R1—COO- + R2H R1H + R2— COO-

Поскольку все приведенные реакции являются обратимыми, возмо­жен обратимый биосинтез АТФ. Во всех этих случаях имеет место включение С02 в реактивное α-подожение ацил-КоА или винилгомоло-гичное ему положение (при карбо^силировании β-метилкротонил-КоА).

К началу 60-х год5В были выделены и изучены карбоксилазы, осу­ществляющие указанные превращения —В 1960 г. установлено участие биотина в реакции транскарбоксилирования при исследовании синтеза пропионовои кислоты

СНз—СН—СО~S—КоА + СНз—СО—СООН

СООН

СНз-СНа—СО~S-КоА + НООС-СН2—СО—СООН

Биотиновые ферменты представляют собой олигомеры с большим мо­лекулярным весом (порядка 700000) и, как правило, содержат 4 моля связанного биотина на 1 моль фермента, поэтому кажется вероятным, что они состоят из 4 субъединиц с молекулярным весом 175000, каждая из которых содержит одну молекулу биотина.

В работах Lynen (1964) расшифрован механизм участия биотина в реакциях карбексилирования. Установлено, что реакции карбоксилирования являются двухстадийными. Первая стадия сводится к образо­ванию «активной С02» в форме С02~биотинфермента:

АТФ + Н С0-2+ биотинфермент АДФ + Фнеорг. + С02~биотинфермент.

Вторая стадия заключается в переносе «активной С02» на акцептор:

С02~биотинфермент + R2H биотинфермент + R2— С00-

Аналогичный двух стадийный механизм предложен и для реакций транскарбоксилирования:

R1 —С00- + биотинфермент С02 ~биотинфермент R2H;

С02~биотинфермент + R2HR2— С00- + биотинфермент.

После установления существования «активной С02» в виде С02~биотинфермента установлен характер связи между С02 и биотином. Этому способствовало открытие того факта, что β-метилкротонил-КоА-карбоксилаза способна карбоксилировать свободный биотин, пере­водя его в карбоксибиотин. В дальнейшем меченый карбоксибиотип был выделен в опытах с С14-бикарбонатом и идентифицирован как Г-М-карбоксибиотин. Его структура была подтверждена химическим синтезом. К атому времени уже было известно, что в биотиновых фер­ментах карбоксильная группа биотина соединена с ε-NH2-группой лизи­на ферментного белка ковалентной связью. На основании этих данных предложена структура С02~биотинфермента.

Эта структура получила ряд экспериментальных подтверждений и в настоящее время является общепринятой для всех биотиновых фер­ментов. Реакционная способность углекислоты, связанной с биотином, находит выражение в энергетических взаимоотношениях. Величина сво­бодной энергии распада С02~биотинфермента равна 4,74 ккал/моль, что дает основание причислить С02~биотинфермента к «богатым энергией» соединениям.

Исключительно большой интерес представляет совершенно неизучен­ная проблема регуляции активности биотинсодержащих ферментов и организме. В этой связи особенно важны исследования по биосинтезу молекулы биотина и образованию холоферментов из биотина и соответ­ствующего ферментного белка. Данные по первому вопросу изложены в разделе «Биосинтез». Что касается образования холофермента, то можно считать установленным, что во всех биотиновых ферментах био-тнн связан с ε-аминогруппой лизина. Этот способ связи эксперименталь­но доказан почти для всех карбоксилаз и метилмалонил-КоА-оксалоаце-таттранскарбоксилазы. Недостаточные по биотину клетки Propionibacterium shcemanii содержат апофермент и специфическую синтетазу, которая катализирует при использовании АТФ соединение биотина с апоферментом, приводящее к образованию активного холофермента траискарбокснлазы. Необходимыми кофакторами этой реакции являют­ся АТФ и Mg2+. При использовании очищенных ферментов удалось до­казать, что образование холотранскарбоксилазы происходит в два этапа, причем промежуточным соединением является биотиниладенилат (R-CO-5'-AMФ):

Mg2+

I. АТФ + R— С02Н + синтетазаR-СО-5’- АМФ - синтетаза + пирофосфат

(биотин

II. R-СО-5’- АМФ - синтетаза + Н2М-фермент R-CO-NH-фермент +

+5’-AMФ+cинтeтaзa.

Синтетический биотиниладенилат обладает способностью заменить смесь АТФ, MgCl и биотина при синтезе холофермента (Lynen, 1964). Позже было установлено, что образование других холоферментов про­текает аналогичным образом. Все известные ферментативные реакции, для которых установлено участие биотина в качестве кофермента, явля­ются процессами переноса углекислоты. По-видимому, в обратимом при­соединении и отдаче СО; и состоит исключительная функция этого вита­мина в обмене веществ. Однако при биотиновой недостаточности нару­шаются очень многие реакции обмена в интактном организме. Так, - биотин вовлечен в биосинтез белков, дезаминирование аспартата, серина и треонина у бактерий, обмен триптофана, жиров и углеводов, синтез пуринов, образование мочевины у животных и др. Природа участия био­тина во многих из этих реакций остается неясной. Все перечисленные процессы имеют одну общую черту: при изучении in vitro они не тормо­зятся авидином. На основании этих данных считается, что биотин ока­зывает.непрямое действие на указанные превращения, которые катали­зируются ферментами, не содержащими этого витамина.

Ввиду чрезвычайной важности нeкоторых из этих реакций для жизне-деятельности организма необходимо рассмотреть их. Рядом авторов отмечено, что при недостаточности биотина в рационе крыс снижается включение в белок меченых аминокислот. Так, включение (С14-метионина, С14-лейцина и С14-лизина в тканевые белки снижается на 20—40% причем недостаточность биотина влияет на стадию образования амино-ацил-транспортной РНК. Препараты тРНК из печени нормальных крыс включают значительно больше меченых аминокислот, чем препараты печени авитаминозных животных (Dakshinainurti, Misty, 1964). Еще ра­нее было установлено, что у авитаминозных животных нарушается син­тез амилазы в поджелудочной железе и сывороточного альбумина в пе­чени, причем однократное введение 100 мкг биотина восстанавливает способность тканей к синтезу указанных белков. Добавление in vitro α-кетоглутарата и фумарата также восстанавливает образование ами­лазы и сывороточного альбумина (А. А. Познанская, 1957).

Эти данные показали, что биотин не принимает прямого участия в синтезе белка de novo, а его влияние на этот процесс, по-видимому, оп­ределяется вовлечением биотина в синтез субстратов трикарбонового цикла. Такое предположение нашло подтверждение в опытах на цыпля­тах: скармливание сукцината авитаминозным птицам восстанавливало до нормы включение аминокислот в тканевые белки и РНК. Так как об­разование С4-дикарбоновых кислот в организме животных протекает че­рез фиксацию СО2, осуществляемую биотиновыми ферментами, то ста­новятся ясными причины нарушения синтеза белка при биотиновой недо­статочности. В организме авитаминозных цыплят значительно снижены скорость окисления глюкозы до СО2 и включение ее в гликоген печени. Имеются указания на снижение глюкокиназной активности при недо­статочности биотина, хотя витамин не был обнаружен в препаратах кристаллического фермента. Возможно, что участие биотина в обмене. углеводов является непрямым. В результате нарушения утилизации глю­козы в организме животных при исключении биотина из корма наруша­ется превращение D-глюкозы в L-аскорбиновую кислоту.