Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Метаболизм. Процессы, требующие притока энергии
Биологическая роль и биосинтез витаминов
Водорастворимые витамины

Водорастворимые витамины можно классифицировать по структуре их молекул и выполняемым в организме функциям (рис. 17.5). Коферментные витамины выполняют функцию кофакторов ферментов, некоферментным витаминам присущи иные, довольно разнообразные функции.

Рис. 17.5. Классификация водорастворимых витаминов. На схеме показаны истинные витамины и витаминоподобные вещества

Витамин В₁ (тиамин). Этот витамин был выделен в виде чистого вещества первым (польским ученым К. Функом, 1912 г.). Молекула тиамина состоит из пиримидинового (П) и тиазолового (Т) колец, соединенных метиленовой группой (рис. 17.6). Активной формой витамина является тиаминдифосфат (рис. 17.6), выполняющий функции простетической группы декарбоксилаз кетокислот. Тиаминдифосфат (кокарбоксилаза) участвует в таких важных процессах, как окислительное декарбоксилирование пирувата (глава 11), транскетолазные реакции пентозофосфатных путей и цикла Кальвина, расщепление a-оксикетонов и a-дикетонов. Основным каталитическим центром фермента является 2-й углеродный атом тиазола (рис. 17.6). Для витамина В₁ характерны и некоферментные функции: участие в активном переносе богатых энергией фосфатных групп, участие в окислительновосстановительных реакциях, в проведении нервного импульса.

Синтезируют тиамин растения, дрожжи, многие бактерии, в том числе те, что населяют кишечник человека и животных (E.coli, Proteus vulgaris, Bacillus mesentericus, Alcaligenes faecalis). Поэтому B₁-витаминозы у взрослых людей встречаются редко. Однако в определенные периоды жизни потребность в тиамине может возрастать в несколько раз, например у женщин при беременности и кормлении детей грудным молоком. Этот витамин содержится в зерновых культурах, бобовых, дрожжевых продуктах, в постной свинине.

Рис. 17.6. Структура витаминов В₁, В₆, В₉ и их коферментных форм. Участие пиридоксальфосфата в реакциях трансаминирования

Суточная потребность взрослого человека в тиамине составляет 1,5 мг. При его недостатке развиваются сердечно-сосудистые заболевания, мышечная атрофия, болезнь бери-бери, которая сопровождается расстройством нервной системы.

Тиамин используют в медицине, им обогащают напитки и некоторые сорта хлеба, применяют в фармацевтической промышленности. Вносят в корма для животных.

Витамин В₂ (рибофлавин). Представляет собой гетероциклическое соединение флавиновой природы (рис. 7.4), содержащее функционально активную изоаллоксазиновую систему. Рибофлавин служит структурным элементом таких простатических групп, как FAD и FMN, функции которых описаны в главе 7.

Суточная потребность в рибофлавине составляет 1,8 мг. Рибофлавином богаты молоко, яйца, печень и почки животных, овощи, дрожжи. Этот витамин поступает в организм также за счет деятельности кишечной микрофлоры. В₂-авитаминозы выражаются в заболеваниях кожи (трещины в уголках рта), задержке роста, воспалении слизистых оболочек, в том числе роговицы глаза, что связано с ослаблением зрения, быстрой утомляемости, заболеваниях кроветворной и нервной системы.

В природе рибофлавин синтезируют растения, мицелиальные грибы, дрожжи, бактерии. Пути биосинтеза рибофлавина хорошо изучены для бактерий Salmonella typhimurium, дрожжей рода Saccharomyces, грибов рода Eremothecium и имеют много общего. У дрожжей предшественником для синтеза рибофлавина служит ГТР. На первой стадии происходит раскрытие имидазольного кольца в составе остатка гуанина и отщепление 8 углеродного атома, который выделяется в виде формиата (рис. 17.7). Затем происходит последовательное отщепление пирофосфата, внутримолекулярная перестройка (перегруппировка Амадори), восстановление, отщепление аминогруппы (замещается на кетогруппу) и отщепление ортофосфата. Формируется диоксиаминорибитиламинопиримидин (ДОАРАП), к которому присоединяется восемь атомов углерода, необходимых для построения бензольного ядра. Полагают, что источником этих атомов углерода является пируват, который превращается в ацетоин или диацетил. Добавление атомов углерода происходит в ходе двух стадий: на первой из них присоединение четырех атомов углерода приводит к образованию диметилрибитиллюмазина, одна из молекул которого на второй стадии выступает в качестве донора еще 4 атомов углерода (рис. 17.7).

