Tiamiini

Kemia

Tiamiini on orgaaninen yhdiste, joka on kationina fysiologisessa pH:ssa (pH ~7.4). Se koostuu 4-metyylin ja 5-etanolin sitovasta tiatsolirenkaasta (4-metyyli-5-hydroksietyylitiatsolista), jonka typpeen on kiinnittynyt 5-metyleenisillan kautta pyrimidiinirengas, jossa on lisäksi 2-metyyli ja 6-amiini (2,5-dimetyyli-6-aminopyrimidiini).
Tiamiinilla on useita vitamiinina toimivia johdannaisia. Eräs näistä on rasvaliukoinen benfotiamiini. Muita on ovat esimerkiksi alla käsitellyt disulfidit.

Fosfaattiesterit (TMP, TDP, TTP)

Tiamiinin OH-ryhmässä voi olla perättäin 3 fosfaattia. Jos fosfaatteja on 1, 2 tai 3, muodostuu vastaavasti tiamiinimonofosfaatti, tiamiinidifosfaatti tai tiamiinitrifosfaatti. Näitä kutsutaan vastaavasti lyhentein TMP, TDP ja TTP. TDP:tä kutsutaan myös tiamiinipyrofosfaatiksi eli TPP:ksi. Nämä kaikki voivat eliöissä yleensä muuntua toisikseen entsymaattisesti.

Vapaaemäs

Fosfaattivapaan tiamiinin vapaaemäs kestää alle pH 5:ssä jopa 120–130 °C:n lämpötiloja, mutta on epävakaa neutraaleissa ja erityisesti yli pH 8:ssa. Tällöin se hajoaa lähinnä hapettumalla, ja sen liuokset muuntuvat kellertäviksi moninaisista hapettumistuotteista, joita ovat mm. tiamiinidisulfidi ja tiokromi. Tiamiinilla on 2 maksimiabsorbanssia aallonpituuksilla 235 ja 267 nm. Noin pH 3:ssa sillä on vain 1 maksimi 246 nm:ssä. Tätä UV-säteilyn absorptiota voidaan käyttää spektrofotometriseen pitoisuusmittaukseen, mutta menetelmä on epätarkka. Se ei lisäksi ole kovin herkkä, ja tiamiinipitoisuuden tulee mittauksessa olla suuri.

Suolat

Tiamiinisuolat ovat kuivana vakaita. Siksi niitä käytetään lisäravinteissa, mutta myös ruuissa. Yleisimmät lisätyt suolat ovat tiamiinin mononitraatti (CAS 532-43-4) ja tiamiinin kloridi hydrokloridi (CAS 67-03-8), jota kutsutaan usein vain "tiamiinihydrokloridiksi". Mononitraatti on hydrokloridia vakaampi ja vähemmän hygroskooppinen, jonka vuoksi usein sitä käytetään ravintolisänä hydrokloridin sijaan.
Mononitraatti on valkeaa tai hiukan kellertävää kiteistä jauhetta. Siinä on vieno haju ja kitkerä maku. Se on niukasti vesiliukoista (~27 g/l, 25 °C), ja vähäliukoista metanoliin, etanoliin ja kloroformiin. Se ei liukene dietyylieetteriin. Se ei sula, vaan hajoaa lämpötilassa 198 °C. Sen tiheys on noin 0,35 g/cm³.
Hydrokloridi on hygroskooppinen, valkea, kiteinen ja lähes hajuton jauhe. Se on täysin vesiliukoinen (~1 kg/l), liukoinen glyseroliin (~56 g/l), vähäliukoinen metanoliin ja etanoliin, ja liukenematon mm. dietyylieetteriin, asetoniin ja bentseeniin. Se ei sula, vaan hajoaa 248–250 °C lämpötilassa. Sen vesiliuokset ovat happamia ja tiheys ~0,4–0,51 g/cm³.

