Политерпеновую химическую структуру имеют витамины

Естествознание. 11 класс

Конспект урока

Естествознание, 11 класс

Урок 35. «Витамины как биологически активные вещества»

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: Каков смысл понятий «витамины», «антивитамины»? По каким признакам классифицируют витамины? Каково значение терминов «авитаминоз», «гиповитаминоз», гипервитаминоз»? Какие можно выделить этапы открытия витаминов? Каковы свойства и механизмы биологической активности витаминов? Каковы принципы использование витаминов?

Глоссарий по теме:

Витамины – это органические вещества, необходимые для жизнедеятельности живых организмов, которым свойственна интенсивная биологическая активность, благодаря которой они выполняют функции регулирования обмена веществ.

Гиповитаминоз – недостаток витаминов, вызывающий обратимые негативные изменения в организме.

Гипервитаминоз – переизбыток витаминов, вызывающий обратимые негативные изменения в организме.

Авитаминоз – заболевание, являющееся следствием длительного неполноценного питания, в котором отсутствуют какие-либо витамины.

Антивитамины – близкие по структуре к витаминам вещества, которые за счет схожести химического строения замещают витамины в реакциях обмена веществ, но не выполняют их функций.

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

1. Естествознание. 11 класс: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017. – С. 167-1173.

2. Овчинников Ю. А. Витамины // Биоорганическая химия. – Москва: Просвещение, 1987. – С. 67-79.

Открытые электронные ресурсы по теме урока (при наличии);

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Современный человек, согласно международным нормам права, а также и российскому законодательству, несет ответственность за свое здоровье. Это обуславливает необходимость знать средства и способы профилактики заболеваний и укрепления здоровья. Одним из таких средств является прием витаминов.

Витамины – это органические вещества, необходимые для жизнедеятельности живых организмов, которым свойственна интенсивная биологическая активность, благодаря которой они выполняют функции регулирования обмена веществ.

Витамины, с точки зрения химического состава – это особая группа низкомолекулярных органических соединений. Все витамины имеют сравнительно простое строение, но разнообразную химическую природу. То есть витамины – сборная группа по своей химической природе, но эти вещества объединены по признаку необходимости их, как части пищи, для любого гетеротрофного организма. Автотрофные организмы – растения, тоже нуждаются в витаминах, но могут как получить их из окружающей среды, так и синтезировать самостоятельно.

Витамины присутствуют в пище либо окружающей среде в крайне малых количествах, ввиду чего их относят к микронутриентам. Сегодня выделяется отдельная область знаний, изучающая витамины – витаминология. Это наука на стыке биохимии, медицины и фармакологии.

Витамины в организме животного или человека выполняют функцию катализатора в составе активных центров различных ферментов. Витамины участвуют в нервно-гуморальной регуляции как экзогенные прогормоны, которые активизируют выработку необходимых гормонов либо входят в их состав.

Несмотря на то, что витамины жизненно необходимы для функционирования живого организма, они не имеют пищевой ценности (калорийности), то есть не являются источниками энергии, как, например, жиры и углеводы, и не являются структурными элементами живых тканей, как, например, белки.

Суточная потребность в витаминах, как и их концентрация в организме малы, но при недостатке витаминов в организме наступят патологические и порой, необратимые изменения.

В частности, на протяжении нескольких веков морские путешественники в длительных плаваниях погибали от цинги – болезни, возникающей при недостатке витамина С. Только в 18 веке была показана необходимость включения в запас пищевых продуктов мореплавателей лимонов – как профилактического средства от цинги.

В 1747 году врач Джеймс Линд, в длительном плавании, провел эксперимент на матросах – введя в их рацион кислые продукты, он методом подбора открыл свойство цитрусовых предотвращать цингу. В 1753 году Дж. Линд опубликовал «Трактат о цинге», где предложил использовать лимоны и лаймы для профилактики этого заболевания.

Мореплаватель Джеймс Кук на практике доказал важную роль растительной пищи в профилактике цинги, введя в рацион своих матросов кислую капусту, солод и цитрусовый сироп (засахаренные лимоны). В 1795 году лимоны и другие цитрусовые стали обычной добавкой к рациону английских моряков.

Хотя долгое время люди еще не знали, за счет чего лимон позволяет предотвратить цингу.

