Аналогичным образом назначение новорожденным 50 000 МЕ (15 мг) витамина А в течение двух дней после рождения может значительно снизить неонатальную смертность. [25] [26]
Ретинол или другие формы витамина А необходимы для зрения, поддержания кожи и развития человека. [1] За исключением зрения, для которого требуется 11-цис-ретиналь, активным соединением является ретиноевая кислота, синтезированная из ретиналя, в свою очередь синтезированного из ретинола. Различные биологические роли ретиноевой кислоты зависят от ее стереохимии и от того, присутствует ли она в полностью транс-, 9-цис- или 13-цис-формах. [27]
Ретиноевая кислота через рецептор ретиноевой кислоты влияет на процесс дифференциации клеток, следовательно, на рост и развитие эмбрионов. Во время развития существует градиент концентрации ретиноевой кислоты вдоль передне-задней (голова-хвост) оси. Клетки эмбриона реагируют на ретиноевую кислоту по-разному в зависимости от присутствующего количества. Например, у позвоночных задний мозг временно образует восемь ромбомеров , и каждый ромбомер имеет определенный шаблон экспрессируемых генов. Если ретиноевой кислоты нет, последние четыре ромбомера не развиваются. Вместо этого ромбомеры 1–4 растут, покрывая то же количество пространства, которое обычно занимают все восемь. Ретиноевая кислота оказывает свое действие, включая дифференциальный шаблон генов гомеобокса (Hox), которые кодируют различные факторы транскрипции гомеодомена, которые, в свою очередь, могут включать специфические гены типа клеток. [28] Удаление гена Homeobox (Hox-1) из ромбомера 4 заставляет нейроны, растущие в этой области, вести себя как нейроны из ромбомера 2. Ретиноевая кислота не требуется для формирования сетчатки, как предполагалось изначально, но ретиноевая кислота, синтезируемая в сетчатке, секретируется в окружающую мезенхиму , где она необходима для предотвращения чрезмерного роста периоптической мезенхимы, что может вызвать микрофтальмию, дефекты роговицы и века, а также вращение глазного бокала. [29]
Синтетическая ретиноевая кислота используется для дифференциации стволовых клеток в более преданные судьбы, что отражает важность ретиноевой кислоты в естественных эмбриональных путях развития. Считается, что она инициирует дифференциацию в ряд различных клеточных линий посредством активации рецептора ретиноевой кислоты . Она имеет многочисленные применения в экспериментальной индукции дифференциации стволовых клеток; среди них дифференциация человеческих эмбриональных стволовых клеток в задние линии передней кишки. [28]
Ретинол является важным соединением в цикле активируемых светом химических реакций, называемом « зрительным циклом », который лежит в основе зрения позвоночных . Ретинол преобразуется белком RPE65 в пигментном эпителии сетчатки в 11- цис -ретиналь. Затем эта молекула транспортируется в фоторецепторные клетки сетчатки ( палочки или колбочки у млекопитающих), где она связывается с белком опсином и действует как активируемый светом молекулярный переключатель. Когда 11- цис -ретиналь поглощает свет, он изомеризуется в полностью транс -ретиналь. Изменение формы молекулы, в свою очередь, изменяет конфигурацию опсина в каскаде, что приводит к нейронной активации , которая сигнализирует об обнаружении света. [30] Затем опсин расщепляется на белковый компонент (такой как метародопсин ) и кофактор полностью транс -ретиналь. Регенерация активного опсина требует преобразования полностью транс -ретиналя обратно в 11- цис -ретиналь через ретинол. Регенерация 11 -цис -ретиналя происходит у позвоночных посредством преобразования полностью транс -ретинола в 11- цис -ретинол в последовательности химических превращений, которые происходят в основном в пигментных эпителиальных клетках. [31]
Без достаточного количества ретинола регенерация родопсина неполная и возникает ночная слепота . Ночная слепота, неспособность хорошо видеть при тусклом свете, связана с дефицитом витамина А , класса соединений, включающего ретинол и ретиналь. На ранних стадиях дефицита витамина А более светочувствительные и многочисленные палочки , которые имеют родопсин , имеют нарушенную чувствительность, а колбочки поражены меньше. Колбочки менее многочисленны, чем палочки, и бывают трех типов, каждый из которых содержит свой тип йодопсина , опсины колбочек. Колбочки опосредуют цветовое зрение и зрение при ярком свете (дневное зрение).
