Роль витаминов

Витамин В1 (Тиамин)

Витамин В₁ (тиамин, антиневритный), наряду с аминогруппой витамин B1 содержит атом серы, поэтому он был назван тиамином. В химической структуре его содержатся два кольца — пиримидиновое и тиазодовое, соединенных метиленовой связью.

Возможность каталитического действия тиамина на уровне окислительно-восстановительных реакций в обмене давно допускают и критикуют разные авторы. Действительно, различная обеспеченность витамином влияет на активность ряда окислительных ферментов или содержание в крови восстановительных форм глютатиона. Экспериментально доказано, что витамин B₁ в форме ТПФ является составной частью минимум четырех ферментов, участвующих в промежуточном обмене веществ. Так, известно, что ТПФ входит в состав двух сложных ферментных систем - п и р у в а т- и альфа-кетоглутаратдегидрогеназных комплексов, катализирующих окислительное декарбоксилирование пировиноградной и а-кетоглутаровой кислот. В составе транскатолазы ТПФ участвует в переносе гликольальдегидного радикала от кетосахаров на альдосахара.

ТПФ является коферментом дегидрогеназы у-оксикетоглутаровой кислоты. Приведенные примеры, вероятно, не ограничивают биологические функции тиамина. В частности, ТПФ участвует в окислительном декнрбоксилировании глиоксиловой кислоты и а-кетокислот, образующихся при распаде аминокислот с разветвленной боковой цепью.

Витамин В2 (Рибофлавин)

В основе молекулы рибофлавина лежит гетероциклическое соединение — изоаллоксазин (сочетание бензольного, пиразинового и пиримидинового колец), к которому в положении 9 присоединен пятиатомный спирт рибитол. Химическое название «рибофлавин» отражает наличие рибитола и желтой окраски препарата ; рациональное название его 6,7-диметил-9-В-ри6итилизоаллоксазин:

Рибофлавин входит в состав флавиновых коферментов, в частности ФМН и ФАД1, являющихся в свою очередь простетическими группами ферментов-флавопротеинов. Различают два типа химических реакций, катализируемых этими ферментами. К первому относятся реакции, в которых фермент осуществляет прямое окисление с участием кислорода, т. е. дегидрирование (отщепление электронов и протонов) исходного субстрата или промежуточного метаболита. К ферментам этой группы относятся оксидазы L- и D-аминокислот, глициноксидаза, альдегидоксидаза, ксантиноксидаза и др. Вторая группа реакций, катализируемых флавопротеинами, характеризуется переносом электронов и протонов не от исходного субстрата, а от восстановленных пиридиновых коферментов. Ферменты этой группы играют главную роль в биологическом окислении. В каталитическом цикле изоаллоксазиновый остаток ФАД и ФМН подвергается обратимому восстановлению с присоединением атомов водорода к N¹ и N¹⁰.

ФМН синтезируется в организме  животных из свободного рибофлавина  и АТФ при участии специфического фермента - рибофлавинкиназы:

Образование ФАД в тканях также  протекает при участии специфического АТФ-зависимого фермента ФМН-аденилилтрансферазы. Исходным веществом для синтеза  является ФМН:

Витамин РР (Никотиновая кислота)

Никотиновая кислота представляет собой соединение пиридинового ряда, содержащее карбоксильную группу (никотинамид отличается наличием амидной группы).

Витамин РР входит в состав НАД  и НАДФ, являющихся коферментами большого числа обратимо действующих в  окислительно-восстановительных реакциях дегидрогеназ

Показано, что ряд дегидрогеназ используют только НАД или НАДФ, другие могут катализировать окислительно-восстановительные реакции в присутствии любого из них. В процессе биологического окисления НАД и НАДФ выполняют роль промежуточных переносчиков электронов и протонов между окисляемым субстратом и флавиновыми ферментами.

Витамин В6 (пиридоксин, антидерматитный)

Впервые витамин В_б был выделен в 1938 г. из дрожжей и печени и вскоре после этого был синтезирован химически. Он оказался производным 3-оксиниридина, в частности 2-метил-3-окси-4,5-диоксиметилгшридина. Термином «Витамин В₆», по рекомендациям Международной комиссии по номенклатуре биологической химии, обозначают все три производных 3-оксипиридина, обладающие одинаковой витаминной активностью: пиридоксин (пиридоксол), пиридоксаль и пиридоксамин:

Оказалось, что хотя все три производных 3-оксипиридина наделены витаминными  свойствами, коферментные функции выполняют  только фосфорилированные производные  пиридоксаля и пиридоксамина.

