Какие химические соединения называются витаминами
Витамины (лат. vita — жизнь) — группа низкомолекулярных органических соединений, необходимых для нормального функционирования гетеротрофного организма.
К витаминам не относят микроэлементы и незаменимые аминокислоты.
История открытия витаминов
До XIX века о существовании витаминов ничего не было известно, хотя люди периодически сталкивались с симптомами авитаминозов. Обычно причины болезненного состояния списывались на инфекцию.
Особенно страдали от нехватки витамин мореплаватели. Многие витамины содержатся в овощах и фруктах, являющихся скоропортящимися продуктами. Поэтому в экспедиции их обычно не брали. В результате путешественники страдали и часто умирали от авитаминозов.
Известно, что одним из первых цитрусовые для лечения цинги у матросов предложил применять шотландский врач Джеймс Линд в 1747 году.
Рис. Джеймс Линд и его работа
Джеймс Кук ввел в корабельный рацион кислую капусту, солодовое сусло и подобие цитрусового сиропа. В результате в путешествии от цинги не погиб ни один матрос. В 1795 году лимоны и другие цитрусовые стали стандартной добавкой к рациону британских моряков.
В 1880 году советский педиатр Николай Иванович Лунин экспериментально доказал, что «… в молоке, помимо казеина, жира, молочного сахара и солей, содержатся еще другие вещества, незаменимые для питания. Представляет большой интерес исследовать эти вещества и изучить их значение для питания».
Лунин проводил эксперименты на мышах. Были взяты две группы мышей. Одних кормил «искусственным молоком», которое состояло исключительно из казеина (молочного белка), жира, молочного сахара, минеральных солей и воды. Мыши, питающиеся таким молоком, вскоре начинали терять в весе и погибали. Мыши из другой группы, которым давали в пищу натуральное молоко, росли здоровыми и крепкими.
Рис. Н. И. Лунин и его эксперимент
В XVII веке в странах Юго-Восточной и Южной Азии научились шлифовать рис, что улучшало его вкусовые качества. Однако, менно тогда появилось новое заболевание, получившее название «бери-бери». Симптомом болезни била крайняя слабость, переходящая в паралич и смерть. В то время решили, что эпидемию вызывает зараженный рис. В основном это заболевание было характерно для жителей Японии и Юго-Восточной Азии.
Рис. Бери-бери у человека Рис. Бери-бери у голубей (а — болезнь, б — норма)
Только в 1886 году нидерландский врач и бактериолог Христиан Эйкман, изучавший бери-бери в тюремном госпитале на острове Ява, экспериментально доказал, что в рисовой шелухе содержится вещество, способное предупреждать бери-бери (полиневрит). Ученый выделил данное соединение из рисовой шелухи.
Для своих опытов Эйкман использовал кур. В ходе одного из экспериментов он обнаружил, что цыплята, питающиеся шлифованным рисом, заболевали полиневритом — очень похожим на бери-бери человека. Когда же подопытных животных переводили на неочищенный рис, они выздоравливали.
Исследования, проведенные Христианом Эйкманом положили начало методу лечения болезней, связанных с недостатком каких-либо веществ в пище.
Фредерик Хопкинс назвал эти необходимые вещества «добавочными факторами» и продолжил их изучение. В ходе экспериментов Хопкинс с коллегами установил, что в молочном белке (казеине) содержится вещество, необходимое для роста и развития организма.
В 1929 г. Эйкману и Хопкинсу за вклад в открытие витаминов была присуждена Нобелевская премия.
Рис. Христиан Эйкман Рис. Фредерик Хопкинс
1912 год — польский химик Казимир Функ ввел термин «витамин». Функ определил химический состав вещества, выделенного из рисовых отрубей, и, обнаружив в нем аминогруппу, назвал его «витамин»: от латинских слов «vita» (жизнь) и «amine» (азот). И хотя не все витамины содержат азот, термин этот сохранился.