Синтез гликопротеинов требует адекватного уровня витамина А. При тяжелом дефиците витамина А недостаток гликопротеинов может привести к язвам роговицы или ее разжижению. [32]
Витамин А участвует в поддержании ряда типов иммунных клеток как врожденной, так и приобретенной иммунной системы. [33] К ним относятся лимфоциты ( В-клетки , Т-клетки и естественные клетки-киллеры ), а также многие миелоциты ( нейтрофилы , макрофаги и миелоидные дендритные клетки ). Витамин А поддерживает иммунные барьеры в кишечнике благодаря своей активности в качестве ретиноевой кислоты. [34]
Дефицит витамина А связан с повышенной восприимчивостью к кожным инфекциям и воспалениям. [35] Витамин А, по-видимому, модулирует врожденный иммунный ответ и поддерживает гомеостаз эпителиальных тканей и слизистой оболочки через свой метаболит, ретиноевую кислоту (RA). Как часть врожденной иммунной системы, толл-подобные рецепторы в клетках кожи реагируют на патогены и повреждение клеток, вызывая провоспалительный иммунный ответ, который включает повышенную выработку RA. [35] Эпителий кожи сталкивается с бактериями, грибками и вирусами. Кератиноциты эпидермального слоя кожи вырабатывают и секретируют антимикробные пептиды (AMP). Выработка AMP резистина и кателицидина стимулируется RA. [35] Еще одним способом, которым витамин А помогает поддерживать здоровую кожу и микробиом волосяных фолликулов , особенно на лице, является снижение секреции кожного сала , которое является источником питательных веществ для бактерий. [35] Ретинол был предметом клинических исследований, связанных с его способностью уменьшать появление мелких морщин на лице и шее. [4] [36]
Витамин А может быть необходим для нормального формирования эритроцитов ; [37] [38] его дефицит вызывает нарушения метаболизма железа . [39] Витамин А необходим для образования эритроцитов из стволовых клеток посредством ретиноидной дифференциации. [40]
Применительно к диетическим нормам или диетологии ретинол обычно измеряется в международных единицах (МЕ). МЕ относится к биологической активности и, следовательно, является уникальным для каждого отдельного соединения, однако 1 МЕ ретинола эквивалентна приблизительно 0,3 микрограмма (300 нанограмм).
Этот витамин играет важную роль в зрении, особенно ночном, нормальном развитии костей и зубов, репродуктивной функции, а также в здоровье кожи и слизистых оболочек (слоя, выделяющего слизь, который выстилает такие области тела, как дыхательные пути). Хотя витамин А часто считается антиоксидантом, предотвращающим рак, он не обладает антиоксидантной активностью [41] и, как показано, способствует развитию многих видов рака. [42] [43]
Существует два источника диетического витамина А. Ретиниловый эфир или формы ретинола, которые немедленно доступны организму, или предшественники каротина , также известные как провитамины, которые должны быть преобразованы организмом в активные формы. Они получены из фруктов и овощей, содержащих желтые, оранжевые и темно-зеленые пигменты, известные как каротиноиды , наиболее известным из которых является β-каротин. [44] По этой причине количество витамина А измеряется в эквивалентах ретинола (ЭР). Один ЭР эквивалентен 0,001 мг ретинола или 0,006 мг β-каротина, или 3,3 международных единиц витамина А.
