Витамины — это группа органических соединений разнообразной химической природы, которые необходимы для животных и человека в очень малых количествах по сравнению с основными питательными веществами. В организме они выполняют каталитические функции. Открытие витаминов является одним из великих достижений биологической науки конца XIX в.
Каждый открытый новый витамин обозначали в основном прописной буквой латинского алфавита. В настоящее время в основу названия витаминов положена их химическая структура с сохранением буквенных обозначений. Витамины синтезируются в растительном организме, следовательно, растения являются источником витаминов для человека и животных. По признаку растворимости витамины делят на две большие группы:
Витамины, растворимые в жирах и растворителях жиров. Витамины группы А (А1 — С20Н30О и А2 — С20Н28О) предохраняют человека от заболевания ксерофтальмией.
Витамины группы D (D2, D3, D4, D5, D7) — высокомолекулярные соединения спиртового характера из класса стеролов, в частности эргостеролы, из которых при облучении их ультрафиолетовыми лучами образуются витамины группы D. В животных организмах под действием света стеролы превращаются в витамин D. Следовательно, стеролы являются провитамином витаминов группы D. Наиболее распространен витамин D2(C28H44O). Витамины группы D предупреждают заболевание рахитом.
Витамин Е — токоферол (С29Н50О2). Высокомолекулярный спирт, устойчивый к температурам и, кислотам, но чувствительный к свету и щелочам. Часто встречается в растениях, в частности в зародышах семян, а также в растительных жирах. В растениях он находится в свободной форме и в эфирных соединениях. В животных организмах витамин Е предохраняет от окисления и распада многие соединения. Недостаток витамина Е нарушает половые функции у животных.
Витамин К — производное нафтохинона (С11Н7О2R). Радикал R может быть или остатком фитола С20Н39 (витамин K1), или дифарнезила С30Н49 (витамин К2). Распространен в зеленых растениях. В животном организме обусловливает свертываемость крови. В растении витамин K1 участвует в процессе фотосинтеза.
К витаминам относят ряд ненасыщенных жирных кислот, которые не синтезируются в организме животных и человека — линолевая (С18Н32О2), линоленовая (C18H30O2) и арахидоновая (С20Н32О2). Комплекс этих кислот принято называть витамином F. Они предотвращают появление атеросклероза. Содержатся в основном в растительных маслах (особенно много их в льняном и конопляном), а также в рыбьем жире, печени, мозгах.
Водорастворимые витамины. Витамин С — аскорбиновая кислота (С6Н8O6). Предупреждает цингу. Обладает окислительно-восстановительными свойствами у многих растений, участвует в процессе дыхания как переносчик атома водорода. Наибольшее количество аскорбиновой кислоты содержится в плодах шиповника, ягодах черной смородины и незрелых плодах грецкого ореха.
Витамин B1 — тиамин, или аневрин, предупреждает заболевание бери-бери. Гетероциклическое соединение, эмпирическая формула которого C12H18ON4SCl2. Входит в состав фермента пируватдекарбоксилазы. Больше всего его во внешних оболочках семян злаковых и бобовых культур.
Витамин B2 — рибофлавин, желтый пигмент C17H20N4O6. Входит в состав большой группы флавиновых ферментов. Недостаток в пище витамина В2 вызывает нарушение обмена веществ. Много рибофлавина содержится в дрожжах, печени, почках, молоке и молочных продуктах, а также в зеленых овощах.
Витамин B3 — пантотеновая кислота (C9H17O5N). Входит в состав кофермента А, который катализирует синтез лимонной кислоты, жирных кислот и стеролов и имеет большое значение в процессах синтеза. Содержится в тех же продуктах, что и рибофлавин.
Витамин B6 — пиридоксин (C8H11O3N), производное пиридина. Входит в активную группу ферментов, катализирующих переаминирование аминокислот (аминофераз); эти ферменты играют большую роль в белковом обмене у растений, животных и человека. При недостатке витамина В5 нарушается белковый обмен в организме.
Витамин B12 (цианокобаламин) — высокомолекулярное соединение, его молекула состоит из части, содержащей кобальт, цианогруппы, порфириноподобной группы (хромофорной) и нуклеотидной части, в которую входит 5,6-диметилбензимидазол. Витамин В12 предупреждает заболевание анемией, повышает использование организмом растительных белков. В продуктах растительного происхождения его нет. Главным источником этого витамина для человека являются животные продукты, в частности печень и почки. У травоядных животных он выделяется микрофлорой рубца.
Биотин, витамин Н (C10H16O3N2S). Входит в состав активной группы ферментов, катализирующих присоединение углекислоты к жирным кислотам карбоксилирование. Он участвует в превращении некоторых кислот у микроорганизмов. Недостаток биотина в пище приводит к поражению кожи, ногтей, выпадению волос.
Витамин РР — никотиновая кислота (C6H5O2N, производное пиридина). Предупреждает заболевание пеллагрой. Входит в состав окислительно-восстановительных ферментов дегидрогеназ, катализирующих отщепление водорода от окисляемого органического вещества, передаваемого затем ферментам, в состав которых входит рибофлавин. Может синтезироваться в организме из аминокислоты триптофана, поэтому пеллагра наступает при недостатке ее в пище. Наибольшее количество никотиновой кислоты содержится в дрожжах, пшеничных зародышах, отрубях, печени и почках животных.
