Витамины

Витамины, органические вещества, необходимые в небольших количествах в пищевом рационе как человека, так и большинства позвоночных. Синтез витаминов, как правило, осуществляется растениями, а не животными. Ежедневная потребность человека в витаминах составляет лишь несколько миллиграммов или микрограммов. В отличие от неорганических веществ витамины разрушаются при сильном нагревании. Многие витамины нестабильны и «теряются» во время приготовления пищи или при обработке пищевых продуктов.

В начале 20 в. считалось, что ценность пищи определяется главным образом ее калорийностью. Этот взгляд пришлось пересмотреть, когда были описаны первые эксперименты, показывающие, что, если из рациона животных исключить ряд продуктов, у них развиваются болезни, обусловленные пищевой недостаточностью; при этом потребление даже небольших количеств определенных пищевых продуктов или их экстрактов позволяло предотвращать или излечивать подобные заболевания. Оказалось, что благотворное действие таких добавок зависит от присутствия ранее неизвестных веществ, которые встречаются в печени, молоке, зелени и других продуктах, обладающих «защитным» эффектом. Последующие эксперименты привели к открытию как самих этих веществ – витаминов, так и их роли в жизнедеятельности организма.

Название «витамины», предложенное в 1911 американским биохимиком польского происхождения К.Функом, вскоре стало общеупотребительным. В ходе экспериментальных исследований витамины были выделены в чистом виде из пищевых продуктов и была определена их химическая структура, что позволило синтезировать и получать их в промышленных масштабах. Искусственно полученные витамины ничем не отличаются от тех, что содержатся в пище. Они используются в качестве лекарств для профилактики болезней пищевой недостаточности и в качестве добавок для повышения питательной ценности пищевых продуктов и кормов сельскохозяйственных животных. Иногда люди принимают слишком много витаминов, полагая, что таким образом улучшают свое здоровье. Для подобного мнения нет никаких оснований, а избыточный прием витаминов A и D может иметь вредные последствия.

Витамины подразделяют на два класса: жирорастворимые и водорастворимые. Жирорастворимые витамины растворяются в бензине, эфире и жирах. В отличие от них водорастворимые витамины не растворяются в жирах, но растворимы в воде и спирте. Витамины A, D, E и K – жирорастворимые; все остальные – водорастворимые.

Все витамины, кроме витамина D, могут быть получены при хорошо сбалансированном питании из обычных пищевых продуктов. В некоторых случаях, например при беременности, потребность в витаминах возрастает, и тогда рекомендуется принимать витамины дополнительно, используя препараты, например, в виде капсул.

Некоторые 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, однако в количественном отношении их синтез и доступность для использования могут варьировать. У жвачных животных, например, доля витаминов группы B, получаемых за счет бактериального синтеза, весьма заметна. С другой стороны, выяснилось, что кишечные бактерии могут, по-видимому, конкурировать с организмом хозяина за питательные вещества. Так, животные, которых выращивали в стерильных условиях или кормили пищей с добавками антибиотиков, росли быстрее, чем обычно. У человека внутрикишечно синтезируется значительное количество одного из витаминов группы В, а именно биотина, который затем поступает в кровь.

Болезни, обусловленные витаминной недостаточностью

Зеленые растения – это живые организмы, способные под действием света производить из простых химических соединений все необходимые им вещества: белки, жиры, углеводы, пигменты и множество других сложных органических соединений. В отличие от растений животные неспособны производить для себя пищевые вещества. Более того, они не могут сами синтезировать и некоторые сложные молекулы – витамины, которые необходимы для поддержания нормального обмена веществ. В тех случаях, когда животные не получают с пищей витамины, у них развиваются болезни, обусловленные витаминной недостаточностью («авитаминозом»). Большинство диких животных питается достаточно разнообразно, и такие болезни у них не возникают. Человек же часто не склонен к сбалансированному питанию и, имея возможность выбора, предпочитает рафинированную и легкую пищу, часто обедненную витаминами. Для наименее обеспеченных групп населения обычно характерен однообразный (и скудный) пищевой рацион. В результате возникают болезни витаминной недостаточности. Их причины были установлены лишь в 20 в., после чего профилактика этих заболеваний перестала вызывать трудности.

