Обмен биотина в организме человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВИТАМИН Н (БИОТИН)

В 1916 г. в опытах на животных было показано токсичное действие сырого яичного белка. Биолог Бетеман стал кормить лабораторных крыс свежим яичным белком в качестве основного источника протеинов. Ученый вскоре заметил у животных нарушения мышечных функций, поражения кожи и выпадение шерсти. Однако этих симптомов удавалось избегать, когда животных стали кормить не сырым, а вареным желтком, употребление печени или дрожжей также снимало этот эффект. Фактор, предотвращающий развитие токсикоза, был назван витамином Н.

Позже было установлено, что в дрожжевом экстракте печени и желтке куриного яйца содержится пищевой фактор, отличный от всех других известных к этому времени витаминов. Этот фактор стимулирует рост дрожжей и азотфиксирующих бактерий Rhizobium, в связи с чем он и получил название «биотин» (от греч. bios - жизнь), или коэнзим R.

В 1940 г. было установлено, что все три названия (биотин, витамин Н и коэнзим R) относятся к одному и тому же химически индивидуальному соединению. Выделенное из сырого яичного белка вещество оказалось гликопротеином - белком основного характера, названным авидином; этот белок обладает высоким сродством связывания с биотином с образованием нерастворимого в воде комплекса. Комплекс не подвергается расщеплению в пищеварительном тракте, поэтому биотин не всасывается, хотя и содержится в пищевых продуктах.

В 1935г. Кегль и Тоннис впервые выделили из 250 кг яичного желтка 100 мг. кристаллического препарата - биотина.

Биотин (витамин Н, витамин В7, коэнзим R) - один из водорастворимых витаминов группы B. Он является производным имидазола и широко распространен в натуральных пищевых продуктах.

Молекула витамина Н состоит из имидазольного и тиофенового колец. Ее рассматривают как циклическое производное мочевины с боковой цепью, представляющей собой остаток валериановой кислоты:

Бесцветные, игольчатые кристаллы биотина (tпл = 220°C) хорошо растворяются в воде, ограниченно в спиртах и трудно в серном эфире. Витамин Н устойчив к действию молекулярного кислорода и серной кислоты, но разрушается под влиянием перекиси водорода, бромной воды, соляной и азотной кислот и щелочей. Биотин устойчив к действию ультрафиолетовых и рентгеновских лучей.

В молекуле содержится три асимметрических атома углерода, что обусловливает существование восьми стереоизомеров.

Биологическую активность проявляет только один из них, обнаруженный в природе (+)-биотин, в котором все три атома водорода, связанные с хиральными центрами, находятся цис-положении относительно друг друга. Удаление 4 атомов водорода с сохранением конфигурации молекулы (дегидробиотин) приводит к полной потере активности. Важность уреидной группы подтверждается полной потерей активности при замене ее гуанидиновой группировкой. Столь же необходимо для активности наличие полной боковой цепи биотина. Все соединения, имеющие более длинную боковую цепь (гомобиотин) или более короткую (норбиотин), лишены биологической активности. Замена карбоксильной группы на спиртовую (биотинол, оксибиотинол) сопровождается потерей активности. Только одна группа производных, полученных окислением атома серы (сульфобиотин и биотинсульфоксид) или заменой серы кислородом (оксибиотин) или двумя атомами водорода (дестиобиотин), проявляет биологическую активность.

В организме биотин образуется из олеиновой кислоты. Карбонильная группа биотина связывается амидной связью с е-амино-группой лизина, образуя е-N-биотиниллизин (биоцин), обладающий биологической активностью.

Природные сложные белки, содержащие биотин, при попадании в организм подвергаются протеолизу с освобождением свободного биоцитина; последний подвергается гидролизу под действием биоцитиназы печени и сыворотки крови с образованием биотина и лизина.

Распространение в природе

Биотин широко распространен в природе. Он обнаружен у микроорганизмов, растений и животных. Содержание его определено в различных систематических группах животных - от простейших до млекопитающих. Наиболее высокий уровень биотина обнаружен в личинках насекомых, а 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.

Биохимические функции

Витамин Н входит в состав ферментов, осуществляющих начальный этап биосинтеза жирных кислот, участвует в обмене углеводов, аминокислот, влияет на состояние кожи, иммунитет и функции нервной системы.

Биотин был подробно изучен, благодаря работам Ф. Линена.

