Биохимическая природа витамина С

Введение

«Трудно найти такой раздел физиологии и биохимии, который бы не соприкасался с учением о витаминах; обмен веществ, деятельность органов  чувств, функции нервной системы, явления роста и размножения - все эти и многие другие разнообразные  и коренные по своей важности области  биологической науки теснейшим  образом связаны с витаминами»

А.Н. Бах

 
Актуальность  темы. Рациональное питание человека складывается из пищи животного и растительного происхождения и одним из его условий является присутствие достаточного количества витаминов.

Витамины - низкомолекулярные  органические соединения различной  химической природы, которые необходимы человеку для нормальной жизнедеятельности. Одним из важнейших природных  антиоксидантов является витамин С (аскорбиновая кислота), который, кроме того, принимает участие в целом ряде биохимических процессов. Каждому из нас необходимы витаминные и минеральные добавки каждый день для поддержания нормальной жизнедеятельности организма.

Во-первых, человеческий организм самостоятельно вырабатывает лишь очень  немногие из витаминов, к тому же в  малых количествах. А витамин С мы можем получать только с пищей или в качестве специальных препаратов.

Во-вторых, сложно получать витамин С в натуральном виде. Как отмечают специалисты, даже в самой здоровой и сбалансированной диете легко обнаружить дефицит витаминов - приблизительно 20-30% от рекомендуемой нормы. Лишь немногие люди и особенно дети едят достаточно фруктов и овощей, которые являются главными пищевыми источниками витамина С.

 Тепловая обработка,  хранение и биохимическая переработка  приводят к разрушению большей  части витамина С, который мы в ином случае могли бы получать из пищи. Еще больше его сгорает в организме под влиянием стресса, курения и других источников повреждения клеток, наподобие дыма и смога. Повсеместно используемые медикаменты, такие как аспирин или противозачаточные средства, в огромной степени лишают наш организм тех количеств витамина, которые нам все-таки удалось получить.

В-третьих, в России только 20% населения принимают витаминные препараты. Цифра неутешительная, особенно если учесть, что недостаток витаминов  наблюдается у 60-80% населения (по данным Института питания РАМН). Но в  каких же продуктах и сколько  содержится витамина С? Ответ на этот вопрос можно найти в различных справочниках. Однако там говорится о фруктах или овощах вообще, а сколько витамина С содержится в данном продукте?

 Ответ на этот вопрос  может дать лишь количественное  определение с помощью различных  методов окислительно-восстановительного  титрования.

Цель работы: изучить биохимическую природу витамина С и определить его количественное содержание в некоторых пищевых продуктах и витаминных препаратах.

Объект исследования - химическое строение и свойства витамина С, его биологическая и валеологическая роли.

Предмет исследования - пищевые продукты, содержащие витамин С и некоторые витаминные препараты.

Задачи:

. Провести анализ научно-популярной и учебной литературы по выбранной теме;

. Рассмотреть общую характеристику, химическое строение и свойства витамина С;

. Изучить биологическую и валеологическую роли витамина С;

. Овладеть методами качественного и количественного определения витамина С и экспериментально определить его содержание в некоторых пищевых продуктах и витаминных препаратах;

. Обобщить результаты исследования и сформулировать выводы по работе.

Методы исследования: теоретические (анализ учебной и научно-популярной литературы по теме исследования, методический анализ, сравнение, теоретическое обобщение), экспериментальное (химический эксперимент), статистические (статистическая обработка результатов и их интерпретация).

