Витамины

Одним из самых крупных достижений биохимии в нашем веке было открытие витаминов и последующее изучение их свойств. Витамины — сравнительно простые химические соединения, которые присутствуют в пище в столь малых количествах, что не могут служить источниками энергии, но тем не менее абсолютно необходимы для жизни. Различные витамины имеют совершенно разное химическое строение, но все они имеют одну общую черту, а именно — ни один из них не может быть синтезирован в животном организме; поэтому для того, чтобы обмен веществ протекал нормально, в пище должны содержаться небольшие количества витаминов.

Витамины делятся на две главные группы — жирорастворимые витамины, которые растворяются в жирах или растворителях липидов (A, D, Е, К), и водорастворимые, которые хорошо растворяются в воде (С и комплекс В). При нехватке в пище хотя бы одного витамина возникает специфичес кое патологическое состояние (болезнь недостаточности), которое можно излечить лишь введением соответствующего витамина; например, только витамин С эффективен в лечении цинги.

В 1912 г. ученые установили, что животные не могут выживать на пищевом рационе из очищенных углеводов, белков и жиров; оказалось, что необходимы добавочные факторы роста — витамины. Так как вначале химическая структура этих веществ была неизвестна, их обозначали как витамины А, В и С, предупреждающие соответственно куриную слепоту и рахит, бери-бери и цингу. Ныне химическое строение почти всех витаминов известно, и большинство их получено синтетическим путем. Первоначальные витамины А и В оказались комплексами нескольких витаминов: витамин А подразделен на витамины A, D и Е, а под названием витамина В известна дюжина различных факторов. Витамины с известной химической структурой обычно обозначают их химическими названиями, например вместо «витамин В1» чаще говорят «тиамин».

Между витаминами и такими факторами, как незаменимые аминокислоты и незаменимые жирные кислоты, нет вполне четкого различия; последние чаще представляют собой простые органические вещества, необходимые для жизни, которые не могут быть синтезированы в организме животного и должны содержаться в пище. Однако эти кислоты требуются организму в гораздо больших количествах, витаминами же называют только те вещества, которые необходимы организму в очень малых дозах.

Обычно взрослому человеку, потребляющему нормальную разнообразную пищу, нет никакой нужды принимать витаминные препараты; он получает достаточные количества необходимых витаминов с пищей. Грудные дети и дети младшего возраста, рацион которых более ограничен, иногда нуждаются в дополнительных количествах некоторых витаминов, в особенности витаминов А и D. У различных животных потребность в витаминах неодинакова: большинство животных не нуждается в витамине С, так как он синтезируется в их собственном организме; только человек, обезьяны и морские свинки должны получать его с пищей. В пище насекомых должны содержаться только витамины группы В и холестерин.

Таким образом, то, что является витамином для одного животного, может не быть витамином для другого, хотя, вероятно, все животные и растения нуждаются во всех или почти во всех известных витаминах. Функция многих витаминов установлена; оказалось, что каждый из них служит неотъемлемой частью того или иного кофермента, необходимого для одной или нескольких важнейших ферментативных реакций, общих для протоплазмы всех живых организмов. То обстоятельство, что растения нуждаются в тех же витаминах, что и животные, но обычно могут сами синтезировать все необходимые им витамины, , ясно показали опыты Бидла, Татума и их сотрудников, проведенные с плесневым грибом нейроспорой. В питательной среде для обычного «дикого» штамма этого гриба должен содержаться, помимо солей и какого-либо сахара, только один витамин — биотин. Воздействуя на плесневые грибы рентгеновыми или ультрафиолетовыми лучами и вызывая таким образом генную мутацию, нарушающую какой-то этап синтеза того или иного витамина, эти исследователи получили мутант-ные штаммы, способные расти только при добавлении к среде еще одного витамина. В на-стоящее время выделены штаммы, нуждающиеся в каждом из витаминов, необходимых для роста животных. Это говорит о том, что клетки плесневых грибов (и, вероятно, клетки других растений) точно так же нуждаются в этих веществах для своего роста, как и животные клетки, но обычно они синтезируют все нужные им витамины, за исключением биотина.

Весьма вероятно, что когда-то животные тоже обладали способностью синтезировать все вещества, которые мы теперь называем витаминами, но в течение последующих миллионов лет произошли мутации, нарушившие синтез этих веществ, и для того, чтобы выжить, организмы должны были получать эти соединения с пищей. А поскольку в различных эволюционных линиях происходили самые разнообразные мутации, ныне живущие виды обладают неодинаковыми потребностями в витаминах. Если такие мутации возникали у зеленого растения, это растение погибало, так как оно не имело возможности получить витамин извне.

