Витамин к биосинтезу белка

Ввиду особой значимости биосинтеза белков и нуклеиновых кислот для роста и развития организма остановимся на участии витаминов в этих важнейших реакциях анаболизма.

Исключительная роль биосинтеза белков в жизнедеятельности организма определяется прежде всего особенностью их обмена — способностью белков к непрерывному самообновлению. Исследования показали, что в организме человека в состоянии покоя ежесуточно обновляется около 30 г белка. Особенно интенсивно идут процессы обновления белков тканей печени, где в течение пяти-шести дней заменяется половина белков, некоторые из них имеют период полураспада, измеряемый часами. Велико также самообновление белков клеток крови: в течение 1 с погибает 300 тыс. клеток красной крови эритроцитов и распадается около 1 млрд молекул гемоглобина. Такое же количество эритроцитов и гемоглобина за это время вновь синтезируется. Более интенсивно эти процессы протекают в детском возрасте и, естественно, постепенно замедляются по мере старения организма.

Давно известно, что недостаточность ряда витаминов приводит к нарушению белкового синтеза. Это проявляется в замедлении процессов роста, развития, кроветворения, формирования защитных реакций организма. Для ряда витаминов (В₆, В₁₂, В_с) специфическими проявлениями недостаточности являются нарушения синтеза гемоглобина.

В процессах биосинтеза белков и нуклеиновых кислот принимает участие ДНК, локализованная в хромосомном аппарате ядра и являющаяся носителем информации о структуре синтезируемого белка. От ДНК информация передается посредством транскрипции и трансляции на матричную РНК (мРНК). Заключительным этапом является «сборка» белка на рибосомах. Роль витаминов в этих процессах разнообразна. Во-первых, они обеспечивают биосинтез нуклеотидов, составляющих ДНК и РНК. При этом в образовании пуриновых нуклеотидов (адениновых и гуаниновых) принимают участие витамины В_1, РР, фолевая кислота и В₁₂. Для синтеза пиримидиновых нуклеотидов (уридиновых, цитозиновых и тиминовых) предшественником служит витаминоподобное вещество — оротовая кислота.

Жирорастворимые витамины А, В, Е, К регулируют работу генов, ответственных за синтез определенных белков, стимулируя на этом уровне синтез белков, участвующих в процессах транспорта, свертываемости крови, мышечного сокращения и т. д.

Мононуклеотидтрифосфаты (АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ и ТТФ) — исходный материал биосинтеза ДНК и различных форм РНК. В процессах модификации молекулы мРНК используется реакция метилирования с участием коферментных витаминов В₁₂, фолиевой кислоты, В₁₅ и аденозилметионина. В образовании дезоксирибонуклеотидов — превращении рибозы в дезоксирибозу — используются коферментные формы витаминов РР и В₂, а на заключительном этапе «сборки» молекулы белка на рибосоме принимают участие аминокислоты, мРНК тРНК, АТФ (ГТФ), ферменты синтеза, их белковые активаторы.

В формировании необходимого для окончательного построения молекулы белка пула аминокислот большое значение имеют витамины, в частности В₆, катализирующий реакции синтеза заменимых аминокислот из продуктов углеводного и липидного обмена, аскорбиновая кислота, способствующая превращению аминокислот пролина и лизина в их гидроксипроизводные, которые необходимы для синтеза эластина и коллагена. Наконец, многие процессы биосинтеза энерго-зависимы. Доказано, что на образование одной пептидной связи необходимо четыре молекулы АТФ (или ГТФ). Таким образом, витамины — участники процессов катаболизма, энергообразования, также связаны с анаболическими процессами биосинтеза белка, обеспечивая их энергией.

Итак, мы смогли убедиться в том, что витамины жизненно необходимы для человека. Казалось бы, легко решить проблему обеспечения ими населения, ведь промышленный выпуск различных витаминных препаратов осуществляется во всех развитых странах мира. Но и сейчас в мире есть регионы, где болеют бери-бери, пеллагрой, спорадически встречаются, по данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), случаи цинги, другие проявления глубокой витаминной недостаточности. В нашей стране в основном ликвидированы авитаминозы, однако довольно часто встречаются проявления витаминной недостаточности.

источник

СИНТЕЗ ВИТАМИНОВ

СИНТЕЗ ВИТАМИНОВ МИКРООРГАНИЗМАМИ-ПРОБИОТИКАМИ

КОРОТКО О ВИТАМИНАХ

Витамины — это группа низкомолекулярных органических соединений относительно простого строения и разнообразной химической природы, объединённая по признаку абсолютной необходимости данных веществ для гетеротрофного (неспособного к их синтезу, но в них нуждающегося) организма в качестве составной части пищи. Витамины (от латинского vita — «жизнь»), в отличие от аминокислот, белков или липидов, сложно назвать даже классом органических веществ, т.к. у соединений этой группы практически невозможно найти общие химические свойства. Витамины содержатся в пище (или в окружающей среде) в очень малых количествах, и поэтому относятся к микронутриентам .

Витамины — «амины жизни»: это название придумал польский биохимик Казимир Функ, выделив вещество, предотвращающее болезнь бери-бери, и выяснив, что оно обладает свойствами амина ( АМИНЫ – это органические соединения , являющиеся производными аммиака , в молекуле которого (NH₃) один, два или три атома водорода замещены на углеводородные радикалы . Являясь производными аммиака, амины имеют сходное с ним строение и проявляют подобные свойства). Однако позже выяснилось, что аминогруппа есть не у всех (!) витаминов. Витамины – это такие органические вещества, которые, во-первых, не являются источниками энергии или строительного материала, во-вторых, тем не менее необходимы для нормальной работы организма и, в-третьих, в организме не синтезируются совсем или синтезируются в недостаточном количестве. А необходимы они потому, что входят в состав ферментов или коферментов (молекул-помощников).