Глава 1. Общая  характеристика витамина С 
1.1 Краткая историческая справка

Учение о витаминах  начало развиваться сравнительно недавно  и относится к концу XIX века и  началу XX столетия. Однако заболевания, впоследствии названные авитаминозами, были известны давно. Так, 2500 лет назад  китайцы описали заболевание  бери-бери (авитаминоз B1). Упоминание о  гемеролопии (авитаминоз А) встречается в рукописях древних греков. Первые сведения о цинге (авитаминоз С) относят к XIII столетию. Когда римские легионы вторглись во владения своих северных соседей и надолго задержались за Рейном, им пришлось познакомиться с заболеванием, поразившим многих воинов и, судя по описанию древнеримского историка Плиния, весьма похожим на цингу. Интересно, что врачи, не имея истинного представления о природе бедствия, постигшего подопечное им воинство, быстро нашли спасительное средство. Им оказалось какое-то растение, названное римлянами «британская трава». К сожалению, более определенных сведений об этом целебном растении история не сохранила, и мы не можем сейчас точно указать, какой именно представитель европейской флоры оказал столь ценную услугу древнему Риму. Так римляне, возможно впервые, познакомились с авитаминозом. Картье в 1953 году очень живо описал эту болезнь, поразившую его спутников во время путешествия по реке Св. Лаврентия: «Они лишились всех своих сил и не могли стоять на ногах...Да к тому же появились на коже багровые пятна крови, которые покрывали голени, колени, бедра, ягодицы, плечи, руки, изо рта стал идти зловонный запах, десны так загнили, что было видно всё мясо до корней зубов, а сами зубы почти все выпали».

В дальнейшем цинга, или скорбут, стала довольно частым гостем в странах  Европы. Так, например, по подсчетам  некоторых историков, с 1556 по 1856 г. в  Европе имело место 114 эпидемий, унесших  в могилу многие тысячи человеческих жизней. В России было зарегистрировано 101 тыс. случаев цинги. Большой вред цинга наносила экипажам флотов европейских стран, особенно в период открытия морских путей в Индию и Америку. В 1848 году Васко да Гама, прокладывая путь в страну душистого перца и корицы, потерял от цинги 100 из 160 членов своей команды.

 
В 1775 году английский врач Линд заявил, что цинга нанесла большой  ущерб британскому морскому могуществу, чем флоты Франции и Испании  вместе взятые. В конце концов, моряки нашли средство от этого «бича  рода человеческого». Старые морские  волки рассказывали, цинга - страшна  только в море, но стоит кораблю  пристать и пополнить запасы продовольствия свежими фруктами и овощами, как  цинга покидала корабль. Они не могли  толком объяснить, почему это происходит, но на всякий случай имели в своем  рундуке бутылочку лимонного  сока.

Эти сведения заинтересовали английского врача Линда, и он решил провести сравнительное изучение противоцинготных свойств различных  фруктов и овощей. Опытным путем  Линд установил ежедневную дозу лимонного  сока, предохраняющего человека от цинги, она оказалась равной 30т., т.е. двум столовым ложкам.

О причинах цинги высказывались  самые различные предположения. Виновником этого заболевания считали  вначале дурной запах, затем испорченную  воду, солонину и даже каких-то не установленных  наукой возбудителей из мира микробов. Ясность в этот вопрос внесли работы норвежских ученых Хольста и Фрелиха[2]. Ученые пришли к выводу, что цинга у морских свинок вызывается особым фактором, который почти отсутствует в зернах злаков, солонине, но в большом количестве содержится в свежих овощах, фруктах и лимонном соке. Работы Хольста и Фрелиха были опубликованы в 1912 году, они оказали большое влияние на формирование теории Функа о витаминах и позволили ему причислить цингу к авитаминозным заболеваниям. Начались поиски способов выделения противоцинготного витамина, которые с переменным успехом продолжались до 1932 года. В 1932 г. витамин, предотвращающий цингу, был выделен из лимонного сока американскими исследователями С.Гленом, а также венгерским биохимиком Сент-Дьерди.

В опытах на морских свинках  он показал, что гексуроновая кислота предохраняет животных от цинги. Но глубокое изучение химической природы гексуроновой кислоты показало, что она все-таки не является изомером глюкуроновой кислоты, а представляет собой вполне самостоятельное соединение, в связи с чем Сент-Дьерди в 1933 г. дал ему название - аскорбиновая (противоскорбутная) кислота. В 1933 году двумя учеными Хирстом и Эйлером независимо друг от друга была установлена структурная формула аскорбиновой кислоты.

1.2 Место витамина С в современной классификации витаминов

Современная классификация  витаминов не является совершенной. Она может быть основана на их физико-химических свойствах (в частности, растворимости) и химической природе[3], [6].

