Строение, свойства и биологическая роль биотина и тиамина

Биотин

1. Исторические сведения

Более 60 лет назад Wilidiers показал, что 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.

Kogi предложил назвать «биос IIв» прото «биосом II» или биотином, а фракцию «биос IIа»—«биосом III». 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.

В 1931 г. Gyorgy (Gyorgy, 1954) в опытах на крысах обнаружил, что ряд естественных источников содержит вещество, предохраняющее животных от заболевания, вызываемого избытком белка яиц, и предложил назвать его витамином H. 1939 г. он 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.

2. Химические и физические свойства биотина

В 1941 г. du Vigneaud и сотрудники выделили из печени кристаллический препарат метилового эфира биотина, из которого путем омыления щелочью был получен свободный биотин. Эмпирическая формула его была определена как
C10H16O3N2S. На основании изучения продуктов распада биотина эти авторы пришли к выводу, что структура витамина соответствует 2/-кeтo-3,4- имидaзoлидo-2-тeтpaгидpoтиофен-н-валериановой кислоте.

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

Биотин образует игольчатые кристаллы с температурой плавления 232°. D поперечном сечении кристалл представляет собой ромб, острые углы которого равны 55°. Длина осей: а—5,25?, b—10,35?, с— 21,00?. 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.

На основании данных, полученных методом рентгеноскопической кристаллографии Traub (1959) 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 2,4?; все остальные расстояния в молекуле составляют более 3,4?. 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 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). 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, гидро- ксиламина. В ультрафиолетовых лучах для биотина не обнаружено специфического поглощения.

2.1 Аналоги и ингибиторы. Молекула биотина обладает большой специфичностью. Это подтверждается тем, что из 8 известных стереоизомеров только один—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.

Известны аминокислотные производные биотина, среди которых наиболее изучен биоцитин, обладающий высокой активностью для многих микроорганизмов. Биоцитии выделен в кристаллическом виде из дрожжей. В
1951 г. расшифрована его структура. Оп представляет собой пептид биотина и лизина, а именно:

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.

По данным Traub (1959), 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).

В настоящее время 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.

3. Распространение биотина в природе

Биотин широко распространен в природе. Он обнаружен у микроорганизмов. растении 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 |Биотин в |Продукты животного 100|Биотин в мкг |
|происхождения |мкг на |г происхождения |на 100 г |
| |продукта | |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.

4. 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» СО2 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-С14-цистеин, либо МаНС14Оз. 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:

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

2. Стимулирующие при помощи пимелиновой кислоты и дестибиотина биосинтез биотина.

3. Активно осуществляющие превращение дестибиотина в биотин.

4. 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).

Исследование биосинтеза биотина в растениях (В. Филиппов, 1962 г.) показало, то каждый орган растения и каждая его клетка синтезирует витамин в эмбриональной фазе своего развития. В дальнейшем синтез замедляется и, по- видимому, прекращается, но содержание его различных тканях долгое время остается постоянном.

5. Обмен биотина в организме
Об обмене биотина известно немного. Биотин, поступивший с пищей в связанном состоянии, отщепляется от белка под действием протеолитических ферментов, переходит в водорастворимую форму и всасывается в кровь в тонком кишечнике.
В кишечнике происходит также всасывание биотина, синтезированного бактериями желудочно-кишечного тракта. Всосавшийся в кровь биотин связывается с альбумином сыворотки разносится по всему организму.
Наибольшее количество биотина накапливается в печени, почках и надпочечниках, причем у мужчин оно несколько больше, чем у женщин.

Содержание биотина в тканях человека (Р. Д. Вильяме, 1950)
|Органы и ткани |Биотин в мкг/г |
| |у женщин |у мужчин |
|Кожа |— |0 01 |
|Мозг |0,03 |0,08 |
|Легкие |0,02 |0,01 |
|Сердце |0,17 |0,19 |
|Мышцы |0,02 |0,04 |
|Желудок |0,19 |0,11 |
|Ободочная кишка |0,08 |0,09 |
|Печень |0,62 |0,77 |
|Молочная железа |0,04 |— |
|Селезенка |0,04 |0.06 |
|Почки |0 58 |0,67 |
|Надпочечники |0,35 |0,23 |
|Семенники |— |0,05 |
|Яичники |0,03 |—— |

