Міністерство освіти і науки України
Міністерство охорони здоров’я України
Сумський державний університет
Медичний інститут
Л. О. Прімова, І. Ю. Висоцький
МЕТАБОЛІЗМ ВІТАМІНІВ І МІНЕРАЛЬНИХ РЕЧОВИН
Навчальний посібник
Рекомендовано Міністерством освіти і науки України
Суми
Сумський державний університет
2014
УДК 577.12(075.3)
ББК 28.072.532я73
П76
Рецензенти:
О. О. Мардашко – доктор медичних наук, професор, завідувач кафедри медичної хімії Одеського національного медичного університету;
І. М. Кліщ – доктор біологічних наук, професор, завідувач кафедри клініко-лабораторної діагностики ДВНЗ «Тернопільський державний медичний університет ім. І. Я. Горбачевського»;
М. М. Каплін – доктор медичних наук, професор кафедри гігієни та екології з курсом мікробіології, вірусології та імунології Медичного інституту Сумського державного університету
Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих медичних навчальних закладів
IV рівня акредитації
(лист 1/11-9268 від 16.06.2014 р.)
| П76 | Прімова Л. О. Метаболізм вітамінів і мінеральних речовин : навчальний посібник / Л. О. Прімова, І. Ю. Висоцький. – Суми : Сумський державний університет, 2014. – 256 с. ISBN 978-966-657-535-0 |
У посібнику викладені матеріали, які на основі останніх досягнень біологічної науки висвітлюють сучасний погляд на обмін вітамінів і мінеральних речовин в організмі людини і відповідають чинній програмі з біологічної хімії для студентів вищих медичних навчальних закладів. З метою полегшення сприйняття матеріалу у посібнику використані схеми, таблиці, рисунки, акцентована увага на найбільш важливих питаннях теми. Це допоможе сформувати уявлення про метаболічні шляхи перетворень мікронутрієнтів – вітамінів, макро-, мікроелементів, зрозуміти механізми впливу цих сполук на основні біохімічні процеси в організмі людини, усвідомити необхідність есенційних факторів харчування для нормального метаболізму у здоровому організмі та за умов патології. З метою контролю засвоєння матеріалу у посібник введено тестові контрольні запитання з еталонами відповідей.
Посібник буде корисний для студентів вищих медичних навчальних закладів ІІІ–ІV рівнів акредитації, викладачів, аспірантів, лікарів, біологів.
УДК 577.12(075.3)
ББК 28.072.532я73
| ISBN 978-966-657-535-0 | © Прімова Л. О., Висоцький І. Ю., 2014 © Сумський державний університет, 2014 |
ЗМІСТ C.
Список скорочень …….………………………………….………5
Вступ …………………………………….…………………………6
Вітаміни як компоненти харчування людини.
Хвороби вітамінної недостатності……………………….. 8
2. Класифікація вітамінів ………………........…………...…11
3. Жиророзчинні вітаміни…………………………………….15
3.1. Вітаміни групи А ………………………..............................15
3.2. Вітамін групи D…………...………………………………...29
3.3. Вітамін групи Е……………………......................................38
3.4. Вітамін групи К......................................................................44
3.5. Вітамін F …………………….................................................50
4. Водорозчинні вітаміни …………………….........................54
4.1. Вітамін В1 …………………………………………………...54
4.2. Вітамін В2 …………………………………...........................59
4.3. Вітамін (В3)РР ……………………………. ……...……….. 65
4.4. Вітамін В5 …………………………………………………...73
4.5. Вітамін В6 …….......................................................................78
4.6. Вітамін Вс ………………………………………….………..84
4.7. Вітамін В12 …………………………......................................92
4.8. Вітамін Н ..............................................................................101
