🗊Презентация Биохимия витаминов и коферментов

Биохимия витаминов и коферментов Бизяев Никита, каф. биохимии МГУ имени М.В. Ломоносова Киров, 2018 год

Витамины (sensu Kolman, Rohm, 2005) – основные органические компоненты, которые животный организм не способен синтезировать и которые вынужден потреблять в небольших количествах для использования в метаболизме. Кофермент (sensu википедия) – малые молекулы небелковой природы, специфически соединяющиеся с соответствующими белками, называемыми апоферментами, и играющие роль активного центра или простетической группы молекулы фермента

Хронология наименований витаминов 1840, George Budd предположил, что бери-бери связана с недостатком химическго вещества 1893, C. Eijkman: лечение паралича с помощью экстракта из риса 1912, Casimir Funk: «витаминная теория»: бери-бери, пеллагра, рахит и цинга вызваны недостатком витаминов 1915, E. V. McCollum and M. Davis: Vitamine («амин жизни») А – жирорастворимый Vitamine B - водорастворимый Vitamine оказались не аминами, переименовали в vitamin Выделили другие водорастворимые витамины, ставшие «витаминами группы B» Витамин C – противоцинговый фактор Далее жирораствориме витамины получали свои буквы, водорастворимые – входили в группу B. Некоторые витамины оказались не витаминами

Изопреноиды

Ретинол (витамин А1) Образуется при окислении β-каротина (изопреноид) ретиналь (A) - кофактор родопсина (зрение) антиоксидант ростовой фактор крови и эпителия иммунные реакции кислота – транскрипционный фактор Жирорастворимый Хорошо аккумулируется печенью, можно отравиться, является тератогеном Гиповитаминоз: куриная слепота пигмент птиц (фламинго), рыб и беспозвоночных

Опсины Палочки (сумречное зрение): родопсин Колбочки (цветное зрение): йодопсины Кофактор – ретиналь Соединен с белком Шиффовым основанием

Каротиноиды как антиоксиданты

Бактериородопсины работа за счет кванта света Активный транспорт H+, Na+ или Cl- бактерии, археи (Na/Cl особенно у галоархей) Рецепция света

Кальциферол (витамин D) Образуется их холестерина под действием УФ (изопреноид) Формы по радикалам D кольца (D1-D5) регулирует метаболизм кальция и фосфата: усиливает его сорбцию в почках и кишечнике перестройки и минерализация костей стимулирует синтез Ca-связывающих белков мембранные и цитоплазматические рецепторы Жирорастворим 10-кратный избыток от нормы сильно токсичен Гиповитаминоз: рахит

Гидроксилируется цитохромом P450 в почках и печени до кальцитриола

Хиноны ОВР: (2e- + 2H+)

Рибулозо-4-фосфат ФЕП

Витамин K: синтез Gla антигеморрагический фактор Gla-белки: протромбин, факторы свертывания крови VII, IX, X, белкт C, S, Z остеокальцин, матричный Gla-белок Блокаторы: дикумарол из клевера, антикоагулянт и мышиный яд варфарин

Витамин E: антиоксидант

L-Аскорбиновая кислота (Витамин C) Синтезируется из глюкозы. У человека, приматов, морских свинок нет гулонолактон-оксидазы Восстановитель (ОВР: 2 e- + 2H+) антиоксидант (ОВР с глутатионом, токоферолом, липоевой кислотой, липопротеинами, радикалами) Восстановление железа Fe3+ -> Fe2+(в том числе в 4-пролилгидроксилазе и лизилгидроксиазе, формирующие коллаген) регуляция обмена железа, коллагена, инсулина Реакции гидроксилирования Гиповитаминоз: цинга Гипервитаминоз спорный, данные об образовании свободных радикалов, катаракты

Аскорбат в реакциях гидроксилирования деградация тирозина синтез норадреналина (βдофамингидроксилаза синтез желчных кислот синтез ароматики (Phe -> Tyr)

NAD+ и NADP+ никотинамидадениндинуклеотид(фосфат) ОВР: Перенос H- (2e- + 1 H+) Кофермент оксидоредуктаз Сигналлинг Водорастворим Недостаток: пеллагра

Синтез NAD(P)+ Из триптофана (Trp) (мало у животных) Из витамина B3 (PP) – алкалоида из Trp: Из никотиновой кислоты (ниацина) Из никотинамида Не из никотина

NAD(P)+ сигналлинг

FAD и FMN флавинамидадениндинуклеотид (FAD), фливинаденинмононуклеотид (FMN) ОВР: Перенос 2e- + 2H+ кофермент оксидоредуктаз, ДНК-фотолиазы

Рибофлавин (витамин B2) У растений и бактерий синтезируется из ГМФ Произодные: FAD FMN Криптохромы ДНК фотолиаза кофермент F420 метаногенов розеофлавин – антибиотик Streptomyces davawensis

Адениновая ручка гипотеза аденинового фотосинтеза: передача энергии кванта?

