Водорастворимые витамины - как кофакторы ферментов

Введение

Витамины - низкомолекулярные органические соединения различной химической природы
и различного строения, синтезируемые главным образом растениями, частично - микроорганизмами. Для человека витамины - незаменимые пищевые факторы.
Биологическая роль витаминов. Многие ферменты частично или даже полностью не работают если они не связаны с определенными небелковыми молекулами-помощниками.
Витамины могут связываться с ферментами двумя способами – либо с помощью ионных или водородных связей (на короткий промежуток времени), либо при помощи стабильных ковалентных связей (на все время существования фермента)[2].
Было установлено, что именно водорастворимые витамины выполняют определенные функции в качестве коферментов:

Тиамин (витамин В1) в тканях животных присутствует в виде кофактора – тиаминпирофосфата. Он играет роль межмолекулярного переносчика различных химических групп. Например, участвует в сбраживании глюкозы в спирт под действием дрожжей.
Рибофлавин (витамин В2) входит в состав двух коферментов флавинмононуклеотида (FMN) и флавинадениндинуклеотида (FAD), служит промежуточным переносчиком атомов водорода и участвует в реакциях окисления.
Никотинамид (никотиновая кислота) – компонент двух коферментов никотинамидадениндинуклеотида (NAD) и никотинамидадениндинуклеотидфосфата (NADP) является переносчиком гидрид-иона в реакциях окисления углеводов и жирных кислот.
Пантотеновая кислота (витамин В3) обнаружена во всех тканях животных, растений и в микроорганизмах, является компонентом кофермента А (кофермент ацетилирования). Это переносчик ацетильной группы, участвующий в расщеплении углеводов и жирных кислот в аэробных условиях (с доступом кислорода).
Пиридоксин (витамин В6) состоит из взаимопревращаемых соединений: пиридоксин, пиридоксаль, пиридоксамин. Служит переносчиком аминогрупп и участвует в продукции глутаминовой кислоты.
Биотин является фактором роста, в качестве кофермента участвует в реакциях карбоксилирования и производстве оксалоацетата.
Фолиевая кислота сама по себе не обладает коферментной активностью, но восстанавливается в тканях до тетрагидрофолиевой кислоты, которая и является активным коферментом.
Витамин В12 не вырабатывается ни растениями, ни животными, только некоторыми видами микроорганизмов, имеет две коферментные формы: 5-дезоксиаденозилкобаламин и метилкобаламин, переносит атомы водорода и метильные группы.
Биохимическая функция аскорбиновой кислоты (витамина С) до конца не изучена. Предположительно она играет роль кофактора в реакции ферментативного гидроксилирования, при котором остатки пролина в коллагене соединительной ткани позвоночных превращаются в гидроксипролиновые остатки. Это дает повод предполагать, что аскорбиновая кислота участвует в образовании основного компонента соединительной ткани высших животных[3].

Таблица 1. Условные сокращения

Сокращение Полное наименование
АТФ аденозинтрифосфорная кислота
КоА кофермент А
ТДФ тиамин-дифосфатом
ТПФ тиаминпирофосфат
ФАД флавинадениндинуклеотид
ФМН флавинмононуклеотид


Классификация водорастворимых витаминов
Витамин В1 (тиамин);

Рис.1 Структурная формула вит. В1
Витамин В2 (рибофлавин);

Рис. 2 Структурная формула вит. В2
Витамин РР (никотиновая кислота, никотинамид, витамин В3);

Рис. 3 Структурная формула вит. РР

Пантотеновая кислота (витамин В5);

Рис. 4 Структурная формула вит. В5
Витамин В6 (пиридоксин);

Рис. 5 Структурные формулы витаминов группы В6
Биотин (витамин Н);

Рис. 6 Структурная формула вит. В6


Фолиевая кислота (витамин Вс, В9);

Рис. 7 Структурная формула фолиевой к-ты (Фолиевая кислота состоит из трёх структурных единиц: остатка птеридина (I), параамино-бензойной (II) и глутаминовой (III) кислот).
Витамин В12 (кобаламин);

Рис. 7 Структурная формула вит. В12
Витамин С (аскорбиновая кислота);

Рис. 8 Формы существования аскорбиновой кислоты


Витамин Р (биофлавоноиды)[4]

Рис. 9 Структурная формула витамина Р.