1916 год — витамин А: вещество, стимулирующее рост;
1935 год — витамином К (koagulations vitamin) (датский химик Хенрик Дам, Нобелевская премия в 1943 году;
1936 год — тиамином (витамин В1);
1936 год — получены первые препараты витамина Е путем экстракции из масел ростков зерна.
1938 год — немецкий химик Рихард Кун определил формулу и синтезировал флавин (витамина $B_2$), вещество, «необходимое для питания» (цит. Лунин), содержащееся в молоке.
Роль витаминов в организме человека
Витамины не имеют существенного пластического и энергетического значения для организма человека.
Большую часть витаминов организм не способен синтезировать сам. Эти витамины должны быть неотъемлемой частью пищевого рациона человека. Источниками витаминов для человека являются пищевые продукты растительного и животного происхождения. С пищей витамины поступают в готовом виде, или в форме провитаминов, из которых в организме образуются витамины. Некоторые витамины синтезируются микрофлорой кишечника.
Витамины делят на:
жирорастворимые витамины: А, D, E, K;
водорастворимые витамины: C, Р и витамины группы B.
Жирорастворимые витамины накапливаются в жировой ткани и печени.
Водорастворимые витамины в организме не накапливаются, при избытке выводятся с водой. Поэтому чаще наблюдаются гиповитаминозы водорастворимых витаминов и гипервитаминозы жирорастворимых витаминов.
Большинство витаминов являются коферментами (структурными единицами ферментов) или их предшественниками. Поэтому, многие авитаминозы можно рассматривать как патологические состояния, возникающие из-за выпадения функций тех или других коферментов. Однако в настоящее время механизм возникновения многих авитаминозов ещё неясен.
Интересно, что фармацевтические антибиотики (например, из группы сульфаниламидных) напоминают по своим химическим признакам витамины, необходимые для бактерий. Такие «замаскированные под витамины» вещества захватываются бактериями, при этом блокируются активные центры бактериальной клетки, нарушается её обмен, и происходит гибель бактерий.
Витаминология — медико-биологическая наука, изучающая структуру и механизмы действия витаминов, а также их применение в лечебных и профилактических целях.
В клетке могут происходить процессы свободнорадикального окисления, когда происходит прямое присоединение кислорода к окисляемым веществам. Оно осуществляется без помощи ферментов и носит разрушительный характер. Поэтому организм нуждается в антиоксидантах — веществах, препятствующих свободнорадикальному окислению веществ. Витамины С, Е, Р связывают свободные радикалы, предупреждая образование ядовитых соединений.
При надостатке или переизбытке в органзме какого-либо витамина наступает патологическое состояние, характеризуемое определенным набором симптомов (синдромом).
Гиповитаминоз — патологическое состояние, связанное с недостатком в организме определенного витамина.
Авитаминоз — тяжелое патологическое состояние, связанное с отсутствием в организме определенного витамина.
Гипервитаминоз — патологическое состояние, связанное с избытком в организме определенного витамина.
Наличие некоторых витаминов зависит от их поступления с пищевыми продуктами (незаменимые витамины). Они поступают в готовом виде, либо в виде провитаминов, которые превращаются в витамины в процессе метаболизма.
Водорастворимые витамины:
витамины группы В — входят в состав многих ферментов; содержатся в продуктах; некоторые синтезируются кишечными симбионтами;
витамин С, или аскорбиновая кислота — необходим для нормального формирования соединительной ткани; поступает с пищей; при его недостатке развивается цинга;
витамин К — фактор свертываемости крови; образуется кишечными симбионтами;
Жирорастоворимые витамины:
витамин А (ретинол) — необходим для образования зрительного пигмента — родопсина, при его недостатке развиваются нарушения зрения; поступает в организм с пищей животного происхождения или синтезируется в организме из провитамина витамина А — каротина, содержащегося в красно-оранжевых плодах и корнеплодах;
витамин Д — участвует в минерализации костной ткани, его активная форма формируется в организме при ультрафиолетовом облучении, поэтому связанное с ним заболевание — рахит — может развиваться при недостатке самого витамина или при недостатке ультрафиолета в зимнее время в северных районах.
