Розділ 2 Молекулярний рівень організації живої природи
Тема 5. Біомолекулярний склад живого
§ 28. БІОЛОГІЧНО АКТИВНІ РЕЧОВИНИ: ВІТАМІНИ Й ГОРМОНИ
Терміни та поняття: біологічно активні речовини, вітаміни, провітаміни, а-, полі-, гіпо-, гіпервітамінози, кобаломіни, вітаміноподібні речовини, антивітаміни, гормони, гормоноїди, фактори росту, простагландини, фітогормони.
Що таке біологічно активні речовини. Хімічні сполуки, які утворюються в клітині, можна розділити на дві групи: речовини, що мають біологічну активність і виконують
Теоретично більшість біомолекул можна назвати речовинами, що мають біологічну активність. Усі вони, за винятком сполук, що є проміжними стадіями біологічного синтезу або розкладу, відіграють свою особливу біологічну роль у клітині й мають в організмі певне функціональне призначення. Однак на практиці біологічно активними речовинами називають продукти біологічного
До універсальних біологічно активних речовин, властивих усім живим організмам без винятку, належать ферменти, вітаміни й гормони. Інші біологічно активні речовини властиві представникам окремих систематичних груп або просто конкретним видам тварин, рослин, грибів, бактерій. При цьому, незважаючи на їх значну біологічну активність, їх роль і значення в організмі, в якому вони утворюються, як правило, залишаються дискусійними.
Вітаміни (від лат. віта – життя і аміни) – група низькомолекулярних речовин органічної природи, які в мізерно малих кількостях необхідні для нормального функціонування всім живим істотам без винятку. Вітаміни синтезуються рослинами, а тому тварини їх отримують або без по середньо з рослинною їжею, або опосередковано – через тваринну їжу (молоко, м’ясо, яйця). Багато вітамінів надходять в організм у вигляді провітамінів (від грец. протос – перед і вітаміни) – вихідних речовин, з яких утворюють ся вітаміни. Де які вітаміни синтезуються в кишечнику бактеріями, які у нормі там обов’язково присутні. Тому будь-які порушення бактеріального складу кишечнику, його мікрофлори завжди негативно позначається на здоров’ї.
Вітаміни було відкрито в 1880 р. російським лікарем Н. І. Луніним (1854-1937). Він досліджував дві групи мишей, одній з яких давав тільки окремі компоненти молока в чистому вигляді (воду, казеїн, лактозу, жири, солі), а другій – натуральне молоко. Не більш як за місяць усі тварини першої групи загинули. Та ким чином вчений довів, що для нормального життя тваринам необхідні ще й невідомі речовини, які наявні у природних продуктах харчування в дуже малій кількості. В 1889 р. голландський лікар Х. Ейкман (1858-1930) встановив, що у людей і птахів, які споживають очищений рис, неминуче розвивається хвороба “бері-бері”, а тому в їжу необхідно додавати й неочищений рис. У 1906 р. англійський біохімік Ф. Хопкінс (1961-1947) назвав речовини, що захищають тварин й людину від подібних захворювань, “додатковими речовинами харчування” (accessorial factors). І нарешті, в 1911 р. польський учений К. Функ (1884-1967) виділив із рисових висівок ту саму речовину (вітамін В1) (мал. 142), давши їй назву вітамін, дослівно – “амін, необхідний для життя”. Саме він першим висловив припущення, що багато хвороб, пов’язаних зі збідненим на поживні речовини й одноманітним харчуванням (рахіт, цинга, пелагра та ін.), викликані відсутністю цих самих речовин. Ця назва збереглася навіть незважаючи на те, що згодом стало очевидним, що аміногрупи входять до складу далеко не всіх вітамінів. У 1929 р. Хопкінс і Ейкман за відкриття вітамінів одержали Нобелівську премію. На жаль, відкриття Луніна вже за його життя було віддано забуттю на довгі десятиліття навіть співвітчизниками.
Мал. 142.Хімічна формула вітаміну В1
Вітаміни є регуляторами обміну речовин, більша їх частина входить до складу ферментів (формуючи коферменти), а інші взаємодіють із гормонами, активують їх. За ступенем насичення організму вітамінами виділяють кілька хворобливих станів: авітаміноз (від грец. а – без і вітаміни) – хворобливий стан організму, викликаний браком певного вітаміну; поліавітаміноз (від грец. полі – багато й авітаміноз) – нестача багатьох вітамінів; гіповітаміноз (від грец. гіпо – знизу і вітаміни) – недостатня кількість, що викликає загальне нездужання, й гіпервітаміноз (від грец. гіпер – зверху і вітаміни) – надлишкова кількість, що також призводить до функціональних розладів. При збалансованому харчуванні такі патологічні стани не спостерігаються.
