Підручник з Біології і екології. 10 клас. Шаламов - Нова програма

§ 18. Вітаміни

Кофактори — елементарні «інструменти» ферментів

Тепер, коли ми вже знаємо, що таке ферменти і як вони працюють, настав час поглибити наші знання. Хоча ензими є унікальними творіннями еволюції, їм теж потрібні свої «інструменти» — молекули, без яких вони не можуть функціонувати. Ці «інструменти» називають кофакторами1. Кофактори — це небілкові компоненти ферментів, що зазвичай беруть безпосередню участь у каталізі реакцій. Кофактори бувають неорганічні та органічні. Неорганічні кофактори — це йони металів (Mg2+, Cu2+, Fe2+, Со2+, Zn2+, Mn2+ тощо). Як ви помітили, всі ці металічні йони мають подвійний заряд. Чому? Чи, радше, навіщо? Часто йони металів приєднуються до білка через інші складні сполуки (рис. 18.1). Ці сполуки утримують йони металів, при цьому залишаючи можливість сформувати зв’язки, які можуть брати безпосередню участь у каталізі реакції.

Органічні кофактори називають коферментами, і здебільшого коферментами є вітаміни чи їх похідні. Деякі з вітамінів наші клітини синтезують самі, але більшість — ні. Тому вітаміни ми можемо отримати лише з їжею. Активно досліджував вітаміни та їх роль один із перших українських біохіміків академік Олександр Палладій. Вітаміни — досить неоднорідна група органічних речовин; їх можна поділити на водорозчинні (вітаміни групи В, вітамін С) та жиророзчинні (вітаміни А, D, Е, К). Ученими синтезовано водорозчинні аналоги жиророзчинних вітамінів, які використовують у фармацевтиці. Отже, нині поділ на водо- і жиророзчинні вітаміни є в основному історичною даністю.

1 Від лат. co- разом з, factor — той, що робить.

Рис. 18.1. Утворення і функціонування гему

А. Зазвичай металічні кофактори ферментів приєднуються до білка через складну органічну молекулу, наприклад, порфірин. Так, йон Феруму(ІІ) формує з порфірином гем. Порфірин утворює чотири зв’язки з йоном металу. Це дозволяє йону сформувати ще два звэязки: один із них може утримувати гем в активному центрі ферменту, другий зв’язок слугує для власне каталізу. Б. Йон Феруму(ІІ), зв’язаний з порфірином, утворює гем, що міститься в гемоглобіні. Саме йон Феруму(IІ) утримує молекулу кисню.

Вітаміни групи В та вітамін С виконують різноманітні функції

Хоча вітаміни групи В належать до однієї групи, вони мають різну хімічну структуру, різні властивості і функції в організмі. А віднесені до однієї групи вони були через те, що після їх відкриття всі вони вважалися однією речовиною. Пізніше стало зрозуміло, що вітамін В — це група речовин, тож вони отримали індекси біля літери В. Як ви побачите згодом, кількох номерів у ряду вітамінів В не вистачає: деякі з відкритих сполук були пізніше «дискваліфіковані», коли стало зрозуміло, що організм може синтезувати їх самостійно.

Вітамін В1 (тіамін) виконує роль «руки-маніпулятора» ферментів, допомагаючи в реакціях декарбоксилювання. Тобто тіамін опосередковує контакт між ферментом і його субстратом, утримуючи останній в активному центрі, допоки карбоксильна група (-СООН) не буде вивільнена у вигляді вуглекислого газу. Цей вітамін синтезується бактеріями, грибами та рослинами. Брак вітаміну В1 призводить до хвороби бері-бері, часткового паралічу нейронів периферійної нервової системи, захворювань серцево-судинної системи. Для запобігання цим захворюванням варто збагачувати їжу зерновими культурами з висівками, шпинатом і грибами. Вживання алкоголю під час їжі погіршує всмоктування вітаміну B1, як і всмоктування багатьох інших вітамінів.

