Химия окружающей среды. Химия живых организмов. Курс лекций

Животные жиры. Чаще всего в животных жирах встречаются стеариновая и пальмитиновая кислоты, ненасыщенные жирные кислоты представлены в основном олеиновой, линолевой и линоленовой кислотами. Физико-химические и химические свойства жиров в значительной мере определяются соотношением входящих в их состав насыщенных и ненасыщенных жирных кислот.

Наряду с углеводами и белками, жиры – один из главных компонентов клеток животных, растений и микроорганизмов.

Жидкие жиры растительного происхождения обычно называют маслами – так же как и сливочное масло.

Пищевые свойства жиров. Жиры являются одним из основных источников энергии для млекопитающих. Эмульгирование жиров в кишечнике (необходимое условие их всасывания) осуществляется при участии солей желчных кислот. Энергетическая ценность жиров примерно в 2 раза выше, чем углеводов, при условии их биологической доступности и здорового усвоения организмом. Жиры выполняют важные структурные функции в составе мембранных образований клетки, в субклеточных органеллах.

Благодаря крайне низкой теплопроводности жир, откладываемый в подкожной жировой клетчатке, служит термоизолятором, предохраняющим организм от потери тепла (например, у китов, тюленей и др.).

Источники жиров для организма. Жиры, поступающие в наш организм с пищей, можно разделить на 2 большие группы: животные жиры и растительные масла.

К животным жирам относятся говяжий, бараний и свиной жир. Животные жиры характеризуются высоким содержанием насыщенных жирных кислот и высокой температурой плавления. Надо не забывать, что излишнее употребление животных жиров способствует развитию атеросклероза.

Растительные жиры (масла) получают из семян масленичных растений. Например – подсолнечника, хлопка, льна, сои. По степени очистки растительные масла делятся на сырые, нерафинированные и рафинированные. В биологическом отношении рафинированное масло менее ценно вследствие потери биологически активных веществ. Наиболее биологически ценным считается сырое растительное масло, в котором полностью сохраняется ценные компоненты.

В процессе тепловой обработки жиры могут разлагаться с образованием раздражающих и вредных веществ. Перегревание жиров снижает их пищевую и биологическую ценность.

21

Разновидности жиров. Все пищевые жиры можно разделить на

3группы.

1.Насыщенные жиры – обычно застывают при комнатной температуре. Насыщенные жирные кислоты содержатся в продуктах животного происхождения – мясе, сливочном масле, колбасных изделиях, молочных продуктах, яйцах и т.д. Вред или польза от таких жиров зависит от того, сколько мы их едим. Постоянный переизбыток насыщенных жиров в рационе приводит к повышению холестерина в крови, сердечнососудистым заболеваниям и некоторым видам рака. Учёные утверждают, что насыщенные жирные кислоты не являются незаменимыми для человека, и если даже они будут полностью отсутствовать в рационе, организм сможет их синтезировать из других продуктов обмена веществ.

2.Ненасыщенный жиры – это жиры, в состав которых входят ненасыщенные жирные кислоты (растительные масла, рыбий жир и т.д.). Этот жир не застывает при комнатной температуре и даже в холодильнике. Полиненасыщенные жирные кислоты подразделяются на омега-3 жирные кислоты (линоленовая, альфа-линоленовая, эйкзапентаеновая и докозагексаеновая) и омега-6 жирные кислоты (гамма-линоленовая, линолевая, арахидоновая). Некоторые из этих кислот не синтезируется в организме, и они должны обязательно поступать с пищей. Проблема заключается в том, что современный человек употребляет большое количество омега-6 жирных кислот (подсолнечное, кукурузное и арахисовые масла) и слишком мало омега-3 жирных кислот (каноловое масло, масло грецких орехов, льняное масло, конопляное масло, жирная морская рыба). Этот дисбаланс может приводить к появлению целого ряда проблем со здоровьем, а именно:

– развитие язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки;

– дефицит энергии, быстрая утомляемость, потеря массы тела;

– развитие атеросклероза;

– снижение иммунитета;

– нарушение кроветворения;

– нарушения структуры клеточных оболочек;

– снижение эластичности сосудов;

– воспаление суставов;

– негативное влияние на сократительную способность миокарда.