У часи, коли хімічна структура молекул вітамінів була невідома, їх класифікували як певні хімічні “чинники” за їх фізіологічним ефектом, даючи їм літерні позначення А, B, С, D, E, F і т. д. Згодом з’ясувалося, що до одного й того самого фактора належать зовсім різні хімічні сполуки й для того, щоб відрізнити ці речовини, додатково ввели ще й цифрові позначення. Звідси й з’явилися назви B1, B5, B6, K1, K2, K3 та ін.
Ця традиційна класифікація збереглася й у наші дні, незважаючи на те, що на сьогодні вже відомі формули переважної більшості всіх вітамінів. Тому, напевно, їх легко можна було б систематизувати за будовою молекул. Проте у медичній практиці продовжують використовувати класифікацію, що історично склалась, оскільки вітаміни дуже різноманітні і належать до широкого спектра органічних сполук, а отже їх хімічна класифікація буде вкрай громіздкою і, з погляду на фізіологічний ефект, малозрозумілою. Зараз вітаміни поділяють на дві великі групи: водорозчинні, які беруть участь в обмінних процесах і входять до складу ферментів, і жиророзчинні (табл. 8). Роль останніх в організмі вивчена набагато гірше
Мал. 143.Хімічна формула вітаміну А
.
На цей час біохіміками описано понад 30 вітамінів.
Вітамін А (мал. 143) сприяє нормальному зору, активізує обмін речовин, прискорює ріст. Його особливо багато у вершковому маслі й соняшниковій олії (подумайте, чому), яєчному жовтку, риб’ячому жирі. У рослинах (зеленій цибулі, зеленому горошку, салаті, моркві, абрикосах та ін.) він міститься у вигляді провітаміну А – жовтого чи жовтогарячого пігменту каротину (від лат. карота – морква), який в організмі людини перетворюється на вітамін А.
Вітамін В1 необхідний для нормального обміну речовин, особливо вуглеводів. На цей вітамін багаті дріжджі, гречана й вівсяна крупи, борошно грубого помолу, особливо важливий цей вітамін при великому фізичному і розумовому навантаженні (учням і студентам під час іспитів і підготовці до тестування).
Таблиця 8. Основні вітаміни, необхідні людині
Назва вітаміну | Речовина | Функціональне значення дефіциту |
Водорозчинні вітаміни | ||
Вітамін В1 | Тіамін | Відсутність вітаміну викликає порушення діяльності нервової системи й хворобу “бері-бері” |
Вітамін В2 | Рибофлавін | Дефіцит є причиною припинення росту в молодих тварин |
Вітамін РР | Нікотинова Кислота | Відсутність вітаміну викликає хворобу пелагру |
Вітамін В5 | Пантотенова Кислота | Необхідний для обміну жирів, вуглеводів, амінокислот, синтезу життєво важливих жирних кислот, холестерину |
Вітамін В6 | Піриндоксин | Бере участь в утворенні еритроцитів, проведенні нервових сигналів, в обміні білків і ліпідів |
Вітамін В12 | Ціанокобаламін | Його дефіцит може бути причиною анемії |
Вітамін В9 | Фолієва кислота | Може викликати анемію у вагітних жінок |
Вітамін С | Аскорбінова Кислота | Відсутність вітаміну викликає цингу |
Вітамін Р | Біофлавоноїд | Зміцнює капіляри, сприяє поліпшенню кровообігу |
Вітамін Н | Біотин | Дефіцит вітаміну призводить до втрати апетиту, слабкості, сонливості, анемії, до вповільнення росту |
Жиророзчинні вітаміни | ||
Вітамін А | Ретинол | Стимулює роботу імунної системи, звільняє організм від вільних радикалів, сприяє запобіганню катаракти |
Вітамін D2 Вітамін D3 | Ергокальциферол Холекальциферол | Дефіцит вітаміну призводить до рахіту |
Вітамін Е | Токоферол | Вітамін розмноження |
Вітамін К | Нафтохінон | Запобігає крововиливу із судин у тканини |
Вітамін К1 Вітамін К2 | Філохінон Менахінон | Запобігає крововиливу |
Мал. 145.Хімічна формула вітаміну С
Вітамін В2 також потрібний для нормального обміну білків і вуглеводів, він сприяє загоєнню ран, стимулює ріст. Найбільше його міститься в молочних продуктах, дещо менше – в овочах.
