Вітамін В2 (рибофлавін, вітамін росту). Біологічні функції

Аденозинтрифосфорна кислота (АТФ) - універсальне джерело та основний акумулятор енергії в живих клітинах. АТФ міститься у всіх клітинах рослин та тварин. Кількість АТФ у середньому становить 0,04% (від сирої маси клітини), найбільша кількість АТФ (0,2-0,5%) міститься у скелетних м'язах. У клітині молекула АТФ витрачається протягом однієї хвилини після її утворення. У людини кількість АТФ, що дорівнює масі тіла, утворюється та руйнується кожні 24 години.

АТФ – мононуклеотид, що складається із залишків азотистої основи (аденіну), рибози та трьох залишків фосфорної кислоти. Оскільки АТФ містить не один, а три залишки фосфорної кислоти, вона відноситься до рибонуклеозидтрифосфатам.

Більшість видів робіт, які у клітинах, використовується енергія гідролізу АТФ. При цьому при відщепленні кінцевого залишку фосфорної кислоти АТФ перетворюється на АДФ (аденозиндифосфорну кислоту), при відщепленні другого залишку фосфорної кислоти – в АМФ (аденозинмонофосфорну кислоту). Вихід вільної енергії при відщепленні як кінцевого, і другого залишків фосфорної кислоти становить близько 30,6 кДж/моль. Відщеплення третьої фосфатної групи супроводжується виділенням лише 13,8 кДж/моль. Зв'язки між кінцевим та другим, другим та першим залишками фосфорної кислоти називаються макроергічні(високоенергетичними).

Запаси АТФ постійно поповнюються. У клітинах всіх організмів синтез АТФ відбувається у процесі фосфорилювання, тобто. приєднання фосфорної кислотидо АДФ. Фосфорилювання відбувається з різною інтенсивністю при диханні (мітохондрії), гліколізі (цитоплазма), фотосинтезі (хлоропласти).

АТФ є основною сполучною ланкою між процесами, що супроводжуються виділенням і накопиченням енергії, і процесами, що протікають із витратами енергії. Крім цього, АТФ поряд з іншими рибонуклеозидтрифосфатами (ГТФ, ЦТФ, УТФ) є субстратом для синтезу РНК.

Крім АТФ, є й інші молекули з макроергічними зв'язками – УТФ (урідінтрифосфорна кислота), ГТФ (гуанозинтрифосфорна кислота), ЦТФ (цитидинтрифосфорна кислота), енергія яких використовується для біосинтезу білка (ГТФ), полісахаридів (ТФ). Але вони утворюються з допомогою енергії АТФ.

Крім мононуклеотидів, важливу роль реакціях обміну речовин грають динуклеотиди (НАД + , НАДФ + , ФАД), які стосуються групи коферментів (органічні молекули, що зберігають зв'язок з ферментом лише під час реакції). НАД + (нікотинамідаденіндінуклеотид), НАДФ + (нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат) – динуклеотиди, що мають у своєму складі дві азотисті основи – аденін та амід нікотинової кислоти – похідне вітаміну РР), два залишки рибози і два залишки фос. Якщо АТФ - універсальне джерело енергії, то НАД + та НАДФ + – універсальні акцептори,а їх відновлені форми – НАДНі НАДФН – універсальні доноривідновлювальних еквівалентів (двох електронів та одного протона). Атом азоту, що входить до складу залишку аміду нікотинової кислоти, чотиривалентний і несе позитивний заряд ( НАД +). Ця азотна підстава легко приєднує два електрони і один протон (тобто відновлюється) у тих реакціях, в яких за участю ферментів дегідрогеназ від субстрату відриваються два атоми водню (другий протон йде в розчин):

Субстрат-Н 2 + НАД + субстрат + НАДН + Н +

У зворотних реакціях ферменти, окислюючи НАДНабо НАДФН, відновлюють субстрати, приєднуючи до них атоми водню (другий протон надходить із розчину).

ФАД – флавінаденіндинуклеотид- похідне вітаміну В 2 (рибофлавіну) також є кофактором дегідрогеназ, але ФАДприєднує два протони і два електрони, відновлюючись до ФАДН 2.

Джерела

Достатню кількість містять м'ясні продукти, печінку, нирки, молочні продукти, дріжджі. Також вітамін утворюється кишковими бактеріями.

