Витамины и минеральные вещества

Лекция 12. Характеристика витаминов и минеральных веществ и их роль в организме человека

1. Особенности биологического действия витаминов

Витамины — низкомолекулярные органические вещества, которые присутствуют в небольших количествах в пище и обеспечивают нормальное протекание физиологических и биохимических процессов путем регуляции обмена веществ либо непосредственного участия в биохимических реакциях.

В 1880 г. русский ученый Н. И. Лунин впервые доказал, что помимо известных составных частей, таких как белки, липиды и углеводы, пища должна содержать дополнительные пищевые факторы, без которых организм не может существовать.

По предложению польского исследователя К. Функа, проводившего опыты по выделению из рисовых отрубей активного начала, эти дополнительные факторы пищи были названы витаминами (витамины — «амины жизни»). И, действительно, первый выделенный и изученный витамин — тиамин (В₁) — является амином.

От других незаменимых веществ (аминокислот и жирных кислот) витамины отличаются следующим:

Они не являются источником энергии.

Никогда не входят в структуры клеток и тканей.

Обладают очень высокой биологической активностью, поэтому требуются в небольших количествах.

Имеют разнообразную химическую структуру (относятся к различным классам органических соединений).

Каждый витамин выполняет свою специфическую функцию. Вместе с тем, многие витамины входят в состав кофакторов сложных ферментов, т. е. непосредственно участвуют в ускорении биохимических реакций.

2. Классификация витаминов

По растворимости витамины делятся на следующие группы:

Жирорастворимые: витамин, А (ретинол), витамин Д (кальциферол), витамин Е, витамин К.

Водорастворимые: В₁ (тиамин), В₂ (рибофлавин), В₃ (пантотеновая кислота), В₆ (пиридоксин), В₁₂ (кобаламин), РР (никотинамид), С (аскорбиновая кислота).

Специфическая функция витаминов группы В в организме состоит в том, что из них образуются коферменты и простетические группы ферментов. Например, витамин В₂ входит в состав ФАД, витамин РР — в состав НАД, витамин В₃ — в состав коэнзима А.

Целый ряд витаминов представлен не одним, а несколькими соединениями, обладающими сходной биологической активностью. Например, группа витаминов В₆ включает пиридоксин, пиридоксаль и пиридоксамин. Такие родственные соединения называются витамерами.

Соединения, которые не являются витаминами, но могут служить предшественниками их образования в организме, называются провитаминами. Например, каротиноиды являются провитаминами витамина А, некоторые стерины превращаются в витамин D. Наряду с витаминами, выделяют группу витаминоподобных соединений. Витаминоподобные соединения — группа разнообразных химических веществ, которые обладают витаминными свойствами, но незаменимость которых не всегда доказана. Их также можно классифицировать по растворимости в воде на:

• · Жирорастворимые (витамин F, убихинон и др.).
• · Водорастворимые (холин, оротовая кислота, липоевая кислота, пангамовая кислота, метилметионин, флавоноиды и др.).
• 3. Патологии, вызванные избытком или недостатком витаминов

Гипервитаминоз — патологическое состояние, связанное с чрезмерным поступлением витаминов. Наиболее вероятно такое заболевание может возникнуть при избыточном потреблении жирорастворимых витаминов.

Авитаминоз — заболевание, вызываемое полным отсутствием в пище или полным нарушением усвоения витаминов.

Гиповитаминоз — болезненное (патологическое) состояние, вызываемое недостатком в пище или плохим усвоением витаминов.

Расстройства при авитаминозах связаны с нарушением активности ферментов. В 1922 году Зелинский выдвинул теорию: витамины регулируют обмен веществ не непосредственно, а являясь кофакторами ферментов.

Основные причины гипо — и авитаминозов.

• 1. Недостаточное поступление витаминов с пищей
• 2. Угнетение кишечной микрофлоры, продуцирующей некоторые витамины.
• 3. Нарушения усвоения витаминов.
• 4. Повышенная потребность в витаминах.
• 5. Врожденные, генетически обусловленные нарушения обмена и функции витаминов.

Иногда причиной гипои авитаминозов становится повышенное содержание в продуктах питания антивитаминов.

Антивитамины — соединения, конкурирующие с витаминами в соответствующих биохимических процессах, или выключающие витамины из биохимических процессов путем их разрушения или связывания.

Существует 2 типа антивитаминов:

• 1. Конкурирующие — антивитамины со структурой, сходной со строением витаминов; они конкурируют с витаминами за место в кофакторе, либо ферменте. Антивитамины используют для лечения инфекционных заболеваний, вызванных микроорганизмами (к примеру, сульфаниламидные препараты).
• 2. Выключающие — антивитамины, вызывающие изменение химической природы витаминов, которые сопровождаются потерей витаминами биологического действия. Например, авидин (белок куриного яйца) — борется с витамином Н. Авидин есть в белке сырого куриного яйца, а при термической обработке яиц он подвергается денатурации.
• 4. Витамины зерна и продуктов его переработки

Жирорастворимые витамины. В зерне и продуктах его переработки витамина, А как такового нет. Однако в зерне, муке и крупе содержатся каротиноиды, из которых в организме человека и животных образуется витамин А.

Витамина D в зерне и продуктах его переработки также нет, а есть эргостерол и другие стеролы, из которых при облучении ультрафиолетовым цветом образуется витамин D.

