Человек для поддержания здоровья должен получать с продуктами питания незаменимые аминокислоты. При этом пища не только должна содержать белки, обеспечивающие поступление в организм этих аминокислот, но и быть богатой углеводами и жирами, необходимыми для получения энергии. Существенное значение для сохранения здоровья имеют также и другие вещества, как неорганические, так и органические.
Помимо незаменимых аминокислот, организм для нормальной жизнедеятельности нуждается также и в небольших количествах других органических соединений, называемых витаминами. Известно, что человеку требуется по меньшей мере тринадцать витаминов: витамины А, В1 (тиамин), В2 (рибофлавин), В6 (пиридоксин), В12, С (аскорбиновая кислота), D, К, ниацин, пантотеновая кислота, инозит, п-аминобензойная кислота и биотин.
Более ста лет назад установлено, что ряд болезней возникает в результате недостаточно разнообразного питания и что эти болезни можно предотвратить введением в состав пищи соответствующих продуктов (например, лимонного сока для предотвращения цинги); тем не менее идентификация столь существенно необходимых пищевых факторов была проведена лишь в последние десятилетия. Прогресс в выделении этих веществ и определении их структуры был быстрым. В настоящее время многие витамины производят синтетическим путем и используют в качестве добавок к продуктам питания. Как правило, с обычной пищей можно получить все необходимые вещества в достаточных количествах, но тем не менее целесообразно для улучшения здоровья обогащать пищу витаминными препаратами.
Витамин А имеет формулу С20Н29ОН и следующую структуру:
Это — желтое маслянистое вещество, содержащееся в сливочном масле и в рыбьем жире. Недостаток витамина А приводит к ослаблению зрения, нарушению нормального состояния кожи и сопровождается пониженной сопротивляемостью глаз и кожи к инфекционным заболеваниям.
Кроме того, недостаток этого витамина приводит к ухудшению ночного зрения (куриная слепота). Существуют два механизма зрения: один использует колбочки сетчатки глаза, которые сосредоточены главным образом вблизи центральной ямки (центр зрения), другой — палочки сетчатки. Восприятие цвета, свойственное обычному зрению, возможно только при нормальном освещении и оно осуществляется при помощи колбочек сетчатки. Сумеречное, или ночное, зрение при очень небольшой интенсивности света осуществляется с участием палочек сетчатки глаза, которые неспособны воспринимать цвет. Было установлено, что определенный белок, зрительный пурпур, содержащийся в палочках, участвует в процессе восприятия слабого света при сумеречном освещении — он поглощает свет и активирует зрительный нерв. В колбочках содержатся три других окрашенных вещества, которые поглощают свет в трех диапазонах спектра видимого света и обеспечивают тем самым способность цветного видения. Все эти четыре вещества являются сложными белками, протеидами, в состав которых входит витамин А или одно из его производных.
Собственно присутствие витамина А в пище не является столь уж существенным для предотвращения симптомов недостатка витамина А в организме. Определенные углеводороды, называемые каротинами и имеющие формулу С40Н56 (по своему строению они напоминают ликопин; рис. 13.1), могут превращаться в витамин А непосредственно в организме. Эти вещества, называемые провитамином А, окрашены в красный или желтый цвет; они содержатся в моркови, помидорах и других овощах и фруктах, а также в сливочном масле, молоке, яйцах и зелени.
Тиамин, витамин В1 имеет следующую структуру (формула дана для тиаминхлорида):
Недостаточное содержание тиамина в пище вызывает болезнь бери-бери— нервное заболевание, которое раньше было широко распространено на Востоке. Работавший на острове Ява ученый Христиан Эйкман (1858—1930) незадолго до 1900 г. установил, что бери-бери возникает в тех случаях, когда пища готовится преимущественно из полированного риса, и что эту болезнь можно лечить добавлением в пищу отрубей рисовых зерен. В 1911 г. Казимир Функ высказал предположение, что бери-бери и другие подобные болезни вызываются неполноценностью пищи, отсутствием определенных веществ в ней; он попытался выделить вещество, недостаток которого вызывает бери-бери. Такие вещества он назвал «витаминами» (поскольку полагал, что они представляют собой амины). Структура витамина В1 тиамина, была установлена Р. Р. Уильямсом, Е. Р. Бухманом и их сотрудниками в 1936 г.
