Биотехнологическое производство витамина В12

Введение

Витамины (от лат. Vita – жизнь) - группа органических соединений разнообразной химической природы, необходимых для питания человека, животных и других организмов в ничтожных количествах по сравнению с основными питательными веществами (белками, жирами, углеводами и солями), но имеющих огромное значение для нормального обмена веществ и жизнедеятельности.

Первоисточником витаминов служат главным образом растения. Человек и животные получают витамины непосредственно с растительной пищей или косвенно – через продукты животного происхождения. Важная роль в образовании витаминов принадлежит также микроорганизмам. Например, микрофлора, обитающая в пищеварительном тракте жвачных животных, обеспечивает их витаминами группы В. Витамины образуют в организме большое количество разнообразных производных (например, эфирные, амидные, нуклеотидные и др.), которые, как правило, соединяются со специфическими белками, выступая в роли коферментов. Наряду с ассимиляцией, в организме постоянно осуществляется диссимиляция витаминов, причем продукты их распада, а иногда и малоизмененные молекулы витаминов выводятся наружу. Недостаточность снабжения организма витаминами ведет к его ослаблению, резкий недостаток витаминов – к нарушению обмена веществ и заболеваниям – авитаминозам, которые могут закончится гибелью организма. Авитаминозы могут возникать не только от недостаточного поступления витаминов с пищей, но и вследствие нарушения процессов их усвоения и использования организмом.

Основоположник учения о витаминах русский врач Н. И. Лунин установил (1880), что при кормлении белых мышей только искусственным молоком, состоящим из казеина, жира, лактозы и солей, животные погибают. Следовательно, в натуральном молоке содержатся другие вещества, незаменимые для питания. В 1912 году польский врач К. Функ предложил само название «Витамины», обобщил накопленные к тому времени экспериментальные и клинические данные и пришел к выводу, что такие заболевания, как рахит, цинга, пеллагра, бери-бери, - болезни витаминной недостаточности. С этого времени наука о витаминах (витаминология) начала интенсивно развиваться, что объясняется значением витаминов не только для борьбы со многими заболеваниями, но и для познания сущности ряда жизненных явлений. Метод обнаружения витаминов, примененный Луниным (содержание животных на специальной диете – вызывание экспериментальных авитаминозов), был положен в основу исследований.

Краткий исторический очерк

Витамин В12, пожалуй, самый сложный из всех витаминов, впервые заявил о себе научному миру, когда в 1926-м году американские врачи Джордж Мино и Уильям Мэрфи обнаружили, что включение в состав питания больших количеств полусырой печени оказывает лечебное воздействие при злокачественной анемии. Однако попытки выделения антианемического фактора к успеху не привели. Лишь в конце 40-ых годов Мэри Шорб обнаружила вид бактерий, рост которых зависел от этого фактора, благодаря чему у ученых появилась возможность оценивать содержание витамина в данном субстрате по скорости роста колонии. В 1948 г. Э. Лестер Смит (Англия), а также Эдвард Рикес и Карл Фолкерс (США) получили витамин В12 в кристаллическом виде.

Однако потребовалось еще десять лет для того, чтобы методом рентгеноструктурного анализа определить его структуру, которая оказалась чрезвычайно сложной. За расшифровку структуры витамина В12 (1955 г.) Дороти Ходжкин была присуждена нобелевская премия.

Номенклатура корриноидов

Рисунок 1. Структура корриноидов.

R1=OH – кобириновая кислота; R-NH2; R1=OH – кобировая кислота; R-OH; R1-остаток 1-амино-2-пропанола – кобиновая кислота; R=NH2; R1-остаток 1-амино-2-пропанола – кобинамид; R=OH; R1-остаток D-рибофуранозил-З-фосфата – кобамовая кислота; R-NH2: R1=остаток D-рибофуранозил-З-фосфата – кобамид

 
Цианкобаламин относится к классу корриноидов - производных коррина, структура которого родственна порфирину. Однако, наряду с близостью их структур, имеются два важных химических различия между этими макроциклами. В то время как порфирин содержит систему из 12 сопряженных двойных связей, коррин состоит из частично восстановленных пиррольных (пирролиновых) гетероциклов. Корриновое кольцо содержит 6 двойных связей, входящих в состав линейной сопряженной системы, включающей 12 из 15 атомов, составляющих внутренний контур макроцикла. Корриновое кольцо сужено по сравнению с порфириновым. Если в порфирине каждая пара пиррольных колец отделена метиновыми мостиками, то в коррине кольца А и D соединены непосредственно связью между α-положениями. Поэтому внутренний контур корринового макроцикла содержит на один атом углерода меньше, чем порфириновый.

Рисунок 2. Нумерация атомов в молекуле цианкобаламина.