Вітамін В2 (рибофлавін) (рис. 18.2) є попередником двох дуже важливих молекул: ФАД (флавінаденіндинуклеотиду) та ФМН (флавінмононуклеотиду). Обидві ці сполуки — коферменти ферментів, що переносять протони (Н+) та електрони. Вони є вкрай необхідними для окисно-відновних реакцій, як-от: клітинне дихання, окиснення ліпідів тощо. Нестача рибофлавіну спричиняє стоматит (появу виразок на слизовій оболонці рота) і супроводжується анемією (недостатньою кількістю гемоглобіну в крові). Печінка, яйця, гриби, молочні продукти і зернові культури багаті на рибофлавін.

Рис. 18.2. Вітамін В2 (рибофлавін)

А. Молекула рибофлавіну складається з трициклічної сполуки (ізоалоксазину) і приєднаного до неї багатоатомного спирту рибіту. Б. Порошок вітаміну В2 має насичений жовто-оранжевий колір, тому використовується у харчовій промисловості як барвник (В) — харчова добавка Е101. Тож не всі харчові добавки небезпечні, як стверджують ЗМІ, а деякі ще й корисні!

Вітамін В3 (нікотинова кислота), як і рибофлавін, є попередником для синтезу іншої надзвичайно важливої для метаболізму сполуки — НАД+ (нікотинамідаденіндинуклеотиду). Ця молекула, як і ФАД опосередковує окисно-відновні реакції, переносячи протони та електрони. Її функція є важливою для синтезування та розкладання жирів, вуглеводів, синтезування холестеролу тощо. Брак нікотинової кислоти призводить до пелагри — хвороби, ознаками якої є три «Д»: деменція (слабоумство), діарея (пронос) і дерматит — ураження шкіри з численними негативними наслідками для вього організму. М’ясо, фрукти, горіхи та дріжджовий хліб — це продукти, що містять у великій кількості вітамін В3.

Вітамін В5 (пантотенова кислота) є попередником для синтезу коферменту А — органічної молекули, що, як і тіамін, є «рукою-маніпулятором» ферментів для роботи в тому числі і з ацетильними групами (—СН2СООН). Кофермент А опосередковує участь багатьох речовин у клітинному диханні в мітохондріях. Також він бере участь у синтезуванні жирних кислот і холестеролу. Нестача вітаміну призводить до погіршення енергетичного обміну, що проявляється в порушенні роботи нервової системи, апатії, оніміннях і судомах тощо. Печінка, крупи, дріжджові продукти, гриби є джерелами пантотенової кислоти.

Вітамін В6 (піридоксин) є коферментом для близько сотні різних реакцій метаболізму. Нестача вітаміну не має специфічних симптомів. М’ясо, печінка та зернові з висівками, горіхи і фрукти містять багато вітаміну В6.

Якщо вітамін В1 є кофактором для реакцій декарбоксилювання, то вітамін В7, або біотин, навпаки, карбоксилювання. Він бере участь у синтезуванні жирних кислот, розгалужених амінокислот тощо. Нестача біотину виражається в дерматитах, ламкості волосся і крихкості нігтів, кон’юнктивіті. Біотин синтезується бактеріями нашого кишківника, і це одна з причин, чому треба бути обережним щодо вживання антибіотиків. Багато біотину міститься в горіхах, печінці, яйцях (термічно оброблених).

Рис. 18.3. Вітамін В12

А. Хімічна структура вітаміну В12 є найскладнішою серед усіх вітамінів і містить не тільки органічний компонент, але і йон Кобальту. Група атомів, позначена літерою R, може бути метальною (-СН3), ціанідною (-CN) або гідроксильною (-ОН). Б. У разі нестачі вітаміну В12чи отруєнні ціанідами призначають червоний розчин гідроксикобаламіну або капсули з вітаміном.