витамин Е (токоферол) — участвует в репродуктивной функции и иммунной защите; поступает с пищей;
Содержание витаминов в продуктах заметно снижается при их длительном хранении и кулинарной обработке.
Авитаминозы и гиповитаминозы могут возникать не только в случае отсутствия витаминов в пище, но и при нарушении их всасывания при заболеваниях желудочно-кишечного тракта. Состояние гиповитаминоза может возникнуть и при обычном поступлении витаминов с пищей, но возросшем их потреблении (во время беременности, интенсивного роста), а также в случае подавления антибиотиками микрофлоры кишечника.
Рис. Содержание витаминов в продуктах
| Витамин | Значение витамина в организме человека | Продукты с наибольшим содержанием данного витамина | Норма потребления витамина (мг/сут.) | Гиповитаминоз/авитаминоз* |
| А | рост и развитие, восстановление эпителия, зрение; синтез половых гормонов; иммунитет (синтез интерферонов, иммуноглобулина, лизоцима); антиоксидант | печень, сливочное масло, яичный желток, желто-оранжевые овощи и фрукты; может синтезироваться в организме из провитаминов — каротиноидов | 700 мкг/сут. (для женщин), 900 мкг/сут. (для мужчин) | куриная слепота |
$B_1$ (тиамин) | обмен жиров и углеводов, рост и развитие; работа сердца, нервной и пищеварительной системы; участвует в энергетическом обмене (поставщик НАД) | пшеничный хлеб из муки грубого помола, соя, фасоль, горох, шпинат, мясо, дрожжи | 1,1 — 1,2 мг/сут. | бери-бери |
| $B_2$ (рибофлавин) | образование эритроцитов, антител, регуляция роста и репродуктивных функций; функции щитовидной железы, здоровье кожи и ее производных | печень, почки, дрожжи, яйца, миндаль, капуста, грибы, молоко | 1,8 — 2,0 мг/сут. | трещины слизистой оболочки губ, языка, дерматит век, ушей, носа |
$B_3$/РР (никотиновая кислота) | энергетический обмен; синтез белков и жиров | ржаной хлеб, ананас, свекла, гречка, фасоль, мясо и субпродукты, грибы и др. белковая пища; может синтезироваться в организме из триптофана. Синтезируется бактериальными симбионтами в толстом кишечнике | 15 — 19 мг/сут | пеллагра; куриная слепота |
| $B_4$ (холин) | синтез ацетилхолина, синтез инсулина, обмен жиров; работа нервной системы, память | яичный желток, мозг, печень, почки, сердце; капуста, шпинат, соя, грибы | 450 — 550 мг/сут. | болезни печени и нервной системы |
| $B_5$ (пантотеновая кислота) | входит в состав кофермента А, участвующего в пластическом обмене; регулирует работу надпочечников, участвует в синтезе антител | дрожжи, икра рыб, орехи, яичный желток, зеленые части растений, молоко, морковь, капуста, субпродукты | 5 — 10 мг/сут. | боли в суставах, выпадение волос, судороги конечностей, параличи, ослабление зрения и памяти |
| $B_6$ (пиридоксин) | стимулятор обмена веществ, белковый обмен; участвует в производстве гемоглобина; снабжение клеток глюкозой | зерновые, бобовые, рыба, печень, пшеница, мясные и молочные продукты, яйца. Синтезируется кишечной микрофлорой. | 1,1 — 1,5 мг/сут. | повышенная утомляемость; депрессивное состояние; выпадение волос; трещины в уголках рта; нарушение кровообращения; онемение конечностей; артрит; мышечная слабость |
$B_7$/Н (биотин) | регулирует обмен веществ (в т. ч. уровень сахара в крови); является источником серы, которая принимает участие в синтезе коллагена | в печени, почках, дрожжах, бобовых (соя, арахис), цветной капусте, орехах; здоровая микрофлора кишечника синтезирует биотин в достаточном для организма количестве | 50 мкг/сутки | поражение кожи, волос;анемия, депрессия, слабость, высокий уровень холестерина и сахара в крови |