Disulfidit

Tiamiinidisulfidissa (CAS 67-16-3) kahden tiamiinin välinen disulfidisidos niiden aukinaisten tiatsolirenkaiden rikkien välillä. Aine on hieman liukoinen mm. veteen, bentseeniin ja asetoniin. Se on fluoresoimaton, kellertävä ja kiteinen. Aine ei kuitenkaan nieltynä imeydy ja muunnu tehokkaasti vitamiinina toimivaksi tiamiiniksi.
Tiamiinista on useita keinotekoisia rasvaliukoisia disulfideja. Näitä on myös joissain kasveissa kuten sipuleissa. Disulfideissa aukinaiseen tiatsolirenkaaseen on disulfidisidoksella kiinnittynyt esim. allyyli (allitiamiini), propyyli (prosultiamiini) tai tetrahydrofurfuryyli (fursultiamiini). Punasoluissa nämä pelkistyvät glutationin vaikutuksesta ja muuntuvat sitten spontaanisti tiamiiniksi tiatsolirenkaan sulkevassa reaktiossa. Rasvaliukoisuuteensa perustuvan hyvän imeytymisen vuoksi niitä käytetään hoitona vakavaan tiamiinin puutokseen esim. alkoholisteilla.

Reaktiot

Tiamiini muuntuu emäksisissä liuoksissa hapettimen, esim. kaliumferrisyanidin, vaikutuksesta keltaiseksi tiokromiksi, jonka absorption maksimi on 375 nm, ja joka fluoresoi voimakkaasti sinisenä – emissiomaksimi on 432–435 nm. Reaktio on yleinen tiamiinin ja sen fosfaattiesterien läsnäolon osoittamiseksi mm. ruoka- ja kudosnäytteistä. Tällä voidaan myös määrittää tiamiinipitoisuus spektrofotometrisesti. Usein muilla näytteiden biomolekyyleillä ei ole vastaavia optisia ominaisuuksia samanlaisissa olosuhteissa. Lisäksi tiamiini reagoi pinkeiksi tai punertaviksi spektrofotometriseen analyysin sopiviksi johdannaisiksi diatsotoidun sulfaniilihapon, formaldehydin tai para-aminoasetofenonin kanssa. Nämä vaihtoehtoiset reaktiot ovat mm. vähemmän herkempiä.
Tiamiininäytteet yleensä preparoidaan happohydrolyysillä tai entsyymeillä, kuten tiaminaasien (kohta: tiaminaasit) tai muiden fosfataasien avulla. Tutkittavat aineet erotetaan ioninvaihtokromatografialla, kaasukromatografialla tai HPLC:llä. Analyysi tehdään fluoresenssiin tai UV-absorptioon perustuen, tai liekki-ionisaattorilla. Mikrobin kasvukykyyn perustuvassa mittauksessa käytetään usein Lactobacillus viridescens-bakteereita (kanta: ATCC 12706).
Yli pH 6 sulfiittiliuoksissa tiamiini katkeaa nopeasti ja peruuttamattomasti kahtia toimimattomaan muotoon sen metyleenisillasta (–CH₂–). Reaktiolla on merkitystä ruokateollisuudessa, jossa käytetään sulfiitteja säilöntäaineina. Kloori (esim. kloorattu vesi) nopeuttaa samanlaisia reaktioita.

