Классификация витаминов

Витамины делятся на два класса: водорастворимые и жирорастворимые витамины (табл.1)

Табл.1 Витамины и их роль в ферментативных реакциях

К водорастворимым витаминам относятся: тиамин (витамин В1), рибофлавин (витамин В2), никотиновая кислота, пантотеновая кислота, пиридоксин (витамин В6), биотин, фолиевая кислота, витамин В12 и аскорбиновая кислота (витамин С). Почти для всех этих витаминов установлено, какую функцию они выполняют в качестве коферментов. Биохимические функции жирорастворимых витаминов A, D, E, K, представляющих собой маслянистые, плохо растворимые в воде вещества, пока ещё не совсем понятны. Кроме этих, хорошо известных витаминов, существуют и другие вещества, которые необходимы определённым видам, но обычно не считаются витаминами. К ним относятся карнитин, инозитол и липоевая кислота.

Тиамин (витамин В1)

Впервые тиамин в чистом виде был получен в 1926 г. Его химическое строение определил в начале 30-х годов американский учёный Роберт Р. Уильямс. Вскоре после этого был осуществлён химический синтез тиамина.

Молекула тиамина содержит бициклическую систему из пиримидинового и тиазольного колец (рис.2). В тканях животных тиамин присутствует главным образом в форме кофактора – тиаминпирофосфата (рис.3).

Рис.2. Тиамин

Рис.3. Тиаминпирофосфат (ТРР).

Тиаминпирофосфат служит кофактором в ряде ферментативных реакций, в которых осуществляется перенос альдегидных групп с молекулы-донора на молекулу-акцептор. В этих реакциях тиаминпирофосфат выполняет функцию промежуточного переносчика альдегидной группы, которая ковалентно связывается с тиазольным кольцом. В качестве примера можно привести реакцию, катализируемую пируватдекарбоксилазой (рис.4), представляющая собой важную стадию сбраживания глюкозы в спирт под действием дрожжей.

Рис.4. Ферментативное декарбоксилирование пирувата, осуществляемое пируватдекарбоксилазой.

В ходе пируватдекарбоксилазной реакции карбоксильная группа пирувата отщепляется в виде СО2; одновременно остальная часть молекулы, называемая иногда активным ацетальдегидом, переносится во второе положение тиазольного кольца тиаминпирофосфата, прочно связанного с ферментом, в результате чего образуется гидроксиэтильное производное. Это промежуточное соединение существует лишь очень короткое время, поскольку гидроксиэтильная группа быстро отщепляется от кофермента в виде свободного ацетальдегида. Тиаминпирофосфат служит также кофактором и в более сложных реакциях основного пути окисления углеводов в клетках – реакциях, катализируемых ферментами пируватдегидрогеназой и α -кетоглутаратдегидрогеназой.

Рибофлавин (витамин В2)

Витамин В2, или рибофлавин, впервые был выделен из молока. В 1935 г. было установлено строение этого соединения и осуществлён его химический синтез. Из-за присутствия в молекуле рибофлавина сложной изоаллоксазиновой полициклической системы (рис.5) он имеет ярко-жёлтую окраску.

Рис.5. Молекула рибофлавина.

Рис.6. Коферментные формы рибофлавина – флавинмононуклеотид и флавинадениндинуклеотид.

В дальнейшем было показано, что рибофлавин входит в состав двух родственных коферментов – флавинмононуклеотида (FMN) и флавинадениндинуклеотида (FAD), структура которых изображена на рис.6. Эти коферменты функционируют в качестве прочно связанных с ферментами простетических групп дегидрогеназ, относящихся к классу флавопротеинов, или флавиндегидрогеназ. В катализируемых этими ферментами реакциях изоаллоксазиновое кольцо флавиновых нуклеотидов служит промежуточным переносчиком атомов водорода, отщепляющихся в ходе реакции от молекулы субстрата (рис.7).

