Биотехнология в производстве витаминов
Получение лекарственных веществ на основе применения биологического синтеза
Одним из перспективных путей получения ЛВ является биотехнология с использованием методов генной инженерии. Ее основу составляют генетические ресурсы, заложенные в клетках растений, животных и микроорганизмов. Современный уровень развития химии, биологии и других наук позволяет изменять молекулы, входящие в состав биологических систем, и создавать их варианты, которые не могли появиться в процессе естественной эволюции.
Биотехнология обеспечивает самые прогрессивные методы получения новых ЛВ. Начиная со второй половины 70-х гг. создана отрасль биотехнологии, обеспечивающая получение ЛВ на основе использования генной инженерии. С помощью генной инженерии были разработаны новые штаммы микроорганизмов, позволившие получить гормональные вещества, осуществить микробиологический синтез инсулина, интерферона и других ценных веществ, синтезируемых только организмом человека.
Чрезвычайно важно, что в качестве источников сырья для биотехнологии все шире используются непищевые растительные ресурсы и отходы сельского хозяйства, пищевой промышленности. Это позволяет превратить биотехнологию в безотходное производство. Сравнительная оценка продолжительности традиционных и биотехнологических методик убедительно подтверждает преимущества последних.
Традиционная методика получения ЛВ путем выращивания растений на опытном поле требует длительного времени (1-6 мес.). Более экономично использование биотехнологической методики, основанной на выращивании каллусных и меристемных клеточных культур (7-14 дней). При получении биологически активных веществ из животных тканей традиционный способ разведения животных требует 1-9 мес., выращивание культуры клеток ткани на твердой фазе — 7-10 дней. Меньше всего времени, всего 1-3 дня, требуется для получения БАВ путем культивирования микроорганизмов, так как они растут быстрее клеток растений и животных и требуют простых питательных сред.
Микробиологический синтез
Микробиологический синтез витаминов и коферментов все шире включается в новые технологические схемы. Использование достижений в области физиологии микроорганизмов — продуцентов БАВ — позволяет оптимизировать биосинтез и увеличивать их выход. Использование в промышленности указанных методов дает возможность применять более дешевые источники сырья, увеличивать выход продукции, заменять дорогостоящие и трудоемкие стадии химического синтеза.
Большинство органических кислот получают химическими методами из продуктов переработки нефти и сухой перегонки древесины. Однако, когда кислота используется для пищевых или медицинских целей или синтез ее является сложным, целесообразно использовать микробиологические методы. Сейчас лимонную, глюконовую, кетогулоновую и итаконовую кислоты получают только микробиологическим путем, а молочную и уксусную — как химическим, так и микробиологическим методами. Многие из этих кислот либо сами являются ЛВ, либо используются в качестве исходных продуктов их синтеза или получения солей. Основным сырьем для производства органических кислот ранее служили углеводы (глюкоза, сахароза, крахмал). Начиная с 60-х гг. XX в. для этой цели все шире используется непищевое сырье — нормальные парафины нефти в сочетании со специально селекционированными штаммами дрожжей.
Биотехнология аминокислот
Аминокислоты являются составными элементами белков. Все 20 аминокислотявляются мономерами для построения природных полипептидов и хорошо изучены (методы их синтеза давно подробно описаны). Известно также, что эти соединения существуют в виде оптических изомеров (вспомните теорию строения органических соединений Бутлерова А.М., открывшего ассиметрию атома углерода с четырьмя заместителями, определяющими направление и степень вращения плоскости поляризованного света) .
Современные методы органического синтеза позволяют синтезировать L- и D-формы аминокислот, но только как рацематы, дальнейшее разделение которыхпредставляет трудную задачу и экономически не эффективно.
Другой способ получения аминокислот – это микробиологический синтез, когда используют штаммы-продуценты, осуществляющие сверхсинтез аминокислот. Избыточные количества аминокислот, например, L -лизина, L –глутаминовой кислоты, L -треонина, L –трептофана экскретируются (выходят) в культуральную (внешнюю) среду. Культуральная среда в этом случае можетсодержать от четырех, пяти и до ста граммов целевой аминокислоты на одинлитр жидкой фазы. В отличие от химического синтеза, в этом случае, то есть прибиосинтезе аминокислот с помощью ферментных систем микроорганизмов,получаются исключительно L-формы аминокислот, обуславливающих терапевтический эффект, а не рацематы. Это обстоятельство решает проблему выбора получения аминокислот в промышленном масштабе в пользу биотехнологических методов.
Аналогичная ситуация сложилась и в области производства антибиотиков. Химический синтез, как правило, не эффективен. Именно поэтому в фармацевтической промышленности антибиотики получают с помощью штаммов-продуцентов, которые генерируют нужный антибиотик в определенной фазе роста в заданном режиме культивирования. Однако, использование вдальнейшем химической трансформации природных антибиотиков рождаетновые лекарственные средства и помогает преодолевать резистентностьмикроорганизмов к лекарственным препаратам, повышая эффективностьлечения.
Сегодня известны 4 метода получения аминокислот:
1. химический метод (тонкий органический синтез)
2. химико-энзиматический метод (энзиматическая трансформация химически синтезированных предшественников аминокислот с образованием биологически активных L-изомеров). Метод достаточно дорогой.
