Witaminy i koenzymy

• Egzogenne czynniki odżywcze wymagane w śladowych ilościach w

diecie

• Różne organizmy mają różne wymagania co do witamin

• Witaminy dzielimy na rozpuszczalne w wodzie i w tłuszczach

• Witaminy rozpuszczalne w wodzie (z wyjątkiem witaminy C) są

prekursorami lub składnikami koenzymów. Koenzymy umożliwiają

zajście szeregu reakcji enzymatycznych. W czasie tych reakcji

koenzymy ulegają czasowym i odwracalnym modyfikacjom, ich

powrót do stanu wyjściowego umożliwia wielokrotny udział w

katalizie. Niektóre koenzymy działają jako specyficzne nośniki

szeregu grup funkcyjnych, np. reszt acylowych

• Witaminy rozpuszczalne w tłuszczach nie są bezpośrednio

związane z koenzymami, odgrywają one ważną rolę w szeregu

procesów biologicznych, np. widzeniu, utrzymywaniu odpowiedniej

struktury kości, krzepnięciu krwi

Witamina

Koenzym

Rozpuszczalne w wodzie:

Tiamina (witamina B

1

)

Pirofosforan tiaminy

Niacyna (kwas nikotynowy)

Dinukleotyd nikotynamidoadeninowy (NAD

+

)

Fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego

(NADP

+

)

Ryboflawina (witamina B

2

)

Dinukeotyd flawinoadeninowy (FAD)

Mononukleotyd flawinoadeninowy (FMN)

Kwas pantotenowy

Koenzym A

Pirydoksal, pirydoksyna, pirydoksamina (witamina

B

6

)

Fosforan pirydoksalu

Kobalamina (witamina B

12

)

5’-deoksykobalamina, metylokobalamina

Biotyna

Kompleksy biotyna-lizyna (biocytyna)

Kwas liponowy

Kompleksy liponian-lizyna (lipoamid)

Kwas foliowy

Tetrahydrofolian

Rozpuszczalne w tłuszczach:

Retinol, retinal, kwas retinowy (witamina A)

Ergokalcyferol (witamina D

2

)

Cholekalcyferol (witamina D3)

α-tokoferol (witamina E)

Witamina K

Tiamina (witamina B

1

)

• Witamina B

1

(tiamina)

zbudowana jest z podstawionego

pierścienia tiazolowego

połączonego mostkiem

metylenowym z podstawionym

pierścieniem pirymidynowym.

• Przyłączenie reszty

pirofosforano-wej daje

pirofosforan tiaminy (TPP)

będący koenzymem reakcji

metabolizmu węglowodanów, w

których następuje tworzenie lub

rozrywanie wiązań z węglami

reszt karbonylowych aldehydów

lub ketonów (dekarboksylacja -

keto-kwasów, tworzenie -

hydroksy-ketonów).

• Niedobór witaminy B

1

jest

przyczyną zaburzeń w układzie

nerwowym (choroba beri-beri)

Nelson, Cox, Lehninger Principles of Biochemistry

Niacyna i koenzymy nikotynamidowe

•

Niacyna (amid kwasu nikotynowego) jest prekursorem

dwóch koenzymów: dinukleotydu nikotynoadeninowego i

fosforanu tego nukleotydu, występujących w formie

utlenionej (NAD

+

i NADP

+

) i zredukowanej (NADH i NADPH).

Koenzymy te, będąc przenośnika-mi elektronów odgrywają

zasadniczą rolę w szeregu enzymatycz-nych reakcji

utleniania i redukcji.

•

NAD

+

jest akceptorem elektronów w procesach utleniania

związanych z katabolizmem.

•

NADPH jest donorem elektronów w redukcyjnych procesach

biosyntezy.

•

W reakcjach tych (katalizowanych przez dehydrogenazy)

nastę-puje przenoszenie anionów wodorkowych

zawierających dwa elektrony na NAD(P)

+

lub z NAD(P)H.