Тиамин, по-видимому, играет существенную роль в процессах обмена веществ в клетках организма, однако точный механизм его действия пока неизвестен. Получены некоторые данные, свидетельствующие о том, что тиамин представляет собой простетическую группу фермента, участвующего в окислении углеводов. Этот витамин содержится в картофеле, зерне, молоке, свинине, яйцах и других растительных и мясных продуктах.
Рибофлавин, витамин В2, имеет структуру
Он необходим для поддержания роста организма и нормального состояния кожи. Одно из производных рибофлавина — простетическая группа фермента, названного в свое время желтым ферментом, который катализирует окисление глюкозы и ряда других веществ в организме животных; рибофлавин входит в состав многих других ферментов.
Витамин В6 (пиридоксин) имеет следующую формулу:
Он содержится в дрожжах, печени, рисовых отрубях и других пищевых продуктах растительного и животного происхождения; его производят также синтетически. Витамин В6 стимулирует рост организма и предотвращает заболевания кожи (дерматиты). Пиридоксин и его производные служат коферментами для целого ряда ферментативных систем.
Витамин В12 (цианкобаламин; рис. 14.9) участвует в образовании эритроцитов. Его можно применять при лечении злокачественной анемии, и, по-видимому, из всех известных веществ он обладает наиболее высокой физиологической активностью: прием 2 мкг (2·10-6 г) витамина В12 в сутки — достаточная доза при лечении этой болезни. Витамин В12 можно выделить из ткани печени; его вырабатывают также плесени и другие микроорганизмы. Каждая молекула витамина В12 содержит один атом кобальта. Это единственное соединение кобальта, обнаруженное в тканях человеческого организма.
Витамин В12 служит коферментом для некоторых ферментов, например для фермента, катализирующего реакцию изомеризации метилмалоновой кислоты НООССН(СН3)СООН до янтарной. Некоторые дети заболевают метилмалоновой аценурией, при которой концентрация метилмалоновой кислоты в крови и моче становится очень большой. Это является следствием генетического дефекта — в организме образуется недостаточное количество необходимого фермента, а следовательно, не осуществляется превращение метилмалоновой кислоты в янтарную кислоту. Приблизительно половину больных этой болезнью можно вылечить путем приема 1 мг витамина В12 ежесуточно, т. е. такой дозы, которая в 500 раз превышает обычно рекомендуемую. Возможное объяснение данного эффекта заключается в следующем: больной вырабатывает неполноценные апоферменты, характеризующиеся очень малой константой скорости реакции соединения с коферментом, в результате чего при равновесии лишь небольшая доля поступающего с пищей апофермента превращается в активный фермент. Между прочим, из уравнения (14.4) следует, что количество апофермента, превращающегося в активный фермент, возрастает с увеличением концентрации кофермента.
Аскорбиновая кислота, витамин С, представляет собой растворимый в воде витамин, имеющий очень важное значение. Недостаточное содержание витамина С в пище приводит к развитию цинги — болезни, сопровождающейся потерей веса, общей слабостью, кровоточивостью десен, выпадением зубов и другими симптомами. По-видимому, правильный рост зубов происходит только при достаточном поступлении в организм этого витамина; нехватка его обусловливает повышенную восприимчивость к ряду заболеваний.
Рис. 14.9. Стереоскопическое изображение 5'-дезоксиаденозилкобаламина (кофермент В12). [From Lenhert T. G., Proceedings of the Royal Society of London, A303, 45—84 (1968).]
Аскорбиновая кислота имеет следующую формулу:
Из формулы видно, что это не карбоновая кислота: в данном случае, вместо характерного для карбоксильных групп резонанса между близлежащими одинарной и двойной связями атома кислорода (разд. 13.5), кислотный характер является следствием резонанса между следующими двумя структурами:
Константа кислотности аскорбиновой кислоты равна 6,76·10-5; она почти такая же, как для карбоновых кислот.