Флавиновые кофакторы (FAD, FMN) образуются в клетках дрожжей и бактерий с участием АТР:

Рибофлавин + АТР → FMN + ADP

FMN + ATP → FAD + PP_i

Рибофлавин, а также его производные (FAD, FMN) находят применение в медицине, витамином В₂ обогащают некоторые сорта хлеба, его используют для окраски в оранжево-желтые тона пищевых продуктов. Очень важно присутствие рибофлавина в кормах животных.

Рис. 17.7. Биосинтез рибофлавина

Витамин В₃ (пантотеновая кислота). Это соединение состоит из остатка пантоевой кислоты (а,у-дигидрокси-β,β-диметилбутирата) и ß-аланина (рис. 7.8). Пантотеновая кислота является составной частью СоА — чрезвычайно важного для клетки кофактора, а также входит в состав простетической группы ацилпереносящего белка (глава 15). Таким образом, без витамина В₃ не может осуществиться синтез названных кофакторов, что приводит к невозможности осуществления обмена жирных кислот, взаимопревращения углеводов, ЦТК и других процессов. Поэтому пантотеновая кислота присутствует в клетках всех организмов: от бактерий до высших животных, однако сами животные ее не синтезируют и получают с пищей. Наибольшее количество пантотеновой кислоты содержится в печени, сердце и почках животных, в дрожжах, яичном желтке, горохе, молоке. Бактерии группы кишечной палочки, обитающие в кишечнике, снабжают витамином В3 своих хозяев. Таким образом, В₃-авитаминозы очень редки, однако связаны с тяжелыми нарушениями: поражением кожных покровов и слизистых оболочек, дегенеративными изменениями органов и тканей, потерей волосяного покрова и др. Суточная потребность в витамине составляет 7 мг.

Витамин В₅ (никотиновая кислота, никотинамид, витамин РР). Этот витамин необходим для синтеза двух коферментов — NAD и NADP. Структура никотинамида представлена на рис. 7.1 (в составе NAD). В молекуле никотиновой кислоты, которая, как и никотинамид, может использоваться для синтеза никотинамидных коферментов, аминогруппа в радикале замещена на гидроксил. Небольшие количества никотиновой кислоты могут синтезироваться из триптофана, однако этот процесс характеризуется низким выходом, к тому же протекает при участии другого витамина — В₆. Поэтому В₅-авитаминозы обычно связаны с недостатком триптофана и витамина В₆, а их проявление характеризуется заболеванием кожи (пеллагра), воспалением слизистой желудочно-кишечного тракта, депрессией.

Значение витамина В₅ для организма связано со значением для клетки никотинамидных переносчиков восстановительных эквивалентов (глава 7). Суточная потребность в нем составляет 20 мг или 1,2 г триптофана. Витамином богаты дрожжевые продукты, мясо, фрукты и овощи.

Витамин В₆ (пиридоксин). Под витамином В₆, строго говоря, подразумевают три производных пиридина: пиридоксаль, пиридоксин и пиридоксамин (рис. 17.6). Каждое из этих соединений способно превращаться в клетках в активную форму — пиридоксальфосфат, который является простетической группой более 50 ферментов, принимающих участие в синтезе аминокислот, их распаде, в фосфорилировании углеводов, метаболизме жирных кислот и липидов. Одна из наиболее важных функций пиридоксальфосфата заключается в переносе аминогруппы от аминокислоты к кетокислоте в реакциях трансаминирования, описанных в главе 16. При этом пиридоксальфосфат переходит в пиридоксаминфосфат (рис. 17.6).