Витамины входят в пятерку обязательных групп факторов клеточного питания. Они являются слабым местом огромной сети реакций метаболизма (обмена веществ) в организме человека. Отсутствие какого либо витамина разрывает всего несколько ниточек, но, как известно, маленькие прорехи имеют тенденцию расползаться в огромные дыры. В общем, подобная ситуация описана в старой английской песенке: «Не было гвоздя — подкова пропала, не было подковы — лошадь захромала, лошадь захромала — командир убит…». Остановилась реакция — начал накапливаться субстрат, в определенных дозах, как правило, вредный для клетки организма; возникла нехватка продукта, а также продуктов всех последующих реакций ветвящейся сети.

Отметим, что «продукт» многих витамин-зависимых реакций — это энергия, полученная окислением жиров и углеводов и запасённая в виде АТФ (прим.: Аденозинтрифосфат — это нуклеотид , играющий наиважнейшую роль в обмене энергии и веществ в организмах; в первую очередь соединение известно как универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах). Значит, не будет витаминов — пища не будет питать клетки. И всё это происходит не в единственной (!) клетке, а во всём организме, и каждый орган, каждая ткань реагирует на неполадку по-своему…

ОБЯЗАТЕЛЬНЫЕ ФАКТОРЫ КЛЕТОЧНОГО ПИТАНИЯ ОРГАНИЗМА

На рисунке обозначены пятерка групп обязательных факторов питания клеток человеческого организма: 20 аминокислот, 15 минералов, 12 витаминов, 7 ферментов и 3 вида незаменимых жирных кислот:

Хочется спросить: как же эволюция допустила такую ошибку? Почему, коль скоро витамины так важны, они не синтезируются в организме в достаточном количестве? Обзавёлся бы человек ещё десятком ферментов — мог бы питаться одной кашей, одной картошкой, одним мясом без овощей или питательным коктейлем простого состава… Но в том-то и дело, что почти на всём протяжении истории вида наша всеядность исправно обеспечивала приток этих веществ. Их синтезировали другие организмы, располагавшие нужными ферментами, — растения и животные, которые затем попадали в желудки к нашим предкам. Потому-то, наверное, ферменты и приспособились использовать молекулы, поступающие с пищей, для того, чтобы эффективней проводить реакции. И только когда в рационе начинает чего-то не хватать, выясняется, как сильно это что-то нам нужно…

В настоящее время известно 13 витаминов — 9 водорастворимых и 4 жирорастворимых

Жирорастворимые витамины (A, D, Е, К) имеют особенность давать серьёзные осложнения, если их принимать в больших дозах.

Водорастворимые витамины (витамины С, Р и витамины группы В) выводятся из организма с мочой, если их доза избыточна, а с жирорастворимыми этот фокус не проходит. Известны случаи, когда полярники умирали от гипервитаминоза А, съев печень белого медведя. Дело в том, что печёнки позвоночных животных в холодных арктических районах накапливают особенно много этого витамина.

СИНТЕЗ ВИТАМИНОВ БАКТЕРИЯМИ ПРОБИОТИКАМИ

Витамины в народном хозяйстве синтезируют в основном химическим путем или получают из естественных источников. Однако эргостерин, рибофлавин (В2), витамин В12 и аскорбиновую кислоту (используются как селективные окислители сорбита в сорбозу) получают микробиологическим путем. Следует подчеркнуть, что ферментирование молока или иной пищевой среды пробиотическими культурами позволяет качественно обогатить продукты витаминами, по отношению к которым их бактерии-продуценты являются автотрофными микроорганизмами.

См. подробнее:

Микроорганизмы (бактерии) содержат достаточно много витаминов, которые чаще всего входят в состав их ферментов. Состав и количество витаминов в микробной биомассе зависят от биологических свойств культуры микроорганизмов и условий культивирования (изменяя условия питательной среды, содержание отдельных витаминов можно увеличить). Некоторые витамины микроорганизмы могут синтезировать, другие напротив могут только усваивать в готовом виде из окружающей среды. Культура, способная синтезировать какой-либо витамин, называется автотрофной по отношению к нему, если культура не способна синтезировать витамин, обязательно необходимый для свей жизнедеятельности (роста клеток), то она является гетеротрофной (или авто-гетеротрофной), а соответствующий витамин относится к группе ростовых веществ, т.е. является обязательным фактором роста для данных микроорганизмов (Прим.: именно эти свойства микроорганизмов были учтены при создании инновационных бактериальных пробиотических заквасок для производства максимально витаминизированных кисломолочных биопродуктов).

Бифидобактерии и Пропионовокислые бактерии способны синтезировать достаточное количество важных для организма человека витаминов, т.е. эти микроорганизмы по отношению к указанным витаминам являются автотрофными бактериями. Новые пробиотические закваски рассматриваются как самые эффективные обогатители пищевой продукции витаминами группы В, т.к. п оследние исследования врачей и микробиологов подтвердили, что наиболее эффективно использование витаминов в коферментной (связанной с белком микробной клетки) легкоусвояемой форме. Поэтому важную роль в профилактике и лечении вышеперечисленных заболеваний могут играть кисломолочные продукты, содержащие бифидо- и пропионовокислые бактерии — продуценты витаминов группы В.

КАКИЕ ВИТАМИНЫ СИНТЕЗИРУЮТ ПРОБИОТИЧЕСКИЕ МИКРООРГАНИЗМЫ

Пропионовокислые бактерии

Отталкиваясь от данных, полученных из многочисленных исследований рассматриваемые культуры являются продуцентами витаминов группы B. Причем пропионовокислые бактерии (ПКБ) синтезируют витамины В1 (тиамин), В2 (рибофлавин) , никотиновую кислоту (витамин РР, ниацин, витамин В3) , В6 (пиридоксин), фолиевую кислоту (витамин В9), а также выделяются большим (!) синтезом витамина В12 (цианокобаламина).

Бифидобактерии

Бифидобактерии синтезируют витамин К , способствуют усвоению витамина D, д остаточно активно продуцируют витамины В1, В2, В6, в т.ч. пантотеновую кислоту (витамин В5), никотиновую кислоту (витамин РР, ниацин, витамин В3), биотин ( витамин Н, кофермент R, витамин В7 ), а также фолиевую кислоту (витамин В9).

