14.9. Вітаміни

Людина для підтримання здоров'я повинна одержувати з продуктами харчування незамінні амінокислоти. При цьому їжа має не лише містити білки, що забезпечують надходження в організм цих амінокислот, а й бути багатою на вуглеводи та жири, потрібні для одержання енергії. Істотне значення для збереження здоров'я мають також інші речовини, як неорганічні, так і органічні.

Окрім незамінних амінокислот, організм для нормальної життєдіяльності потребує також невеликих кількостей інших органічних сполук, які називають вітамінами. Відомо, що людині потрібно щонайменше тринадцять вітамінів: вітаміни A, B₁ (тіамін), B₂ (рибофлавін), B₆ (піридоксин), B₁₂, C (аскорбінова кислота), D, K, ніацин, пантотенова кислота, інозит, п-амінобензойна кислота та біотин. 

Понад сто років тому встановлено, що низка хвороб виникає внаслідок недостатньо різноманітного харчування і що ці хвороби можна запобігти введенням до складу їжі відповідних продуктів (наприклад, лимонного соку для запобігання цинзі); проте ідентифікацію таких істотно необхідних харчових чинників було проведено лише в останні десятиліття. Прогрес у виділенні цих речовин і визначенні їхньої структури був швидким. Нині багато вітамінів виробляють синтетичним шляхом і використовують як добавки до продуктів харчування. Як правило, зі звичайною їжею можна одержати всі необхідні речовини в достатніх кількостях, але все ж таки доцільно для поліпшення здоров'я збагачувати їжу вітамінними препаратами.

Вітамін A має формулу C₂₀H₂₉OH і таку структуру:

Це — жовта масляниста речовина, що міститься у вершковому маслі та в риб'ячому жирі. Нестача вітаміну A призводить до послаблення зору, порушення нормального стану шкіри та супроводжується зниженою опірністю очей і шкіри до інфекційних захворювань.

Крім того, нестача цього вітаміну призводить до погіршення нічного зору (куряча сліпота). Існують два механізми зору: один використовує колбочки сітківки ока, які зосереджені головним чином поблизу центральної ямки (центр зору), другий — палички сітківки. Сприйняття кольору, властиве звичайному зору, можливе лише при нормальному освітленні, і воно здійснюється за допомогою колбочок сітківки. Присмеркове, або нічне, бачення при дуже невеликій інтенсивності світла здійснюється за участі паличок сітківки ока, які нездатні сприймати колір. Було встановлено, що певний білок, зоровий пурпур, який міститься в паличках, бере участь у процесі сприйняття слабкого світла при присмерковому освітленні — він поглинає світло й активує зоровий нерв. У колбочках містяться три інші забарвлені речовини, які поглинають світло в трьох діапазонах спектра видимого світла й забезпечують тим самим здатність кольорового бачення. Усі ці чотири речовини є складними білками, протеїдами, до складу яких входить вітамін A або одна з його похідних.

Власне присутність вітаміну A в їжі не є такою вже істотною для запобігання симптомам нестачі вітаміну A в організмі. Певні вуглеводні, які називають каротинами і які мають формулу C₄₀H₅₆ (за своєю будовою вони нагадують лікопін; рис. 13.1), можуть перетворюватися на вітамін A безпосередньо в організмі. Ці речовини, які називають провітаміном A, забарвлені в червоний або жовтий колір; вони містяться в моркві, помідорах та інших овочах і фруктах, а також у вершковому маслі, молоці, яйцях і зелені.

Тіамін, вітамін B₁ має таку структуру (формулу подано для тіамінхлориду):

Недостатній вміст тіаміну в їжі спричинює хворобу бері-бері— нервове захворювання, яке раніше було широко поширене на Сході. Учений Христіан Ейкман (1858—1930), який працював на острові Ява, незадовго до 1900 р. встановив, що бері-бері виникає в тих випадках, коли їжа готується переважно з полірованого рису, і що цю хворобу можна лікувати додаванням до їжі висівок рисових зерен. У 1911 р. Казимир Функ висловив припущення, що бері-бері та інші подібні хвороби спричинюються неповноцінністю їжі, відсутністю в ній певних речовин; він спробував виділити речовину, нестача якої спричинює бері-бері. Такі речовини він назвав «вітамінами» (оскільки вважав, що вони становлять собою аміни). Структуру вітаміну B₁ тіаміну було встановлено Р. Р. Вільямсом, Е. Р. Бухманом і їхніми співробітниками в 1936 р.

