Biotín - biológia

Aké horúce je príliš horúce na život hlboko pod dnom oceánu?

Antibiotiká z baktérií

Migrácia buniek: novoobjavená funkcia známeho proteínu

Molekulárny kompas na zarovnanie buniek

Čo robí listy na jeseň starnúcimi

Demokracia perličiek

Prostredie spoločnosti Ekembo: Ľudia tiež žili v otvorenej krajine

| Genetika | Poľnohospodárstvo, lesníctvo a chov zvierat

Pšeničná odroda vznikla krížením divých tráv

Aké horúce je príliš horúce na život hlboko pod dnom oceánu?

Biotín

Biotín, aj ako Vitamín B7 alebo Vitamín H. je vo vode rozpustný vitamín z komplexu B. Ako protetická skupina enzýmov hrá dôležitú úlohu v metabolizme, ale je dôležitá aj v bunkovom jadre pre epigenetickú reguláciu génovej funkcie. [3] [4]

Francúzska nomenklatúra často nazýva biotín ako vitamín B8, zatiaľ čo „kyselina adenylová“ (adenozínmonofosfát) sa v anglosaskej a nemeckej literatúre nachádza ako vitamín B8; Niekedy sa inositol, ktorý nie je vitamínom, alebo kyselina listová, ktorá tiež patrí do komplexu vitamínu B, označujú aj ako vitamín B8. Názov odporúčaný IUPAC je však iba biotín.

príbeh

K objaveniu látky došlo v niekoľkých krokoch:

1898 - Steinitz - vitamín H (od Haut)
1901 - Eugene Wildiers a Manile Ide - „Bios“: vodný extrakt z kvasníc obsahuje látku potrebnú na rast kvasiniek.
1927 - M. A. Boas - Popis „syndrómu poranenia bielkovín“, formy dermatitídy: Spôsobený proteínom obsiahnutým vo vaječnom bielku (avidín), ktorý veľmi pevne viaže biotín a znižuje jeho biologickú dostupnosť.
1931 - Paul György - vitamín H
1936 - Fritz Kögl a Benno Tönnis - prvá izolácia 1,1 mg biotínu z 250 kg sušeného vaječného žĺtka
1940 - György - Zistenie, že biotín je totožný s vitamínom H a koenzýmom R.
1942 - Vincent du Vigneaud - objasnenie chemickej štruktúry
1943 - Harris - chemická syntéza biotínu

Výskyt a výživa

Biotín je obsiahnutý v mnohých potravinách, ale väčšinou iba v rozsahu jednociferných mikrogramov. Nasledujúce príklady poskytujú prehľad a každý sa týka 100 g potraviny: suché droždie (200 μg), hovädzia pečeň (103 μg), vaječný žĺtok (50 μg), sója (30 μg), ovsené vločky (20 μg), vlašské orechy (19 μg) ), Huby (12 μg), nelúpaná ryža (12 μg), celozrnná múka (8 μg), ryby (7 μg), špenát (6 μg), hovädzie a bravčové mäso (5 μg), banány (5 μg), Kravské mlieko (3 μg), jablká (1 μg). [5]

Od 40. rokov 20. storočia je známe, že baktérie obsiahnuté v normálnej črevnej flóre produkujú okrem ďalších vitamínov skupiny B aj biotín, ktorý ich v rôznej miere obohacuje podľa typu baktérií a dostupného času. [6] Jedným z dôsledkov je, že exkrécie obsahujú viac biotínu ako potraviny, ktoré sa predtým konzumovali. [7] Je veľmi pravdepodobné, že biotín z tohto zdroja bude organizmom využitý v určitých množstvách, o výške tohto príspevku však nie je isté. [8]

Nemecká spoločnosť pre výživu uvádza 30–60 μg/deň ako odhad vhodného príjmu u zdravých dospelých. Rovnaké odporúčanie platí aj počas tehotenstva a dojčenia. U dojčiat sa predpokladá, že potrebné množstvo biotínu je 5–10 μg/deň. [9]

Európska RDA uvádza, že požadovaný príjem biotínu pre zdravých dospelých je 50 μg/deň; pred niekoľkými rokmi sa podávalo 150 μg/deň. [10]

Presná potreba nie je známa z dôvodu nedostatku zmysluplných experimentálnych štúdií. Preto je nevyhnutné, aby sa informácie o požiadavkách na biotín zakladali na hľadiskách hodnovernosti. Napríklad v prípade dojčiat sa ako základ pre odhad použije priemerný obsah biotínu v materskom mlieku a denný príjem. [11] [12]

