Роль вітамінів у життєдіяльності рослин та сільськогосподарській продукції

Як вітаміни впливають на життєдіяльність рослин

Вітаміни — це низькомолекулярні органічні сполуки, що координують ключові фізіологічні процеси. На відміну від людини та тварин, рослини здатні самостійно синтезувати практично всі необхідні їм вітаміни. Потрапляючи в рослинні тканини, ці речовини переходять в активну форму коферментів і вбудовуються в ферментні системи. Без їхньої участі обмін речовин сповільнюється, а розвиток організму зупиняється.

У рослинництві вміст вітамінів у готовій продукції визначає її кормову та харчову цінність. Дефіцит або надлишок цих елементів у кормах призводить до порушень обміну речовин у тварин. При відсутності вітамінів у раціоні розвиваються важкі патології, аж до загибелі поголів’я. Кожна група сполук відповідає за конкретні метаболічні процеси в живих організмах:

• розщеплення вуглеводів і вивільнення енергії — вітаміни В1, В2, РР;
• регуляція синтезу амінокислот та обміну білка — вітаміни В6, В12;
• розщеплення та синтез жирних кислот і жирів — вітамін В3;
• синтез пуринових і піримідинових основ, обмін нуклеїнових кислот — вітаміни В9, В12;
• утворення ацетилхоліну, глютатіону та стероїдних гормонів — окремі групи вітамінів;
• розвиток покривних тканин та ембріонів — жиророзчинні вітаміни А та Е;
• формування структур організму — вітамін D.

• Усього відомих вітамінів — близько 30
• Надходять в організм з їжею — 20
• Усього відомих ферментів — близько 800
• Працюють за посередництва вітамінів — близько 200

Основною причиною нестачі вітамінів у споживачів сільгосппродукції є незбалансований раціон або технологічні втрати при зберіганні та переробці сировини. Також дефіцит викликають пригнічення корисної мікрофлори кишечника, генетичні порушення обміну речовин і підвищена потреба організму при несприятливому кліматі. Це характерно як для людей, так і для сільськогосподарських тварин.

Усі вітаміни ділять на жиророзчинні та водорозчинні. Їхня хімічна структура лежить в основі назв, але на практиці часто зберігають літерні позначення. Більшість із них термостабільні та стійкі до зовнішніх впливів.

Синтез вітаміну А та роль каротиноїдів у фотосинтезі

У тканинах рослин чистий вітамін А не виробляється. Він присутній у вигляді чотирьох індивідуальних представників: ретинолу, ретинілацетату, ретиналю та ретиноєвої кислоти. Ці сполуки мають два вітамери — А1 і А2 (у А2 є додатковий подвійний зв’язок у β-іоновому кільці), які за структурою є 20-вуглецевими поліпреніловими спиртами. Вони утворюються безпосередньо в організмі споживача з рослинних каротиноїдів: α-, β- та γ-каротинів.

Найбільшу біологічну активність має β-каротин, що містить два β-іононові кільця. При гідролітичному розпаді під дією ферменту каротин-діоксигенази з однієї його молекули утворюються дві молекули ретинолу. Завдяки подвійним зв’язкам у молекулі речовина активно бере участь в окисно-відновних реакціях, утворюючи перекиси та прискорюючи окислення інших сполук.

У самих рослинах каротиноїди виконують роль обов’язкового компонента світлопоглинального пігментного комплексу. Вони відповідають за первинне поглинання світла та міжпігментне перенесення електромагнітної енергії. Це дозволяє рослині точно регулювати енергонасичення хлорофілу та підтримувати високу інтенсивність фотосинтезу.

Накопичення каротину в культурах та його вплив на якість продукції

Для агронома цінність товарних культур визначається не тільки врожайністю, а й якістю продукції, зокрема — вмістом каротину (провітаміну А). Накопичення каротину в зелених кормах прямо впливає на тваринництво: влітку, при великій кількості свіжої трави, молоко та вершкове масло багаті на вітамін А, тоді як взимку їхня вітамінна цінність різко знижується. В організмі людини і тварин цей жовтий пігмент перетворюється на вітамін А, беручи участь у формуванні зорових пігментів спільно з білками-опсинами, регулюючи ріст кісток і підтримуючи цілісність епітеліальних тканин.