Вітамін B12 (мал. 144) за своєю будовою відрізняється від інших вітамінів і належить до біокоординаційних сполук (до цієї групи відносяться й інші металовмісні макромолекули: гемоглобін і хлорофіл, а також ряд ферментів). У складі молекули цього вітаміну є іон Кобальту, який сполучається чотирма особливими координаційними зв’язками з атомами Нітрогену, що входять до складу аміногруп. Звідси й пішла назва цієї групи сполук – кобаламіни. Відіграє важливу роль у процесі кровотворення, протидіє розвитку анемії, забезпечує нормальне функціонування нервової системи. Багато цього вітаміну в рибі, м’ясі, молоці, сирі, яєчному жовтку.
Вітамін С (мал. 145) відіграє важливу роль в обміні речовин. Його джерелом є, головним чином, різні плоди й овочі, особливо капуста. Багато вітаміну міститься в плодах шипшини, ягодах чорної смородини, червоному перці й обліписі. Вітамін С руйнується за високої температури, тому краще їсти свіжі овочі та фрукти.
Ще однієї групою речовин, що виконують аналогічні з вітамінами функції, є вітаміноподібні речовини, але, на відміну від справжніх вітамінів, їх дефіцит не призводить до явно виражених порушень обміну речовин і захворювань. До цієї групи сполук, наприклад, належать вітаміни В4 (холін), В13, В15, Н1 та ін. Вони активізують роботу печінки, беруть участь в обміні ліпідів і утворенні пігментів.
Є речовини, за своєю дією протилежні вітамінам, – це антивітаміни (від грец. анти – проти і вітаміни), причому для кожного вітаміну відомий свій антивітамін. Хімічні формули цих сполук практично не відрізняються від формул відомих вітамінів, а тому здатні їх заміняти, хоча при цьому виявляють зовсім іншу біологічну дію. У результаті антивітаміни гальмують і порушують нормальний хід обміну речовин. При потраплянні до організму з їжею великої кількості антивітамінів виникає стан, близький до авітамінозу, причому навіть у тих випадках, коли певний вітамін у надлишковій кількості надходить з їжею або нормально утворюється в самому організмі. За сучасними даними ці речовини містяться в овочах і фруктах, зокрема в огірках, кольоровій капусті, гарбузі, знайшли їх також у каві. Можна припустити, що ці сполуки невипадково є нормальними речовинами клітин. Є підстави вважати, що вони нібито компенсують можливий надлишок вітамінів і є їх природними антагоністами.
Мал. 144. Хімічна формула біокоординаційної сполуки – вітаміну В12
Мал. 146.Структурна формула тестостерону – головного статевого гормону чоловіків
Мал. 147. Структурна формула гормону тироксину, що виробляється в щитоподібній залозі і є похідною амінокислоти тирозину
Гормони (від грец. гормао – збуджую, спонукаю до руху) у широкому розумінні – це сигнальні речовини різноманітної хімічної природи, що виробляються клітинами організму і діють на інші клітини цього ж організму. Такі неспецифічні гормони ще називають гормоноїдами (від гормон і грец. еідос – вигляд), або “гормоноподібними речовинами”. Вони утворюються в усіх багатоклітинних організмів.
Гормони у вузькому розумінні (власне гормони) властиві тільки високоорганізованим багатоклітинним тваринам. Це біологічно активні речовини регуляторної природи, які мають вузькоспрямовану дію, вони виробляються специфічними клітинами або залозами. Гормони є високо – специфічними, оскільки клітини, на які спрямована їх дія, на своїй поверхні мають спеціальні ділянки – рецептори, які взаємодіють з молекулами певних гормонів. Саме тому гормони здатні діяти за надзвичайно низької концентрації. У хребетних тварин вони виробляються в залозах внутрішньої секреції, током крові переносяться по тілу, отже мають чітко виражену дистанційну дію.
За своєю хімічною природою гормони хребетних тварин, у тому числі й людини, поділяються на три групи. Гормони білкової природи синтезуються в гіпоталамусі, гіпофізі й підшлунковій залозі. (Пригадайте, як називаються гормони цих залоз і яке їх функціональне призначення.) Стероїдні гормони – похідні холестерину, продукуються в клітинах коркового шару надниркової залози, а жіночі й чоловічі статеві гормони (мал. 146) – у статевих залозах. Третю групу становлять гормони – похідні амінокислоти тирозину, вони синтезуються в мозковому шарі надниркової залози й у щитовидній залозі (мал. 147). (Пригадайте, які гормони виробляються в щитовидній залозі.)
Гормони також виробляються у високорозвинених безхребетних. Тільки на відміну від хребетних, їх синтез відбувається не в органах секреції, а в окремих клітинах, часто розкиданих по тілу, і переносяться вони не током крові (пригадайте, як називається рідина, що рухається по кровоносній системі комах), а за рахунок дифузії. Ці гормони визначають час линьки, статевого дозрівання, входження в діапаузу. Особливе значення, наприклад у комах, має ювенільний гормон, який за своєю природою належить до того ж класу сполук, що й каучук, і регулює проходження стадій метаморфозу. Його похідні, отримані шляхом штучного синтезу, використовують як інсектициди (від лат. інсекта – комахи і цедо – убиваю) для боротьби з комахами-шкідниками, пригнічуючи в личинок линьку.