Imeytyminen

Tiamiini imeytyy tiettävästi kaikilla eläimillä pohjukaissuolesta ja ohutsuolen alkupäästä aktiivisella kuljetuksella eli energiaa kuluttaen suolen tiamiinipitoisuuden ollessa pieni, noin <2 µM. Aktiivisen kuljetuksen teho ei riitä suurissa pitoisuuksissa (>2 µM). Tällöin imeytyminen tapahtuu pääosin passiivisella diffuusiolla. Aktiivisen kuljetuksen pyrkimyksenä on taata jatkuva tiamiinin saanti vaikka sitä olisi ruuassa vähän. Aktiivinen kuljetus taas on rajoittunutta, jotta tiamiinia ei oteta kehoon yli tarpeen – tämä kuluttaisi turhaan energiaa.
Aktiivinen kuljetus tapahtuu ThTr1- ja ThTr2-välitteisesti. ThTr1 ja 2 ovat solukalvon lävistäviä kalvoproteiineja, joiden geenit ovat vastaavasti SLC19A2 ja SLC19A3. Tiamiinin fosfaattiesterit defosforyloituvat entsymaattisesti vapaaemäksiksi ennen niiden ThTr-kuljetusta kalvon läpi. ThTr2 sijaitsee solukalvon ulkopuolella. Emäksen saapuessa soluun ThTr2:n kautta, protoni (H⁺) siirtyy samalla suoleen. ThTr1:iä on solussa veren puolella. Lähinnä ne siirtävät emäksiä vereen ottaen samalla H⁺ verestä sisään soluun. ThTr1:t ovat näistä kahdesta proteiinista pääasiallisia tiamiinin kuljettajia, sillä emäkset voivat fosforyloitua suolen sisäpinnan soluissa TDP:ksi tai TMP:ksi. Nämä voivat kulkeutua ThTr1:lle vaihtoehtoista reittiä pitkin RFC1-kalvoproteiinin (geeni SLC19A1) kautta vereen. RFC1 osallistuu myös folaattien kuljetukseen. Lisäksi ThTr1:ien toimimattomuus harvinaisessa TRMA-oireyhtymässä ei johda ihmisillä tiamiinin puutokseen.
Aktiiviseen kuljetukseen osallistuvat tiettävästi myös tietyt orgaaniset kationikuljettajat, OCT:t (eng. organic cation transporter), jotka ovat antiporttereita ja kuuluvat SLC22A-proteiinien superperheeseen. OCT:itä on useita, eikä tiedetä mikä niistä osallistuu tiamiinin kuljetukseen. Kuljetukseen osallistuvat myös ALP-kalvoproteiinit (eng. alkaline/acid phosphatases).

Varastoituminen

Tiamiini ei varastoidu kehoon ylimäärin. Sen saannin loppuessa, puutosoireet ilmenevät ihmisillä muutamassa viikossa. Aikuisilla ihmisillä kehossa on noin 30 mg tiamiinia, josta puolet on lihaksissa. Kaikesta tiamiinista noin 4/5-osaa on entsyymeissä TDP-koentsyyminä. Ihmisillä mm. sydämessä tiamiinipitoisuus on 0.28–0.79 mg/100 g, munuaisissa 0.24–0.58 mg/100 g, maksassa 0.20–0.76 mg/100 g ja aivoissa 0.14–0.44 mg/100 g. Tiamiinin puutoksessa pisimpään sen loppuminen kestää aivoista.

Hajotus ja erittyminen

Ihmisillä tiamiinin puoliintumisaika vaihtelee kudoksesta toiseen, mutta se on noin 10–20 päivää. Ylimääräinen tiamiini erittyy nopeasti pois kehosta virtsan mukana – lähinnä tiamiinin vapaaemäksenä ja TMP:nä. Tiamiinin aineenvaihduntatuotteita tunnetaan kymmenittäin: niitä ovat muiden muassa 2-metyyli-4-amino-5-pyrimidiinikarboksyylihappo ja 4-metyylitiatsoli-4-etikkahappo.

