A-vitamiini

A-hypervitaminoosi

Vitamiinitoimintoiset retinoidit kuten retinoli ja sen esterit ovat myrkyllisiä isoin annoksin – retinoideja on lähinnä vain eläinperäisissä ruuissa. Myrkytystä kutsutaan A-hypervitaminoosiksi. Sen syynä on usein retinoidiravintolisien liikasaanti, mutta harvemmin syynä on luonnostaan retinoidipitoisten maksaruokien runsas syönti. Tiettyjen eläinten maksat sisältävät ihmisille hengenvaarallisen määrän retinoideja. Esimerkiksi raakojen maksojen A-vitamiinipitoisuudet retinoliekvivalentteina (RE) ovat jääkarhuilla 476–1386 mg RE/100 g, naaleilla 444–699 mg RE/100 g, isolokeilla 147–304 mg RE/100 g ja partahylkeillä 26–538 mg RE/100 g.
Kerta-annokset, jotka ovat yli 200 mg RE aikuisilla tai yli 60–100 mg RE lapsilla, voivat aiheuttaa akuutin A-hypervitaminoosin. Toistuvat 30 mg RE/vrk annokset voivat myös johtaa lyhyessä ajassa myrkytykseen. Oireita ovat pahoinvointi, oksentelu, lihasten koordinaatiohäiriöt ja aivo-selkäydinnesteen paineen kasvusta johtuvat oireet kuten päänsärky, huimaus ja näön sumeus. Jos annos on pieni, oireet voivat mennä ohi 1–2 päivässä. Hyvin isoin annoksin ilmenee myös ruokahaluttomuutta, väsymystä ja heikkoutta, joita seuraavat iho-oireet kuten kutina (lähinnä silmien ympärillä), ihon pintakerrosten pois kuoriutuminen ja jatkuva oksentelu.
Toistuvat noin 10 mg RE/vrk annokset aikuisilla ja 4 mg RE/vrk lapsilla voivat pitkän ajan kuluessa johtaa krooniseen A-hypervitaminoosiin. Ensioireena on usein huulten kuivuus, jota seuraa nenän limakalvojen kuivuus ja halkeilu, ihon ja silmien kuivuus, sidekalvontulehdus, kutina, ihon punoitus ja hilseily, ihon pintakerrosten pois kuoriutuminen kämmenistä ja jalkapohjista, hiustenlähtö, kynsien halkeilu ja aivo-selkäydinnesteen paineen kasvun oireet eli päänsärky, pahoinvointi ja oksentelu. Pitkäaikaisessa liikakäytössä luiden murtumaherkkyys kasvaa ja ehkä myös riski sairastua osteoporoosiin.
Edeltävien lisäksi voi ilmetä maksavaurioita, kipua kehon painoa kantavissa luissa ja nivelissä. Oireita ilmenee kun veriplasman retinolipitoisuudet ovat yli 3 µmol/l.
A-hypervitaminoosia ei voi hoitaa. Retinoidipitoisten ruokien tai ravintolisien käytön lopettamisen jälkeen kehon vitamiinipitoisuudet normalisoituvat hitaasti. Oireet yleensä paranevat täysin.

Karotenemia ja lykopenemia

Kasviksista lähinnä löytyvät karotenoidit eivät ole myrkyllisiä, mutta niiden runsas saanti värjää ihon oranssiksi. Tämä on vaaratonta ja ohimenevää, mutta karotenoidien kertyminen voi olla myös oire jostakin sairaudesta. Tilaa ei myöskään tule sekoittaa muista syistä johtuvaan keltaisuuteen. Karotenemiaksi sanotaan karotenoidien, lähinnä β-karoteenin, ylimäärän kertymistä vereen ja sitä kautta muihin kudoksiin. Iho alkaa värittyä noin 4–7 viikon kuluttua karotenoidirikkaan ruokavalion alkamisesta ja kun β-karoteenin seerumipitoisuus on yli 2,5 mg/l. Keltaisuutta ilmenee aluksi runsaimmin hikoilevilla alueilla, kuten kasvojuonteissa, kämmenissä ja jalkapohjissa, mutta väri voi levitä kattamaan koko ihon. Silmien valkuaiset eivät värjäänny – tämä erottaa karotenemian esimerkiksi maksan vajaatoiminnan aiheuttamasta keltaisuudesta. Lykopenemiaksi sanotaan lykopeenin ylimäärän kertymistä vereen ja sieltä muualle kehoon. Tämä on samanlainen tila kuin karotenemia, mutta lykopeeni on punainen toisin kuin oranssi β-karoteeni. Lykopenemiassa iho on siksi punaisempi kuin karotenemiassa. Molemmissa ihonväri muuttuu normaaliksi viikoissa tai kuukausissa karotenoidirikkaan ruokavalion lopettamisesta.