Ксерофтальмия. По свидетельствам современников, на протяжении 19 и в начале 20 в. ксерофтальмия («сухой глаз») часто наблюдалась у страдающих от недоедания и особенно у голодающих детей. При этом заболевании прекращаются выработка и выделение секрета слезных желез, что вызывает сухость глаз и помутнение роговицы. Заболевание способствует инфекциям, которые могут привести к хроническим нарушениям зрения и даже к слепоте. В 1904 японский врач М.Мори предложил лечить это заболевание рыбьим жиром и печенью цыпленка. Однако его рекомендации не были по достоинству оценены. Во время Первой мировой войны ксерофтальмия широко распространилась среди детей Дании, что было вызвано недостаточностью витамина А. Дело в том, что датчане экспортировали сливочное масло, так что дети в этой стране питались только маргарином и обезжиренным молоком, которые не содержали витамина А. После того как К.Блок показал, что болезнь поддается лечению рыбьим жиром и сливочным маслом, датское правительство сразу же ограничило экспорт масла. Эта мера незамедлительно привела к спаду заболеваемости ксерофтальмией. Вся эта цепь событий вызвала огромный интерес у диетологов. Масло повсеместно стали признавать продуктом «защитного» действия. Многие лаборатории занялись выделением вещества, названного «жирорастворимым веществом A», которое и определяло благотворное действие масла и рыбьего жира.

В конце концов, было обнаружено, что один из лучших источников витамина A – жир, выделенный из печени акулы галеус. Один грамм этого жира содержит столько же витамина A, сколько 6 кг масла. Однако собственно витамин A составляет лишь 5% общего веса жира. Вскоре витамин был выделен высоковакуумной перегонкой, а затем химически синтезирован. Тем временем выяснилось, что растительный пигмент бета-каротин тоже предупреждает развитие недостаточности витамина A. Парадокс заключался в том, что каротин – пигмент темно-красного цвета, а высокоэффективные концентраты витамина A из рыбьего жира имеют бледно-желтую окраску. Ученые обнаружили, что в стенке тонкого кишечника животных каротин превращается в витамин A, при этом молекула каротина расщепляется на две одинаковые половины и утрачивает окраску. Каждая из двух половин соответствует молекуле витамина A. Сегодня в маргарин, исходно не содержащий витамин A, его специально добавляют.

Рахит. До 1920 рахитом страдали главным образом дети северных стран. При этом заболевании нарушается процесс минерализации (кальцификации) костной ткани; внешними признаками рахита служат саблевидные голени, вывернутые внутрь колени, деформированные ребра и череп, нездоровые зубы. Особая подверженность рахиту детей заставила обратить внимание на ту роль, которую кальций и фосфор играют в детском возрасте, когда происходит рост костей, состоящих в значительной мере из фосфата кальция. В начале 20 в. было показано, что рахит можно лечить солнечным светом, причем эффективной оказалась лишь ультрафиолетовая часть спектра. Механизм такого воздействия предстояло раскрыть, поскольку очевидно, что сам по себе солнечный свет не может поставлять организму кальций и фосфор. Со временем выяснилось, что лечебное действие оказывают также печень трески (поначалу народное средство) и рыбий жир. Значительному прогрессу в изучении рахита способствовали лабораторные эксперименты с крысами. В 1924 было установлено, что некоторые продукты приобретают способность излечивать рахит при обработке их ультрафиолетовым светом. Эти факты помогли чуть позже обнаружить, что под действием ультрафиолетового света в коже образуется биологически активное вещество, витамин D3, который является основным регулятором обмена кальция и фосфора в костях.