3.Транс-жиры – это самый опасный и «плохой» жир. Получают такой жир путём нагревания растительных жиров до высоких температур, иногда под давлением с использованием водорода. Этот жир широко используют производители полуфабрикатов (фаст-фуд, жа-

22

реная и кондитерская продукция), потому что он застывает при комнатной температуре и значительно повышает срок хранения продуктов. К тому же транс-жиры очень дешёвые, что способствует их распространению. Учёные утверждают, что транс-жиры вредны в любом количестве и они абсолютно не нужны организму.

2.3. Углеводы и их функции

Углеводы (сахариды) – общее название обширного класса природных органических соединений. Название происходит от слов «уголь» и «вода». Причиной этого является то, что первые из известных науке углеводов описывались брутто-формулой Cx(H2O)y, формально являясь соединениями углерода и воды.

С точки зрения химии углеводы являются органическими веществами, содержащими неразветвленную цепь из нескольких атомов углерода, карбонильную группу, а также несколько гидроксильных групп.

Простые и сложные углеводы. По способности к гидролизу на мономеры углеводы делятся на две группы: простые (моносахариды) и сложные (олигосахариды и полисахариды). Сложные углеводы, в отличие от простых, способны гидролизоваться с образованием простых углеводов, мономеров. Простые углеводы легко растворяются в воде и синтезируются в зелёных растениях.

Биологическая роль и биосинтез углеводов. Биологическое значение углеводов для организма человека состоит в следующем.

1.Углеводы выполняют структурную функцию, то есть участвуют в построении различных клеточных структур (например, клеточных стенок растений).

2.Углеводы выполняют защитную роль у растений (клеточные стенки, состоящие из клеточных стенок мертвых клеток, защитные образования – шипы, колючки и др.).

3.Углеводы выполняют пластическую функцию – хранятся в виде запаса питательных веществ, а также входят в состав сложных молекул (например, пентозы (рибоза и дезоксирибоза) участвуют в построении АТФ, ДНК и РНК.

4.Углеводы являются основным энергетическим материалом. При окислении 1 г углеводов выделяются 4,1 ккал энергии и 0,4 г воды.

5.Углеводы участвуют в обеспечении осмотического давления

иосморегуляции. Так, содержание углеводов в крови составляет 100...110 мг на 1 % глюкозы. От концентрации глюкозы зависит осмотическое давление крови.

23

6. Углеводы выполняют рецепторную функцию – многие олигосахариды входят в состав воспринимающей части клеточных рецепторов или молекул-лигандов.

В суточном рационе человека и животных преобладают углеводы. Травоядные получают крахмал, клетчатку, сахарозу. Хищники получают гликоген с мясом. Организмы животных не способны синтезировать углеводы из неорганических веществ. Они получают их от растений с пищей и используют в качестве главного источника энергии, получаемой в процессе окисления:

Cx(H2O)y + xO2 → xCO2 + yH2O + энергия.

В зеленых листьях растений углеводы образуются в процессе фотосинтеза – уникального биологического процесса превращения в сахара неорганических веществ – оксида углерода (IV) и воды, происходящего при участии хлорофилла за счёт солнечной энергии:

xCO2 + yH2O → Cx(H2O)y + xO2.

Важнейшие источники углеводов. Главными источниками углеводов из пищевых продуктов являются хлеб, картофель, макароны, крупы, сладости. Чистым углеводом является сахар. Мёд, например, может содержать 70...80 % глюкозы и фруктозы.

Для обозначения количества углеводов в пище используется специальная хлебная единица.

К углеводной группе, кроме того, примыкают и плохо перевариваемые человеческим организмом клетчатка и пектины.

Из всех потребляемых человеком пищевых веществ углеводы, несомненно, являются главным источником энергии. В среднем на их долю приходится от 50 до 70 % калорийности дневных рационов. Несмотря на то, что человек потребляет значительно больше углеводов, чем жиров и белков, их резервы в организме невелики. Это означает, что снабжение ими организма должно быть регулярным.

Основными углеводами пищи являются сложные сахара, так называемые полисахариды: крахмал и гликоген, построенные из большого числа остатков глюкозы. Сама глюкоза относится к группе моносахаридов и содержится в больших количествах в винограде и сладких фруктах. В меде и фруктах, помимо глюкозы, содержатся значительные количества фруктозы. Обычный сахар, который мы покупаем в магазинах, относится к дисахаридам, так как его молекула построена из остатков глюкозы и фруктозы. В молоке и молочных продуктах содержатся большие количества менее сладкого молочно-

24

го сахара – лактозы, в состав которого наряду с глюкозой входит и моносахарид галактоза.