Что касается содержания биотина в крови человека, то по этому вопросу имеется ограниченная и порой противоречивая информация. Bhagavan и Coursin в 1967 г. определили содержание биотина микробиологическим методом в крови
30 здоровых лошадей и 25 взрослых людей и показали, что в среднем в крови взрослых людей содержится 25,7 ммкг% биотина (12—42,6 ммкг%), а в крови детей несколько больше—32,3 ммкг% (14,7—55,5 ммкг%). По данным Baugh
(1968), средний уровень биотина в цельной крови составляет 147 ммкг% (82—
270 ммкг%). Какой-либо разницы, в содержании биотина в .крови в зависимости от пола и возраста не отмечено. Содержание биотина в молоке женщины резко изменяется в период кормления. В первый день после родов содержание биотина b молоке невелико и только на 10-й день повышается до 0,33 мкг на 100 мл.

Биотин почти не подвергается Обмену в организме человека и выводится в неизмененном виде в основном с мочой. У здоровых людей выведение биотина с мочой составляет 11—183 мкг в сутки, у новорожденных детей достигает максимума (4 мкг на 100 мл)_ на 2-й день жизни и снижается до нуля к 7-му дню. Содержание биотина в кале колеблется от 322 до 393 mкг в сутки. В норме выделение биотина с мочой и калом повышает поступление его с пище 3-6 раз. что свидетельствует о удовлетворении потребностей человека в биотине на счет бактериального синтеза в кишечнике. Через 6 часов после введения человеку массированной дозы биотина большая часть его выводится с мочой.
Содержание биотина в кале при этих же условиях изменяется в меньшей степени.
Небольшая часть карбоксильной группы боковой цепи биотина окисляется до
СО2 специфической оксидазой, которая обнаружена в печени и почках морской свинки и крысы.

Исследование распределения меченого биотина в тканях цыплят и крыс показало, что уже через 4 часа после выведения физиологической дозы меченного С1' по карбоксильной группе биотина около 16% метки включалось в печень, а 30% выводилось с калом и мочой в неизмененном виде
(Dakshinamurty, Mistry, 1963). В сердце, селезенке и легких радиоактивности не обнаружено. Менее 4% введенной дозы выводилось в виде выдыхаемого C14O2, что указывало на незначительное прямое окисление карбоксильной группы биотина. О распределении меченого биотина в различных клеточных фракциям можно судить по табл.

Содержание биотина в клеточных фракциях печени нормальных крыс

(Dakshinamurti, Misfry, 1963)
| |Нормальные животные |Авитаминозные |
|Фракция печени | |животные |
| |Общий |Связанный |Общий биотин (в|
| |биотин в|биотин в % |%) |
| |% |к общему | |
|Гомогенат |100 |92 |100 |
|Ядра |37 |99 |75 |
|Митохондрии |9 |89 |13 |
|Микросомы |2 |23 |о |
|Надосадочная жидкость |47 |91 |о |

Из таблицы видно, что 40—50% радиоактивности обнаружено в надосадочной фракции, полученной после центрифугирования гомогената печени крыс. В микросомах содержится незначительное количество витамина. Большая часть биотина в различных клеточных фракциях, за исключением микросом, присутствует в связанной с белком форме. Имеются и противоречивые данные о том, что большая часть биотина (более 60%) содержится в митохондриях печени животных и около 11%— в микросомах.
В настоящее время недостаточно исследована динамика содержания биотина в тканях в онтогенезе животных. По-видимому, яйцо и зародыш в начальной стадии развития наиболее богаты биотином. Развитие зародыша сопровождается снижением содержания биотина в тканях. Исключение составляют печень и почки, в которых содержание биотина значительно повышается в первые дни постэмбрионального развития.