Бери-бери. Эта болезнь была так широко распространена в восточных странах до начала 20 в., что считалась одной из главных в мире. У заболевших происходит поражение нервной системы, что приводит к слабости, потере аппетита, повышенной возбудимости и параличу с весьма высокой вероятностью смертельного исхода. Бери-бери часто страдали японские моряки. Только в 1884 японский диетолог Т.Такаки заметил, что заболевания можно избежать, если пищевой рацион моряков сделать более разнообразным и включить в него овощи. В 1890-х годах голландский врач Х.Эйкман обнаружил, что болезнь возникает при употреблении в качестве основной пищи полированного риса и что сходное заболевание, полиневрит, можно вызвать у кур, если кормить их только полированным рисом. Полированный рис получают путем удаления наружных оболочек рисовых зерен. Оказалось, что идущие в отбросы оболочки обладают лечебным действием. После длительных усилий ученым удалось выделить в небольших количествах из дрожжей и рисовых оболочек кристаллическое вещество, которое содержало серу. Это вещество, витамин В1, или тиамин, предупреждало и излечивало бери-бери, а отсутствие его в полированном рисе служило причиной заболевания. Тиамин был исследован химическими методами, и в 1937 его синтезировали. В настоящее время синтетический тиамин добавляют к полированному рису и белой муке.

Пеллагра. Из всех болезней, связанных с витаминной недостаточностью, пеллагра в свое время особенно часто наблюдалась в США. Хотя это заболевание было впервые описано в начале 18 в. в Италии, где и получило свое название, с начала 20 в. оно широко распространилось в США. Чаще всего пеллагрой страдали бедняки из сельских районов, которые питались очень однообразно, в основном кукурузой и жирным мясом. При пеллагре наблюдаются понос, рвота, головокружение, дерматит и другие повреждения кожи, отек языка с развитием изъязвлений преимущественно под ним, а также на деснах и слизистой нижней губы, потеря аппетита, головная боль, депрессия и слабоумие. Страдавших этим заболеванием часто направляли в больницы для умалишенных. В 1937 было установлено, что от пеллагры излечивают никотиновая кислота (ниацин) или ее амид (никотинамид). Хотя никотиновую кислоту выделили из дрожжевого экстракта еще в 1912, до 1937 никто не подозревал, что именно это вещество может быть использовано для профилактики и лечения пеллагры. Изменение рациона питания привело к почти полному исчезновению пеллагры в США.

Мегалобластная анемия. У животных эритроциты и лейкоциты вырабатываются в костном мозге. Поскольку время жизни этих клеток невелико, костный мозг должен постоянно их вырабатывать. Процесс образования новых кровяных клеток носит название гемопоэза. Для того чтобы он шел нормально, необходимо присутствие двух витаминов, и если хотя бы одного из них нет, костный мозг подвергается изменениям (видимым под микроскопом) и вместо эритроцитов начинает производить аномальные клетки – мегалобласты. В результате развивается мегалобластная анемия . Одну из форм этого заболевания называют пернициозной, т.е. злокачественной, анемией, поскольку в отсутствие лечения она всегда имеет смертельный исход. До 1920 не знали ни одного средства лечения пернициозной анемии. Впоследствии, однако, было обнаружено, что в случаях потребления большого количества печени болезнь принимает более легкую форму. Столь же эффективны оказались концентрированные экстракты печени, в особенности при внутримышечном введении: создавалось впечатление, что усвоению этих экстрактов, принятых через рот, что-то мешает. В конце концов причина была найдена: в желудке больных пернициозной анемией не вырабатывался т.н. внутренний фактор, входящий в состав желудочного сока и необходимый для всасывания витамина В12. В настоящее время для лечения этого заболевания назначают инъекции витамина В12, т.е. того витамина, который присутствует в концентрированных экстрактах печени.

В начале 1930-х годов установили, что в тропических странах беременные женщины часто страдают мегалобластной анемией, которая не поддается лечению инъекциями концентрированных экстрактов печени. Однако заболевание излечивалось при потреблении сырой печени или экстрактов дрожжей. Анемию удалось искусственно вызвать у обезьян и кур; вещество, пригодное для ее профилактики и лечения, вскоре выделили как из печени, так и из дрожжей, и химически синтезировали. Оказалось, что это вещество – фолиевая кислота – играет значительную роль во многих биохимических процессах, особенно в синтезе нуклеиновых кислот.

