Витамины В12 и В15

Введение

Lascante ogni speranza voi ch’entrate!

Dante

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.

Оба витамина, которым посвящен этот реферат, впервые  были обнаружены в экстрактах печени высших животных. Действие обоих из них связано с переносом метильной группы от одной молекулы к другой, причем пангамовая кислота может являться донором метильной группы, а витамин В₁₂ – промежуточным переносчиком. Однако если относительно принадлежности цианкобаламина к витаминам споров не возникает, то причисление к ним пангамовой кислоты оспаривается большинством ученых. В «Энциклопедическом Химическом Словаре», например, утверждается, что факт принадлежности пангамовой кислоты к витаминам не доказан, Березовский в своей книге «Химия Витаминов» приводит статью о пангамовой кислоте в заключающей книгу рубрике «Некоторые биологически активные вещества». Вообще сведения о витамине В₁₅, доступные мне, оказались весьма скудны и в основном затрагивают вопросы его клинического применения в ущерб химическим свойствам.

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.

Витамин В₁₅ (пангамовая кислота) был впервые обнаружен в 1950-м году Томиямой в экстракте печени быка. Название пангамовой кислоты происходит от латинских корней «пан» - всюду и «гами» - семя, так как позже она была обнаружена в составе семян огромного количества растений.

Номенклатура корриноидов

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.

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.

Строение

Признанная формула витамина B₁₂ – C₆₃H₈₈O₁₄N₁₄PCo. Молекулу можно подразделить на две основные части, известные как "планарная группа" и "нуклеотид"; вторая часть лежит в плоскости, почти перпендикулярной к плоскости первой части, которая обладает очень большим, хотя и неполным, сходством с порфиринами Центральный атом кобальта соединен с четырьмя восстановленными пиррольными кольцами, образующими макрокольцо. Три из четырех соединений между кольцами образованы мезоуглеродным атомом (углеродным мостиком), характерным для порфиринов. Однако в четвертом месте соединения существует прямая связь между двумя α-углеродными атомами колец D и А. Макрокольцо содержит 6 сопряженных двойных связей, образующих единую сопряженную систему.

У 13 из 19 углеродных атомов, составляющих макрокольцо, водород полностью  замещен метильными группами или  длинными боковыми цепями – либо ацетамидными, либо пропионамидными радикалами

В отличие от нуклеотидов нуклеиновых  кислот так называемый нуклеотид витамина B₁₂ не содержит пурина или пиримидина. Вместо них основанием служит 5,6-диметилбензиминазол. Сахар представлен рибозой, но с α-гликозндпой связью, опять-таки в отличие от β-связи в нуклеиновых кислотах. Рибоза фосфорилирована при 3-м атоме углерода. Фосфат образует эфирную группу с 1-амино-2-пропиловым спиртом, который, кроме того, соединен амидной связью с цепью пропионовой кислоты при кольце D. Наконец, атом кобальта несет CN-группу (в цианкобаламине) и соединен координационной связью с одним из атомов азота в бензиминазоле, образуя, таким образом, второй мостик между двумя частями молекулы. Полагали, что третий гидроксил фосфатной группы тоже этерифицирован, пока не стало ясно, что неустойчивость триэфиров фосфорной кислоты исключает такую структуру. Витамин B₁₂ является по существу внутренней солью; отрицательный заряд на атоме фосфора нейтрализован положительным зарядом на координационном комплексе кобальта.

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 B_12b. Тем временем исследователи из лабораторий Мерка описали витамин В_12а как вещество, образующееся при обработке витамина В₁₂ водородом в присутствии платинового катализатора. Позже он оказался идентичным витамину В_12b. В лабораториях Глаксо было описано еще одно родственное соединение – витамин B_12c. 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 B_12a, который, как предполагали, содержит на месте цианида гидроксильную группу. При обработке водным раствором цианида витамин B_12a 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 B_12a оксикобаламином. Эта терминология получила широкое признание.

Путем обработки витамина B_12a различными кислотами удалось получить ряд других аналогов. К ним относится витамин B_12c, содержащий группу азотистой кислоты; он был назван нитриткобаламином, или нитрокобаламином. По-видимому, витамин B_12a 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.

Кислотный гидролиз витамина B₁₂

При обработке витамина B₁₂ неорганическими кислотами в различных условиях получено много продуктов расщепления. Одним из первых был идентифицирован аммиак, образующийся при гидролизе амидных групп. Химическое изучение концентратов антипернициозного фактора привело к предположению, что он представляет собой вещество полипептидной природы. Однако при исследовании кислотных гидролизатов обычным методом хроматографии на бумаге в чистых образцах кристаллического витамина не нашли никаких признаков наличия α-аминокислот. Тем не менее, группа исследователей из Британской палаты медицинских препаратов обнаружила на хроматограмме пятно, дающее нингидриновую реакцию^*; эта реакция была обусловлена не аминокислотой, а пропаноламином.