Витамин А является жирорастворимым и хранится в печени и жировой ткани. [45] Когда он требуется определенной части тела, печень выделяет некоторое количество витамина А, который переносится кровью и доставляется к целевым клеткам и тканям. [46]
Рекомендуемая суточная норма потребления (РСД) витамина А для 25-летнего мужчины составляет 900 мкг/день или 3000 МЕ. Рекомендуемые Национальной службой здравоохранения суточные нормы немного ниже: 700 мкг для мужчин и 600 мкг для женщин. [47]
В процессе абсорбции в кишечнике ретинол включается в хиломикроны в виде эфирной формы, и именно эти частицы опосредуют транспорт в печень . Клетки печени хранят витамин А в виде эфира, и когда ретинол необходим в других тканях, он деэтерифицируется и высвобождается в кровь в виде спирта. Затем ретинол прикрепляется к сывороточному носителю, ретинол-связывающему белку , для транспортировки в целевые ткани. [48] Связывающий белок внутри клеток, клеточный белок, связывающий ретиноевую кислоту, служит для хранения и перемещения ретиноевой кислоты внутри клеток .
Дефицит витамина А распространен в развивающихся странах, но редко встречается в развитых странах. Примерно от 250 000 до 500 000 недоедающих детей в развивающихся странах ежегодно слепнут из-за дефицита витамина А. [49] Дефицит витамина А у будущих матерей увеличивает уровень смертности детей вскоре после родов. [50] Ночная слепота является одним из первых признаков дефицита витамина А. Дефицит витамина А способствует слепоте, истощая необходимую форму, необходимую для родопсина. [31]
Ретиноиды встречаются в природе только в продуктах животного происхождения. Каждый из следующих продуктов содержит не менее 0,15 мг ретиноидов на 1,75–7 унций (50–198 г):
Множество различных геометрических изомеров ретинола, ретиналя и ретиноевой кислоты возможны в результате транс- или цис - конфигурации четырех из пяти двойных связей, обнаруженных в полиеновой цепи. Цис -изомеры менее стабильны и могут легко переходить в полностью- транс -конфигурацию (как видно из структуры полностью- транс -ретинола, показанной в верхней части этой страницы). Тем не менее, некоторые цис- изомеры встречаются в природе и выполняют важные функции. Например, 11 - цис -изомер ретиниля является хромофором родопсина , молекулы фоторецептора позвоночных . Родопсин состоит из 11-цис-ретиналя, ковалентно связанного через основание Шиффа с белком опсина (либо палочковым опсином , либо синим, красным или зеленым колбочковым опсином). Процесс зрения основан на вызванной светом изомеризации хромофора из 11- цис в полностью транс , что приводит к изменению конформации и активации молекулы фоторецептора. [31]
Многие из невизуальных функций витамина А опосредованы ретиноевой кислотой, которая регулирует экспрессию генов путем активации ядерных рецепторов ретиноевой кислоты . [29] Невизуальные функции витамина А необходимы для иммунологической функции, воспроизводства и эмбрионального развития позвоночных, о чем свидетельствуют нарушения роста, восприимчивость к инфекциям и врожденные дефекты, наблюдаемые у популяций, получающих недостаточное количество витамина А в своем рационе.
