Биотин - биология

Колко горещо е твърде горещо за живота дълбоко под дъното на океана?

Антибиотици от бактерии

Клетъчна миграция: новооткрита функция на известен протеин

Молекулярен компас за подравняване на клетките

Какво кара листата да стареят през есента

Демокрацията на лешоядите токачки

Околната среда на Ekembo: Хората също живееха в открити пейзажи

| Генетика | Земеделие, горско стопанство и животновъдство

Сортът пшеница е създаден чрез кръстосване на диви треви

Колко горещо е твърде горещо за живота дълбоко под дъното на океана?

Биотин

Биотин, също като Витамин В7 или Витамин Н. е водоразтворим витамин от В комплекса. Като протезна група ензими, той играе важна роля в метаболизма, но е важен и в клетъчното ядро за епигенетичната регулация на генната функция. [3] [4]

Френската номенклатура често назовава биотин като витамин В8, докато „аденилова киселина“ (аденозин монофосфат) се среща като витамин В8 в англосаксонската и немската литература; Понякога инозитол, който не е витамин, или фолиева киселина, която също е част от комплекса витамин В, също се нарича витамин В8. Името, препоръчано от IUPAC, обаче е само биотин.

история

Откриването на веществото се извършва в няколко стъпки:

1898 - Steinitz - Витамин Н (от З.авт)
1901 - Юджийн Уайлдиърс и Маниле Иде - „Bios“: воден екстракт от дрожди съдържа вещество, което е необходимо за растежа на дрождите
1927 г. - М. А. Боас - Описание на „синдрома на протеиново увреждане“, форма на дерматит: Причинява се от протеин, съдържащ се в яйчен белтък (авидин), който свързва биотина много здраво и намалява биологичната му наличност.
1931 - Paul György - Витамин Н
1936 - Fritz Kögl и Benno Tönnis - Първо изолиране на 1,1 mg биотин от 250 kg изсушен жълтък
1940 - György - Установяване, че биотинът е идентичен с витамин Н и коензим R.
1942 г. - Винсент дю Виньо - изясняване на химическата структура
1943 г. - Харис - химичен синтез на биотин

Поява и хранене

Биотинът се съдържа в много храни, но най-вече само в едноцифрения микрограм. Следните примери дават преглед и всеки се отнася до 100 g от храната: суха мая (200 μg), говежди черен дроб (103 μg), яйчен жълтък (50 μg), соя (30 μg), овесени ядки (20 μg), орехи (19 μg ), Гъби (12 μg), необелен ориз (12 μg), пълнозърнесто брашно (8 μg), риба (7 μg), спанак (6 μg), говеждо и свинско месо (5 μg), банани (5 μg), Краве мляко (3 μg), ябълки (1 μg). [5]

От 40-те години на миналия век е известно, че бактериите, съдържащи се в нормалната чревна флора, произвеждат биотин в допълнение към други витамини от група В и в зависимост от вида на бактериите и наличното време го използват, за да обогатят средата си в различна степен. [6] Едно от последствията е, че екскрециите съдържат повече биотин, отколкото консумираната преди това храна. [7] Много е вероятно биотинът от този източник да бъде използван в определени количества от организма, но има несигурност относно размера на този принос. [8-ми]

Германското общество по хранене цитира 30–60 μg/ден като оценка за подходящия прием при здрави възрастни. Същата препоръка се прилага по време на бременност и кърмене. За кърмачета се приема, че необходимото количество биотин е 5-10 μg/ден. [9]

Европейската RDA заявява, че желаният прием на биотин за здрави възрастни е 50 μg/ден; преди няколко години все още е бил 150 μg/ден. [10]

Точната необходимост е неизвестна поради липсата на смислени експериментални изследвания. Това налага информацията да се базира на изискванията за биотин на съображения за правдоподобност. В случая на кърмачета например средното съдържание на биотин в майчиното мляко и дневният прием се използват като основа за оценката. [11] [12]

производство

Съществуват множество многоетапни процеси за химичен синтез на (+) - биотин. В технически подходящите синтези фумаровата киселина, аминокиселината (R.) Като изходен материал се използват цистеин или тетронова киселина. [13] (+) - Биотинът е икономически важен продукт в химическата промишленост.

