Роль витаминов в биохимических процессах
Витамины (лат. vita — жизнь) — группа низкомолекулярных органических соединений, необходимых для нормального функционирования гетеротрофного организма.
К витаминам не относят микроэлементы и незаменимые аминокислоты.
История открытия витаминов
До XIX века о существовании витаминов ничего не было известно, хотя люди периодически сталкивались с симптомами авитаминозов. Обычно причины болезненного состояния списывались на инфекцию.
Особенно страдали от нехватки витамин мореплаватели. Многие витамины содержатся в овощах и фруктах, являющихся скоропортящимися продуктами. Поэтому в экспедиции их обычно не брали. В результате путешественники страдали и часто умирали от авитаминозов.
Известно, что одним из первых цитрусовые для лечения цинги у матросов предложил применять шотландский врач Джеймс Линд в 1747 году.
Рис. Джеймс Линд и его работа
Джеймс Кук ввел в корабельный рацион кислую капусту, солодовое сусло и подобие цитрусового сиропа. В результате в путешествии от цинги не погиб ни один матрос. В 1795 году лимоны и другие цитрусовые стали стандартной добавкой к рациону британских моряков.
В 1880 году советский педиатр Николай Иванович Лунин экспериментально доказал, что «… в молоке, помимо казеина, жира, молочного сахара и солей, содержатся еще другие вещества, незаменимые для питания. Представляет большой интерес исследовать эти вещества и изучить их значение для питания».
Лунин проводил эксперименты на мышах. Были взяты две группы мышей. Одних кормил «искусственным молоком», которое состояло исключительно из казеина (молочного белка), жира, молочного сахара, минеральных солей и воды. Мыши, питающиеся таким молоком, вскоре начинали терять в весе и погибали. Мыши из другой группы, которым давали в пищу натуральное молоко, росли здоровыми и крепкими.
Рис. Н. И. Лунин и его эксперимент
В XVII веке в странах Юго-Восточной и Южной Азии научились шлифовать рис, что улучшало его вкусовые качества. Однако, менно тогда появилось новое заболевание, получившее название «бери-бери». Симптомом болезни била крайняя слабость, переходящая в паралич и смерть. В то время решили, что эпидемию вызывает зараженный рис. В основном это заболевание было характерно для жителей Японии и Юго-Восточной Азии.
Рис. Бери-бери у человека Рис. Бери-бери у голубей (а — болезнь, б — норма)
Только в 1886 году нидерландский врач и бактериолог Христиан Эйкман, изучавший бери-бери в тюремном госпитале на острове Ява, экспериментально доказал, что в рисовой шелухе содержится вещество, способное предупреждать бери-бери (полиневрит). Ученый выделил данное соединение из рисовой шелухи.
Для своих опытов Эйкман использовал кур. В ходе одного из экспериментов он обнаружил, что цыплята, питающиеся шлифованным рисом, заболевали полиневритом — очень похожим на бери-бери человека. Когда же подопытных животных переводили на неочищенный рис, они выздоравливали.
Исследования, проведенные Христианом Эйкманом положили начало методу лечения болезней, связанных с недостатком каких-либо веществ в пище.
Фредерик Хопкинс назвал эти необходимые вещества «добавочными факторами» и продолжил их изучение. В ходе экспериментов Хопкинс с коллегами установил, что в молочном белке (казеине) содержится вещество, необходимое для роста и развития организма.
В 1929 г. Эйкману и Хопкинсу за вклад в открытие витаминов была присуждена Нобелевская премия.
Рис. Христиан Эйкман Рис. Фредерик Хопкинс
1912 год — польский химик Казимир Функ ввел термин «витамин». Функ определил химический состав вещества, выделенного из рисовых отрубей, и, обнаружив в нем аминогруппу, назвал его «витамин»: от латинских слов «vita» (жизнь) и «amine» (азот). И хотя не все витамины содержат азот, термин этот сохранился.
1916 год — витамин А: вещество, стимулирующее рост;
1935 год — витамином К (koagulations vitamin) (датский химик Хенрик Дам, Нобелевская премия в 1943 году;
1936 год — тиамином (витамин В1);
1936 год — получены первые препараты витамина Е путем экстракции из масел ростков зерна.