Цинга. Многие века моряки и путешественники страдали от цинги – очень тяжелого заболевания, при котором человек сильно худеет, испытывает постоянную усталость и боли в суставах. Болезнь часто заканчивалась смертельным исходом. В 1536 во время зимней экспедиции Жака Картье по Южной Канаде 26 его спутников умерли от цинги. Остальные путешественники вылечились с помощью водного экстракта сосновой хвои – средства, которое использовали индейцы. Двести лет спустя хирург британского флота Дж.Линд показал, что болезнь моряков можно лечить свежими овощами и фруктами, и с 1795 на всех британских кораблях стали добавлять к рациону сок цитрусовых.

Прошло еще столетие, прежде чем цингу стали изучать в лабораториях. В 1907 обнаружили, что ее можно искусственно вызвать у морских свинок (у других лабораторных животных заболевание не развивалось), если кормить их только овсяными зернами и отрубями. Излечивать морских свинок от цинги удавалось лимонным соком, однако выделенное из лимонного сока активное вещество в чистом виде быстро разлагалось на воздухе. Только в 1931 был получен в кристаллической форме витамин С, который излечивал морских свинок от цинги. Его удалось выделить из лимонного сока, коры надпочечников и сладкого перца. По своей структуре это вещество, названное аскорбиновой кислотой, оказалось родственным гексозам. Вскоре его синтезировали химическим путем, после чего было быстро налажено дешевое производство нового витамина.

Витамин A

Витамин A представляет собой жирорастворимый спирт бледно-желтого цвета, который образуется из красного растительного пигмента бета-каротина (провитамина A). В организме животных и человека происходит превращение бета-каротина в витамин A. Поэтому каротин можно рассматривать как растительную форму витамина A. И витамин A, и бета-каротин – ненасыщенные соединения, они легко окисляются на воздухе и разрушаются. Раньше основным источником концентрированного витамина A служил рыбий жир, в основном из печени акулы. В настоящее время этот витамин синтезируют химическим путем.

Активность витамина A определяют биологически, по его способности стимулировать рост крыс, испытывающих дефицит этого витамина. Одна единица витамина A ежедневно – доза, достаточная для выживания таких крыс и их медленного роста. В одном грамме витамина A содержится около трех миллионов единиц.

Физиологическая роль витамина A состоит в поддержании нормального состояния прежде всего эпителиальных тканей (в том числе слизистых оболочек), а также нервной и костной тканей. От витамина A зависит способность видеть при слабом освещении. Дело в том, что важным компонентом сетчатки является производное витамина А, родопсин, или зрительный пурпур, который принимает участие в зрительном процессе. Недостаточность витамина A ведет к утрате родопсина, что, в свою очередь, вызывает ночную («куриную») слепоту, т.е. неспособность видеть в сумерках. Благодаря своей роли в деятельности сетчатки витамин А получил название «ретинол» (от retina, сетчатка). Ежедневная потребность взрослого человека в витамине A – ок. 5000 единиц. При продолжительном приеме более высоких доз он оказывает токсическое действие. Важными источниками бета-каротина служат зелень, морковь и другие зеленые и желтые овощи. Витамин A содержится в рыбьем жире, яичном желтке и масле. В печени пресноводных рыб встречается другая форма витамина A – витамин A2.

Витамин D

Витамин D структурно связан со стероидными соединениями – классом жирорастворимых веществ, входящих в состав животных тканей, грибов и различных растений. Витамин D – это семейство соединений, каждое из которых образуется из определенного стерина, своего предшественника. Стерины (их называют также стеролами) представляют собой органические вещества, в структуру которых входит несколько сочлененных колец, образованных атомами углерода; под действием ультрафиолетового света одно из колец раскрывается, и стерин превращается в витамин