Флавин как кофермент и пигмент¶

Флавин — собирательное название группы природных гетероциклических соединений на основе изоаллоксазина (7,8-диметилизоаллоксазина), к которой относятся рибофлавин (витамин B₂), его коферментные формы — флавинмононуклеотид (ФМН) и флавинадениндинуклеотид (ФАД), а также ряд производных, выполняющих роль простетических групп флавопротеинов. Название происходит от латинского flavus — «жёлтый»: растворы флавинов имеют характерную жёлто-оранжевую окраску, обусловленную системой сопряжённых двойных связей изоаллоксазинового кольца. Флавины участвуют в окислительно-восстановительных реакциях, перенося электроны и протоны, и входят в состав сотен ферментов у бактерий, растений, грибов и животных.

¶Химическое строение

Основу молекулы флавина составляет трициклическое ядро изоаллоксазина, состоящее из пиримидинового и бензольного колец. Ключевой фрагмент — атомы N1 и N10 и связанная с ними редокс-система, способная обратимо присоединять два электрона и два протона. В зависимости от степени восстановления флавин существует в трёх формах:

• окисленная (хиноидная) — жёлтая, флуоресцирует;
• полувосстановленная (семихинонная, радикальная) — синяя или красная в зависимости от pH;
• полностью восстановленная (гидрохиноидная) — бесцветная.

В положении N10 у природных флавинов находится остаток многоатомного спирта рибита, к которому у ФАД дополнительно присоединён через пирофосфатную связь аденозинмонофосфат. Именно эта боковая цепь обеспечивает прочное связывание кофермента с белком-апоферментом.

¶Формы и коферменты

ФАД и ФМН синтезируются в клетках из рибофлавина при участии ферментов рибофлавинкиназы и ФАД-синтетазы. У человека эти реакции происходят во всех тканях, особенно активно — в печени и слизистой кишечника.

¶Биологическая роль

Флавины — универсальные переносчики электронов. В отличие от НАД и НАДФ, которые работают как растворимые коферменты, ФАД и ФМН чаще прочно связаны с белком и могут участвовать в одно- и двухэлектронных переходах. Основные типы реакций с участием флавопротеинов:

• дегидрирование органических субстратов (сукцинатдегидрогеназа, ацил-КоА-дегидрогеназы);
• окисление аминокислот (L- и D-аминокислотные оксидазы);
• восстановление кислорода с образованием пероксида водорода (глюкозооксидаза, ксантиноксидаза);
• перенос электронов в дыхательной цепи (комплекс II митохондрий);
• фоторецепция у растений и микроорганизмов (криптохромы, фотолиазы).

Флавопротеины задействованы в обезвреживании ксенобиотиков, биосинтезе жирных кислот, метаболизме витаминов и гормонов. Нарушение обмена флавинов у человека связано с гиповитаминозом B₂, проявляющимся поражением слизистых оболочек, ангулярным стоматитом, дерматитом и светобоязнью.

¶История изучения

Первые представления о «жёлтом ферменте» появились в 1879 году, когда немецкий химик Александр Блюм выделил из молочной сыворотки жёлтое флуоресцирующее вещество — лактохром. В 1933 году Отто Варбург и Вальтер Кристиан получили из дрожжей жёлтый пигмент, названный «старым жёлтым ферментом» (альтгельб), и показали его роль в клеточном дыхании. Структура рибофлавина установлена в 1934–1935 годах Паулем Каррером и Рихардом Куном, синтез осуществлён независимо несколькими группами. За работы по витаминам Каррер получил Нобелевскую премию по химии (1937), а Варбург — по физиологии или медицине (1931).

¶Применение

• Медицина и питание. Рибофлавин применяют для профилактики и лечения гиповитаминоза B₂, в составе поливитаминных комплексов, при заболеваниях кожи, глаз и анемиях.
• Пищевая промышленность. Рибофлавин используется как жёлтый пищевой краситель E101, добавляемый в крупы, молочные и кондитерские изделия.
• Биотехнология. Флавопротеины (глюкозооксидаза, лактатоксидаза) применяются в биосенсорах для определения глюкозы и других метаболитов.
• Аналитика. Флуоресценция флавинов используется в микроскопии и флуориметрии для детекции коферментов в клетках.

¶Интересные факты

• Флавины — одни из немногих коферментов, способных стабилизировать свободнорадикальные формы, что используется в ферментативных механизмах с одноэлектронными шагами.
• Криптохромы — флавинсодержащие белки — участвуют в регуляции циркадных ритмов у животных и в магниточувствительности у птиц.
• Некоторые флавины входят в состав рибофлавиновых фоторецепторов, обеспечивающих светозависимые реакции у растений.
• Рибофлавин разрушается под действием ультрафиолета, поэтому продукты, богатые витамином B₂, хранят в защищённой от света таре.