Жирорастворимые витамины

Витамин А.

Витамин А встречается только в животных продуктах, например в сливочном масле, яйцах и рыбьем жире, растения же содержат желтоватое вещество, называемое каротином или провитамином А, которое легко превращается в витамин А в клетках животных. Сам витамин А растворим в жирах и может сохраняться в организме. Суточная потребность в нем взрослого человека составляет около 1,5 мг (5000 ME), для ребенка до трехлетнего возраста — около 0,6 мг, а для детей старше трех лет — промежуточное количество. Этот витамин необходим для нормального питания эпителиальных клеток кожи, глаз, пищеварительного тракта и дыхательных путей. При недостатке витамина А эти клетки становятся плоскими, хрупкими и менее устойчивыми к инфекции, чем нормальные (витамин А иногда называют «антиинфекционным витамином»). В далеко зашедших случаях эпителий глаза образует на роговице сухую, ороговевшую пленку — возникает характерное заболевание, приводящее к слепоте и называемое ксерофталъмией . Витамин А необходим также для поддержания нормальной нервной ткани и для роста костей и зубной эмали. Он участвует в химическом механизме зрения, и недостаток его может вызвать куриную слепоту — неспособность видеть при слабом свете. Сетчатка глаза содержит вещество, называемое зрительным пурпуром и состоящее из витамина А и белка; под действием света это вещество расщепляется, стимулируя рецепторныв клетки, которые посылают импульсы в мозг, что приводит к зрительным ощущениям. Обычно это вещество быстро восстанавливается, но при недостатке витамина А ресинтез зрительного пурпура бывает замедлен и возникает куриная слепота. Случаи тяжелой недостаточности витамина А, приводящей к ксерофтальмии, в США редки, но куриная слепота встречается довольно часто. Для предупреждения этого во время второй мировой войны пилоты истребителей, действовавших ночью, получали пищевой рацион, особенно богатый витамином А.

При введении витамина А в избытке у человека наблюдаются симптомы отравления; некоторые из первых случаев такого отравления имели место у людей, поевших печени белого медведя, очень богатой этим витамином.

Витамин D.

Второй жирорастворимый витамин — витамин D, или кальциферол,—замечателен тем, что он один может образовываться в организме под влиянием солнечного света (его иногда называют «солнечным» витамином) из обычно содержащегося в коже вещества, называемого эргостерином. Кальциферол содержится также в рыбьем жире, сливочном масле, яйцах и молоке, а избыток его, образовавшийся в коже за летние месяцы, сохраняется в печени.

Имеется около 10 структурно родственных между собой веществ, обладающих в различной степени активностью витамина D; одно из самых активных называется кальциферолом. Витамин D необходим для нормального всасывания кальция и фосфора в кишечнике; детям и взрослым рекомендуется получать около 0,02 мг витамина D в сутки. При недостаточности кальциферола кальций и фосфор не всасываются в нормальных количествах, и образование костей и зубов замедляется из-за нехватки «сырья». В результате развивается заболевание, известное под названием рахита , для которого характерны размягчение костей и появление утолщений в области запястий и лодыжек, искривление ног, четкообразные утолщения на ребрах и дефекты развития зубов. Однако избыточное введение витамина D тоже опасно, так как может привести к обызвествлению мягких тканей и к смерти.

Витамин Е (альфа-токоферол).

В экспериментальных исследованиях на крысах, курах и утках было открыто существование витамина Е, или альфа-токоферола, который необходим для предупреждения бесплодия. Если в пищевом рационе его нет, то самцы становятся стерильными вследствие дегенеративных измене-ний в семенниках, а у самок нарушается течение беременности, зародыши гибнут и рассасываются. Из яиц, отложенных курами, страдающими от недостатка витамина Е, цыплята не вылупляются. До сих пор не было показано, что бесплодие у человека вызывается недостаточностью витамина Е, но такая возможность не исключена. Никаких цифр суточной потребности человека в этом веществе привести нельзя, но оно так широко распространено в жидких жирах растительного и животного происхождения, что недостаток его при мало-мальски нормальном рационе почти невозможен.