Puutos

A-vitamiinipuutoksen yleisin syy on sen puutos ravinnossa. Muita pääasiallisia syitä tai osasyitä voivat olla lipidien huono imeytyminen suolistosta, jota voi aiheuttaa haiman häiriöt kuten haimatulehdus ja kystinen fibroosi, sappinesteen tuoton tai vapautumisen häiriöt kuten sappitieatresia, liian vähäinen rasvahapposaanti (alle 5 g/vrk) tai sinkkipuutos. Sinkkiä vaaditaan RBP:iden tuottoon ja retinolin hapetukseen retinaaliksi retinolidehydrogenaasilla (katso vastaavasti kohdat Imeytyminen ja Kuljetus). Edeltävien lisäksi A-vitamiinipuutokselle on myös muitakin syitä.
Vakavan A-vitamiinipuutoksen ensioire on hämäräsokeus, jonka ilmenemiseen voi mennä vuosi puutteellisen ruokavalion aloittamisesta. Sitten ilmenee kyynelnesteen erityksen loppuminen (kseroftalmia). Siksi silmien pinta voi kuivua, halkeilla ja arpeutua. Valkuaisiin voi pupillien molemmin puolin ilmestyä Bitot'n läiskät eli vaalentuneet tai tummat ja kuivat alueet. Puutoksen pitkittyessä sarveiskalvot pehmentyvät ja silmät tulehtuvat: niihin muodostuu vaahto- tai juustomaista bakteerikasvustoa.
Muita puutosoireita ovat muun muassa ruokahaluttomuus, lihasheikkous, anemia, raskaana olevilla keskenmeno, limakalvojen kuivuminen ja paksuuntuminen, pituuskasvun hidastuminen, ataksia, tulehdukset, lisääntymiskyvyttömyys ja lopuksi kuolema.
Kokeellinen ruokavalio, jossa ainoa A-vitamiini on retinoiinihappo, aiheuttaa ihmisillä ja muilla eläimillä lopulta täydellisen sokeuden. Ruokavalio ei johda muihin puutosoireisiin tai kuolemaan. Kudoksissa myöskin A-vitamiineihin kuuluvan retinaalin hapettuminen retinoiinihapoksi on peruuttamatonta. Retinaalia vaaditaan pääosin vain näkemiseen, mutta happoa muihin elintärkeisiin toimintoihin. Pelkän hapon saanti johtaa siis retinaalipuutokseen.
Puutosta hoidetaan A-vitamiinilla. Lihaspistoksena otetut vesiliukoiset A-vitamiinit tehoavat nopeammin kuin nieltynä otetut rasvaliukoiset aineet. Hoidon alkaessa hämäräsokeus paranee selvästi jo tunneissa tai päivissä. Muiden oireiden paraneminen alkaa päivissä ja oireet katoavat noin 2–3 viikossa. Pahojen silmävaurioiden paranemiseen voi mennä jopa 3 kk tai sitten vauriot ovat johtaneet pysyvään sokeuteen.

