Биотин (также известный как витамин B7 или витамин H ) является одним из витаминов группы B. [1] [2] [3] Он участвует в широком спектре метаболических процессов, как у людей, так и у других организмов, в первую очередь связанных с использованием жиров, углеводов и аминокислот. [4] Название биотин , заимствованное из немецкого Biotin , происходит от древнегреческого слова βίοτος ( bíotos ; «жизнь») и суффикса «-in» (суффикс, используемый в химии, как правило, для обозначения «формирования»). [5] Биотин выглядит как белое, игольчатое кристаллическое твердое вещество. [6]
Биотин классифицируется как гетероциклическое соединение с серосодержащим тетрагидротиофеновым кольцом, слитым с уреидогруппой. К первому кольцу присоединена боковая цепь C5-карбоновой кислоты. Уреидокольцо, содержащее группу −N−CO−N−, служит переносчиком диоксида углерода в реакциях карбоксилирования. [7] Биотин является коферментом для пяти ферментов карбоксилазы , которые участвуют в катаболизме аминокислот и жирных кислот , синтезе жирных кислот и глюконеогенезе . [3] [4] Биотинилирование гистоновых белков в ядерном хроматине играет роль в стабильности хроматина и экспрессии генов. [4] [ 8]
Национальная академия медицины США обновила диетические справочные нормы потребления для многих витаминов в 1998 году. В то время было недостаточно информации для установления предполагаемой средней потребности или рекомендуемой диетической нормы, терминов, которые существуют для большинства витаминов. В таких случаях академия устанавливает адекватные нормы потребления (AI) с пониманием того, что в более позднее время, когда физиологические эффекты биотина будут лучше поняты, AI будут заменены более точной информацией. AI биотина для мужчин и женщин следующие:
Австралия и Новая Зеландия установили ИИ, аналогичные США. [9]
Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов (EFSA) также определяет AI, устанавливая значения в 40 мкг/день для взрослых, для беременных — 40 мкг/день и для кормящих грудью — 45 мкг/день. Для детей в возрасте от 1 до 17 лет AI увеличиваются с возрастом от 20 до 35 мкг/день. [10]
Национальная академия медицины США оценивает верхние пределы для витаминов и минералов, когда доказательства для истинного предела достаточны. Однако для биотина нет верхнего предела, поскольку неблагоприятные эффекты высокого потребления биотина не были определены. [2] EFSA также рассмотрело безопасность и пришло к такому же выводу, что и в Соединенных Штатах. [11]
Для целей маркировки пищевых продуктов и диетических добавок в США количество в порции выражается в процентах от суточной нормы. Для целей маркировки биотина 100% суточной нормы составляли 300 мкг/день, но по состоянию на 27 мая 2016 года она была пересмотрена до 30 мкг/день, чтобы привести ее в соответствие с адекватным потреблением. [12] [13] Соблюдение обновленных правил маркировки требовалось к 1 января 2020 года для производителей с годовым объемом продаж продуктов питания 10 миллионов долларов США и более и к 1 января 2021 года для производителей с меньшим объемом продаж продуктов питания. [14] [15] Таблица старых и новых суточных норм для взрослых приведена в Reference Daily Intake .