Výroba

Existuje mnoho viacstupňových procesov chemickej syntézy (+) - biotínu. V technicky relevantných syntézach je kyselina fumarová, aminokyselina (R.) Ako východiskový materiál sa používa cysteín alebo kyselina tetrónová. [13] (+) - Biotín je ekonomicky dôležitý produkt v chemickom priemysle.

charakteristiky

Chirálny biotín má tri stereogénne centrá, takže je možných osem stereoizomérov. Avšak iba prírodný (+) - biotín s (3aS.,4S.,6aR.) Konfigurácia celej biologickej aktivity. [14]

fyzikálne a chemické vlastnosti

Biotín je látka, ktorá kryštalizuje v bezfarebných ihličkách a je tuhá pri izbovej teplote. Táto zlúčenina sa veľmi nerozpúšťa v studenej vode, etanole alebo zriedených kyselinách, ale je rozpustnejšia v horúcej vode a zásadách. Biotín je nerozpustný vo väčšine organických rozpúšťadiel. [2]

Vitamín je odolný voči atmosférickému kyslíku alebo zvýšeným teplotám; pri 232-233 ° C sa biotín topí. Silné zásady alebo kyseliny, oxidačné činidlá a UV svetlo rozkladajú zlúčeninu. Vodné neutrálne roztoky biotínu vo vode sú stabilné do asi 100 ° C. Pri správnom skladovaní a príprave sú straty pri varení rastlinných a živočíšnych potravín menšie ako 20%. [2]

Fyziologické a biochemické základy

Biotínový metabolizmus

Biotín je protetická skupina niekoľkých enzýmov karboxylázy, ktoré vykonávajú dôležité úlohy v metabolizme bielkovín, tukov a sacharidov. Aby sa efektívne využilo relatívne malé množstvo biotínu obsiahnutého v potravinách, bol vyvinutý mechanizmus recyklácie. Biotín je zabudovaný do karboxyláz spojením špeciálneho lyzínového zvyšku stále nefunkčných apokarboxyláz s molekulou biotínu pomocou enzýmu holokarboxylázy syntetázy, ktorý vytvára funkčné holokarboxylázy. (Pozri tiež apoenzým a holoenzým.) Keď sa tieto karboxylázy obsahujúce biotín opäť rozkladajú proteolýzou, zostane biocytín, kombinácia biotínu a aminokyseliny lyzín. V ďalšom kroku sa biocytín štiepi enzýmom biotinidázou a izoluje sa biotín. [11]

Tento biotínový cyklus však nie je úplne uzavretý, pretože biotín aj biocytín sa dostávajú do moču a môžu sa takýmto spôsobom vylučovať. Navyše, bočný reťazec biotínu sa môže stať obeťou β-oxidácie. Výsledné degradačné produkty už nie sú biologicky aktívne a vylučujú sa tiež močom. Kompenzácia týchto strát nie je problémom pre zdravých ľudí s bežnou stravou. Pretože časť biotínu obsiahnutého v potravinách nie je vo voľnej forme, ale je viazaná na bielkoviny, je za účelom uvoľnenia biotínu nevyhnutný ďalší účinok biotinidázy počas trávenia po proteolýze. Okrem toho má biotinidáza v krvnom obehu funkciu ukladania, pretože do istej miery viaže na seba biotín, a tým ho chráni pred vylučovaním obličkami. Transportné proteíny sú zodpovedné za absorpciu biotínu z čreva a za jeho prenos do telesného tkaniva, z ktorého bol všeobecne identifikovaný iba multivitamínový transportér závislý od sodíka (SMVT). Ak chýba biotín, zvýšená tvorba SMVT môže zosilniť absorpciu z čreva a zotavenie z obličkových tubulov. Existujú náznaky existencie ďalších transportérov. [12] [15]

Biotín ako protetická skupina

Biotín je protetická skupina karboxyláz, presnejšie karboxytransferáz. Ich pôsobením sa môže oxid uhličitý fixovať aj v živočíšnom organizme. Príklady sú:

pyruvátkarboxyláza, kľúčový enzým v glukoneogenéze, ktorý prevádza pyruvát na metabolit cyklu kyseliny citrónovej;
acetyl-CoA karboxyláza, ktorá dodáva malonyl-CoA pre počiatočný krok biosyntézy polyketidu a mastných kyselín.
Propionyl-CoA-karboxyláza, ktorá je nevyhnutná na odbúravanie aminokyselín valínu, izoleucínu, metionínu a treonínu, ako aj nepárnych a rozvetvených mastných kyselín.
metylkrotonoyl-CoA karboxyláza, ktorá je nevyhnutná na odbúranie aminokyseliny leucín.