Stereoisomeria

Retinoidien sivuketjujen kaksoissidokset ilmentävät E,Z-isomeriaa. Teoriassa isomeerejä on 16 (=2⁴) per retinoidi. Metyylin sitovista hiilistä 9 ja 13 alkavat kaksoissidokset ovat verrattain vakaita molemmissa muodoissa, mutta steerisistä syistä hiilten 7 ja 11 kaksoissidokset ovat vakaimpia E-muodossa. Retinoideista ja karotenoideista pienienergisimpiä ovat stereoisomeerit, joissa kaikki sidokset ovat E (kaikki-E). Ne ovat siksi luonnossa yleisimpiä. Liuoksissa (kaikki-E)-retinoidit ja niiden esiasteet voivat lämmön tai jodin avulla muuntua eri stereoisomeereiksi, joista yleisimpiä ovat 9Z ja 13Z. Muunnosta tapahtuu myös esimerkiksi kasvien kuivauksen tai varastoinnin aikana. (Kaikki-E)-muodossa metyylien vuorovaikutus vetyjen kanssa saa ketjun kaareutumaan hieman pois päin metyylipuolelta (kuva). Jononin ja isopreeniketjun yhdistävä 6,7-yksöissidos ilmentää s-cis,s-trans-isomeriaa. 6,7-s-cis on vakaampi.

Reaktiivisuus

Retinoidin hiilen 15 substituentti määrää mihin reaktioihin se voi osallistua. Esimerkiksi retinoli voi esteröityä karboksyylihappojen kuten rasvahappojen kanssa tai hapettua retinoiinihapoksi. Retinoiinihappo voi esteröityä alkoholien kanssa tai pelkistyä retinoliksi. Substituentti määrää osaltaan myös liukoisuuden. Retinoidit ovat pääosin liukoisia muun muassa rasvoihin ja etanoliin, mutta jotkin ovat verrattain vesiliukoisia, kuten retinoyyli-β-glukuronidi poolisen glukuronidin takia.
Valo, lämpö, happi ja Lewis-hapot hajottavat retinoideja ja karotenoideja niiden konjugoidun rakenteen takia. Hajoaminen liuoksissa on nopeampaa kuin kiinteässä muodossa. 315–400 nm UVA-säteily on 280–315 nm UVB-säteilyä tuhoisampaa. UV-säteilytyksessä ilmenee voimakasta vihreänkellertävää fluoresenssia. Hapettumisessa muodostuu erilaisia epoksideja ja apokarotenoideja. Esimerkiksi retinolin kohdalla esteröinti suojaa sitä hapettumiselta. Tämän takia muun muassa ravintolisissä käytetään pelkän retinolin sijaan sen estereitä kuten retinyyliasetaattia ja -palmitaattia. Hapettumisenestoaineet kuten butyloitu hydroksitolueeni ja pyrogallushappo vähentävät hajoamista liuoksissa esimerkiksi näytteiden vitamiinien eristämisen aikana. Ehjissä luontaisissa kudoksissa olevat retinoidiesterit ja karotenoidit ovat verrattain vakaita. Hapoissa esimerkiksi retinoliesterit voivat hydrolysoitua ja retinoli voi edelleen eliminaatioreaktiossa muuntua anhydroretinoliksi (CAS-numero 1224-78-8). Useat retinoidit ja karotenoidit ovat vakaita emäksissä, ja ne voidaan erottaa esimerkiksi ruuista saippuoimalla ne kuumassa liuoksessa. Toisin kuin karoteenit, ksantofyllit voivat hajota kuumassa saippuointiliuoksessa. Saippuointi kylmässä liuoksessa voi mahdollistaa ksantofyllien erottamisen niitä juuri hajottamatta.