В зависимости от растворимости  все витамины делятся на две большие  группы: водорастворимые (энзимовитамины) и жирорастворимые (гормоновитамины). Это позволяет выявить в каждой из этих групп свои особенности и определить присущие им индивидуальные свойства. Водорастворимые витамины участвуют в структуре и функции ферментов, жирорастворимые витамины входят в структуру мембранных систем, обеспечивая их функциональное состояние.

Помимо этих двух главных  групп витаминов, различают группу разнообразных химических веществ, частично синтезирующихся в организме  и обладающих витаминными свойствами. Для человека и ряда животных эти  вещества принято объединять в группу - витаминоподобных.

Таблица 1 Общая классификация  витаминов и витаминоподобных веществ

В основе так называемой химической классификации витаминов лежит их химическая природа. Однако витамины представляют собой сборную в химическом отношении группу органических соединений, поэтому с точки зрения химического строения им нельзя дать общего определения.

 
Таблица 2 Химическая классификация  витаминов

 
1.3 Химическое строение и свойства витамина С

Аскорбиновая кислота (С6Н8О6) имеет следующую химическую формулу:

По физическим свойствам  является бесцветным кристаллическим  веществом с приятным острым кислым вкусом, температура плавления 192ºС. Аскорбиновая кислота легко растворима в воде, плохо растворима в этаноле  и почти нерастворима в других органических растворителях.

Рис. 1. Окисления аскорбиновой кислоты

Изучение процесса окисления  аскорбиновой кислоты показало, что  в водных растворах в присутствии  кислорода воздуха этот процесс  не идет без катализаторов-ионов  меди и серебра. Однако в обычной  водопроводной воде ионы этих металлов всегда присутствуют, во всяком случае ионы меди, в достаточном для каталитического действия количестве.

Растворенный в водопроводной  воде хлор также оказывает окисляющее действие и приводит к разрушению витамина С.

Существует целый ряд  веществ, предохраняющий аскорбиновую кислоту от окисления. К ним относятся  различные сернистые соединения и некоторые производные пурина, такие, как ксантин, мочевина.

При хранении или сушке  плодов и овощей для большей сохранности  витамина С их подвергают обработке сернистым газом. Проникая в клетки и растворяясь в клеточном соке, сернистый газ образует с водой сернистую кислоту, которая подавляет активность фермента (аскорбиноксидазы), катализирующего процесс окисления аскорбиновой кислоты. Сахар также способствует большей сохранности витамина С.

1.4 Биологическая роль витамина С

Аскорбиновая кислота  присутствует в тканях всех животных и высших растений. Только люди и  некоторые другие позвоночные должны получать ее с пищей, большинство  же животных и, вероятно, все растения могут синтезировать это соединение из глюкозы[1], [2]. Микроорганизмы не содержат аскорбиновой кислоты и не нуждаются в ней. L-аскорбиновая кислота синтезируется в растениях и у тех животных, которые обеспечивают себя этим витамином в процессе превращения : Д- глюкоза - L -гулонат - L -гулолактан - L-аскорбат.

Рис. 2. Синтез аскорбиновой кислоты у животных и высших растений

У человека и других животных, не могущих синтезировать витамин С, отсутствует фермент гулонолактоноксидаза. Видимо, некогда все организмы располагали набором ферментов, необходимых для синтеза аскорбиновой кислоты, но затем какие-то виды утратили эту способность к синтезу вследствие мутации, которая однако не оказалась для них летальной, поскольку обычную пищу данного вида составляли богатые витамином С растения.

Биохимическая функция витамина С мало известна[3], [10]. Аскорбиновая кислота, по-видимому, играет роль кофактора в реакции ферментативного гидроксилирования, при котором остатки пролина и лизина в коллагене соединительной ткани позвоночных превращаются в остатки 4-гидроксопролина и 5-гидроксолизина. Гидроксипролиновые и гидроксилизиновые остатки обнаружены только в коллагене и не встречаются ни в одном другом белке животных. Аскорбиновая кислота принимает обязательное участие в образовании основного компонента соединительной ткани высших животных, стимулирует заживление ран, но пока не ясно, является ли это ее единственной и даже главной функцией.

По мнению ряда ученых витамин С принимает весьма активное участие в биохимических процессах:

1) Аскорбиновая кислота  является поставщиком водорода  для образования ядерной ДНК.

