Строение, свойства и биологическая роль биотина и тиамина

СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА И БИОЛОГИЧЕСКАЯ  РОЛЬ БИОТИНА И ТИАМИНА

 

  

План:  

 

1. Биотин

Исторические сведения

Химические и физические свойства биотина 

Аналоги и ингибиторы

Распространение биотина в природе 

Биосинтез биотина 

Обмен биотина в организме 

Участие биотина в обмене веществ и механизм действия

Взаимодействие с другими витаминами

Потребность организма в биотине 

Проявление недостаточности биотина 

Профилактическое и лечебное применение биотина 

 

      2.   Тиамин

Исторические сведения

Химические и физические свойства витамина

Распространение витамина В  ₁ , в природе

Обмен тиамина в организме 

Образование тиаминфосфатов (ТФ)

Роль отдельных группировок  в молекуле тиамина для его  связывания   в тканях

Коферментные функции тиаминдифосфата 

Некоферментная активность тиамина и некоторых его производных

Тиаминофосфаты (ТФ)

Свободный тиамин и его производные 

Физиологическое значение  

 

 

Биотин  

 

Исторические  сведения

Для обеспечения жизнедеятельности  дрожжевых клеток в искусственную  питательную среду необходимо внести какое-то органическое вещество (фактор роста). Этот фактор роста он предложил назвать «биосом» (от греч. «bios»—жизнь). Изучение природы «биоса» привело к заключению, что «биос» представляет собой комплекс факторов роста, отличающихся друг от друга по физико-химическим свойствам. Экстракты, содержащие «биос», при обработке уксуснокислым свинцом разделялись на две биологически активные фракции. Фракция, выпадавшая в осадок, была названа «биос I», а фракция, остававшаяся в растворе, получила название «биос II». В 1928 г . «биос I» выделен из чая и идентифицирован как инозит. В 30-х годах «биос II» подвергался тщательному изучению и был разделен на две фракции—«биос IIа» и «биос IIв»—путем адсорбции последней на животном угле.

В 1935—1936 гг. Kogi и Tonnies впервые выделили кристаллический биотин из желтка яиц. Для этой цели они использовали 250 кг желтков яиц и получили 100 мг биотина с температурой плавления 148°. Позже было найдено, что некоторые виды Rhizobium требуют для своего роста какое-то органическое вещество, присутствующее в культурах Azotobacter в гидролизованных дрожжах и других естественных источниках. Это вещество получило название «коэнзим Р». Сравнительное изучение действия на рост Rhizobium «коэнзима Р» и кристаллического препарата биотина показало, что оба вещества обладают одинаковыми биологическими свойствами.

Проводя опыты на крысах   Gyorgy обнаружил, что ряд естественных источников содержит вещество, предохраняющее животных от заболевания, вызываемого избытком белка яиц, и предложил назвать его витамином H.

В 1939 г . Gyorgy получил препарат витамина Н из печени. В процессе изучения физико-химических свойств препаратов витамина Н и распространения  его в естественных источниках возникла мысль об идентичности витамина Н и биотина. Экспериментальная проверка показала, что наиболее очищенные препараты витамина Н полностью заменяют коэнзим Р при испытании на культурах Rhizobium tritolii и биотин при испытании на дрожжах. С другой стороны, коэнзим Р или биотин полностью заменял витамин Н при испытании на   животных.

Таким образом, витамин Н и биотин полностью идентичны. Дальнейшие исследования дали возможность установить химическое строение биотина и осуществить  его синтез.  

  

 

Химические  и физические свойства биотина

Структура витамина соответствует 2 ^/ -кeтo-3,4-имидaзoлидo-2-тeтpaгидpoтиофен-н-валериановой кислоте.  

 В молекуле биотина имеется  три асимметрических атома углерода, что обусловливает существование 8 стереоизомеров. Молекула биотина состоит из имидазолового   и тиофенового   колец. Гетероцикл можно рассматривать как тиофеновое кольцо, связанное с уреидной группировкой. Приведенная структура биотина была подтверждена полным его химическим синтезом.

Биотин образует игольчатые кристаллы. Температура плавления 232°. В поперечном сечении кристалл представляет собой ромб, острые углы которого равны 55°. Длина осей: а—5,25Ǻ, b—10,35Ǻ, с— 21,00Ǻ. Плотность кристаллов 1,41. Молекулярный вес биотина на основе химической формулы равен 214. Нa на основе рентгеноскопического анализа 245±6. При исследовании кристаллической структуры биотина установлено, что алифатическая цепь находится в цис-положении по отношению к уреидной циклической группировке.