| $B_{12}$ | пластический и энергетический обмен (окисление белков и жиров) | печень, почки, молоко, любые продукты животного происхождения, в т. ч. рыба и моллюски. Вырабатывается в толстом кишечнике животных, но всасывается только в тонком, накапливается в печени и почках. | 2,4 мкг/сут. | анемия, гибель нервных клеток |
| С (аскорбиновая кислота) | антиоксидант, синтез нейромедиаторов (серотонина), гормонов щитовидной железы, коллагена, стимулирует синтез интерферона и энергетический обмен | шиповник, киви, капуста, сырой картофель, красный перец, смородина, клюква, цитрусовые | до 90 мг/сут. | цинга |
| D | регуляция обмена фосфора и кальция | $D_3$ образуется в коже человека под действием ультрафиолетового света, $D_2$ поступает с пищей (печень, рыба, яйца, сливочное масло, сыр, дрожжи) | 15 мкг/сут. | рахит, остеопороз |
| Е | размножение млекопитающих, иммуномодулятор и антиоксидант | растительные масла | 20 — 30 мг/сут. | мышечная дистрофия, бесплодие, разрушение печени и мозга |
| К | свертывание крови, обмен веществ в костной и соединительной ткани, работа почек | зеленые листовые овощи, капуста, отруби, авокадо, киви, мясо-молочные продукты. Синтезируется бактериальными симбионтами в толстом кишечнике. | 90 мкг/сут. | внутренние кровотечения, деформация костей |
| Р (рутин) | повышает вязкость крови, в сочетании с витамином С увеличивают прочность сосудистых стенок | шиповник, цитрусовые, незрелые грецкие орехи, смородина, рябина, зеленый чай, гречка | 60 мг/сут. | кровоизлияния, быстрая утомляемость, мышечные боли, выпадение волос, синюшный оттенок кожи, угревая сыпь |
Н (биотин) | участвует в энергетическом обмене (поставщик НАД) | ржаной хлеб, ананас, свекла, гречка, фасоль, мясо и субпродукты, грибы; может синтезироваться в организме из триптофана. Синтезируется бактериальными симбионтами в толстом кишечнике. | 15 — 20 мг | пеллагра; куриная слепота |
*Краткие комментарии к названиям заболеваний.
Бери-бери — слабость, потеря веса, атрофия мышц, нарушения интеллекта, расстройства со стороны пищеварительной и сердечно-сосудистой системы, развитие парезов и параличей.
Куриная слепота — расстройство сумеречного зрения.
Цинга — нарушение синтеза коллагена — потеря прочности соединительной ткани — кровотечения (в т. ч. кровоточивость десен, носовые).
Пеллагра — заболевание, вызванное недостатком витамина РР, сопровождаемое дерматитом, диареей, деменцией (слабоумием).
Рахит — заболевание детей грудного и раннего возраста, вызванное недостатком витамина D, и, как следствие, нарушением кальциевого обмена, дефицитом кальция и протекающее с нарушением образования костей и недостаточностью их минерализации.
Рис. Рахит (у ребенка: крупный живот, неправильный череп, искривление костей ног)
Остеопороз — заболевание, связанное с нарушением образования костной ткани и увеличением хрупкости костей; может быть связано с недостатком витамина D.
Рис. Остеопороз
Источник
Витамины
— органические вещества растительного, реже животного
происхождения, разнообразной химической структуры, в малых дозах необходимые
для нормальной жизнедеятельности организма. Часто витамины входят в состав
ферментов, то есть биологических катализаторов процессов живой
клетки.
Давно установлено, что при длительном отсутствии
свежей растительной пищи, особенно овощей и плодов, наступают тяжелые
хронические заболевания организма, даже при избытке необходимых белков, жиров,
углеводов, солей. Употребляя длительное время только животную и
консервированную пищу, заболевали цингой и погибали экспедиции мореплавателей.