2) Аскорбиновая кислота принимает участие в биохимических превращениях других витаминов. Установлено, что аскорбиновая кислота снижает потребность животного организма в витаминах комплекса В.

3) Витамин С оказывает влияние на синтез еще одного весьма важного белка, недостаток которого в организме приводит к нарушению эластичности и проницаемости кровеносных сосудов.

4) Аскорбиновая кислота  необходима для образования и  обмена гормона адреналина в  мозговом слое надпочечников  и норадреналина (предшественника  адреналина).

5) Аскорбиновая кислота  повышает устойчивость организма  к различным инфекционным заболеваниям, т.к. недостаток витамина С приводит к снижению иммунобиологической сопротивляемости организма. В своей книге «Витамин С и здоровье» лауреат Нобелевской премии Л.Полинг предлагает принимать витамин С в больших дозах- до 10 г в день для профилактики и лечения простудных заболеваний. При первых же признаках простуды целесообразно принять 1-1,5 г аскорбиновой кислоты в виде таблеток или порошка, через 4 часа еще столько же - и так в течение первых суток (есть сведения о том, что аскорбиновая кислота активирует действие интерферона, который защищает нас от вирусов). Если эффект налицо, то лечение продолжают и в последующие сутки (1 г витамина С 4-5 раз в день), а затем в течение нескольких дней постепенно снижают дозы до обычных. Но если после первых суток лучше не стало, то это значит, что патологический процесс зашел слишком далеко, защитные барьеры дали «сбой» и физиологическое лекарство - витамин С тут уже бессилен. В таком случае принимают обычные лекарственные препараты и витамины в обычных дозах.

6) Установлено, что витамин С оказывает влияние на активность лейкоцитов.

7) Витамин С способствует лучшему усвоению железа и тем самым усиливает образование гемоглобина и созревание эритроцитов.

8) Аскорбиновая кислота не только активизирует защитные силы организма, но и способствует обезвреживанию токсина, выделяемых патогенными микроорганизмами.

9) Витамин С применяется в медицине при лечении целого ряда заболеваний не только инфекционных, но и при туберкулезе, в хирургической практике как средство, ускоряющее заживление ран, срастание костей и послеоперационных швов.

1.4.1 Пищевые источники  витамина С

При употреблении пищевых  продуктов, богатых белками и  другими витаминами, потребность  в витамине С значительно снижается и наоборот. Усиленная трата витамина С наблюдается также при охлаждении организма и при потоотделении, так как вместе с потом и мочой выделяется некоторая часть витамина С.

Если человек полностью  зависит от поступления витамина С извне, то многие животные в этом не нуждаются. И все же несмотря на то, что организм многих животных способен вырабатывать витамин С, животные продукты довольно бедны этим витамином. В мышцах, например, содержится всего 0,9 мг% витамина С, в надпочечниках его содержится 130-150 мг%. Коровье молоко значительно беднее витамином С, чем женское молоко. Пастеризованное, т.е. нагретое до 80-85°С молоко практически не содержит витамина С. Наиболее богатыми источниками витамина С являются растения. Аскорбиновая кислота обнаруживается во всех зеленых частях растений, но в разных количествах. Много витамина С в большинстве овощей и фруктов, и только семена растений, как правило, бедны этим витамином . Плоды облепихи, актинидии, шиповника и грецкого ореха, цитрусовые, помидоры, капуста содержат большое количество витамина С.

Плоды шиповника оказались  настоящими фабриками витамина С, и  не только витамина С. В них обнаружены витамины В2, Р, К и каротин. Плоды шиповника - настоящий поливитаминный препарат, созданный самой природой. Приведем несколько примеров : в черной смородине (100 мг) содержится 200 мг витамина С, в шиповнике -1200 мг, в клубнике-60 мг, в апельсинах-60 мг.

Хранение овощей и фруктов  в холодильнике снижает скорость процесса окисления и тем самым  способствует более длительной сохранности  витамина С.