Подчеркнем, что ПКБ используются в промышленном синтезе витамина В12 для фармацевтической отрасли. Уникальная способность указанных бактерий к витаминному синтезу, позволила рассматривать пробиотические продукты на основе бифидо- и пропионовокислых бактерий, как эффективные средства для профилактики гиповитаминозов, являющихся одними из самых распространенных видов алиментарных заболеваний .

В связи с тем, что о витаминах в интернете имеется достаточно много информации, приведем только общую характеристику и краткое описание свойств витаминов группы B, и опишем отдельно свойства некоторых из них: цианокобаламина (В12) , фолиевой кислоты (В9) , тиамина (В1) .

ВИТАМИНЫ ГРУППЫ В

Все витамины группы В обеспечивают нормальное функционирование нервной системы и отвечают за энергетический обмен. Деятельность иммунной системы, эффективность роста и размножения клеток тоже во многом зависят от этого комплекса. Современным людям, имеющим дело с умственными и эмоциональными нагрузками, стрессами, хроническими болезнями, витамины группы В нужны в больших количествах.

Витамины группы В были поэтапно открыты на протяжении первой половины прошлого века. При этом часто их «открывали» несколько раз под разными названиями, поэтому до сих пор существует некоторая путаница в их названиях. Со временем ученые установили точное строение каждого витамина из группы В и в результате стало ясно, что некоторые из веществ, названных витаминами, таковыми не являются. Например, витамин В11 полностью совпадает по формуле с аминокислотой L-карнитииом.

Сегодня официально признается наличие семи (!) витаминов группы В:

Это витамин В₁ (тиамин), витамин В₂ (рибофлавин), витамин В₃ (РР или никотиновая кислота), витамин В₅ (пантотенова кислота), витамин В₆ (пиридоксин), витамин В₉ (фолиевая кислота), витамин В₁₂.

Все витамины группы В активно участвуют в качестве коферментов в клеточном обмене веществ. Они способствуют активизации работы клеток головного мозга (нейронов), улучшению передачи нервных импульсов как внутри головного мозга, так и по периферической нервной системе. Каждый из витаминов группы В имеет свою «специализацию» и поэтому является жизненно необходимым витамином для организма человека.

! Витамин В1 (тиамин) влияет на нервную систему и умственные способности. Поэтому при его нехватке резко ухудшается память, путаются мысли (тиамин участвует в снабжении мозга глюкозой). Мы не должны испытывать недостатка в этом витамине, поскольку он легко усваивается и быстро попадает в кровь. Плюс, он есть во многих продуктах: злаках, рисе, бобовых. Однако надо учесть, что тиамин находится в основном в шелухе зерновых, поэтому в обработанной крупе его намного меньше. Кстати, по некоторым данным витамин В1 уменьшает зубную боль после стоматологических операций.

! Витамин В2 (рибофлавин) участвует в работе любой клетки организма, во всех обменных процессах. Важен для зрения, нормального состояния кожи и слизистых оболочек, для синтеза гемоглобина. При его нехватке занятия спортом принесут скорее усталость, чем бодрость, поскольку усилия не будут «превращаться в мышцы». Витамин В2 чувствителен к воздействию света. Чрез 3 часа на свету в продукте разрушится 70% рибофлавина. Поэтому, например, молочные продукты выпускают в непрозрачных пакетах. Зато витамин В2 хорошо переносит высокие температуры. Основные его источники: мясо, молоко, печень и орехи. Витамин В2 имеет желтый цвет и используется в пищевой промышленности (краситель Е101).

! Витамин ВЗ (витамин РР, ниацин ) участвует в биосинтезе гормонов (эстрогенов, прогестерона, кортизона, тестостерона, инсулина и других). Плюс витамин ВЗ участвует в синтезе белков и жиров.

Ниацин очень важен не только для физического, но и для нервного здоровья, а если вспомнить, что изначально витамин ВЗ считали лекарством от пеллагры, признаками которой являются гнойники, то становится понятно, что он необходим и для здоровой кожи.

Витамин В4 ( холин) улучшает память, способствует транспорту и обмену жиров в печени. Под его воздействием улучшается обмен веществ в нервной ткани, предотвращается образование желчных камней, нормализуется обмен жиров. В большом количестве содержится в яйцах и субпродуктах.

! Витамин В5 (пантотеновая кислота) хоть и содержится почти во всех продуктах, однако дефицит его все же возможен: в замороженных продуктах витамина В5 меньше уже на треть, половина ниацина теряется при термической обработке. Заметить его нехватку просто: если часто затекают руки и ноги, в пальцах возникает ощущение покалывания, необходимо принимать витамин дополнительно. Большое количество пантотеновой кислоты требуется мозгу, поскольку без этого витамина до него не будут доходить сигналы от органов чувств. В5 также учасвует в синтезе кофермента А, который снабжает клетки организма энергией, помогает «сжигать жир» и снижает уровень холестерина.

Витамин В5 защищает слизистые оболочки от инфекций, помогает при регенерации слизистых, отвечает за расщепление жиров, поэтому его нехватка приводит к увеличению массы тела. Провитамин В5, пантенол — единственный из витаминов хорошо всасывается при нанесении на кожу. Поэтому он используется в лекарствах от ожогов и в косметике.

! Витамин В6 (пиридоксин) — группа родственных веществ: пиридоксаль, пиридоксамин. Они содержатся во всех белковых продуктах. Участвуют в синтезе нейромедиаторов, к которым относится и «гормон счастья» серотонии — вещество, отвечающее за хорошее настроение, аппетит и крепкий сон.

Также В6 способствует образованию красных кровяных телец и гликогена. Вытяните руку ладонью вверх, затем постарайтесь согнуть два концевых сустава на четырех пальцах (ладонь не следует сжимать в кулак) до тех пор, пока кончики пальцев не коснутся ладони. Если это удастся с трудом, то у вас недостаток В6.