На Руси часто встречалось заболевание глаз — «куриная слепота» (гемералопия),
причиной которого оказалось систематическое недоедание жиросодержащих
продуктов. Многовековой опыт подтвердил, что в растениях и некоторых продуктах
содержатся какие-то неизвестные жизненно необходимые дополнительные факторы
питания.
В XIX в. начали проводиться экспериментальные
исследования. Русский врач Н. И. Лунин (1880) поставил опыт по вскармливанию
мышей цельным и искусственным молоком с достаточным содержанием всех основных
питательных веществ. Получавшие искусственное молоко мыши плохо развивались,
болели и погибали. Примерно в это же время врач из Юго-Восточной Азии X.
Эйкман заметил, что куры болеют, как и люди, болезнью бери-бери и причиной
этого является употребление в пищу полированного риса. X. Эйкман выделил из
отрубей риса белое кристаллическое вещество, которое возвращало жизнь
тяжелобольному. Н. И. Лунин и X. Эйкман доказали этим, что в некоторых
пищевых продуктах содержатся в небольших количествах необходимые «добавочные
вещества». Работы продолжил ученый К. Функ. В 1910 г. он изучил химическое
строение уже известного вещества из отрубей риса и установил в строении
молекулы азот. Так появилось название «витамин» (от лат. vita — жизнь и
aminum — азот), или амин жизни. Этим веществом оказался витамин
В1.
Наука о витаминах называется
витаминологией. Уже открыты и изучены следующие витамины: А (ретинол),
В1 (тиамин), В2
(рибофлавин), В3 (пантотеновая
кислота), С (аскорбиновая кислота), D (эргокальциферол), Е (токоферолы), Н
(биотин), РР (никотиновая кислота), К (филлохинон) и другие; многие витамины
не содержат азота (аскорбиновая кислота), но все являются факторами
жизни.
Значение.
Успешно развивается кормовая и пищевая
витаминология. Потребность организма в витаминах установлена, и она оказалась
крайне незначительной, хотя ежедневно человеку требуется около 12 различных
витаминов. Суточная потребность в витамине В для взрослого человека составляет
2-2,5 мг, в витамине С — около 70 мг. Растительное масло, содержащее 1%
витаминов, считается высоковитаминным. Болезни, связанные с отсутствием в
организме витаминов, называются авитаминозами, а с недостатком —
гиповитаминозами.
Витамины чаще синтезируются в растительных
клетках надземных частей — в листьях, стеблях, цветках. В корнях и клетках
камбия витамины не образуются, хотя могут в них накапливаться (лук, чеснок,
морковь, картофель). Способствуют накоплению витаминов общеизвестные
природные факторы. Однако наиболее важными являются богатые энергией лучи
солнца. Много витаминов содержат шиповники степной зоны, растущие в Крыму,
на Кавказе, в Средней Азии. Некоторые витамины синтезируются микрофлорой
кишечника, а витамины группы D — даже кожей человека. Растворимы витамины в
клеточном соке и принимают участие в обмене веществ. Каротин (провитамин А)
оказался переносчиком кислорода. Чаще встречаются витамины в высших растениях,
хотя их содержат даже дрожжевые грибы. В курсе фармакогнозии рассматриваются
витамины и сырье растительного происхождения: каротин, витамины К, Е, Р, В, С,
Наиболее богаты витаминами виды семейств розоцветных, представители астровых,
крапивных, сельдерейных, лилейных. Из корнеплодов моркови посевной получают
каротин; содержится он также в тыкве, плодах рябины, облепихи, цветках
ноготков, траве череды. Витамином К богаты листья крапивы, трава пастушьей
сумки, кора калины. Особенно распространен витамин С: много его в плодах
шиповника, ягодах черной смородины, плодах цитрусовых и других.
Способы получения.