Замораживание растительных продуктов приводит к нарушению  целостности оболочек растительных клеток кристалликами льда и более  свободному доступу кислорода воздуха  к содержимому клеток. Пока растительные ткани находятся в замороженном состоянии, низкая температура в значительной степени сдерживает окислительные процессы, но при размораживании тканей их скорость возрастает по мере повышения температуры, и витамин С при этом быстро разрушается. Если при размораживании прекратить доступ кислорода клетки, например, производить его в атмосфере инертного газа, то содержание в нем витамина С остается на том же уровне, что и в замороженных продуктах. Вот почему при приготовлении первых блюд замороженные овощи следует сразу класть в кипящую воду, так как она содержит значительно меньше растворенного кислорода, чем холодная вода.

Кроме того, высокая температура  кипящей воды активирует растительные ферменты, в том числе и аскорбиноксидазу, что также является фактором, способствующим лучшей сохранности витамина.

Первый сухой препарат витамина С был получен А.Н.Бессоновым из сока капусты в 1922 году. Путем довольно сложной обработки ученому удалось получить светло-желтый порошок, который наряду с массой балластных веществ содержал 1% витамина С. Метод выделения витамина С, что дало возможность более чем в 50 раз повысить биологическую активность получаемого продукта.

1.4.2 Признаки гипо-, гипер- и авитаминоза

Витаминная недостаточность  возникает при дефиците витаминов  в пище или если поступающие с  пищей витамины не всасываются из кишечника, не усваиваются или разрушаются  в организме. Витаминная недостаточность  может проявляться в виде авитаминозов, гиповитаминозов и скрытых форм. Под авитаминозами понимают полное истощение запасов витаминов в организме; при гиповитаминозах отмечается та или иная степень снижения обеспеченности организма одним или несколькими (полигиповитаминозы).

Недостаточность аскорбиновой кислоты развивается, как правило, на почве недостаточного поступления  витамина С с пищей, однако может возникнуть и эндогенно, при нарушениях всасывания витамина, обусловленных заболеваниями желудочно-кишечного тракта, печени и поджелудочной железы.

Полное прекращение в  течение длительного витамина С вызывает цингу, основными симптомами которой являются мелкие кожные и крупные полостные кровоизлияния (в плевральную и брюшную полости, суставы и др.). К ранним симптомам цинги относятся кровоизлияния в окружности волосяных фолликулов (85% в области нижних конечностей, кровоточивость десен, ороговение кожных покровов и др.). При цинге возможно развитие анемии, а также нарушение желудочной секреции. С-витаминная недостаточность сопровождается снижением содержания аскорбиновой кислоты в крови до 22,7 мкмоль/л (0,4 мг %) и резким уменьшением ее выделения с мочой.

В современных условиях массовое развитие цинги вряд ли возможно и  появление выраженного авитаминоза  возможно только при каком-либо народном бедствии - изнурительной войне, сопровождаемой продовольственной недостаточностью и голодом. Цинга, как правило, возникает  и развивается на фоне общей и  особенно белковой недостаточности  питания.В настоящее время более вероятна неполная, частичная недостаточность аскорбиновой кислоты (гиповитаминоз С), не имеющая выраженных клинических симптомов. Гиповитаминозные состояния развиваются медленно и длительное время могут протекать в скрытой форме.Начальная форма недостаточности аскорбиновой кислоты проявляется рядом общих симптомов: пониженной работоспособностью, быстрой утомляемостью, снижением устойчивости организма к холоду, склонностью к «простудным» заболеваниям (насморк, катар верхних дыхательных путей, острые респираторные заболевания и др.).

Витаминная недостаточность, приняв скрытую форму, представляет собой благоприятный фон для  формирования и развития ряда патологических состояний - атеросклероза, астенических состояний, пероксидации, неврозов, стрессовых состояний и др. Изучается роль скрытой витаминной недостаточности в развитии избыточной массы тела.

Витаминная недостаточность в современных условиях протекает не изолированно в виде самостоятельного, специфического, выраженного симптомокомплекса, а преимущественно в сочетании с какой-либо другой патологией, способствуя ее развитию и осложнению, отягощая процесс выздоровления. Так, витаминная недостаточность является фактором, осложняющим течение ишемической болезни сердца и реабилитацию после перенесенного инфаркта миокарда. Возможно, что все виды лечения, особенно у пожилых людей, а также у людей с избыточной массой тела, следует начинать с ликвидации витаминной недостаточности, используя для этого высокоэффективные поливитаминные комплексы и комбинированные гериатрические средства.