До гормоноподібних речовин відносять ті, які мають високу біологічну активність, але виробляються внеспеціалізованих клітинах і діють невибірково – відразу на всі клітини, зокрема фактори росту – невеликі поліпептиди, які утворюються в клітинах тварин, що містяться в усіх тканинах. Фактори росту мають широкий спектр біологічної дії: стимулюють або пригнічують клітинні поділи, визначають швидкість диференціювання клітини. Розповсюджуються вони по тілу також шляхом дифузії
Мал. 148.Структура молекул простагландинів
.Ще один тип гормоноподобніх речовин тварин – це простагландини (від грец. простатес – той, що попереду і лат. гляндула – залоза) (мал. 148) – група, що налічує близько 20 біологічно активних речовин, які мають ліпідну природу. Синтезуються майже в усіх тканинах організму людини, включаючи й стінки кровоносних судин. Беруть участь у регуляції кров’яного тиску, визначають статеву активність, перебіг вагітності та багато іншого. Вважається, що простагландини відіграють ключову роль у регуляції запальних процесів. З’ясувалося, що в організмі людини саме ці речовини визначають підвищення температури тіла, яке знімається аспірином. Було зроблено висновок, що жарознижуючі властивості аспірину пов’язані саме з припиненням синтезу простагландинів. На відзнаку важливості відкриття цієї групи речовин і виявлення їх біологічних властивостей біохімікам англійцю Д. Вейну (1927-2004) і шведам С. Бергстрему (1916-2004) та Б. Самуельсону (нар. 1934) у 1982 р. було вручено Нобелівську премію з фізіології й медицини.
Фітогормони (від грец. фітон – рослина і гормони) – це низькомолекулярні речовини, що синтезуються в певних частинах рослин, а також у грибах і бактеріях, мають високу біологічну активність і виконують регуляторні функції (викликають старіння клітин, дозрівання й опадання плодів, проростання насіння, ріст рослин, формування тканин і органів, цвітіння тощо). За характером дії вони аналогічні до гормонів тварин, проте мають деякі відмінні властивості.
Що відрізняє фітогормони й гормони тварин? Фітогормони не виробляються спеціальними органами, клітинами або тканинами й діють переважно у тому самому місці, де й утворюються. По-друге, у клітинах рослин і грибів відсутні спеціальні рецептори, подібні до тих, що є у клітинах тварин, а тому дія фітогормонів залежить від їх концентрації і проявляється набагато повільніше. По-третє, ці речовини мають широку неспецифічну дію, обумовлену станом організму й навколишнього середовища.
Розрізняють п’ять груп фітогормонів, які у свою чергу за характером дії можна поділити на стимулятори росту рослин й інгібітори (від лат. інгібіо – стримую). Ауксини (від грец. ауксо – збільшуюся, росту) стимулюють ріст плодів і пагонів. Високою біологічною активністю характеризується гетероауксин, який був уперше виділений із пліснявих грибів. Саме його використовують у садівництві для швидкого вкорінення черешків. Цитокініни (від грец. кітос – оболонка і кінео – рухаю, спонукаю) спонукають клітинні поділи. Гібереліни (уперше виділені із гриба роду Gibberella, звідси й назва) стимулюють ріст рослин, прискорюють розвиток листя, дозрівання насіння. Абсцизова кислота, навпаки, гальмує ріст рослин, її накопичення в клітинах і тканинах стимулює процеси зів’янення й обпадання листя. Вона належить до того ж класу речовин, що і ювенільний гормон комах. Дію фітогормонів виявляє і етилен. З’ясувалось, у невеликих кількостях він утворюється в тканинах рослин і так само, як і абсцизова кислота, є інгібітором. Біологічні властивості етилену зараз широко використовуються для штучного дозрівання овочів і фруктів. Адже багато з них транспортують на тисячі кілометрів, а тому збирають ще зовсім зеленими. Тому перед продажем роблять газацію – фрукти поміщають у спеціальні камери з етиленом, який і запускає процес дозрівання. Важливу роль у регуляції фізіологічних і біохімічних процесів відіграють біологічно активні речовини, які діють у мізерно малих концентраціях. До універсальних біологічно активних речовин, що властиві усім живим істотам і які виконують чітко визначені функції, відносять ферменти, вітаміни й сигнальні речовини – гормони в широкому розумінні цього терміну. Нестача або надлишок даних речовин може призвести до хворобливого стану організму.
(2 votes, average: 4,50 out of 5)