Этот вопрос оставался без ответа до 1880 года, когда биохимик Николай Лунин, изучавший роль различных веществ в питании животных и людей, заметил, что мыши, которые ели искусственное молоко, полученное из молочного белка казеина, жира и сахара, заболевали и умирали. При этом, мыши, которым давали натуральное молоко и другую натуральную пищу – оказывались здоровыми. Это позволило прийти к выводу о том, что в искусственном питании не хватает важных веществ.

Через 16 лет при изучении болезни «бери-бери», распространенной в Индонезии и Японии, выяснилось, что ее причиной стало употребление жителями в пищу очищенного риса. Это выяснилось случайно – по тому факту, что куры, которых кормили неочищенным рисом, не демонстрировали признаков болезни. Позднее было выявлено, что «бери-бери» вызывает недостаток витамина В1 – тиамина.

Однако витамин в кристаллическом виде был впервые выделен только в 1911 году польским ученым Казимиром Функом, который и придумал наименование этой группе веществ, оттолкнувшись от латинского слова «vita» – «жизнь».

Витамины обозначаются буквами латинского алфавита: A, B, C, D, E, H, K и т. д. Большинство витаминов организм животного и человека не может синтезировать – они должны поступать извне с пищей, или, как на современном этапе – с различными витаминными добавками и препаратами. Исключение – это витамин D, который образуется под действием ультрафиолета, витамин A, синтезирующийся из веществ группы каротиноидов. Также витамины K и В3 синтезируются бактериальной микрофлорой в толстом кишечнике.

Исходя из взаимодействия с водой, витамины подразделяют на две большие группы – жирорастворимые – A, D, E, K, и водорастворимые – C и витамины группы B. Жирорастворимые витамины необходимо принимать совместно с приемом различных масел и жиров, в противном случае их усвоение организмом замедляется.

Жирорастворимые витамины накапливаются в жировой ткани и печени организма. Водорастворимые витамины не запасаются надолго и легко выводятся с водой при переизбытке. Это объясняет распространённость гиповитаминозов (недостаток витаминов) водорастворимых витаминов и гипервитаминозов (переизбытка) жирорастворимых витаминов.

Под воздействием факторов внешней среды (высокой температуры, кислорода, кислот, солнечного света, щелочей) витамины разрушаются, утрачивая биологическую активность. Такая неустойчивость витаминов связана с тем, что витамины, по своему химическому строению, являются высокоактивными веществами, легко вступающими в разные химические реакции или выступающими катализаторами в этих реакциях. Этим обусловлен и тот факт, что переработанные – приготовленные при высокой температуре овощи и фрукты уже не являются источниками витаминов.

Существует близкая по химическому строению и составу к витаминам группа веществ, называемая антивитаминами.

Антивитамины – это группа органических соединений, которые подавляют активность витаминов. Антивитамины обладают противоположным витаминам биологическим действием. При попадании в организм животного или человека антивитамины вместо витаминов включается в химические реакции обмена веществ и тормозят либо нарушают их протекание. Попадание антивитаминов может привести к витаминной недостаточности даже при условии достаточно количества поступающих витаминов. Например, антивитамином витамина B1 является пиритиамин, который вызывает явления полиневрита даже при присутствии в организме витамина В1.

Антивитамины известны для большинства витаминов. Антивитамины разделяют на две основные группы:

1. Химические вещества, инактивирующие витамин через его расщепление, связывание молекул в неактивные формы.

2. Химические вещества, подобные или родственные по структуре и составу витаминам. Эти вещества вытесняют из химических реакций в организме витамины.

Профилактикой гиповитаминозов и авитаминозов – недостатка витаминов в организме является прием различных поливитаминных комплексов — препаратов.

Поливитаминные препараты – это фармакологические препараты, которые содержат в составе основные витамины в различных сочетаниях и минеральные соединения.

В то же время, существуют витамины, которые плохо усваиваются из витаминных препаратов. Например, витамин В12 практически не усваивается из витаминных комплексов. Он поступает в организм только из мяса животных. А при недостатке витамина В12 вводится внутримышечно.

Наиболее известным пищевым поливитамином естественного происхождения для человека является грудное молоко, где содержится весь необходимый набор из эссенциальных витаминов и микроэлементов.

В детском возрасте, а также при повышенных физических и умственных нагрузках прием витаминов особенно актуален. В то же время, принимать витамины следует дозировано, так как есть сведения, что гипервитаминозы (переизбыток витаминов, главным образом, жирорастворимых, накапливаемых организмом в тканях) может приводить к различным заболеваниями и сокращении продолжительности жизни.