Нестача вітаміну А веде до А-авітамінозу, який проявляється у вигляді «курячої сліпоти» (порушення нічного зору), сухості очних яблук, дрібного висипу на шкірі, втрати блиску та випадіння волосся. Дефіцит цього елемента критичний для людей, що працюють у нічні зміни: водіїв автобусів, тролейбусів, трамваїв, таксі та машиністів електровозів. Однак надлишок ретинолу також шкідливий — він викликає слабкість, зниження працездатності, падіння імунітету до застуд та інфекцій, втрату апетиту та збільшення печінки.

Вміст вітаміну А виражають у міжнародних одиницях (МО), де 1 МО дорівнює 0,6 мкг чистого β-каротину (1 мкг = 0,001 мг). Один грам чистого каротину еквівалентний 1 670 000 МО, а один грам чистого вітаміну А1 — 3 300 000 МО. У структурі цих сполук важливе місце посідають іонони — ненасичені кетони циклогексенового ряду.

• Добова потреба дорослої людини — 1,0 мг
• Потреба для вагітних жінок — 1,25 мг
• Потреба для матерів, що годують — 1,5 мг

Фізіологічне значення вітаміну B1 для рослин і людини

У рослинному організмі вітаміни групи B — включаючи B1 (тіамін), B2 (рибофлавін), PP (нікотинову кислоту), B6 (піридоксин), B9 (фолієву кислоту) та B12 (ціанокобаламін) — виконують найважливіші регуляторні функції. Особливу роль відіграє водорозчинний вітамін B1 (тіамін, або аневрин), що містить у своїй молекулі сірку та є похідним піримідину і тіазолу. Він виступає незамінним учасником вуглеводного обміну та клітинного дихання рослин.

Тіамін входить до складу коферменту карбоксилази (ензиму спиртового бродіння), що являє собою складний ефір тіаміну та пірофосфорної кислоти. У формі тіамінпірофосфату він виконує роль коферменту для піруватдекарбоксилази — ключового ферменту, що каталізує декарбоксилювання піровиноградної кислоти (CH3—COCOOH), яка утворюється при гліколізі. Також тіамін входить до складу ферментного комплексу, що каталізує окиснювальне декарбоксилювання кетокислот (наприклад, α-кетоглутарової) у реакціях циклу Кребса.

Для людини та тварин тіамін слугує важливим стимулятором нервової, м'язової та травної систем, беручи участь у білковому та жировому обміні. При його дефіциті розвиваються м'язова слабкість, болі в ногах, зниження уваги та дратівливість. Гострий гіповітаміноз веде до поліневриту (хвороби «бері-бері»), який виникає при тривалому одноманітному харчуванні зерновими, звільненими від зовнішніх оболонок, або полірованим рисом. Оскільки вітамін B1 концентрується саме в оболонках, технологія переробки врожаю безпосередньо впливає на харчову цінність продуктів.

Вітамінна цінність рослинницької продукції та потреби людини

Якість зібраного врожаю оцінюється не тільки його обсягом, а й біологічною цінністю для споживача. Вітаміни групи B, що накопичуються в товарних частинах рослин, безпосередньо визначають поживну цінність продукції. Наприклад, дефіцит вітаміну B1 (тіаміну) часто проявляється при захворюваннях ШКТ, печінки, затяжних лихоманках, а також у жінок у період вагітності та лактації. Грамотно складений раціон на основі овочевих, зернових та бобових культур дозволяє ефективно поповнювати цю нестачу.

Основними рослинними джерелами тіаміну є картопля, солодкий червоний перець, зелений горошок, щавель, цибуля, морква, цвітна капуста, томати, соя, квасоля та горіхи. Також високі концентрації вітаміну містяться в різних зернових та бобових культурах. Для агронома важливо орієнтуватися в реальному вмісті цих речовин у вирощуваних культурах для контролю якості отримуваної продукції.