Витамин Е служит антиоксидантом и предохраняет некоторые лабильные компоненты клетки от окисления. Он участвует также в системе переноса электронов, однако, какую именно роль он при этом выполняет, точно не известно. Недостаток витамина Е приводит к прогрессирующему ухудшению состояния мышц и параличу, вероятно, вследствие дегенерации нервов (подобно тому как разрушение нервон при детском параличе ведет к атрофии и параличу мышц). Лечение некоторых видов параличей у человека препаратами витамина Е дало благоприятные результаты.

Витамин К.

Нормальное свертывание крови, которое зависит от выработки протромбина печенью, связано со специфическим действием ряда различных веществ, в совокупности называемых витамином К. Эти вещества, обладающие одинаковым действием, содержатся в разнообразных пищевых продуктах и синтезируются бактериями нашего кишечника; поэтому недостаточность витамина К у человека обычно бывает вызвана не недостатком витамина в пище, а каким-либо нарушением его всасывания. Поскольку он может всасываться только в присутствии желчных солей (эти соли необходимы также для всасывания витаминов A, D и Е), при закупорке желчного протока возникает авитаминоз, сколько бы витамина К ни содержалось в пище и сколько бы его ни вырабатывалось кишечными бактериями. Хирургические операции у больных с недостаточностью витамина К связаны с большим риском ввиду большой вероятности послеоперационных кровотечений; введение витамина К (а при необходимости — и желчных солей) перед операцией устраняет эту опасность, что позволило спасти много жизней. У новорожденных детей, прежде чем у них разовьется собственная бактериальная флора кишечника, весьма вероятен дефицит витамина К, и введение этого вещества матери в последние дни беременности помогает предотвратить кровоизлияния, которые часто возникают у младенцев в процессе их рождения. Мы не можем привести какую-либо оценку суточной потребности в этом витамине, но при дефиците витамина К ежедневное введение 1—5 мг витамина возвращает время свертывания крови к норме.

Водорастворимые витамины

Витамин С.

Болезнь цинга (скорбут), вызываемая недостатком витамина С, была одним из главных массовых незаразных заболеваний, известных в истории; для нее характерны кровоточащие десны, кровоподтеки на коже, болезненность и припухлость суставов и общая слабость. Она возникала всякий раз, когда люди бывали долгое время лишены свежих плодов, овощей и мяса, например при длительном плавании на парусных судах или во время долгих северных зим. Современные способы консервирования и перевозки пищевых продуктов привели к почти полному исчезновению этой болезни, но легкие формы авитаминоза С, выражающиеся в вялости, плохом настроении и раздражительности, все еще встречаются.

Первое сообщение о средстве, излечивающем цингу, мы находим в отчетах об экспедиции Жака Картье в Канаду в 1536 г. Члены его команды тяжело страдали от цинги и вылечились настоем еловой хвои по совету индейцев. Предупреждающий цингу витамин был выделен в 1933 г. и оказался аскорбиновой (или гексуроновой) кислотой — веществом, которое было известно уже многие годы, но о противоцинготных свойствах которого никто не подозревал. Аскорбиновая кислота довольно нестойкая и быстро разрушается при варке пищи, поэтому лучшими источниками ее служат свежие плоды и соки, хотя при современных методах консервирования большая часть аскорбиновой кислоты, содержавшейся в пищевом продукте, сохраняется. Аскорбиновая кислота играет какую-то роль во внутриклеточных окислительных процессах, в частности участвует в окислении тирозина. Она необходима для нормального состояния соединительной ткани. При ее отсутствии капилляры становятся чрезвычайно хрупкими и легко разрываются, что приводит к кровоизлияниям под кожу и в суставы. Развитие костей и зубов тоже нарушается. Здоровым взрослым людям ежесуточно требуется от 75 до 100 мг аскорбиновой кислоты — количество, заключенное в стакане апельсинового сока.

Витамины группы В.

Первоначально витамином В называли фактор, активный против бери-бери; однако впоследствии из тех же экстрактов печени, дрожжей или рисовой шелухи, в которых содержится этот фактор, было выделено 9 других веществ, обладающих специфическим биологическим действием. Некоторые из этих веществ сначала получили собственные буквенные обозначения: рибофлавин был назван витамином G, биотин — витамином Н. Однако теперь все эти факторы объединяют под названием витаминов группы В не потому, что они сходны по своему химическому строению или по действию, а потому, что они часто встречаются совместно. Отдельные представители этой группы обозначаются их химическими названиями.

Тиамин (витамин В1).