Потребности в углеводах в очень большой степени зависят от энергетических трат организма. В среднем у взрослого мужчины, занятого преимущественно умственным или легким физическим трудом, суточная потребность в углеводах колеблется от 300 до 500 г. У работников физического труда и спортсменов она значительно выше. При окислении 1 г углеводов в организме освобождается 4,0...4,2 ккал. Поэтому за их счёт легче всего регулировать калорийность питания.

Наиболее богаты углеводами многие растительные продукты: хлеб, крупы, макароны, картофель. Мёд, в зависимости от происхождения, содержит 70...80 % моно- и дисахаридов. Его высокая сладость объясняется значительным содержанием фруктозы, сладкие свойства которой примерно в 2,5 раза выше глюкозы и в 1,5 выше сахарозы. Конфеты, пирожные, торты, варенье, мороженое и другие сладости являются наиболее привлекательными источниками углеводов и представляют несомненную опасность для полнеющих людей. Отличительной особенностью этих продуктов является высокая калорийность и низкое содержание незаменимых факторов питания.

К группе углеводов тесно примыкают встречающиеся в большинстве растительных продуктов, плохо усвояемые организмом человека вещества – клетчатка и пектины.

Клетчатка – это полисахарид, входящий в состав массивных оболочек растительных клеток. Большие ее количества обнаружены во многих овощах, фруктах, листьях и стеблях растений. Только незначительная часть клетчатки может подвергнуться пищеварению в организме человека под влиянием находящихся в кишечнике микроорганизмов. Поэтому клетчатка и пектины большей частью проходят желудочно-кишечный тракт без изменений. За это их называют балластными веществами. Но они играют важную роль – улучшают перистальтику – пищевые массы быстрее продвигаются вдоль кишечника. Из-за этого тем, кто хочет похудеть, советуют есть много овощей и фруктов. Большие количества балластных веществ содержатся в хлебе из муки грубого помола; а также, как уже было сказано, в различных овощах, фруктах, особенно в свекле, моркови и черносливе.

25

3.МИКРОНУТРИЕНТЫ И ИХ РОЛЬ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ

3.1.Витамины. История появления. Общая биологическая роль

Витамины – группа низкомолекулярных органических соединений относительно простого строения и разнообразной химической природы. Это сборная, в химическом отношении, группа органических веществ, объединённая по признаку абсолютной необходимости их для гетеротрофного организма в качестве составной части пищи. Витамины содержатся в пище в очень малых количествах, и поэтому относятся к микронутриентам.

Гетеротрофы – организмы, которые не способны синтезировать органические вещества из неорганических. Для синтеза необходимых для своей жизнедеятельности органических веществ им требуются органические вещества, произведённые другими организмами.

Важность некоторых видов еды для предотвращения определённых болезней была известна ещё в древности. Так, древние египтяне знали, что употребление в пищу печени помогает от куриной слепоты. Ныне известно, что куриная слепота может вызываться недостатком витамина A. В 1330 году в Пекине монгол Ху Сыхуэй опубликовал трёхтомный труд «Важные принципы пищи и напитков», в котором были систематизированы знания о терапевтической роли питания и утверждалась необходимость комбинировать разнообразные продукты для поддержания здоровья.

В 1747 году шотландский врач Джеймс Линд (James Lind) открыл свойство цитрусовых предотвращать цингу. В 1753 году он опубликовал трактат «Лечение цинги». Однако эти взгляды получили признание не сразу. Тем не менее Джеймс Кук на практике доказал роль растительной пищи в предотвращении цинги, введя в корабельный рацион кислую капусту. В результате он не потерял от цинги ни одного матроса – неслыханное достижение для того времени. В 1795 году лимоны и другие цитрусовые стали стандартной добавкой к рациону британских моряков. Это послужило причиной появления крайне обидной клички для матросов – лимонник. Известны так называемые лимонные бунты: матросы выбрасывали за борт бочки с лимонным соком.

26

В1880 году русский биолог Николай Лунин из Тартуского университета провёл такой эксперимент: он скармливал подопытным мышам по отдельности все известные элементы, из которых состоит коровье молоко: сахар, белки, жиры, углеводы, соли. Мыши погибли.