Valmistus

A-vitamiinia tuotetaan teollisesti kemiallisella synteesillä. Retinolin asetaattiesteri eli retinyyliasetaatti on yleisin lisäravinteissa käytetty muoto. Vähän harvinaisempia estereitä ovat propionaatti ja palmitaatti.
Synteesejä on monia. Lähtöaineena käytetään usein β-jononia. Tätä voidaan saada asetonista ja etyynistä Lindlar-katalyyttiä käyttäen, jolloin saadaan 2-metyylibut-3-en-2-oli (CAS numero 115-18-4). Tämän kaksoissidokseen liitetään isoprenyylimetyylieetterin (CAS 116-11-0) isopreeni sigmatrooppisella reaktiolla happamassa. Muodostuu 6-metyyli-5-hepten-2-oni (CAS 110-93-0). Tämän karbonyylin hiileen liitetään etyyni. Tämä reagoidaan edelleen isoprenyylimetyylieetterin kanssa pseudojononiksi (CAS 141-10-6), jonka vahva happo syklisoi β-jononiksi.
β-jononia saadaan myös 2-metyylipropeenista ja formaldehydistä. Nämä reagoidaan Prins-reaktion kautta 3-metyylibut-3-en-1-oliksi eli isoprenoliksi (CAS 763-32-6). Tästä saadaan prenolia palladiumkatalyytillä. Isoprenolia hapetetaan 3-metyyli-3-butenaaliksi eli isoprenaaliksi (CAS 107-86-8). Isoprenaali ja prenoli reagoivat keskenään eetteriksi. Tämä järjestäytyy Claisen-kondensaation kautta välituotteeksi (CAS 54717-61-2), jolle tapahtuu Cope-toisiintuminen ja saadaan sitraalia. Tämä kondensoidaan asetonin kanssa pseudojononiksi. Tämä syklisoidaan sitten hapossa β-jononiksi kuten edellä. Sitrusheinät ovat runsaita ja joskus aiemmin käytettyjä sitraalilähteitä, mutta enää niiden käyttö ei ole taloudellista.
Yhdessä teollisuudessa käytetyssä synteesissä β-jononi muunnetaan vinyyli-β-jonoliksi (CAS 5208-93-5). Vinyylin lisäys tehdään suoraan Grignardin reagenssilla tai etyynin additiolla, jota seuraa osittainen vedytys vinyyliksi. Jonoli muunnetaan fosfoniumsuolaksi. Tähän liitetään Wittig-reaktiolla prenyyliasetaatti (CAS 1191-16-8) ja saadaan retinyyliasetaatti.

Imeytyminen

Retinyyliesterit, retinoidit ja karotenoidit ovat pääosin rasvaliukoisia. Imeytymisen mahdollistamiseksi ne liukenevat sappinesteen avulla vesiliukoisiksi miselleiksi. Retinyyliesterit hydrolysoituvat ohutsuolessa retinoliksi ja esteriä vastaaviksi hapoiksi haiman erittämien hydrolaasien kautta.
Suolisoluihin A-vitamiinit päätyvät eri proteiinien avulla. Retinoli imeytyy ainakin RBP2:n avulla; β-kryptoksantiini, α- ja β-karoteeni SCARB1:n ja CD36:n kautta; luteiini SCARB1:n ja NPC1L1:n kautta; lykopeeni SCARB1:n kautta.
Eläinten suolisoluissa soluliman β-karoteeni-15,15'-dioksigenaasi eli BCDO1 (EC-numero 1.13.11.63) hapettaa monia vitamiini- ja ei-vitamiinitoimintoisia karotenoideja. BCDO1 hapettaa esimerkiksi β-karoteenin kahtia 2:ksi retinaaliksi ja α-karoteenin tai β-kryptoksantiinin 1:ksi retinaaliksi. Mitokondrioiden BCDO2 eli β-karoteeni-9',10'-dioksigenaasi (EC 1.13.11.71) pilkkoo myös karotenoideja, mutta tuottaa vitamiinitoimintoon liian pitkäketjuisia apokarotenoideja. Näiden ketju voi silti teoriassa lyhentyä entsymaattisesti ja tuottaa retinaalia. Dioksigenaasien teho vaihtelee lajeittain. Kasvinsyöjäeläimillä teho voi olla suuri. Lihansyöjillä teho voi olla mitätön, eivätkä ne kaikki pysty käyttämään karotenoideja A-vitamiinien esiasteina.
Suolisoluissa retinaali pelkistyy retinoliksi retinolidehydrogenaasilla (EC 1.1.1.105). Tämä sitoutuu sitä soluissa kuljettavaan RBP2:teen (katso Kuljetus alla).
Retinoli esteröityy rasvahappojen kanssa lesitiiniretinoliasyylitransferaasilla eli LRAT:llä (EC 2.3.1.135) tai retinoliasyylitransferaasilla eli ARAT:llä (EC 2.3.1.76). Päätuote on retinyylipalmitaatti, mutta myös oleaatti-, linoleaatti- ja stearaattiestereitä muodostuu. Esterit päätyvät endoplasmakalvostoon, jossa muodostuvien kylomikronien sisässä ne menevät imunesteeseen ja sieltä vereen.