Витамин Вс — фолиевая (птероилглутаминовая) кислота (C19H19O6N7). Синтезируется из парааминобензойной, глутаминовой кислот и птеридина. Отсутствие этого витамина в организме человека и животного вызывает злокачественную анемию. Много фолиевой кислоты в дрожжах, зеленых листьях растений, печени животных.
Многочисленными исследованиями установлено существование тесной связи между витаминами и биокатализаторами — ферментами. Большинство витаминов входит в состав их активных простетических групп — коферментов. Следовательно, заболевания, которые вызываются отсутствием в пище какого-либо витамина (авитаминозы и гиповитаминозы), являются результатом того, что в организме недостаточно активен соответствующий фермент, катализирующий различные биохимические превращения в процессе обмена веществ.
Биологический синтез отдельных витаминов в растительном организме взаимосвязан. Например, установлено, что никотиновая кислота и рибофлавин влияют на биосинтез витамина В1 витамины РР, В2 и аденин влияют на биосинтез различных форм рибофлавина; в образовании никотиновой кислоты участвуют витамины B6 и В2. Подкормка растений никотиновой кислотой, рибофлавином и тиамином положительно влияет на биосинтез провитамина А — каротина. Наличие в организме тиамина предупреждает распад аскорбиновой кислоты и способствует более рациональному ее использованию. Выяснено, что одни витамины могут являться антагонистами по отношению к другим. Так, витамин К — антагонист витамина РР, окисление аскорбиновой кислоты тормозится фолиевой кислотой.
Основными исходными веществами для синтеза в растениях витаминов являются углеводы, особенно глюкоза, аминокислоты, органические кислоты и другие соединения. Из этих веществ при участии различных ферментов осуществляется биосинтез витаминов, на который значительное влияние оказывают элементы минерального питания (азот, сера, кобальт и др.). На образование витаминов комплекса В отрицательно действуют пониженные температуры, тогда как содержание аскорбиновой кислоты (С6Н8О6) при пониженных температурах увеличивается.
Витамины влияют на обмен веществ, они сами являются продуктами этого обмена, и естественно, что их образование в значительной мере зависит от физиологического состояния растительного организма. Известно, что корни многих растений не могут расти без витаминов B1, РР, B6. Эти витамины поступают в корневую систему из листьев, где они синтезируются. Передвижение витаминов из листьев в семена и корни происходит вместе с оттоком в них углеводов, аминокислот, жиров и других веществ.
Важная роль витаминов в растениях не ограничивается их участием в превращении имеющихся в организме соединений, они существенно влияют на усвоение растением необходимых веществ из окружающей среды. Установлено, что при введении в растение витаминов B1, С, РР и других повышается интенсивность фотосинтеза и увеличивается содержание сахаров. Витамин В1 и биотин являются составными частями ферментов и участвуют в гетеротрофном усвоении СО2 корневой системой. Витамины играют большую роль в превращении минеральных веществ в растениях. Установлено, что в корнях могут синтезироваться витамины В1 и Н из сульфатов и органических соединений.
Глубокие нарушения в жизнедеятельности растений наблюдаются при недостатке витаминов. Так, при введении в семена кукурузы, пшеницы, хлопчатника белого стрептоцида — антивитамина парааминобензойной кислоты — отмечается авитаминоз проростков. В растениях парааминобензойная кислота связана с белками и аминокислотами. Ее формула:
Недостаток этого витамина проявляется в значительном угнетении активности окислительных ферментов — аскорбиноксидазы, полифенолоксидазы, уменьшении образования гетероауксина, витаминов С, В2, превращения крахмала, белков и жиров при прорастании семян и особенно в задержке превращений белковых форм фосфора. Авитаминозные колеоптили кукурузы толстые, укороченные, с малым содержанием хлорофилла, корни развиты слабо и утолщены. При развитии таких авитаминозных растений задерживаются репродуктивные процессы. При введении в авитаминозные семена парааминобензойной кислоты восстанавливаются нормальный обмен веществ и рост растений. В естественных условиях корневая система обеспечивает свою потребность в витаминах за счет витаминов, образующихся в листьях и синтезируемых микроорганизмами, в почве.
Чтобы выяснить, усваиваются ли витамины корнями из почвы, были проведены опыты с культурой ткани корней. Семена проращивали в стерильных условиях, а когда корни достигали 1-2 см, растущие кончики срезали и переносили в стерильную питательную среду без витаминов. Через 1-2 нед. корни приостанавливали рост, при внесении в питательную среду тиамина, пиридоксина и никотиновой кислоты рост их восстанавливался. Корни разных растений нуждаются в различных витаминах. Например, корни льна росли хорошо, когда получали лишь тиамин, корни люцерны при внесении тиамина или только никотиновой кислоты быстро приостанавливали рост.
Таким образом, витамины являются биокатализаторами отдельных функций растительного организма и происходящих в нем процессов.