4.9. Вітамін С ………………......................................................104
4.10. Вітамін Р …………………………………………..............111
5. Вітаміноподібні речовини …….........................................117
5.1. ПАБК (В10) ……………. ....................................................117
5.2. Вітамін В15 …………………………………………...........120
5.3. Вітамін U ………………………………………..................121
5.4. Інозит……………………………………...……..................123
5.5. Коензим Q………………………………………………….125
5.6. Піролохінолінхінон ( РQQ)………………………………129
5.7. Ліпоєва кислота …………………………………………...131
5.8. Холін ………………………………………………………..134
5.9. Карнітин ……………………………………………………138
5.10. Оротова кислота …………………………………………144
6. Макро- та мікроелементи ……………………………….147
6.1. Макроелементи …………………………………………..148
6.1.1. Натрій …………………………………………………….148
6.1.2. Калій ……………………………………………………...151
6.1.3. Кальцій……………………………………………………155
6.1.4. Магній……………………………………………………..161
6.1.5. Фосфор…………………………………………………….166
6.1.6. Сірка…………………………………………………........170
6.2. Мікроелементи…………………………………………...174
6.2.1. Залізо………………………………………………………175
6.2.2. Йод ………………………………………………..……….183
6.2.3. Мідь ... .……………………………………………………188
6.2.4. Кобальт………………………………………………..….193
6.2.5. Цинк…………………………………...…..………………197
6.2.6. Фтор ……………………………………………………....202
6.2.7. Молібден. ……………………………………………..…205
6.2.8. Марганець……………………………………………...…209
6.2.9. Селен ……………………………………………………...214
6.2.10. Бром. ………………………………………………...…. 221
6.2.11. Бор. ………………………………………………………223
6.2.12. Хром…………………………………………………...…227
6.2.13. Кремній …………………………………………………230
Тести для самоконтролю………...............................................235
Список літератури.......................................................................248
Предметний покажчик…...........................................................250
Список скорочень
АДФ – аденозиндифосфат
АКТГ – адренокортикотропний гормон
АМФ – аденозинмонофосфат
АТФ – аденозинтрифосфат
ГАМК – γ-аміномасляна кислота
ГАФ – гліцеральдегід-3-фосфат
Гл-6-ФД – глюкозо-6-фосфатдегідрогеназа
Глі – амінокислота гліцин
ДАЛК (δ-АЛК) – δ-амінолевулінова кислота
ІЦД– ізоцитратдегідрогеназа
ЛДГ – лактатдегідрогеназа
НАД+ – нікотинамідаденіндинуклеотид
НАДФ+ – нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат
ОВР – окисно-відновні реакції
ПАБК–параамінобензойна кислота
ПАЛФ – піридоксальфосфат
ПАМФ – піридоксамінфосфат
ПВК – піровиноградна кислота
ПДГ – піруватдегідрогеназний комплекс
ПОЛ – перекисне окиснення ліпідів
ПТГ – паратиреоїдний гормон (паратгормон)
РЕС – ретикулоендотеліальна система
Сер – амінокислота серин
ТАГ – триацилгліцероли
ТГФК – тетрагідрофолева кислота
ТПФ (ТДФ) – тіамінпірофосфат, тіаміндифосфат
ФАД – флавінаденін динуклеотид
ФАФС – фосфоаденозилфосфосульфат
ФМН – флавінмононуклеотид
ЦЛК – цикл лимонної кислоти
ШКТ – шлунково-кишковий тракт
FH2 – дегідрофолева кислота
FH4 – тетрагідрофолева кислота
SАМ – S-аденозилметіонін (активний метіонін)
Вступ
Якість і тривалість життя людини, здатність до спротиву стресам, інфекціям, іншим факторам зовнішнього впливу залежить від інтенсивності обмінних процесів, які проходять в її організмі. Рівень метаболізму знаходиться у прямій залежності від надходження у клітини не тільки вуглеводів, ліпідів, білків, а також мікронутрієнтів – вітамінів, макро- та мікроелементів. При нестачі життєво необхідних компонентів довгий час можуть бути відсутні будь-які ознаки порушень метаболізму, але на субклітинному рівні ці порушення згодом призводять до виникнення серцево-судинних, онкологічних захворювань та інших хвороб обміну речовин.