Рис.7

Сукцинатдегидрогеназа является одним из представителей флавиндегидрогеназ. Этот фермент, содержащий в качестве простетической группы ковалентно связанную с ним молекулу FAD, катализирует реакцию:

Сукцинат + Е-FAD → Фумарат + Е-FADH2,

где символ Е-FAD обозначает молекулу фермента, связанную с FAD. У большинства других флавиндегидрогеназ FMN и FAD соединены с молекулами ферментов не ковалентно. В состав активного центра некоторых флавиндегидрогеназ входят также ионы железа или других металлов.

Витамин РР (никотинамид)

Никотинамид – компонент двух близких по структуре коферментов – никотинамидадениндинуклеотида (NAD) и никотинамидадениндинуклеотидфосфата (NADP). Строение этих коферментов показано на рис.8.

Никотинамидадениндинуклеотид

Никотинамидадениндинуклеотидфосфат

Никотинамид

Никотиновая кислота (ниацин)

Рис.8. Две формы витамина, предотвращающего пеллагру и строение активных коферментных форм этого витамина.

NADP отличается от NAD наличием в молекуле фосфатной группы. Эти коферменты могут находиться как в окисленной (NAD⁺ и NADP⁺), так и в восстановленной (NADH и NADPH) формах. Никотинамидный компонент этих коферментов играет роль промежуточного переносчика гидрид-иона, который ферментативно отщепляется от молекулы субстрата под действием специфических дегидрогеназ. В качестве примера можно привести реакцию, катализируемую малатдегидрогеназой, которая дегидрирует малат
, превращая его в оксалоацетат; эта реакция представляет собой один из этапов окисления углеводов и жирных кислот. Малатдегидрогеназа катализирует также обратимый перенос гидрид-иона от малата к NAD⁺, в результате чего образуется NADH; второй атом водорода отщепляется от гидроксильной группы молекулы малата в виде свободного иона Н⁺:

L-малат + NAD⁺ ↔ Оксалоацетат + NADH + Н⁺.

Известно большое число дегидрогеназ такого типа, из которых каждая обладает специфичностью по отношению к какому-нибудь определённому субстрату. Одни из этих ферментов используют в качестве кофермента NAD⁺, другие – NADP⁺, а третьи могут функционировать с любым из этих двух коферментов. У большинства дегидрогеназ NAD (или NADP) связывается с белковой частью фермента только во время каталитического цикла, однако известны и такие ферменты, с которыми эти коферменты связаны очень прочно и постоянно присутствуют в активном центре.

Пантотеновая кислота (витамин В₅)

Пантотеновую кислоту (рис.10) впервые выделил из дрожжей и экстрактов печени в 1938 г. Роджер Уильямс (брат Роберта Уильямса, установившего структуру тиамина). Пантотеновая кислота (приставка пан- означает “повсеместно”) обнаружена во всех исследованных тканях растений и животных, а также у микроорганизмов. Однако лишь через двенадцать лет после того, как пантотеновая кислота была получена в чистом виде, Фритц Липманн и Натан Каплан показали, что она является коферментом. Сначала они обнаружили термостабильный фактор, необходимый для ускорения АТР-зависимого ферментативного ацетилирования спиртов и аминов. Затем, очистив и изучив свойства этого фактора, получившего название кофермент А (кофермент ацетилирования), они установили, что в нём содержится прочно связанная пантотеновая кислота. Сейчас мы знаем, что кофермент А выполняет значительно более широкие функции: он участвует во многих ферментативных реакциях, в которые вовлечены не только ацетильные, но и любые другие ацильные группы. Кофермент А (-СоА или СоА-SH) выполняет функции промежуточного переносчика ацильных групп.

Молекула кофермента А (рис.9) содержит реакционноспособную тиоловую (-SH) группу, с которой ковалентно связываются переносимые коферментом ацильные группы, в результате чего образуются тиоэфиры. Тиоэфиры представляют собой сложные эфиры тиолов, или тиоспиртов (общая формула R-SH).

Рис.9. Кофермент А и пантотеновая кислота.

