Реферат: Строение, свойства и биологическая роль биотина и тиамина

СООН

СНз-СНа—СО~S-КоА + НООС-СН₂—СО—СООН

Биотиновые ферменты представляют собой олигомеры с большим мо­лекулярным весом (порядка 700000) и, как правило, содержат 4 моля связанного биотина на 1 моль фермента, поэтому кажется вероятным, что они состоят из 4 субъединиц с молекулярным весом 175000, каждая из которых содержит одну молекулу биотина.

В работах Lynen (1964) расшифрован механизм участия биотина в реакциях карбексилирования. Установлено, что реакции карбоксилирования являются двухстадийными. Первая стадия сводится к образо­ванию «активной С0₂» в форме С0₂~биотинфермента:

АТФ + Н С0^-₂+ биотинфермент АДФ + Фнеорг. + С0₂~биотинфермент.

Вторая стадия заключается в переносе «активной С0₂» на акцептор:

С0₂~биотинфермент + R₂H биотинфермент + R₂— С00^-

Аналогичный двух стадийный механизм предложен и для реакций транскарбоксилирования:

R₁ —С00^- + биотинфермент С0₂ ~биотинфермент R₂H;

С0₂~биотинфермент + R₂HR₂— С00^- + биотинфермент.

После установления существования «активной С0₂» в виде С0₂~биотинфермента установлен характер связи между С0₂ и биотином. Этому способствовало открытие того факта, что β-метилкротонил-КоА-карбоксилаза способна карбоксилировать свободный биотин, пере­водя его в карбоксибиотин. В дальнейшем меченый карбоксибиотип был выделен в опытах с С¹⁴-бикарбонатом и идентифицирован как Г-М-карбоксибиотин. Его структура была подтверждена химическим синтезом. К атому времени уже было известно, что в биотиновых фер­ментах карбоксильная группа биотина соединена с ε-NH₂-группой лизи­на ферментного белка ковалентной связью. На основании этих данных предложена структура С0₂~биотинфермента.

Эта структура получила ряд экспериментальных подтверждений и в настоящее время является общепринятой для всех биотиновых фер­ментов. Реакционная способность углекислоты, связанной с биотином, находит выражение в энергетических взаимоотношениях. Величина сво­бодной энергии распада С0₂~биотинфермента равна 4,74 ккал/моль, что дает основание причислить С0₂~биотинфермента к «богатым энергией» соединениям.

Исключительно большой интерес представляет совершенно неизучен­ная проблема регуляции активности биотинсодержащих ферментов и организме. В этой связи особенно важны исследования по биосинтезу молекулы биотина и образованию холоферментов из биотина и соответ­ствующего ферментного белка. Данные по первому вопросу изложены в разделе «Биосинтез». Что касается образования холофермента, то можно считать установленным, что во всех биотиновых ферментах био-тнн связан с ε-аминогруппой лизина. Этот способ связи эксперименталь­но доказан почти для всех карбоксилаз и метилмалонил-КоА-оксалоаце-таттранскарбоксилазы. Недостаточные по биотину клетки Propionibacterium shcemanii содержат апофермент и специфическую синтетазу, которая катализирует при использовании АТФ соединение биотина с апоферментом, приводящее к образованию активного холофермента траискарбокснлазы. Необходимыми кофакторами этой реакции являют­ся АТФ и Mg²⁺. При использовании очищенных ферментов удалось до­казать, что образование холотранскарбоксилазы происходит в два этапа, причем промежуточным соединением является биотиниладенилат (R-CO-5'-AMФ):

Mg2+

I. АТФ + R— С0₂Н + синтетазаR-СО-5’- АМФ - синтетаза + пирофосфат

(биотин

II. R-СО-5’- АМФ - синтетаза + Н₂М-фермент R-CO-NH-фермент +

+5’-AMФ+cинтeтaзa.

Синтетический биотиниладенилат обладает способностью заменить смесь АТФ, MgCl и биотина при синтезе холофермента (Lynen, 1964). Позже было установлено, что образование других холоферментов про­текает аналогичным образом. Все известные ферментативные реакции, для которых установлено участие биотина в качестве кофермента, явля­ются процессами переноса углекислоты. По-видимому, в обратимом при­соединении и отдаче СО; и состоит исключительная функция этого вита­мина в обмене веществ. Однако при биотиновой недостаточности нару­шаются очень многие реакции обмена в интактном организме. Так, - биотин вовлечен в биосинтез белков, дезаминирование аспартата, серина и треонина у бактерий, обмен триптофана, жиров и углеводов, синтез пуринов, образование мочевины у животных и др. Природа участия био­тина во многих из этих реакций остается неясной. Все перечисленные процессы имеют одну общую черту: при изучении in vitro они не тормо­зятся авидином. На основании этих данных считается, что биотин ока­зывает.непрямое действие на указанные превращения, которые катали­зируются ферментами, не содержащими этого витамина.