Вітаміни і мінеральні речовини не мають енергетичного та пластичного значення, але як складові ферментів відіграють каталітичну роль (ензимовітаміни), виконують сигнальну функцію екзогенних прогормонів і гормонів (гормоновітаміни), а також проявляють антиоксидантні властивості. Встановлено, що багато вітамінозалежних коферментів вміщують мікро-елементи, іони яких є джерелами та переносниками електронів, або зближують активні групи ферменту. Крім того, вітаміни здатні до взаємодії між собою та з мікроелементами або проявляють прямий хімічний антагонізм, тому зазвичай гіповітамінози характеризуються дефіцитом усього апофермент -вітамінмінерального комплексу.
У зв'язку з вищевикладеним опанування майбутнім лікарем базових питань розділу «Метаболізм вітамінів і мінеральних речовин» є необхідним для розуміння механізмів взаємодії незамінних факторів харчування, природи гіповітамінозів, шляхів їх профілактики, корекції та взаємозв’язку із розвитком порушень метаболічних процесів і функцій органів, систем організму, які ініціюють виникнення багатьох захворювань.
Автори намагалися внести у посібник матеріали, що відповідають сучасним поглядам на обмін вітамінів і мінеральних речовин, програмі з біологічної хімії, яка нині діє, а
також подати інформацію у найбільш доступній для сприйняття формі. Використані схеми, таблиці, малюнки, акценти на найбільш важливих питаннях допоможуть сформувати уявлення про метаболічні шляхи обміну вітамінів, макро- і мікроелементів в організмі людини, зрозуміти механізми основних процесів, важливість незамінних нутрієнтів для нормального перебігу метаболічних процесів у здоровому організмі та за наявності патології.
Сподіваємося, що посібник допоможе студентам отримати базові знання з даної теми, які у подальшому можуть бути використані під час вивчення клінічних дисциплін.
1. Вітаміни як компоненти харчування людини. Хвороби вітамінної недостатності
Для нормального росту і розвитку організму людини, крім вуглеводів, ліпідів, білків, мінеральних речовин, необхідні вітаміни – біоорганічні сполуки, які здебільшого не синтезу-ються в організмі людини, а надходять з компонентами харчування. Вітаміни – мікрокомпоненти (мікронутрієнти) їжі, добова потреба в них становить від декількох мікрограмів до міліграмів.
Відкриття вітамінів пов'язано з роботами багатьох дослідни-ків ХІХ – ХХ століття, таких, як Ф. Мажанді, К. Такакі, К. Ейкман, Л. К. Полінг, які встановили наявність у продуктах харчування есенційних сполук, що необхідні для нормального росту, розвитку та життєдіяльності організму. Ці речовини запобігали розвитку скорбуту, хвороби бері-бері, пелагри, рахіту, "курячої сліпоти", які виникали внаслідок порушень харчування. Значний внесок у розвиток вітамінології зробили також вітчизняні та російські вчені – академік О. В. Палладін, Л. О.Черкес, Р. В. Чаговець, Е. Ф. Шамрай, Н. І. Лунін, Б. А. Лавров, В. Н. Букін, В. В. Єфремов.
У 1911 році польський учений К. Функ виділив з оболонки рисового зерна перший вітамін, який попереджав розвиток хвороби бері-бері. Його назвали тіамін – вітамін В1. Тіамін має у своїй структурі аміногрупу, тому К. Функ запропонував термін вітаміни, тобто «аміни життя» для всіх додаткових незамінних факторів харчування. Хоча більшість пізніше відкритих вітамінів не містила у своєму складі аміногруп, термін «вітаміни» дотепер використовується у медицині та біології.
З часу відкриття першого вітаміну пройшло 100 років. Упродовж цього сторіччя:
встановлені структури та фізико-хімічні властивості понад 15 вітамінів та близько 10 вітаміноподібних речовин;
вивчено метаболізм вітамінів в організмі та їх роль у фізіологічних та метаболічних процесах;
розшифровані механізми дії багатьох вітамінів;
накопичені свідчення про наявність вітамінів у продуктах харчування;
вивчені фізіологічні потреби у вітамінах та їх біодоступність з різних джерел, збереження, втрати під час зберігання або переробки;
розроблені методи ідентифікації вітамінів у біологічному матеріалі та критерії оцінки забезпечення ними організму;
вивчені причини та наслідки гіпо-, гіпер-, авітамінозів, розроблені методи лікування та профілактики цих станів;
розроблені та впроваджені у виробництво технології промислового виробництва вітамінів та збагачення ними продуктів харчування.