Фосфорилирование пиридокеаля и пиридоксамина является ферментативной реакцией, протекающей при участии специфических киназ. Синтез пиридоксальфосфата, например, катализирует пиридоксалькиназа, которая наиболее активна в ткани мозга. Эту реакцию можно представить следующим уравнением:

 

Пиридоксаль + АТФ -> Пиридоксальфосфат + АДФ

 

Кроме того, доказано, что в животных тканях происходят взаимопревращения  пиридоксальфосфата и пиридоксаминфосфата, в частности в реакциях трансаминиро-вания  аминокислот.

Биотин (витамин Н)

Биотин был впервые выделен в 1935 г. из яичного желтка. Молекула биотина является циклическим производным мочевины, а боковая цепь представлена валериановой кислотой:

Карбонильная  группа биотина связывается с  е-аминогруппой лизина, образуя е-N-биотиниллизин (б и о ц и т и н), обладающий биологической активностью.

Известные к настоящему времени  биотиновые ферменты (т. е. содержащие в качестве кофермента биотин) катализируют два типа реакций:

1) реакции карбоксилирования (с  участием СО₂ или HCOJ), сопряженные с распадом АТФ

2) реакции транскарбоксилирования (протекающие без участия АТФ), при которых субстраты обмениваются  карбоксильной группой:

Получены доказательства двухстадийного механизма этих реакций с образованием промежуточного комплекса (карбоксибиотинилфермента).

К реакциям первого типа относятся, например, ацетил-КоА и пируваткарбокси-лазные реакции:

Пируваткарбоксилаза является высокоспецифичиым  ферментом, катализирующим уникальную реакцию усвоения СО₂ в организме животных. Сущность реакции сводится к пополнению запасов оксалоацетата (щавелевоуксуеная кислота) в лимоннокислом цикле Кребса (так называемые «анаплеротические», «пополняющие» реакции), т. е. его синтезу из СО, пирувата:

Реакция протекает в две стадии: на первой стадии, связанной с затратой энергии, СО₂ подвергается активированию, т. е. ковалентному связыванию с биотином в активном центре фермента (Е-биотин):

На второй стадии СО₂ из комплекса переносится на пируват с образованием оксалоацетата и освобождением фермента:

Примером второго типа реакций является метилмалонил-оксалоацетат-транс-карбоксилазная реакция, катализирующая обратимое превращение пировиноградной и щавелевоуксусной кислот:

Реакции карбоксилирования и транскарбоксилирования имеют важное значение в организме  при синтезе высших жирных кислот, белков, пуриновых нуклеотидов (соответственно нуклеиновых кислот) и др.

Фолиевая кислота

Фолиевая кислта состоит  из трех структурных единиц: остатка  птеридина (I), парааминобензойной (II) и L-глутаминовой ' (III) кислот, имеет следующую структуру:

Коферментные функции фолиевой кислоты связаны не со свободной  формой витамина, а с восстановленным  его птеридиновым производным. Восстановление сводится к разрыву двух двойных связей и присоединению четырех водородных атомов в положениях 5, 6, 7 и 8 с образованием тетрагидро-фолиевой кислоты (ТГФК); оно протекает в две стадии в животных тканях при участии специфических ферментов, содержащих восстановленный НАДФ. На первой стадии при участии фолатредуктазы образуется дигидрофолиевая кислота (ДГФК), которая при участии второго фермента — дигидрофолатредуктазы - восстанавливайся в ТГФК:

Доказано, что коферментные функции  ТГФК непосредственно связаны с  переносом одноуглеродных групп, первичными источниками которых в организме являются Р-углеродный атом серина, сс-углеродный атом глицина, углерод метильных групп ме-тионина, холина, 2-й углеродный атом индольного кольца триптофана, 2-й углеродный атом имидазольного кольца гистидина, а также формальдегид, муравьиная кислота и метанол. К настоящему времени открыто шесть одноуглеродных групп, включающихся в разнообразные биохимические превращения в составе ТГФК: формальная ( — СНО), метильная ( —СН₃), метиленовая ( —СН₂ —), метенильная ( —СН = ), оксиметильная ( —СН₂ОН) и формиминогруппа ( —CH = NH). Выяснено, что присоединение этих фрагментов к ТГФК является ферментативной реакцией ковалентного связывания их с 5-м или 10-м атомом азота (или с обоими атомами вместе). В качестве примера приводятся отдельные функциональные группы в активных участках ТГФК:

Имеются данные, что производные  ТГФК участвуют в переносе одноуглеродных фрагментов при биосинтезе метионииа и тимина (перенос метильной группы), серина (перенос оксиметильной группы), образовании пуриновых нуклеотидов (перенос формильной группы) и т. д. . Поскольку перечисленные вещества играют исключительно важную роль в биосинтезе белков и нуклеиновых кислот, становятся понятными те глубокие нарушения обмена, которые наблюдаются при недостаточности фолиевой кислоты.