характеристики

Хиралният биотин има три стереогенни центъра, така че са възможни осем стереоизомери. Само естественият (+) - биотин с (3аС.,4-тиС.,6аR.) Конфигуриране на пълната биологична активност. [14]

физични и химични свойства

Биотинът е вещество, което кристализира в безцветни игли и е твърдо при стайна температура. Съединението не се разтваря много в студена вода, етанол или разредени киселини, но е по-разтворимо в гореща вода и основи. Биотинът е неразтворим в повечето органични разтворители. [2]

Витаминът е устойчив на атмосферен кислород или повишени температури; при 232-233 ° С, биотинът се топи. Силни основи или киселини, окислители и UV светлина разлагат съединението. Водните, неутрални разтвори на биотин във вода са стабилни до около 100 ° C. При правилно съхранение и приготвяне загубите при готвене на растителни и животински храни са по-малко от 20%. [2]

Физиологични и биохимични основи

Метаболизъм на биотин

Биотинът е протетичната група от няколко карбоксилазни ензима, които изпълняват важни задачи в метаболизма на протеини, мазнини и въглехидрати. За ефективно използване на относително малките количества биотин, съдържащи се в храната, е разработен механизъм за рециклиране. Биотинът се включва в карбоксилазите чрез свързване на специален лизинов остатък от все още неработещите апокарбоксилази към молекула на биотин от ензима холокарбоксилаза синтетаза, който създава функционални холокарбоксилази. (Вижте също апоензим и холоензим.) Когато тези съдържащи биотин карбоксилази се разграждат отново чрез протеолиза, остава биоцитинът, комбинация от биотин и аминокиселината лизин. В следващия етап биоцитинът се разгражда от ензима биотинидаза и биотинът се възстановява. [11]

Този цикъл на биотин обаче не е напълно затворен, тъй като и биотинът, и биоцитинът попадат в урината и могат да бъдат отделени по този начин. В допълнение, страничната верига на биотин може да стане жертва на β-окисляване. Получените продукти от разграждането вече не са биологично активни и също се екскретират с урината. Компенсирането на тези загуби не е проблем за здравите хора с нормална диета. Тъй като част от съдържащия се в храната биотин не е в свободна форма, а е свързан с протеини, допълнителното действие на биотинидазата е необходимо и по време на храносмилането след протеолиза, за да се освободи биотин. В допълнение, биотинидазата има функция за съхранение в кръвния поток, тъй като тя свързва биотин със себе си до известна степен и по този начин го предпазва от екскреция през бъбреците. Транспортерните протеини са отговорни за усвояването на биотин от червата и предаването му в телесната тъкан, от които обикновено е идентифициран само мултивитаминният транспортер, зависим от натрий (SMVT). Ако липсва биотин, повишеното образуване на SMVT може да засили абсорбцията от червата и възстановяването от бъбречните каналчета. Има индикации за съществуването на други превозвачи. [12] [15]

Биотинът като протезна група

Биотинът е протетичната група на карбоксилазите, по-точно карбокси трансферазите. Чрез тяхното действие въглеродният диоксид може да се фиксира и в животинския организъм. Примери за това са:

пируват карбоксилаза, ключов ензим в глюконеогенезата, който превръща пирувата в метаболит на цикъла на лимонената киселина;
ацетил-КоА карбоксилазата, която доставя малонил-КоА за началния етап на биосинтеза на поликетид и мастни киселини.
Пропионил-КоА-карбоксилаза, която е необходима за разграждането на аминокиселините валин, изолевцин, метионин и треонин, както и нечетни и разклонени мастни киселини.
метилкротоноил-КоА карбоксилазата, която е необходима за разграждането на аминокиселината левцин.

