Строение, свойства и биологическая роль биотина и тиамина

Химические  и физические свойства витамина В ₁

Тиамин (В. М. Березовский, 1959; В. А. Девятнин, 1964), или 4-метил-5-β-оксиэтил- N - (2-метил-4-амино-5-метилпиримидил) -тиазолий, получается синтетически обычно в виде хлористо-или бромистоводородной соли: 

-Рйаминхлорид (М-337,27) кристаллизуется  с Ѕ Н ₂ О в бесцветных моноклинических иглах, плавится   при 233—234° (с разложением). В нейтральной среде его спектр поглощения имеет два максимума — 235 и 267 нм, а при рН 6,5 Один — 245—247 нм. Витамин хорошо растворяется в вода и уксусной кислоте, несколько хуже в этиловом и метиловом спиртах и нерастворим в хлороформе, эфире, бензоле, ацетоне. Из водных растворов тиамин может быть осажден фосфорно-вольфра-мовой или пикриновой кислотой. В щелочной среде тиамин подвергается многочисленным превращениям (Metzler, 1960), которые, в зависимости от природы добавленного окислителя, могут завершаться образованием тиаминдисульфида (X) или тиохрома (IX).  

В кислой среде витамин разлагается только при длительном нагревании, образуя 5-гидрокси-метилпиримидин, муравьиную кислоту, 5-аминометилпиримидин, тиазоловый компонент витамина и З-ацетил-3-меркапто-1-пропанол. Среди продуктов распада витамина в щелочной среде идентифицированы тиотиамин, сероводород, пиримидодиазепин и др. Получены также сульфат и мононитрат витамина. Известны соли тиамина с нафталенсульфоновой, арилсульфоновой, цетилсерной и эфиры с уксусной, пропионовой, масляной, бензойной и другими кислотами.

Особое значение имеют эфиры    тиамина с фосфорной кислотой, в частности ТДФ, являющийся коферментной формой витамина. Получены (Fragner, 1965; Schellenberger, 1967)   гомологи тиамина путем различных замещений у второго (этил-, бутил-, оксиметил-, оксиэтил-, фенил-, оксифенил-, бензил-, тиоалкил-), четвертого (окситиамин) и шестого (метил-, этил) атомов углерода пиримидина метилированием аминогруппьь, замещением   тиазоловогоинхла на пиридиновой (пиритиамин), имидозоловый или оксазфювый, модификациями заместителей у пятого углерода тиазола (метил-, оксиметил-, этил-, хлорэтил-, оксипропил- и др.). Отдельную большую группу соединений витамина составляют S-алкильные и дисульфидные производные (Matsukawa e. а., 1970). Среди последних наибольшее распространение как витаминный препарат получил тиаминпропилдисульфид (ТПДС).  

Распространение витамина В ₁ , в природе.

Тиамин распространен повсеместно  и обнаруживается у разных представителей живой природы (Р. В. Чаговец и др., 1968). Как правило, количество его в растениях и микроорганизмах достигает величин значительно более высоких, чем у животных. Кроме того, в первом случае витамин представлен преимущественно свободной, а во втором — фосфорилированной формой. Содержание тиамина в основных продуктах питания колеблется в довольно широких пределах в зависимости от места и способа получения исходного сырья, характера технологической обработки полупродуктов и т. п. Величины, приводимые по этому поводу в литературе (Ф. Е. Будагян, 1961; В. В. Ефремов, 1969; П. И. Шилов, Т. Н. Яковлев, 1964), характеризуют, как правило, уровень витамина до кулинарной обработки, которая сама по себе значительно разрушает тиамин. В среднем можно читать, что обычное приготовление пищи разрушает около 30% витамина. Некоторые виды обработки (высокая температура, повышенное давление и наличие больших количеств глюкозы), разрушают до 704-90% витамина, а консервация продуктов путем обработки их сульфитом может полностью инактивировать витамин В злаковых семенах других растений тиамин, подобно большинству водорастворимых витаминов, содержится в оболочке и зародыше. Переработка растительного сырья (удаление отрубей) всегда сопровождается резким снижением уровня витамина в полученном продукте. Шлифованный рис, например, совсем не содержит витамина.  