Ввиду чрезвычайной важности нeкоторых из этих реакций для жизне-деятельности организма необходимо рассмотреть их. Рядом авторов отмечено, что при недостаточности биотина в рационе крыс снижается включение в белок меченых аминокислот. Так, включение (С¹⁴-метионина, С¹⁴-лейцина и С¹⁴-лизина в тканевые белки снижается на 20—40% причем недостаточность биотина влияет на стадию образования амино-ацил-транспортной РНК. Препараты тРНК из печени нормальных крыс включают значительно больше меченых аминокислот, чем препараты печени авитаминозных животных (Dakshinainurti, Misty, 1964). Еще ра­нее было установлено, что у авитаминозных животных нарушается син­тез амилазы в поджелудочной железе и сывороточного альбумина в пе­чени, причем однократное введение 100 мкг биотина восстанавливает способность тканей к синтезу указанных белков. Добавление in vitro α-кетоглутарата и фумарата также восстанавливает образование ами­лазы и сывороточного альбумина (А. А. Познанская, 1957).

Эти данные показали, что биотин не принимает прямого участия в синтезе белка de novo, а его влияние на этот процесс, по-видимому, оп­ределяется вовлечением биотина в синтез субстратов трикарбонового цикла. Такое предположение нашло подтверждение в опытах на цыпля­тах: скармливание сукцината авитаминозным птицам восстанавливало до нормы включение аминокислот в тканевые белки и РНК. Так как об­разование С4-дикарбоновых кислот в организме животных протекает че­рез фиксацию СО₂, осуществляемую биотиновыми ферментами, то ста­новятся ясными причины нарушения синтеза белка при биотиновой недо­статочности. В организме авитаминозных цыплят значительно снижены скорость окисления глюкозы до СО₂ и включение ее в гликоген печени. Имеются указания на снижение глюкокиназной активности при недо­статочности биотина, хотя витамин не был обнаружен в препаратах кристаллического фермента. Возможно, что участие биотина в обмене. углеводов является непрямым. В результате нарушения утилизации глю­козы в организме животных при исключении биотина из корма наруша­ется превращение D-глюкозы в L-аскорбиновую кислоту.

При недостаточности биотина содержание липидов в печени живот­ных снижается на 30°/о, что обусловлено снижением синтеза жирных кислот. Отсутствие биотина в корме цыплят приводит к повышению со­держания триглицеридов, пальмитиновой и пальмитолеиновой кислот в печени, а также соотношения жирных кислот СО₁₆, СО₁₈ соотношение между насыщенными жирными кислотами при этом снижается. Включе­ние введенных СО¹⁴-стеариновой и СО¹⁴-пальмитиновой кислот в фосфолипиды значительно повышается при недостаточности биотина, а включе­ние их в триглицериды—снижается. При этом общее количество жир­ных кислот по сравнению с контролем понижено. В печени авитаминоз­ных крыс снижено включение СО¹⁴-ацетата в липиды и наблюдается большее содержание ненасыщенных жирных кислот СО_16:1 и СО_18:2, тогда как уровень стеариновой кислоты снижен. Исключение биотина из кор­ма крыс в течение 60 дней приводит к значительному снижению уровня цитидиловых, адениловых и гуаниловых нуклеотидов в печени. Содержа­ние уридиловых нуклеотидов при этом почти не изменяется, а инозиловых — немного повышается. В то же время отсутствие биотина в ра­ционе не влияет на содержание РНК и ДНК, а также на включение в них Р³², введенного внутрибрюшинно в виде Na₂HP³²O₄.

Наконец, в гомогенатах печени авитаминозных крыс резко снижено образование цитруллина, которое полностью восстанавливается через 24 часа после введения животным биотина. Однако биотин не обнару­жен в препаратах ферментов, участвующих в синтезе мочевины (карбамилфосфатсинтетаза, орнитинтранскарбамилаза и др.) и, по-видимому, в данном случае оказывает непрямое действие на эту реакцию.

6.1 Взаимодействие с другими витаминами. Установлена связь биотина с другими витаминами, в частности с фолиевой кислотой, витамином B₁₂ - аскорбиновой кислотой, тиамином и пантотеновой кислотой. 0собенно тесные взаимоотношения существуют между биотином и фолиевой кислотой. Сначала было показано, что при недостатке биотина в печени крыс значительно снижено общее содержание веществ, обладающих активностью фолиевой кислоты. и что биотин стимулирует биосинтез этого витамина с флорой. Позднее было установлено, что у биотинавитаминозных крыс значитель