Из жирорастворимых витаминов в зерне содержится лишь витамин Е, или токоферол, который содержится в виде 4-х изомеров. Недостаток в кормах витамина Е вызывает у животных серьезные нарушения обмена веществ и бесплодие. Токоферол препятствует окислению и прогорканию жиров и поэтому принадлежит к антиокислителям — веществам, предохранящим жиры от прогоркания.

Водорастворимые витамины. Витамин В₁содержится в большом количестве в пшеничных и рисовых отрубях, в алейроновом слое и зародыше рисового, пшеничного и ржаного зерна. При очистке и полировке риса, а также при изготовлении пшеничной муки высшего сорта зародыш и алейроновый слой зерна удаляются. Поэтому полированный рис и пшеничная мука высшего и первого сортов практически не содержат витаминов.

Содержание витамина В₂ в зерне сравнительно невелико. В различных видах зерна и продуктов его переработки количество этого витамина существенно различается.

Никотиновая кислота в зерне содержится главным образом в алейроновом слое и зародыше. Особенно богаты этой кислотой дрожжи.

Зерно пшеницы и продукты его переработки содержат также витамин В₆.

Витамин С в нормальном непроросшем зерне не содержится и образуется в нем только в процессе прорастания.

Аскорбиновая кислота является эффективным хлебопекарным улучшителем. В очень небольших количествах она заметно улучшает хлебопекарные качества пшеничной муки: хлеб получается более пышный, с лучшей пористостью и структурой мякиша.

5. Общая характеристика минеральных веществ и их роли в организме человека

К минеральным веществам, которые играют важную роль в различных процессах метаболизма организма человека, относят минеральные элементы и их соединения, а также воду.

Минеральные вещества, как и витамины, не обладают энергетической ценностью. Попадая в организм в больших количествах, минеральные элементы могут проявлять токсические свойства, поэтому содержание некоторых неорганических соединений регламентируется медико-биологическими требованиями и санитарными нормами. Обычное содержание минеральных компонентов в пищевых продуктах находится на уровне 0,5−0,7% съедобной части. Их можно разделить на две группы:

• 1) макроэлементы: кальций, магний, калий, натрий, фосфор, сера, хлор;
• 2) микроэлементы: железо, цинк, медь, марганец, йод, фтор, селен и др.

Живой организм подчиняется физико-химическому закону электронейтральности, согласно которому суммы положительных зарядов катионов и отрицательных зарядов анионов должны быть равны, хотя и допускаются колебания в содержании отдельных катионов и анионов. Для соблюдения правила электронейтральности не хватает некоторого количества неорганических анионов. Это компенсируется анионами органических кислот (молочной, яблочной, лимонной и т. д.) и кислых белков, несущих отрицательные заряды.

Для всех живых организмов характерна разница (градиент) концентраций основных неорганических ионов между внутриклеточным пространством и внеклеточной средой, которые разделены клеточной мембраной.

Контакт между внутриклеточными и внеклеточными средами осуществляется через такую организованную структуру, как клеточная мембрана. Мембрана обладает избирательной проницаемостью по отношению к отдельным ионам и вообще непроницаема для таких крупных макромолекул, как белки, несущих довольно большой суммарный отрицательный заряд. Наличие полупроницаемой мембраны создает особые условия равновесия отдельных ионов по обе стороны мембраны. Именно с этим свойством мембраны связаны все биоэлектрические и электрофизиологические явления в живом организме.

В биологических процессах возможна взаимозаменяемость некоторых катионов и анионов. Иногда ион какого-либо металла (обычно при его недостатке) может замещаться ионом другого металла, близким по физико-химическим свойствам и ионному радиусу. Например, натрий замещается литием; кальций — стронцием; молибден — ванадием; железо — кобальтом; магний — иногда марганцем.

Основные биологические функции неорганических ионов.

• 1) Структурная, обусловлена комплексообразующими свойствами металлов. Ионы металлов входят в состав макромолекул (белков, нуклеиновых кислот, гемоглобина и др.).
• 2) Осмотическая. Используется для регуляции осмотического и гидроосмотического давления.
• 3) Биоэлектрическая. Связана с возникновением разности потенциалов на клеточных мембранах. Это свойство ионов используется для регуляции функций нервных и мышечных клеток и для проведения нервных импульсов.
• 4) Регуляторная. Проявляется в том, что ионы металлов, соединяясь с ферментами, оказывают влияние на их активность и регулируют скорость химических превращений в клетке. Это прямое регуляторное действие катионов. Косвенная регуляторная функция состоит в том, что ионы металлов необходимы для проявления действия другого регулятора, например, гормона.
• 5) Транспортная. Основана на участии некоторых металлов (в составе металлопротеинов) в переносе электронов или простых молекул. Например, катионы железа и меди входят в состав цитохромов, являющихся переносчиками электронов, а железо в составе гемоглобина связывает кислород и участвует в его переносе.
• 6) Энергетическая. Связана с использованием неорганических фосфатных анионов в образовании АТФ из АДФ (АТФ — основной аккумулятор энергии в живых клетках).
• 7) Механическая, или опорная. Например, катион кальция и анион фосфора входят в состав гидроксилапатита и фосфата кальция костей и определяют их механическую прочность.
• 8) Синтетическая. Связана с использованием неорганических анионов для синтеза сложных молекул. Например, йод участвует в синтезе йодтиронинов в клетках щитовидной железы.