3. биологический метод (применение гидролиза белоксодержащих субстратов)
4. прямой микробиологический метод (получение L-аминокислот). Методболее дешевый, экономически выгодный.
Наиболее распространенными методами получения аминокислот являются химико-энзиматический и микробиологический.
В качестве примеров использования химико-энзиматического метода можно привести:
• синтез аспарагиновой кислоты из фумаровой (используются клетки
• синтез L-фенилаланина из коричной кислоты (используются клетки
Имея задачу получения аминокислот, используя природные микроорганизмы,надо помнить о механизмах регуляции биосинтеза по принципу обратной связи (ретроингибирование). Эта регуляция осуществляется либо за счетингибирования активности одного из начальных ферментов собственногосинтеза избыточным продуктом, то есть самой аминокислотой, либорепрессируется весь комплекс ферментов всей биохимической цепочкиметаболизма клетки, что является естественной реакцией живогомикроорганизма-продуцента для сохранения собственного равновесия наклеточном уровне. Таким образом перед биотехнологом стоит задача в нарушении этих механизмов, чтобы иметь возможность получить целевойпродукт в необходимых количествах.
Как это делается, можно рассмотреть на примере продуцентов лизина (Corynebacteriumglutaminicum) итреонина (Escherichiacoli).
У Corynebacteriumglutaminicum есть принцип согласованного ингибированияферментативной активности, что является особенностью биосинтеза предшественника лизина. Ингибирование синтеза лизина в клеткевозможно только при повышенной концентрации обеих конечных продуктов –лизина и треонина. Самостоятельно ни лизин, ни треонин не ингибируют активности ключевого фермента –аспартакиназы. Они ингибируют этот синтезтолько вместе. Таким образом, вызвать сверхсинтез лизина можно лишь нарушив синтез треонина или его предшественника – гомосерина.
Действительно, большинство продуцентов лизина не способны синтезировать гомосерин или треонин, то есть являются «ауксотрофами» по этим аминокислотам.
Таким образом большинство продуцентов лизина нуждается в присутствии гомосерина или треонина, иначе они работать не будут. Зная это, биотехнолог, выращивая такие продуценты, должен обязательно вносить в питательнуюсреду от половины грамма и до полутора граммов на один литр гомосерина или треонина. В этом случае происходит активный рост биомассы продуцента безсинтеза лизина. Как только треонин исчезает из среды и рост биомассыпрекращается, начинается активный синтез лизина. Таким образом, данныйпроцесс имеет две стадии развития:
Продолжительность синтеза составляет 2-3 суток. Уровень накопления продукта составляет 50-100 граммов на литр. Это особенности биосинтезализина.
Второй пример. Минтезтреонина. Особенности регуляции биосинтеза треонина в клетках Escherichiacoli (кишечной палочки). В этом случаеситуация другая. У кишечной палочки нет механизма согласованногоингибирования ферментативной активности, то есть, если лизин ингибируетактивность своих ферментов по принципу обратной связи, то треонин – своихферментов. Кроме того, имеет место «репрессия» всего комплекса треониновых ферментов при избытке треонина или изолейцина и это похоже на«согласованную репрессию» Самостоятельно (по отдельности) ни треонин, ни изолейцин не репрессируют синтез ферментов.
Для решения задачи получения треонина в необходимых количествах пришлось сделать следующее:
1. изменить, сделать нечувствительным к треонину первый ферменттреонина
2. снизить активность фермента, синтезирующего из треонина изолейцин
3. убрать механизм репрессии при недостаточном количестве изолейцина не смотря на избыток треонина
4. применить генную инженерию (выделить треониновые гены и размножить их на плазмидах в клетке микроорганизма, резко повысив синтез треонина клетками продуцента)
В рассматриваемом случае синтез треонина отличается от синтеза лизинатем, что его синтез происходит одновременно с ростом биомассы. Здесь уже нет двух стадий.
Особенности культивирования штаммов-продуцентов аминокислот приводят к следующему результату:
1. достигаются максимально высокие скорости синтеза аминокислотклетками продуцента
2. достигается максимальная длительность работы продуцента
3. минимально образуются побочные продукты биосинтеза аминокислот.
Первая задача решается путем выращивания высокоактивной биомассы ипомогают в этом случае наличие в питательной среде:
· оптимизация рН (кислотность среды)
· дробная подача субстратов.
Для предотвращения закисления среды проводят автоматическое рН-статирвоание аммиачной водой и источниками углерода.
В случае биосинтеза лизина добавляют ростовые факторы по меренеобходимости, что зависит от самого сырья, от аппаратуры, от температуры.Процесс биосинтеза энергоемкий и требует интенсивной аэрации иперемешивания.
Для длительной работы ауксотрофных продуцентов лизина в питательнуюсреду вносят комплексный источник аминокислот (белковые гидролизаты).
Внимание! Синтез нужной аминокислоты может прекращаться, если на еепродуцент действуют его токсические метаболиты, которые синтезируютсясамим продуцентом. Например, в процессе биосинтеза фенилаланина, продуцентом которого является Bacillussubtilis, этот продуцент синтезирует примеси ацетоина и бутандиола, в результате этого клетки продуцента лизируются, образуют споры и прекращают вырабатывать фенилаланин. Чтобыизбежать это явление, необходимо ферментацию вести в условиях лимита(ограничения) по источнику углерода. В этом случае весь сахар расходуется только на синтез фенилаланина, увеличивая как количество (в два раза), так ичистоту получаемого продукта.