• Добова потреба дорослого в B1 — 1,5 мг
• Потреба в B1 при вагітності та лактації — 1,8–2,3 мг
• Добова потреба дорослого в B2 — 1,5–3,0 мг

Фізіологічна роль вітамінів B2, B3 та B5 у метаболізмі

Вітамін B2 (рибофлавін) слугує важливим структурним елементом коферментів ФМН і ФАД, які забезпечують перенесення водню в окисно-відновних процесах. Цей вітамін активно бере участь у вуглеводному та білковому обміні, а також відповідає за нормальне функціонування органів зору. Нестача рибофлавіну призводить до різкої втрати ваги, тріщин на шкірі та губах, погіршення зору та сповільнення загоєння ран. Основними рослинними джерелами B2 виступають гречана крупа, томати, картопля, морква, цвітна капуста, зелений горошок і квасоля.

Вітамін B3 (пантотенова кислота) входить до складу коферменту А, який активує та переносить ацильні залишки, регулює синтез жирних кислот, лимонної кислоти та стеролів. При дефіциті пантотенової кислоти у людини та тварин порушується обмін речовин, розвиваються дерматити та випадає шерсть. Цей вітамін широко розповсюджений у природі, і його основними джерелами слугують зернові культури, картопля, томати, цвітна капуста та бобові.

Вітамін B5 (PP), представлений нікотиновою кислотою та нікотинамідом, запобігає розвитку небезпечного захворювання — пелагри. Його похідні НАД та НАДФ беруть участь у біологічному окисненні, гліколізі та циклі трикарбонових кислот. У тканинах вміст НАД зазвичай у 5–10 разів вищий, ніж НАДФ. Недостатність ніацину призводить до швидкої втомлюваності, безсоння, лущення шкіри та виразок на слизових оболонках, а його присутність у кормах критично важлива для засвоєння рослинного білка.

Концентрація вітамінів у різних культурах суттєво різниться. У таблиці нижче наведено детальні дані щодо вмісту вітамінів групи B, а також вітамінів E та H в основних сільськогосподарських культурах.

Азотний обмін і міцність клітин: роль вітамінів B6, B8 і B9 у рослинах

Якість урожаю безпосередньо залежить від протікання азотного обміну в тканинах рослин. Ключову роль у цих процесах відіграє вітамін B6, який об’єднує три активні речовини: піридоксин, піридоксаль та піридоксамін. У формі піридоксальфосфату він входить до складу ферментів, що каталізують переамінування, декарбоксилювання та рацемізацію амінокислот. Дефіцит цього вітаміну блокує біосинтез білків, що призводить до затримки росту рослин, а в людини і тварин викликає анемію, дерматит і судоми.

Вітамін B8 (активна форма — міоінозит) відповідає за структурну міцність тканин та накопичення поживних речовин. Він виступає попередником уронових кислот, що формують клітинні стінки рослин, а також бере участь у синтезі жирів і мембранних ліпідів. З’єднуючись із фосфорною кислотою, міоінозит утворює фітин — кальцій-магнієву сіль, яка слугує основним резервом фосфору в насінні. Дефіцит інозиту в раціоні людини призводить до ожиріння печінки, порушень функції нервової системи та сприяє розвитку атеросклерозу.

Вітамін B9 (фолієва або птероїлглютамінова кислота, фолацин) необхідний рослинам для поділу клітин та обміну вуглецю. Працюючи як кофермент, він забезпечує перенесення одновуглецевих фрагментів при біосинтезі пуринових основ, метіоніну та серину. Без достатньої кількості фолацину порушується відтворення ДНК і РНК, а також синтез білків у рослинних тканинах. Для людини дефіцит цього вітаміну небезпечний розвитком злоякісної «тропічної» анемії та зниженням опірності організму хворобам.

Вітамінна цінність продукції: від балансу елементів у полі до здоров’я людини

При плануванні структури посівів важливо враховувати амінокислотний склад культур, оскільки він безпосередньо впливає на здоров’я споживача. Потреба людини в ніацині (вітаміні PP) частково покривається за рахунок його синтезу з триптофану, де з 60 мг амінокислоти утворюється 1 мг ніацину. Якщо в структурі харчування переважають культури з низьким вмістом цієї амінокислоти, у населення розвивається серйозний вітамінний дефіцит.