1938 год — немецкий химик Рихард Кун определил формулу и синтезировал флавин (витамина $B_2$), вещество, «необходимое для питания» (цит. Лунин), содержащееся в молоке.
Роль витаминов в организме человека
Витамины не имеют существенного пластического и энергетического значения для организма человека.
Большую часть витаминов организм не способен синтезировать сам. Эти витамины должны быть неотъемлемой частью пищевого рациона человека. Источниками витаминов для человека являются пищевые продукты растительного и животного происхождения. С пищей витамины поступают в готовом виде, или в форме провитаминов, из которых в организме образуются витамины. Некоторые витамины синтезируются микрофлорой кишечника.
Витамины делят на:
жирорастворимые витамины: А, D, E, K;
водорастворимые витамины: C, Р и витамины группы B.
Жирорастворимые витамины накапливаются в жировой ткани и печени.
Водорастворимые витамины в организме не накапливаются, при избытке выводятся с водой. Поэтому чаще наблюдаются гиповитаминозы водорастворимых витаминов и гипервитаминозы жирорастворимых витаминов.
Большинство витаминов являются коферментами (структурными единицами ферментов) или их предшественниками. Поэтому, многие авитаминозы можно рассматривать как патологические состояния, возникающие из-за выпадения функций тех или других коферментов. Однако в настоящее время механизм возникновения многих авитаминозов ещё неясен.
Интересно, что фармацевтические антибиотики (например, из группы сульфаниламидных) напоминают по своим химическим признакам витамины, необходимые для бактерий. Такие «замаскированные под витамины» вещества захватываются бактериями, при этом блокируются активные центры бактериальной клетки, нарушается её обмен, и происходит гибель бактерий.
Витаминология — медико-биологическая наука, изучающая структуру и механизмы действия витаминов, а также их применение в лечебных и профилактических целях.
В клетке могут происходить процессы свободнорадикального окисления, когда происходит прямое присоединение кислорода к окисляемым веществам. Оно осуществляется без помощи ферментов и носит разрушительный характер. Поэтому организм нуждается в антиоксидантах — веществах, препятствующих свободнорадикальному окислению веществ. Витамины С, Е, Р связывают свободные радикалы, предупреждая образование ядовитых соединений.
При надостатке или переизбытке в органзме какого-либо витамина наступает патологическое состояние, характеризуемое определенным набором симптомов (синдромом).
Гиповитаминоз — патологическое состояние, связанное с недостатком в организме определенного витамина.
Авитаминоз — тяжелое патологическое состояние, связанное с отсутствием в организме определенного витамина.
Гипервитаминоз — патологическое состояние, связанное с избытком в организме определенного витамина.
Наличие некоторых витаминов зависит от их поступления с пищевыми продуктами (незаменимые витамины). Они поступают в готовом виде, либо в виде провитаминов, которые превращаются в витамины в процессе метаболизма.
Водорастворимые витамины:
витамины группы В — входят в состав многих ферментов; содержатся в продуктах; некоторые синтезируются кишечными симбионтами;
витамин С, или аскорбиновая кислота — необходим для нормального формирования соединительной ткани; поступает с пищей; при его недостатке развивается цинга;
витамин К — фактор свертываемости крови; образуется кишечными симбионтами;
Жирорастоворимые витамины:
витамин А (ретинол) — необходим для образования зрительного пигмента — родопсина, при его недостатке развиваются нарушения зрения; поступает в организм с пищей животного происхождения или синтезируется в организме из провитамина витамина А — каротина, содержащегося в красно-оранжевых плодах и корнеплодах;
витамин Д — участвует в минерализации костной ткани, его активная форма формируется в организме при ультрафиолетовом облучении, поэтому связанное с ним заболевание — рахит — может развиваться при недостатке самого витамина или при недостатке ультрафиолета в зимнее время в северных районах.
витамин Е (токоферол) — участвует в репродуктивной функции и иммунной защите; поступает с пищей;
Содержание витаминов в продуктах заметно снижается при их длительном хранении и кулинарной обработке.
Авитаминозы и гиповитаминозы могут возникать не только в случае отсутствия витаминов в пище, но и при нарушении их всасывания при заболеваниях желудочно-кишечного тракта. Состояние гиповитаминоза может возникнуть и при обычном поступлении витаминов с пищей, но возросшем их потреблении (во время беременности, интенсивного роста), а также в случае подавления антибиотиками микрофлоры кишечника.