Как итог можно сказать, что:
— эффективность использования субстрата при биосинтезе аминокислот зависит от продуктивности биомассы,
— если синтез аминокислот разобщен с ростом биомассы (лизин), то эффективность использования субстрата будет тем выше, чем дольше будетработать культура после остановки роста,
— если же синтез аминокислоты идет параллельно росту биомассы (треонин), то эффективность биомассы можно увеличить добавляяопределенное количество предшественников.
Наиболее перспективным направлением являются методы генетической инженерии – введение в клетку продуцента многокопийных плазмид, содержащих гены, контролирующие биосинтез аминокислот в ущерб синтезубиомассы и других клеточных компонентов.
С помощью гибридных плазмид в биосинтезе аминокислот мы получаем:
1. рост продуктивности биомассы.
2. исчезновение примесей (более чистый продукт).
3. возрастает коэффициент использования субстрата (его минимум даетмаксимум продукта).
Биотехнология в производстве витаминов
Витамины представляют группу незаменимых органических соединенийразличной химической природы. Они необходимы любому организму внебольших концентрациях с целью выполнения в нем каталитических ирегуляторных функций. Они не являются материалом для биосинтетическихпроцессов, они не являются источниками энергии.
Что касается источника витаминов – это в первую очередь растения. Витамины поступают в организм человека с пищевыми продуктами. Недостаток витаминов может привести к различным заболеваниям (это цинга,различные анемии и так далее).
2. это компоненты сбалансированного питания
3. это компоненты парфюмерной продукции
4. это биологически активные добавки
5. это компоненты для интенсификации биотехнологических процессовпроизводства.
Известно, что высокой биологической активностью обладают, как правило,не сами витамины, а их производные – коферменты. Открыты также коферменты, для которых не обнаружено витаминных аналогов. Коферментные формы на основе различных витаминов обладают широким спектром действия и эффективно используются в медицинской практике.
Большинство витаминов либо выделяют из природных источников, либо синтезируют химическим путем. Однако, с помощью биотехнологии сегодня производят особо сложные по строению витамины В2, В12, β-каротин (провитамин А), РР и предшественники витамина Д (эргостерина).
Кроме того, в синтезе витамина С (аскорбиновой кислоты) используют микроорганизмы как селективные окислители d-сорбита в L-сорбозу.
Получение витамина В2 (рибофлавин).Вначале этот витамин выделяли из природного сырья (в максимальных концентрациях он присутствует в моркови и в печени). Затем был разработан как химический, так имикробиологический способы промышленного синтеза. Для рибофлавина характерно функционирование в коэнзимных формах:
К источникам рибофлавина относятся:
Активным продуцентом рибофлавина являются культура дрожжеподобного гриба Eremotheciumashbyii и Ashbyagossipii.
Сверхсинтез рибофлавина можно получить, если действовать на дикиештаммы мутагенами, нарушающими механизм ретроингибирования синтеза витамина В2, флавиновыми нуклеотидами, а также изменением состава культуральной среды.
В состав среды для роста продуцентов рибофлавина входят:
Перед подачей в ферментер среду стерилизуют с помощью антибиотиков иантисептиков во избежание ее инфицирования. По завершении процесса ферментации культуральную жидкость концентрируют, высушивают исмешивают с наполнителями. В 1983 году в институте генетики был сконструирован рекомбинантный штамм продуцента Bacillussubtilis, способный синтезировать в три раза больше по сравнению с Eremotheciumashbyii и этот продуцент более устойчив к экзогенной кантаминации.
Этот витамин был открыт одновременно в США и в Англии. В 1972 г. В Гарвадском университете был осуществлен химический синтез витамина В12, включающий 37 стадий его получения, что лишало возможности организовать промышленное производство этого витамина. С другой стороны это производство было необходимо, так как витамин В12 очень важен в коррекции определенных нарушений в организме человека и животных. Он регулирует углеводный и липидный обмен, участвует в метаболизме незаменимых аминокислот, пуриновых и пиримидиновых оснований, стимулирует образование гемоглобина, применяется для лечения злокачественной анемии, лучевой болезни, заболеваний печени и в другихслучаях.
Сначала витамин В12 получали исключительно из природного сырья (1 тонна печени – 15 миллиграмм витамина).
Единственный способ его получения в настоящее время – этомикробиологический синтез в промышленном масштабе. Интересно, что обнаружение витамин В12 как побочного продукта при производстве антибиотиков стимулировало поиск продуцентов этого витамина.
Продуцентом витамина В12 являются пропионовокислые бактерии из рода Propionibacterium. Применение мутантов и добавление в средупредшественника витамина В12 — 5,6 диметилбензимидазола (5,6 ДМБ) резко повышает продуктивность продуцента. Этому способствует также добавлениев питательные среды кукурузного и мясного экстракта, соевой муки, рыбной муки. Выращивание пропионовых бактерий производится периодическим методом в анаэробных условиях на среде с кукурузным экстрактом, глюкозой,солями кобальта и сульфатом аммония. Образующиеся кислотынейтрализуются щелочью. Через 72 часа после начала ферментации вносят предшественники — 5,6 ДМБ. Длительность ферментации – трое суток.