Obrázok ukazuje funkciu biotínu ako protetickej skupiny v reakcii katalyzovanej pyruvátkarboxylázou. Pred pridaním k dusíku v biotíne sa oxid uhličitý, ktorý je prítomný ako hydrogenuhličitan, prevedie s ATP na aktívnu formu, karboxyfosfát, zmesový anhydrid kyseliny fosforečnej a kyseliny uhličitej. Ako protetická skupina je biotín pevne viazaný na lyzínový zvyšok enzýmu. Jednotka (tiež nazývaná biocytín) funguje ako druh otočného taniera (princíp vrtule), cez ktorý je možné prevádzkovať väzobné miesto pyruvátu. Pyruvát je tam viazaný vo svojej enolovej forme, čo umožňuje priame prevzatie zvyšku CO2. Reakcia je príkladom použitia a regenerácie protetickej skupiny na jednom a tom istom enzýme.

Funkcia v jadre

Biotín hrá úlohu aj v bunkovom jadre, kde môže modifikovať históny. Je známe, že niekoľko lyzínových zvyškov histónov H2A, H3 a H4 sa môže vyskytnúť biotinylovaných. Touto histónovou modifikáciou má biotín vplyv na štruktúru chromatínu a okamžitú čitateľnosť genetickej informácie (umlčanie génu). Biotín sa podieľa na regulácii expresie veľkého počtu génov, pravdepodobne viac ako 2000. Existujú náznaky, že enzýmy holokarboxyláza syntetáza a biotinidáza môžu prenášať biotín na históny, čím je biotinidáza pravdepodobne tiež schopná debiotinylovať históny. To, ako tieto procesy prebiehajú podrobne, je predmetom súčasného výskumu. [3] [4]

Nedostatok biotínu

Nedostatok biotínu ovplyvňuje metabolizmus sacharidov, bielkovín a tukov. Tieto dôsledky vyplývajú predovšetkým z funkčného obmedzenia biotín-dependentných karboxyláz. Klinický obraz sa preto všeobecne nazýva viacnásobný nedostatok karboxylázy určený. Okrem skutočného deficitu biotínu sú možnými spúšťačmi aj genetické defekty v oblasti metabolizmu biotínov. [16] [15]

Príznaky

Nasledujúce príznaky boli pozorované u ľudí v dôsledku nedostatku biotínu: poruchy kože, depresia, extrémna únava, ospalosť, bolesť svalov, precitlivenosť, lokálne abnormálne pocity, halucinácie, strata chuti do jedla, nevoľnosť, vypadávanie vlasov, zmeny farby vlasov, lámavosť nechtov, zvýšená hladina cholesterolu, neobvykle vysoká úroveň nepárneho počtu. Mastné kyseliny, srdcové poruchy, anémia, svetlošedé sfarbenie kože, poruchy hybnosti (ataxia, hypotenzia) a zvýšená náchylnosť na infekcie (kandidóza, keratokonjunktivitída, glositída). [11] [12] [7]

U zvierat sa zistili aj ďalšie účinky, ako sú metabolické zmeny a obezita srdcového svalu, stukovatenie pečene, náhla smrť na hypoglykémiu počas cvičenia, zhoršenie imunitného systému a zlé hojenie rán. [17] Nedostatok biotínu u kurčiat významne znížil obsah biotínu vo vajciach, čo viedlo k zníženej miere liahnutia a častým deformáciám kurčiat, aj keď počet znášaných vajec zostal nezmenený. Teratogénne účinky nedostatku biotínu boli tiež opísané u niektorých druhov cicavcov. [18]