Содержание тиамина в некоторых  продуктах питания (В. В. Ефремов, 1960)

Обмен тиамина в организме 

Витамин поступает с пищей в свободном, эстерифицированном и частично связанном виде. Под влиянием пищеварительных ферментов происходит почти количественное его превращение в свободный тиамин, который всасывается из тонкого кишечника. Значительная часть поступившего в кровь тиамина быстро фосфорилируется в печени, часть его в виде свободного тиамина поступает в общий кровоток и распределяется по другим тканям, а часть снова выделяется в желудочнокишечный тракт вместе с желчью и экскретами пищеварительных желез, обеспечивая постоянную рециркуляцию витамина и постепенное равномерное усвоение его тканями. Почки активно экскретируют витамин в мочу. У взрослого человека за сутки выделяется от 100 до 600 мкг тиамина.. Введение повышенных количеств витамина с пищей или парентерально увеличивает выделение витамина с мочой, но по мере повышения доз пропорциональность постепенно исчезает и в моче наряду с тиамином начинают в возрастающих количествах появляться продукты его распада, которых при введении витамина свыше 10 мг на человека может быть до 40—50% исходной дозы (А. В. Труфанов, 1959). Опыты с меченым тиамином (А. Я. Розанов, 1960) показали, что наряду с неизмененным витамином в моче обнаруживается некоторое количество тиохрома, ТДС, пиримидиновый, тиалозовый компоненты и различные углерод- и серусодержащие осколки, в том числе меченые сульфаты.

Таким образом, разрушение тиамина  в тканях животных и человека происходит достаточно интенсивно, но до настоящего времени не установлены реакции, через которые этот процесс осуществляется. Попытки обнаружить в животных тканях ферменты, специфически разрушающие тиамин, пока не дали убедительных результатов (см. ниже), хотя имеются отдельные сообщения по этому вопросу (Somogyi, 1966). Суммарное содержание тиамина во всем организме человека, нормально обеспеченного витамином, составляет примерно 30 мг, причем в цельной крови его находится 3—16 мкг%, а в других тканях (Williams е. а., 1950) значительно больше: в сердце — 360, печени — 220, в мозге — 160, легких — 150, почках — 280, мышцах — 120, надпочечнике — 160, желудке — 56, тонком кишечнике — 55, толстом кишечнике — 100, яичнике — 61, яичках — 80, коже — 52 мкг%. В плазме крови обнаруживается преимущественно свободный тиамин (0,1— 0,6 мкг%; Ю. М. Островский, 1957), а в эритроцитах (2,1 мкг на 10 ¹¹ клеток) и лейкоцитах (340 мкг на 10 ¹¹ клеток) — фосфорилированный.

Свободный тиамин в норме легко  определяется в кишечнике и почках, что может быть связано и с недостатками чисто методического порядка, так как эти ткани обладают исключительно высокой фосфатазной активностью и к моменту взятия материала на исследование уже может происходить частичное дефосфорилирование эфиров витамина. С другой стороны, эти же механизмы могут играть определенную роль в удалении витамина из крови в мочу или кал. Количество витамина в последнем у человека составляет примерно 0,4—1 мкг и вряд ли связано в какой-то заметной степени с биосинтезом витамина кишечной микрофлорой.

Некоторое представление о динамике обмена тканевых запасов витамина дают опыты, проведенные S ³⁵ -тиамином (Ю. М. Островский, 1971). Обновление тиамина происходит в разных тканях с различной скоростью и практически полная замена нерадиоактивного витамина на радиоактивный (вводимый ежедневно) осуществляется к 8-му дню опыта лишь в печени, почках, селезенке и скелетных мышцах.   В сердце, поджелудочной железе ткани мозга к указанному   сроку процесс этот не завершается. Вторая фаза опыта (авитаминозный режим) позволяет выявить ряд интересных закономерностей в отношении расходования эндогенных запасов витамина различными тканями. Немедленно и с наибольшей скоростью теряется метка тканью печени и поджелудочной железы. Равномерно с первого дня лишения животных меченого тиамина падает радиоактивность в селезенке, скелетных мышцах, почке. Практически на одном и том же уровне остается радиоактивность через сутки после лишения животных тиамина в ткани сердца и очень медленно теряется метка из мозга. По-видимому, в 1-й день авитаминозного режима миокард еще ассимилирует из крови необходимое количество тиамина, поступившего в нее туда из других органов. Уровень метки в крови (рис. 6) остается вначале нормальным и заметно падает лишь к 15-му дню опыта (7-й день авитаминоза).

Если в конце авитаминозного режима мышам снова начать вводить S ³⁵ -тиамин, то никакого усиленного потребления метки тканями не наблюдается, т.е. предварительная девитаминизация не создавала условий, благоприятствующих (последующей ассимиляции витамина. Можно считать, что связывании витамина определяется, по-видимому, не дефицитом соответствующих депо, а какими-то лимитированными промежуточными реакциями специфической или неспецифической протеидизации витамина. Интерес представляет и некоторое замедление   ассимиляции повторно вводимого витамина в ткани мозга, сердца и печени. Возможно, это обусловлено дефицитом соответствующих апоферментов или межтканевой конструкцией в захвате меченого тиамина из крови. Одновременно исследованная у тех же животных активность транскетолазы тканей только для крови   коррелировала в какой-то мере со степенью девитаминизации всего организма. В других тканях между содержанием витамина и активностью фермента в длительные промежутки времени прямая связь не выявляется. Только в условиях, когда количество витамина уменьшается в несколько раз, такая связь начинает проявляться. Нечто аналогичное для соотношений между уровнем тиамина и активностью ДФ-содержащих ферментов недавно отмечено и другими авторами (Dreyfus, Hauser, 1965). Наиболее существенный вывод из представленных результатов состоит в утверждении, что количество витамина, находящегося в тканях, во много раз выше того уровня, который необходим для обеспечения специфических ферментных систем ТДФ. По-видимому, значительные количества витамина присутствуют в тканях, особенно в сердце и печени, в виде его производных, осуществляющих какие-то другие некоферментные функции.  