Обычно витамины извлекают из сырья подходящим
растворителем. В воде растворимы витамины В, С, Р, РР, в жирах — А, D, Е, К.
Производятся витамины также лабораторным микробиологическим способом.
Внедряется химический синтез. Высоко ценится природное витаминное сырье в
натуральном состоянии.
Физические свойства.
В чистом виде витамины — кристаллические вещества
или жидкости белого, желтого, оранжевого или красного цвета, имеющие
специфический вкус, без характерного запаха. В основу их первой классификации
положена растворимость в воде или жирах. В настоящее время установлено, что
витамины — индивидуальные вещества различных химических классов.
Химические свойства.
Строение витаминов изучено сравнительно недавно.
Оказалось, что витамин С относится к классу кислот, витамин А — к первичным
спиртам, витамины группы D — производные высокомолекулярных спиртов стеринов.
Если витамин С имеет углеводный характер строения, то витамин D относится к
сложным стероидным или гормоноподобным соединениям. В растениях витамины
встречаются иногда в виде провитаминов, например каротин — провитамин А,
состоящий из двух молекул витамина А.
Классификация.
На основании химического строения витамины
объединены в четыре группы.
1. Алифатические:
а) производные лактонов ненасыщенных
полиоксикарбоновых кислот (аскорбиновая кислота — витамин С);б) алифатические ненасыщенные кислоты
(высоконепредельные жирные кислоты по типу линолевой и линоленовой — витамин
F).
2. Алициклические:
а) ретинолы (циклогексеновые соединения —
витамина A, A1 или каротиноиды).
3. Ароматические:
а) нафтохиноны (витамин K1
— филлохинон, витамин К2 — фарнахинон).
4. Гетероциклические:
а) хромановые (токоферолы — витамин
Е);б) фенилахромановые (биофлавоноиды — витамин
Р);в) пиридинкарбоновые (никотиновая кислота —
витамин РР);г) пиридоксиновые (пиридоксин — витамин
В6);д) пиримидинотиазовые (тиамин — витамин
B1);е) птериновые (фолиевая кислота — витамин
Вc);ж) изоаллоксазиновые (рибофлавин — витамин
В2);з) кобаламиновые (цианокобаламин — витамин
B12)
До выяснения строения витамины называли буквами
латинского алфавита по мере их открытия: А, В, С, D и др. Встречаются названия
витаминов, образованные от первых букв лечебного действия или заболевания.
Например, название витамина Р происходит от «permeare» — проникать, так как
он уменьшает проницаемость сосудов. Витамин РР назван первыми буквами
заболевания «pellagra preventiva». В ГФ XI для витаминов приняты рациональные
названия, основанные на их химическом строении. Витамин А — ретинол, витамин К
— филлохинон, витамин В2 — рибофлавин, витамин РР —
никотиновая кислота и т.д. Химические особенности витаминов изучаются
органической и фармацевтической химией.
Заготовка.
Собирают сырье в фазе максимального накопления
преобладающего витамина. В плодах шиповника это витамин С, хотя в них содержатся
также витамины группы В, витамин Е и др. Сырье заготавливают в сухую погоду,
сушат в день сбора. Витамины — относительно стойкие соединения и сушка
допускается при температуре 70-90°С.
Хранение.
В сухом, хорошо проветриваемом помещении,
оберегая от действия факторов окружающей среды и вредителей.
Применение.
Гиповитаминозы связаны с нарушением обмена
веществ при тяжелых заболеваниях печени, желудка, кишечника, беременности,
чрезмерно быстром росте и другое. Наступает эндогенный патологический
гиповитаминоз даже при полноценном питании. При этом необходима заместительная
(восполняющая) витаминотерапия. Не менее важна медикаментозная терапия
различных заболеваний витаминными лекарственными препаратами. В медицинской
и фармацевтической практике широко применяют витаминное растительное сырье,
настойки, чаи, экстракты. Особенно эффективны витамины в чистом виде и
поливитаминные комплексы, витаминизированные соки, детское витаминизированное
питание.
Источник