Ретинол синтезируется из расщепления β-каротина . Сначала β-каротин 15,15'-монооксигеназа расщепляет β-каротин по центральной двойной связи, создавая эпоксид . Затем этот эпоксид подвергается атаке воды, создавая две гидроксильные группы в центре структуры. Расщепление происходит, когда эти спирты окисляются до альдегидов с использованием NADH . Это соединение называется ретиналем. Затем ретиналь восстанавливается до ретинола ферментом ретинолдегидрогеназой . Ретинолдегидрогеназа — это фермент, который зависит от NADH. [52]
Ретинол производится в промышленных масштабах путем полного синтеза с использованием либо метода, разработанного BASF [53] [54] , либо реакции Гриньяра, используемой Hoffman-La Roche . [55] Считается, что два основных поставщика, DSM и BASF, используют полный синтез. [56]
Мировой рынок синтетического ретинола в первую очередь предназначен для корма для животных, оставляя примерно 13% для сочетания использования в пищевых продуктах, рецептурных лекарствах и диетических добавках. [56] Первый промышленный синтез ретинола был осуществлен компанией Hoffmann-La Roche в 1947 году. В последующие десятилетия восемь других компаний разработали свои собственные процессы. β-ионон, синтезированный из ацетона, является основной отправной точкой для всех промышленных синтезов. Каждый процесс включает удлинение ненасыщенной углеродной цепи. [56] Чистый ретинол чрезвычайно чувствителен к окислению и готовится и транспортируется при низких температурах и в бескислородной атмосфере. При приготовлении в качестве диетической добавки или пищевой добавки ретинол стабилизируется в виде производных эфира ретинилацетата или ретинилпальмитата . До 1999 года три компании, Roche, BASF и Rhone-Poulenc, контролировали 96% мировых продаж витамина А. В 2001 году Европейская комиссия наложила штрафы на общую сумму 855,22 евро на эти и пять других компаний за их участие в восьми отдельных картелях по разделу рынка и ценовому сговору, которые существовали с 1989 года. Roche продала свое витаминное подразделение компании DSM в 2003 году. DSM и BASF имеют основную долю промышленного производства. [56]
В 1912 году Фредерик Гоуленд Хопкинс продемонстрировал, что неизвестные вспомогательные факторы, обнаруженные в молоке, помимо углеводов , белков и жиров , необходимы для роста крыс. Хопкинс получил Нобелевскую премию за это открытие в 1929 году. [57] Год спустя Элмер Макколлум , биохимик из Университета Висконсин-Мэдисон , и его коллега Маргерит Дэвис идентифицировали жирорастворимое питательное вещество в молочном жире и рыбьем жире . Их работа подтвердила работу Томаса Берра Осборна и Лафайета Менделя из Йельского университета , также в 1913 году, которые предположили наличие жирорастворимого питательного вещества в молочном жире. [58] «Вспомогательные факторы» были названы «жирорастворимыми» в 1918 году, а позднее, в 1920 году, «витамином А». В 1931 году швейцарский химик Пауль Каррер описал химическую структуру витамина А. [57] Ретиноевая кислота и ретинол были впервые синтезированы в 1946 и 1947 годах двумя голландскими химиками, Дэвидом Адрианом ван Дорпом и Йозефом Фердинандом Аренсом. [59] [60]
В 1967 году Джордж Уолд стал одним из лауреатов Нобелевской премии по физиологии и медицине «...«за открытия, касающиеся первичных физиологических и химических зрительных процессов в глазу». [61] Фоторецепторные клетки глаза содержат хромофор, состоящий из белка опсина и 11-цис-ретиналя . При воздействии света 11-цис-ретиналь подвергается фотоизомеризации в полностью транс-ретиналь и через каскад передачи сигнала посылает нервный сигнал в мозг. Полностью транс-ретиналь восстанавливается до полностью транс-ретинола и возвращается в пигментный эпителий сетчатки, где перерабатывается в 11-цис-ретиналь и конъюгируется с опсином. [62]
Хотя витамин А не был подтвержден как необходимое питательное вещество, а его химическая структура не была описана до 20-го века, письменные наблюдения за состояниями, вызванными дефицитом этого питательного вещества, появились гораздо раньше в истории. Соммер классифицировал исторические отчеты, связанные с витамином А и/или проявлениями дефицита следующим образом: «древние» отчеты; клинические описания 18-го и 19-го веков (и их предполагаемые этиологические связи); лабораторные эксперименты на животных начала 20-го века и клинические и эпидемиологические наблюдения, которые выявили существование этого уникального питательного вещества и проявления его дефицита. [24]