Тіамін, мабуть, відіграє істотну роль у процесах обміну речовин у клітинах організму, проте точний механізм його дії поки невідомий. Одержано деякі дані, що свідчать про те, що тіамін становить собою простетичну групу ферменту, який бере участь в окисненні вуглеводів. Цей вітамін міститься в картоплі, зерні, молоці, свинині, яйцях та інших рослинних і м'ясних продуктах.

Рибофлавін, вітамін B₂, має структуру

Він необхідний для підтримання росту організму й нормального стану шкіри. Одна з похідних рибофлавіну — простетична група ферменту, названого свого часу жовтим ферментом, який каталізує окиснення глюкози та низки інших речовин в організмі тварин; рибофлавін входить до складу багатьох інших ферментів.

Вітамін B₆ (піридоксин) має таку формулу:

Він міститься в дріжджах, печінці, рисових висівках та інших харчових продуктах рослинного й тваринного походження; його виробляють також синтетично. Вітамін B₆ стимулює ріст організму та запобігає захворюванням шкіри (дерматитам). Піридоксин та його похідні слугують коферментами для цілої низки ферментативних систем.

Вітамін B₁₂ (ціанокобаламін; рис. 14.9) бере участь в утворенні еритроцитів. Його можна застосовувати при лікуванні злоякісної анемії, і, мабуть, з усіх відомих речовин він має найвищу фізіологічну активність: прийом 2 мкг (2·10^-6 г) вітаміну B₁₂ на добу — достатня доза при лікуванні цієї хвороби. Вітамін B₁₂ можна виділити з тканини печінки; його виробляють також пліснява та інші мікроорганізми. Кожна молекула вітаміну B₁₂ містить один атом Кобальту. Це єдина сполука Кобальту, виявлена в тканинах людського організму.

Вітамін B₁₂ слугує коферментом для деяких ферментів, наприклад для ферменту, що каталізує реакцію ізомеризації метилмалонової кислоти HOOCCH(CH₃)COOH до бурштинової. Деякі діти хворіють на метилмалонову ацидурію, при якій концентрація метилмалонової кислоти в крові та сечі стає дуже великою. Це є наслідком генетичного дефекту — в організмі утворюється недостатня кількість потрібного ферменту, а отже, не здійснюється перетворення метилмалонової кислоти на бурштинову кислоту. Приблизно половину хворих на цю хворобу можна вилікувати шляхом приймання 1 мг вітаміну B₁₂ щодоби, тобто такої дози, яка в 500 разів перевищує звичайно рекомендовану. Можливе пояснення цього ефекту полягає в такому: хворий виробляє неповноцінні апоферменти, що характеризуються дуже малою константою швидкості реакції сполучення з коферментом, внаслідок чого при рівновазі лише невелика частка апоферменту, який надходить з їжею, перетворюється на активний фермент. Між іншим, з рівняння (14.4) випливає, що кількість апоферменту, який перетворюється на активний фермент, зростає зі збільшенням концентрації кофермента.

Аскорбінова кислота, вітамін C, становить собою розчинний у воді вітамін, що має дуже важливе значення. Недостатній вміст вітаміну C в їжі призводить до розвитку цинги — хвороби, що супроводжується втратою ваги, загальною слабкістю, кровоточивістю ясен, випаданням зубів та іншими симптомами. Мабуть, правильний ріст зубів відбувається лише при достатньому надходженні в організм цього вітаміну; нестача його зумовлює підвищену сприйнятливість до низки захворювань.

Рис. 14.9. Стереоскопічне зображення 5'-дезоксиаденозилкобаламіну (кофермент B₁₂). [From Lenhert T. G., Proceedings of the Royal Society of London, A303, 45—84 (1968).]

Аскорбінова кислота має таку формулу:

З формули видно, що це не карбонова кислота: у цьому випадку замість резонансу між сусідніми одинарним і подвійним зв'язками атома Оксигену, характерного для карбоксильних груп (підрозд. 13.5), кислотний характер є наслідком резонансу між такими двома структурами:

Константа кислотності аскорбінової кислоти дорівнює 6,76·10^-5; вона майже така сама, як для карбонових кислот.