Рис. Содержание витаминов в продуктах
| Витамин | Значение витамина в организме человека | Продукты с наибольшим содержанием данного витамина | Норма потребления витамина (мг/сут.) | Гиповитаминоз/авитаминоз* |
| А | рост и развитие, восстановление эпителия, зрение; синтез половых гормонов; иммунитет (синтез интерферонов, иммуноглобулина, лизоцима); антиоксидант | печень, сливочное масло, яичный желток, желто-оранжевые овощи и фрукты; может синтезироваться в организме из провитаминов — каротиноидов | 700 мкг/сут. (для женщин), 900 мкг/сут. (для мужчин) | куриная слепота |
$B_1$ (тиамин) | обмен жиров и углеводов, рост и развитие; работа сердца, нервной и пищеварительной системы; участвует в энергетическом обмене (поставщик НАД) | пшеничный хлеб из муки грубого помола, соя, фасоль, горох, шпинат, мясо, дрожжи | 1,1 — 1,2 мг/сут. | бери-бери |
| $B_2$ (рибофлавин) | образование эритроцитов, антител, регуляция роста и репродуктивных функций; функции щитовидной железы, здоровье кожи и ее производных | печень, почки, дрожжи, яйца, миндаль, капуста, грибы, молоко | 1,8 — 2,0 мг/сут. | трещины слизистой оболочки губ, языка, дерматит век, ушей, носа |
$B_3$/РР (никотиновая кислота) | энергетический обмен; синтез белков и жиров | ржаной хлеб, ананас, свекла, гречка, фасоль, мясо и субпродукты, грибы и др. белковая пища; может синтезироваться в организме из триптофана. Синтезируется бактериальными симбионтами в толстом кишечнике | 15 — 19 мг/сут | пеллагра; куриная слепота |
| $B_4$ (холин) | синтез ацетилхолина, синтез инсулина, обмен жиров; работа нервной системы, память | яичный желток, мозг, печень, почки, сердце; капуста, шпинат, соя, грибы | 450 — 550 мг/сут. | болезни печени и нервной системы |
| $B_5$ (пантотеновая кислота) | входит в состав кофермента А, участвующего в пластическом обмене; регулирует работу надпочечников, участвует в синтезе антител | дрожжи, икра рыб, орехи, яичный желток, зеленые части растений, молоко, морковь, капуста, субпродукты | 5 — 10 мг/сут. | боли в суставах, выпадение волос, судороги конечностей, параличи, ослабление зрения и памяти |
| $B_6$ (пиридоксин) | стимулятор обмена веществ, белковый обмен; участвует в производстве гемоглобина; снабжение клеток глюкозой | зерновые, бобовые, рыба, печень, пшеница, мясные и молочные продукты, яйца. Синтезируется кишечной микрофлорой. | 1,1 — 1,5 мг/сут. | повышенная утомляемость; депрессивное состояние; выпадение волос; трещины в уголках рта; нарушение кровообращения; онемение конечностей; артрит; мышечная слабость |
$B_7$/Н (биотин) | регулирует обмен веществ (в т. ч. уровень сахара в крови); является источником серы, которая принимает участие в синтезе коллагена | в печени, почках, дрожжах, бобовых (соя, арахис), цветной капусте, орехах; здоровая микрофлора кишечника синтезирует биотин в достаточном для организма количестве | 50 мкг/сутки | поражение кожи, волос;анемия, депрессия, слабость, высокий уровень холестерина и сахара в крови |
| $B_{12}$ | пластический и энергетический обмен (окисление белков и жиров) | печень, почки, молоко, любые продукты животного происхождения, в т. ч. рыба и моллюски. Вырабатывается в толстом кишечнике животных, но всасывается только в тонком, накапливается в печени и почках. | 2,4 мкг/сут. | анемия, гибель нервных клеток |
| С (аскорбиновая кислота) | антиоксидант, синтез нейромедиаторов (серотонина), гормонов щитовидной железы, коллагена, стимулирует синтез интерферона и энергетический обмен | шиповник, киви, капуста, сырой картофель, красный перец, смородина, клюква, цитрусовые | до 90 мг/сут. | цинга |
| D | регуляция обмена фосфора и кальция | $D_3$ образуется в коже человека под действием ультрафиолетового света, $D_2$ поступает с пищей (печень, рыба, яйца, сливочное масло, сыр, дрожжи) | 15 мкг/сут. | рахит, остеопороз |