Фигурата показва функцията на биотин като протезна група в реакцията, катализирана от пируват карбоксилаза. Преди да бъде добавен към азота в биотина, въглеродният диоксид, който присъства като хидроген карбонат, се превръща с АТФ в активна форма, карбоксифосфат, смесен анхидрид на фосфорна и въглеродна киселина. Като протетична група, биотинът е здраво свързан с лизинов остатък от ензима. Устройството (наричано още биоцитин) действа като вид грамофон (принцип на витлото), чрез който може да се управлява мястото на свързване на пирувата. Пируватът е свързан там в своята енолна форма, което позволява директно поемане на остатъка от CO2. Реакцията илюстрира използването и регенерирането на протезна група върху един и същ ензим.

Функция в ядрото

Биотинът също играе роля в клетъчното ядро, където може да модифицира хистони. Известно е, че няколко лизинови остатъка от хистоните H2A, H3 и H4 могат да се появят биотинилирани. Чрез тази хистонова модификация биотинът оказва влияние върху структурата на хроматина и моменталната четливост на генетичната информация (заглушаване на гена). Биотинът участва в регулирането на експресията на голям брой гени, вероятно над 2000. Има доказателства, че ензимите холокарбоксилаза синтетаза и биотинидаза могат да прехвърлят биотин към хистони, при което биотинидазата вероятно е в състояние да дебиотинилира хистони. Как тези процеси протичат в детайли е предмет на настоящите изследвания. [3] [4]

Дефицит на биотин

Недостигът на биотин засяга метаболизма на въглехидратите, протеините и мазнините. Тези последици са резултат главно от функционално ограничение на биотин-зависимите карбоксилази. Следователно клиничната картина обикновено се нарича множествен дефицит на карбоксилаза определен. В допълнение към действителния дефицит на биотин, генетичните дефекти в областта на метаболизма на биотин също са възможни причини. [16] [15]

Симптоми

Следните симптоми са наблюдавани при хора в резултат на недостиг на биотин: кожни нарушения, депресия, екстремна умора, сънливост, мускулни болки, свръхчувствителност, локални ненормални усещания, халюцинации, загуба на апетит, гадене, косопад, промени в цвета на косата, чупливи нокти, повишени нива на холестерол, необичайно високи нива на нечетни числа Мастни киселини, нарушения на сърдечната функция, анемия, бледосив цвят на кожата, двигателни нарушения (атаксия, хипотония) и повишена чувствителност към инфекции (кандидоза, кератоконюнктивит, глосит). [11] [12] [7]

Установени са и други ефекти при животни, като метаболитни промени и затлъстяване на сърдечния мускул, затлъстяване на черния дроб, внезапна смърт от хипогликемия по време на тренировка, увреждане на имунната система и лошо зарастване на рани. [17] При пилетата дефицитът на биотин значително намалява съдържанието на биотин в яйцата, което води до намалена степен на излюпване и чести деформации на пилетата, въпреки че броят на снесените яйца остава непроменен. Тератогенните ефекти на дефицита на биотин също са описани при някои видове бозайници. [18]