Водорастворимые витамины как кофакторы ферментов
Биологическая роль витамина В1
Экспериментально доказано, что витамин B1 в форме ТПФ является составной часть минимум 5 ферментов, участвующих в промежуточном обмене веществ. ТПФ входит в состав двух сложных ферментных систем – пируват - и α - кетоглутарат дегидрогеназных комплексов, катализирующих окислительное декарбоксилирование пировиноградной и α-кетоглутаровой кислот

. В составе транскетолазы ТПФ участвует в переносе гликоальдегидного радикала от кетосахаров на альдосахара. ТПФ является коферментом пируватдекар-боксилазы клеток дрожжей (при алкогольной ферментации) и дегидрогеназы γ-оксикетоглутаровой кислоты.
Приведенными примерами, вероятнее всего, не ограничиваются биологические функции тиамина. В частности, ТПФ участвует в окислительном декарбоксилировании глиоксиловой кислоты и α-кетокислот, образующихся при распаде аминокислот с разветвленной боковой цепью; в растениях ТПФ является эссенциальным кофактором при синтезе валина и лейцина в составе фермента ацетолактатсинтетазы.
Биологическая роль рибофлавина
Рибофлавин входит в состав флавиновых коферментов, в частности ФМН и ФАД, являющихся в свою очередь простетическими группами ферментов ряда других сложных белков – флаво-протеинов. Некоторые флавопротеины в дополнение к ФМН или ФАД содержат еще прочно связанные неорганические ионы, в частности железо или молибден, наделенные способностью катализировать транспорт электронов. Различают 2 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 или ФМН подвергается обратимому восстановлению с присоединением электронов и атомов водорода к N1 и N10. ФМН и ФАД прочно связываются с белковым компонентом, иногда даже ковалентно, как, например, в молекуле сукцинатдегидрогеназы.
ФМН синтезируется в организме животных из свободного рибофлавина и АТФ при участии специфического фермента рибофлавинкиназы:

Синтез ФМН 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:
Образование ФАД в тканях протекает при участии специфического АТФ-зависимого фермента ФМН-аденилилтрансферазы[3].
Биологическая роль витамина РР
 Никотиновая кислота в организме входит в состав NAD и NADP, выполняющих функции коферментов различных дегидрогеназ. Синтез NAD в организме протекает в 2 этапа:


Рис. 10 NADP образуется из NAD путём фосфорилирования под действием цитоплазматической NAD-киназы.
NAD+ + АТФ → NADP+ + АДФ[4].
Биологическая роль витамина В5
Пантотеновая кислота используется в клетках для синтеза кофер-ментов: 4-фосфопантотеина и КоА. 4-фосфопантотеин - кофермент пальми-тоилсинтазы. КоА участвует в переносе ацильных радикалов в реакциях общего пути катаболизма, активации жирных кислот, синтеза холестерина и кетоновых тел, синтеза ацетилглюкозаминов, обезвреживания чужеродных веществ в печени.


Рис. 11. Строение КоА и 4'-фосфопантотеина. 1 - тиоэтаноламин; 2 - аденозил-3'-фосфо-5'-дифосфат; 3 - пантотеновая кислота; 4 - 4'-фосфопантотеин (фосфорилированная пантотеновая кислота, соединённая с тиоэтаноламином).
Биологическая роль витамина В6
Оказалось, что, хотя все три производных 3-оксипиридина наделены витаминными свойствами, коферментные функции выполняют только фосфорилированные производные пиридоксаля и пиридоксамина.
Фосфорилирование пиридоксаля 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:

Доказано, что в животных тканях происходят взаимопревращения пиридоксальфосфата и пиридоксаминфосфата, в частности в реакциях трансаминирования и декарбоксилирования аминокислот.
Известно более 20 пиридоксалевых ферментов, катализирующих ключевые реакции азотистого метаболизма во всех живых организмах