Витамин В7 (биотин, витамин Н) — «витамин красоты», как и другие витамины группы В, биотин активно участвует в важнейшем для поддержания жизни процессе превращения углеводов в глюкозу, которую организм в дальнейшем использует в качестве источника энергии. Также биотин необходим для нормального метаболизма жирных кислот, поддержания здоровья кожи, волос и ногтей, с его участием протекают некоторые процессы, важные для работы органов зрения, печени и поче к.

Витамин В8 (инозитол) уменьшает накопление жира в печени, восстанавливает структуру нервной ткани, работает как антиоксидант и антидепрессант, нормализует сон, оздоравливает кожу. Вырабатывается самим организмом, в продуктах питания не содержится.

! Витамин В9 (фолиевая кислота, фолиацин, витамин М) способствует образованию нуклеиновых кислот и клеточному делению, образованию эритроцитов, развитию плода. Без фолиевой кислоты не будут нормально производиться аминокислоты, из которых затем синтезируются белки, ДНК. Поэтому в первую очередь фолиевая кислота нужна беременным и плоду для правильного развития ребенка и восстановления организма матери. Многие лекарства (например, аспирин) — враги В9, около 50% фолиевой кислоты теряется при длительном хранении и при кулинарной обработке. При нехватке витамина В9 развивается анемия и серьезный упадок сил. У детей замедляются рост и развитие. Кроме того, фолиевая кислота необходима кишечнику для защиты от пищевых отравлений и паразитов. А в комплексе с витамином В5 она замедляет появление седины.

Витамин В10 ( парааминобензойная кислота ) активизирует кишечную флору, участвует в процессе усвоения белка и в производстве красных кровяных телец. Важна для здоровья кожи. Содержится в пивных дрожжах, молоке, яйцах, картофеле.

Витамин В11 ( левокарнитин ) стимулирует энергетический обмен, повышает защитные силы организма, необходим при больших физических нагрузках. Улучшает деятельность наиболее энергозатратных систем — мозга, сердца, мышц, почек. Содержится в пророщенной пшенице, дрожжах, молочных продуктах, мясе, рыбе.

! Витамин В12 (кобаламин, цианокобаламин) нельзя обнаружить ни в одном продукте растительного происхождения: ни растения, ни животные его не синтезируют. Витамин В12 вырабатывается микроорганизмами, в основном бактериями, сине-зелеными водорослями, актиномицетами и накапливается в основном в печени и почках животных. Поэтому у вегетарианцев всегда наблюдается дефицит этого витамина. В12 защищает от разрушения нервные волокна. Его нехватка вызывает депрессию, спутанность сознания, склероз. Без витамина В12 нарушается кроветворение, это приводит к внезапным кровотечениям из носа, тошноте, анемии. Дефицит витамина В12 проявляется в мышечной усталости и очень быстрой утомляемости.

Как определить дефицит витаминов группы В

Чтобы определить дефицит витаминов группы В, стоит в первую очередь обратить внимание на состояние нервной системы.

Несмотря на то, что витамины группы В принимают участие во всех процессах метаболизма, именно нервная система страдает первой. Проявления гиповитаминоза могут быть разными. Как правило, первые симтомы размыты и могут долго оставаться незамеченными человеком.

Это и повышенная утомляемость, слабость, хроническая усталость, снижение памяти и работоспособности. Но если на них не обратить внимания, то возникают и серьезные неврологические нарушения: покалывание и онемение пальцев рук и ног, страхи, нервозность, депрессия, нарушения сна.

В высоких дозах витамины группы В нужны женщинам в период беременности и лактации, при использовании гормональных контрацептивов, при острых соматических и инфекционных заболеваниях. А также людям с патологией желудочно-кишечного тракта, особенно при синдроме мальабсорбции, когда нарушено всасывание питательных веществ и витаминов.

Заболевания органов пищеварения влекут нарушение микрофлоры кишечника, что сказывается на синтезе и усвоении витаминов группы В.

Однако помните, что эти витамины плохо усваиваются при одновременном употреблении не только алкоголя, сахара, но и любых витаминов другой группы, антибиотиков, противотуберкулезного препарата изониазида, противосудорожных препаратов, а также сорбентов.

Гиповитаминоз В1

При незначительном недостатке витамина, замечаются функциональные нарушения центральной нервной системы — раздражительность, бессонница, нервная истощаемость, утомляемость, проявления невроза. Авитаминоз В5 имеет те же симптомы, как и при болезни бери-бери.

Бери-Бери (авитаминоз В1, алиментарный полиневрит) — болезнь связанное с недостатком в организме витаминов группы В, в частности В1 (тиамина). Главные расстройства при этом авитаминозе: полиневрит, отеки, нарушения сердечно-сосудистой системы.

В1-авитаминоз (бери-бери) формируется при длительном употреблении пищи с недостатком витаминов В. В прошлом, из-за питания исключительно полированным рисом, в страны Южной и Восточной Азии, очень часто встречалось недостаточность витаминов В. При алкоголизме, беременности, хронических и острых заболеваний тонкой кишки, возможны нарушения усваивания витаминов В.

Клиническая картина складывается из симптомов нарушения нервной системы (расстройства чувствительности, параличи стоп и кистей) и симптомов миокардиодистрофии, задержка натрия в организме и развитие отёков. Бери-Бери бывает двух форм: сердечная и полиневритическая формы. Болезнь по типу течения может быть острой и хронической, а по тяжести — легкой и злокачественной.

Лечение проводится в стационаре с помощью постельного режима и больших доз витамина В1 и других витаминов группы В. Положительный эффект имеет пища с большим количеством протеинов.

Своевременно начатое лечение ведёт, в основном, к благоприятному прогнозу. А если не лечить вовремя болезнь, прогноз может быть очень плохой, даже может возникнуть смерть от сердечной недостаточности.

