Как известно, во всех живых организмах есть биологические катализаторы — ферменты, ничтожно малые количества которых в сотни и тысячи раз ускоряют бесчисленные биохимические реакции. Ферменты принимают непосредственное участие в различных превращениях веществ, в снабжении организма энергией и т. д. В отсутствии ферментов многие жизненно необходимые реакции или вообще не могли бы идти, или протекали бы так медленно, что не в состоянии были бы обеспечить жизнедеятельность организма. Можно смело сказать, что без ферментов не было бы жизни.
Сейчас твердо установлено, что все ферменты — белковые вещества. В большинстве случаев они представляют собой сочетание белкового «носителя» с особой активной группой — так называемым коферментом, который вступает в химическое взаимодействие с субстратом. Так вот активной группой многих ферментов оказываются витамины. В зависимости от того, с каким белком соединяется кофермент-витамин, образуется тот или иной фермент. Так, например, витамин B2 способен соединяться более чем с 20 белками, образуя соответствующее число ферментов с различными физиологическими функциями.
Витамин B1 вместе с двумя молекулами фосфорной кислоты образует активную группу карбоксилазы — фермента, очень широко распространенного в растениях и животных и необходимого для превращений углеводов. Эта активная группа, соединяясь с различными белками, может давать начало ферментам с совершенно различными функциями.
Витамины C, PP, фолиевая кислота, биотин, пантотеновая кислота, входя в состав соответствующих ферментов, принимают непосредственное участие в процессе дыхания, в превращениях азотистых веществ, серы и т. д.
По-видимому, нельзя назвать ни одного процесса превращения веществ в растении, в котором витамины прямо или косвенно не принимали бы участия.
Рассказ об участии витаминов в разнообразных превращениях веществ удобно начать с того процесса, который дает начало всем органическим веществам — процесса фотосинтеза. В этом процессе в зеленых частях растения из углекислого газа и воды на свету образуются органические вещества. Уже более 100 лет внимание ученых устремлено на выяснение природы фотосинтеза, и сейчас отдельные его этапы изучены достаточно полно. Биохимикам удалось шаг за шагом проследить путь поглощенной листом углекислоты до образования сложных органических соединений, выяснить роль многих принимающих участие в фотосинтезе ферментов, понять, каким образом энергия света, поглощенная зеленым пигментом листа — хлорофиллом, включается в химические реакции. И на всех этапах этого сложного процесса мы встречаемся с витаминами.
В первую очередь это провитамин A — каротин: он всегда сопутствует хлорофиллу, всегда есть в хлорофилловых зернах. Сейчас известно, что каротин наряду с хлорофиллом участвует в поглощении энергии света. Кроме того, он предохраняет хлорофилл от разрушения.
Витамин C также защищает зеленый пигмент от окисления. Вместе с тем этот витамин совместно с витамином K участвует в сложных синтетических реакциях, происходящих при фотосинтезе.
Существовавшее до последнего времени представление, что в процессе фотосинтеза образуются лишь углеводы, сейчас подверглось сомнению. Экспериментально было доказано, что одновременно, тоже при наличии света и углекислоты, идет синтез аминокислот и белка. А в этих процессах, как увидим дальше, принимают участие витамины B6, РР, биотин и другие.
В последующих превращениях продуктов фотосинтеза принимает участие и витамин B1, входящий, как мы уже говорили, в состав кофермента карбоксилазы. Карбоксилаза необходима для превращений пировиноградной кислоты, а эта кислота, образующаяся как один из продуктов фотосинтеза, служит в свою очередь источником синтеза аминокислот (следовательно, и белков), различных органических кислот, в том числе и жирных кислот, а через них — жиров. При отсутствии или недостатке витамина B1 задерживается образование фермента и весь углеводный обмен в организме нарушается. Это выражается в торможении ростовых процессов.
При участии витамина B1 происходит отщепление углекислоты от пировиноградной кислоты и реакция присоединения к этой кислоте углекислого газа. Именно таким путем, как оказалось, происходит так называемая «темновая фиксация» углекислого газа, недавно обнаруженная в корнях высших растений (А. Л. Курсанов). Этот процесс, по результатам аналогичный фотосинтезу, идет без света, за счет энергии химических соединений. Образовавшаяся из пировиноградной щавелевоуксусная кислота здесь же в корнях претерпевает дальнейшие превращения: в результате присоединения к ней аммиака образуются аминокислоты, которые из корней поднимаются вверх по растению, поступают в растущие побеги и плоды, где используются для образования белков.
Таким образом, витамин B6 принимает непосредственное участие в судьбе аммиака, являющегося, по меткому выражению Д. Н. Прянишникова, альфой и омегой обмена азотистых веществ. Витамины участвуют и в дальнейшем синтезе аминокислот и белков, а также в их разложении.
Значительная роль принадлежит витаминам в усвоении и превращениях фосфора. Соединения фосфора во всех живых системах служат аккумуляторами энергии. Накопленная в реакционноспособных фосфорных соединениях энергия затем используется для других реакций. Вот в эти-то фосфорные соединения и входят многие витамины. Их присутствие важно для связывания большого количества поступившей в растение фосфорной кислоты.
Такую роль выполняет, например, инозит. Нашими опытами было показано, что витамин РР, будучи внесен в почву или введен в листья, тоже заметно усиливает поглощение растением фосфора.
Витамин B1 принимает непосредственное участие в превращениях серы. Как недавно стало известно, в корнях происходит превращение сульфатов, поступающих из почвенного раствора, в витамин B1 и в аминокислоты.
Огромна роль витаминов и в дыхании. Дыхание у растений, как и у животных, является важнейшим источником энергии для всех процессов синтеза, роста, движения и т. д. Вместе с тем при дыхании образуются многие важные для организма соединения. Дыхание осуществляется в организме при помощи сложной системы ферментов. По образному выражению А. Н. Баха, без дыхательных ферментов, «организм задохнулся бы в атмосфере чистого кислорода».
30 лет назад был впервые найден фермент, принимающий непосредственное участие в дыхании. Изучение химической природы этого фермента показало, что в его состав входит соединение витамина B2 с фосфорной кислотой. Позднее были изучены другие ферментные системы, в которых витамин B2 выполняет окислительно-восстановительные функции. Стало ясно, что ни одна живая клетка не может существовать, если в ней отсутствует витамин B2. Ибо там, где есть жизнь, должно быть дыхание, а там, где есть дыхание, должны быть ферментные системы, осуществляющие окислительные реакции.
Большую роль в процессах дыхания играют и витамины C, B1, РР, фолиевая кислота, биотин, пантотеновая кислота и др. Каждый из этих витаминов, входя в состав соответствующего фермента, выполняет свойственную для него функцию в сложном процессе, каким является дыхание. Не случайно, поэтому, что при прорастании семян имеет место энергичное образование витаминов. Ведь энергия дыхания прорастающих семян очень высока.