причини

Авидинът, протеин, който се съдържа в яйчните белтъци, е в състояние да свързва много здраво биотин. Освен това авидинът не се атакува от храносмилателните ензими. Нагряването денатурира авидина и го прави безвреден. От друга страна, ако потреблението на суров Яйчният белтък ще свързва целия биотин в червата чрез авидин. [11] Това означава, че както биотинът, съдържащ се в храната, така и биотинът, образуван от чревната флора, стават недостъпни за организма. Веднага след като собствените запаси на организма се изчерпват, симптомите на недостиг на биотин се развиват. Като част от експеримент с доброволци това започна след три до четири седмици. [7] Това свойство на авидина обикновено се използва за създаване на дефицит на биотин относително бързо и надеждно при хора или животни за експериментални цели. [17]
Пациенти със синдром на късото черво, които са зависими от интравенозно хранене, развиват симптоми на дефицит в рамките на месеци или дори години, ако инфузиите не съдържат биотин. Това се случва много по-бързо при бебета. [12] В допълнение към скъсяването на тънките черва, увреждането на чревната флора е един от рисковите фактори. Дългосрочната употреба на антибиотици може да доведе до недостиг на биотин. Хроничният алкохолизъм също често се свързва с изчерпване на биотина в организма. [11]
Дефицит на биотин, причинен единствено от диета с ниско съдържание на биотин, почти не е описан при хората. Изключение правят бебетата, на които е дадена форма на готова за консумация храна, съставена от отделни хранителни вещества, които дълго време не съдържат биотин. [12] При някои животни като пилета или пуйки обаче недостигът на биотин може да възникне сравнително лесно поради храна, която е бедна на биотин. [18]
Дефицит на биотин е открит при някои бъбречни пациенти, които са били длъжни да се подлагат на диализно лечение за дълго време. [11]
Изглежда, че антиконвулсантите влияят върху баланса на биотина, така че се изразява повече или по-малко дефицит на биотин. [12]
По време на бременност биохимични промени, които показват лек дефицит на биотин, се откриват при около една трета от жените. Това обикновено не води до никакви външни симптоми. Предполага се, че биотинът се разгражда по-бързо по време на бременност, тъй като по-малко биотин, но повишени концентрации на неговите метаболити се измерват в урината на бременни жени. [12] [8]

Предозиране

Досега не са се появили вредни ефекти на биотина при хората. Всичко показва, че терапевтичната широчина е много голяма. [11] При пациенти с различни нарушения на метаболизма на биотина има дългосрочни наблюдения върху приема на до 10 mg биотин на килограм телесно тегло на ден. Не са наблюдавани отрицателни ефекти от високата доза биотин. Някои от пациентите обаче показват необратими щети поради лечението с биотин твърде късно започна. [16] [19] Прехвърлянето на такива резултати от метаболитни пациенти към здрави хора, разбира се, не е лесно възможно.

Поради неадекватната ситуация с данни, до момента не е дадена официално стойност на LOAEL. [20] (Това е най-ниската доза, която може да причини отрицателни ефекти.) Проведени са малко проучвания върху животни, при които са били прилагани нива на биотин, които са били достатъчно големи, за да предизвикат отрицателни ефекти. Например, в тест, продължил няколко седмици върху млади плъхове, беше установено, че дневната доза биотин от приблизително 80 mg на килограм телесно тегло неблагоприятно повлиява приема и фуража на храната им, който допълнително се увеличава с увеличаването на дозата. [21] Преобразувано в средно тегло от 65 kg, това би довело до дневен прием на повече от 5 g биотин, което съответства на 100 000 пъти физиологичните нужди.

Въпреки че биотинът се понася от плъхове в 5000 до 10 000 пъти над нормалната доза без увреждане, при бременни женски плъхове след инжекции с повече от 1 mg биотин на килограм телесно тегло се наблюдава резорбция от плода, комбинирана с нарушено образуване на естроген. [11]

използване

Биотинът като лекарство

Препаратите с биотин се използват за лечение и профилактика на недостиг на биотин. За профилактика са достатъчни 0,2 mg/ден. За да се компенсира безопасно съществуващия дефицит за кратко време, обаче, може да се наложи значително по-висока доза. [11] Биотинът често е част от мултивитаминните препарати, които се добавят към инфузионни разтвори, когато пациентите трябва да се хранят парентерално за дълъг период от време, т.е. заобикаляйки стомашно-чревния тракт. [22]

Лечението през целия живот с много високи дози биотин е често срещаната и изключително ефективна терапия за следните редки генетични метаболитни заболявания: [16] [19]

Биотин в молекулярната биотехнология

Биотинът може да се използва за маркиране на различни молекули (биотинилиране). За откриване се използва взаимодействието между биотин и авидин или стрептавидин. [23]