Tiaminaasit

Tiaminaasi-entsyymit hajottavat tiamiinia. Tyypin I tiaminaaseja on mm. makean veden kalojen elimiä ympäröivässä rasvassa, äyriäisissä ja simpukoissa, joissain merikaloissa ja mikrobeissa. Harvinaisempia tyypin II tiaminaaseja on lähinnä joissain mikrobeissa. Molemmat katkaisevat tiamiinin metyylisillan muodostaen pyrimidiini- ja tiatsoliyhdisteitä, mutta eri mekanismein. Tiaminaasit ovat toimimattomia ehjissä kudoksissa, mutta aktivoituvat solujen hajotessa. Bakteerien tiaminaasit ovat tosin eksoentsyymeitä: ne ovat sitoutuneena bakteerien solukalvoihin ja vaikuttavat siten joka tapauksessa bakteerin ulkopuoliseen ympäristöön. Tiaminaasien toiminnalla voi olla merkitystä ruuan säilytyksessä, valmistuksessa ja jopa sulamisessa suolistossa. Tiaminaasit usein menettävät toimivuutensa kuumennettaessa, eikä niillä siten ole merkitystä tavanomaisissa ihmisten ruokavaliossa. Eläimillä raaka ruoka voi kuitenkin johtaa puutokseen.

Antagonistit

Tunnetaan useita tiamiinin antagonisteja jotka siis estävät tiamiinin toimintaa kehossa – usein ottamalla sen paikan entsyymeissä ja tehden entsyymeistä toimimattomia. Oksitiamiini (CAS 136-16-3) on antagonisti, jossa tiamiinin amiini (–NH₂) on korvautunut OH-ryhmällä. Aine ei läpäise veri-aivoestettä, joten se ei aiheuta tiamiinin puutosta keskushermostossa, ainoastaan muualla kehossa. Pyritiamiini (CAS 534-64-5) taas on keskushermostoonkin pääsevä antagonisti, joka aiheuttaa siten nopeasti keskushermoston tiamiinin puutoksesta johtuvaa ataksiaa ja kouristuksia. Edeltäviä aineita käytetään tutkimuksessa. Kolmas esimerkki taas on amprolium, joka on heikko antagonisti. Sitä käytetään lintujen kuten kanojen kokkidioosi-tautiin. Aine on vahva antagonisti taudin bakteereille ja tappaa ne, muttei tapa lintuja.

Liikasaanti

Euroopan elintarviketurvallisuusvirasto EFSA ei ole asettanut tiamiinin päiväsaannille ylärajaa. Tiamiini on verrattain turvallinen aine, sillä keho rajoittaa sen imeytymistä. Vasta noin satakertaisesti suositellun päiväsaannin ylittävät määrät (noin 100 milligrammaa) aiheuttavat ihmisillä allergisia reaktioita, päänsärkyä, heikkoutta ja kouristuksia. Koe-eläinten kuolemia hengityskatkoon on todettu annoksilla, jotka ovat noin tuhat kertaa riittävää päiväannosta suurempia.

Puutos

Tiamiinin puutos ravinnossa johtaa beriberiin. Puutostaudin oireisto tunnetaan jo muun muassa muinaisesta Kiinasta ja Malaijien saaristostakin 1600-luvulta, mutta sen syytä ei tunnettu ennen 1800-luvun loppua. Puutos jaetaan usein kuivaan ja kosteaan beriberiin, joiden erona on se, että edellistä hallitsevat neurologiset oireet, jälkimmäistä sydämen vajaatoiminnasta johtuvat turvotukset.
Puutos on länsimaissa harvinainen, ja sitä esiintyy lähinnä alkoholisteilla ravinnon puutteellisuuden vuoksi. Heillä valtaosan ravintoenergiasta korvaavat alkoholijuomat, joissa on vähän timiinia. Lisäksi alkoholijuoman etanoli estää tiamiinin imeytymistä suolistosta. Alkoholismissa tiamiinin puute voi ilmetä Wernicken enkefalopatiana tai Korsakoffin oireyhtymänä. Näiden ilmetessä yhdessä samalla henkilöllä tilaa kutsutaan Wernicke-Korsakoffin oireyhtymäksi. Muita sairauksia, jotka liittyvät tiamiinin puutokseen ja joskus lisäksi alkoholismiinkin, ovat aivosillan myelinolyysi (eng. central pontine myelinolysis) ja Marchiafava–Bignamin tauti. Länsi-Afrikassa kasvavan Anaphe venata -yöperhosen toukkien syönti aiheuttaa tiamiinipuutosta niissä runsain määrin olevien tiamiinia hajottavien tiaminaasi-entsyymien vuoksi – tila tunnetaan tässä yhteydessä Afrikan kausiluonteisena ataksiana (eng. African seasonal ataxia).
Itämeren lohissa esiintyvä M74-oireyhtymä johtuu tiamiinin puutteesta, jonka takia kalojen jälkeläiset kuolevat ruskuaispussivaiheessa. 1930-luvulla Yhdysvalloissa kettutarhauksessa raa'an kalan ruokinta ketuille aiheutti niillä tiamiinin puutosta kalojen tiaminaasien takia – tilaa kutsuttiin Chastekin paralyysiksi.