Varastoituminen

Useilla eläimillä A-vitamiinit varastoituvat maksaan. Esimerkiksi ihmisillä noin 90% kaikesta kehon A-vitamiinista on maksan stellaattisoluissa. Tästä lähes kaikki on retinyylipalmitaattia ja vähemmässä määrin muita rasvahappoestereitä. Terveillä aikuisilla A-vitamiinivarannot riittävät noin 1–2 vuotta.

Hajotus ja erittyminen

Hajotessaan A-vitamiinit hapettuvat retinoiinihapoksi. Tämä hajoaa edelleen CYP450-välitteisesti vesiliukoisemmiksi hajoamistuotteiksi. Hajotuksen entsyymeitä ovat muun muassa CYP26A1, CYP26B1 ja CYP26C1, ja hajoamistuotteita esimerkiksi 4-oksoretinoiinihappo (CAS-numero 38030-57-8), 4-hydroksiretinoiinihappo (CAS 66592-72-1) ja 18-hydroksiretinoiinihappo (CAS 63531-93-1). Retinoiinihappo ja retinoli voivat myös muuntua glukuroneiksi. Retinoidien hiilet 14 ja 15 voivat hapettua hiilidioksidiksi, jolloin niiden ketjut lyhenevät.
Edeltävät aineenvaihduntatuotteet poistuvat kehosta virtsassa ja sappinesteessä ulosteeseen. Ulosteesta noin 30% hajoamistuotteista imeytyy jälleen ja muuntuu aktiivisiksi A-vitamiineiksi. Imeytyviä muotoja ovat ei-peruuttamattomasti muuntuneet tuotteet kuten glukuronidit. Peruuttamattomasti muuntuneet lyhytketjuiset ja happamat tuotteet erittyvät lähinnä virtsassa.