Цитохромы белок+ гем + Fe2+ ОВР: 1 e- cyt P450: гидроксилирование НЕ ВИТАМИН гем синтезируется из: глицин и SucCoA (животные, дрожжи, бактерии) глутамил-тРНК (пластиды, цианобактерии, бактерии)

Синтез гема

Цитохром P 450 Поглощает квант света с длиной волны 450 нм Монооксигеназа (оксидоредуктаза) 700 изоформ Кофакторы: cyt b, FAD, NADPH, иногда еще FMN Повышение гидрофильности неполярных соединений (легче работать и выводить) Биосинтез стероидов, желчных кислот, эйкозаноидов, витамина D, лигнина и гидроксилировнных жирных кислот (у растений) Деградация этанола, ксенобиотиков, лекарств Находится в митохондриях/микросомах в печени и стероид-синтезирующих клеток

Цитохром P 450 делает канцероген канцерогенный эпоксид бензо(а)пирена

FeS кластеры обычно собираются сами Могут быть и другие металлы (Cu, Ni, Co … ) ОВР: 1 e- НЕ ВИТАМИН

ОВР Любое вещество может и принять, и отдать электрон. Но в паре одно из веществ более склонно отдать, а другое – принять (разница восстановительных потенциалов, dE). За счет разницы потенициалов можно совершать работу

ЭТЦ митохондрий

Фумаратное дыхание Анаэробное дыхание Бактрии, имаго аскарид (с хорошо развитыми митохондриями) MQ вместо PQ Конечный акцептор электронов – фумарат через комплекс II

Липоевая кислота Мы можем синтезировать из октановой (капроновой) кислоты и SAM бывший «Витамин N» ОВР в дегидрогеназных комплексах α-кетокислот

Глутатион похож на липоевую кислоту 2GSH + [O] = G-S-S-G

Кофермент А (CoA) Перенос активированных остатков кислот Синтез: Cys+ ATP+ Пантотеновая кислота (Витамин B3): пантоевая кислота (из Val) + β-Ala (из урацила) кофермент 4% всех известных ферментов

Ацилпереносящий белок (ACP) Тоже содержит пантотеновую кислоту выполняет функции переноса остатков кислот в синтезе жирных кислот

Тиамин (Витамин B1) Тиаминопирофосфат (TPP, TDP) Синтезируется у растений, бактерий из интермедиантов немеволанатного пути биосинтеза изопреноидов (из 3-ФГА) и IMP переносе гидроксиалкильных групп ("активированных альдегидов"), Гиповитаминоз: бери-бери

Ферменты, содержащие TPP 1. Неокислительные: Транскетолаза (метаболизм пентоз в ПФШ, фотосинтезе) Пируват декарбоксилаза (спиртовое брожение) Индолпируват декарбоксилаза (синтез ИУК) Бензилформиат декарбоксилаза (утилизация бензоата у бактерий) Глиоксилат карболиаза (конденсация глиоксилатов) Ацетолакатат синтаза (синтез Val, Leu) 1-дезокси-D-ксилулозо 5-фосфат синтаза (мевалонат-независимый путь синтеза изопреноидов) Фосфокетолаза(формирование высокоэнергетического ацетилфосфата) 2. Окисилительное декарбоксилирование: Дегидрогеназные комплексы α-кетокислот Пируват оксидаза (брожение бактерий) Пируват:ферридоксин оксидоредуктаза Индолпируват:ферридоксин оксидоредуктаза

Дегидогеназный комплекс α-кетокислот пируватдегидрогеназный комплекс переход от гликолиза к AcCoA

серингидроксиметилтрансферазный комплекс: 2 Gly -> Ser + CO2+ NH4 фотодыхание растений

Пиридоксаль (Витамин B6) Витамин B6 : Пиридоксаль, пиридоксин, пиридоксамин Синтезируется из интермедиатов немеволанатного пути биосинтеза изопреноидов (из 3-ФГА) Пиридоксальфосфат (PLP) Образует Шиффово основание с аминогруппой субстрата «Биохимический станок аминокислоты»

удаление α-атома H+ рацемизация (D-аминокислоты для пептидогликана) циклизация (SAM -> этилен) перенос аминогрупп β-элиминирование или замена дезаминирование тирозин фенол лиаза/синтаза триптофан индол лиаза/синтаза цистеин β-лиаза/синаза синтез РНК-SeCys интермендиатов Декарбоксилирование амиды ГАМК Удаление или перемещения R Реакции с кетимиными интермедиатами Гликоген фосфорилаза (кислотный катализ фосфатом) НАОБОРОТ пиридоксиаминфосфат: с кетогруппой 3,6-дидезоксигексозы (бактериальная клеточная стенка)