Аскорбінова кислота має оптичну активність. Цей вітамін— L-аскорбінова кислота. Стосовно глюкози це цукрова кислота. Вона є відновником; при окисненні перетворюється на дегідроаскорбінову кислоту, що має таку будову:

Дію аскорбінової кислоти як відновника можна розглядати як частину її фізіологічної функції. Відомо, що вона необхідна для синтезу білка сполучної тканини — колагену, зокрема для перетворення пролільних залишків на оксипролільні залишки, які становлять сьому частину амінокислот цього білка. Можливо, аскорбінова кислота виконує й інші фізіологічні функції, але поки немає даних, які б свідчили, що вона слугує коферментом у якійсь ферментативній системі. Цей вітамін міститься в багатьох харчових продуктах, особливо ж ним багаті зелений перець, пастернак, шпинат, апельсиновий і томатний соки, картопля. Добова потреба у вітаміні C становить для більшості людей приблизно 45 мг; цієї кількості достатньо, щоб запобігти захворюванню на цингу. Проте прийом великих кількостей вітаміну до 1000—5000 мг на добу сприяє запобіганню або зниженню гостроти перебігу застудних та інших захворювань.

Більшість вітамінів, необхідних людині, необхідні й іншим тваринам. Вітамін C становить виняток: більшість тварин виробляють аскорбінову кислоту з глюкози шляхом наведеної нижче послідовності реакцій окиснення, що каталізуються відповідними ферментами:

Проте людина й решта приматів втратили здатність виробляти фермент гулонолактондегідрогеназу, що каталізує останню стадію синтезу аскорбінової кислоти, і тому стали залежними від зовнішніх джерел цього вітаміну. Кількість аскорбінової кислоти, яку синтезують різні тварини, пропорційна їхній вазі; ця величина становить для щурів, мишей, котів, собак, кіз та інших тварин 2—20 г на добу, якщо перерахувати на 70 кг ваги. З цього спостереження напрошується висновок, що зазначена кількість аскорбінової кислоти й має бути оптимальною добовою дозою для людини; до такого самого висновку приводить спостережувана підвищена опірність захворюванням при значно більшому прийомі аскорбінової кислоти, ніж потрібно для запобігання захворюванню на цингу.

Вітамін D має міститися в їжі для запобігання рахіту— захворювання, при якому відбувається неправильний розвиток кісток і незадовільний ріст зубів. Існує низка речовин, що мають протирахітну дію. Одна з таких речовин, яка міститься в риб'ячому жирі, називається вітаміном D₃; вона має таку хімічну структурну формулу:

Для збереження здоров'я необхідно щодоби одержувати лише дуже невелику кількість вітаміну D — приблизно 0,01 мг (400 міжнародних одиниць, МО). Цей вітамін розчинний у жирах; він міститься в риб'ячому жирі, що його одержують із печінки тріски, в яєчних жовтках, у молоці, а в дуже невеликих кількостях і в інших харчових продуктах. Опромінення ультрафіолетовим світлом підвищує вміст вітаміну D у висівках, дріжджах і молоці. Під дією опромінення ергостерин перетворюється на кальциферол (вітамін D₂), що має таку саму активність, як і вітамін D. Кальциферол відрізняється від вітаміну D₃ тим, що має бічний ланцюг — CH(CH₃)CH=CHCH(CH₃)CH(CH₃)₂ замість —CH(CH₃)CH₂CH₂CH₂CH(CH₃)₂.

Активність вітаміну E мають споріднені між собою речовини, які називають токоферолами. Наймогутнішим з них є α-токоферол, що має формулу

Інші токофероли (β, γ, δ, ε, ζ) мають дещо відмінні формули. Токофероли — масла жовтого кольору. Вітамін E потрібен щурам для відтворення та лактації, мабуть, він необхідний і людині для підтримання здоров'я. Одна МО дорівнює 1 мг D,L-α-токоферилацетату (0,74 мг D-ацетату, 1,36 мг L-ацетату). Вітамін E — найважливіший жиророзчинний антиоксидант; він запобігає зміні складу тканин, зокрема руйнуванню ненасичених жирних кислот унаслідок їх окиснення. У тварин, що відчувають нестачу вітаміну E, розвивається дистрофія м'язів і захворювання серця.

Вітамін E виявлено в оліях, одержуваних з насіння рослин, у люцерні, салаті та інших харчових продуктах рослинного походження. Варена їжа позбавлена більшої частини вітаміну E, що містився у вихідному продукті. Рекомендована добова норма становить 15 МО, при правильному харчуванні цю кількість людина одержує з їжею, проте для підтримання здоров'я у відмінному стані, особливо серцево-судинної системи, людині потрібно значно більше цього вітаміну — кілька сотень МО на добу.