Для избежания гиповитаминоза, рекомендуется сбалансированное питание, пища с высоким содержанием витаминов В, в частности В1 (хлеб, бобы, крупы), и витаминные препараты. Рекомендуются уколы растворов витамина В1 при нарушении поглощения витамина В1 в желудочно-кишечном тракте.

Гиповитаминоз В2

Начальными симптомами считаются трещины в углах рта, глоссит, хейлит, себорейный дерматит (на шее, лице, ушах). При тяжелых формах, заметно проявляются выпадение волос, мышечная слабость, поражения роговицы.

Гиповитаминоз В6

Хронические интоксикации, туберкулёз (из-за того что при лечении используется изониазид — антагонист витамина В6), а также неправильное питание могут послужить причинами гиповитаминоза В6. Длительная форма болезни встречается редко и проявляется дерматитом и акродинемией. Грудные дети при В6 недостаточности страдают поражениями нервной системы (чаще всего эпилептиформными припадками).

Гиповитаминоз В12

Из-за нехватки витамина В12 развиваются злокачественная макроцитарная мегалобластическая анемия, нарушения кроветворная функции, неврит, глоссит, гастрит. При характерной анемии гиповитаминоза В12 обязательно надо исключить инвазии гельминтами (они потребляют большое количество витамина В12). Похожая анемия обнаруживается при нехватки фолиевой кислоты.

Будьте здоровы!

ССЫЛКИ К РАЗДЕЛУ О ПРЕПАРАТАХ ПРОБИОТИКАХ

источник

155. Особенности биосинтеза и созревания коллагена. Проявления недостаточности витамина с.

Синтез и созревание коллагена — сложный многоэтапный процесс, начинающийся в клетке, а завершающийся в межклеточном матриксе. Синтез и созревание коллагена включают в себя целый ряд посттрансляционных изменений:

гидроксилирование пролина и лизина с образованием гидроксипролина (Hyp) и гидроксилизина (Hyl);

частичный протеолиз — отщепление «сигнального» пептида, а также N- и С-конце-вых пропептидов;

образование тройной спирали.

Синтез полипептидных цепей коллагена.Полипептидные цепи коллагена синтезируются на полирибосомах, связанных с мембранами ЭР, в виде более длинных, чем зрелые цепи, предшественников — препро-α-цепей. У этих предшественников имеется гидрофобный «сигнальный» пептид на N-конце, содержащий около 100 аминокислот. Основная функция сигнального пептида — ориентация синтеза пептидных цепей в полость ЭР. После выполнения этой функции сигнальный пептид сразу же отщепляется. Синтезированная молекула проколлагена содержит дополнительные участки — N- и С-концевые пропептиды, имеющие около 100 и 250 аминокислот, соответственно. В состав пропептидов входят остатки цистеина, которые образуют внутри- и межцепочечные (только в С-пептидах) S-S-связи. Концевые пропептиды не образуют тройную спираль, а формируют глобулярные домены. Отсутствие N- и С-концевых пептидов в структуре проколлагена нарушает правильное формирование тройной спирали.

Посттрансляционные модификации коллагена

Гидрокслирование пролина и лизина. Роль витамина С. Гидроксилирование пролина и лизина начинается в период трансляции коллагеновой мРНК на рибосомах и продолжается на растущей полипептидной цепи вплоть до её отделения от рибосом. После образования тройной спирали дальнейшее гидроксилирование пролиловых и лизиловых остатков прекращается. Реакции гидроксилирования катализируют ок-сигеназы, связанные с мембранами микросом. Пролиловые и лизиловые остатки в Y-положении пептида (Гли-х-у)_n подвергаются действию, соответственно, пролил-4-гидроксилазы и лизил-5-гидроксилазы. Пролил-3-гидроксилаза действует на некоторые остатки пролина в Х-положениях. Необходимыми компонентами этой реакции являются оскетоглутарат, О₂ и витамин С (аскорбиновая кислота). Донором атома кислорода, который присоединяется к С-4 пролина, является молекула О₂, второй атом О₂ включается в сукцинат, который образуется при декарбоксилировании α-кетоглутарата, а из карбоксильной группы а-кетоглутарата образуется СО₂. Гидроксилазы пролина и лизина содержат в активном центре атом железа Fe 2+ . Для сохранения атома железа в ферроформе необходим восстанавливающий агент. Роль этого агента выполняет кофермент гидроксилаз — аскорбиновая кислота, которая легко окисляется в дегидроаскорбиновую кислоту. Обратное превращение происходит в ферментативном процессе за счёт восстановленного глутатиона. Гидроксилирование пролина необходимо для стабилизации тройной спирали коллагена, ОН-группы гидроксипролина (Hyp) участвуют в образовании водородных связей. А гидроксилирование лизина очень важно для последующего образования ковалентных связей между молекулами коллагена при сборке коллагеновых фибрилл. При цинге — заболевании, вызванном недостатком витамина С, нарушается гидроксилирование остатков пролина и лизина. В результате этого образуются менее прочные и стабильные коллагеновые волокна, что приводит к большой хрупкости и ломкости кровеносных сосудов с развитием цинги. Клиническая картина цинги характеризуется возникновением множественных точечных кровоизлияний под кожу и слизистые оболочки, кровоточивостью дёсен, выпадением зубов, анемией.

Гликозилирование гидроксилизина. После завершения гидроксилирования при участии специфических гликозилтрансфераз в состав молекулы проколлагена вводятся углеводные группы. Чаще всего этими углеводами служат галактоза или дисахарид галактозилглюкоза. Они образуют ковалентную О-гликозидную связь с 5-ОН-группой гидроксилизина. Гликозилирование гидроксилизина происходит в коллагене, ещё не претерпевшем спирализации, и завершается после образования тройной спирали. Число углеводных единиц в молекуле коллагена зависит от вида ткани. Так, например, в коллагене сухожилий (тип I) это число равно 6, а в коллагене капсулы хрусталика (тип IV) — НО. Роль этих углеводных групп неясна; известно только, что при наследственном заболевании, причиной которого является дефицит лизилгидроксилазы (синдром Элерса — Данло-Русакова, тип VI), содержание гидроксилизина и углеводов в образующемся коллагене снижено; возможно, это является причиной ухудшения механических свойств кожи и связок у людей с этим заболеванием.

