Химическая природа и механизм действия витаминов

Витамины - это вещества обеспечивающие нормальное течение биохимических и физиологических процессов в организме. Витаминами принято считать низкомолекулярные органические соединения различной химической природы и строения, синтезируемые главным образом растениями и микроорганизмами. В ходе экспериментальных исследований витамины были выделены в чистом виде из пищевых продуктов и была определена их химическая структура. Химическое строение витаминов довольно разнообразно. Установлено, что почти все витамины содержат гидроксильную группу или же карбоксильную и лишь несколько витаминов (парааминобензойная кислота, тиамин и др.) содержат аминогруппу. Витамины являются производными ненасышенных ациклических углеводородов с числом углеродных атомов 18 и 20, ненасышенных 2-лактонов, аминоспиртов с четвертичным атомом азота, амидов кислот, циклогексана, ароматических кислот, нафтохинонов, имидозола, пиррола, бензопирена, пиридинапиримидина, тиазола, изоаллоксазина, птеридина и некоторых других циклических систем (В.М.Березовский, 1954, 1959). Эти исследования позволили синтезировать и получать витамины в промышленных масштабах.

Витамины содержатся, как в растительной, так и в животной пище. Содержание витаминов в каком-либо пищевом продукте может быть самым различным в зависимости от условий его получения, хранения и приготовления. В отличие от неорганических веществ витамины разрушаются при сильном нагревании. Многие витамины нестабильны и "теряются" во время приготовления пищи или при обработке пищевых продуктов. Некоторые витамины (например, витамины А и С) чувствительны к свету, теплу или изменениям рН.

Витамины организм получает не только с пищей, но и за счет "внутрикишечного синтеза", осуществляемого бактериями, которыми всегда изобилует кишечник. Так образуется ряд витаминов группы B и витамин K. У человека внутрикишечно синтезируется значительное количество витаминов группы В, а именно пиридоксин, цианкобаломин, фолиевая кислота которые затем поступают в кровь. Некоторые витамины не содержатся в пище в готовом виде, а вырабатываются в организме из определенных аминокислот или предшественников (провитаминов), к ним обычно относят биофлавоноиды, холин, миоинозит(инозит, мезоинозит) карнитин, липоевую, оротовую, пангамовую и парааминобензойную кислоты. Наиважнейшими провитаминами витамина А (ретинола) являются широко распостраненные в растительном мире каратиноиды. К группе провитаминов относится и никотиновая кислота, которая лишь только в организме переходит в никатинамид, входящий в соответствующие коферменты. Другой группой химических веществ, обладающих провитаминными свойствами, являются стерины, присутствующие в растительных продуктах и коже человека. Так, провитамином витамина D₂ служит эргостерин, D₃ - 7-дегидрохолестерин, а D₄ - 22-дигидроэргостерин. При облучении их ультрафиолетом или солнечными лучами образуется высокоактивный антирахитический витамин - эргокальциферол.

В пищевых продуктах обнаружены антагонисты ряда витаминов, препятствующие их всасыванию и обмену - антивитамины. Так, в яичном белке содержится авидин (вещество, связывающее биотин), а во многих сортах сырой рыбы - тиаминаза (фермент, разрушающий тиамин). Иногда в лечебных целях используют искуственные антивитамины, вмешивающиеся в определенные биологические процессы. Так, производные кумарина ( витамина К) препятствуют свертыванию крови. Антагонист фосфопиридоксаля (активного производного витамина В₆) - изониазид подавляет рост возбудителя туберкулеза. Выяснилось, что ряд бактерий также нуждается в определенных витаминах. Так, антибактериальное действие сульфаниламидов объясняется тем, что они частично напоминают по своей структуре и по некоторым химическим признакам витамины необходимые для бактерий (парааминобензойную кислоту), но в то же время не обладают свойствами этих витаминов. Такие замаскированные под витамины вещества захватываются бактериями, при этом блокируются активные центры бактериальной клетки, нарушается обмен и происходит гибель бактерий. Т.е. сульфаниламиды являются антагонистами парааминобензойной кислоты, необходимой для роста бактерий.

В настоящее время открыто несколько десятков веществ (около 50), обладающих витаминными или витаминоподобными свойствами. Однако непосредственное участие в определенных биохимических реакциях установлено лишь для 20 из них. Понятием "витамины" в настоящее время выделяется группа веществ разнообразной химической природы, характеризующиеся нижеследующими общебиологическими свойствами:

1. Биосинтез витаминов осуществляется, в основном, вне организма человека. Эндогенный биосинтез некоторых из них, осуществляемый кишечной микрофлорой, не в состоянии покрыть потребности организма, поэтому человек получает витамины главным образом извне, с пищей.

2. Витамины не являются пластическим материалом, или источником энергии.

3. Витамины обладают исключительно высокой биологической активностью и требуются организму в очень небольших количествах: от нескольких микрограмм до нескольких миллиграмм в день. Они совершенно необходимы для всех жизненных процессов.

4. При поступлении в организм витамины оказывают влияние на биохимические процессы, протекаюшие в различных органах и тканях и участвуют в регуляции отдельных физиологических процессов.