Вто же время мыши, которых кормили молоком, нормально развивались. В своей диссертационной (дипломной) работе Лунин сделал вывод о существовании какого-то неизвестного вещества, в небольших количествах необходимого для жизни. Вывод Лунина был принят в штыки научным сообществом. Другие учёные не смогли воспроизвести результаты его опытов. Одна из причин была в том, что Лунин использовал тростниковый сахар, в то время как другие исследователи использовали молочный сахар, плохо очищенный и содержащий некоторое количество витамина B.

Впоследующие годы накапливались данные, свидетельствующие о существовании витаминов. Так, в 1889 году голландский врач Христиан Эйкман обнаружил, что куры при питании варёным белым рисом заболевают болезнью «бери-бери», а при добавлении в пищу рисовых отрубей – излечиваются. Роль неочищенного риса в предотвращении «бери-бери» у людей была открыта в 1905 году Уильямом Флетчером. В 1906 году Фредерик Хопкинс предположил, что помимо белков, жиров, углеводов и т.д. пища содержит ещё какие-то вещества, необходимые для человеческого организма, которые он назвал «accessory factors». Последний шаг был сделан в 1911 году польским учёным Казимиром Функом (Casimir Funk), работавшим в Лондоне. Он выделил кристаллический препарат, небольшое количество которого излечивало от «бери-бери». Препарат был назван «Витамайн» (Vitamine), от лат. vita – жизнь и англ. amine – амин, азотсодержащее соединение. Функ высказал предположение, что и другие болезни – цинга, пеллагра, рахит – тоже могут вызываться недостатком каких-то веществ.

В1920 году Джек Сесиль Драммонд предложил убрать «e» из слова «vitamine», потому что недавно открытый витамин C не содержал аминового компонента. Так витамайны стали витаминами.

В1929 году Хопкинс и Эйкман за открытие витаминов получили Нобелевскую премию, а Лунин и Функ – не получили. Лунин стал педиатром, и его роль в открытии витаминов была надолго забыта. В 1934 году в Ленинграде состоялась Первая всесоюзная конференция по витаминам, на которую Лунин (ленинградец) не был приглашён.

В1910-е, 1920-е и 1930-е годы были открыты и другие витамины.

В1940-е годы была расшифрована химическая структура витаминов.

27

Витамины участвуют во множестве биохимических реакций, выполняя каталитическую функцию в составе активных центров большого количества разнообразных ферментов либо выступая информационными регуляторными посредниками, выполняя сигнальные функции экзогенных прогормонов и гормонов. Они не являются для организма поставщиком энергии и не имеют существенного практического значения. Однако витаминам отводится важнейшая роль в обмене веществ. Концентрация витаминов в тканях и суточная потребность в них невелики, но при недостаточном поступлении витаминов в организм наступают характерные и опасные патологические изменения.

Большинство витаминов не синтезируются в организме человека. Поэтому они должны регулярно и в достаточном количестве поступать в организм с пищей или в виде витаминно-минеральных комплексов и пищевых добавок. Исключение составляет витамин К, достаточное количество которого в норме синтезируется в толстом кишечнике человека за счёт деятельности бактерий.

С нарушением поступления витаминов в организм связаны три принципиальных патологических состояния:

–недостаток витамина – гиповитаминоз;

–отсутствие витамина – авитаминоз;

–избыток витамина – гипервитаминоз.

Исходя из растворимости, витамины делят на жирорастворимые – A, D, E, F, K и водорастворимые – все остальные. Жирорастворимые витамины накапливаются в организме, причём они депонируются жировой тканью и печенью. Водорастворимые витамины в существенных количествах не депонируются, а при избытке выводятся. Это объясняет, с одной стороны, то, что довольно часто встречаются гиповитаминозы водорастворимых витаминов, а с другой, – тот факт что иногда наблюдаются гипервитаминозы жирорастворимых витаминов.

Антивитамины (греч. ἀντί – против, лат. vita – жизнь) – группа органических соединений, подавляющих биологическую активность витаминов. Это соединения, близкие к витаминам по химическому строению, но обладающие противоположным биологическим действием. При попадании в организм антивитамины включаются вместо витаминов в реакции обмена веществ и тормозят или нарушают их нормальное течение. Это ведёт к витаминной недостаточности даже в тех случаях, когда соответствующий витамин поступает с пищей в достаточном количестве или образуется в самом организме. Антиви-

28

тамины известны почти для всех витаминов. Например, антивитамином витамина B1 (тиамина) является пиритиамин, вызывающий явления полиневрита.