príčiny

Avidín, bielkovina nachádzajúca sa vo vaječných bielkovách, je schopná veľmi pevne viazať biotín. Avidín navyše nie je napadnutý tráviacimi enzýmami. Kúrenie avidín denaturuje a robí ho neškodným. Na druhej strane, ak je spotreba surový Vaječný bielok je všetok biotín v čreve viazaný avidínom. [11] To znamená, že tak biotín obsiahnutý v potrave, ako aj biotín tvorený črevnou flórou sa stávajú pre organizmus neprístupnými. Len čo sa vyčerpajú vlastné zásoby tela, objavia sa príznaky nedostatku biotínu. V rámci experimentu s dobrovoľníkmi sa to začalo po troch až štyroch týždňoch. [7] Táto vlastnosť avidínu sa všeobecne používa na relatívne rýchle a spoľahlivé vytvorenie nedostatku biotínu u ľudí alebo zvierat na experimentálne účely. [17]
U pacientov so syndrómom krátkeho čreva, ktorí sú závislí od intravenóznej výživy, sa objavia príznaky nedostatku v priebehu niekoľkých mesiacov alebo dokonca rokov, ak infúzie neobsahujú biotín. U detí sa to deje oveľa rýchlejšie. [12] Okrem skrátenia tenkého čreva je jedným z rizikových faktorov aj poškodenie črevnej flóry. Dlhodobé užívanie antibiotík môže viesť k nedostatku biotínu. Chronický alkoholizmus je tiež často spájaný s úbytkom biotínu v tele. [11]
U ľudí je nedostatok biotínu spôsobený výlučne stravou s nízkym obsahom biotínu ťažko popísaný. Výnimkou boli kojenci, ktorí dostali formu receptúry pripravenej na použitie zloženú z jednotlivých výživných látok, ktorá dlho neobsahovala biotín. [12] U niektorých zvierat, ako sú kurčatá alebo morky, sa však nedostatok biotínu môže vyskytnúť pomerne ľahko v dôsledku krmiva s nízkym obsahom biotínu. [18]
Nedostatok biotínu sa zistil u niektorých pacientov s obličkami, ktorí museli dlho podstúpiť dialýzu. [11]
Zdá sa, že antikonvulzíva ovplyvňujú rovnováhu biotínu, takže sa prejavuje viac alebo menej závažný nedostatok biotínu. [12]
Počas tehotenstva sa asi u tretiny žien vyskytujú biochemické zmeny, ktoré poukazujú na mierny nedostatok biotínu. To zvyčajne nemá za následok žiadne vonkajšie príznaky. Predpokladá sa, že biotín sa počas tehotenstva odbúrava rýchlejšie, pretože v moči tehotných žien sa meria menej biotínu, ale vyššie koncentrácie jeho metabolitov. [12] [8]

Predávkovanie

Zatiaľ sa u ľudí neobjavili žiadne škodlivé účinky biotínu. Všetko naznačuje, že terapeutická šírka je veľmi veľká. [11] U pacientov s rôznymi poruchami metabolizmu biotínov boli dlhodobé pozorovania týkajúce sa príjmu až 10 mg biotínu na kilogram telesnej hmotnosti za deň. Negatívne účinky vysokej dávky biotínu neboli pozorované. U niektorých pacientov sa však vďaka liečbe biotínom prejaví nezvratné poškodenie neskoro začalo. [16] [19] Prenos týchto výsledkov od metabolických pacientov k zdravým jedincom samozrejme nie je možný bez ďalších okolkov.

Z dôvodu neadekvátnej dátovej situácie nebola zatiaľ oficiálne uvedená žiadna hodnota LOAEL. [20] (Toto je najnižšia dávka, ktorá môže mať nepriaznivé účinky.) U zvierat, ktorým sa podával biotín, sa uskutočnilo len málo štúdií, ktoré boli také vysoké, aby vyvolávali nepriaznivé účinky. Napríklad pri teste trvajúcom niekoľko týždňov na mladých potkanoch sa zistilo, že denná dávka biotínu približne 80 mg na kilogram telesnej hmotnosti nepriaznivo ovplyvnila ich príjem a rast krmiva, ktoré sa ďalej zvyšovalo so zvyšovaním dávky. Pri prepočte na priemernú hmotnosť 65 kg by to malo za následok denný príjem viac ako 5 g biotínu, čo zodpovedá 100 000-násobku fyziologickej potreby.

Aj keď biotín bol potkanmi tolerovaný v množstve 5 000 až 10 000-násobku normálnej dávky bez poškodenia, u gravidných samíc potkanov došlo po injekcii viac ako 1 mg biotínu na kilogram telesnej hmotnosti k absorpcii plodmi v kombinácii so zníženou tvorbou estrogénu. [11]

použitie

Biotín ako liek

Biotínové prípravky sa používajú na liečbu a profylaxiu nedostatku biotínu. Na profylaxiu je postačujúce 0,2 mg/deň. Na bezpečné vyrovnanie existujúceho nedostatku v krátkom čase však môže byť potrebná podstatne vyššia dávka. [11] Biotín je často súčasťou multivitamínových prípravkov, ktoré sa pridávajú do infúznych roztokov, keď musia byť pacienti kŕmení parenterálne dlhšie, tj. Obchádzajúc gastrointestinálny trakt. [22]

Celoživotná liečba veľmi vysokými dávkami biotínu je bežnou a mimoriadne účinnou terapiou pre tieto zriedkavé genetické metabolické choroby: [16] [19]

Biotín v molekulárnej biotechnológii

Biotín sa môže použiť na označenie rôznych molekúl (biotinylácia). Na detekciu sa používa interakcia medzi biotínom a avidínom alebo streptavidínom. [23]