Полученную массу сепарируют, стабилизируют нитритом натрия, охлаждают, нейтрализуют, коагулируют белки и фильтруют. Очищают на ионообменной смоле, кристаллизуют и проводят химическую очистку продукта. Далее следует получение различных лекарственных форм поливитаминных препаратов. Для увеличения производства витамина В12 перспективным является применение генной инженерии при получении гибридных штаммови использовании методов иммобилизации на полимерах.
Витамин В3 (пантотеновая кислота).Способ получения – тонкий органический синтез и микробиологический синтез с использованием иммобилизованных клеток бактерий, актиномицетов (основной метод).
Витамин РР. Используется биотехнологический метод, метод экстракции из микроорганизмов, обычно из пекарских дрожжей с добавлением предшественников. Используется штамм – Brevibacterium ammoniagenes.
Аскорбиновая кислота.Здесь применяется в основном химический синтезилишь одна стадия осуществляется биотехнологическим способом с применением уксусно-кислых бактерий, проводящих реакциютрансформации d -сорбита в L-сорбозу. Для получения сорбозы культуру продуцента Gluconobacteroxydans выращивают в ферментерах периодического действия с мешалкой, барботером, усиленной аэрацией в течение 20-40 часов. Выход сорбозы достигает 98% от начального сорбита. Питательная среда: кукурузный дрожжевой экстракт до 20%. Сорбозу выделяют из культуральной жидкости. Развитие микробиологического метода получило развитие в производстве 2-кето L -гулоновой кислоты – это промежуточный продукт синтеза витамина С.
Продуценты: Acetobacter, Erwinia ,Gluconobacter. Перспективно создание генноинженерных штаммов продуцентов.
Эргостерин – это основной компонент стеринов дрожжеподобных грибов рода Candida, использующих углеводы. Есть несколько вариантов выращивания дрожжей – продуцентов эргостерина.
Продуценты – это дрожжи, плесени, особенно Saccharomycescerevisiae.
Питательная среда должна содержать источники углерода, азота, фосфора.
Ферментация идет в аэробных условиях около 12-20 часов. Для получения кристаллического витамина Д2, биомассу гидролизуют, охлаждают, фильтруют, делают спиртовые экстракты, которые омыляют (обрабатывают щелочью), кристаллизуют, очищают, растворяя в эфире, удаляют эфир, а затем эргостерин облучают ультрафиолетовыми лучами (УФ-облучение), так как витамин Д 2 из эргостерина образуется только после ультрафиолетового облучения (УФ-облучения ).
Источником получения эргостерина может служить и мицелий грибов, который остается как отход (побочный продукт) антибиотической промышленности. Микроорганизмы Cryptoccocuscurvatus на средах с отходами молочной промышленности и при переработке хлопка синтезируют значительные количества эргостерина. Это все относится к вопросу рентабельности и экологичности биотехнологического производства.
β-каротин.Каротиноиды (политерпены) – это природный пигмент. Общий путь биосинтеза из изопреновых единиц. Источник – это высшие растения, водоросли, микроорганизмы. Получение — это тонкий органический синтез (химический способ) и биотехнология (использование мицелиальных грибов).
Питательная среда – кукурузно-соевая среда. Процесс получениямногостадийный. β-каротин экстрагируется подсолнечным маслом ииспользуется в виде масляных Если используют химический синтез, то болеерентабельно после экстракции егокристаллизовать.
Витамин РР– в его производстве используется биотехнологический метод, применяя способ экстракции из микроорганизмов, обычно это пекарские дрожжи. В качестве штамма используется Brevibacterium ammoniagenes.
Эти соединения синтезируются в организме животных и человека. Участие убихинона в метаболических процессах проявляет регуляторныйэффект, он же принимает участие в тканевом дыхании, окислительном фосфолирировании, в переносе электронов.
Получение убихинонов – это биотехнология на основе каллусных культур риса или опухолевой ткани. Продуценты – бактерии, дрожжи идрожжеподобные микроорганизмы. Сухая масса грибов рода Candida содержит смесь убихинонов. Это один из примеров, когда биотехнологиясовмещает в едином процессе получение убихинонов и эргостерина из микробных липидов. Применение убихинонов – при ишемической болезнисердца и при повышенных нагрузках.
Уксуснокислые бактерии, используемые при окислении сорбита в сорбозу (при получении витамина С) содержат убихинон-10 )с десятью изопреновыми единицами в боковой цепи, который является коферментом организмачеловека.
1. Применение генной инженерии при синтезе витамина В2 и витамина С– открыло новые возможности селекции высокоактивных продуцентов.
2. Внедрение непрерывного способа ферментации в производстве сорбозы увеличило скорости образования этого сахара почти в два раза.
3. Дробная подача компонентов в питательные среды обеспечило высокийуровень ферментации в производстве витамина В12 и сорбозы.
4. Применение иммобилизованных клеток при получении витаминов В12и В3 привело к разработке новых конструкций биореакторов.
5. Утилизация различных промышленных отходов существенно снижаетсебестоимость получаемой продукции – витаминов В2 , В12 и β-каротина, улучшает экологию производства.