 
В соответствии с номенклатурой корриноидов, утвержденной в 1975 г. Международной комиссией по биохимической номенклатуре, органический экваториальный лиганд, состоящий из четырех восстановленных пиррольных колец с атомом кобальта в центре, назван коррином, а соединения его содержащие - корриноидами. Гептакарбоновая кислота, изображенная на рис. 1, названа кобириновой кислотой. Карбоксильные группы обозначены буквами а-g, как показано на этом рисунке. a,b,c,d,e,g-гексаамид кобириновой кислоты назван кобировой кислотой. Кобиновая кислота является амидом кобириновой кислоты с D-1-амминопропанолом-2 в положении f; его гексаамид назван кобинамидом. Кобамовая кислота является фосфодиэфирным производным кобиновой кислоты, в котором гидроксил 2 положения аминопропанола замещен остатком α-D-рибофуранозил-З-фосфата; его гексаамид назван кобамидом. Кобамиды, которые имеют 5,6-диметилбензимидазольный лиганд, связанный гликозидной связью через N1 с С1 рибофуранозы, называются кобаламинами. Корриноиды, имеющие в α-аксиальном положении вместо 5,6-дииметилбензимидазола другие основания, также называются кобамидами.

Химия витамина В12

Витамин B12 кристаллизуется в виде темно-красных игл или призм; цвет варьирует в зависимости от величины кристаллов. Кристаллы темнеют при 210-220°, но не плавятся при температуре ниже 3000Ц. Первыми установленными константами были показатели преломления, а именно α = 1,616, β = 1,652, γ = 1,664. Кристаллографические измерения показывают, что кристаллы относятся к орторомбической системе и имеют призматическую форму. При кристаллизации из водного раствора и из смеси воды с ацетоном они содержат значительное, но изменчивое количество непрочно связанной кристаллизационной воды. Ее можно удалить нагреванием при пониженном давлении, причем кристаллы не теряют своей формы. После этого обезвоженный материал может снова поглощать влагу из атмосферного воздуха в количестве 10-12%; это и есть тот продукт, который обычно выпускается под названием витамина B12 и зарегистрирован в фармакопеях Англии и США. Витамин B12 довольно хорошо растворим в воде (около 1,2% при комнатной температуре), а также в низших спиртах, в низших алифатических кислотах и в фенолах, но нерастворим во многих других органических жидкостях. Он практически не растворяется в пиридине и других третичных аминах, но растворим в некоторых жидких или расплавленных амидах, например в ацетамиде и диметилформамиде. Витамин является левовращающим веществом, но интенсивная, окраска затрудняет измерение оптического вращения. Витамин B12 обладает диамагнитными свойствами, что указывает на трехвалентное состояние кобальта.

Обычно витамин выделяют из микробной массы или животных тканей, используя растворы, содержащие цианид-ионы, играющие роль шестого лиганда кобальта. Однако сам цианкобаламин метаболически не активен. В состав ферментов входит соединение, в котором цианогруппа замещена остатком 5-дезоксиаденозина или метильным радикалом.

Структура витамина  В12

Биосинтез витамина  В12  осуществляется культурами актиномицетов и бактерий. Наибольший промышленный интерес представляют пропионовокислые бактерии, в частности Propionibacterium shermanii. Витамин удерживается в клетках пропионовокислых бактерий на протяжении всего процесса ферментации. Наивысшая продуктивность бактерий в отношении витамина  В12   отмечается у молодой культуры. Наибольшее количество витамина  синтезируется в анаэробных условиях культивирования. Особенно вредное влияние на биосинтез оказывает выращивание бактерий в аэробных условиях в начале культивирования. Что касается роста,  то в аэробных условиях бактерии накапливают не меньше биомассы,  чем в анаэробных.

Как известно,  молекула витамина  В12   состоит из двух частей: кобальтсодержащей (порфириноподобной) и нуклеотидной.

Порфириноподобная структура является хромофорной , для нее  характерно наличие атома кобальта и цианогруппы, образующих координационный комплекс. Четыре из шести лигандных положений этого комплекса занято четырьмя атомами азота тетрапирролподобной  корриновой кольцевой  системы. Одна позиция соединена с азотом нуклеотидного основания, последняя из названных позиций содержит в качестве заместителя CN-группу.  Корриновая структура, как и все порфирины, состоит из четырех азотистых гетероциклов типа пиррола, соединенных системой конъюгированных двойных связей.  В целом хромофорное ядро молекулы витамина наиболее близко по строению к уропорфирину III. Это сходство особенно проявляется в отношении природы и порядка положения боковых цепей в пиррольных кольцах. Однако в отличие от порфиринов молекула витамина В12 более восстановлена и содержит 6 дополнительных метильных групп, стабилизирующих восстановленное состояние всего макро кольца.     –Заместителями в молекуле витамина  В12 являются амиды уксусной ипропионовой кислот, а не свободные кислоты. Кольца А и D соединены ковалентной связью непосредственно, а не через метиновый мостик. Пропионамид кольца содержит изопропаноламинный остаток, являющийся частью нуклеотидного лиганда.

Рисунок 3. Структура цианкобаламина.

Нуклеотидное ядро состоит из пуринового основания, рибозы и остатка фосфорной кислоты. Нуклеотидное ядро соединяется с кобальтом через азот основания и с корриновым кольцом – через аминопропаноловый мостик, который обычно выделяют как самостоятельный  структурный элемент молекулы. Пуриновоеоснование соединено с рибозой необычный N-  - гликозидной связью в отличие от N-  - гликозидной связи, которая, как правило, встречается в нуклеозидах природных пуринов и пиримидинов. Основание нуклеотида,  5,6-диметилбензимидазол, не найдено в других природных соединениях, кроме в витамине В12.