Биотин стабилен при комнатной температуре и не разрушается при приготовлении пищи. По оценкам, потребление биотина с пищей в западных популяциях составляет от 35 до 70 мкг/день. Грудные дети потребляют около 6 мкг/день. [4] Биотин доступен в пищевых добавках , по отдельности или в качестве ингредиента в поливитаминах . [1] [3]
По данным Глобальной биржи данных по обогащению пищевых продуктов, дефицит биотина встречается настолько редко, что ни в одной стране не требуется обогащение пищевых продуктов. [17]
Биотин — водорастворимый витамин группы В. Потребление больших количеств в качестве пищевой добавки приводит к абсорбции с последующим выделением в мочу в виде биотина. Потребление биотина в составе обычного рациона приводит к выделению с мочой биотина и его метаболитов. [4]
Биотин в пище связан с белками. Пищеварительные ферменты восстанавливают белки до связанных с биотином пептидов. Кишечный фермент биотинидаза , обнаруженный в секретах поджелудочной железы и в мембранах щеточной каймы всех трех частей тонкого кишечника , высвобождает биотин, который затем всасывается из тонкого кишечника. [4] При употреблении в качестве пищевой добавки с биотином всасывание является ненасыщаемым, что означает, что даже очень большие количества всасываются эффективно. Транспорт через тощую кишку происходит быстрее, чем через подвздошную кишку . [4]
Микробиота толстого кишечника синтезирует количество биотина, которое оценивается как аналогичное количеству, потребляемому с пищей, и значительная часть этого биотина существует в свободной (не связанной с белком) форме и, таким образом, доступна для усвоения. Сколько его усваивается у людей, неизвестно, хотя обзор действительно сообщал, что человеческие эпителиальные клетки толстой кишки in vitro продемонстрировали способность усваивать биотин. [18]
После абсорбции натрий-зависимый переносчик поливитаминов (SMVT) опосредует усвоение биотина печенью. [4] SMVT также связывает пантотеновую кислоту , поэтому высокое потребление любого из этих витаминов может мешать транспортировке другого. [19]
Катаболизм биотина происходит двумя путями. В одном из них расщепляется боковая цепь валериановой кислоты, в результате чего образуется биснорбиотин. В другом пути сера окисляется, в результате чего образуется сульфоксид биотина. Содержание мочи пропорционально примерно половине биотина, плюс биснорбиотин, сульфоксид биотина и небольшое количество других метаболитов. [4]
Хроническое употребление алкоголя связано со значительным снижением уровня биотина в плазме. [20] Поглощение биотина в кишечнике также, по-видимому, чувствительно к эффекту противоэпилептических препаратов карбамазепина и примидона . [ 20] Относительно низкие уровни биотина также были зарегистрированы в моче или плазме пациентов, перенесших частичную гастрэктомию или имеющих другие причины ахлоргидрии , а также у пациентов с ожогами, пожилых людей и спортсменов. [21] Беременность и лактация могут быть связаны с повышенной потребностью в биотине. Во время беременности это может быть связано с возможным ускорением катаболизма биотина , тогда как во время лактации более высокая потребность еще не выяснена. Недавние исследования показали, что во время беременности у человека может присутствовать незначительный дефицит биотина , о чем свидетельствует повышенная экскреция с мочой 3-гидроксиизовалериановой кислоты , сниженная экскреция с мочой биотина и биснорбиотина и сниженная концентрация биотина в плазме. [4]
Биотин, синтезируемый в растениях, необходим для роста и развития растений. [22] Бактерии также синтезируют биотин, [23] и считается, что бактерии, живущие в толстом кишечнике, могут синтезировать биотин, который усваивается и используется организмом-хозяином. [18]
Биосинтез начинается с двух предшественников, аланина и пимелоил -КоА. Они образуют 7-кето-8-аминопеларгоновую кислоту (KAPA). KAPA транспортируется из пероксисом растений в митохондрии, где преобразуется в 7,8-диаминопеларгоновую кислоту (DAPA) с помощью фермента BioA. Фермент дезиобиотинсинтетаза катализирует образование уреидного кольца через карбамат DAPA, активированный АТФ, создавая дезиобиотин с помощью фермента BioD, который затем преобразуется в биотин, катализируемый BioB. [24] Последний шаг катализируется биотинсинтазой , радикальным ферментом SAM. Сера предоставляется необычным [2Fe-2S] ферредоксином. [25] В зависимости от вида бактерий биотин может синтезироваться несколькими путями. [24]
Фермент голокарбоксилаза-синтетаза ковалентно присоединяет биотин к пяти ферментам карбоксилазы человека : [4]