Nimet ja historia

Varhaisimmat kirjalliset kuvaukset tiamiininpuutoksesta eli beriberistä ovat nykyisen Kiinan alueelta. Esimerkiksi alkemiaa harrastanut ylhäisön jäsen Ge Hong (281–341) kuvaili 300-luvulla kirjoittamassa kirjassaan Zhou hou bei ji fang (eng. Emergency Formulas to Keep up Your Sleeve) sairautta nimeltä jiao qi, jossa jiao tiettävästi tarkoitti jalkaa. Sairaus aiheutti muun muassa tunnottomuutta, heikkoutta ja turvotusta jaloissa. Hän kuvaili tilan paranevan esimerkiksi soijaviinillä ja marunayrteillä, mutta aiheuttavan kuoleman ilman hoitoa. Jiao qin tiedetään nykyään olevan sama tila kuin beriberi. Muita varhaisia kuvauksia jiao qistä ovat Chao Yuanfangin (550–630) kuvaukset kirjassaan Zhu bing yuan hou lun (eng. Sources and Symptoms of All Diseases) ja Sun Simiaon (581–682) kuvaukset kirjassaan Bei ji qian jin yao fang (eng. Essential Emergency Formulas Worth a Thousand in Gold).
Jiao qi päätyi käsitteenä japanin kieleen viimeistään 500-luvulla. Japaniksi sana kirjoitetaan muodossa 脚気, joka japanilaisen lausumistapansa vuoksi kirjoitetaan latinalaisin aakkosin usein muodossa kakke. Taas beriberi-sanan alkuperä on tuntematon. Sen on esitetty olevan peräisin malaijin, sinhalin, hindin tai arabian kielestä. Portugalilaiset olivat ensimmäisiä Intiaan siirtokuntia perustaneita eurooppalaisia. Siten eräs varhaisimmista eurooppalaisten kirjaamista beriberihavainnoista ovat portugalilaisen historioitsija Diogo do Couton 1568 kirjoittamat kuvaukset nykyisen Intian alueelta. Paikalliset kutsuivat Gouton mukaan sairautta nimellä berbere. Eräs toinen tunnettu tautia kuvannut varhainen eurooppalainen oli alankomaalainen lääkäri Jacob de Bondt. Hän kirjoitti 1642 kirjassaan De medicina Indorum beriberistä, jota hän oli havainnut Länsi-Intian saaristossa.
1880-luvulla beriberi alkoi yleistyä Japanissa. Tuolloin Japanin armeijan sotilaista kymmenillä tuhansilla oli beriberi ja Venäjän-Japanin sodan aikana 1904–1905 sairastapausten määrä oli lähes 200 000. Vuonna 1882 japanilainen Takaki Kanehiro esitti beriberin johtuvan liian yksinkertaisesta ja "vähätyppisestä" ruokavaliosta. Hän todisti ensimmäisenä laajoissa kokeissa normaalisti lähes pelkkää valkoista riisiä syövillä japanilaisilla sotilailla monipuolisemman ruuan parantavan tilan. Vuonna 1897 Christiaan Eijkman havaitsi kanoilla suorittamissaan eläinkokeessa beriberin aiheutuvan täysin kuoritusta eli valkoisesta riisistä. Tumma riisi eli osin kuorimaton riisi ruuassa paransi tilan. Hän esitti virheellisesti riisin tärkkelyksen olevan suurissa