Добова потреба

Будова

До складу рибофлавіну входить флавін– ізоаллоксазинове кільце із заступниками (азотиста основа) та спирт рибітол.

Будова вітаміну В 2

Коферментні форми вітаміну додатково містять або лише фосфорну кислоту – флавінмононуклеотид(ФМН), або фосфорну кислоту, додатково пов'язану з АМФ - флавінаденіндинуклеотид.

Будова окислених форм ФАД та ФМН

Метаболізм

У кишечнику рибофлавін звільняється зі складу харчових ФМН та ФАД, і дифундує у кров. У слизовій оболонці кишечнику та інших тканинах знову утворюється ФМН і ФАД.

Біохімічні функції

Кофермент оксидоредуктаз – забезпечує перенесення 2 атомівводню в окислювально-відновних реакціях.

Механізм участі флавінового коферменту у біохімічній реакції

1. Дегідрогенази енергетичного обміну– піруватдегідрогеназа (окислення піровиноградної кислоти), α-кетоглутаратдегідрогеназу та сукцинатдегідрогеназу (цикл трикарбонових кислот), ацил-SКоА-дегідрогеназу (окислення жирних кислот), мітохондріальну α-гліцеролфосфатдегідрогена.

Приклад дегідрогеназної реакції за участю ФАД

2. Оксидази, що окислюють субстрати за участю молекулярного кисню Наприклад, пряме окисне дезамінування амінокислот або знешкодження біогенних амінів (гістамін, ГАМК).

Приклад оксидазної реакції за участю ФАД
(Знешкодження біогенних амінів)

Гіповітаміноз B2

Причина

Харчова недостатність, зберігання харчових продуктів на світлі, фототерапія, алкоголізм та порушення ШКТ.

Клінічна картина

Насамперед страждають високоаеробні тканини – епітелій шкіри та слизових. Виявляється як сухістьротової порожнини, губ та рогівки; хейлоз, тобто. тріщини в куточках рота та на губах ("заїди"), глосит(фуксиновий мова), лущення шкірив районі носогубного трикутника, мошонки, вух та шиї, кон'юнктивіті блефарит.

Сухість кон'юнктиви та її запалення ведуть до компенсаторного збільшення кровотоку в цій зоні та покращення постачання її киснем, що проявляється як васкуляризація рогівки.

Антивітаміни В 2

1. Акріхін(Атебрин) – інгібує функцію рибофлавіну у найпростіших. Використовується для лікування малярії, шкірного лейшманіозу, трихомоніазу, гельмінтозів (лямбліоз, теніїдоз).

2. Мегафен– гальмує утворення ФАД у нервовій тканині, використовується як седативний засіб.

3. Токсофлавін- Конкурентний інгібітор флавінових дегідрогеназ.

Лікарські форми

Вільний рибофлавін, ФМН та ФАД (коферментні форми).

Транспорт високоенергетичних електронів і протонів від субстрату, що окислюється, на кисень здійснює система, що складається з окислювально-відновних ферментів, локалізована на внутрішній мембрані мітохондрій. До складу цієї системи входять:

Піридинові дегідрогенази, у яких як коферменти виступають НАД (нікотинамідаденіндінуклеотид) або НАДФ (нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат);

Флавінові дегідрогенази (флавінові ферменти), роль небілкової частини у яких виконують ФАД (флавінаденіндинуклеотид) або ФМН (флавінмононуклеотид);

Убіхінон (кофермент Q);

Цитохроми.

Піридинові дегідрогенази. Будова НАД та НАДФ представлена ​​на рис. 4.

Нікотинамідаденін- Нікотинамідаденінді-

динуклеотид (НАД) нуклеотидфосфат (НАДФ)

Мал. 4. Будова НАД та НАДФ

НАД і НАДФ є динуклеотидами, нуклеотиди яких пов'язані пірофосфатним зв'язком (через два з'єднані між собою залишки фосфорної кислоти). До складу одного нуклеотиду входить амід нікотинової кислоти (вітамін РР), інший нуклеотид представлений аденіловою кислотою. У молекулі НАДФ є додатковий залишок фосфорної кислоти, приєднаний до другого вуглецевого атома рибози, пов'язаної з аденіловою кислотою.