Образование проколлагена и его секреция в межклеточное пространство. После гидроксилирования и гликозилирования каждая про-α-цепь соединяется водородными связями с двумя другими про-α-цепями, образуя тройную спираль проколлагена. Эти процессы происходят ещё в просвете ЭР и начинаются после образования межцепочечных дисульфидных мостиков в области С-концевых пропептидов. Из ЭР молекулы проколлагена перемещаются в аппарат Гольджи, включаются в секреторные пузырьки и секретируются в межклеточное пространство.

Образование тропоколлагена. Болезни, связанные с нарушениями этого процесса. В межклеточном матриксе концевые пропептиды коллагенов I, II и III типов отщепляются специфическими проколлагенпептидазами, в результате чего образуются молекулы тропоколлагена, которые и являются структурной единицей коллагеновых фибрилл. При снижении активности этих ферментов (синдром Элерса — Данло — Русакова, тип VII) концевые пропептиды проколлагена не отщепляются, вследствие чего нарушается образование тропоколлагена и далее нарушается образование нормальных коллагеновых фибрилл. Нити коллагена видны под микроскопом в виде дезорганизованных пучков. Клинически это проявляется малым ростом, искривлением позвоночника, привычными вывихами суставов, высокой растяжимостью кожи. У коллагенов некоторых типов (IV, VIII, X) концевые пропептиды не отщепляются. Это связано с тем, что такие коллагены образуют не фибриллы, а сетеподобные структуры, в формировании которых важную роль играют концевые N- и С-пептиды.

источник

ВИТАМИНЫ

Биологическая роль витаминов определяется их каталитическим, некоферментным и антимутагенным действием. Многие витамины (практически все витамины группы В) входят в состав коферментов различных ферментов, например, витамин В₂ – в состав коферментов ФАД, ФМН, витамин В₅ – в состав НАД и НАДФ, витамин В₃ – в состав КоА и т. д.

Некоферментные функции витаминов заключаются в участии их в регуляции синтеза нуклеиновых кислот, белков, в формировании структуры клеточных мембран. Важное значение имеет антимутагенное действие витаминов С, Е (α-токоферола) и β-каротина (провитамина А). Эти витамины могут нивелировать как спонтанные мутации, так и мутации, индуцированные ионизирующими излучениями и канцерогенами.

В природе источником витаминов являются главным образом растения и микроорганизмы. Животные получают витамины с пищей, а также в результате жизнедеятельности микроорганизмов кишечника. Организм человека многих витаминов не синтезирует.

Мировой рынок витаминов составляет более 70 тыс. т в год. Около 50% от общего объема производства составляет витамин С. Ведущее место в производстве витаминов занимает швейцарский концерн «Hoffman La Roche», на долю которого приходится 50–70% от общего объема производства витаминов.

Большая часть витаминов производится химическим синтезом. Микробиологическим путем получают витамины В₂, В₁₂, D₂, С (стадия биотрансформации D-сорбита в L-сорбозу), β-каротин.

12.1. Технология кормового препарата витамина В₁₂

Витамин В₁₂ имеет самое сложное строение среди неполимерных соединений. Молекула витамина включает корриновое кольцо из четырех пятичленных азотсодержащих гетероциклов, связанных с атомом кобальта четырьмя координационными связями. Все разнообразие аналогов витамина В₁₂ обусловлено природой верхнего и нижнего лигандов атома кобальта. В истинном витамине В₁₂ (цианкобаламине) верхним лигандом является цианогруппа. Ее место могут занимать другие заместители: группа -ОН – оксикобаламин, -СН₃ – метилкобаламин, 5-дезоксиаденозил – аденозилкобаламин и др. При этом образуются производные витамина, обладающие биологической активностью для животных и человека.

Нижним лигандом атома кобальта в молекуле витамина В₁₂ является специфическое азотистое основание – 5,6-диметилбензимидазол (5,6-ДМБ), которое в природе встречается только в этом соединении. Непосредственным предшественником 5,6-ДМБ является рибофлавин. Наличие 5,6-ДМБ определяет биологическую активность корриноидов. Микроорганизмы могут синтезировать производные витамина, содержащие в качестве нижнего лиганда другие заместители: 5-оксибензимидазол (производное имеет название фактор III), 5-метоксибензимидазол (фактор IIIm), метиладенин (фактор А), аденин (псевдовитамин В₁₂). Нижний лиганд может отсутствовать (фактор В). Биологической активностью обладают лишь формы, содержащие в качестве нижнего лиганда 5,6-ДМБ. В меньшей степени биологически активны фактор III и фактор IIIm. Псевдовитамин В₁₂ и фактор А активностью не обладают.

Промышленным способом получения витамина В₁₂ является микробиологический синтез (химический синтез осуществлен, но отличается большой сложностью). В природе корриноиды обнаруживают в растениях, развивающихся в симбиозе с азотфиксирующими бактериями. Происхождение этих корриноидов окончательно не установлено. Организм животных и человека не способен к самостоятельному синтезу витамина В₁₂. Не образуют корриноиды дрожжи и мицелиальные грибы. Способность к биосинтезу корриноидов широко распространена среди прокариот.

Путь биосинтеза витамина В₁₂ известен. Общим интермедиатом на начальном этапе биосинтеза корриноидов является аминолевулиновая кислота, которая образуется у большинства микроорганизмов в результате конденсации глицина и янтарной кислоты в виде сукцинил-КоА.

Препараты витамина В₁₂ широко применяются в медицине (лечение лучевой болезни, злокачественного малокровия, болезни Боткина, дистрофии, язвы желудка и т. д.), а также для обогащения кормов (улучшают усвоение белка и повышают прирост массы животных на 10–15%).