Вітаміни забезпечують нормальний розвиток організму людини і адекватну швидкість проходження біохімічних та фізіологічних процесів. Обмежене, або надмірне їх споживання призводить до розвитку гіпо- та гіпервітамінозів. Авітамінози зустрічаються рідко і виникають при повній відсутності або порушенні засвоєння будь-якого вітаміну в організмі.
За походженням розрізняють екзогенні та ендогенні причини розвитку гіпо- та авітамінозів.
Екзогенні гіповітамінози розвиваються у результаті недос-татнього надходження вітамінів в організм або їх повної відсутності в їжі.
Причини розвитку ендогенних гіпо- та авітамінозів:
а) збільшене виведення або підвищена потреба у вітамінахпри деякихпатологічних та фізіологічних станах – вагітність, лактація, виснажлива фізична праця, екстремальні температури, важкі інфекційні хвороби, тиреотоксикоз, кахексія та ін.;
б) підсилене розщепленнявітамінів у кишечнику в результаті розвитку в ньому патологічної мікрофлори, зараження глистами;
в) порушення засвоєння вітамінів унаслідок наявності антивіта-мінів,які мають різноманітні механізми дії:
структурні аналоги вітамінів діють як конкурентні інгібітори, утворюючи неактивні комплекси з фермента-ми (ізоніазид – антивітамін вітаміну В6; гідрокситіамін – антивітамін вітаміну В1);
зв′язують вітаміни у нерозчинні комплекси (авідин- антивітамін біотину);
розщеплюють вітаміни (фермент тіаміназа розщеплює вітамін В1);
г) порушеннявсмоктуваннявітамінів через зміни секреторної та моторної функцій кишечника при захворюваннях ШКТ. У цьому випадку відносна недостатність вітамінів розвивається навіть при повноцінному харчуванні;
д) захворювання печінки, підшлункової залози, при яких порушується виділення жовчі та панкреатичних ферментів, що супроводжуються порушенням засвоєння жирів і відповідно жиророзчинних вітамінів;
е) хронічні захворювання печінки та нирок, що супроводжу-ються порушенням активації вітамінів;
ж) уроджені порушення метаболізму вітамінів в організмі, клінічна картина яких нагадує типові авітамінози. Вони розвива-ються у ранньому дитячому віці незалежно від забезпечення організму всіма відомими вітамінами. Захворювання лікуються гіпердозами вітамінів – у 50–100 разів вище фізіологічної потреби (вітамінозалежні стани). В інших випадках захворювання не лікуються навіть гіпердозами вітамінів (вітамінрезистентні стани). Захворювання проходять дуже важко і часто призводять до смерті хворого. Такі порушення описані для вітамінів: В1, В6, Н, Вс, В12, РР, А, D, Е, К.
Приклади:
вітамін-D-резистентний рахіт;
вітамін-D-залежний рахіт;
тіамінзалежна мегалобластична анемія;
піридоксинзалежний судомний синдром;
піридоксинзалежна перніціозна анемія.
Причиноюрозвитку вітамінозалежних та вітамінрезистент-них станів є генетичні дефекти, які повязані з:
а) порушенням усмоктування вітамінів у ШКТ;
б) порушенням транспорту вітамінів до органів-мішеней;
в)порушеннямсинтезу коферментних форм вітамінів;
г) дефектом синтезу апофермента (білкової частини фермента);
д) дефект формування холоферменту – порушення взаємодії кофермента зі специфічним білком-апоферментом;
е) недостатність синтезу рецепторів до вітамінів та ін.
2. Класифікація вітамінів
Сучасна класифікація вітамінів ґрунтується на їх фізико-хімічних властивостях або хімічній природі. Вітаміни познача-ють за допомогою літер. За тривіальною номенклатурою назва вітаміну містить 3 компоненти:
символ у вигляді літери;
хімічну назву;
біологічну назву.
Біологічна назва часто містить префікс "анти", який вказує на здатність вітаміну попереджувати відповідне захворювання.