Ми вже згадували вітамін В9 (фолієву кислоту) у §17. Його функція — перенесення метильних груп (—СН3) між різними молекулами. Цей вітамін потрібний для синтезування нуклеотидів, деяких амінокислот. Нестача нуклеотидів уражає насамперед клітини, що швидко діляться, як-от: клітини-попередники клітин крові та клітини кишківника. Брак цього вітаміну проявляється також у вигляді депресії, діареї тощо. Фолату є багато в зелених овочах, молочних продуктах, м’ясі.

Вітамін В12 (кобаламін) містить Кобальт у своїй структурі (рис. 18.3) і є важливим для процесів кровотворення, побудови оболонок нервових волокон, розщеплення амінокислот. Нестача вітаміну В19 призводить до розвитку анемії (зменшення кількості гемоглобіну й еритроцитів у крові), незворотних пошкоджень периферійної нервової системи, що проявляються в онімінні, поколюваннях у кінцівках, депресії, головних болях, погіршенні пам’яті, психозі тощо. Продукується вітамін бактеріями нашого товстого кишківника, і його не здатні синтезувати ані рослини, ані тварини, ані гриби.

Рис. 18.4. Виникнення стереотипу про беззубих піратів з червоним обличчям і рідким волоссям пов’язано із цингою

Мореплавці, що тривалий час мали обмежений харчовий раціон у відкритому океані, страждали від цинги. її симптомами були кровоточивість ясен і випадіння зубів, збліднення, а потім почервоніння шкіри через крововиливи, випадіння волосся.

У XIV-XVI століттях португальські та британські мореплавці під час подорожей зазнавали величезних людських втрат (до 70-90 % команди) через цингу (рис. 18.4). Люди помирали від неспинних кровотеч та інфекцій, що виникали в місцях цих кровотеч. Як виявилося, цинга спричинена нестачею вітаміну С (аскорбінової кислоти). Він бере участь у кількох хімічних реакціях, основною з яких є реакція синтезу колагену — головного білка сполучної тканини. Понад те, вітамін С є водорозчинним антиоксидантом, тому знижує рівень шкідливих активних форм Оксигену: пероксидів і частинок із неспареними електронами — радикалів. Цікаво, що людина є однією із небагатьох тварин, що не може синтезувати вітамін С самостійно, тому для отримання аскорбінової кислоти ми маємо вживати рослини: шипшину, чорну смородину, цитрусові, ківі, цибулю, капусту1.

Жиророзчинні вітаміни виконують свої специфічні функції

Вітамін А (ретинол) є одним із найнеобхідніших вітамінів, бо він бере участь у процесі бачення, регулює розвиток організму, а також потрібний для нормального функціонування шкіри й слизових оболонок. Одна з похідних вітаміну А — ретиналь — молекула, що під дією світла змінює просторову форму білка родопсина, у такий спосіб переводячи світловий сигнал у «біологічну площину». Вітамін А також потрібен для утворення клітин епітелію, регуляції транскрипції генів. Дефіцит цього вітаміну виявляється в курячій сліпоті (погіршення бачення в сутінках і темряві) і ксерофтальмії (сухості рогівки, що призводить до сліпоти). Печінка, червоні, жовті та помаранчеві овочі, як-от: морква чи гарбуз, болгарський перець, зелень — багаті на попередник вітаміну А — β-каротин, з якого він і утворюється в організмі.

1 Саме капуста містить найбільш термостійку форму вітаміну С, тому він зберігається в капусті навіть за термічної обробки. З іншого боку, кисле середовище сприяє збереженню аскорбінової кислоти, тому саме квашена капуста зберігає вітамін С протягом усього терміну придатності.

Вітамін D (кальциферол) синтезується в нашій шкірі з похідного холестеролу під дією ультрафіолетового випромінювання. Вітамін D є попередником у синтезі гормонів, що контролюють обмін Кальцію в організмі та побудову кісток. Нестача цього вітаміну (за відсутності прямого сонячного світла) призводить до остеопорозів (крихкості кісток) і дитячого рахіту — неправильного формування кісткової тканини в дитинстві (рис. 18.5). Цим вітаміном багаті молочні продукти і печінка.