| Е | размножение млекопитающих, иммуномодулятор и антиоксидант | растительные масла | 20 — 30 мг/сут. | мышечная дистрофия, бесплодие, разрушение печени и мозга |
| К | свертывание крови, обмен веществ в костной и соединительной ткани, работа почек | зеленые листовые овощи, капуста, отруби, авокадо, киви, мясо-молочные продукты. Синтезируется бактериальными симбионтами в толстом кишечнике. | 90 мкг/сут. | внутренние кровотечения, деформация костей |
| Р (рутин) | повышает вязкость крови, в сочетании с витамином С увеличивают прочность сосудистых стенок | шиповник, цитрусовые, незрелые грецкие орехи, смородина, рябина, зеленый чай, гречка | 60 мг/сут. | кровоизлияния, быстрая утомляемость, мышечные боли, выпадение волос, синюшный оттенок кожи, угревая сыпь |
Н (биотин) | участвует в энергетическом обмене (поставщик НАД) | ржаной хлеб, ананас, свекла, гречка, фасоль, мясо и субпродукты, грибы; может синтезироваться в организме из триптофана. Синтезируется бактериальными симбионтами в толстом кишечнике. | 15 — 20 мг | пеллагра; куриная слепота |
*Краткие комментарии к названиям заболеваний.
Бери-бери — слабость, потеря веса, атрофия мышц, нарушения интеллекта, расстройства со стороны пищеварительной и сердечно-сосудистой системы, развитие парезов и параличей.
Куриная слепота — расстройство сумеречного зрения.
Цинга — нарушение синтеза коллагена — потеря прочности соединительной ткани — кровотечения (в т. ч. кровоточивость десен, носовые).
Пеллагра — заболевание, вызванное недостатком витамина РР, сопровождаемое дерматитом, диареей, деменцией (слабоумием).
Рахит — заболевание детей грудного и раннего возраста, вызванное недостатком витамина D, и, как следствие, нарушением кальциевого обмена, дефицитом кальция и протекающее с нарушением образования костей и недостаточностью их минерализации.
Рис. Рахит (у ребенка: крупный живот, неправильный череп, искривление костей ног)
Остеопороз — заболевание, связанное с нарушением образования костной ткани и увеличением хрупкости костей; может быть связано с недостатком витамина D.
Рис. Остеопороз
Источник
Мы уже знаем, что такое витамины и каковы их свойства. Теперь пора узнать основные функции витаминов в организме человека!
Функция 1
Витамины являются регуляторами множества биохимических реакций, которые вместе составляют обмен веществ и энергии в организме.
Каким же образом этим крохотным молекулам удается управлять столь мощным механизмом обмена веществ, который лежит в основе нашей с Вами жизнедеятельности?
Все не так сложно, как может показаться на первый взгляд. Сперва предлагаю разобраться, как работает наш организм.
Начиная с рождения и далее на протяжении всей жизни, мы дышим, едим, пьем, ходим, спим, работаем, отдыхаем, одним словом, живем. На все эти процессы затрачивается огромное количество энергии.
Кроме того она необходима для выработки тепла, работы сердца, органов дыхания, кровообращения, пищеварения и так далее.
Всего нашему организму требуется от 1200 до 1500 ккал в день (а именно, женщинам — примерно 54 ккал в час, мужчинам – 59 ккал в час).
Возникает вопрос, откуда эта энергия берется и как мы ее получаем.
Дело вот в чем. Наш организм не способен усваивать белки, жиры и углеводы в том виде, в котором они поступают к нам с пищей.
Сперва эти питательные вещества в ходе сложных превращений распадаются в желудке и кишечнике на более простые составные части, привычные для нашего организма.
Например, белки расщепляются до аминокислот, жиры до глицерина и жирных кислот, а углеводы (а именно гликоген) до глюкозы, затем до пировиноградной и молочной кислоты.
В результате всех этих реакций выделяется драгоценная энергия, которая расходуется на построение новых более сложных веществ и структур, а также на обеспечение процессов жизнедеятельности клеток, органов и организма в целом.
Важно отметить, все эти химические реакции протекают с огромной скоростью при температуре человеческого тела (36,6º С ). Как такое возможно?