В ходе реакции, показанной на рисунке 10, окислительное декарбоксилирование пирувата под действием пируватдегидрогеназного комплекса приводит к образованию ацетил-СоА.

Рис.10. Работа пируватдегидрогеназного комплекса.

В ходе второй реакции ацильная группа ацетил-СоА под действием цитратсинтазы переносится на оксалоацетат, который превращается при этом в цитрат (Рис.11).

ацетил-CoA + оксалоацетат + H₂O → цитрат + CoA-SH

Рис.11. Работа цитратсинтазы.

Этой реакцией начинается лимонный цикл – центральный путь окислительного расщепления углеводов и жирных кислот в аэробных условиях.

Пиридоксин (витамин В₆)

Группа витамина В₆ включает три родственных соединения: пиридоксин, пиридоксаль и пиридоксамин (рис.12), которые в биологических системах легко превращаются друг в друга. Активной формой витамина В₆ является пиридоксальфосфат или его аминоформа – пиридоксаминфосфат. Пиридоксальфосфат представляет собой прочно связанную простетическую группу целого ряда ферментов, катализирующих реакции с участием аминокислот. К наиболее распространённым и хорошо изученным реакциям такого типа относятся реакции переаминирования, в которых аминогруппа α -аминокислоты обратимо переносится на α -углеродный атом α -кетокислоты (рис.12).

Пиридоксин

Пиридоксальфосфат

Пиридоксамин

Рис.11. Активные формы витамина В₆ - пиридоксин, пиридоксамин, и коферментная форма – пиридоксальфосфат.

Рис.12. Общая реакция трансаминирования.

В реакциях переаминирования, катализируемых трансаминазами, или аминотрансферазами, прочно связанный пиридоксальфосфат служит промежуточным переносчиком аминогруппы от её донора – α -аминокислоты – к акцептору α -кетокислоте. В процессе каталитического цикла трансаминаз аминогруппа вступающей в реакцию аминокислоты сначала переносится на связанный с ферментом пиридоксальфосфат. Образовавшееся при этом аминопроизводное кофермента – пиридоксаминфосфат – передаёт затем аминогруппу второму субстрату – α -кетокислоте и возвращается в исходную пиридоксальфосфатную форму. В подобных реакциях переаминирования могут участвовать самые разнообразные аминокислоты и α -кетоглутарат, который играет роль универсального акцептора аминогрупп и в ходе реакции превращается в глутаминовую кислоту – ключевой продукт метаболизма аминогрупп.

Аминотрансфера́ зы (трансаминазы) — ферменты из группы трансфераз, катализирующие перенос аминогрупп от аминокислот на кетокислоты без образования свободного аммиака. Эти реакции трансаминирования осуществляют связь между белковым и углеводным обменом. Аминотрансферазы также называют трансаминазами, а реакцию — трансаминированием. Ферменты относятся к подклассу КФ 2.6.

Для аминотрансфераз донором аминогрупп являются аминокислоты, а акцептором — кетокислоты:

AK1 + KK2 ↔ KK1 + AK2

Рис.13. Общая реакция трансаминирования

В составе простетической группы аминотрансферазы содержат производные витамина B6. Во время переноса аминогруппы простетическая группа переходит из пиридоксаль-5-фосфатной формы в пиридосамино-5-фосфатную форму.

Механизм реакции трансаминирования открыт в 1937 году советскими учеными А.Е. Браунштейном и М.Г.Крицман.

Процесс протекает в две стадии.

1. Альдегидная группа пиридоксальфосфата (-СНО) взаимодействует с аминогруппой аминокислоты с образованием иминной связи в основании Шиффа: сначала α -аминогруппа аминокислоты-донора замещает ε -аминогруппу апофермента, а затем происходит перегруппировка через кетимин и в результате гидролиза образуется пиридосамино-5-фосфат и α -кетокислота.

2. Реакции повторяются в обратном порядке

Аминотрансферазы являются каталитически совершенными ферментами.