Приклад: D3 - холекальциферол – антирахітний;
В1 –тіамін – антиневритний;
А – ретинол – антиксерофтальмічний.
За фізико-хімічними властивостями (залежно від розчинності у неполярних органічних розчинниках чи у воді) вітаміни поділяють на: жиророзчинні та водорозчинні.
Водорозчинні вітаміни беруть участь у метаболічних процесах у вигляді коферментів або їх складових компонентів. Вони не здатні накопичуватися в організмі у великій кількості, їх надлишок виділяється з сечею.
До водорозчинних вітамінів відносять (табл.1):
Таблиця 1 – Водорозчинні вітаміни
| Назва вітаміну | Коферментна форма |
| В1 - тіамін | Тіамінпірофосфат (ТПФ, ТДФ) |
| Вітамін В2 - рибофлавін | Флавінаденіндинуклеотид (ФАД), Флавінмононуклеотид (ФМН) |
| Вітамін РР - вітамін В3, ніацин | Нікотинаміддинуклеотид (НАД), Нікотинаміддинуклеотидфосфат (НАДФ) |
Продовження табл. 1
| Назва вітаміну | Коферментна форма |
| Вітамін В5 – пантотенова кислота | Коензим А – НS-КоА |
| Вітамін В6 – піридоксин | Піридоксальфосфат (ПАЛФ), Піридоксамінфосфат (ПАМФ) |
| Вітамін В12 – кобаламін | Метилкобаламін, Дезоксиаденозилкобаламін |
| Вітамін Вс – вітамін В9, фолієва кислота | Тетрагідрофолева кислота (ТГФК) |
| Вітамін Н – біотин | Карбоксибіотин |
| Вітамін С – аскорбінова кислота | Не утворює |
| Вітамін Р – рутин, вітамін проникності | Не утворює |
Жиророзчинні вітаміни не утворюють коферментів і впливають на обмін речовин опосередковано:
а) створюють умови для оптимальної дії ферментів у мембранах;
б) виконують роль модуляторів структури і функцій мембран – стабілізують клітинні мембрани, регулюють їх вибіркову проникність;
в) мають антимутагенну дію, захищають генетичний апарат клітин від пошкоджень хімічними та фізичними факторами;
г) володіють антиоксидантними властивостями – знешкоджують активні форми кисню та вільні радикали, гальмують процеси перекисного окиснення біомолеул;
д) впливають на процеси тканинного дихання (безпосередньо або опосередковано);
е) окремі вітаміни (А, D) проявляють гормональні власти-вості на кшталт стероїдних гормонів, діють через специфічні ядрерні рецептори, активують експресію генів, що призводить до диференціації клітин, активації синтезу білків.
До жиророзчинних вітамінів відносять:
Вітаміни групи А (ретиноїди).
Вітаміни групи D (кальцифероли).
Вітаміни групи Е (токофероли).
Вітаміни групи К (філохінони).
Вітамін F (есенційні поліненасичені жирні кислоти).
Жиророзчинні вітаміни здатні акумулюватися в організмі у значній кількості, їх неконтрольоване приймання призводить до розвитку гіпервітамінозів. У тканинах деяких тварин концентрація жиророзчинних вітамінів настільки висока, що є смертельною для людини (печінка білого ведмедя).
Після розкриття молекулярних механізмів дії водо- та жиророзчинних вітамінів було запропоновано функціональну класифікацію вітамінів відповідно до їх участі у процесах життєдіяльності. Згідно з цією класифікацією вітаміни поділяють на три групи (рис. 1):
В
ітаміни
Коферменти Антиоксиданти Прогормони
В1, В2, В6, В12, РР, С, Е, каротиноїди А, D
Вс, Н, В5, К
Рисунок 1 – Функціональна класифікація вітамінів
1. Вітаміни – коферменти, або ензимовітаміни. Група містить вітаміни, які утворюють коферменти та простетичні групи ферментів. Це вітаміни групи В і вітамін К. Останній є коферментом у реакціях γ-карбоксилювання глутамінової кислоти у Са-зв'язувальних білках. До цієї групи може бути умовно віднесена альдегідна форма вітаміну А – ретиналь, який є простетичною групою родопсину (зорового пурпуру), а також ретинілфосфат – виконує функцію кофермента-переносника залишків цукрів у синтезі глікопротеїнів клітинних мембран.