Поливитамины (греч. πολύ – много, лат. vita – жизнь) – фармакологические препараты или естественные многокомпонентные полидисперсные вещества, содержащие в своём составе комплекс витаминов и минеральные соединения. Единственным натуральным пищевым поливитамином является грудное молоко, в котором содержится ценный набор из многих эссенциальных витаминов. Для профилактики гиповитаминозов, в особенности у детей, рекомендуется использовать комплексные витаминные препараты. Поливитаминные препараты применяются не только для профилактики и лечения гиповитаминозов, но и в комплексной терапии таких расстройств питания, как гипотрофия или паратрофия.

3.2. Водорастворимые и жирорастворимые витамины

Сейчас хорошо изучено около 25 витаминов. Химический состав и названия их очень сложны, поэтому им присвоили буквенные символы. Принято все витамины разделять на две большие группы: водорастворимые и жирорастворимые.

Главные водорастворимые витамины. Среди водорастворимых витаминов для организма человека наиболее важны следующие.

В1 – тиамин, впервые найденный в белокочанной капусте; потом его обнаружили также в некоторых крупах, сырой рыбе, дрожжах и проросшей пшенице. Этот витамин регулирует обмен веществ, нервную деятельность и ответственен за состояние сердечно-сосудистой системы. Отсутствие В1 в пище вызывает «бери-бери» – тяжелейшую болезнь суставов, сопряженную с поражением нервной системы, сердца и сосудов. «Бери-бери» распространена в тех регионах Юго-Восточной Азии, где население питается скудно и однообразно, в основном лишь очищенным рисом, в котором витамина В1 почти нет. Суточная потребность организма в витамине В1 – 1,5...2,0 мг.

В2 – рибофлавин, регулирует обмен веществ, повышает остроту зрения, улучшает функцию печени и нервной системы, а также состояние кожи. Источники витамина В2 – дрожжи, мясо, рыба, печень и другие субпродукты (почки, сердце, язык), яичный желток, молоч-

29

ные продукты, бобовые и многие крупы. Суточная потребность организма в витамине В2 – 2,0...2,5 мг.

РР – никотиновая кислота (ниацин), регулирует клеточное дыхание и сердечную деятельность. Источником витамина РР служат дрожжи, мясные и молочные продукты, зерновые культуры. Кроме того, это один из немногих витаминов, которые могут образовываться в организме человека. Витамин РР образуется из триптофана – аминокислоты, входящей в состав поступающих с пищей белков. Суточная потребность организма в витамине РР – 15...20 мг.

В6 – пиридоксин, участвует в обменных процессах, необходим для усвоения аминокислот и для синтеза из триптофана витамина РР. Суточная потребность организма в витамине В6 – 2 мг.

ВC – фолацин, фолиевая кислота и ее производные. Регулирует кроветворение и жировой обмен. Содержится в печени, дрожжах, многих овощах (зелени петрушки, шпината, в листовом салате). Суточная потребность организма в витамине ВC – 2,0...2,5 мг.

В12 – цианкобаламин, предупреждает малокровие. Присутствует в говяжьей и свиной печени, мясе кроликов и кур, яйцах, рыбе, молоке. Суточная потребность организма в витамине В12 – 3 мг.

С – аскорбиновая кислота, предохраняет от цинги, повышает иммунитет. Источники этого витамина в питании – свежие и консервированные овощи, фрукты, ягоды. Особенно богаты «аскорбинкой» плоды шиповника, смородина, петрушка, укроп, а среди дикорастущих – крапива, кислица, черемша. Аскорбиновая кислота неустойчива: на воздухе она легко окисляется до дегидроаскорбиновой кислоты, не имеющей витаминных свойств. Это надо учитывать при кулинарной обработке овощей и фруктов. Суточная потребность организма в витамине С – 75...100 мг.

Р – рутин (биофлавоноид), сосудоукрепляющее средство, проявляет активность вместе с витамином С. Особенно много его в смородине, шиповнике, черноплодной рябине (аронии), цитрусовых и зеленом чае. Суточная потребность организма в витамине Р – 25...50 мг.

Главные жирорастворимые витамины. Среди жирорастворимых витаминов наибольшее значение имеют следующие.

А – ретинол и его производные, улучшает состояние кожи и слизистых оболочек глаз, повышает иммунитет, а главное, обеспечивает

30