Образование тиаминфосфатов (ТФ ).

За период с 1937 по 1943 г . показано, что  фосфорилирование тиамина активно  происходит в дрожжах и различных  животных тканях. Уже тогда выяснилось, что реакция идет за счет АТФ по общему уравнению: тиамин + АТФ—> ТДФ + АМФ.

В 1952 г . эти закономерности были подтверждены на частично очищенном препарате тиаминкиназы из растворимой фракции гомогената печени. Оптимум рН для образования. ТДФ этим ферментным препаратом лежал, в пределах 6,8—6,9. Фосфорилирование тиамина подавлялось АМФ и АДФ. В присутствии АМФ образовывались лишь следы, а в присутствии АДФ — весьма незначительные количества ТДФ. Если в среду вместо тиамина вносился ТМФ, то образование ТДФ тормозилось. Очищенный примерно в 600 раз препарат тиамикиназы был применен (Forsander, 1956) для изучения Механизма фосфорилирования витамина с использованием меченой γ-Р ³² -АТФ. После выделения ТДФ Forsander пришел к выводу, что и вэтой системе тиамин получает от АТФ целиком пирофосфатную группировку.

Серия работ по изучению тиаминкиназы, выделенной из дрожжей и животных тканей, недавно проведена в Японии. На достаточно очищенных препаратах (более чем в 100 раз), обладавших слабой АТФ-азной   активностью и не содержащих аденилаткиназы и нуклеозиддифосфокиназы, установлено, что ионы марганца, магния - кобальта активировали, а кальция, никеля, рубидия и железа — в широком диапазоне концентраций не угнетали фермент. На этом же препарате фермента показаны возможность фосфорилирования тиамина за счет других нуклеотидтрифосфатов (ГТФ, ИТФ, УТФ и др.) но то, что основным продуктом реакции является ТДФ и небольшое количество ТМФ. Применением Р ³² -АТФ, как и в исследованиях предыдущих авторов, подтвержден механизм переноса на тиамин сразу пирофосфатной группировки.

Однако результаты, полученные in vitro, не нашли полного подтверждения при изучении фосфорилирования тиамина на целых организмах и в опытах с митохондриями. С одной стороны, как будто подтверждалось предположение о пирофосфорилировании: после внутривенного введения тиамина уже через 30—60 минут в крови животных обнаруживались меченные по фосфору ТДФ и ТТФ, но не ТМФ. С другой стороны, после внутривенного введения ТМФ кокарбоксилазная и транскетолазная (Н. К. Лукашик, 1964) активность крови нарастала быстрее, чем после введения свободного тиамина. Некоторые микроорганизмы легче образуют ТДФ из ТМФ, чем из свободного витамина, а тиаминкиназа, найденная ранее в печени, не обнаружена в митохонд-риях почек, в которых фосфорилирование тиамина идет другим путем. Механизм фосфорилирования витамина с участием только АТФ не всегда укладывается в простую схему переноса пирофосфатной группировки в целом хотя бы потому, что наряду с ТДФ в различном биологическом материале обнаруживаются в значительных количествах и другие ТФ, в том числе даже Т-полифосфаты.                 

Ряд исследований последних лет  касается вопроса о локализаций  систем, ответственных за фосфорилирование тиамина. Печень уже через час после введения тиамина захватывает 33—40% витамина, накапливая различные его фосфорные эфиры. По данным А. А. Рыбиной (1959), происходит быстрое фосфорилирование меченого витамина и в других органах (в порядке убывающей активности): печень, почки, сердце, семенники, головной мозг. При этом радиоактивность фосфорных эфиров тиамина убывает в ряду: ТТФ, ТДФ, ТМФ. По данным японских авторов, фосфорилирование тиамина идет активно в митохондриях (Shima-zono, 1965), микросомах и гиалоплазме.

Из изложенных выше фактов нетрудно сделать вывод, что общая -интенсивность  процессов эстерификции витамина в  организме или в отдельных  тканях должна в значительной степени  коррелировать с активностью  процессов, поставляющих АТФ. Первые экспериментальные наблюдения в этом плане, проведенные ня гомогенатах печени или клеточных элементах крови, получили в дальнейшем полное подтверждение. Все яды дыхания и гликолиза или соединения, конкурирующие с Т за АТФ, как правило, снижают уровень ТДФ в крови и в тканях.