Аскорбиновая кислота обладает оптической активностью. Этот витамин— L-аскорбиновая кислота. По отношению к глюкозе это сахарная кислота. Она является восстановителем; при окислении превращается в дегидроаскорбиновую кислоту, имеющую следующее строение:
Действие аскорбиновой кислоты в качестве восстановителя можно рассматривать как часть ее физиологической функции. Известно, что она необходима для синтеза белка соединительной ткани — коллагена, в частности для превращения пролильных остатков в оксипролильные остатки, которые составляют седьмую часть аминокислот этого белка. Быть может, аскорбиновая кислота выполняет и другие физиологические функции, но пока нет данных, свидетельствующих о том, что она служит коферментом в какой-либо ферментативной системе. Этот витамин содержится во многих пищевых продуктах, особенно же им богаты зеленый перец, пастернак, шпинат, апельсиновый и томатный соки, картофель. Суточная потребность в витамине С составляет для большинства людей примерно 45 мг; этого количества достаточно, чтобы предотвратить заболевание цингой. Однако прием больших количеств витамина до 1000—5000 мг в сутки способствует предотвращению или снижению остроты протекания простудных и других заболеваний.
Большинство витаминов, которые необходимы человеку, необходимы и другим животным. Витамин С представляет исключение: большинство животных вырабатывают аскорбиновую кислоту из глюкозы путем приведенной ниже последовательности реакций окисления, катализируемых соответствующими ферментами:
Однако человек и остальные приматы утратили способность вырабатывать фермент гулонолактондегидрогеназу, катализирующую последнюю стадию синтеза аскорбиновой кислоты, и поэтому стали зависимыми от внешних источников этого витамина. Количество аскорбиновой кислоты, синтезируемой разными животными, пропорционально их весу; эта величина составляет для крыс, мышей, кошек, собак, коз и других животных 2—20 г в сутки, если пересчитать на 70 кг веса. Из этого наблюдения напрашивается вывод, что указанное количество аскорбиновой кислоты и должно быть оптимальной суточной дозой для человека; к такому же выводу приводит наблюдаемая повышенная сопротивляемость заболеваниям при значительно большем приеме аскорбиновой кислоты, нежели необходимо для предотвращения заболевания цингой.
Витамин D должен содержаться в пище для предотвращения рахита— заболевания, при котором происходит неправильное развитие костей и неудовлетворительный рост зубов. Существует ряд веществ, обладающих противорахитным действием. Одно из таких веществ, содержащееся в рыбьем жире, называется витамином D3; оно имеет следующую химическую структурную формулу:
Для сохранения здоровья необходимо ежесуточно получать лишь очень небольшое количество витамина D — примерно 0,01 мг (400 международных единиц, МЕ). Этот витамин растворим в жирах; он содержится в рыбьем жире, получаемом из печени трески, в яичных желтках, в молоке, а в очень небольших количествах и в других пищевых продуктах. Облучение ультрафиолетовым светом повышает содержание витамина D в отрубях, дрожжах и молоке. Под действием облучения эргостерин превращается в кальциферол (витамин D2), обладающий такой же активностью, как и витамин D. Кальциферол отличается от витамина D3 тем, что имеет боковую цепь — СН(СН3)СН=СНСН(СН3)СН(СН3)2 вместо —СН(СН3)СН2СН2СН2СН(СН3)2.
Активностью витамина Е обладают родственные друг другу вещества, называемые токоферолами. Самым сильнодействующим из них является α-токоферол, имеющий формулу
Другие токоферолы (β, γ, δ, ε, ζ) имеют несколько отличающиеся формулы. Токоферолы — масла желтого цвета. Витамин Е требуется крысам для воспроизведения и лактации, по-видимому, он необходим и человеку для поддержания здоровья. Одна МЕ равна 1 мг D,L-α-токоферилацетата (0,74 мг D-ацетата, 1,36 мг L-ацетата). Витамин Е — важнейший жирорастворимый антиоксидант; он предотвращает изменение состава тканей, в частности разрушение ненасыщенных жирных кислот в результате их окисления. У животных, испытывающих недостаток в витамине Е, развивается дистрофия мышц и заболевание сердца.
Витамин Е обнаружен в маслах, получаемых из семян растений, в люцерне, салате и других пищевых продуктах растительного происхождения. Вареная пища лишена большей части витамина Е, содержавшегося в исходном продукте. Рекомендуемая суточная норма составляет 15 МЕ, при правильном питании это количество человек получает с пищей, однако для поддержания здоровья в отличном состоянии, особенно сердечно-сосудистой системы, человеку требуется значительно больше этого витамина — несколько сотен МЕ в сутки.