НАД та НАДФ є коферментами великої кількості специфічних для різних субстратів окислення дегідрогеназу. Зв'язок між ними та білковою частиною неміцний, вони об'єднуються тільки безпосередньо в момент реакції.

Деякі піридинові дегідрогенази локалізовані в матриксі мітохондрій. НАД-залежні дегідрогенази передають електрони та протони в дихальний ланцюг, НАДФ-залежні дегідрогенази служать джерелом відновлювальних еквівалентів для реакцій біосинтезу

Активною частиною НАД та НАДФ є вітамін РР. При взаємодії з відновленим субстратом піридинове кільце вітаміну РР пов'язує два електрони та протон, другий протон залишається в середовищі (рис. 5).

Мал. 5. Окислення субстрату піридиновими дегідрогеназами

Флавінові ферменти.На відміну від НАД та НАДФ, простетичні групи флавінових ферментів (ФАД та ФМН) міцно пов'язані з білковою частиною. Обидві простетичні групи містять метаболічно активну форму рибофлавіну (вітаміну В 2), до якої в процесі їхнього відновлення приєднуються атоми водню (рис.6).

Мал. 6. Окислення субстратів активною частиною (вітамін В 2) простетичної групи флавінових ферментів

ФМН-залежна дегідрогеназа виконує роль проміжного переносника електронів та протонів між НАД та убіхіноном, тобто. є безпосереднім учасником дихального ланцюга.

Убіхінон (кофермент Q).Убіхінон є похідним бензохінону з довгим бічним ланцюгом. Його будова представлена ​​на рис.7.

Мал. 7. Будова коферменту Q (убіхінону)

Кофермент Q відіграє роль проміжного переносника електронів та протонів у дихальному ланцюзі, безпосередньо окислюючи флавінові ферменти. Місце приєднання протонів та електронів – атоми кисню в кільці бензохінону (рис. 8):

Мал. 8. Механізм перенесення протонів молекулою коферменту Q (убіхіна)

Цитохроми.Цитохроми належать до класу хромопротеїнів. До їх складу входить залізовмісний гем, за своєю будовою аналогічний гему гемоглобіну. Різні цитохроми відрізняються будовою бічних ланцюгів у структурі гему, структурою білкових компонентів способом з'єднання гему з білковим компонентом. Функція цитохромів пов'язані з перенесенням електронів від убихинона до кисню. Вони локалізовані в дихальному ланцюгу у певній послідовності:

Цит.b →цит.с 1 → цит.с → цит.аа 3

Цитохроми b, з 1 і з виконують функцію проміжних переносників електронів, а комплекс цитохромів а і а 3, званий цитохромоксидазою, є термінальним дихальним ферментом, що безпосередньо взаємодіє з киснем. Цей комплекс складається з шести субодиниць, кожна з яких містить гемінову групу та атом міді. Дві субодиниці з шести становлять цитохром а, інші чотири утворюють цитохром а 3.

Перенесення цитохромами електронів безпосередньо пов'язані з присутністю у складі іонів заліза. Окислена форма цитохромів містить Fе 3+. Приймаючи електрони від убихинона чи іншого цитохрому, Fe 3+ перетворюється на відновлений стан (Fе 2+), а передаючи електрони іншому цитохрому чи кисню, Fe 2+ знову перетворюється на окислений стан (F 3+).

Кисень, приймаючи електрони від цитохромоксидази, переходить в активний (іонізований) стан, потім приймає два протони з навколишнього середовища. Внаслідок цього утворюється молекула води.

Схематично систему перенесення електронів і протонів по дихальному ланцюзі можна подати так (рис. 9):

Мал. 9. Послідовність розташування переносників електронів та протонів у дихальному ланцюгу

Коферменти в каталітичних реакціях здійснюють транспорт різних груп атомів, електронів чи протонів. Коферменти зв'язуються з ферментами:

Ковалентними зв'язками;

Іонними зв'язками;

Гідрофобними взаємодіями тощо.

Один кофермент може бути коферментом кількох ферментів. Багато коферментів є поліфункціональними (наприклад, НАД, ПФ). Залежно від апоферменту залежить специфічність холоферменту.

Усі коферменти ділять на дві великі групи: вітамінні та невітамінні.

Коферменти вітамінної природи- Похідні вітамінів або хімічні модифікації вітамінів.