2. Вітаміни – антиоксиданти. Аскорбінова кислота, токофероли, каротиноїди – β-каротин, лікопін, лютеїн та ін. є компонентами антиоксидантної системи захисту організму від дії вільних радикалів, активних форм кисню. Антиоксидантні властивості притаманні також багатьом біофлавоноїдам.
3. Вітаміни – прогормони – А, D. Для активних форм цих вітамінів характерна гормональна активність. Вітамін D утворює гормон кальцитріол – регулятор обміну кальцію. Активною формою вітаміну А є ретиноєва кислота, яка регулює процеси росту та диференціювання епітеліальних тканин.
Функціональна класифікація також недосконала, оскільки деякі вітаміни поліфункціональні, їх різні форми можуть належати до різних груп за вищеназваною класифікацією.
Вітаміноподібні речовини (квазівітаміни). Окрім основних вітамінів, виділяють групу органічних речовин з вітамінними властивостями, які частково синтезуються в організмі. До них відносять:
параамінобензойну кислоту (вітамін В10);
пангамову кислоту (вітамін В15);
метилметіонін сульфоній хлорид (вітамін U);
інозит (вітамін В8);
коензим Q;
піролохінолінхінон ( РQQ) (вітамін В14);
ліпоєву кислоту (вітамін N);
холін (вітамін В4);
карнітин (вітамін В11);
оротову кислоту (вітамін В13).
Нестача вітаміноподібних речовин призводить до розвитку гіповітамінозів.
3. Жиророзчинні вітаміни
Жиророзчинні вітаміни здатні акумулюватися в організмі у значній кількості. Вони відкладаються у жирових депо, повільно виводяться і можуть зберігатися у тканинах упродовж тривалого часу. При надмірному споживанні ці вітаміни депонуються у таких концентраціях, які викликають інтоксикацію і спричи-няють розвиток гіпевітамінозу.
3.1. Вітаміни групи А (ретиноїди)
Синоніми: ретинол, антиксерофтальмічний вітамін, аксеро-фтол.
Хімічна структура та властивості
Вітаміни групи А – жиророзчинні, близькі за структурою сполуки з А-вітамінною активністю, які називають ретино-їдами:
ретинол (вітамін А-спирт, вітамін А1, аксерофтол);
дегідроретинол ( вітамін А2);
ретиналь (ретинен, вітамін А-альдегід);
ретиноєва кислота (вітамін А-кислота);
ефіри цих речовин та їх просторові ізомери.
За хімічною структурою вітамін А1 - транс-9,13-диметил-7-(1,1,5-триметилциклогексен-5-іл-6)-нонатетраєн-7,9,11,13-ол.
Вітамін А – ненасичений циклічний одноатомний спирт. Він складається з 6-членного кільця β-іонона, двох залишківізопрену із 4 спряженими подвійними зв'язками та первинною спиртовою групою:
Ретиноїди походять від природних рослинних пігментів – каротиноїдів, які вперше були виділені з моркви. Від лат. сarota (морква) походить їх назва. Каротиноїди α-, β-, γ- та інші є попередниками (провітамінами) вітаміну А.
Найбільш активний каротиноїд – β-каротин, молекула якого симетрична, вміщує два β-іононових кільця на кінцях та 9 спряжених подвійних зв'язків.
Симетричне окиснення β-каротину по центральному подвійному зв'язку під дією ензиму β-каротинази (15,15'-диоксигенази) у стінці тонкої кишки та печінці призводить до утворення двох молекул вітаміну А.
Чистий вітамін А нестабільний, чутливий до окиснення на повітрі. Під дією температури та світла швидко втрачає активність.
Наявність антиоксидантів, наприклад, вітаміну Е, захищає вітамін А від окиснення.
Бета-каротин стійкий, його втрати під час приготування їжі становлять 25 %, але при довготривалому кип'ятінні він руйнується.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 69