Витамин В₆ поступает в организм из кишечника благодаря деятельности кишечной микрофлоры, он также содержится во многих продуктах, в первую очередь в говядине, рыбе, горохе, овощах, яичном желтке, в зеленых частях растений, в продуктах переработки зерновых. В₆-авитаминозы встречаются редко. Их симптомами служит анемия, дерматиты, судороги, а у молодых особей — задержка роста. Суточная потребность в витамине — 2 мг.

Витамин В₉ (фолиевая кислота). Под этим названием известно несколько форм птероилглутаминовой кислоты, различающихся количеством остатков глутамата (от 1 до 6). На рис. 17.6 представлена структура молекулы птероилмоноглутаминовой кислоты, которая состоит из трех структурных компонентов: остатка птеридина, остатка парааминобензойной кислоты и одного остатка глутаминовой кислоты. В восстановленной форме (тетрагидрофолиевая кислота) это соединение выполняет функции кофермента, осуществляя перенос одноуглеродных фрагментов. Такие реакции осуществляются при биосинтезе метионина и тимина (перенос метильных групп), при биосинтезе серина (перенос оксиметильной группы), при синтезе пуринов и формилметионил-тРНК (перенос формильной группы) и т. п. Присоединение фрагментов осуществляется к атому азота, находящемуся в 5 и/или 10 положении (рис. 17.6).

В клетках животных и человека фолиевая кислота не синтезируется, однако поступает в организм с пищей и всасывается из кишечника, где образуется микроорганизмами. Микроорганизмы не используют готовый витамин В₉, а синтезируют его de novo, при этом включение парааминобензойной кислоты в состав фолиевой кислоты блокируется в присутствии сульфаниламидных препаратов, на чем основано их терапевтическое действие. Парааминобензойную кислоту называют витамином В_х (Н₁).

В9-авитаминозы связаны с нарушением функций кроветворения и проявляются как анемия, множественные нарушения органов пищеварения. Суточная потребность в этом витамине составляет 0,2 мг. Фолиевыми кислотами богаты свежие зеленые овощи, особенно шпинат и цветная капуста, печень животных, зерновые.

Витамин В₁₂ (кобаламины). Группа кобаламинов представляет собой сложные соединения, состоящие из следующих частей: планарной, в основе которой лежит тетрапиррольное кольцо коррина, стабилизованное атомом кобальта; двух лигандов — верхнего (Х) и нижнего, а также аминопропанолового мостика (рис. 17.8). В свою очередь, верхний лиганд в витамине В₁₂ может быть представлен цианид-ионом, гидроксильной группой, ионами нитрита, нитрата, хлора и др. Нижний лиганд представлен нуклеотидным ядром, состоящим из остатка фосфорибозы и 5,6-диметилбен-зимидазола. Нуклеотидное ядро через аминопропаноловый мостик связано в цикл с заместителем атома углерода одного из пиррольных колец.

Кобаламины в организме человека и животных превращаются в кофермент В₁₂-кобамамид (аденозилкобаламин), у которого верхний лиганд представлен остатком дезоксиаденозина, связанного с атомом кобальта необычной кобальт-углеродной связью. Биохимические функции аденозилкобаламина состоят в изомеризации соединений, которая имеет место в углеводном, азотистом, нуклеиновом и липидном обмене, в биосинтезе метионина из гомоцистеина (участвует также витамин В₉), в восстановлении рибонуклеотидов до дезоксирибонуклеотидов (у бактерий) и других процессах.

Витамин В₁₂ синтезируется только микроорганизмами, в том числе теми, которые населяют желудочно-кишечный тракт человека и животных. Однако для всасывания этого витамина слизистой желудка и кишечника необходим особый протеин — так называемый «внутренний фактор». Таким образом, В1₂-авитаминозы могут развиваться не только при недостатке витамина в пище, но главным образом при отсутствии внутреннего фактора. Следствием авитаминоза является развитие пернициозной (от лат. perniciosus — гибельный) анемии.