Węgiel C-4 pierścienia pirydynowego jest donorem lub

akceptorem jonów wodorkowych. Czwartorzędowy azot tego

pierścienia przyciąga elektrony, ułatwiając przenoszenie

jonów wodorkowych na NAD

+

. Nukleotyd adeninowy

występujący w strukturze koenzymu nie bierze udziału w

procesie katalizy, zwiększa natomiast powinowactwo i

specy-ficzność wiązania koenzymu z apoenzymem.

•

Pozycja 4 pierścienia pirydynowego w NADH i NADPH ma

charak-ter pro-chiralny (staje się chiralna, jeśli jeden z

wodorów zostanie zastąpiony innym podstawnikiem).

Enzymy wymagające NADH lub NADPH jako koenzymów mają

w związku z tym stereospecy-ficzny charakter, tak wobec

koenzymu jak i substratu.

•

Dehydrogenazy zależne od NAD lub NADP katalizują sześć

typów reakcji: przeniesienie jonów wodorkowych,

deaminację amino-kwasów do -ketokwasów, utlenianie -

hydroksykwasów z towa-rzyszącą dekarboksylacją -

ketokwasowego związku pośred-niego, redukcję

pojedynczych wiązań podwójnych, utlenianie wiązań C-N

(np. przez reduktazę dihydrofolianową).

•

Niedobór niacyny wywołuje pelagrę (zmiany skórne,

biegunka, zaniki pamięci). Zwiększenie ilości kwasu

nikotynowego lub jego amidu (niacyny) w diecie likwiduje

objawy choroby. Rośliny i wiele zwierząt jest zdolnych do

syntezy kwasu nikotynowego

z tryptofanu.

Garrett & Grisham, Biochemistry

Ryboflawina (witamina B

2

) i koenzymy flawinowe

• Witamina B

2

(ryboflawina) jest

prekursorem i składnikiem

ryboflawino- 5’-fosforanu, inaczej

mononukleotydu

flawinoadeninowego (FMN) i

dinukleotydu flawinoadeninowego

(FAD).

• Rdzeń cząsteczki stanowią

pierścienie izoalloksazyny połączone

z łańcuchem rybitolu.

• Powszechność występowania

ryboflawiny w pożywieniu sprawia, że

zaburzenia metabolizmu wywołane

jej niedoborem są bardzo rzadkie.

Garrett & Grisham, Biochemistry

•

Utleniona forma alloksazyny jest żółto zabarwio-na w wyniku absorpcji światła o długości 450

nm (związek ten absorbuje również światło o dług. 350 i 380 nm).

•

Redukcja alloksazyny powoduje zanik żółtego zabarwienia. Enzymy wiążące ten koenzym

(flawoenzymy) w stanie utlenionym mają żółte, czerwone lub zielone zabarwienie.

•

Flawiny występują w trzech stanach redoks. Cżęściowa redukcja flawiny przekształca ją w

semichinon (przeniesienie jednego elektronu). W fizjologicznym pH semichinon jest

obojętnym rodnikiem o niebieskim zabarwieniu (absorpcja przy 570 nm). Podwyższenie pH

prowadzi do dysocjacji protonu i przejścia w rodnikowy anion o czerwonym zabarwieniu

(absorpcja przy 490 nm). Semichinonowy rodnik jest bardzo stabilny w wyniku delokalizacji

niesparowanych elektronów w pierścieniu izoalloksazynowym. Oddanie drugiego elektronu

przekształca semichinon w całkowicie zredukowaną bezbarwną formę dehydroflawiny.

•

Trzy różne formy redoks pozwalają flawinowym koenzymom na udział w reakcjach

związanych z przeniesie-niem jednego lub dwu elektronów w łańcuchu oddechowym.

Kwas pantotenowy (witamina B

3

) – koenzym A

•

Witamina B

3

(kwas pantotenowy)

odgry-wa ważną rolę w metabolizmie

lipidów, białek i węglowodanów,

wchodząc w skład koenzymu A (CoA).