Аминотрансферазы содержатся практически во всех органах, но наиболее активно реакции трансаминирования идут в печени.

К этой группе ферментов относятся такие важные для клинической лабораторной диагностики ферменты, как АСТ и АЛТ.

Витамин Н, В₇ (биотин)

Является активным компонентом биоцитина – простетической группы некоторых ферментов, катализирующих реакции карбоксилирования.

Биотин является кофактором в метаболизме жирных кислот, лейцина и в процессе глюконеогенеза.

Входит в состав ферментов, регулирующих белковый и жировой обмен, обладает высокой активностью. Участвует в синтезе глюкокиназы — фермента, регулирующего обмен сахаров.

Является коферментом различных ферментов, в том числе и транскарбоксилаз. Участвует в синтезе пуриновых нуклеотидов. Является источником серы, которая принимает участие в синтезе коллагена. С участием биотина протекают реакции активирования и переноса СО₂.

Рис.14. Молекула биотина

Витамин В₉ (фолиевая кислота)

Рис.15. Фолиевая кислота

Рис. 16. Тетрагидрофолиевая кислота, C₁₉H₂₃N₇O₆, Mr = 445.43 g/mol

Тетрагидрофолат — это кофермент, участвующий во многих реакциях, особенно при метаболизме аминокислот и нуклеиновых кислот. Является донором одноуглеродной группы. Получает атом углерода путем образования комплекса с формальдегидом, который образуется в других реакциях.

Недостаток тетрагидрофолата вызывает анемию.

Концентрация тетрагидрофолата снижается под действием лекарственного препарата (цитостатика) метотрексата, который используют для остановки синтеза нуклеотидов.

Витамин В₁₂

Рис. 17. Цианкобаламин

Ковалентная связь C-Co кофермента B₁₂ аденозилкобаламина участвует в двух типах ферментативных реакций:

1. Реакции переноса атомов, при которых атом водорода переносится непосредственно с одной группы на другую, при этом замещение происходит по алкильной группе, спиртовому атому кислорода или аминогруппе.

2. Реакции переноса метильной группы (—CH3) между двумя молекулами.

В организме человека есть только два фермента с коферментом B₁₂:

1. Метилмалонил-КоА-мутаза, фермент, использующий в качестве кофактора аденозилкобаламин и при помощи реакции, упомянутой выше в п.1, катализирует перестановку атомов в углеродном скелете. В результате реакции из L-метилмалонил-КоА получается сукцинил-КоА. Эта реакция является важным звеном в цепи реакций биологического окисления белков и жиров.

2. 5-метилтетрагидрофолат-гомоцистеин-метилтрансфераза, фермент из группы метилтрансфераз, использующий в качестве кофактора метилкобаламин и при помощи реакции, упомянутой выше в п. 2, катализирует превращение аминокислоты гомоцистеина в аминокислоту метионин.

Итак, витамины – это органические вещества, которые в следовых количествах присутствуют в большинстве живых организмов и необходимы для их нормальной жизнедеятельности. Однако некоторые организмы не способны синтезировать эти вещества и должны получать их из внешних источников. Большая часть водорастворимых витаминов представляет собой компоненты различных коферментов или простетических групп ферментов, играющих важную роль в клеточном метаболизме.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3-х т. Т.1. Пер.с англ. – М.: Мир, 1985. – 367 с., ил.

2. Гайсина Л. А., Фазлутдинова А. И., Кабиров Р. Р. Современные методы выделения и культивирования водорослей. — Учебное пособие. — Уфа: БГПУ, 2008. — 152 с. — 100 экз. — ISBN 978-5-87978-509-8

3. «Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации» МР 2.3.1.2432-08

4. «Волвит. Инструкция для медицинского применения препарата» Утверждено приказом Министерства здравоохранения Украины 02.02.099 № 50. Регистрационное свидетельство № UA/9290/01/01, № UA/9290/01/02

5. Адрианов Н. В. Биотин