Источниками витамина В₁₂ могут служить продукты животного происхождения: мясо, печень, яйца, молоко, а также бобовые растения, где его продуцентами являются клубеньковые бактерии. Небольшие количества этого витамина могут накапливаться у человека (животных) в печени. Суточная потребность в нем составляет 0,002 мг.

Промышленное получение витамина В₁₂ и аденозилкобаламина основано на микробном синтезе. Продуцентами витамина являются бактерии следующих родов: Pseudomonas, Propionibacterium, Streptomyces, Rhodopseudomonas, Bacillus, Achromobacter, Aerobacter, Agrobacterium, Rhizobium, Flavobacterium, Nocardia, а также метанообразующие бактерии. Этот витамин чрезвычайно важен для животноводства и находит широкое применение в медицине.

Биосинтез каждой из составных частей аденозилкобаламина происходит независимо. Предшественниками для биосинтеза корринового макроцикла служат глицин и сукцинил-СоА, которые взаимодействуют с образованием 5-аминолевулиновой кислоты (рис. 17.8). Две молекулы аминолевулиновой кислоты в ходе нескольких стадий димеризуются в порфобилиноген. Четыре молекулы порфобилиногена поэтапно конденсируются с образованием уропорфириногена. Это соединение является также предшественником гема и хлорофилла, на этапе его структурных перестроек расходятся пути биосинтеза названных соединений.

При синтезе кобаламинов уропорфириноген подвергается последовательным реакциям метилирования, восстановления, декарбоксилирования и другим указанным на рис. 17.8 превращениям. В результате образуется простейшее корриноидное соединение, не содержащее нуклеотида, — кобириновая кислота, которая в ходе нескольких стадий амидируется в кобинамид.

Источником верхнего лиганда кобинамидов — аденозила служит АТР, и образование аденозильного производного кобинамида происходит при непосредственном взаимодействии атома кобальта, связанного с корриновым циклом, и АТР.

Аминопропанол, играющий роль мостика между нуклеотидным ядром и одним из заместителей у корринового кольца, образуется при декарбоксилировании L-треонина. Нуклеотидное ядро синтезируется из рибофлавина, причем рибитильный остаток рибофлавина не включается в состав ядра, а содержащаяся в нем a-рибоза происходит из никотинамидмононуклеотида. В присоединении нуклеотидного ядра к молекуле корриноида принимают участие АТР и GTP.

Рис. 17.8. Структура и биосинтез витамина В₁₂. Обозначения: А — -СН₂СООН; Р — -СН₂-СН₂-СООН; R — -CH; Y — CH₂CONH₂; X — верхний лиганд

Витамин С (аскорбиновая кислота). Об этом витамине знают, пожалуй, все, что можно связать с его многосторонними функциями в организме, в том числе терапевтическим и профилактическим эффектом при простудах, а также мощными антиоксидантными свойствами.

Аскорбиновая кислота представляет собой у-лактон 2,3-дегидрогулоновой кислоты. Это соединение содержит группировку «редуктона» (рис. 17.9), которая легко окисляется, в результате чего образуется дегидро-L-аскорбиновая кислота. Обе гидроксильные группы аскорбиновой кислоты имеют кислотный характер, и при потере протона может образовываться третья активная форма витамина С — аскорбат-анион. L-аскорбиновая кислота является самым сильным восстановителем в живом организме, и это важнейшее свойство лежит в основе ее физиологической активности: она участвует во многих окислительно-восстановительных процессах, а образующаяся при этом дегидроаскорбиновая кислота легко восстанавливается с помощью редуктазы. Среди множества биохимических реакций, протекающих с участием витамина С, можно упомянуть синтез коллагена, расщепление тирозина и лизина, синтез желчных кислот, обмен липидов, гидроксилирование предшественников некоторых гормонов и др. Установлено участие аскорбиновой кислоты в предохранении SH-групп белков от окисления, что среди прочего влияет на стабилизацию ферментативной активности. Аскорбиновая кислота служит мощным антиоксидантом, предохраняющим биологически активные вещества клетки от действия радикалов. Наконец, витамин С участвует в поддержании высокой концентрации в клетке сАМР — важного регуляторного вещества, оказывающего, например, обратное действие на развитие раковой опухоли.