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

1) реакции карбоксилирования (с участием СО2 или НСО3-), сопряженные с распадом АТФ:

RH + HCO3 - + АТФ = R - COOH + АДФ + H3PO4

Биотинзависимые ферменты катализируют реакции в-карбоксилирования или фиксации СО2, тем самым они способствуют усвоению тканями организма гидрокарбонат-ионов. При этом образуется карбоксибиотин.

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

R1COOH + R2H = R1H + R2COOH

Получены доказательства двустадийного механизма этих реакций с образованием промежуточного комплекса (карбоксибиотинилфермент).

К реакциям первого типа относятся, например, ацетил-КоА- и пируват-карбоксилазные реакции:

CH3-CO-S-KoA + CO2 +АТФ = HOOC-CH2 -CO-KoA + АДФ + Pi

Пируваткарбоксилаза является высокоспецифичным ферментом, катализирующим уникальную реакцию усвоения СО2 в организме животных. Сущность реакции сводится к пополнению запасов оксалоацетата (щаве-левоуксусная кислота) в лимоннокислом цикле (так называемые «анаплеро-тические», «пополняющие» реакции), т.е. его синтезу из СО2 и пирувата: 

Пируват + CO2+ АТФ + H2О = Оксалоацетат + АДФ + Pi + 2H+

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):

CO2 + Е-Биотин + АТФ + H2О = Е-Биотин-СOO- + АДФ + Pi + 2Н+

На второй стадии СО2 из комплекса переносится на пируват с

образованием оксалоацетата и освобождением фермента:

Е-Биотин-СOO- + Пируват = Е-Биотин + Оксалоацетат

Схему реакции карбоксилирования можно представить в виде:

Примером реакций транскарбоксилирования является метилмалонил-оксалоацетат-транскарбоксилазная реакция, катализирующая обратимое превращение пировиноградной и щавелевоуксусной кислот:

Метилмалонил-КоА + Пируват = Пропионил-КоА + Пропионил-КоА

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

Например,

1) Образование оксалоацетата происходят при глюконеогенезе -- процессе образования в печени и отчасти в корковом веществе почек (около 10 %) молекул глюкозы из молекул других органических соединений -- источников энергии, например, свободных аминокислот, молочной кислоты, глицерина.

2) Синтез жирных кислот. Биотин находится в составе ацетил-S-KoA-карбоксилазы, ключевого фермента синтеза жирных кислот.

На последних стадиях утилизации разветвленных углеродных цепей при катаболизме лейцина, изолейцина и некоторых жирных кислот биотин находится в составе пропионил-S-KoA-карбоксилазы.

Таким образом, биотин является кофактором в метаболизме жирных кислот, лейцина и в процессе глюконеогенеза

Биотиновые ферменты представляют собой олигомеры с большой молекулярной массой(порядка 700000) и, как правило, содержат 4 моля связанного биотина на 1 моль фермента, т.е. состоят из 4 субъединиц с молекулярным весом 175000, каждая из которых содержит одну молекулу биотина. витамин биохимический биотин нуклеотид

Некоторые биотинзависимые ферменты животных и выполняемые ими функции представлены в таблице 1.

Таблица 1. Биотинзависимые ферменты.

Биотин играет важную роль в углеводном обмене, взаимодействуя с гормоном поджелудочной железы инсулином. Кроме того, биотин участвует в производстве глюкокиназы - фермента регулирующего обмен сахаров. Глюкокиназа вырабатывается в печени, там же, где хранится биотин. Это особенно важно для диабетиков, у которых содержание глюкокиназы в печени понижено. Благодаря добавкам биотина (от 5 до 15 миллиграммов в день) врачам удается существенно улучшить обмен глюкозы у больных диабетом.

В обмене веществ витамин Н является важным союзником других витаминов группы В: фолиевой, пантотеновой кислот, витамина В12.

Существуют данные об участии биотина в синтезе пуриновых нуклеотидов.

Витамин H является источником серы, которая принимает участие в синтезе коллагена - фибриллярного белка, составляющего основу соединительной ткани организма и обеспечивающий её прочность и эластичности. Биотин называют витамином красоты для кожи, волос и ногтей, так как доставляет необходимое количество серы в нужные клетки. Хотя утверждения о том, что он стимулирует рост волос у человека, не подкреплены никакими опубликованными исследованиями, добавки биотин от 5 до 15 мг в день останавливает выпадение волос, вызванное дефицитом биотина (если выпадение не гормональной природы).