Таким образом, получение этих важных биологически активных веществ(БАВ) свидетельствует о существенном вкладе биотехнологии и в этомсекторе фармацевтической промышленности.
Дата добавления: 2016-10-07 ; просмотров: 7056 | Нарушение авторских прав
Продуценты витаминов В6 и В2. Их получение и применение
Содержание витамина В6 и В2 в основных продуктах и их метаболизм. Синтез пиродоксина через производных азида или нитрила никотиновой кислоты, пиродоксаля и пиридоксамина. Особенности недостатка рибофлавина в организме человека и его внешние проявления.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования Республики Беларусь
«ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет биологии и экологии
Продуценты витаминов В6 и В2. Их получение и применение
Микалаускас Юлия Васильевна
Витамины — группа низкомолекулярных органических веществ, которые в очень низких концентрациях оказывают сильное и разнообразное биологическое действие. В природе источником витаминов являются главным образом растения и микроорганизмы. Менахиноны и кобаламины синтезируются исключительно микроорганизмами. И хотя химический синтез в производстве большей части витаминов занимает ведущее положение, микробиологические методы также имеют большое практическое значение.
Микроорганизмы используются для производства витаминных концентратов (витамина В2, каротиноидов).
В мире существует 40 крупных промышленных производителей витаминов; 18 из них в США, 8 — в Японии, 14 — в Западной Европе. Ведущее место в производстве витаминов занимает швейцарский концерн Hoffman La Roche, выпускающий 50—70% всех витаминов.
Витамины представляют собой группу незаменимых органических соединений различной химической природы, необходимых любому организму в ничтожных концентрациях и выполняющих в нём каталитические и регуляторные функции. Недостаток того или иного витамина нарушает обмен веществ и нормальные процессы жизнедеятельности организма, приводя к развитию патологических состояний. Витамины не образуются у гетеротрофов. Способностью к синтезу витаминов обладают лишь автотрофы, в частности растения. Многие микроорганизмы также образуют целый ряд витаминов, поэтому синтез витаминов с помощью микроорганизмов стал основой для разработки технологий промышленного производства этих биологически активных соединений.
С помощью энзимов целесообразно производить особо сложные по строению витамины: В2, В12, провитамин А и предшественники витамина Д. остальные витамины либо выделяют из природных источников, либо синтезируют химическим путём. Витамины используются в качестве лечебных препаратов, для создания сбалансированных пищевых и кормовых рационов и для интенсификации биотехнологических процессов.
Витамин B 6, растворимые в воде соединения, которое было открыто в 1930-х во время питания исследования на крысах. В 1934 г. венгерский врач Пол Дьердь обнаружили вещество, которое удалось вылечить заболевание кожи у крыс (dermititis акродиния), это вещество он назвал витамин B 6. В 1938 году Lepkovsky изолированных витамина B 6 из рисовых отрубей. Харрис и Фолкерс в 1939 году была определена структура пиридоксина, и в 1945, Snell удалось показать, что Существуют две формы витамина В 6, пиридоксаль и ПАМ. Витамин B6 был назван пиридоксина определить ее структурные гомологии с пиридином. Все три формы витамина B6 являются предшественниками активированного соединение, так называемый пиридоксаль 5-фосфат (ПЛП), который играет важную роль в качестве кофактора большого числа основных ферментов в человеческом организме.
Ферменты зависит от ПЛП внимание широкого круга химических реакций, главным образом с участием аминокислот. Реакций осуществляется PLP-зависимых ферментов, которые действуют на аминокислоты включать передачу аминогруппа, декарбоксилирования, рацемизации, а также бета-и гамма-элиминирования или замены. Такая универсальность обусловлена способность ПЛП в ковалентно связывать подложки, а затем выступить в качестве катализатора электрофильного, тем самым стабилизации различных типов carbanionic промежуточные реакции.
В целом, Комиссия по ферментам в каталог более чем 140 PLP-зависимых деятельности, что соответствует
4% всех классифицированных деятельности.
Витамин Вб — пиридоксин (адермин, фактор Y) — водорастворимый витамин, образуется в организме и входит в состав ферментов, участвующих в обмене аминокислот. Пиридоксин играет роль кофермента в превращениях многих аминокислот. Участвует в синтезе гемоглобина и белковом обмене.
Недостаток витамина В6 приводит к нарушению обмена железа, развитию анемии, возникновению дистрофических изменений в клетках различных органов, выраженных нарушениями со стороны ЦНС (раздражительностью, сонливостью). Недостаток витамина В6 у детей может вызывать развитие гипохромной анемии.
Активностью витамина В6 обладает группа соединений, производных пиридина (пиридоксин — пиридоксол, пиридоксаль и пиридоксамин), объединяемых общим названием «пиридоксин». B пищевых продуктах наиболее распространены пиридоксаль и пиридоксамин.
Пиридоксин хорошо растворим в воде, спирте, нерастворим в эфире, жировых растворителях. Пиридоксин быстро разрушается под воздействием света, однако устойчив к действию кислорода и высоких температур.
Витамины (от лат. vita — жизнь), группа органических соединений разнообразной химической природы, необходимых для питания человека, животных и других организмов в ничтожных количествах по сравнению с основными питательными веществами (белками, жирами, углеводами и солями), но имеющих огромное значение для нормального обмена веществ и жизнедеятельности.
