Витамины представляют собой низкомолекулярные органические соединения, необходимые в малых количествах для нормального функционирования метаболических процессов. Они не синтезируются в организме человека в достаточном количестве и должны поступать с пищей. Биохимическая роль витаминов заключается в их участии в качестве коферментов и регуляторов ферментативных реакций, обеспечивающих метаболизм белков, липидов, углеводов и нуклеиновых кислот.
Витамины делятся на две основные группы — жирорастворимые (A, D, E, K) и водорастворимые (витамины группы B и витамин C). Каждая группа характеризуется специфическим механизмом всасывания, транспорта, хранения и выведения.
Витамин A (ретиноиды и каротиноиды) участвует в процессах зрительного восприятия, дифференцировки эпителиальных клеток и регуляции экспрессии генов. Его активная форма — ретиналь — является компонентом зрительного пигмента родопсина. Дефицит витамина A вызывает ксерофтальмию, задержку роста и нарушения иммунной функции.
Витамин D (кальциферолы) функционирует как стероидный гормон, регулирующий обмен кальция и фосфора. Его активная форма, кальцитриол (1,25-дигидроксивитамин D₃), усиливает всасывание кальция в кишечнике, стимулирует минерализацию костной ткани и предотвращает развитие рахита и остеомаляции.
Витамин E (токоферолы) выполняет роль антиоксиданта, защищая липидные структуры клеточных мембран от перекисного окисления. Он взаимодействует с реактивными формами кислорода, предотвращая повреждение мембран и ДНК. Недостаток витамина E приводит к гемолитической анемии и нейромышечной дистрофии.
Витамин K (филлохинон и менахиноны) необходим для синтеза γ-карбоксиглутаминовой кислоты, участвующей в активации факторов свертывания крови II, VII, IX и X. Его дефицит приводит к гипокоагуляции и кровоточивости.
Витамины группы B представляют собой коферменты, участвующие в реакциях дегидрирования, декарбоксилирования, трансферазных и изомеризационных процессах.
Витамин C (аскорбиновая кислота) функционирует как восстановитель и антиоксидант. Он участвует в гидроксилировании пролина и лизина при синтезе коллагена, а также в метаболизме тирозина и железа. Его недостаток вызывает цингу, характеризующуюся ломкостью сосудов и нарушением заживления тканей.
Минеральные элементы подразделяются на макроэлементы (кальций, фосфор, калий, натрий, магний, хлор, сера) и микроэлементы (железо, цинк, медь, марганец, селен, йод, кобальт, молибден и др.). Они выполняют структурные, каталитические и регуляторные функции.
Кальций (Ca²⁺) обеспечивает формирование костной ткани, участвует в передаче нервных импульсов, сокращении мышц и активации ферментов свертывания крови. Его концентрация в плазме регулируется паратгормоном, кальцитриолом и кальцитонином.
Фосфор (P) входит в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов и энергетических соединений (АТФ, креатинфосфат). Он необходим для фосфорилирования белков, регулирующего активность ферментов.
Магний (Mg²⁺) стабилизирует структуру нуклеотидов и служит кофактором АТФ-зависимых ферментов, включая киназы и полимеразы.
Калий (K⁺) и натрий (Na⁺) поддерживают мембранный потенциал и осмотическое равновесие клеток, обеспечивая транспорт питательных веществ через клеточные мембраны.
Хлор (Cl⁻) участвует в образовании соляной кислоты желудочного сока и поддерживает кислотно-щелочной баланс.
Железо (Fe) является компонентом гемоглобина, миоглобина и цитохромов, участвующих в переносе кислорода и электронов. Дефицит железа вызывает гипохромную анемию.
Цинк (Zn) входит в состав более 200 ферментов, включая ДНК-полимеразу, карбоангидразу и алкогольдегидрогеназу. Он необходим для синтеза белков, заживления тканей и регуляции экспрессии генов.
Медь (Cu) участвует в реакциях окисления через церулоплазмин и цитохром-c-оксидазу. Недостаток меди нарушает кроветворение и образование соединительной ткани.
Йод (I) входит в состав тиреоидных гормонов — тироксина и трийодтиронина, регулирующих скорость метаболизма. Его дефицит вызывает зоб и гипотиреоз.
Селен (Se) является компонентом глутатионпероксидазы, защищающей клетки от оксидативного стресса.
Между витаминами и минеральными веществами существует тесная биохимическая связь. Кальций и витамин D функционируют совместно в регуляции минерализации костей; железо и витамин C — в процессах усвоения и транспорта железа; цинк необходим для метаболизма витамина A; магний обеспечивает активацию ферментных систем, зависимых от витаминов группы B.
Дефицит витаминов или минералов приводит к нарушению ферментативных путей, снижению скорости обменных реакций, накоплению промежуточных метаболитов и развитию патологических состояний. Избыточное потребление жирорастворимых витаминов может вызывать токсические эффекты вследствие их накопления в тканях. Нарушения минерального обмена сопровождаются изменением осмотического давления, pH и активности ферментных систем.
Всасывание и биодоступность витаминов и минеральных веществ зависят от состояния желудочно-кишечного тракта, уровня pH, присутствия транспортных белков и антагонистов. Жирорастворимые витамины всасываются с участием желчных кислот, а водорастворимые — посредством активного транспорта или диффузии. Минералы конкурируют за общие транспортные системы, что определяет их взаимодействие и биодоступность.
Витамины и минералы образуют функциональную основу биохимических циклов: цикла Кребса, гликолиза, окислительного фосфорилирования, биосинтеза аминокислот и нуклеотидов. Они обеспечивают синергизм между ферментами, стабилизируют переходные комплексы и регулируют потоки энергии и веществ в клетке. Их сбалансированное поступление является биохимическим условием поддержания гомеостаза и нормального обмена веществ.