5. Недостаточное поступление в организм отдельных витаминов или нарушение их усвоения ведет к развитию патологических процессов в виде специфических гипо и авитаминозов, для лечения которых используется специфическое действие соответствующих витаминов.

В клетках животного и человека витамины, главным образом водорастворимые, участвующие в окислительно-востановительных реакциях, находятся в трех основных формах - свободной, фосфорилированной и связанной с белками (ферментной). Фосфорилирование - обязательный этап процесса связывания белка с витамином.

Биохимическая сущность витаминов сводится главным образом к осуществлению каталитических функций. Для понимания механизма участия витаминов в обмене веществ необходимо вспомнить, что большинство химических реакций, протекающих в организме, осуществляется с помощью биологических катализаторов - ферментов. Ферменты представляют собой высокомолекулярные белковые соединения, катализирующие отдельные звенья обмена белков, жиров и углеводов. В настоящее время известно более 100 ферментов в составе которых содержатся витамины, и очень большое число обменных реакций, катализируемых витаминами. Биохимическая функция каждого витамина может быть многообразной. Чтобы они могли выполнять свою функцию, в структуре фермента имеются особые центры для активного связывания субстрата - вещества, на которое фермент специфически действует. Для простых белков-ферментов (протеазы) такими центрами являются определенно пространственно расположенные группировки составляющих молекул. Для ферментов более сложной организации необходимо присутствие небелковой части - кофермента (простетической группы), который активирует реакцию, но в ее процессе остается неизменным. Коферментом могут быть металлы или витамины. Причем обеспечивают они свое действие, находясь в тканях в незначительных количествах, что не умаляет, а лишь подчеркивает их важность в обмене веществ. Витаминные коферменты широко распостранены в природе и являются необходимыми компонентами тканей всех представителей животного мира, вплоть до микроорганизмов, исключая вирусы. В обмене коферментных витаминов в клетке животного организма выделяют несколько стадий. Вначале витамины переходят в свою коферментную форму в результате одной или нескольких реакций, зачастую с использованием множественных ферментных систем, находящихся в различных частях клетки. Коферменты и простетические группы , а тем более являющиеся их предшественниками витамины, сами по себе каталитической активностью не обладают и приобретают последнюю лишь при взаимодействии со специфическими белками - апоферментами. То есть, затем происходит связывание кофермента с ферментативным белком (апоферментом), при этом образуется структурно-функциональный комплекс, обладающий специфической активностью. В дальнейшем этот комплекс распадается, а коферментный витамин либо выводится из клетки, либо используется для повторного синтеза фермента.

Пища человека содержит сотни белков, состоящих из аминокислот, соединенных в различной последовательности. Неодинакова также структура пищевых жиров и полисахаридов. Первый этап унификации этих веществ протекает в желудочно-кишечном тракте и заключается в превращении полимеров в мономеры. Осуществляется он различными гидролитическими ферментами (протеазы - для белка, липазы - для жиров, амилазы - для полисахаридов). Клетки тканей получают питательный субстрат в виде мономеров (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды). Под действием ферментов промежуточного обмена и при обязательном участии в большинстве реакций различных витаминов, из мономеров в дальнейшем получаются низкомолекулярные моно и дикарбоновые кислоты. Моносахариды, или простые сахара, и глицерин превращаются в пировиноградную кислоту; аминокислоты в альфа-кетоглутаровую, щавелевоуксусную и пировиноградную; жирные кислоты - в активный ацетат.

Превращение карбоновых кислот происходит в замкнутом лимоннокислом цикле Кребса. В процессе этих реакций и происходит образование энергии в форме АТФ , необходимой для поддержания жизненных функций клетки и всего организма в целом. Сложные молекулы в результате таких превращений распадаются до углекислого газа и воды, которые удаляются из организма . В большинстве реакций цикла Кребса участвуют один или несколько витаминов сразу. Так, например, переход янтарной кислоты в яблочную происходит в присутствии коферментной формы рибофлавина, тогда как превращение пировиноградной кислоты в лимонную требует сочетанного действия тиамина, рибофлавина, липоевой и никотиновой кислот, участвующих в различных этапах сложного многоступенчатого ферментативного процесса.

Многочисленными исследованиями ученых были открыты антиоксидантные свойства витаминов. Было установлено, что в результате перекисного окисления липидов, жирные кислоты преобразуются в весьма активные свободные радикалы, которые вмешиваются в процессы обмена веществ и вызывают целый ряд патологических состояний. Свободные радикалы являются основой развития онкологических, сердечно-сосудистых и других заболеваний, а также ускоряют старение организма. Главная роль антиоксидантов состоит в том, что они нейтрализуют отрицательное действие образовавшихся радикалов. Выраженными антиоксидантными свойствами обладают витамин А(ретинол), витамин Е (токоферол) и витамин С (аскорбиновая кислота). Установлено также, что в малых дозах ни витамин А, ни витамин С по отдельности не оказывают антиоксидантного действия. Поэтому очень важно сочетанное использование этих витаминов.