Вещества группы витамина В6 по своей химической природе являются производными пиридина. Одно из них — пиридоксол (2-метил-3окси-4,5-диоксиметилпиридил) — белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде и спирте. Пиридоксол устойчив по отношению к кислотам и щелочам (например, 5 н.коцетрации), но легко разрушается под влиянием света при pH=6,8.
Активностью витамина В6 обладает группа соединений, производных пиридина (пиридоксин (пиридоксол), пиридоксаль и пиридоксамин), объединяемых общим названием «пиридоксин».
В тканях все три формы витамина активно превращаются в кофермент — пиридоксальфосфат (ПФ), необходимый для продукции энергии из аминокислот и поэтому рассматривается как энергореализующий витамин.
Витамин В 6 играет важную роль в обмене веществ, необходим для нормального функционирования центральной и периферической нервной системы, участвует в синтезе нейромедиаторов. В фосфорилированной форме обеспечивает в процессы декарбоксилирования, переаминирования, дезаминирования аминокислот, участвует в синтезе белка, ферментов, гемоглобина, простагландинов, обмене серотонина, катехоламинов, глутаминовой кислоты, ГАМК, гистамина, улучшает использование ненасыщеных жирных кислот, снижает уровень холестерина и липидов в крови, улучшает сократимость миокарда, способствует превращению фолиевой кислоты в ее активную форму, стимулирует гемопоэз.
Витамин В6 нужен для нормального метаболизма белков и необходимых жирных кислот, для использования животного крахмала (гликогена), для синтеза химических интермедиатов мозга и гемоглобина красных кровяных клеток.
Витамин В6 обеспечивает нормальное функционирование более чем 60 различных ферментативных систем. Одна из таких систем занимается превращением пищевого триптофана (важной аминокислоты) в никотиновую кислоту.
При атеросклерозе витамин В 6 улучшает липидный обмен.
Витамин В6 поступает в организм с пищей всасывается в тонком кишечнике методом простой диффузии. С током крови он транспортируется к тканям и достаточно легко проникает внутрь клеток.
В клетке он фосфорилируется при помощи пиридоксалькиназы, превращаясь в коферменты — пиридоксаль-5-фосфат и пиридоксаминфосфат. Фосфорилирование происходит в печени. Указанные вещества являются биологически активными формами витамина B 6. Известно, что для синтеза этих В6б-зависимых, коферментов в организме человека в свою очередь необходимы флавиновые (В2-зависимые) ферменты.
В дальнейшем в организме человека происходит окисление и образуется 4-пиридоксиловая кислота, которая выводится из организма с мочой.
Витамин B6 является коферментом ферментов аминокислотного обмена, обеспечивающих реакции переаминирования, дезаминирования и декарбоксилирования. В составе аминотрансфераз, катализирующих переаминирование, он участвует в синтезе заменимых аминокислот; в составе декарбоксилаз, отцепляющих карбоксильные группы от аминокислот, участвует в образовании биогенных аминов (серотонина, гистамина, тирамина, триптамина и др.).
При дефиците витамина B6 в первую очередь нарушается белковый обмен и наблюдается отрицательный азотистый баланс, гипераминоацидемия, аминацидурия и оксалурия, обусловленная нарушением обмена глиоксалевой кислоты.
При декарбоксилировании глутаминовой кислоты образуется г-аминомасляная кислота, являющаяся медиатором торможения в ЦНС, вот почему пиридоксин — единственный витамин, при дефиците которого наблюдаются эпилептиформные судороги. Глутаматдекарбоксилаза необходима также для утилизации триптофана и синтеза серотонина, при нарушении обмена которых образуются метаболиты типа ксантуреновой кислоты, которая препятствует инсулиногенезу, что может быть причиной гипергликемии.
С участием пиридоксинзависимых ферментов происходит синтез ниацина и серотонина из триптофана, а также разрушение избытка гомоцистеина.
Наряду с участием в обмене аминокислот пиридоксальфосфат нужен для построения фосфорилазы, катализирующей расщепление гликогена до глюкозо-1-фосфата, для синтеза предшественника гема g-аминолевулиновой кислоты, а также для превращения линолевой кислоты в арахидоновую. Таким образом, пиридоксин необходим для углеводного, жирового обменов и синтеза гемоглобина.
Витамину B 6 присуща липотропная активность, так как он участвует в обмене метионина.
Поскольку витамин B 6 широко распространен в продуктах питания, то чисто диетический дефицит его практически невозможен.
Гиповитаминоз может развиться вследствие ряда причин, в частности при мальабсорбции, усилении распада при алкоголизме, стрессе, лихорадке, гипертиреозе и других состояниях, протекающих с ускорением катаболизма белка.
Табак ухудшает всасывание пиридоксина, поэтому курильщики нуждаются в дополнительном приеме витамина В 6.
Гиповитаминоз В6 может быть обусловлен наследственными заболеваниями: гомоцистинурия, цистатионинурия, ксантуренурия (синдром Кнаппа-Комровера), пиридоксинзависимый судорожный синдром и пиридоксинзависимая анемия.
Недостаточность пиридоксина развивается при использовании лекарств, обладающих антагонистическими свойствами к нему (изониазид, фтивазид, тубазид, циклосерин пеницилламин, хлорамфеникол, этионамид, иммунодепрессаниты, L-ДОФА и эстрогены).