Суточная потребность в витаминах, как и их концентрация в организме малы, но при недостатке витаминов в организме наступят патологические и, порой, необратимые изменения.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

1. Органические вещества, необходимые для жизнедеятельности живых организмов, которым свойственна интенсивная биологическая активность, это:

Правильный ответ: 2. Витамины.

2. Вставьте пропущенные слова в текст:

«___________ – заболевание, являющееся следствием длительного неполноценного питания, в котором отсутствуют какие-либо витамины. ____________ – близкие по структуре к витаминам вещества, которые могут заменять в организме витамины, но не могут выполнять функции витаминов».

Правильный ответ: авитаминоз; антивитамины.

Источник

ВИТАМИНЫ

ВИТАМИНЫ (лат. vita жизнь + амин[ы]) — пищевые вещества, необходимые для поддержания жизненных функций. По строению являются низкомолекулярными соединениями различной хим. природы. Организм человека и животных не синтезирует В. или синтезирует в недостаточном количестве и поэтому должен получать их в готовом виде. В. требуются организму от нескольких микрограммов до нескольких миллиграммов в день (см. табл.). В отличие от других незаменимых факторов питания (незаменимые аминокислоты, ненасыщенные жирные кислоты и др.), В. не являются пластическим материалом или источником энергии и участвуют в обмене веществ преимущественно не как субстраты биохим, реакций, а как участники механизмов биокатализа и регуляции отдельных биохим, и физиол, процессов.

Недостаток В. в пище или изменение процессов их усвоения приводит к нарушениям обмена веществ и в конечном счете к развитию гипо- и авитаминозов (см. Витаминная недостаточность).

Открытие В. тесно связано с изучением роли отдельных пищевых веществ в обеспечении полноценного питания. Во второй половине 19 в. считалось, что для нормального функционирования организма достаточно определенного содержания в пище белков, жиров, углеводов, минеральных солей и воды.

В 1880 г. русский исследователь Н. И. Лунин установил, что в пищевых продуктах имеются еще неизвестные факторы питания, необходимые для жизни. Он показал, что белые мыши, получавшие цельное молоко, росли хорошо и были здоровы, но погибали, когда их кормили смесью из основных составных частей молока: казеина, жира, молочного сахара, солей и воды. Выводы Н. И. Лунина были в дальнейшем подтверждены С. А. Сосиным (1891), а в 1906 — 1912 гг. Ф. Гопкинсом.

В 1897 г. голл. врач Эйкман (Ch. Eijkman) установил, что у кур, получавших в пищу полированный рис, развивалось сходное с бери-бери заболевание, однако они выздоравливали после того, как им давались рисовые отруби.

По предложению польского ученого К. Функа (1911 — 1912), работавшего над выделением активного начала рисовых отрубей и обнаружившего наличие в них аминогруппы, все вещества подобного рода стали называть витаминами («жизненными аминами»).

Известно около двух десятков веществ, которые могут быть отнесены к В. Принято различать водорастворимые и жирорастворимые В. К первым относятся аскорбиновая к-та (витамин С), а также витамины группы В.: тиамин (витамин B₁), рибофлавин (витамин В₂), пиридоксин (витамин B₆), кобаламины (витамин B₁₂), ниацин (витамин PP, никотиновая к-та), фолацин (фолиевая к-та), пантотеновая к-та и биотин. К жирорастворимым В. относят ретинол (витамин А), кальциферолы (витамин D), токоферолы (витамин Е) и филлохиноны (витамин К). Наряду с В., необходимость которых для человека и животных бесспорно установлена, а дефицит приводит к явлениям витаминной недостаточности, имеются и другие биологически активные вещества, функции которых носят не столь специфический характер. Эти вещества могут быть причислены к витаминоподобным соединениям. К ним обычно относят биофлавоноиды, холин, инозит, липоевую, оротовую, пангамовую и парааминобензойную кислоты. Парааминобензойная к-та является фактором роста для некоторых микроорганизмов, синтезирующих из нее фолиевую к-ту. Для человека и животных парааминобензойная к-та биологически неактивна, т. к. они не способны превращать ее в фолиевую к-ту.