Для первых двух биотин служит кофактором, ответственным за перенос бикарбоната в ацетил-КоА , преобразуя его в малонил-КоА для синтеза жирных кислот . PC участвует в глюконеогенезе . MCC катализирует этап метаболизма лейцина . PCC катализирует этап метаболизма пропионил-КоА . [1] [3] [4] Метаболическая деградация биотинилированных карбоксилаз приводит к образованию биоцитина . Это соединение далее деградирует биотинидазой с высвобождением биотина, который затем повторно используется синтетазой голокарбоксилазы. [4]
Биотинилирование гистоновых белков в ядерном хроматине является посттрансляционной модификацией , которая играет роль в стабильности хроматина и экспрессии генов. [4] [8]
Первичный дефицит биотина, то есть дефицит вследствие слишком малого количества биотина в рационе, встречается редко, поскольку биотин содержится во многих продуктах. Субклинический дефицит может вызывать легкие симптомы, такие как истончение волос, ломкость ногтей или кожная сыпь, обычно на лице. [2] [4]
Помимо недостаточного потребления пищи (редко), дефицит биотина может быть вызван генетическим нарушением, которое влияет на метаболизм биотина. Наиболее распространенным из них является дефицит биотинидазы . Низкая активность этого фермента приводит к невозможности переработки биотина из биоцитина . Реже встречаются дефициты карбоксилазы и транспортера биотина. [4] [26] Неонатальный скрининг на дефицит биотинидазы начался в Соединенных Штатах в 1984 году, и во многих странах теперь также проводят тестирование на это генетическое нарушение при рождении. Лечение заключается в пожизненном приеме пищевых добавок с биотином. [1] Если дефицит биотинидазы не лечить, он может быть смертельным. [27]
Низкий уровень биотина в сыворотке и моче не является чувствительным индикатором недостаточного потребления биотина. [4] Однако тестирование сыворотки может быть полезным для подтверждения потребления пищевых добавок, содержащих биотин, и того, достаточно ли длителен период воздержания от приема добавок, чтобы исключить возможность вмешательства в тесты на наркотики. [28] [29] Косвенные меры зависят от потребности в биотине для карбоксилаз. 3-Метилкротонил-КоА является промежуточным этапом в катаболизме аминокислоты лейцина . При отсутствии биотина путь переключается на 3-гидроксиизовалериановую кислоту . Выделение этого соединения с мочой является ранним и чувствительным индикатором дефицита биотина. [2] [4]
Дефицит биотинидазы — это дефицит фермента, который перерабатывает биотин, следствие наследственной генетической мутации. [1] Биотинидаза катализирует расщепление биотина из биоцитина и биотинил-пептидов (протеолитических продуктов распада каждой голокарбоксилазы) и тем самым перерабатывает биотин. [2] Он также важен для высвобождения биотина из биотина, связанного с пищевым белком. [30] Неонатальный скрининг на дефицит биотинидазы начался в Соединенных Штатах в 1984 году, [31] и по состоянию на 2017 год был зарегистрирован как требуемый в более чем 30 странах. [32]
Глубокий дефицит биотинидазы, определяемый как менее 10% от нормальной активности фермента в сыворотке, которая, как сообщается, составляет 7,1 нмоль/мин/мл, имеет частоту от 1 на 40 000 до 1 на 60 000, но с частотой до 1 на 10 000 в странах с высокой частотой близкородственных браков (троюродные братья и сестры или более близкие родственники). Частичный дефицит биотинидазы определяется как от 10% до 30% от нормальной активности в сыворотке. [31] Данные о заболеваемости исходят из обязательного государственного скрининга новорожденных. [32] При глубоком дефиците лечение заключается в пероральном приеме от 5 до 20 мг в день. Сообщается, что судороги разрешаются в течение часов или дней, а другие симптомы разрешаются в течение недель. [31] Лечение частичного дефицита биотинидазы также рекомендуется, хотя у некоторых нелеченных людей симптомы никогда не проявляются. [31] Пожизненное лечение дополнительным биотином рекомендуется как при глубоком, так и при частичном дефиците биотинидазы. [1]
Наследственные метаболические расстройства, характеризующиеся недостаточной активностью биотин-зависимых карбоксилаз, называются множественной недостаточностью карбоксилазы . К ним относятся дефициты ферментов голокарбоксилазы синтетазы . [1] Дефицит голокарбоксилазы синтетазы не позволяет клеткам организма эффективно использовать биотин и, таким образом, препятствует множественным реакциям карбоксилазы. [30] Также может быть генетический дефект, влияющий на натрий-зависимый белок-транспортер поливитаминов. [26]