Гиповитаминоз В 6 выражается следующими симптомами:
Поражение кожи и слизистых оболочек — заеды, хейлоз, глоссит, себорейный дерматит лица и волосистой части головы. Дерматит может протекать с отеками.
Поражение ЦНС — раздражительность, бессонница или сонливость, эпилептиморфные судороги, депрессия, периферические полиневриты.
Микроцитарная гипохромная анемия.
Лейкопения, которая развивается вследствие нарушения переаминирования и, следовательно, синтеза белка в быстро пролиферирующих тканях.
Возможные отдаленные последствия дефицита витамина В6:
Недостаток пиридоксина ведет к снижению такого показателя функционирования иммунной системы, как количество Т-лимфоцитов.
В ряде исследований пиридоксин показал свою эффективность при депрессиях: он положительно влияет на выработку норэпинефрина и серотонина.
В дерматологии витамин В6 применяют при следующих заболеваниях: себорееподобные и несеборейные дерматиты, опоясывающий лишай, нейродерматиты, псориаз, экссудативные диатезы.
При употреблении сверхвысоких доз синтетического пиридоксина от 2 г/сут — развивается острый гипервитаминоз В6 : сенсорная нейропатия с онемением кожи, особенно вокруг рта, конечностей, нарушением координации и вибрационной чувствительности.
Многочисленные сообщения утверждают, что дозы и 200, и 2000, и 5000 мг могут вызвать онемение и ощущение покалывания нервов рук и ног, а также потерю чувствительности в этих же областях. Те же симптомы наблюдались и при гораздо меньших дозах (в интервале 200-300 мг в день). Следует предостеречь от приема витамина В 6 в дозах, превышающих 50 мг в день, без тщательного медицинского наблюдения.
Для взрослых мужчин суточная потребность в витамине В6 составляет 2,0 мг, для женщин — 1,8 мг (увеличиваются до 2,1-2,2 мг при лактации и беременности) При этом должно соблюдаться соотношение 0,032 мг витамина B 6 на 1 г потребляемого белка. Адекватный уровень потребления при диетическом питании — 1 мг, безопасности — 6 мг.
Потребность в витамине В6 возрастает при увеличении количества белка в пище, и поэтому рекомендуемая норма потребления для этого витамина базируются на дневном потреблении белка. Предлагается 0.02 мг витамина на грамм полученного белка; таким образом, например, при потреблении 100 г белка в день, необходимо 2 мг витамина В6.
Советуют увеличить потребление витамина В6 минимум до 2.5 мг в день во время беременности и при лактации.
Некоторые авторы при различных заболеваниях назначают в день до 600 мг витамина В6 (в 300 раз больше, чем суточная потребность) без всяких отрицательных последствий, однако большинство врачей рекомендует не превышать дозу 50 мг в день.
Основные пищевые источники витамина В6 :печень (0,50-0,70), кура (0,52), почки (0,50), мясо (0,42-0,50). Растительные продукты: фасоль (0,90), соя (0,85), хрен (0,70), чеснок (0,60), дрожжи (0,58), мука пшеничная обойная (0,55), рис (0,54), крупа ячневая (0,54), пшено (0,52), перец красный сладкий (0,50), гранат (0,50), кукуруза (0,48), греча ядрица (0,40), картофель (0,30).
Витамин В6 фоточувствителен, теряется при консервировании, устойчив к тепловой обработке, но в щелочной среде может разрушаться на 20-35%.
Приготовление пищи может привести к значительным потерям витамина В6: от 15 до 70% теряется при замораживании фруктов и овощей, от 50 до 70% при приготовлении мяса и от 50 до 90% при помоле зерна.
Содержание витамина В6 в основных пищевых продуктах
К препаратам, содержащим витамин B6(пиридоксин), относят: Пиридоксина гидрохлорид, Ангиовит, Магне B6.
К комплексным биологически активным добавкам (БАД), содержащим в своём составе витамин B6, относят: Дрожжи пивные (Автолизат).
Прием алкоголя увеличивает потребность в дополнительном поступлении витамина В6, поскольку алкоголь увеличивает скорость его разрушения, уменьшая запасы этого необходимого кофермента в организме. Изониазид, препарат, используемый при лечении туберкулеза, связывает витамин и инактивирует его.
Пеницилламин, препарат используемый при лечении ревматоидного артрита, также связывает и инактивирует этот витамин.
Курение снижает уровень витамина В6 в организме.
Некоторые исследования показали, что женщины, принимающие оральные контрацептивы, имеют более низкий уровень витамина.
Препараты для лечения болезни Паркинсона могут быть инактивированы витамином В6.
Основным показанием к определению концентрации витамина B6 в крови является выявление его дефицита. Подробнее: Определение витамина B6.