А вот оказывается, возможно, благодаря особым веществам, имеющим белковую структуру – ферментам. Их еще называют катализаторами (или ускорителями) биохимических реакций.
Ферменты запускают реакции распада и образования веществ в клетке и увеличивают их скорость во много миллионов раз!!! В нашем организме находится огромное количество этих биологических катализаторов.
Каждый фермент приводит в движение строго определенную реакцию, тем самым являясь уникальным в своем роде.
Бывают пищеварительные, дыхательные ферменты и так далее. Но какое отношение имеют ко всему этому наши витамины? Самое прямое!
Видите ли, каждому ферменту, для того, чтобы стать активным и начать действовать, необходимы помощники, в роли которых и выступают витамины.
Входя в состав большинства ферментов, витамины (особенно водорастворимые витамины группы В и жирорастворимый витамин К) регулируют и ускоряют важнейшие реакции в клетках нашего организма, иными словами, выполняют каталитическую функцию.
Таким образом, наш организм насыщается энергией, растет и развивается. В этом заключается биологическая роль витаминов в обмене веществ.
Следуя из этого, важно отметить, что значение витаминов в питании очень велико, так как они помогают нам усваивать все жизненно необходимые питательные вещества, содержащиеся в пище.
Функция 2
Некоторые витамины, такие, как А, С, Е и β — каротин обладают антиоксидантными свойствами.
Витамины антиоксиданты (или антиокислители) – группа биологических или синтетических веществ, которая защищает наш организм от разрушительного действия опаснейших врагов – свободных радикалов.
Функция 3
Витамины участвуют в образовании некоторых гормонов – биологически активных соединений, которые регулируют различные этапы обмена веществ в организме.
Например, при помощи витамина В3 (его еще называют витамином РР, никотиновой кислотой, ниацином) наш организм создает половые гормоны и гормоны коры надпочечников.
Витамин А также принимает участие в образовании стероидных гормонов (или половых гормонов, кортикостероидов).
Функция 4
Взаимодействие витаминов играет немалую роль в организме. Некоторые из них необходимы для образования других.
Так, от витамина В2 (или рибофлавина) зависит формирование активных форм витаминов В6, В9, D, а также образование витамина В3 из аминокислоты триптофана.
Недостаток рибофлавина нарушит функции данных витаминов и приведет к их дефициту даже при достаточном поступлении их с пищей.
Примеров взаимодействия витаминов насчитывается достаточно много.
Функция 5
Витамины играют важную роль в регулировании и функционировании нервной, эндокринной, иммунной систем организма.
Особенно они важны для поддержания иммунитета и повышения устойчивости организма к различным болезням и неблагоприятным факторам внешней среды.
Функция 6
По мнению врачей, витамины смягчают или устраняют действие на организм человека многих лекарственных препаратов.
Исследуется тот факт, что в повышенных дозах они могут использоваться в лечебных целях в качестве неспецифических средств: витамины В1, В2 и В6 – при сахарном диабете ;
витамин С – при инфекционных и простудных заболеваниях; витамин РР – при бронхиальной астме; витаминоподобное вещество U и никотиновая кислота – при язвах желудочно – кишечного тракта;
витамин В3 – при гиперхолестеринемии. Однако, насколько достоверны эти данные неизвестно.
Функция 7
Витамины участвуют в регулировании всех жизненно важных органов и систем организма:
- Центральной нервной системы – витамины В1, В3, В6, В12.
- Сердца, кожи и волос – витамин А.
- Костной системы – витамины С и D.
- Легких – витамины Е, А и ретиноиды, а также витамин В2.
- Зубов – витамины С, А и D.
- Глаз –витамин А.
- Кровеносных сосудов – витамины группы В и витамин С.
Функция 8
Некоторые витамины играют важную роль в усвоении минеральных веществ. Например, витамин С (аскорбиновая кислота) способствует всасыванию организмом железа. Витамин D участвует в сохранении кальция и фосфора.
Функция 9
Витамины защищают нас от заболеваний, вызванных их недостатком, а именно авитаминозов и гиповитаминозов.
Итак, мы с Вами разобрали основные функции витаминов в организме человека. Кроме того каждый витамин по своему уникален и обладает рядом специфических свойств и функций.
Источник