Биохимические и клинические проявления любого из этих метаболических нарушений могут включать кетолактацидоз , органическую ацидурию , гипераммониемию , сыпь, гипотонию , судороги , задержку развития , алопецию и кому . [4]
Химически модифицированные версии биотина широко используются в биотехнологической промышленности для выделения белков и небелковых соединений для биохимических анализов . [33] Поскольку авидин, полученный из яиц, прочно связывается с биотином с константой диссоциации K d ≈ 10 −15 M, [34] интересующие биотинилированные соединения могут быть выделены из образца, используя это высокостабильное взаимодействие. Во-первых, химически модифицированные реагенты биотина связываются с целевыми соединениями в растворе с помощью процесса, называемого биотинилированием. Выбор используемой химической модификации отвечает за связывание реагента биотина с определенным белком. [33] Во-вторых, образец инкубируют с авидином, связанным с гранулами, затем промывают, удаляя все несвязанные белки, оставляя только биотинилированный белок, связанный с авидином. Наконец, биотинилированный белок может быть элюирован из гранул избытком свободного биотина. [35] В этом процессе также можно использовать стрептавидин, полученный из бактерий и связанный с гранулами, но поскольку он имеет более высокую константу диссоциации, чем авидин, для элюирования биотинилированного белка из гранул необходимы очень жесткие условия, что часто приводит к денатурации интересующего белка. [34]
Когда люди потребляют высокие уровни биотина в пищевых добавках , последствием может стать клинически значимое вмешательство в диагностические анализы крови, которые используют технологию биотин-стрептавидин. Эта методология обычно используется для измерения уровней гормонов, таких как гормоны щитовидной железы , и других аналитов, таких как 25-гидроксивитамин D. Интерференция биотина может давать как ложно нормальные, так и ложно ненормальные результаты. [1] [36] В США биотин в качестве безрецептурной пищевой добавки продается в количествах от 1 до 10 мг на порцию, с заявлениями о поддержке здоровья волос и ногтей, и как 300 мг в день в качестве возможного эффективного лечения рассеянного склероза [37] [38] (см. § Исследования). Чрезмерное потребление 5 мг/день или выше вызывает повышенную концентрацию в плазме, что непредсказуемым образом мешает иммуноанализам биотин-стрептавидин. [28] [29] Медицинским работникам рекомендуется проинструктировать пациентов о необходимости прекратить прием добавок биотина за 48 часов или даже за несколько недель до теста, в зависимости от конкретного теста, дозы и частоты приема биотина. [28] Предлагается руководство для лабораторного персонала по выявлению и устранению помех, связанных с биотином. [29]
В 1916 году WG Bateman заметил, что диета с высоким содержанием сырых яичных белков вызывала токсические симптомы у собак, кошек, кроликов и людей. [39] К 1927 году такие ученые, как Маргарет Боас и Хелен Парсонс, провели эксперименты, демонстрирующие симптомы, связанные с «повреждением яичным белком». Они обнаружили, что у крыс, которым давали большое количество яичного белка в качестве единственного источника белка, наблюдались неврологические нарушения, выпадение шерсти , дерматит и, в конечном итоге, смерть. [40] [41]
В 1936 году Фриц Кёгль и Бенно Тённис задокументировали выделение фактора роста дрожжей в журнальной статье под названием « Darstellung von krystallisiertem biotin aus eigelb ». (Представление кристаллизованного биотина из яичного желтка). [42] Название биотин происходит от греческого слова bios («жить») и суффикса «-in» (общий химический суффикс, используемый в органической химии). [5] Другие исследовательские группы, работавшие независимо, выделили то же самое соединение под разными названиями. Венгерский ученый Пауль Дьёрдь начал исследовать фактор, ответственный за повреждение яичного белка, в 1933 году и в 1939 году успешно идентифицировал то, что он назвал «витамином H» (H представляет Haar und Haut , по-немецки «волосы и кожа»). [43] [44] Дальнейшая химическая характеристика витамина H показала, что он водорастворим и присутствует в больших количествах в печени. [45] После экспериментов, проведенных с дрожжами и Rhizobium trifolii , Уэст и Уилсон выделили соединение, которое они назвали коферментом R. [46] [47] К 1940 году было признано, что все три соединения идентичны и получили общее название: биотин. [48] Дьёрдь продолжил свою работу над биотином и в 1941 году опубликовал статью, демонстрирующую, что повреждение яичного белка было вызвано связыванием биотина с авидином . [49] [50] В отличие от многих витаминов, недостаточно информации для установления рекомендуемой диетической нормы, поэтому диетические рекомендации определяют «адекватное потребление» на основе наилучшей доступной науки с пониманием того, что в какой-то момент это будет заменено более точной информацией. [2] [9] [10]