Фолиевая кислота (Витамин B9) Птерин: молибдоптерин, метаноптерин, кофермент ДНК-фотолиаз, пигменты беспозвоночных (глаза дрозофил) Фолиевая кислота: птерин (из ГМФ, родственники FAD), аминобензоат (из ПАБК в Шокиматном пути), Glu тетрагидрофолиевая кислота (ТГФ, THF) перенос СНО, СH2OH и CH3 фрагментов Гиповитаминоз: нарушение эритропоэза Бактерии: подавляется сульфаниламидными препаратами

Ser – основной донор Глицин декарбоксилаза (синтез глицина из CO2, NH4+ и метилен-ТГФ) утилизация формиата, включение его в биосинтез Катаболизм His Катаболизм пуринов Синтез тимидина, оксиметилцитозина, 2-оксопантоата Метильные группы для SAM

S-аденозил-Met (SAM, AdoMet) Синтез: ADP-рибозилирование Met Met – витамин U Перенос «активированной CH3-группы»: метилирование ДНК метилирование белков синтез полиаминов …. синтез этилена

Связь глицина и серина

Биотин (витамин B7, H, coR) Синтезируется из аланина и пименоил-CoA (7-карбоксигептаноил-CoA) микрофлорой кишечника АТФ-зависимый перенос CO2 в органических соединениях Хорошо связывается с авидином (белок куриного яйца). Так что при употреблении большого числа сырых куриных яиц может наступить гиповитаминоз. Также со стрептавидином β–карбоксилирование HCO3-: Пируват карбоксилаза (глюконеогенез) Оксалоацетат декарбоксилаза Ацетил-СoA карбоксилаза Пропионил-СoA карбоксилаза/ (окисление нечетных ЖК) метилмалонил декарбоксилаза β-метилкротонил-CoA -карбоксилаза(катаболизм Leu) Карбомаилфосфат синтетаза (мочевина) Биотин-содержащие Na-насосы бактерий

Кобаламин (Витамин B12) Коррин (Gly + SucCoA, как порфирин) + Co Полностью отсутствует в растительной пище Восстановление: рибонуклеотиды – дезоксирибонуклеотиды (бактерии) Радикальные реакции: внутримолекулярной изомеризации: иметилмалонил-CoA –мутаза (катаболизм ЖК) изобутирил -CoA –мутаза (синтез антибиотиков у бактерий) гидролиазы (интермедиат – диол) аммонийлиазы лейцинаминомутаза (α-Leu -> β-Leu) Радикальный еренос CH3 группы с SAM на гомоцистеин с образовнием метионина Гиповитаминоз: пернициозная анемия

3′-Фосфоаденозин-5′-фосфосульфат (PAPS, ФАФС) «Активированный сульфат» Не витамин глюкозаминогликаны, ксенобиотики

NTP Сопряжение выгодного распада с невыгодной реакцией Не витамины UTP: активация сахаров (гликоген, изомеризация Gal в Glc) CTP: активация фосфолипидов и вторичных метаболитов, гликозилирование белков GTP: биосинтез белка, цитоскелет, сигналлинг G-белков сAMP: сигналлинг сGMP: сигналлинг обоняния

Коферменты метаногенных архей

Источники Koolman J. Color atlas of biochemistry. – Koolman J., Klaus-Heinrich Roehm 2d edition, Stuttgart : Thieme, 2005. – 467 pp. Metzler D. E. Biochemistry. The chemical reactionofLiving cell/ Volumes 1 and 2, Second Edition – Elsevier, 2003 – 1773 pp. Ленинджер. Нельсон Д. Основы биохимии Ленинджера: в 3 т. Т. 2/ Д. Нельсон, М. Кокс; пер. с англ. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014 Скулачев В.П., Богачев А.В., Каспаринский Ф.О. Мембранная биоэнергетика: Учебное пособие. — М.: Издательство Московского университета, 2010 — 358 с. Хелдт Г.-В. Биохимия растений/ Г.-В. Хелдт ; пер. с англ. — 2-е изд. (эл.). —М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011.— 471 с. : ил. — (Лучший зарубежный учебник). Семинары по биохимии на кафедре биохимии Биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, 2015-2018 года https://en.wikipedia.org https://ru.wikipedia.org/wiki/Витамины https://upload.wikimedia.org Все неподписанные изображения формул: с https://upload.wikimedia.org