Тиамин, первым отделенный от остальных витаминов группы В, предупреждает бери-бери. Это белое кристаллическое вещество, запах которого напоминает запах дрожжей; небольшие количества его содержатся в очень разнообразных пищевых продуктах. Дрожжи, печень, орехи, свинина и цельное зерно хлебных злаков служат лучшими, источниками всех витаминов группы В. Так как средний пищевой рацион несколько беден тиамином, муку, хлеб и крупу в некоторых странах обогащают этим веществом. Суточная потреб-ность в тиамине различна и зависит от веса тела, количества потребляемых калорий и доли углеводов в пищевом рационе (чем больше углеводов, тем больше требуется тиамина), но средняя потребность в нем человека составляет 2—3 мг в сутки. В настоящее время тиамин в больших количествах получают синтетическим путем, что резко снизило его стоимость. Тиамин и другие витамины группы В почти не накапливаются в организме, и поэтому признаки недостаточности их проявляются уже через несколько недель. В большинстве пищевых рационов содержится достаточно тиамина, чтобы предотвратить развитие бери-бери, но иногда содержание его не соответствует оптимальному для здоровья.

Роль тиамина в организме состоит в том, что из него образуется тиаминпирофосфат — активная часть (кофермент) некоторых ферментов, участвующих в углеводном обмене, в частности в окислительном декарбоксилировании пиро-виноградной и а-кетоглутаровой кислот. Когда вследствие недостатка тиамина обмен углеводов нарушается, то возникает ряд характерных симптомов: при легкой недостаточности наблюдаются утомляемость, потеря аппетита и судороги; при более тяжелом авитаминозе эти симптомы усиливаются и начинается дегенерация нервов, сопровождающаяся болезненными ощущениями и приводящая к атрофии мышц и как следствие этого — к параличам. Это состояние известно под названием бери-бери . Симптомы эти быстро исчезают после введения тиамина. Любой рацион, в котором содержится слишком мало тиамина, по всей вероятности, будет беден и другими витаминами группы В; поэтому случаи недостаточности одного лишь тиамина редки.

Рибофлавин (витамин В2 или G).

Это желтый пигмент, встречающийся как в растительных, так и в животных тканях; особенно велико его содержание в пищевых продуктах, богатых тиамином: в дрожжах, печени, мясе, яйцах и сыре. Рибофлавин образует часть кофер-ментов флавинмононуклеотида (ФМН) и флавин-адениндинуклеотида (ФАД), участвующих в обмене глюкозы и аминокислот и в некоторых окислительных процессах, происходящих в клетке. Для поддержания здоровья человеку требуется 1—2 мг рибофлавина в сутки.Недостаточность рибофлавина выражается в появлении трещин в углах рта, в характерной пурпурно-красной окраске языка и в задержке роста. При экспериментальной недостаточности рибофлавина у крыс наблюдается приостановка роста, выпадение шерсти, развитие катаракт, воспаление глаз и смерть .

Ниацин, или никотиновая кислота.

Ниацин — один из компонентов двух коферментов: дифосфопиридиннуклеотида (ДПН) и трифосфопиридиннуклеотида (ТПН), играющих роль акцепторов водорода во многих различных реакциях дегидрирования. Ниацин как органическое соединение был известен уже более 50 лет, прежде чем была выяснена его роль как витамина. Он содержится в дрожжах, свежих овощах, мясе и пиве. Кукурузная каша содержит необычайно мало ниацина, и везде, где этот вид пищи составляет большую часть рациона, распространена болезнь пеллагра. Эта болезнь характеризуется дерматитом (воспалительным покраснением кожи, особенно на частях тела, подвергающихся воздействию света), поносом и нарушением психики. Таким образом, роль ниацина состоит в поддержании в нормальном состоянии эпидермиса, эпителия пищеварительного тракта и функции нервной системы, что зависит от его действия как ко-фермента того или другого из многочисленных ферментов. Рекомендуется потреблять около 20—25 мг ниацина в сутки; значительную часть этого количества синтезируют кишечные бак-терии. Поэтому, когда больного при какой-либо инфекции лечат сульфамидными препаратами, от которых кишечные бактерии гибнут, может возникнуть недостаточность некоторых витаминов, в том числе ниацина.

В тканях человека ниацин (никотиновая кислота) может образовываться из аминокислоты триптофана; поэтому потребность в ниацине зависит от содержания триптофана в пищевом рационе.

Первоначально это вещество называли никотиновой кислотой, так как химически оно родственно никотину, но во избежание путаницы было принято название ниацин.

Пиридоксин (витамин В6).