Используя E. coli , путь биосинтеза был предложен Рольфе и Эйзенбергом в 1968 году. Начальный шаг был описан как конденсация пимелил-КоА и аланина с образованием 7-оксо-8-аминопеларгоновой кислоты. Оттуда они описали трехэтапный процесс, последний из которых представлял собой введение атома серы с образованием тетрагидротиофенового кольца. [51]
Высокая доза биотина (300 мг/день = 10 000 раз больше адекватного потребления ) использовалась в клинических испытаниях для лечения рассеянного склероза , демиелинизирующего аутоиммунного заболевания. [37] [38] Гипотеза заключается в том, что биотин может способствовать ремиелинизации миелиновой оболочки нервных клеток, замедляя или даже обращая вспять нейродегенерацию. Предлагаемые механизмы заключаются в том, что биотин активирует ацетил-КоА-карбоксилазу, которая является ключевым ферментом, ограничивающим скорость синтеза миелина, и путем снижения аксональной гипоксии за счет усиления выработки энергии. [37] [38] Результаты клинических испытаний неоднозначны; обзор 2019 года пришел к выводу, что необходимо провести дальнейшее исследование связи между симптомами рассеянного склероза и биотином, [37] тогда как два обзора 2020 года большего числа клинических испытаний не сообщили о последовательных доказательствах преимуществ, [52] а также о некоторых доказательствах повышенной активности заболевания и более высокого риска рецидива. [53]
В Соединенных Штатах биотин рекламируется как пищевая добавка для укрепления волос и ногтей , хотя научные данные, подтверждающие эти результаты у людей, очень слабы. [3] [54] [55] Обзор литературы о ногтях сообщил об улучшении ломкости ногтей в качестве доказательства двух клинических испытаний до 1990 года, в которых пероральная пищевая добавка принималась по 2,5 мг/день в течение нескольких месяцев, без контрольной группы сравнения с плацебо. Более поздней литературы о клинических испытаниях нет. [54] Обзор биотина как средства лечения выпадения волос выявил тематические исследования младенцев и маленьких детей с генетическим дефектом дефицита биотина, у которых улучшился рост волос после приема добавки, но далее сообщается, что «не было никаких рандомизированных контролируемых испытаний, подтверждающих эффективность добавки с биотином у нормальных здоровых людей». [55] Биотин также включен в местные средства для волос и кожи с аналогичными утверждениями. [56]
Закон о пищевых добавках и образовании 1994 года гласит, что Управление по контролю за продуктами и лекарствами США должно разрешать на этикетке продукта то, что описывается как «Структура:Функция» (S:F) — утверждения о том, что ингредиент(ы) необходимы для здоровья. Например: биотин помогает поддерживать здоровье кожи, волос и ногтей. Если сделано утверждение S:F, этикетка должна включать отказ от ответственности «Это утверждение не было оценено Управлением по контролю за продуктами и лекарствами. Этот продукт не предназначен для диагностики, лечения или предотвращения каких-либо заболеваний». [57]
У крупного рогатого скота биотин необходим для здоровья копыт. Хромота из-за проблем с копытами встречается часто, ее распространенность в стаде оценивается в 10–35%. [58] Последствия хромоты включают меньшее потребление пищи, более низкую продуктивность молока и повышенные расходы на ветеринарное лечение. Результаты через 4–6 месяцев после добавления биотина в дозе 20 мг/день в ежедневный рацион снижают риск хромоты. [58] [59] Обзор контролируемых испытаний показал, что добавление в дозе 20 мг/день увеличило надои молока на 4,8%. В ходе обсуждения было высказано предположение, что это может быть косвенным следствием улучшения здоровья копыт или прямым влиянием на продуктивность молока. [60]
Для лошадей такие состояния, как хронический ламинит, трещины копыт или сухие, ломкие копыта, неспособные удерживать подковы, являются распространенной проблемой. Биотин является популярной пищевой добавкой. Существуют рекомендации, что лошадям необходимо от 15 до 25 мг/день. Исследования показывают, что биотин улучшает рост нового копытного рога, а не улучшает состояние существующего копыта, поэтому для полной замены копытной стенки требуются месяцы приема добавок. [61]
{{cite journal}}
: CS1 maint: DOI inactive as of November 2024 (link)