Historia ja nimet

A-vitamiinipuutos on vanha sairaus. Eräiden tutkijoiden mukaan noin 1500 eaa. muinaisessa Egyptissä kirjoitettu Ebersin papyrus sisältää ehkä ensimmäisen maininnan puutoksesta ja sen hoidosta, jossa eläimen maksaa levitetään silmien alueelle. Vaikka maksoissa on paljon A-vitamiinia, hoito tuskin toimi tällaisenaan. Egyptiläisten hoitorituaaliin on siksi ehkä liittynyt maksan syöntiä, mutta tästä ei ole edes kirjallisia viitteitä. Ensimmäiset varmat kuvaukset A-vitamiinipuutoksen aiheuttamasta hämäräsokeudesta ja sen hoidosta ovat vasta antiikin Kreikasta. Esimerkiksi 300 eaa. Hippokrates esitti maksan syömisen parantavan hämäräsokeuden.
1816 fysiologi Francois Magendie (elänyt 1783–1855) antoi koirille typpeä sisältämättömiä ruokia kuten sokereita yrittäessään selvittää typpiyhdisteiden kuten proteiinien roolia terveyden ylläpidossa. Ruokavalion takia koirien paino muun muassa laski, silmät vaurioituivat ja lopuksi ne kuolivat. Magendie piti oireita seurauksena ruuan typpivajeesta. Lastenlääkäri Charles-Michel Billard (1800–1832) havaitsi 1820-luvulla joillain hylätyillä ihmisvauvoilla samanlaisia silmävaurioita, kuin mitä Magendie oli nähnyt koirilla – vastaavat ihmisten silmävauriot siis liittyivät ehkä myös ravinnepuutokseen. Nykyään Magendien ja Billardin kuvaamien silmäoireiden tiedetään johtuneen lähinnä A-vitamiinipuutteesta.
Useiden tutkimusten myötä 1800-luvun lopulle tultaessa vallitsevaksi käsitykseksi oli muodostunut se, että ravinnossa oli vain 4 välttämätöntä osaa: rasvat, proteiinit, hiilihydraatit ja erilaiset kivennäisaineet. Kuitenkin 1881 Nicolai Ivanovich Lunin (1853–1937) Tarton yliopistossa osoitti hiirten ruokintakokeissa lehmän maidossa olevan edeltäviin kuulumattomia tuntemattomia aineita, joita ne vaativat elossa pysymiseen. Hän antoi hiirille maidon tuolloin tunnettuja ainesosia kuten laktoosia, kaseiinia, rasvoja ja suoloja puhdistetuissa muodoissa seoksena. Keinotekoinen ruokavalio tappoi hiiret, mutta käsittelemätöntä maitoa sisältävä ei. Lunin oli Gustav von Bungen (1844–1920) oppilas. Bunge ei halunnut kyseenalaistaa käsitystä vain 4:n ravinteen välttämättömyydestä. Sen sijaan hän uskoi kivennäisaineiden ehkä olevan kiinni orgaanisissa molekyyleissä muodoissa, joita eläimet eivät kyenneet tuottamaan, ja jotka voivat hajota toimimattomiksi puhdistettaessa. Puhtaista aineista koostuvat keinotekoiset ruokavaliot eivät siksi Bungen mukaan pitäneet hiiriä hengissä. Lunin ei jatkanut ravintotutkimuksiaan.
Myös muut Bungen vaikutuspiirissä olleet tutkijat osoittivat ruokavaliossa olevan tuntematon ravinne tai ravinteita. Näitä tutkijoita olivat muun muassa 1891 kokeensa tehnyt Carl A. Socin, 1896 W. S. Hall ja 1906 C. T. Noeggerath. Myöskään he eivät tehneet havainnoistaan jatkotutkimuksia. Socin oli ensimmäinen, joka ehdotti tuntemattoman ravinteen olevan rasvaliukoinen.
1911 Wilhelm Stepp (1882–1964) kokeili Socin ehdotusta rasvaliukoisuudesta. Keinotekoisen ruokavalion sijaan hän käytti kokeessa lehmän maitoa. Hän uutti maidosta dietyylieetterillä ja etanolilla rasvaliukoisia aineita. Uuton läpikäynyt maito ei enää pitänyt hiiriä hengissä. Uutetun aineen lisääminen takaisin ravintoon palautti sen elossapitokyvyn. Koe siis osoitti että on olemassa tuntematon ja välttämätön rasvaliukoinen ravinne tai usea ravinne.
1913 Wisconsinin yliopistossa suorittamissaan kokeissa Elmer Verner McCollum (1879–1967) ja Marguerite Davis (1887–1967) näyttivät, ettei kaikissa ruokarasvoissa ollut kylliksi hiirille pakollisia rasvaliukoisia ravinteita. Maidossa ja kananmunissa niitä esimerkiksi oli kylliksi, mutta silavassa ja oliiviöljyssä ei. Tuolloin ei vielä tunnettu muita pääosin rasvaliukoisia D- ja E-vitamiineja.
1916 Cornelia Kennedy (1881–1969) esitti tavan jakaa vitamiinit, joita tunnettiin tuolloin vain 2, rasvaliukoiseksi A:ksi ja vesiliukoiseksi B:ksi (katso B-vitamiini). Hän ja kollegat eivät kutsuneet A:ta A-vitamiiniksi, sillä he pitivät elintärkeyteen viittaavaa vitamiini-sanaa, jonka Kazimierz Funk keksi 1912, löydetyille aineille liian suuren painoarvon antavana nimenä. Vitamiineja alettiin löytämään useita. Siksi 1920 Jack Cecil Drummond (1891–1952) ehdotti ettei vitamiineja nimettäisi niiden liukoisuuden mukaan, vaan väliaikaisesti aakkosin, eli A, B, C jne., kunnes tietty vitamiini tunnettaisiin kyllin hyvin, jotta se voitaisiin nimetä kemiallisen rakenteen mukaan. 1922 E. McCollum ja kollegat varmensivat muiden jo aiemmin ehdottaman D-vitamiinin olemassaolon osoittaen siten, että on olemassa muitakin rasvaliukoisia vitamiineja, kuin A-vitamiini.
1931 sveitsiläinen Paul Karrer (1889–1971) selvitti retinoidien ja karotenoidien perusrakenteen.
1937 Harry N. Holmes (1879–1958) ja Ruth E. Corbet eristivät A-vitamiinia hyvin puhtaassa muodossa Orberlinin yliopistossa.
1946 David Adriaan van Dorp (1915–1995) ja Jozef Ferdinand Arens (1914–2001) syntetisoivat ensimmäisenä A-vitamiinitoimintoisia aineita, kuten retinoiinihappoa.