Целый ряд В. представлен не одним, а несколькими соединениями, обладающими сходной биол, активностью. Примером может служить группа витамина B6, включающая пиридоксин, пиридоксаль и пиридоксамин. Для обозначения подобных групп родственных соединений в соответствии с рекомендациями Международного союза специалистов по питанию (1969) используются буквенные обозначения (витамины A, D и т. п.). Для обозначения индивидуальных соединений, обладающих витаминной активностью, рекомендуется давать рациональные названия, отражающие их хим. сущность, напр, ретиналь (альдегидная форма витамина А), эргокальциферол и холекальциферол (формы витамина D). Хим. строение известных В. полностью установлено, большинство из них получено путем хим. синтеза. Химический, а также микробиол, синтез является основой современного промышленного производства большинства В.

Кроме В., известны провитамины— соединения, которые, не являясь витаминами, могут служить предшественниками их образования в организме. К ним относятся каротины, расщепляющиеся в организме с образованием ретинола (витамина А), некоторые стерины (эргостерин, 7-дегидрохоле стерин и др.), превращающиеся в витамин D.

Некоторые производные В. с замещенными функциональными группами оказывают на организм противоположное по сравнению с В. действие, т. е. являются антивитаминами. Проникая в клетки, эти вещества вступают в конкурентные отношения с В., в частности при биосинтезе коферментов и образовании активных ферментов. Заняв место В. в структуре фермента, антивитамины вследствие различий в строении не могут выполнять их функции. К антивитаминам относят также вещества, связывающие или разрушающие В. (см. Авидин, Тиаминаза). Ряд антивитаминов обладает антимикробной активностью и применяется в качестве химиотерапевтических средств, как, напр., сульфаниламидные препараты.

Специфическая функция витаминов группы В в организме состоит в том, что из них образуются коферменты (см.) и простетические группы ферментов, осуществляющие многие важнейшие реакции обмена веществ. Так, тиамин (витамин В₁) превращается в организме в тиамин-дифосфат (кокарбоксилаза), являющийся коферментом энзиматических систем, осуществляющих окислительное декарбоксилирование α-кетокислот.

Связанные с различными В. ферменты принимают участие в осуществлении многих важнейших процессов обмена веществ: энергетическом обмене (витамины B1 и B2), биосинтезе и превращениях аминокислот (витамины B6 и B12), жирных кислот (пантотеновая к-та), пуриновых и пиримидиновых оснований (фолиевая к-та), образовании многих физиологически важных соединений (ацетилхолина, стероидов) и др. Коферменты и простетические группы, а тем более соответствующие В., сами по себе каталитической активностью не обладают и приобретают ее лишь при взаимодействии со специфическими белками — апоферментами.

Введение В., в т. ч. в повышенных дозах, не может нормализовать скорость связанной с ним биохимической реакции, если она снижена не из-за недостатка этого В., а в силу каких-либо иных нарушений. С этой точки зрения использование В. в мед. практике в дозировках, значительно превышающих физиол, потребность, не всегда может быть оправдано, а в ряде случаев и небезопасно, поскольку оно может вести к нарушению обмена веществ и гипервитаминозам (см.).

В отличие от витаминов группы В, жирорастворимые витамины ретинол, кальциферолы, токоферолы и филлохиноны, а также аскорбиновая к-та не являются предшественниками коферментов или простетических групп. Функции этих В. различны и связаны с осуществлением процессов фоторецепции (витамин А), свертывания крови (витамин К), всасывания кальция (витамин D).

Необходимым условием реализации специфических функций В. в обмене веществ является нормальное осуществление их собственного обмена: всасывания в кишечнике, транспорта в ткани, превращения в активные формы. Всасывание и перенос В. кровью осуществляются, как правило, с помощью специальных транспортных белков (ретиносвязывающий белок для ретинола, транскобаламины I и II для витамина B12 и т. д.). Превращение В. в активные формы, в частности в коферменты и простетические группы, а также присоединение этих простетических групп к апоферментам осуществляются с помощью специфических ферментов. Так, пиридоксалькиназа катализирует превращение пиридоксаля (одной из форм витамина B6) в его коферментную форму — пиридоксальфосфат. Тиаминпирофосфокиназа осуществляет превращение тиамина в тиаминдифосфат. Нарушение одного из этих процессов, напр., при врожденном или приобретенном дефекте биосинтеза одного из специфических белков, участвующих в обмене того или иного В., делает невозможным выполнение В. своих специфических функций, что ведет к развитию частичной или полной витаминной недостаточности. Примером таких нарушений может служить анемия, развивающаяся при врожденном дефекте всасывания фолиевой к-ты в кишечнике или при генетическом дефекте дигидрофолатредуктазы, превращающей фолиевую к-ту в ее коферментную форму — тетрагидрофолиевую к-ту. Наряду с превращением в активные формы В. подвергаются в организме катаболическим превращениям с образованием неактивных форм, в виде которых они могут выводиться из организма (4-пиридоксиновая к-та из пиридоксина, N1-метилникотинамид из никотин амида и др.).