Traub   считает возможным образование внутримолекулярной водородной связи, которая возникает между кислородом карбонильной группы и одним из кислородных атомов карбоксильной группы в результате близкого расстояния между N- 3’ и С-6 равного 2,4Ǻ; все остальные расстояния в молекуле составляют более 3,4Ǻ. Образование такой связи должно изменять распределение зарядов в уреидном кольце со смещением, кэтоэнольного. равновесия .к энолу, что: приводит к изменению химической реактивности N-1. Наличие водородной связи в известной мере определяет биологическую активность биотина и его производных. В 1965 г . установлена структура и относительная конфигурация каждого асимметрического центра биотина, а в 1966 г . абсолютная стереохимия витамина.

Биотин устойчив к действию ультрафиолетовых и рентгеновых лучей. Он разрушается  под влиянием перекиси водорода, соляной кислоты, едких щелочей, формальдегида и сернистого газа. Он не изменяется под действием молекулярного кислорода, серной кислоты, гидроксиламина. В ультрафиолетовых лучах для биотина не обнаружено специфического поглощения.

Биотин хорошо растворим в воде и спирте, трудно растворим в эфире, углеводородах парафинового ряда и  несколько лучше в циклогексане, бензоле, галогенизированных углеводородах, спиртах и кетонах (ацетон).  

 

Аналоги и  ингибиторы .

Биотин обладает биологической активностью. Удаление или замена каких либо атомов или групп атомов приводит к полной потере активности (дегидробиотин, гемоглобин, норбиотин). Только одна группа производных, полученных окислением атома серы (сульфобиотин и биотинсульфоксид) или заменой серы кислородом (оксибиотин) или двумя атомами водорода (дестиобиотин), проявляет биологическую активность. Сульфобиотин заменяет потребность в биотине у некоторых дрожжей   но оказывается  

  

  

 

антагонистом витамина для L. casei, E. coli и Neurospora.

Производные биотина, среди которых  наиболее изучен биоцитин, обладающий высокой   активностью для многих микроорганизмов, выделен в кристаллическом виде из дрожжей. В 1951 г . расшифрована его структура. Оп представляет собой пептид биотина и лизина. В 1952 г . осуществлен синтез биоцитина. Степень использования биоцитина разными микроорганизмами резко различается. Возможной причиной этого может быть наличие или отсутствие биоцитиназы, которая расщепляет биоцитин с освобождением свободного биотина .

Биологическая активность биотина  и его аналогов обусловлена внутримолекулярной связью, что позволяет объяснить  причины наличия или отсутствия биологической активности для большинства  изомеров и производных биотина. Так, образование водородной связи исключено у всех других оптических изомеров, кроме D-биотина, а также у производных с более длинной или укороченной боковой цепью, что приводит к полной потере биологической активности (гомобиотин, норбиотин). Неактивность гуанидиновых аналогов биотина, биотинола, оксибиотинола также объясняется отсутствием у них водородной связи.

Некоторые производные биотина, которые  образуются без нарушения водородной связи, сохраняют биологическую активность (дестиобиотин, оксибиотин, биоцитин и ряд аминокислотных производных биотина).

Сейчас выяснена причина патологических изменений, возникающих при кормлении  животных сырым яичным белком. В  нем содержится авидин—белок, который  специфически соединяется с биотином (введенным внутрь с пищевыми продуктами или синтезированным кишечными микроорганизмами)   в неактивный комплекс и тем самым препятствует его всасыванию. Авидин содержится в яичном белке курицы, гуся, утки, индейки и лягушки. В 1942 г . он получен в кристаллическом виде и оказался глюкопротеидом с молекулярным весом 70000. Авидин стехиометричёски связывает эквимолярные количества биотина, образуя прочный комплекс, который не расщепляется ферментами пищеварительного тракта. Комплекс авидина с биотином термически устойчив и полностью диссоциирует только в автоклаве при 120° за 15 минут. С авидином соединяется DL-оксибиотин и некоторые другие аналоги биотина, но сродство авидина к биотину намного больше, чем к его производным. Изучение взаимодействия биотина и его производных с авидином показало необходимость уреидной группы в молекуле витамина, тогда; как карбоксильная группа и атом серы не являются необходимыми для образования комплекса. Авидин является универсальным ингибитором биотина. Его способность связывать биотин широко используется при изучении механизма участия этого витамина в процессах обмена веществ: торможение той или иной биохимической реакции   авидином   является существенным доводом в пользу возможности участия в ней биотина. Авидин применяется для получения экспериментальной биотиновой недостаточности у животных.  

 

Распространение биотина в природе  

 

Биотин обнаружен у микроорганизмов   растений и животных. Содержание его определено в различных систематических группах животных: простейших, насекомых, рыб, земноводных, птиц, млекопитающих. Наиболее высокий уровень биотина обнаружен в личинках насекомых и наименьший — у пресмыкающихся. Рекордное количество (6,81 мкг/г) найдено в печени акулы. Содержание биотина в организме животных не зависит от принадлежности животного к определенной систематической группе. Анализ тканей показал большое различие в содержании биотина в органах одного и того же животного. Наиболее богаты витамином печень, почки, надпочечники; сердце и желудок содержат среднее, а мозговая ткань, легкие и скелетные мышцы — минимальное количество биотина.