Пантотенова кислота, інозит, п-амінобензойна кислота та біотин— речовини, необхідні для нормального розвитку. Вітамін K сприяє зсіданню крові й тим самим припиненню кровотеч.

На рис. 14.10 зазначено рекомендовані добові норми (РДН) вітамінів, розраховані Бюро харчових продуктів і харчування Національної академії наук США—Національною дослідницькою радою. Ці норми вважаються достатніми для запобігання проявам авітамінозу в більшості здорових людей, причому зазначається, що такі дози вітамінів містяться в їжі при правильній дієті, а тому немає потреби нормально харчовим здоровим людям приймати їх додатково.

Можна поставити запитання, однак, якими ж є оптимальні добові норми споживання цих важливих речовин, які кількості їх мають бути засвоєні для забезпечення найкращого стану здоров'я. Бюро харчових продуктів і харчування навіть не робить спроби відповісти на це запитання: так, власне, й даних, що стосуються організму людини, мало. Рекомендована дієта для лабораторних мавп містить приблизно в 100 разів більше аскорбінової кислоти, ніж рекомендується людині; одержано експериментальні підтвердження того, що загальний стан здоров'я та опірність захворюванням мавп при зазначеній дієті вищі, ніж при харчуванні з меншим вмістом аскорбінової кислоти. Як уже було зазначено, деякі подібні дані одержано й щодо людини. Вельми ймовірно, що для більшості людей оптимальний прийом вітаміну C має значно перевищувати РДН.

Рис. 14.10. Рекомендований щодобовий раціон для дорослого чоловіка. Зазначені кількості звичайно вважаються необхідними для запобігання захворюванням, спричинюваним неповноцінним харчуванням. Для підтримання відмінного здоров'я оптимальну добову норму речовин, потрібних у малих кількостях, можна дещо збільшити. Незважаючи на те що в цій рекомендації не зазначено, однак, імовірно, потрібні незамінні жирні кислоти, п-амінобензойна кислота, холін, вітамін D, вітамін K, Хром, Манган, Кобальт, Нікель, Цинк, Селен, Молібден, Ванадій, Станум і Силіцій.

Для вітаміну E також оптимальна добова норма прийому має бути значно більшою за РДН. Можливо, що оптимальні кількості інших вітамінів лише ненабагато перевищують РДН, проте прямих підтверджень цього мало. Треба з великою обережністю підходити до збільшення дози прийому вітамінів A і D, оскільки у великих кількостях вони токсичні.

Двадцять із перших тридцяти елементів періодичної системи, а також чотири важчі елементи необхідні для життя. Гідроген, Карбон, Нітроген і Оксиген присутні в організмі у вигляді багатьох сполук. Натрій, Калій, Магній, Кальцій і Хлор присутні у вигляді іонів у крові та міжклітинних рідинах. Фосфор у вигляді фосфат-іона виявлено в крові; естери ортофосфатної кислоти містяться у фосфоліпідах та інших сполуках; гідроксиапатит міститься в тканинах кісток і зубів. Сульфур — важлива складова частина інсуліну та інших білків. Флуор, що міститься у вигляді флуорид-іона в питній воді, необхідний для утворення міцних зубів і кісток; він необхідний також для нормального росту щурів. Силіцій, Ванадій, Хром, Манган, Ферум, Кобальт, Купрум, Цинк, Селен, Молібден, Станум і Йод у невеликих кількостях необхідні для життя (мікроелементи). Відомості про деякі з цих елементів було одержано лише в дослідах із тваринами (особливо зі щурами), проте вельми ймовірно, що одержані дані стосуються також і людини.

Багато ферментів містять як важливу частину своєї структури один або кілька іонів металу. До складу різних металоферментів входять іони Магнію, Кальцію, Мангану, Феруму, Кобальту, Купруму, Цинку та Молібдену. Так, молекула алкогольдегідрогенази (молекулярна маса 87 000), що каталізує окиснення етилового спирту до оцтової кислоти в печінці людини, містить два атоми Цинку, а амілаза слини містить один атом Кальцію (у вигляді Ca²⁺). Деякі ферменти містять по кілька атомів металу в молекулі, причому метали можуть бути різними. Наприклад, у молекулі цистеаміноксидази, що каталізує окиснення цистеаміну HSCH₂CH₂NH₂, міститься по одному атому Феруму, Купруму та Цинку.