6. Участие биотина в обмене веществ и механизм действия
К 1958—1959 гг. накопились данные, которые указывали на участие биотина в реакциях карбоксилирования. Установлено, что при биотиновой недостаточности нарушаются следующие функции печени животных: синтез цитруллина из орнитина, МН3 и С02, включение CО2 в пурины, карбоксилирование пропионовой кислоты, приводящее к образованию янтарной кислоты, включение С02 в ацетоуксусную кислоту. Однако механизм действия биотина в этих реакциях оставался невыясненным. Данные опытов с 2-C14- биoтинoм исключали возможность того, что С-атом уреидной группировки биотина переносится в качестве остатка угольной кислоты. Одним из обстоятельств, из-за которых подвергалась сомнению функция этого витамина как кофермента карбоксилирования, было (описанное в разное время) участие биотина в реакциях, в которых не происходило ни включения, ни отщепления
С02. Так, было обнаружено влияние биотина на дезаминирование аспарагиновой кислоты, серина и треонина и участие его в синтезе жирных кислот. Первые четкие доказательства коферментной функции биотина в реакции карбоксилирования появились в работах, посвященных именно синтезу жирных кислот. В этих работах отмечалось, что биотин является коферментом ацетил-
КоА-карбоксилазы, фермента, осуществляющего карбоксилирование ацетил-КоА с образованием малонил-КоА—первую стадию синтеза жирных кислот (Wakil, 1958).
К этому времени были получены доказательства существования еще одного биотинфермента, а именно (З-метил-кротонил-КоА-карбоксилазы (Lynen, Knappe,
1959). Все известные в настоящее время биотиновые ферменты катализируют два типа реакций:
1. Реакции карбоксилирования или фиксации С02, сопряженные с расщеплением

АТФ и протекающие согласно уравнению:

АТФ + НСОз + RHR—СОО- + АДФ + Фнеорг.

II. Реакции транскарбоксилирования, протекающие без распада АТФ, при которых карбоксилирование одного субстрата осуществляется при одновременно протекающем декарбоксилировании другого соединения:

R1—COO- + R2H R1H + R2— COO-

Поскольку все приведенные реакции являются обратимыми, возможен обратимый биосинтез АТФ. Во всех этих случаях имеет место включение С02 в реактивное ?-подожение ацил-КоА или винилгомоло-гичное ему положение (при карбо^силировании ?-метилкротонил-КоА).

К началу 60-х год5В были выделены и изучены карбоксилазы, осуществляющие указанные превращения —В 1960 г. установлено участие биотина в реакции транскарбоксилирования при исследовании синтеза пропионовои кислоты

СНз—СН—СО~S—КоА + СНз—СО—СООН

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 ?-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 ?-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 ?-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 ?-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 СО16:1 и СО18:2, 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 значительно снижено содержание коферментны.х форм фолиевой кислоты, а именно N5 и N10-формилтетрагидро- фолатов, тетрагидрофолата, N5_ и N10_ формилтетрагидроптероилглутаминовых кислот. Биотин стимулирует синтез метионина из серина и гомоцистеина и процессы метилирования вообще, способствуя накоплению коферментных форм фолиевой кислоты. Таким образом, при недостаточности биотина нарушена утилизация организмом фолиевой кислоты и превращение ее в активные коферментные формы. По-видимому, биотин принимает непосредственное участие в ферментативных процессах превращения фолиевой кислоты в ее коферментные производные (Marchetti e. а., 1966). Биотин благоприятно влияет на общее состояние организма и сохранение аскорбиновой кислоты в тканях цинготных морских свинок. В свою очередь аскорбиновая кислота замедляет, хотя и не предотвращает развитие авитаминоза биотина у крыс. При недостаточности биотина снижается содержание тиамина в печени, селезенке,. почках и мозге животных. У крыс, содержавшихся на рационе, лишенном биотина, содержание витамина B12 было выше, чем у контрольных животных, получавших биотин. Эти два витамина тесно связаны между собой в обмене пропионовой кислоты у микроорганизмов и животных. Существует тесная связь между биосинтезом биотина и пантотеновой кислоты у микроорганизмов и зеленых растений (В. В.
Филиппов, 1962). Биотин облегчает симптомы пантотеновой недостаточности и, наоборот, пантотеновая кислота смягчает проявление авитаминоза биотина.

7. Потребность организма в биотине.