В 1939 г. структура витамина В6 как 2-метил-3-окси
4,5-дисоксиметилпиридина установлена одновременно в двух лабораториях. Исходя из наличия в молекуле витамина В6 пиридинового кольца и гидроксильных групп американские авторы предложили название «пиридоксин». Этот термин вытеснил более раннее наименование «адермин», предложенное немецкими исследователями, поскольку дерматиты у крыс не строго специфичны как проявление недостаточности витамина В6. После обнаружения альдегидного и аминного аналогов витамина В6 комитет по номенклатуре Американского института питания рекомендовал для них названия «пиридоксаль» и «пиридоксамин». Согласно опубликованным в 1970 г. рекомендациям Международной комиссии по номенклатуре биологической химии, все производные 3-оксипиридина с витаминной активностью имеют общее (родовое) название «витамин В6», а производное с ОН-группой в положения 4 пиридинового ядра называют «пиридоксин» или «пиридоксол». Snell (1944) обнаружил в моче животных биологически активный продукт превращения пиридоксина, названный им псевдопиридоксином. Установлено, что для некоторых молочнокислых бактерий псевдопиридоксин обладает активностью ростового фактора, в несколько тысяч раз большей по сравнению с пиридоксином. В то же время по отношению к дрожжам и крысам с В6-авитаминозом (по активности) псевдопиридоксин аналогичен пиридоксину. Природа псевдопиридоксина выяснена в дальнейших исследованиях, показавших, что этот продукт представляет собой смесь двух производных пиридоксина—пиридоксаля и пиридоксамина, имеющих в положении 4 альдегидную или, соответственно, аминную группу. Структура пиридоксаля и пиридоксамина точно установлена в 1944 г. Пиридоксаль обладает повышенной активностью для Lactobacillus casei, a пиридоксамин — в отношении Streptococcus faecalis. При обработке пиридоксина окислителями (например, перманганатом калия) в мягких условиях происходит образование пиридоксаля. Накопление пиридоксамина наблюдалось при автоклавировании пиридоксина с аммиаком, аминокислотами. Установлено, что при нагревании с глютаминовой кислотой и другими аминокислотами пиридоксаль превращается в пиридоксамин, а последний переходит в пиридоксаль при нагревании с кетокислотами (например, с альфа-кетоглютаровой). В основе процессов взаимопревращения пиридоксаля и пиридоксамина лежит реакция неферментативного переноса NН2-группы — переаминирования. Аналогичные превращения пиридоксаль пиридоксамин осуществляются в организме ферментативным путем. Подробно превращения пиридоксина изложены ниже.
Как показали результаты дальнейших исследований, основной метаболически активной формой витамина В6 является фосфорный эфир пиридоксаля — пиридоксаль-5-фосфат. Ограниченной биологической активностью обладает пиридоксамин-5-фосфат, принимающий участие только в реакциях переаминирования. Структура пиридоксальфосфата и пиридоксаминфосфата окончательно установлена лишь в 1952 г., хотя коферментные функции этих производных витамина В6 в превращениях аминокислот доказаны значительно раньше.
Витамин B6 (пиридоксин, X, а) синтезируют, конденсируя метоксиацетил-ацетон с циануксусным эфиром в присутствии аммиака в 2-метил-4-метоксиметил-5-циан-6-оксипиридин, который подвергают нитрованию, затем рядом операций превращают в пиридоксин. Известен также и другой способ получения пиридоксина — через 4-метил-5-пропоксиоксазол диеновым синтезом с формалем бутен-2-диола-1,4. Другими формами B6 являются пиридоксол (X, б) и пиридоксамин (X, в)
Huff и соавт. (1944) впервые обнаружили в моче крыс флюоресцирующее вещество, имеющее отношение к уровню потребления витамина В6. Это соединение, получившее название 4-пиридоксиловой кислоты, выделено из мочи животных и идентифицировано как метаболит витамина В6. Хотя пиридоксиловая кислота — конечный продукт обмена всех форм витамина В6, непосредственным предшественником ее в организме является только пиридоксаль. Вследствие этого образованию пиридоксиловой кислоты из других форм витамина B6 должно предшествовать превращение их в пиридоксаль. В моче животных и человека пиридоксиловая кислота выделяется преимущественно в форме лактона. 4- Пиридоксиловая кислота не стимулирует рост микроорганизмов, но 4-пиридоксолактон у некоторых микроорганизмов обладает незначительной биологической активностью.
Со времени открытия витамина В6 синтезированы многочисленные аналоги различных форм витамина и исследована их биологическая активность. При изучении антидерматитного действия ряда аналогов пиридоксина на крысах установлено, что 4,5-диацетил- и 3,4,5-триацетил пиридоксин по биологической активности не уступают пиридоксину, в то время как 3-и 4-метиловые эфиры пиридоксина в опытах на крысах имели только 10% его активности. При замещении 4-оксигруппы пиридоксина атомом водорода получено производное — 3-окси-5-оксиметил-2,4-диметилпиридин, известный как 4-дезоксипиридоксин. Этот аналог и 4-метоксипиридоксин являются антагонистами витамина В6. При введении их различным животным и человеку наблюдаются симптомы В6-витаминной недостаточности, исчезающие после введения пиридоксина.
Среди известных аналогов витамина В6 одним из наиболее сильных антивитаминов является 2-этил-3-амино-4-этоксиметил-5-аминометилпиридин. Аналогами витамина В6, обладающими антивитаминными свойствами, являются также изоникотинилгидразид и токсопиримидин. Большинство аналогов являются конкурентными ингибиторами, но некоторые обладают также свойствами каталитически активных заменителей пиридоксальфосфата.
Рибофлавин; лактофлавин; витамин B2; E101