Строение, свойства и биологическая роль биотина

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)

Фракция печени	Нормальные животные		Авитаминозные животные
	Общий биотин в %	Связанный биотин в % к общему	Общий биотин (в %)
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 + RH

R—СОО- + АДФ + Фнеорг.

 

Реакции	Источник фермента
Ацетил-КоА + С02+ АТФ Малонил-КоА + АДФ + Ф ß-Метилкротонил-КоА + С02 + АТФ ß -Метилглютаконил-КоА+ АДФ + Ф Пропионил-КоА + С02 + АТФ Метилмалонил-КоА + АДФ + Ф   Бутирил-КоА+С02 + АТФ Этилмалонил-КоА+АДФ+ Ф   Пируват + С02+ АТФ Щавелевоуксусная кислота	Печень голубя   Микробактерии   Сердце и печень свиньи Мышцы и печень голубя Печень голубя

 

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 α-подожение ацил-КоА или винилгомоло-гичное ему положение (при карбо^силировании β-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 + R2H

R2— С00- + биотинфермент.

После установления существования «активной С02» в виде С02~биотинфермента установлен характер связи между С02 и биотином. Этому способствовало открытие того факта, что β-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 ε-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 ε-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 + синтетаза R-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.