Этот витамин содержится в самых разнообразных пищевых продуктах: мясе, яйцах, орехах, бобах и цельном зерне хлебных злаков, так что ясно выраженной недостаточности пиридоксина у человека наблюдать не приходилось. Производное пиридоксина — пиридоксалъфосфат — служит коферментом для ряда ферментативных реакций при обмене аминокислот. Подопытные животные, получающие рацион с недостатком пиридоксина, не растут, становятся анемичными и страдают атрофией лимфатической ткани, что приводит к недостатку лейкоцитов и антител и, как следствие этого, понижает устойчивость к инфекции. Делались попытки вводить пиридоксин при некоторых заболеваниях человека, но сколько-нибудь определенных результатов получено не было. Суточная потребность в пиридоксине составляет около 1—2 мг, но она различна в зависимости от количества белка в рационе.

Пантотеновая кислота.

Этот витамин необходим для поддержания нормального состояния кожи: при недостатке его в рационе подопытных животных у них наблюдается задержка роста, дерматит , поседение шерсти и повреждение надпочечников. Почти во всяком нормальном рационе содержатся те 20 мг этого вещества, которые ежесуточно нужны человеку. Особенно богатым источником пантотеновой кислоты являются яйца, мясо, бататы и арахис. Пантотеновая кислота составляет часть кофермента А, играющего важную роль в ряде этапов углеводного, жирового и белкового обмена и в переносе энергии.

Биотин.

Этот витамин был впервые открыт как фактор, необходимый для роста дрожжей. Впоследствии было показано, что он должен содержаться и в рационе млекопитающих, хотя и в чрезвычайно малых количествах. Богатыми источниками его являются, в частности, патока, яичный желток и печень. В яичном белке содержится белок, называемый авидином, который соединяется с биотином в кишечнике и препятствует его всасыванию. Авидин, однако, разрушается при нагревании, так что сваренный яичный белок не препятствует всасыванию биотина, и для того, чтобы вызвать недостаточность биотина у лабораторных животных , требуется гораздо больше сырого белка, чем его содержится в 1—2 сырых яйцах. Один из немногих случаев недостаточности биотина у человека наблюдался у одного мужчины, который питался почти исключительно сырыми яйцами и вином и страдал воспалением кожи; природа его заболевания выяснилась, когда ему стали давать биотин. Полагают, что биотин образует кофермент, участвующий в связывании углекислоты и синтезе жирных кислот.

Фолиевая кислота, витамин В12, холин, инозит и парааминобензойная кислота.

Фолиевая кислота и витамин В12 (кобаламин) необходимы для предупреждения анемии и применяются в сочетании с экстрактами печени при лечении пернициозной анемии. Они функционируют как коферменты в обмене групп с 1 углеродным атомом, участвующих в синтезе и обмене аминокислот, пуринов и тимидина. Кобаламины — сложная молекула, она состоит из порфиринового кольца, содержащего ион кобальта, цианидной группы, сахара рибозы и других компонентов. Роль фолиевой кислоты и кобаламина в предупреждении анемии состоит, очевидно, в том, что они облегчают синтез нуклеиновых кислот при образовании эритроцитов. Известно также, что кобаламин действует как кофермент при взаимопревращениях некоторых органических кислот, например янтарной и метилмалоновой.

Холин — фактор роста, отсутствие которого вызывает кровоизлияния в почках и аномалию развития костей у цыплят, так называемый пероз. Он играет важную роль в обмене жиров и белков, но не в качестве кофермента, как многие другие витамины группы В, а как источник метильных групп, используемых при построении некоторых необходимых организму веществ. Взрослому человеку требуется около 2000 мг холина в сутки.

Инозит и пара-аминобензойная кислота, по имеющимся данным, играют важную роль в предупреждении соответственно выпадения волос и их поседения. Оба эти вещества необходимы для нормального роста крыс и, вероятно, других животных и человека. Эти витамины из группы В тоже синтезируются кишечными бактериями.

Липоевая кислота представляет собой жирную кислоту с цепью из 8 атомов углерода5 со-держащую 2 атома серы, и играет роль кофактора в окислительном декарбоксилировании пировиноградной и сс-кетоглутаровой кислот (наряду с тиаминпирофосфатом). Необходимость ее для человека и животных не установлена, но для некоторых микроорганизмов она служит фактором роста. Карнитин, необходимый для роста некоторых насекомых, содержится в скелетных мышцах млекопитающих и играет какую-то, пока еще неясную роль в обмене веществ.