С-авитаминозы выражаются в развитии цинги (скорбута), что положено в основу названия витамина. Болезнь выражается в повышении проницаемости и хрупкости кровеносных сосудов, вследствие чего возникают спонтанные кровоизлияния, а также в разрушении костных тканей (выпадение зубов). Происходит атрофия соединительных тканей, расстройство системы кроветворения. Суточная потребность в витамине С составляет 60 мг, (довольно много для витаминов). Большие количества аскорбиновой кислоты содержатся в свежих овощах и фруктах, особенно богаты витамином шиповник, красный сладкий перец, лимоны, черная смородина, капуста.

Синтезируют витамин С все растения и большинство животных, за исключением беспозвоночных, насекомых, рыб, некоторых птиц, морской свинки, многих приматов и человека. У этих организмов отсутствует фермент гулонолактон-оксидаза, который катализирует одну из стадий превращения глюкозы в аскорбиновую кислоту (рис. 17.9).

Среди микроорганизмов лишь некоторые виды способны синтезировать аскорбиновую кислоту из глюкозы. Это, в первую очередь, дрожжи Lipomyces starkeryi, грибы Aspergillus niger и некоторые виды рода Fusarium, бактерии Streptococcus thermophilus. Крупномасштабное производство аскорбиновой кислоты основано на химическом синтезе, в котором одну стадию (окисление D-сорбита в L-сорбозу) осуществляют уксуснокислые бактерии.

Рис. 17.9. Биосинтез аскорбиновой кислоты из глюкозы. Структурные формулы соединений, участвующих в первых трех реакциях, и сами реакции представлены на рис. 14.3. В пунктирную рамку в молекуле аскорбиновой кислоты заключена группировка «редуктона»

Витамин Н (биотин). Структура и функции этого витамина в составе кофактора N₅-карбоксибиотина описаны в главе 7 (рис. 7.7). Биотин принимает участие в реакциях переноса карбоксильной группы, которые лежат в основе биосинтеза жирных кислот (рис. 15.2), синтеза пуриновых оснований, превращения пирувата в щавелевоуксусную кислоту, синтеза аминокислот и других процессах. Недостаток витамина Н в организме приводит к депигментации кожи, нервным расстройствам, воспалению кожных покровов, себорее (усиленное выделение жира сальными железами).

Н-авитаминозы встречаются нечасто, поскольку биотин синтезируется кишечной микрофлорой и содержится во многих продуктах: яичном желтке, печени и почках крупного рогатого скота (в их организм биотин поступает в основном благодаря деятельности микроорганизмов-симбионтов), дрожжевых продуктах, бобовых растениях, орехах, молоке, овсяной крупе, томатах, сое и др. Суточная потребность человека в биотине составляет 0,1 мг.

Завершая этот, далеко не полный обзор свойств витаминов, следует добавить, что большинство данных соединений являются нестойкими, и разрушаются при воздействии определенных факторов. Так, витамины E, K, B₂, B₆, B₁₂ теряют активность и разрушаются под действием света; витамины К, В₁, С быстро разрушаются в щелочных растворах; витамины К, В₂, С особо чувствительны к нагреванию; витамины D, H легко расщепляются при действии окислителей и минеральных кислот. Кроме этого, в природе существует большое количество антивитаминов — веществ, конкурирующих с витаминами в соответствующих биохимических процессах или инактивирующих витамины. Таким действием обладают уже описанные выше сульфамидные препараты, блокирующие образование фолиевой кислоты; яичный альбумин служит антивитамином по отношению к биотину — связывает его в нерастворимый биологически неактивный комплекс; фермент тиаминаза расщепляет молекулу тиамина; D-аскорбиновая кислота — биологически неактивное соединение, конкурирует с L-аскорбиновой кислотой и является ее антивитамином. Остановимся на этих примерах.