Koenzym A składa się z difosforanu

3’5’-adenozyny połączonego

wiązaniem bezwodnikowym z 4-

fosfopantoteiną. 4-Fosfopantoteina

składa się z kwasu pantotenowego

połączonego z -

merkaptoetyloaminą.

•

Funkcją koenzymu A jest aktywacja

grup acylowych umożliwiająca ich

przeniesie-nie na odpowiednią grupę

nukleofilową. Częścią reaktywną

koenzymu jest grupa sulfhydrylowa

-merkaptoetyloaminy wiążąca

tioestrowo reszty acylowe. Część

nukleotydowa koenzymu A

odpowiada za specyficzność wiązania

z enzymem.

•

Kwas pantotenowy wchodzi również

w skład białek przenoszących reszty

acylowe (ACP) zaangażowanych w

biosyntezę kwasów tłuszczowych.

•

Ze względu na powszechność

występo-wania w diecie nie

obserwuje się praktycznie niedoboru

tej witaminy

Garrett & Grisham, Biochemistry

Pirydoksyna (witamina B

6

) – fosforan pirydoksalu (PLP)

• Witamina B

6

(pirydoksyna) wchodzi w

skład 5-fosforanu

pirydoksalu (PLP)

występu-jącego w

warunkach fizjolo-

gicznych w dwóch

formach

tautomerycznych.

• Niedobór witaminy B

6

powo-duje stany zapalne

skóry, zaburzenia

czynności układu

pokarmowego i drgawki

Garrett & Grisham, Biochemistry

• Koenzym ten

bierze udział w

metaboliz-mie

aminokwasów w

reakcjach

transami-nacji, - i

-dekarbo-ksylacji,

- i -elimi-nacji,

racemizacji i

reakcji aldolowej.

Garrett & Grisham, Biochemistry

• W reakcjach tych PLP

tworzy z aminokwasem

związek pośredni – tzw.

zasadę Schiffa

(aldoiminę) i działa jak

pochłaniacz elektronów

stabilizując powstające

związki pośrednie. Przy

braku substratu PLP

tworzy zasadę Schiffa z

grupą -aminową lizyny z

centrum aktywnego

enzymu. W obecności

substratu (aminokwasu)

następuje reakcja

transaldoloiminizacji i

wytworzenie przez PLP

zasady Schiffa z

substratem.

Garrett & Grisham, Biochemistry

Cyjanokobalamina (witamina B

12

) – 5’-

deoksyadenozynokobalamina

i metylokobalamina

•

Witamina B

12

(cyjanokobalamina)

przekształcana jest w organizmie głównie

w 5’deoksyadenozylo-kobalaminę i

niewielką ilość metylokobalaminy.

•

Cyjanokobalamina zbudowana jest z

pierścienia korynowego (składającego się,

podobnie jak w porfirynach, z czterech

grup pirolowych) zawierającego

koordynacyjnie związany atom kobaltu.

Jednym z osiowych ligandów kobaltu jest

grupa dimetylobenzoimidazolowa, drugim

osiowym ligandem może być –CN, -CH

3

, -OH

lub 5’-C grupy deoksyadenozylowej.

•

Koenzym B

12

bierze udział w trzech typach

reakcji: wewnątrzcząsteczkowym

przegrupo-waniu, redukcji

rybonukleotydów do deoksy-

rybonukleotydów (u niektórych bakterii) i

przenoszeniu reszt metylowych. W dwóch

pierwszych reakcjach pośredniczy 5’-

deoksy-adenozylokobalamina, w ostatniej

reakcji – metylokobalamina.

•

Witamina B

12

syntetyzowana jest tylko

przez niektóre bakterie. Zwierzęta

mięsożerne uzyskują ją w mięsnej diecie,

zwierzęta roślinożerne uzyskują tę

witaminę z bakterii jelitowych. Niedobór

witaminy prowadzi do złośliwej anemii.