Недостаточное поступление В. в организм или нарушение их превращения можно определять путем исследования витаминного статуса человека. С этой целью определяют содержание В. и продуктов их обмена в крови, моче, активность ферментов, в состав которых в виде кофермента или простетической группы входит данный В., а также другие биохим, и физиол, показатели, характеризующие специфические функции В.

Методы определения витаминов приведены в статьях, посвященных отдельным витаминам (напр., Аскорбиновая кислота, Ретинол, Тиамин и др.). Применяется также и радиоизотопный метод (см. Витаминная недостаточность, радиоизотопная диагностика).

При помощи гистохимических методов можно выявить наличие в тканях ретинола, рибофлавина и аскорбиновой к-ты.

Определение аскорбиновой к-ты основано на свойстве ее в темноте и на холоду восстанавливать кислые растворы азотнокислого серебра. Существуют различные модификации методов, основанные на обработке кислыми растворами азотнокислого серебра нефиксированных тканевых блоков или свежих замороженных срезов. Предложен также метод обработки лиофилизированных срезов. Однако некоторые исследователи [Даниэлли (J.F. Danielli), Кисель (G. Kiszely) и др.] ставят под сомнение специфичность методов в целом в связи со способностью витамина С к диффузии и, возможно, наличием в тканях других сильных восстановителей серебра. Так, Клара (М. Clara), хотя и считает эти методы пригодными для выявления аскорбиновой к-ты, однако указывает на свойство гранул α-клеток островков поджелудочной железы, вещества энтерохромаффинных клеток, адренохрома, меланинов, нейросекреторных гранул супраоптических и паравентрикулярных ядер гипоталамуса также восстанавливать кислые растворы серебра.

Наибольшей популярностью пользуется метод Бурна (G. Н. Bourne) и метод Жиру (A. Giroud) и Леблона (С. P. Leblond).

Метод Жиру и Леблона позволяет получить тонкие парафиновые срезы, удобные для изучения. Свежий тканевый блок размером 2x3x2 мм помещают на 30—40 мин. в 10% раствор азотнокислого серебра, подкисленного концентрированной уксусной к-той до pH 3,0—4,0; затем раствор сливают и кусочки ткани промывают несколько раз дистиллированной водой и на 30 мин. помещают в 6% раствор гипосульфита натрия, после чего тканевые блоки обезвоживают спиртами восходящей концентрации и по обычной схеме заключают в парафин. Все процедуры, за исключением заливки в парафин, проводят в темноте. Полученные парафиновые срезы слегка подкрашивают смесью метилового зеленого и пиронина. Участки локализации аскорбиновой к-ты имеют вид мелких черных гранул.

Определение рибофлавина основано на восстановлении его водородом (в момент образования) до лейкофлавина, который на воздухе окисляется до родофлавина, имеющего красный цвет. Ткань фиксируют формалином и проводят реакцию на замороженных срезах. Срезы помещают на 30 мин. в 1—2% раствор соляной к-ты, в к-рую добавляют цинковую пыль; затем их промывают в воде и в течение нескольких часов выдерживают в чашке Петри или на часовом стекле на воздухе и заключают в глицерин-желатину. Флавопротеины окрашиваются в красный цвет.

Выявление витамина А основано на его свойстве давать яркую зеленую флюоресценцию в ультрафиолетовых лучах с длиной волны 365 нм. Свежие тонкие тканевые блоки фиксируют 10% раствором холодного формалина не более чем на 10—12 час. Затем немедленно готовят замороженные срезы, которые изучают в воде. Свечение исчезает через 10—60 сек. (следует иметь в виду, что стойкое свечение обусловлено не витамином А). Для контроля срезы обрабатывают раствором соляной к-ты.

Источник