Ниже приведено содержание биотина  в различных продуктах животного и растительного происхождения.  

 

Содержание биотина  в пищевых продуктах (В. В. Филиппов, 1962)

Продукты животного происхождения	Биотин в мкг на продукта	Продукты животного 100 г происхождения	Биотин в мкг на 100 г продукта
Печень свиная	250	Рисовые отруби	46
» говяжья	200	Рожь, цельное зерно	46
Почки свиные	180	Земляные орехи	40
Сердце быка	8—50	Пшеничная мука	9—25
Яйцо (желток)	30	Цветная капуста	17
Сардины (консервы)	24	Шампиньоны	16
Ветчина	10	Горошек зеленый	6
Камбала	8	Бананы	4,4
Мясо курицы	6	Дыня	3,6
» говядины	5	Лук свежий	3,5
Молоко коровье	5	Капуста белокочанная	2.5
Сыр	4	Морковь	2,5
Сельдь	4	Апельсины	1,9
Телятина	1,5—2	Яблоки	0,9
Соя, бобы	60	Картофель	0,5—1,0

 

  

Наиболее богаты витаминами свиная и говяжья печень, почки, сердце быка, яичный желток, а из продуктов растительного  происхождения—бобы, рисовые отруби, пшеничная мука и цветная капуста. В животных тканях и дрожжах биотин находится преимущественно в связанном с белками виде, в овощах и фруктах—в свободном состоянии.  

 

Биосинтез биотина.

Биосинтез биотина осуществляют все  зеленые растения, некоторые бактерии и грибы. Изучение путей биосинтеза биотина началось после выяснения строения его молекулы. Химическое расщепление биотина проходит через образование дестиобиотина, диаминопеларгоновой кислоты и, наконец, пимелиновой кислоты. Вполне естественно было предположить, что биосинтез биотина может проходить путем постепенного усложнения молекулы пимелиновой кислоты. В пользу этого говорил тот факт, что пимелиновая кислота способна заменять биотин у некоторых микроорганизмов как фактор роста. Она стимулирует синтез биотина: меченая пимелиновая кислота обнаруживается в углеродном скелете биотина.

Изучение структурной формулы  биотина привело к предположению, что атомы I,1', 4 и 5 происходят из декарбоксилированной молекулы цистеина (см. формулу), атомы 2 и 3 происходят из карбамилфосфата и связаны, таким образом, с имеющимся в клетках «пулом» СО ₂ в то время как остальные семь атомов (2, 3, 6, 7, 8, 9 и 10) происходят из углеродного скелета пимелиновой кислоты. Высказанное предположение подтверждено экспериментально при изучении биосинтеза  

  

 

Биотина в культурах Achromobacter, выращенных на синтетических средах, к которым  добавляли либо 3-С ¹⁴ -цистеин, либо МаНС ¹⁴ О _з . Синтезированный бактериями радиоактивный биотин   расщепляли и таким образом изучали распределение в нем радиоактивного углерода. Основываясь на полученных результатах, Lezius и соавторы в 1963 г . предложили схему синтеза биотина.

Согласно этой схеме, началом синтеза  является конденсация пимелил-КоА  и цистеина. Затем происходит декарбоксилирование, что приводит к образованию 9-меркапто-8-амино-7-оксопеларгоновой кислоты. Взаимодействие аминогруппы этой кислоты с карбамилфосфатом вызывает образование уреидного производного, которое после отщепления воды может циклизоваться, давая биотин с характерным для него двойным циклом.  

 

По способности синтезировать  биотин и дестиобиотин все исследованные  организмы делятся на 4-е группы:

Способные синтезировать большое  количество биотина и дестиобиотина  из глюкозы в отсутствие пимелиновой   кислоты.

Стимулирующие при помощи пимелиновой  кислоты и дестибиотина биосинтез  биотина.

Активно осуществляющие превращение  дестибиотина в биотин.

Образующие дестиобиотин из пимелиновой  кислоты, но не способные превращать его в биотин.

Изучено более 600 штаммов бактерий, использующих углеводороды для синтеза биотина, из которых 35, синтезируют витамин в больших количествах (>100 мкг/мг). Наибольшее количество биотина образует Pseudomonas sp. штамм 5-2 при выращивании на керосине. Специфическим активатором накопления биотина   является   аденин. Экзогенные пимелиновая и азелаиновая кислоты увеличивают образование блотина. из керосина. Лучшими источниками углерода оказались н-алканы с углеродной цепью из 15—20 атомов, в частности н-ундекан. Промежуточными продуктами в синтезе биотина из ундекана являются пимелиновая и азелаиновая кислоты (Toshimichi e. a., 1966).