Биотин необходим для человека, животных, растений и большого числа микроорганизмов. Он является фактором роста для многих штаммов, а также многих грибов и бактерий. Однако некоторые дрожжи, грибы и бактерии способны его синтезировать. Потребность в биотине у птиц и животных покрывается за счет синтеза его бактериями желудочно-кишечного тракта. У коров, овец и лошадей, содержащихся на обычном рационе, практически исключена недостаточность биотина. У свиней и птиц недостаточность биотина может создаваться при использовании кормов, бедных витаминами.

Потребность в биотине у человека покрывается за счет синтеза его микрофлорой кишечника, поэтому ее трудно оценить. С известной долей приближения можно считать, что (минимальной ежедневной дозой биотина для животных и человека являются следующие величины (Gyorgy, 1954): для человека— 150—200 мкг, обезьян—20 мкг, крыс— 0,5—3 мкг, цыплят — 0,65—1 мкг, свинец — 100 мкг.

В период беременности и лактации Потребность в биотине у женщин повышается до 250— 300 мкг в день. По другим данным, потребность в биотине значительно ниже и составляет для взрослого человека 30— 40 мкг в сутки.

7.1 Проявление недостаточности биотина

Наиболее подробно недостаточность биотина изучена в опытах на крысах и цыплятах при скармливании рационов с большим содержанием сырого яичного белка. Биотиновый авитаминоз у животных характеризуется прекращением роста и падением веса тела (до 40%), покраснением и шелушением кожи, выпадением шерсти или перьев, образованием красного отечного ободка вокруг глаз в виде
«очков», атактической походкой, отеком лапок и типичной позой животного с согбенной (кенгу-руподобной) спиной. Дерматит, который развивается у животных при недостаточности биотина, может быть охарактеризован как себорея десквамационного типа, сходная с той, которая наблюдается у детей.
У крыс авитаминоз биотина развивается через 4—5 недель скармливания опытного рациона, а у цыплят первые признаки авитаминоза появляются через 3 недели.

Помимо внешних признаков, биотиновый авитаминоз вызывает глубокие морфологические изменения в тканях и органах, а также нарушения в обмене веществ. Известны изменения в зобной железе, коже и мышцах крыс. Характерны обильный гиперкератоз, акантез и отеки. Разрушенные волосяные стволы перемешаны с гиперкератозными пластинками. Установлено расширение волосяных сумок, отверстия которых закупорены гиперкератозным материалом. В последней фазе развития авитаминоза наблюдается атрофия жира в гиперкератозных пластинках. Недостаток биотина в рационе крыс приводит к уменьшению его содержания в тканях. В печени и мышцах количество витамина снижается в 5 раз, а в мозговой ткани—на 15%. В крови авитаминозных крыс накапливается пировиноградная кислота, развивается ацидоз и снижается концентрация сахара. При этом глюкозурия не наблюдается, но уменьшается содержание редуцирующих Сахаров в печени при нормальном содержании их в мышцах; у животных развивается креа-тинурия.

Человек полностью удовлетворяет свою потребность в биотине за счет синтеза его микрофлорой кишечника, поэтому гиповитаминоз можно получить только в эксперименте. Экспериментальную недостаточность биотина у человека наблюдали Sydenstricker и соавторы (1942) путем включения в диету ежедневно
200 г сырого яичного белка. Через 3 недели появилось шелушение кожи без зуда. На 7—8-й день развилась пепельная бледность кожи и началась атрофия вкусовых сосочков языка. Позднее появились мышечные боли, повышенная чувствительность, болезненные ощущения, вялость, сонливость, тошнота и потеря аппетита. В крови уменьшилось содержание эритроцитов и холестерина.
Выделение биотина с мочой снизилось в 7—8 раз против нормы (с 29— 52 до
3,5—7,3 мкг в сутки). Введение 150 мкг биотина уже на 3—4-й день устраняло депрессию, мышечные боли и восстанавливало аппетит.
Таким образом, недостаточность биотина у человека в первую очередь вызывает поражения кожи. Более тяжелые проявления требуют, по-видимому, большей длительности авитаминоза.

8. Профилактическое и лечебное применение биотина.

В настоящее время применение биотина в клинике с лечебной и профилактической целью изучено недостаточно. Большое значение биотина для нормального состояния ко

Вернуться