Funkcije

Funkcije biotina su:

  • Proizvodnja energije
  • Metabolizam masnih kiselina i aminokiselina
  • Regulacija gena i stanična signalizacija

Holokarboksilaza sintetaza

Biotin se mora, da bi djelovao, kovalentno vezati na specifične enzime koje se nazivaju karboksilaze, a sam proces vezanja biotina naziva se biotinilacija. Biotin se veže na ε-amino skupinu lizinskog aminokiselinskog ostatka proteina (enzima), čime se stvara biotinil-ε-amino-lizin, tj. biocitin. Ovu modifikaciju katalizira enzim holokarboksilaza sintetaza, a djeluje tako na sve karboksilaze kojima je potreban biotin. Holokarboksilaza sintetaza se nalazi u citosolu i u mitohondriju, dok se sve karboksilaze na koje djeluje ovaj enzim nalaze u mitohondriju, osim acetil-CoA karboksilaze koja se nalazi u citosolu. Nije do danas poznato da li se biotin veže na mitohondrijske enzime prije ili poslije premještanja u mitohondrij.[1-6]

Biotin kao koenzim karboksilaza

Karboksilaze kojima je potreban biotin za djelovanje uključuju acetil-CoA karboksilazu (I i II), piruvat karboksilazu, propionil-CoA karboksilazu i metilkrotonil-CoA karboksilazu. Sve karboksilaze kataliziraju dvostupanjsku reakciju ugradnje bikarbonata, u obliku karboksilne skupine (-COOH), na supstrat. 

Acetil-CoA karboksilaza

Raspoznajemo dvije acetil-CoA karboksilaze, acetil-CoA karboksilazu I i acetil-CoA karboksilazu II. Acetil-CoA karboksilaza I nalazi se u citosolu i katalizira reakciju karboksilacije acetil-CoA pri čemu nastaje malonil-CoA, proces važan u sintezi masnih kiselina. Acetil-CoA karboksilaza II se nalazi na vanjskoj membrani mitohondrija i kontrolira oksidaciju masnih kiselina u mitohondriju uz pomoć inhibitornog učinka malonil-CoA na prijenos masnih kiselina u mitohondrij.[1-7]

Piruvat karboksilaza

Piruvat karboksilaza katalizira reakciju karboksilacije piruvata pri čemu nastaje oksaloacetat koji se onda pretvara u fosfoenolpiruvat, te je stoga ovaj enzim bitan za glukoneogenezu. Glukoneogeneza je metabolički put sinteze glukoze iz neugljikohidratnih supstrata kao što su laktat, glicerol i glukogene aminokiseline. Također, oksaloacetat je intermedijer ciklusa limunske kiseline, te se reakcija koju provodi piruvat karboksilaza smatra bitnom anaplerotskom reakcijom. Naime, kada stanica ima višak ATP-a, glavne molekule koja prenosi energiju, tada se oksaloacetat koristi za stvaranje glukoze procesom glukoneogeneze. Međutim, kada stanici nedostaje ATP-a tada oksaloacetat ulazi u ciklus limunske kiseline kojim se stvara energija. Također, piruvat karboksilaza je bitna i za proces lipogeneze, tj. sinteze masnih kiselina koje se sintetiziraju u citosolu, a započinje karboksilacijom acetil-CoA u malonil-CoA. Acetil-CoA nastaje oksidativnom dekarboksilacijom piruvata u mitohondriju te se on stoga mora prenijeti  u citosol. Unutrašnja mitohondrijska membrana ne može propustiti acetil-CoA, pa se u citosol umjesto acetil-CoA prenosi citrat. Djelovanjem enzima citrat liaze iz citrata nastaju acetil-CoA i oksaloacetat. Acetil-CoA se koristi dalje u sintezi masnih kiselina, a oksaloacetat se treba vratiti u mitohondrij. Stoga se oksaloacetat reducira u malat, koji se dalje oksidativno dekarboksilira u piruvat. Nastali piruvat se prenosi u mitohondrij te se karboksilira, uz pomoć piruvat karboksilaze, u oksaloacetat, koji ponovo ulazi u ciklus limunske kiseline. Ovom reakcijom se dobiva i NADPH, koji je također potreban za sintezu masnih kiselina.[1-7]