määrin myrkyllistä ja jonkin kuorien aineen toimivan "vastamyrkkynä". Vuonna 1901 Gerrit Grijns esitti Eijkmanille teoriansa, jonka mukaan riisin kuorissa olisi yksittäinen aine, joka on välttämätön ravintoaine, eikä tärkkelys olisikaan myrkyllistä. Tiamiinin esitettiin siis olevan olemassa 1897 tai 1901 tulkinnasta riippuen. Nimeä "tiamiini" tästä toistaiseksi vielä hypoteettisesta aineesta alettiin käyttämään vasta paljon myöhemmin. Aluksi nimenä oli vain "antineuriittinen vitamiini".
1910 Umetarō Suzuki ja 1911 Kazimierz Funk eristivät tiamiinin epäpuhtaana. Molemmat tunnistivat sen olevan aine, joka estää beriberiä. 1912 K. Funk nimesi löydöksensä vitamiiniksi eli elintärkeäksi amiiniksi (eng. vital amine). B₁ taas tulee Cornelia Kennedyn 1916 keksimästä tavasta jakaa vitamiinit, joita tunnettiin tuolloin vain 2, rasvaliukoiseksi A:ksi ja vesiliukoiseksi B:ksi. Esitellessään nimeämistavan, eivät hän ja kollegat käyttäneet kirjainten ohessa liitettä "vitamiini", sillä he pitivät tätä elintärkeyteen viittaavaa sanaa löydetyille aineille liian suuren painoarvon antavana nimenä. A-vitamiini löydettiin ennen tiamiinia. Numero 1 tulee myös löytymisjärjestyksestä. Riboflaviini (B₂-vitamiini) löydettiin 1927. 1928 Tiamiini ja riboflaviini nimettiin ensi kerran vitamiineiksi B₁ ja B₂.
1926 Barend Coenraad Petrus Jansen ja Willem Frederik Donath eristivät tiamiinin hyvin puhtaana suolana. 1933 mennessä tiamiinin empiirinen kaava oli selvillä lähinnä Robert Runnels Williamsin kokeiden ansiosta.
1935 B. C. P. Jansen ehdotti tiamiinille nimeä aneuriini sen havaittujen hermotulehdusta estävien eli anti-neuriittisten (aneuristen) vaikutusten vuoksi. Hän piti myös vitamiinien nimiä B₁, B₂, C, D₁, D₂ jne. epäloogisina, koska esimerkiksi B-vitamiinit eivät ole keskenään toiminnoiltaan tai kemialtaan samanlaisia. Samanlaista nimeämistapaa seuraavat D₁- ja D₂-vitamiinit taas ovat kaikin puolin samankaltaisia. Nimeä aneuriini käytettiin vain lyhyen aikaa ja lähinnä vain Isossa-Britanniassa.
1935 R. R. Williams ehdotti B₁-vitamiinille nimeä tiamiini. Etuliite tulee kreikan kielen sanasta rikki, thios, ja pääte vitamiinista. Williams halusi löydetyn aineen kuvastavan sen oletettua kemiallista rakennetta. Aneuriini taas kuvasti sen biologisia ominaisuuksia, jotka tunnettiin huonosti. Lisäksi Williamsin mukaan aneuriini saattaisi antaa virheellisen käsityksen siitä, että aine voisi liittyä jotenkin aneurysmaan. 1936 R. R. Williams selvitti tiamiinin rakenteen. 1936 R. R. Williams ja J. K. Cline syntetisoivat tiamiinin.