Мировое производство витамина В₁₂ составляет около 10 т в год, из которых 6,5 т – на медицинские цели. В промышленном производстве в качестве продуцентов витамина В₁₂ используют пропионовокислые бактерии (Propionibacterium shermanii), актиномицеты (Nocardia rugosa), термофильные (реже мезофильные) метаногенные бактерии.

Кормовой препарат витамина В₁₂ для нужд животноводства получают термофильным метановым сбраживанием жидких отходов микробиологического производства органических растворителей – ацетоно-бутиловой и спиртовой барды, содержащей сухих веществ 2,2–2,6% и 6,0–8,0% соответственно. В состав сухих веществ барды входят белки, аминокислоты, углеводы, летучие жирные кислоты, витамины, неорганические соединения.

Для метанового брожения применяют декантат ацетоно-бутиловой барды (рис. 12.1). Осадок взвешенных веществ, содержащий мертвые клетки продуцентов ацетона и бутанола, используют в качестве кормовой добавки. Декантированную барду охлаждают со снижением температуры от 100 до 55–57°С (температура метанового сбраживания). Выход корриноидов значительно увеличивается при добавлении к барде метанола (5 кг/м 3 ) и хлорида кобальта (5 г/м 3 ). Непрерывное сбраживание барды осуществляют в железобетонных метантенках объемом 2000–4000 м 3 по одно- или двухступенчатому режиму. При термофильном метановом брожении в анаэробных условиях развивается биоценоз бактерий, осуществляющих сложный взаимосвязанный процесс расщепления органических веществ до СО₂ и СН₄. Можно выделить четыре основные группы бактерий: гидролизующие (расщепляют биополимеры), углеводсбраживающие, сульфатвосстанавливающие и метанобразующие.

В первой фазе процесса развиваются бактерии-аммонификаторы (разлагают белки, пептиды, аминокислоты до жирных кислот и аммиака) и бродильщики. В результате образования аммиака и нейтрализации жирных кислот рН ферментационной среды повышается до 7,0–7,5. Наступает вторая фаза брожения, в которой интенсивно развиваются сульфатвосстанавливающие и метанобразующие бактерии.

В производственных условиях метановое брожение целесообразно осуществлять в двух последовательно соединенных метантенках (по двухступенчатому режиму), что приводит к специализации бактерий, развивающихся в аппаратах первой и второй ступеней, в соответствии с фазами брожения и сокращению продолжительности процесса с 3,0–3,5 сут (сбраживание в одну ступень) до 2,5–3,0 сут (две ступени сбраживания). Процесс метанового брожения протекает устойчиво и не нуждается в условиях асептики.

В сброженном растворе накапливается 4–5 г/м 3 корриноидов, из которых в среднем 50% приходится на истинный витамин В₁₂, 30% – на фактор III. Установлено, что группа метанобразующих бактерий синтезирует около 75% витамина В₁₂ от общего количества.

Рис. 12.1. Технологическая схема получения кормового концентрата витамина В₁₂ из послеспиртовой барды:

1 – сборник барды; 2 – поверхностный конденсатор; 3 – декантатор; 4 – сборник декантата; 5 – теплообменник;

6 – анаэробный реактор; 7 – стабилизатор бражки; 8 – теплообменник; 9 – газоотделитель; 10 – газгольдер

Видовая принадлежность анаэробных бактерий, продуцирующих витамин В₁₂, окончательно не установлена. Подтверждена продукция корриноидов метанобразующими бактериями Methanosarcina barkeri, Methanobacterium formicum.

Установлено, что кокковые формы, составляющие 8–10% от всех бактерий, синтезируют примерно 65% корриноидов, а палочки (90–92%) продуцируют остальные 35% корриноидов.

В процессе брожения образуется биогаз (в среднем 20 м 3 на 1 м 3 жидкой среды), имеющий следующий усредненный состав (%): СН₄ – 65, СО₂ – 30, Н₂ и Н₂S – 5.

Сброженная барда имеет величину рН 7,5–8,0. В щелочной среде витамин В₁₂ неустойчив, поэтому для стабилизации витамина метановую бражку подкисляют до рН 5,5–6,0 и вводят 0,2–0,3% сульфита натрия. Перед подачей на упаривание для обеспечения безопасности процесса бражку подвергают дегазации нагреванием в теплообменнике до 90–95°С с последующим отделением газов в объемном сепараторе. Дегазированную бражку сгущают до 20% сухих веществ упариванием в трех- или четырехкорпусных вакуум-выпарных установках. Концентрат высушивают в распылительной сушилке при температуре теплоносителя на входе в сушилку 280°С. Продукт – кормовой препарат витамина – представляет собой порошок коричневого цвета и содержит витамин В₁₂ в количестве не менее 100 мг/кг, а также сырой протеин – не менее 25%.

Витамин В₁₂ для медицинских целей получают культивированием бактерий Propionibacterium shermanii периодическим методом при температуре 28–30°С в анаэробных условиях с соблюдением правил асептики на питательной среде, содержащей глюкозу (40 г/л), кукурузный экстракт (40 г/л), сульфат аммония (2 г/л) и хлорид кобальта (0,005 г/л); рН среды 6,8–7,0. Ферментация протекает в две фазы. В первой фазе продолжительностью 65–70 ч бактерии интенсивно размножаются с накоплением пропионовой и уксусной кислот, подлежащих нейтрализации, и предшественника витамина В₁₂ – фактора В (без нижнего лиганда). На долю фактора В приходится более 80% от всех синтезированных корриноидов (остальное – цианкобаламин (8–10%), псевдовитамин В₁₂ и фактор А).

Вторая фаза ферментации начитается с момента внесения в среду 5,6-ДМБ в количестве 10–20 г/м 3 , в результате чего происходит трансформация неактивных аналогов в истинный витамин В₁₂. Продолжительность второй фазы 24 ч. К концу процесса культуральная жидкость содержит около 30 мг/л витамина В₁₂, накопленного в клетках бактерий.