Потребность организма в биотине

Биотин необходим для человека, животных, растений и большого числа микроорганизмов. Он является фактором роста для многих штаммов Saccharomyces cerevisiae и других дрожжей, а также многих грибов и бактерий (молочнокислых, пропионовокислых и др.). Однако некоторые дрожжи (Тorulopsis utilus, Hansenila anomala), грибы и бактерии (Aerobacter aerogenes, Proteus vulgaris и др.) 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. Наиболее чувствительны к биотину цыплята, у которых быстрее наступает авитаминоз при содержании их на очищенном рационе. Недостаток биотина в рационе кур-несушек приводит к сильному снижению содержания биотина в яйцах. Из таких яиц развиваются цыплята с врожденным абиотинозом или вообще не выводится жизнеспособное потомство. Для организации правильного кормления кур-несушек нужно, чтобы в рационе содержалось 13 мкг биотина на 100 г корма.

Потребность в биотине у человека покрывается за счет синтеза его микрофлорой кишечника, поэтому ее трудно оценить. С известной долей приближения можно считать, что минимальная ежедневная доза биотина для человека составляет 150--200 мкг, обезьян --20 мкг, крыс -- 0,5--3 мкг, цыплят -- 0,65--1 мкг, свиней-- 100 мкг.

В период беременности и лактации потребность в биотине у женщин повышается до 250--300 мкг в день.

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 вызывали 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.

Причины гиповитаминоза биотина:

· Наследственность;

· Применение антибиотиков и сульфаниламидных препаратов, приводящее к угнетению бактерий кишечника, синтезирующих витамин Н;

· Злоупотребление диетами, ограничивающими здоровое питание;

· Употребление сырых яиц , т. к. сырой яичный белок содержит вещество, авидин - антивитамин биотина. Это вещество связывает биотин и препятствует его всасыванию в кровь.

· Употребление алкоголя;

· Употребление продуктов, содержащих сернистые соединения в качестве консервантов (E221 -- E228) (сернистый ангидрид, образующийся при нагревании таких продуктов и взаимодействии с воздухом, разрушает биотин)

· Дефицит магния, т.к. он необходим для превращения биотина в активную форму.

При гиповитаминозе биотина нарушаются следующие функции печени животных:

§ синтез цитруллина из орнитина, NH3 и CO2;

§ включение CO2 в пуриновые основания;

§ карбоксилирование пропионовой кислоты образованием янтарной кислоты;

§ включение CO2 в ацетоуксусную кислоту.

При недостаточности витамина Н возможны следующие симптомы:

· поражения кожи рук, ног и щек,

· сухость кожных покровов и сероватый ее оттенок;

· бледный гладкий язык;

· сонливость, депрессия,

· болезненность и слабость мышц;

· нарушения деятельности сердца, гипотония;

· высокий уровень холестерина и сахара в крови;

· анемия;

· потеря аппетита и тошнота;

· себорейный дерматит

Примеры последствия гиповитаминоза биотина у человека:

1. Действие на нервную систему. Клетки мозга и всей нервной системы питаются только глюкозой. Биотин участвует в производстве глюкокиназы, поэтому косвенно влияет на уровень глюкозы в крови. Чтобы поддерживать нервную систему, содержание сахара в крови должно постоянно оставаться на определенном уровне - 80 - 100 мг глюкозы на 100 мл крови. При 60 мг человек становится нервным, раздражительным, уставшим. При 30 мг не способен справиться с решением повседневных задач. Таким образом, присутствие биотина в рационе человека необходимо для нормального функционирования нервной системы.

Женщины могут накопить в организме всего 300 граммов глюкозы (мужчины - 400 г), резервы у них истощаются быстрее. Содержание сахара в крови снижается более быстрыми темпами, и женщины быстрее становятся нервными или впадают в депрессивное состояние и чаще страдают бессонницей, чем мужчины.

2. Биотин контролирует обмен жиров и преимущественно находится в клетках кожи и волос. При нехватке витамина возникает себорея - нарушение функции сальных желез. Вследствие этого у человека возникает выпадение волос. При нехватке витамина также возникает дефицит серы, и наблюдается ломкость волос и ногтей, бледная кожа.

У животных 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 глюкозы. Также у животных развивается креатинурия.

Недостаточность биотина у человека в первую очередь вызывает поражения кожи. Более тяжелые проявления требуют большой длительности авитаминоза.

В таблице 2 приведены основные продукты питания, содержащие витамин Н.

Таблица 2. Содержание витамина Н в некоторых продуктах питания

Методы определения биотина

Изолирование биотина из биологического материала и изучение его роли в обмене веществ стало возможным благодаря наличию микробиологических методов количественного определения этого вещества. Микробиологические методы основаны на ростовой реакции организма на биотин, причем интенсивность роста микроорганизмов обычно определяют нефелометрически. Микробиологических методов разработано довольно много, и все они различаются по тест-организмам, процедуре анализа и по способу измерения ростовой реакции. Большое число микроорганизмов требуют для своего роста биотина и многие из них могут быть использованы как тест-организмы. Сюда относятся Cl. butylicum, Rh. trifolii и Neurospora crassa. Наиболее широкое распространение получил метод с использованием L. arabinosis ввиду большой чувствительности и специфичности ее к биотину. Эта бактерия не реагирует на любые аналоги и производные биотина, включая биоцитин.

Большое распространение получил дрожжевой метод определения биотина. Дрожжи являются самыми универсальными организмами в смысле использования различных форм биотина и его аналогов, так как используют биотин, биоцитин, дестиобиотин и др. В качестве тест-организма чаще всего избирают Saccharomyces cerevisiae. В частности, дрожжевой метод с использованием этого вида дрожжей с успехом применяют для определения витамина в очищенных препаратах биотиновых ферментов.

Взаимодействие с другими витаминами.

Установлена связь биотина с другими витаминами, в частности с фолиевой кислотой, витамином B12, аскорбиновой кислотой, тиамином и пантотеновой кислотой. Особенно 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 кишечной флорой. Позднее было установлено, что у биотин авитаминозных крыс значительно снижено содержание коферментных форм фолиевой кислоты. 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. Биотин принимает непосредственное участие в ферментативных процессах превращения фолиевой кислоты в ее коферментные производные.

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 биотинового авитаминоза у крыс. При недостаточности биотина снижается содержание тиамина в печени, селезенке, почках и мозге животных. У крыс, содержавшихся на рационе, лишенном биотина, содержание витамина В12 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. Биотин облегчает симптомы пантотеновой недостаточности и, наоборот, пантотеновая кислота смягчает проявление авитаминоза при недостатке биотина.

Обмен биотина в организме.

Средний уровень биотина в цельной крови составляет 147 нг% (82-- 270 нг%). 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 в 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 оно достигает максимума (4 мкг на 100 мл) на 2-й день жизни и снижается до нуля к 7-му дню.

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 С14 по карбоксильной группе биотина около 16% метки включалось в печень, а 30°/0 выводилось с калом и мочой в неизмененном виде . В сердце, селезенке и легких радиоактивности не обнаружено. Менее 4% введенной дозы выводилось в виде выдыхаемого С14 О2, что указывало на незначительное прямое окисление карбоксильной группы биотина.

Исследование динамики содержания биотина в тканях в онтогенезе животных показало, что 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. В опытах на собаках показано, что содержание биотина в мозге и мышцах, а также включение Н3-биотина в 20--80 раз выше у эмбрионов и 1 -- 16-дневных щенят, чем у родивших их самок. В некоторых тканях животных обнаружен биоцитин, который образуется при расщеплении связанного с белками биотина тканедыми протеазами. Бицитин в свою очередь расщепляется биоцитиназой на свободный биотин и лизин. Биоцитиназа найдена и в крови человека, где выполняет, по-видимому, аналогичную функцию.

Витамин Н в борьбе с заболеваниями

Наибольшее применение в медицине биотин нашёл при лечении сахарного диабета и других расстройств обмена веществ. При употреблении повышенных доз его в определённых пределах нормализуется уровень сахара в крови, уменьшается величина жировой прослойки и регулируется содержание «плохого» холестерина в артериях. Кроме того, биотин хорошо зарекомендовал себя при циррозе печени. Здесь он помогает скорее восстанавливать повреждённые ткани и клетки печени.

Тем не менее, в некоторых случаях даже повышенные дозы витамина Н не помогают справиться с некоторыми болезнями и даже с его недостатком в организме. Связано это чаще всего бывает с тем, что у биотина имеется множество антагонистов, препятствующих его нормальному функционированию.

Список литературы

1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия «Медицина», Москва, 1998.

2. Е.В. Румянцев, Е.В. Антина, Ю.В. Чистяков, Химические основы жизни, Химия, 2007.

3. Филипович Ю. Б. Основы биохимии/ Агар, 1999.

4. Тюкавкина Н. А., Бауков Ю. И. Биоорганическая химия/ Дрофа,2004.

5. Лифляндский В. Г. Витамины и минералы. От А до Я/ Нева, 2006

Размещено на Allbest.ru