Вітамін Е (токоферол) регулює діяльність статевих залоз, тому його називають вітаміном розмноження. Також він є жиророзчинним антиоксидантом, тому ще одна його роль — це захист клітинних мембран від активних форм Оксигену. Недостатність цього вітаміну призводить до безпліддя, м’язової слабкості, порушень чутливості нейронів периферійної нервової системи. Найбагатшими на вітамін Е є горіхи і рослинні олії.

Вітамін К (філохінон) задіяний у карбоксилюванні деяких білків, більшість із яких бере участь у згортанні крові та метаболізмі Кальцію. Брак цього вітаміну спричиняє кровотечі. У хлоропластах рослин вітамін К бере активну участь у фотосинтезі, тому зелені органи рослин ним багаті, особливо листя капусти і шпинату.

Рис. 18.5. Розвиток рахіту

За нестачі вітаміну D порушуються процеси відкладання Кальцію і Фосфору в кістках, що робить кісткову тканину більш пористою, а тому менш міцною і більш гнучкою (А). Це призводить до викривлення кісток у дитячому віці — дитячого рахіту, який добре видно на рентгенограмі (Б).

Отже, щоб уникнути нестачі якогось вітаміну, потрібно дотримуватися кількох простих правил:

• їсти різноманітну їжу тваринного походження та хліб;

• їсти сирі овочі і фрукти;

• гуляти на свіжому повітрі.

Цікаве життя

Як ми бачимо?

Частина ока, на яку проектується зображення — сітківка. Вона вкрита світлочутливими клітинами: .паличками, що відповідають за чорно-біле бачення, і колбочками, які забезпечують кольорове світлосприйняття (рис. А). Колбочки і палочки — це видовжені клітини з великою кількістю мембранних дисків, що формують стоси (рис. Б). Ці мембрани насичені білками — родопсинами, що містять у собі молекулу ретиналю — модифікованого вітаміну А. Взаємодіючи зі світлом, ретиналь змінює свою просторову структуру (рис. В). Це змінює третинну структуру родопсину, а відтак відбувається передача сигналу на інший білок — трансдуцин. Трансдуцин запускає сигнальний каскад, що посилює сигнал і передає його до йонних каналів у мембрані палички. Відкриваючись, канали запускають потік катіонів у клітину, що веде до появи нервового імпульсу, який йде до мозку. Механізм кольорового бачення такий самий, як і чорно-білого. Відмінність у тому, що ми маємо три різні типи йодопсину — білка аналогічного родопсину, але здатного вловлювати світло різного кольору. Йодопсини між собою різняться лише кількома амінокислотами. Завдяки цій відмінності вони сприймають червоне, синє або зелене світло. Комбінації цих кольорів дозволяють бачити світ навколо різнокольоровим.

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Який із наведених вітамінів синтезується в організмі людини?

А А

Б D

B E

Г К

Д С

• 2. Щоб отримати вітаміни А і Е, потрібно

А з’їсти огірок

Б з’їсти моркву зі сметаною

В випити банановий нектар

Г випити рослинну олію

Д з’їсти ядра соняшникового насіння

• 3. За нестачі колагену в сполучній тканині спостерігається

А погіршення зору

Б ламкість кровоносних судин

В порушення реакцій карбоксилювання

Г брак Кальцію в кістках

Д порушення структури нервової тканини

• 4. Увідповідніть проблеми, спричинені нестачею вітамінів та буквені позначення вітамінів.

1. кровотечі

2. остеопороз, рахіт

3. порушення зору

4. цинга

А С

Б А

В D

Г К

Д B1

У житті все просто

• 5. Складіть таблицю, що характеризує функції вітамінів, хвороби, спричинені їх нестачею, та продукти, що на них багаті.

У житті все не так просто

• 6. Нестача вітамінів є небезпечною для організму. А надлишок? Чому деякі вітаміни стають отруйними, якщо їх приймати у великих кількостях?