Пантотеновая кислота, инозит, п-аминобензойная кислота и биотин— вещества, необходимые для нормального развития. Витамин К способствует свертыванию крови и тем самым прекращению кровотечений.
Содержание витаминов и минеральных веществ в пище
На рис. 14.10 указаны рекомендованные суточные нормы (РСН) витаминов, рассчитанные Бюро пищевых продуктов и питания Национальной академии наук США—Национальным исследовательским советом. Эти нормы считаются достаточными для предотвращения проявлений авитаминоза у большинства здоровых людей, причем указывается, что такие дозы витаминов содержатся в пище при правильной диете, и поэтому нет необходимости нормально питающимся здоровым людям принимать их дополнительно.
Можно задать вопрос, однако, каковы же оптимальные суточные нормы потребления этих важных веществ, какие количества их должны быть усвоены для обеспечения наилучшего состояния здоровья. Бюро пищевых продуктов и питания даже не делает попытки ответить на этот вопрос: да, собственно, и данных, относящихся к организму человека, мало. Рекомендованная диета для лабораторных обезьян содержит приблизительно в 100 раз больше аскорбиновой кислоты, чем рекомендуется человеку; получены экспериментальные подтверждения того, что общее состояние здоровья и сопротивляемость заболеваниям обезьян при указанной диете выше, чем при питании с меньшим содержанием аскорбиновой кислоты. Как уже было отмечено, некоторые подобного рода данные получены и в отношении человека. Весьма вероятно, что для большинства людей оптимальный прием витамина С должен значительно превышать РСН.
Рис. 14.10. Рекомендуемый ежесуточный рацион для взрослого мужчины. Указанные количества обычно считаются необходимыми для предотвращения заболеваний, вызываемых неполноценным питанием. Для поддержания отличного здоровья оптимальную суточную норму веществ, необходимых в малых количествах, можно несколько увеличить. Несмотря на то что в данной рекомендации не указано, однако, вероятно, требуются незаменимые жирные кислоты, п-аминобензойная кислота, холин, витамин D, витамин К, хром, марганец, кобальт, никель, цинк, селен, молибден, ванадий, олово и кремний.
Для витамина Е также оптимальная суточная норма приема должна быть значительно больше РСН. Возможно, что оптимальные количества других витаминов лишь ненамного превышают РСН, однако прямых подтверждений этому мало. Надо с большой осторожностью подходить к увеличению дозы приема витаминов А и D, поскольку в больших количествах они токсичны.
Жизненно важные элементы
Двадцать из первых тридцати элементов периодической системы, а также четыре более тяжелых элемента необходимы для жизни. Водород, углерод, азот и кислород присутствуют в организме в виде многих соединений. Натрий, калий, магний, кальций и хлор присутствуют в виде ионов в крови и межклеточных жидкостях. Фосфор в виде фосфат-иона обнаружен в крови; эфиры фосфорной кислоты содержатся в фосфолипидах и других соединениях; гидроксиапатит содержится в тканях костей и зубов. Сера — важная составная часть инсулина и других, белков. Фтор, содержащийся в виде фторид-иона в питьевой воде, необходим для образования прочных зубов и костей; он необходим также для нормального роста крыс. Кремний, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, медь, цинк, селен, молибден, олово и иод в небольших количествах необходимы для жизни (микроэлементы). Сведения о некоторых из этих элементов были получены только в опытах с животными (особенно с крысами), однако весьма вероятно, что полученные данные относятся также и к человеку.
Многие ферменты содержат в качестве важной части своей структуры один или несколько ионов металла. В состав различных металлоферментов входят ионы магния, кальция, марганца, железа, кобальта, меди, цинка и молибдена. Так, молекула алкогольдегидрогеназы (молекулярная масса 87 000), катализирующая окисление этилового спирта до уксусной кислоты в печени человека, содержит два атома цинка, а амилаза слюны содержит один атом кальция (в виде Са2+). Некоторые ферменты содержат по несколько атомов металла в молекуле, при этом металлы могут быть разными. Например, в молекуле цистеаминоксидазы, катализирующей окисление цистеамина НSСН2СН2NН2, содержится по одному атому железа, меди и цинка.