Биомассу отделяют сепарацией и экстрагируют из нее витамин водой, подкисленной до рН 4,5–5,0, при температуре 85–90°С в течение часа. После отделения остатка биомассы раствор охлаждают, доводят рН до 6,8–7,0 и осаждают белки коагуляцией в присутствии Al₂(SO₄)₃ или FeCl₃. Осадок отделяют фильтрованием, а раствор витамина очищают на ионообменной смоле СГ-1, с которой витамин В₁₂ элюируют водным раствором аммиака. Элюат упаривают и дополнительно очищают на колонке с окисью алюминия (очистка кобаламинов от аналогов). Элюируют витамин В₁₂ водным ацетоном и кристаллизуют из раствора при температуре 3–4°С в течение 24–48 ч. Кристаллы промывают ацетоном, затем диэтиловым эфиром и сушат под вакуумом.

12.2. Технология кормового препарата витамина В₂

Витамин В₂ (рибофлавин) в промышленных условиях производят для кормовых целей. Продуцентами рибофлавина в природе являются высшие растения, дрожжи, мицелиальные грибы и бактерии. Большинство микроорганизмов образуют свободный рибофлавин и две его коферментные формы – ФМН и ФАД. Основной формой флавинов, синтезируемых микроорганизмами, является рибофлавин. Гетероциклическая система рибофлавина представлена тремя конденсированными циклами: ароматическим (А), пиразиновым (В) и пиримидиновым (С). К пиразиновому кольцу присоединен спирт рибит:

Рибофлавин – светочувствительное оранжево-желтое красящее вещество. Водные растворы рибофлавина флуоресцируют на свету, давая желто-зеленое окрашивание. Флуоресцирующая способность витамина используется при его количественном определении. Окислительно-восстановительные свойства флавинов обусловлены наличием в составе молекулы системы, способной к обратимому окислению и восстановлению:

С этим связана биологическая роль витамина В₂, которую в клетках выполняют моно- и динуклеотидные формы рибофлавина.

Путь синтеза рибофлавина в микробных клетках установлен. Предшественником рибофлавина является гуанозинтрифосфат.

Микроорганизмы, как правило, синтезируют рибофлавин в больших количествах, чем необходимо для удовлетворения потребности клетки. Например, дрожжеподобные грибы синтезируют до 6 г/дм 3 рибофлавина, в то время как потребность в нем не превышает 0,1 мг/дм 3 . Высокой рибофлавинпродуцирующей способностью отличаются дрожжеподобные грибы Eremothecium ashbyii (до 2,5 г/дм 3 витамина В₂) и Ashbya gossypii (до 6 г/дм 3 ), применяемые в промышленном производстве витамина В₂.

Для большинства микроорганизмов выход рибофлавина увеличивается при дефиците железа в среде. Предполагают, что ионы железа участвуют в регуляции синтеза рибофлавина. Однако для штаммов-сверхсинтетиков E. ashbyii и A. gossypii дефицит железа не влияет на рибофлавинсинтетическую активность. Считают, что указанные продуценты рибофлавина являются природными мутантами с нарушенной регуляцией синтеза витамина.

Получены мутантные штаммы бактерий Bacillus subtilis, способные синтезировать витамин В₂ в количестве до 6 г/дм 3 . В отечественной практике используют гриб Eremothecium ashbyii. Колонии гриба имеют оранжевый цвет. Интенсивность окраски колоний коррелирует с рибофлавинсинтетической способностью. Недостаток культуры – нестабильность при хранении. Гриб легко теряет способность к сверхсинтезу витамина, поэтому осуществляют систематический отбор наиболее интенсивно окрашенных колоний. Культура A. gossypii (применяется за рубежом) более стабильна, хорошо развивается, используя в качестве источника углерода углеводы (глюкозу, сахарозу), но лучше всего – соевое и кукурузное масло.

Рибофлавин накапливается в мицелии в виде желтых кристаллов, к концу ферментации около 80% рибофлавина выходит из клеток в результате автолиза.

Гриб E. ashbyii образует на дрожжевой агаризованной среде (дрожжевой экстракт 0,2–0,4%, пептон 0,3%, глюкоза 1%) после шести дней роста ярко-оранжевые колонии диаметром 5–8 мм. На соевой агаризованной среде (мука соевая 4,0%, сахароза 2,0%) колонии гриба имеют диаметр 17–25 мм. Для получения посевного материала отбирают типичные колонии с интенсивной окраской. В качестве субстрата для получения спорового материала используют подготовленное пшено высшего качества. Флаконы со стерильным пшеном засевают суспензией (смыв культуры с агаризованной среды) и инкубируют при температуре 30°С в течение 8–9 сут. Пшено после прорастания гриба приобретает ярко-желтый цвет. Полученный посевной материал хранят в темноте при комнатной температуре.

Материалом из флакона засевают качалочные колбы и выращивают культуру 10–14 ч. В качалочных колбах и посевных аппаратах используется среда, содержащая кукурузный экстракт 2%, сахарозу 1%, фосфат калия 0,1% и технический жир 0,5%. Величина рН среды 6,8–7,2. Продолжительность ферментации в посевных аппаратах 24–27 ч при температуре 28–32°С и уровне аэрации 50–60 м 3 /(м 3 ·ч).

Среда для производственной ферментации содержит соевую муку, кукурузный экстракт, мел, технический жир. В первые сутки культивирования гриб накапливает биомассу, а затем переходит к спорообразованию. В этот период интенсивно синтезируется рибофлавин. Примерно с 60-го часа ферментации начинается автолиз культуры и переход рибофлавина в среду. Продолжительность ферментации 65–68 ч, процесс проводят в условиях асептики.

Культуральную жидкость стабилизируют подкислением до значения рН 4,5–5,0, упаривают под вакуумом до содержания сухого вещества 18–20%, концентрат высушивают распылением в мягких условиях (температура сушильного агента на входе в сушилку 150–160°С). Продукт содержит 20–40 г витамина на 1 кг препарата.

Примерно 70% рибофлавина, произведенного в мире, получают путем химического синтеза из рибозы.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

источник