Garrett & Grisham, Biochemistry

Kwas askorbinowy (witamina C)

•

Witamina C (kwas askorbinowy)

syntetyzowana jest przy udziale oksydazy L-

gulono--laktono-wej. Enzym ten występuje

w większości organizmów. Wyjątkiem są

naczelne, świnka morska, owocożerne

nietoperze, niektóre ptaki i ryby.

•

Kwas askorbinowy jest czynnikiem redukcyj-

nym i przenośnikiem elektronów. Strata

jednego elektronu na skutek oddziaływania

tlenu lub kationów metali prowadzi do

powstania rodnika semidehydro L-

askorbinowego. Utrata dwóch elektronów

powoduje utlenienie kwasu askorbinowego

do dehydroaskorbinowego.

•

Niedobór witaminy C prowadzi do szkorbutu

wywolywanego przez nieprawidłową

budowę kolagenu tkanki łącznej. Witamina

C redukuje jon Fe

3+

powstający w czasie

reakcji hydroksy-lazy prolinowej. Enzym ten

hydroksyluje reszty prolinowe w kolagenie.

Do reakcji potrzebny jest jon Fe

2+

.

Powstająca 4-hydroksyprolina stabilizuje

potrójną helisę kolagenu.

•

Kwas askorbinowy odgrywa również ważną

rolę w działaniu układu nerwowego i

immuno-logicznego

Garrett & Grisham, Biochemistry

Berg, Tymoczko, Stryer, Biochemistry

Biotyna

•

Witamina H (biotyna) jest

przenośnikiem grup

karboksylowych w reakcjach

enzymatycznej karboksylacji.

Koenzym wiąże się z lizyną centrum

aktywnego enzymu poprzez

dziesięciowęglowy łańcuch

węglowodorowy. Elastyczność

łańcucha umożliwia biotynie

przenosze-nie grupy karboksylowej

z jednego miejsca centrum

aktywnego do miejsca

akceptorowego w innej części

centrum.

•

W większości biotynozależnych

karboksylacji czynnikiem karboksy-

lującym jest dwuwęglan.

•

Białko jaja zawiera awidynę

posiadającą wysokie powinowactwo

do biotyny (K

D

=10

-15

M). Spożywanie

dużej ilości surowego białka

prowadzić może do niedoboru

biotyny w organizmie

Garrett & Grisham, Biochemistry

Berg, Tymoczko, Stryer, Biochemistry

Kwas liponowy

• Kwas liponowy występuje

jako mieszanka formy

utlenionej i zredukowanej.

• Związany jest zwykle

wiązaniem amidowym z

lizyną centrum aktywnego

odpowiednich enzymów (np.

kompleksów

wieloenzymatycznych

dehydro-genazy -

ketoglutarowej i dehy-

drogenazy pirogronianowej).

• Koenzym ten jest przenośni-

kiem grup acylowych

sprzęga-jącym przenoszenie

tych grup z przenoszeniem

elektronów w czasie

utleniania i dekarboksy-lacji

-ketokwasów

Garrett & Grisham, Biochemistry

Kwas foliowy (witamina B

11

) - tetrahydrofolian

• Witamina B

11

(kwas foliowy)

zbudowana jest z pierścieni

pteryny, reszty kwasu p-

ami-nobenzoesowego

(PABA) i
1 – 7 reszt kwasu

glutamino-wego

• Aktywną formą enzymu jest

tetrahydrofolian (THF)

powstający przez dwie

kolejne redukcje kwasu

foliowego (folian dihydro-

folian tetrahydrofolian)

prowadzone przez

reduktazę

dihydrofolianową.

• Niedobór kwasu foliowego

powoduje jedną z form

niedokrwistości

Garrett & Grisham, Biochemistry

• Koenzym ten jest akcepto-

rem i donorem fragmentów

jednowęglowych na wszyst-

kich stopniach utlenienia (z

wyjątkiem CO

2

, którego

przenośnikiem jest

biotyna), odgrywa ważną

rolę w biosyntezie

aminokwasów i zasad

azotowych.