Propionil-CoA karboksilaza

Propionil-CoA karboksilaza je važna za metabolizam aminokiselina izoleucina, valina i metionina, čijom razgradnjom nastaje propionil-CoA. Također, važna je i za metabolizam kolesterola te masnih kiselina s neparnim brojem ugljikovih atoma.  Naime, propionil-CoA karboksilaza katalizira proces karboksilacije propionil-CoA pri čemu nastaje metilmalonil-CoA. Metilmalonil-CoA se tada, uz pomoć vitamina B12, izomerizira u sukcinil-CoA. Sukcinil-CoA ulazi u ciklus limunske kiseline čime se proces razgradnje propionil-CoA nastalog katabolizmom aminokiselina i masnih kiselina nastavlja.[1-7]

β-Metilkrotonil-CoA karboksilaza

β-Metilkrotonil-CoA karboksilaza je važna za katabolizam aminokiseline leucina. Tijekom katabolizma leucina, stvara se -metilkrotonil-CoA, koji se karboksilira uz pomoć β-metilkrotonil-CoA karboksilaze pri čemu nastjae β-metilglutakonil-CoA. β-Metilglutakonil-CoA se dalje katabolizira pri čemu nastaju acetoacetat i acetil-CoA.[1-7]

Regulacija gena i stanična signalizacija

Histoni su proteini koji se vežu za DNA i pakiraju je u kompaktne strukture, nukleosome, važne strukturne dijelove kromosoma. Međutim, kompaktna struktura DNA se mora opustiti da bi se mogli odvijati procesi replikacije i transkripcije. Poznato je da modifikacija histona, procesima acetilacije (vezanje acetilne skupine) i metilacije (vezanje metilne skupine), utječe na strukturu histona, a time i na procese replikacije i transkripcije DNA. Novija istraživanja pokazuju da biotin također, procesom biotinilacije, ima utjecaj na regulaciju replikacije i transkripcije DNA. Biotin se veže na histone također uz pomoć biotinidaze i holokarboksilaze sintetaze, kao i u slučaju biotinilacije karboksilaza. Svojim vezanjem na histone, biotin zapravo ima važnu ulogu i u proliferaciji stanica, utišavanju gena i popravku DNA.  Međutim, biotin ne utječe samo na stišavanje gena nego i na njihovu ekspresiju. Mnogi od tih gena su uključeni u staničnu signalizaciju. Naime, biotin povećava djelovanje guanilil ciklaze, čime se i povećava proizvodnja cikličkog guanozin monofosfata, važne signalne molekule. Također, biotin potiče ekspresiju (transkripciju) raznih enzima, kao na primjer glukokinaze, enzima koji katalizira pretvorbu glukoze u glukozu-6-fosfat. Ova reakcija je važna za uklanjanje viška glukoze iz krvi i njeno skladištenje u obliku glikogena, a također je bitna i za proces razgradnje glukoze, glikolize.[1-6,8-10]

"Literatura"

1. Friedrich, W. (1988) Vitamins, Walter de Gruyter, Berlin.

2. McDowell, L.R. (2000) Vitamins in animal and human nutrition, Iowa State University Press, Iowa.

3. Bender, D.A. (2003) Nutritional biochemistry of the vitamins, Cambridge University Press, Cambridge.

4. Zempleni, J., Rucker, R.B., McCormick, D.B., Suttie, J.W. (2007) Handbook of vitamins, CRC Press Taylor & Francis Group, Boca Raton.

5. Combs, G.F.  (2008) The vitamins: fundamental aspects in nutrition and health, Elsevier Academic Press, Burlington.

6. Grooper, S.S., Smith, J.L., Groff, J.L. (2009) Advanced nutrition and human metabolism, Wadsworth Cengage Learning, Belmont.

7. Lynen, F. (1967) The role of biotin-dependent carboxylations in biosynthetic reactions. Biochem. J. 102, 381–400.

8. Kothapalli, N., Camporeale, G., Kueh, A. (2005) Biological functions of biotinylated histones. J. Nutr. Biochem. 16, 446-448.

9. Hassan, Y.I., Zempleni, J. (2006) Epigenetic Regulation of Chromatin Structure and Gene Function by Biotin. J. Nutr. 136, 1763–1765.

10. Hassan, Y.I., Zempleni, J. (2008) A novel, enigmatic histone modification: biotinylation of histones by holocarboxylase synthetase. Nutr. Rev. 66, 721–725.