Сегодня все больше людей, задумываясь о правильном питании, стараются разнообразить свой рацион употреблением всевозможных витаминных комплексов. Однако последствия влияния  таких добавок на организм изучено  недостаточно, и переизбыток витаминов  порой может оказаться гораздо  более опасным, чем их недостаточное  употребление.

Гипервитаминоз - это реакция  на передозировку витаминов, проявляющаяся  в различных расстройствах и  дисфункциях организма человека. Существует ошибочное мнение, что  переизбыток витаминов невозможен: организм возьмет то, что ему необходимо, а остальное выведет с мочой. Это не так. Только некоторые элементы выводятся самостоятельно (водорастворимые), но и они могут нанести определенный вред. Постоянная передозировка витаминов группы С.

1.4.3 Суточная потребность в витамине С

Потребность человека в витамине С зависит от возраста, состояния здоровья, от величины физической и умственной нагрузки и ряда других моментов[10]. В связи с этим норму потребности человека в витамине С установить довольно затруднительно. Минимальную потребность взрослого человека обычно определяют количеством в 20-25 мг, в то время как доза, в полной мере насыщающая человеческий организм, лежит в пределах 50-75 мг витамина С в день: для мужчин 65-100 мг, для женщин - 55-80 мг; при беременности и кормлении грудью - 75-80 мг, для детей до 7 лет - 30-35 мг, от 7 лет и выше - 50 мг. Пищевые продукты, содержащие разное количество витамина С, представлены в таблице 3. 
Таблица 3. Группы пищевых продуктов относительно содержания витамина С

Глава 2. Экспериментальное  определение количественного содержания витамина С в пищевых продуктах и витаминных препаратах 
2.1 Общая характеристика применяемых количественных методов анализа 
2.1.1 Метод Тильманса

Количественное содержание витаминов в растениях, как правило, очень невелико, что обусловливает  специфику и необходимость особо  точных методов определения многих витаминов. Наиболее простым по методике и технике исследования и доступным  для лабораторных условий является метод определения витамина С по Тильмансу[3].

Метод основан на способности  аскорбиновой кислоты в кислой среде  восстанавливать 2,6-дихлорфенолиндофенол до лейкоформы и окисляться в дегидроформу по уравнению:

Проводится расчет содержания витамина С в продукте по формуле: 
Х=(n – n₁) · К · 0,088 · V · 100 , где 
-n – мл реактива Тильманса, пошедшее на титрование вытяжки; 
 
-n₁ – мл реактива на «слепой опыт»;  
 
-К – поправочный коэффициент для реактива Тильманса; 
 
-0,088 мг витамина С связывает 1 мл реактива Тильманса; 
 
-V – общий объем вытяжки; 
 
-V₁ -объем вытяжки, взятой для титрования; 
 
-Р – вес продукта, использованного для получения вытяжки. 

2.1.2 Метод йодометрии

Аскорбиновая кислота  легко окисляется благодаря наличию  ендиольной группировки, поэтому для ее определения можно использовать различные методы редоксиметрии, в том числе и такой относительно слабый окислитель, как йод. Метод йодометрии в данном случае также является наиболее простым и доступным при организации исследовательской работы со школьниками.

Количественное определение  аскорбиновой кислоты основано на окисленни ее раствором йода:

Стандартный потенциал окисления  аскорбиновой кислоты Е = -0,71В

С₆Н₈О₆ - 2е > С₆Н₆О₆ + 2Н⁺

Стандартный потенциал восстановления йода Е = 0,53В

I₂ + 2e > 2I^-

Разность потенциалов  аскорбиновой кислоты и йода будет  достаточно большой ЭДС = 0,53 - (-0,71) = 1,24В, поэтому йод может быть использован для ее количественного определения.

Йодометрическое определение  аскорбиновой кислоты представляет собой характерный пример способа  прямого титрования анализируемого вещества стандартным раствором  йода в иодиде калия.

Титрование проводят методом  отдельных навесок, сущность которого заключается в следующем. Несколько (3-5) приблизительно равных навесок  анализируемого вещества, взятых на аналитических  весах, растворяют в произвольном минимальном (приблизительно 10 мл) объеме растворителя и полностью титруют.