1 група: тіамінові – похідні вітаміну В1. Сюди відносять:

Тіамінмонофосфат (ТМФ);

Тіаміндіфосфат (ТДФ) або тіамінпірофосфат (ТПФ) або кокарбоксилаза;

Тіамінтріфосфат (ТТФ).

ТПФ має найбільше біологічне значення. Входить до складу декарбоксилази кетокислот: ПВК, a-кетоглутарова кислота. Цей фермент каталізує відщеплення 2 .

Кокарбоксилаза бере участь у транскетолазній реакції із пентозофосфатного циклу.

2 група: флавінові коферменти, похідні вітаміну В2. Сюди відносять:

- флавінмононуклеотид (ФМН);

- флавінаденіндінуклеотид (ФАД).

Ребітол та ізоалоксазин утворюють вітамін В2. Вітамін В2 і залишок фосфорної кислоти утворюють ФМН. ФМН у поєднанні з АМФ утворюють ФАД.

[Рис. ізоалоксазинове кільце з'єднане з ребітолом, ребітол з фосфорною к-тою, а фосфорна к-та – з АМФ]

ФАД та ФМН є коферментами дегідрогеназ. Ці ферменти каталізують відщеплення субстрату водню, тобто. беруть участь у реакціях окислення-відновлення. Наприклад СДГ – сукцинатдегідрогеназа – каталізує перетворення бурштинової к-ти на фумарову. Це ФАД-залежний фермент. [Рис. COOH-CH 2 -CH 2 -COOH® (над стрілкою – СДГ, під – ФАД та ФАДН 2) COOH-CH=CH-COOH]. Флавінові ферменти (флавінзалежні ДГ) містять ФАД, який є першоджерелом протонів і електронів. У процесі хім. реакцій ФАД перетворюється на ФАДН 2 . Робочою частиною ФАД є 2 кільця ізоалоксазину; у процесі хім. реакції йде приєднання двох атомів водню до азотів та перегрупування подвійних зв'язків у кільцях.

3 група: пантотенові коферменти, похідні вітаміну В3- Пантотенової кислоти. Входять до складу коферменту А, НS-КоА. Цей кофермент є коферментом ацилтрансфераз, разом з якою переносить різні угруповання з однієї молекули на іншу.

4 група: нікотинамідні, похідні вітаміну РР - нікотинаміду:

Представники:

Нікотинамідаденіндінуклеотид (НАД);

Нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат (НАДФ).

Коферменти НАД та НАДФ є коферментами дегідрогеназ (НАДФ-залежних ферментів), наприклад малатДГ, ізоцитратДГ, лактатДГ. Беруть участь у процесах дегідрування та в окисно-відновних реакціях. При цьому НАД приєднує два протони і два електрони, і утворюється НАДН2.

Мал. робочої групи НАД та НАДФ: малюнок вітаміну РР, до якого приєднується один атом Н і в результаті відбувається перегрупування подвійних зв'язків. Малюється нова конфігурація вітаміну РР + Н + ]

5 група: піридоксинові, похідні вітаміну В6. [Рис. піридоксаля. Піридоксаль + фосфорна кислота = піридоксальфосфат]

- піридоксин;

- піридоксаль;

- піридоксамін.

Ці форми взаємоперетворюються у процесі реакцій. При взаємодії піридоксалю з фосфорною кислотою виходить піридоксальфосфат (ПФ).

ПФ є коферментом амінотрансфераз, що здійснює перенесення аміногрупи від АК на кетокислоту – реакція переамінування. Також похідні вітаміну В6 входять як кофермент до складу декарбоксилаз АК.

Коферменти невітамінної природи– речовини, що утворюються у процесі метаболізму.

1) Нуклеотиди- УТФ, УДФ, ТТФ і т.д. УДФ-глюкоза входить у синтез глікогену. УДФ-гіалуронова кислота використовується для знешкодження різних речовин у трансверних реакціях (глюкоуроніл трансферазу).

2) Похідні порфірину(Гем): каталаза, пероксидаза, цитохроми і т.д.

3) Пептиди. Глутатіон – це трипептид (ГЛУ-ЦІС-ГЛІ), він бере участь в о-в реакціях, є коферментом оксидоредуктаз (глутатіонпероксидаза, глутатіонредуктаза). 2GSH«(над стрілкою 2Н) G-S-S-G. GSH є відновленою формою глутатіону, а G-S-S-G – окисленою.