• Fragmenty jednowęglowe

wiążą się z N

5

lub/i N

10

tetra-hydrofolianu

Berg, Tymoczko, Stryer, Biochemistry

Retinol (witamina A)

• Witamina A (retinol) powstaje z

fragmentów izoprenowych.

• Występuje zwykle w formie

estrowej, czasem aldehydowej

(retinal).

• Zwierzęta mięsożerne uzyskują

retinol bezpośrednio z diety,

roślinożerne w formie -

karotenu.

• Retinol odgrywa zasadniczą

rolę w procesach widzenia. W

pręcikach siatkówki utleniany

jest przez dehydrogenazę

retinolową do trans-retinalu,

przekształcanego następnie

przez izomerazę retinolową do

11-cis-retinalu. Aldehydowa

grupa retinalu tworzy zasadę

Schiffa z lizyną opsoniny dając

światłoczułą rodopsynę.

• Niedobór witaminy A powoduje

zmierzchową ślepotę,

zaburzenia wzrostu, atrofię

nabłonka i związaną z tym

podatność na infekcje.

Garrett & Grisham, Biochemistry

Ergokalcyferol (witamina D

2

) i cholekalcyferol (witamina D

3

)

•

Do grupy witamin D należy ergokalcyferol

(D

2

) i cholekalcyferol (D

3

).

•

Cholekalcyferol produkowany jest w skórze

zwierząt pod wpływem promieniowania UV z

7-dehydrocholesterolu. Absorpcja energii

świetlnej indukuje fotoizomeryzację (z

pęknięciem wiązania C9-C10) do pre-

witaminy D, która spontanicznie

przekształca się w cholekalcyferol (D

3

).

Ergokalcyferol, różniący się od

cholekalcyferolu tylko budową bocznego

łańcucha, powstaje przez fotoizomeryzację

pochodzącego z roślin ergosterolu.

•

Cholekalcyferol transportowany jest ze skóry

do wątroby przez transkalcyferynę (białko

wiążące witaminę D). W wątrobie następuje

hydroksylacja do 25-hydroksykalcyferolu,

który następnie transportowany jest do

nerek, gdzie ulega dalszej hydroksylacji do

1,25-dihydroksycholekalcyferolu – aktywnej

formy witaminy D. Forma aktywna

transportowana jest do docelowych tkanek,

gdzie działa jak hormon, regulując wraz z

dwoma hormonami peptydowymi

(kalcytoniną i hormonem przytarczycznym)

metabolizm wapnia i fosforu.

•

Niedobór witaminy D powoduje krzywicę u

dzieci a osteomalację (rozmięknienie kości) u

dorosłych.

Garrett & Grisham, Biochemistry

α-tokoferol (witamina E)

• Witamina E (-tokoferol)

jest silnym

przeciwutleniaczem

zapobiegającym utlenianiu

nienasyconych kwasów

tłuszczowych w błonach

biologicznych.

• Niski poziom -tokoferolu

powoduje hemolizę erytro-

cytów.

• Noworodki (szczególnie

wcześniaki) mają niski po-

ziom -tokoferolu. Terapia

tlenowa w inkubatorze

powodować może

uszkodze-nie błon

komórek siatkówki oka,

zapobiega temu

stosowanie witaminy E

Garrett & Grisham, Biochemistry

Witamina K

• Witamina K (naftochinon)

konieczna jest do aktywności

karboksylazy glutaminowej

przekształcającej resztę

kwasu glutaminowego w -

karboksy-glutaminian.

Modyfikacja ta aktywuje

czynniki krzepnięcia krwi

(protrombinę, czynniki VIII, IX

i X).

• γ-karboksyglutaminian jest

silnym chelatorem jonów

Ca

2+

. Zmodyfikowana

protrombina wiąże się dzięki

jonom wapnia z błonami

fosfolipidowymi, co umożliwia

jej proteolityczną aktywację

do trombiny

• Niedobór witaminy K

przedłuża czas krzepnięcia

krwi.

Garrett & Grisham, Biochemistry