На особливу увагу заслуговує кобальт як мікроелемент, необхідний для синтезу вітаміну B12 (кобаламіну, ціанкобаламіну). Цей вітамін виробляється виключно мікроорганізмами, а його активні форми — метилкобаламін у цитоплазмі клітини та дезоксиаденозилкобаламін у мітохондріях — беруть участь у перенесенні водню, створенні нових вуглецевих зв’язків та метаболізмі метилмалонової кислоти. Накопичення вітаміну в печінці людини та його синтез мікрофлорою кишечника неможливі без достатнього надходження кобальту з їжею.

Для оцінки якості отриманої продукції агроному необхідно орієнтуватися на норми споживання вітамінів та їх концентрацію в культурах. Правильний підбір сортів і умов вирощування дозволяє цілеспрямовано підвищувати вітамінну цінність зерна, овочів та плодів. Збалансований раціон споживачів безпосередньо залежить від мінерального та вітамінного складу продукції, зібраної з полів.

Накопичення вітамінів групи B та холіну в сільськогосподарських культурах

Вітамін B13 (оротова кислота) стимулює ріст організму та активно бере участь у білковому обміні. У клітинах рослин він стимулює синтез нуклеотидів, які входять до складу нуклеїнових кислот. У природі ця речовина накопичується у дріжджах, а також міститься у печінці тварин.

Вітамін B15 (пангамова кислота) міститься в усіх рослинних продуктах. Він бере участь у процесах переметилювання як донор метильних груп, активує окисно-відновні процеси та сприяє накопиченню макроергічних сполук. В організмі людини цей вітамін підвищує толерантність до кисневого голодування, знешкоджує токсичні речовини, стимулює роботу гіпофіза та надниркових залоз, а також попереджає ожиріння печінки. Добова потреба у пангамовій кислоті становить близько 2 мг.

Холін (холінхлорид) з хімічною формулою (СН3)3—N+(OH)-—CH2—CH2OH входить до складу фосфоліпіду фосфатидилхоліну. Він виступає донором метильних груп у реакціях переметилювання, бере участь у синтезі фосфатидів, ацетилхоліну, метіоніну, адреналіну та нуклеїнових кислот. Дефіцит холіну у тварин призводить до жирового переродження печінки та внутрішніх крововиливів. Цінними джерелами холіну серед сільгоспкультур є рис, овес, ячмінь, кукурудза, зародки пшеничних зерен та соєві боби, а також шпинат і білоголова капуста. Добова потреба людини у холіні становить 500–1000 мг.

Аскорбінова кислота та провітаміни D у рослинництві

Вітамін С (аскорбінова кислота) — це група водорозчинних сполук, похідних L-гулонової кислоти. В окисно-відновних реакціях він працює як донор водню: віддаючи два атоми водню, аскорбінова кислота переходить у дегідроаскорбінову (зворотний процес іде за участю ферменту дегідроаскорбіноксидази за рахунок водню глутатіону). Вітамін бере участь у клітинному диханні рослин, вуглеводному та амінокислотному обміні, а також підвищує їхню стійкість до стресових факторів середовища. У рослинній сировині речовина присутня у вигляді аскорбінової та дегідроаскорбінової кислот, а також аскорбігену.

Людський організм не може синтезувати або накопичувати вітамін С, тому його вміст в урожаї прямо визначає харчову цінність продукції. Основними його джерелами є томати, зелена цибуля, петрушка, капуста, айва, вишня, смородина чорна, лимон, апельсин, а також солодкий («болгарський») перець та шипшина. Абсолютним рекордсменом виступають незрілі (зелені) плоди волоського горіха, що містять до 3500 мг % вітаміну C, що у 50 разів більше, ніж у цитрусових. Через високу частку споживання важливим джерелом залишається картопля, хоча концентрація вітаміну в ній нижча. Добова потреба у вітаміні C становить для чоловіків від 50–100 мг, для жінок — 48–80 мг, для вагітних — 72 мг, для жінок, що годують груддю — 80 мг.