Витамин В12 (кобаламин, антианемический  витамин)

В молекуле витамина В₁₂ центральный атом кобальта соединен с атомами азота четырех восстановленных пиррольных колец, образующих порфириноподобное корриновое ядро, и с атомом азота 5,6-диметилбензимидазола². Кобальтсодержащая часть молекулы витамина представляет собой планарную (плоскостную) фигуру; по отношению к ней перпендикулярно расположен нуклеотидный лиганд, который, помимо 5,6-диметилбензимидазола, содержит рибозу и остаток фосфата у 3-го атома углерода. Вся структура получила название кобаламин. Были получены производные витамина В₁₂, содержащие ОН-группу (оксикобаламин), хлор (хлоркобаламин), Н₂0 (аквако-баламин) и азотистую кислоту (нитритокобаламин). Из природных источников были выделены, кроме того, аналоги В₁₂, которые вместо 5,6-диметилбензимидазола содержали 5-оксибензимидазол, или аденин, 2-метиладенин, пшоксантин и метилгипоксан-тин. Все они обладали меньшей биологической активностью, чем кобаламин. Обычно витамин В₁₂ выделяют из микробной массы или животных тканей, используя растворы, содержащие ионы цианида, которые' выполняют роль шестого лиганда кобальта. Однако цианокобаламин метаболически не активен. В состав В^-кофер-ментов вместо CN входит аденозин или метальная группа.

Выявлены ферментные системы, в  составе которых в качестве простетической группы участвуют не свободный витамин В₁₂, а так называемые В₁₂-коферменты, или кобамидные коферменты. Последние отличаются тем, что содержат два типа лигандов: метальную или 5'-дезоксиаденозильную группу. Соответственно различают метилкобаламин (СН₃-В₁₂) и дезоксиадеиозилкобаламин. Превращения свободного витамина В₁₂ в В₁₂-коферменты, протекающие в несколько этапов, осуществляются в организме при участии специфических ферментов в присутствии в качестве кофакторов ФАД, восстановленного НАД, АТФ и глутатиона. Впервые В12-коферменты были выделены Г. Баркером и сотр. в 1958 г. из микроорганизмов; позже было доказано их существование в тканях животных.

Химические реакции, в которых  витамин B12 принимает участие как кофермент, условно делят на две группы в соответствии с его химической природой. К первой груше относятся реакции трансметилирования, в которых метилкобаламин выполняет роль промежуточного переносчика метальной группы (сюда относятся реакции синтеза метионина и ацетата).

Синтез метионина требует, помимо гомоцистеина, наличия N⁵-метил-ТГФК и восстановленного ФАД и протекает по уравнению:

Фермент, катализирующий эту реакцию, был открыт в печени человека и ряда животных, а также у микроорганизмов. Получены доказательства, что механизм реакции включает перенос метальной группы N5-СН₃-ТГФК на активный центр фермента с образованием метил-В₁₂-фермента и последующий перенос этой группы на гомоцистеин. Блокирование этой реакции, наблюдаемое при авитаминозе В₁₂, приводит к накоплению N⁵-СН₃-ТГФК и соответственно к выключению из сферы химических реакций еще одного важного кофермента.

Вторая  группа реакций при участии В₁₂-коферментов заключается в переносе водорода в реакциях изомеризации. Например, глутаматмутазная реакция (взаимопревращения глутаминовой и р-метиласпарагиновой кислот), метилмалонилмутазная реакция (обратимое превращение метилмалонил-коэизима А в сукцинил-коэнзим А), глицерол- и диолдегидратазные реакции, ферментативные реакции восстановления рибонуклеотидов до дезоксирибонуклеотидов и др. В организме человека из указанных процессов открыта только реакция изомеризации метилмалонил-КоА в сукци-нил-КоА:

Следует подчеркнуть, что реакция изомеризации метилмалонил-КоА требует наличия 5'-дезоксиаденозилкобаламина, в то время как реакция метилирования (см. выше) нуждается в метилкобаламине.

Пантотеновая кислота (витамин  В₃)

В химическом отношении пантотеновая кислота является комплексным соединением |3-аланина и 2,4-диокси-3,3-диметилмасляной кислоты: