Vitamin B2 (riboflavin, vitamin rasta). Biološke funkcije

Adenozin trifosforna kiselina (ATP) je univerzalni izvor i glavni akumulator energije u živim stanicama. ATP se nalazi u svim biljnim i životinjskim stanicama. Količina ATP-a je prosječno 0,04% (od mokre mase stanice), najveća količina ATP-a (0,2-0,5%) nalazi se u skeletnim mišićima. U stanici se molekula ATP-a potroši unutar jedne minute od nastanka. Kod ljudi se svaka 24 sata proizvodi i uništava količina ATP-a jednaka tjelesnoj težini.

ATP je mononukleotid koji se sastoji od ostataka dušične baze (adenin), riboze i tri ostatka fosforne kiseline. Budući da ATP ne sadrži jedan, već tri ostatka fosforne kiseline, on pripada ribonukleozid trifosfati.

Većina rada koji se događa u stanicama koristi energiju hidrolize ATP-a. U tom slučaju, kada se terminalni ostatak fosforne kiseline eliminira, ATP se transformira u ADP (adenozin difosforna kiselina), a kada se drugi ostatak fosforne kiseline eliminira, pretvara se u AMP (adenozin monofosforna kiselina). Prinos slobodne energije nakon eliminacije krajnjeg i drugog ostatka fosforne kiseline je oko 30,6 kJ/mol. Eliminacija treće fosfatne skupine praćena je otpuštanjem samo 13,8 kJ/mol. Veze između krajnjeg i drugog, drugog i prvog ostatka fosforne kiseline nazivaju se makroergički(visoka energija).

Rezerve ATP-a se stalno obnavljaju. U stanicama svih organizama dolazi do sinteze ATP-a fosforilacije, tj. dodatak fosforne kiseline na ADF. Fosforilacija se događa različitim intenzitetom tijekom disanja (mitohondriji), glikolize (citoplazma) i fotosinteze (kloroplasti).

ATP je glavna poveznica između procesa praćenih oslobađanjem i akumulacijom energije i procesa koji se odvijaju uz potrošnju energije. Osim toga, ATP je, zajedno s ostalim ribonukleozid trifosfatima (GTP, CTP, UTP), supstrat za sintezu RNK.

Osim ATP-a postoje i druge molekule s makroergičkim vezama - UTP (uridintrifosforna kiselina), GTP (gvanozintrifosforna kiselina), CTP (citidintrifosforna kiselina), čija se energija koristi za biosintezu proteina (GTP), polisaharida (UTP), fosfolipidi (CTP). Ali svi oni nastaju zahvaljujući energiji ATP-a.

Osim mononukleotida, važnu ulogu u metaboličkim reakcijama imaju dinukleotidi (NAD+, NADP+, FAD), koji pripadaju skupini koenzima (organske molekule koje zadržavaju kontakt s enzimom samo tijekom reakcije). NAD + (nikotinamid adenin dinukleotid), NADP + (nikotinamid adenin dinukleotid fosfat) su dinukleotidi koji sadrže dvije dušične baze - adenin i amid nikotinske kiseline - derivat vitamina PP), dva ostatka riboze i dva ostatka fosforne kiseline (slika .). Ako je ATP univerzalni izvor energije, onda NAD + i NADP + su univerzalni akceptori, a njihovi obnovljeni oblici su NADH I NADPH – univerzalni donatori redukcijski ekvivalenti (dva elektrona i jedan proton). Atom dušika uključen u amidni ostatak nikotinske kiseline je četverovalentan i nosi pozitivan naboj ( NAD +). Ova dušična baza lako veže dva elektrona i jedan proton (tj. reducira se) u onim reakcijama u kojima se, uz sudjelovanje enzima dehidrogenaze, dva atoma vodika uklanjaju iz supstrata (drugi proton odlazi u otopinu):

Supstrat-H 2 + NAD + supstrat + NADH + H +

U obrnutim reakcijama enzimi oksidiraju NADH ili NADPH, reduciraju supstrate dodavanjem atoma vodika na njih (drugi proton dolazi iz otopine).

FAD – flavin adenin dinukleotid– derivat vitamina B 2 (riboflavin) također je kofaktor za dehidrogenaze, ali FAD dodaje dva protona i dva elektrona, reducirajući na FADN 2.

Izvori

Dovoljne količine sadrže mesni proizvodi, jetra, bubrezi, mliječni proizvodi i kvasac. Vitamin također proizvode crijevne bakterije.

Dnevna potreba

Struktura

Riboflavin sadrži flavin– izoaloksazinski prsten sa supstituentima (dušikova baza) i alkohol ribitol.

Struktura vitamina B2

Koenzimski oblici vitamina dodatno sadrže ili samo fosfornu kiselinu - flavin mononukleotid(FMN), ili fosforna kiselina, dodatno povezana s AMP - flavin adenin dinukleotid.

Struktura oksidiranih oblika FAD i FMN

Metabolizam

U crijevima se riboflavin oslobađa iz prehrambenih FMN i FAD i difundira u krv. FMN i FAD se ponovno stvaraju u crijevnoj sluznici i drugim tkivima.

Biokemijske funkcije

Koenzim oksidoreduktaza – osigurava prijenos 2 atomi vodik u redoks reakcijama.

Mehanizam sudjelovanja koenzima flavina u biokemijskoj reakciji

1. Dehidrogenaze energetskog metabolizma– piruvat dehidrogenaza (oksidacija pirogrožđane kiseline), α-ketoglutarat dehidrogenaza i sukcinat dehidrogenaza (ciklus trikarboksilne kiseline), acil-SCoA dehidrogenaza (oksidacija masnih kiselina), mitohondrijska α-glicerol fosfat dehidrogenaza (šatl sustav).

Primjer reakcije dehidrogenaze koja uključuje FAD

2. Oksidaze, oksidirajući supstrate uz sudjelovanje molekularnog kisika. Na primjer, izravna oksidativna deaminacija aminokiselina ili neutralizacija biogenih amina (histamin, GABA).

Primjer reakcije oksidaze koja uključuje FAD
(neutralizacija biogenih amina)

Hipovitaminoza B2

Uzrok

Nedostatak prehrane, skladištenje hrane na svjetlu, fototerapija, alkoholizam i gastrointestinalni poremećaji.

Klinička slika

Prije svega, zahvaćena su visoko aerobna tkiva - epitel kože i sluznice. Pojavljuje se kao suhoća usne šupljine, usana i rožnice; heiloza, tj. pukotine u uglovima usta i usana (“pekmezi”), glositis(magenta jezik), ljuštenje kože u području nazolabijalnog trokuta, skrotuma, ušiju i vrata, konjunktivitis I blefaritis.

Suhoća konjunktive i njezina upala dovode do kompenzacijskog povećanja protoka krvi u tom području i poboljšanja njegove opskrbe kisikom, što se očituje vaskularizacijom rožnice.

Antivitamini B2

1. Akrikhin(atebrin) – inhibira funkciju riboflavina u protozoama. Koristi se u liječenju malarije, kožne lišmanijaze, trihomonijaze, helmintijaze (giardiasis, taeniasis).

2. Megafen– inhibira stvaranje FAD u živčanom tkivu, koristi se kao sedativ.

3. Toksoflavin– kompetitivni inhibitor flavin dehidrogenaza.

Oblici doziranja

Slobodni riboflavin, FMN i FAD (koenzimski oblici).

Prijenos visokoenergetskih elektrona i protona od oksidiranog supstrata do kisika provodi se sustavom koji se sastoji od redoks enzima lokaliziranih na unutarnjoj membrani mitohondrija. Ovaj sustav uključuje:

Piridin dehidrogenaze, u kojima NAD (nikotinamid adenin dinukleotid) ili NADP (nikotinamid adenin dinukleotid fosfat) djeluju kao koenzimi;

Flavin dehidrogenaze (flavinski enzimi), čiju ulogu neproteinskog dijela imaju FAD (flavin adenin dinukleotid) ili FMN (flavin mononukleotid);

Ubikinon (koenzim Q);

Citokromi.

Piridin dehidrogenaze. Struktura NAD i NADP prikazana je na sl. 4.

Nikotinamid adenin- Nikotinamid adenin di-

dinukleotid (NAD) nukleotid fosfat (NADP)

Riža. 4. Građa NAD i NADP

NAD i NADP su dinukleotidi, čiji su nukleotidi povezani pirofosfatnom vezom (preko dva međusobno povezana ostatka fosforne kiseline). Jedan nukleotid sadrži amid nikotinske kiseline (vitamin PP), a drugi nukleotid predstavlja adenilna kiselina. Molekula NADP ima dodatni ostatak fosforne kiseline vezan za drugi ugljikov atom riboze povezan s adenilnom kiselinom.

NAD i NADP su koenzimi velikog broja dehidrogenaza specifičnih za različite oksidacijske supstrate. Veza između njih i proteinskog dijela je krhka, spajaju se tek odmah u trenutku reakcije.

Neke piridin dehidrogenaze su lokalizirane u matriksu mitohondrija. NAD-ovisne dehidrogenaze prenose elektrone i protone u dišni lanac, NADP-ovisne dehidrogenaze služe kao izvor redukcijskih ekvivalenata za biosintetske reakcije

Aktivni dio NAD i NADP je vitamin PP. U interakciji s reduciranim supstratom, piridinski prsten vitamina PP veže dva elektrona i proton, drugi proton ostaje u mediju (slika 5).

Riža. 5. Oksidacija supstrata piridin dehidrogenazama

Flavinski enzimi. Za razliku od NAD i NADP, prostetičke skupine enzima flavina (FAD i FMN) čvrsto su vezane za proteinski dio. Obje protetičke skupine sadrže metabolički aktivan oblik riboflavina (vitamin B 2), kojemu se tijekom redukcije dodaju atomi vodika (slika 6).

Riža. 6. Oksidacija supstrata aktivnim dijelom (vitamin B 2) prostetske skupine enzima flavina

FMN-ovisna dehidrogenaza djeluje kao intermedijarni prijenosnik elektrona i protona između NAD-a i ubikinona, tj. je izravni sudionik u dišnom lancu.

Ubikinon (koenzim Q). Ubikinon je derivat benzokinona s dugim bočnim lancem. Njegova struktura je prikazana na slici 7.

Riža. 7. Struktura koenzima Q (ubikinon)

Koenzim Q ima ulogu posrednog prijenosnika elektrona i protona u dišnom lancu, izravno oksidirajući enzime flavina. Mjesto vezanja protona i elektrona su atomi kisika u benzokinonskom prstenu (slika 8):

Riža. 8. Mehanizam prijenosa protona molekulom koenzima Q (ubikvina)

Citokromi. Citokromi pripadaju klasi kromoproteina. Sadrže hem koji sadrži željezo, a koji je po strukturi sličan hemu hemoglobina. Različiti citokromi razlikuju se u strukturi bočnih lanaca u strukturi hema, strukturi proteinskih komponenti i načinu povezivanja hema s proteinskom komponentom. Funkcija citokroma povezana je s prijenosom elektrona s ubikinona na kisik. Oni su lokalizirani u dišnom lancu u određenom slijedu:

Citat.b →cit.c 1 →cit.c →cit.aa 3

Citokromi b, c 1 i c djeluju kao intermedijarni prijenosnici elektrona, a kompleks citokroma a i a 3, nazvan citokrom oksidaza, terminalni je respiratorni enzim koji izravno stupa u interakciju s kisikom. Ovaj kompleks sastoji se od šest podjedinica, od kojih svaka sadrži hemsku skupinu i atom bakra. Dvije od šest podjedinica čine citokrom a, a preostale četiri čine citokrom a 3.

Prijenos elektrona citokromima izravno je povezan s prisutnošću iona željeza u njihovom sastavu. Oksidirani oblik citokroma sadrži Fe 3+. Prihvaćanjem elektrona od ubikinona ili drugog citokroma Fe 3+ prelazi u reducirano stanje (Fe 2+), a prijenosom elektrona na drugi citokrom ili kisik Fe 2+ ponovno prelazi u oksidirano stanje (F 3+).

Kisik, primajući elektrone od citokrom oksidaze, prelazi u aktivno (ionizirano) stanje, zatim prihvaća dva protona iz okoline. Kao rezultat toga nastaje molekula vode.

Shematski se sustav prijenosa elektrona i protona kroz dišni lanac može prikazati na sljedeći način (slika 9):

Riža. 9. Redoslijed rasporeda nositelja elektrona i protona u dišnom lancu

Koenzimi u katalitičkim reakcijama prenose različite skupine atoma, elektrona ili protona. Koenzimi se vežu za enzime:

Kovalentne veze;

Ionske veze;

Hidrofobne interakcije itd.

Jedan koenzim može biti koenzim za više enzima. Mnogi koenzimi su višenamjenski (na primjer, NAD, PF). Specifičnost holoenzima ovisi o apoenzimu.

Svi koenzimi se dijele u dvije velike skupine: vitaminske i nevitaminske.

Koenzimi vitaminske prirode– derivati ​​vitamina ili kemijske modifikacije vitamina.

1. grupa: tiamin – derivati ​​vitamina B1. To uključuje:

Tiamin monofosfat (TMP);

tiamin difosfat (TDP) ili tiamin pirofosfat (TPP) ili kokarboksilaza;

Tiamin trifosfat (TTP).

Najveći biološki značaj ima TPF. Dio dekarboksilaze keto kiseline: PVK, a-ketoglutarna kiselina. Ovaj enzim katalizira uklanjanje CO2.

Kokarboksilaza sudjeluje u reakciji transketolaze iz pentozofosfatnog ciklusa.

Grupa 2: koenzimi flavina, derivati ​​vitamina B2. To uključuje:

- flavin mononukleotid (FMN);

- flavin adenin dinukleotid (FAD).

Rebitol i izoaloksazin tvore vitamin B2. Vitamin B2 i fosforni ostatak tvore FMN. FMN se kombinira s AMP i formira FAD.

[riža. izoaloksazinski prsten je povezan s rebitolom, rebitol s fosforom, a fosfor s AMP]

FAD i FMN su koenzimi dehidrogenaza. Ovi enzimi kataliziraju uklanjanje vodika iz supstrata, tj. sudjeluje u oksidacijsko-redukcijskim reakcijama. Na primjer, SDH - sukcinat dehidrogenaza - katalizira transformaciju jantarne kiseline u fumarnu kiselinu. Ovo je enzim ovisan o FAD-u. [riža. COOH-CH 2 -CH 2 -COOH® (iznad strelice - SDH, dolje - FAD i FADN 2) COOH-CH=CH-COOH]. Enzimi flavina (DG-ovi ovisni o flavinu) sadrže FAD, koji je primarni izvor protona i elektrona. U procesu kemijske reakcije FAD se pretvara u FADN 2. Radni dio FAD-a je 2. prsten izoaloksazina; u procesu kemijske Reakcija uključuje dodavanje dva atoma vodika na dušikove atome i preraspodjelu dvostrukih veza u prstenovima.

Grupa 3: pantotenski koenzimi, derivati ​​vitamina B3- pantotenska kiselina. Oni su dio koenzima A, NS-CoA. Ovaj koenzim A je koenzim aciltransferaza, zajedno s kojima prenosi razne skupine s jedne molekule na drugu.

Grupa 4: nikotinamid, derivati ​​vitamina PP - nikotinamid:

Predstavnici:

nikotinamid adenin dinukleotid (NAD);

Nikotinamid adenin dinukleotid fosfat (NADP).

Koenzimi NAD i NADP su koenzimi dehidrogenaza (NADP-ovisni enzimi), na primjer malateDH, izocitratDH, laktatDH. Sudjeluju u procesima dehidrogenacije i redoks reakcijama. U tom slučaju NAD pridružuje dva protona i dva elektrona i nastaje NADH2.

Riža. radna skupina NAD i NADP: crtanje vitamina PP, na koji je vezan jedan H atom i uslijed toga dolazi do preslagivanja dvostrukih veza. Nacrtana je nova konfiguracija vitamina PP + H + ].

Grupa 5: piridoksinski derivati ​​vitamina B6. [riža. piridoksal. Piridoksal + fosfor = piridoksal fosfat]

- piridoksin;

- piridoksal;

- piridoksamin.

Ti se oblici međusobno pretvaraju tijekom reakcija. Kada piridoksal reagira s fosfornom kiselinom, dobiva se piridoksal fosfat (PP).

PF je koenzim aminotransferaza, prenosi amino skupinu s AA na keto kiselinu - reakcija transaminacija. Derivati ​​vitamina B6 također su uključeni kao koenzimi u AA dekarboksilaze.

Nevitaminski koenzimi- tvari koje nastaju tijekom metabolizma.

1) Nukleotidi– UTF, UDF, TTF itd. UDP-glukoza ulazi u sintezu glikogena. UDP-hijaluronska kiselina služi za neutralizaciju raznih tvari u transverzalnim reakcijama (glukuronil transferaza).

2) Derivati ​​porfirina(hem): katalaza, peroksidaza, citokromi itd.

3) Peptidi. Glutation je tripeptid (GLU-CIS-GLY), sudjeluje u reakcijama i koenzim je oksidoreduktaza (glutation peroksidaza, glutation reduktaza). 2GSH“ (iznad strelice 2H) G-S-S-G. GSH je reducirani oblik glutationa, a G-S-S-G je oksidirani oblik.

4) Metalni ioni, na primjer, Zn 2+ je dio enzima AlDH (alkohol dehidrogenaza), Cu 2+ - amilaza, Mg 2+ - ATPaza (na primjer, miozin ATPaza).

Može sudjelovati u:

Pričvršćivanje enzimskog supstratnog kompleksa;

U katalizi;

Stabilizacija optimalne konformacije aktivnog centra enzima;

Stabilizacija kvartarne strukture.

Enzimi se, kao i proteini, dijele u 2 skupine: jednostavan I kompleks. Jednostavni se sastoje isključivo od aminokiselina i hidrolizom tvore isključivo aminokiseline, a prostorna im je organizacija ograničena tercijarnom strukturom. To su uglavnom gastrointestinalni enzimi: pepsin, tripsin, lizacim, fosfataza. Složeni enzimi osim proteinskog dijela sadrže i neproteinske komponente.Te se neproteinske komponente razlikuju po snazi ​​vezanja na proteinski dio (aloenzim). Ako je konstanta disocijacije složenog enzima toliko mala da su u otopini svi polipeptidni lanci povezani sa svojim neproteinskim komponentama i nisu odvojeni tijekom izolacije i pročišćavanja, tada se neproteinska komponenta naziva protetička grupa a smatra se sastavnim dijelom molekule enzima.

Pod, ispod koenzim razumjeti dodatnu skupinu koja se lako odvaja od aloenzima nakon disocijacije. Između aloenzima i najjednostavnije skupine postoji prilično složena kovalentna veza. Između aloenzima i koenzima postoji nekovalentna veza (vodikove ili elektrostatske interakcije). Tipični predstavnici koenzima su:

B 1 - tiamin; pirofosfat (sadrži B)

B 2 - riboflavin; FAD, FNK

PP - NAD, NADP

H – biotin; biositin

B 6 - piridoksin; piridoksal fosfat

Pantotenska kiselina: koenzim A

Mnogi dvovalentni metali (Cu, Fe, Mn, Mg) također djeluju kao kofaktori, iako nisu ni koenzimi ni prostetičke skupine. Metali su dio aktivnog centra ili stabiliziraju optimalnu strukturu aktivnog centra.

METALIENZIMI

Fe, fehemoglobin, katalaza, peroksidaza

Cu,Cu citokrom oksidaza

ZnDNA – polimeraza, dehidrogenaza

Mgheksokinaza

Mnarginaza

Seglutation reduktaza

ATP, mliječna kiselina i tRNA također mogu obavljati funkciju kofaktora. Treba istaknuti jednu karakterističnu značajku dvokomponentnih enzima, a to je da ni kofaktor (koenzim ili prostetička skupina) ni aloenzim pojedinačno ne pokazuju katalitičku aktivnost, već samo njihova integracija u jedinstvenu cjelinu, koja se odvija u skladu s programom njihova tri -dimenzionalna organizacija, osigurava brzo odvijanje kemijskih reakcija.

Struktura NAD i NADP.

NAD i NADP su koenzimi dehidrogenaza ovisnih o piridinu.

NIKOTINAMID ADNIN DIN NUKLEOTID.

NIKOTINAMID ADNIN DINE NUKLEOAMID FOSFAT (NADP)

Sposobnost NAD i NADP da igraju ulogu točnog nosača vodika povezana je s prisutnošću u njihovoj strukturi -

reamid nikotinske kiseline.

U stanicama su uključene NAD-ovisne dehidrogenaze

u procesima prijenosa elektrona sa supstrata na O.

NADP-ovisne dehidrogenaze igraju ulogu u procesu -

sah biosinteza. Prema tome, koenzimi NAD i NADP

razlikuju se po intracelularnoj lokalizaciji: NAD

koncentriran u mitohondrijima, a najveći dio NADP

nalazi se u citoplazmi.

Struktura FAD i FMN.

FAD i FMN su prostetske skupine enzima flavina. Oni su vrlo čvrsto vezani za aloenzim, za razliku od NAD i NADP.

FLAVIN MONONUKLEOTID (FMN).

FLAVINACETILDINUKLEOTID.

Aktivni dio molekule FAD i FMN je izoaloksadinski prsten riboflavina, na čije atome dušika mogu biti vezana dva atoma vodika.