4) Іони металівНаприклад, Zn 2+ входить до складу ферменту АлДГ (алкогольдегідрогенази), Cu 2+ - амілази, Mg 2+ - АТФ-ази (наприклад, міозинової АТФ-ази).

Можуть брати участь у:

Приєднання субстратного комплексу ферменту;

У каталізі;

Стабілізація оптимальної конформації активного центру ферменту;

Стабілізація четвертинної структури.

Ферменти, як і білки, поділяються на 2 групи: простіі складні. Прості цілком і повністю складаються з амінокислот і при гідролізі утворюють виключно амінокислоти. Їхня просторова організація обмежена третинною структурою. Це в основному ферменти ШКТ: пепсин, трипсин, лізацим, фосфатаза. Складні ферменти, крім білкової частини, містять і небілкові компоненти. Ці небілкові компоненти відрізняються за міцністю зв'язування з білковою частиною (алоферментом). Якщо константа дисоціації складного ферменту настільки мала, що в розчині всі поліпептидні ланцюги виявляються пов'язаними зі своїми небілковими компонентами і не поділяються при виділенні та очищенні, то небілковий компонент називається простетичною групою і сприймається як інтегральна частина молекули ферменту.

Під коферментом розуміють додаткову групу, що легко відокремлюється від алоферменту при дисоціації. Між алоферментом та найпростішою групою існує ковалентний зв'язок, досить складний. Між алофермнтом та коферментом існує нековалентний зв'язок (водневі або електростатичні взаємодії). Типовими представниками коферментів є:

В 1 - тіамін; пірофосфат (він містить)

2 - рибофлавін; ФАД, ФНК

РР - НАД, НАДФ

Н – біотин; біозитин

6 - піридоксин; піридоксальфосфат

Пантотенова кислота: коензим А

Багато двовалентних металів (Cu, Fe, Mn, Mg) теж виконують роль кофакторів, хоча і не відносяться ні до коферментів, ні до простетичних груп. Метали входять до складу активного центру або стабілізують оптимальний варіант структури активного центру.

МЕТАЛИФЕРМЕНТИ

Fe, Feгемоглобін, каталаза, пероксидаза

Cu, Cuцитохромоксидаза

ZnДНК – полімераза, дегідрогеназа

Mgгексокіназа

Mnаргіназа

Seглутатіонредуктаза

Кофакторну функцію можуть виконувати АТФ, молочна кислота, т - РНК. Слід зазначити одну відмінну особливість двокомпонентних ферментів, що полягає в тому, що ні кофактор (кофермент або простетична група), ні алофермент окремо каталітичної активності не виявляють, і тільки їх об'єднання в єдине ціле, що протікає відповідно до програми їх тривимірної організації, забезпечує швидке перебіг хімічних реакцій.

Будова НАД та НАДФ.

НАД та НАДФ є коферментами піридинзалежних дегідрогеназ.

НІКОТИНАМІДАДЕНІНДИНУКЛЕОТИД.

НІКОТИНАМІДАДЕНІНДИНУКЛЕОАМІДФОСФАТ (НАДФ)

Здатність НАД і НАДФ відігравати роль точного переносника водню пов'язана з наявністю в їхньому структу –

ре аміду нікотинової кислоти.

У клітинах НАД – залежні дегідрогенази беруть участь

у процесах перенесення електронів від субстрату до Про.

НАДФ – залежні дегідрогенази відіграють роль у процесі –

сах біосинтезу. Тому коферменти НАД та НАДФ

відрізняються за внутрішньоклітинною локалізації: НАД

концентрується в мітохондріях, а більшість НАДФ

знаходиться у цитоплазмі.

Будова ФАД та ФМН.

ФАД та ФМН є простетичними групами флавінових ферментів. Вони дуже міцно, на відміну НАД і НАДФ, приєднуються до алоферменту.

ФЛАВІНМОНОНУКЛЕОТІД (ФМН).

ФЛАВІНАЦЕТИЛДИНУКЛЕОТІД.

Активною частиною молекули ФАД та ФМН є ізоаллоксадинове кільце рибофлавін, до атомів азоту якого можуть приєднатися 2 атоми водню.