В отличие  от стабильного химического состава корринового кольца состав нуклеотидного ядра  варьирует. Наряду с витамином В12,который называют цианокобаламином, могут синтезироваться его аналоги: окси-, хлоро-, сульфато-, нитрито-кобаламины. Если в нуклеотидной части молекулы вместо 5,6-диметилбензимидазоласодержится аденин, метиладенин,  гипоксантин или их производные, вещество не обладант биологической активностью для человека и животных. Его называют псевдовитамином. Преимущество получения витамина В12 с помощью пропионовокислых бактерий по сравнению с получением этого витамина с помощью актиномицетов заключается в том, что первые синтезируют исключительно истинный витамин  В12.

Изучение производных витамина В12 синтезируемых пропионовокислым бактериями,позволило установить, что он находится в основном в так называемой коэнзимной форме, которая составляет до 75-80% суммы кобамидов. Эти формы характеризуются тем, что место цианогруппы занимает молекула 5- дезоксиаденозина, присоединенная к атому кобальта Со-С-связью.

Цианокобаламин не обладает конзимной активностью и после введения в организм человека должен трансформироваться в свою коэнзимную  форму. Однако при некоторых патологических состояниях организма этого превращения не происходит. Признано, что применение коэнзимной формы В12 для медицинских целей более оправдано, нежели цианокобаламина. Признанная формула витамина B12 – C63H88O14N14PCo.

Кобаламины

Первые химические данные о витамине B12 содержались в одновременных сообщениях из лаборатории Глаксо и Мерка, в которых указывалось на присутствие в его молекуле кобальта и фосфора. Самые ранние английские публикации касались второго красного фактора, появляющегося на хроматограммах наряду с витамином B12; Этот фактор был получен в кристаллическом виде Пирсом и его Сотрудниками в лаборатории Ледерле и был назван витамином B12b. Тем временем исследователи из лабораторий Мерка описали витамин В12а как вещество, образующееся при обработке витамина В12 водородом в присутствии платинового катализатора. Позже он оказался идентичным витамину В12b. В лабораториях Глаксо было описано еще одно родственное соединение – витамин B12c. В 1950 г. отношения между этими "витаминами B12" выяснились в результате почти одновременных сообщений из лабораторий "Органон" (Голландия) и Мерка, в которых было показано, что витамин B12 содержит группу цианида, соединенную координационной связью с кобальтом. Группу цианида можно было удалить фотолизом или путем восстановления в определенных условиях с выходом витамина B12a, который, как предполагали, содержит на месте цианида гидроксильную группу. При обработке водным раствором цианида витамин B12a быстро превращается в тот пурпурный дицианидный комплекс, который возникает из самого витамина B12. После подкисления вторая группа цианида теряется и остается витамин B12. Для всей молекулы B12, исключая группу цианида, был предложен термин "Кобаламин", так что витамин B12 стал называться цианкобаламином, а витамин B12a оксикобаламином. Эта терминология получила широкое признание.

Путем обработки витамина B12a различными кислотами удалось получить ряд других аналогов. К ним относится витамин B12c, содержащий группу азотистой кислоты; он был назван нитриткобаламином, или нитрокобаламином. По-видимому, витамин B12a обычно существует не в форме оксикобаламина, а в форме аквокобаламина, молекула которого содержит нейтральную молекулу воды, что сообщает всему координационному комплексу основные свойства; это согласуется с данными о том, что соединение титруется как основание. Можно получить другие основные кобаламины, содержащие вместо воды молекулу аммиака или некоторых аминов. Кроме этих основных и нейтральных соединений, существует еще класс кислых кобаламинов. Из них наиболее известно пурпурное вещество, образующееся при добавлении избытка цианида, к витамину B12. Оно содержит 2 молекулы цианида, соединенные координационными связями с кобальтом. Бивен и сотр. получили довольно убедительные спектроскопические данные о наличии координационной связи между свободным атомом азота в бензиминазоле и кобальтом. Избыток цианида разрывает ее, по-видимому, потому, что ион цианида образует с металлом более прочную координационную связь. Дицианосоединение, однако, устойчиво только в щелочном растворе. Дицианкобаламин легко замещает цианогруппу на ОН-, NO2-, SO3-, Cl-, Br-, SCN- и пр. Все производные в присутствии цианид-ионов превращаются в цианкобаламин.

Устойчивость и взаимопревращения различных классов Кобаламинов изучали с помощью изотопов и другими методами. Все эти вещества без исключения превращаются в витамин B12 под действием цианида. Неудивительно поэтому, что все они обнаруживают биологическую активность в отношении микроорганизмов, а также животных и больных пернициозной анемией, хотя некоторые из них менее активны, чем цианкобаламин.

До сих пор мы рассматривали витамин В12 как нейтральное вещество, хотя в действительности это чрезвычайно слабое основание. Это обнаружилось еще в ранних исследованиях при титровании в растворах уксусной кислоты.