论文部分内容阅读
【摘 要】随着社会的不断发展，我国医疗事业逐渐取得了较大的成绩，维生素B12作为重要的营养物质，已经成为了我国医疗行业中重要的药品。同时，维生素B12还广泛应用于畜牧业和食品行业，成为了国内最受欢迎的药品之一。本文首先介绍了维生素B12的相关含义和特点，其次对维生素B12的合成原理进行了研究，最后介绍了维生素B12的合成过程，以期能够更好的实现维生素B12的生物合成，降低合成的成本。
【关键词】维生素B12;生物合成;基因
一、维生素B12的概述
维生素B12也叫作钴胺素，最早是在1926年从肝的粗匀浆物中提取出来的，随着技术的不断发展，直到1948年，维生素B12在肝和肾的组织中实现了提取和提纯，从而产生了维生素B12的纯品，也识别到了其晶体结构，可以称为目前生物合成的物质中，结构最复杂的小分子结构，维生素B12的分子量较大，分子主要有三部分构成，分别是中心咕啉环、中心环轴向Coβ配基部分及1个含有核苷酸环的Coα配基。中心咕啉环由相连的4个吡咯和1个钴原子组成，钴鏊合在4个吡咯中心。咕啉环轴向上方的配基不同（即Coβ配基不同），则会产生不同形式的钴胺素类物质。维生素B12的主要存在形式是羟基钴胺素（hydrox ycobalamin）、氰基钴胺素（cy anocobalamin）、脱氧腺苷钴胺素（deo xyadeno-sylcobalamin）和甲基钴胺素（methylcobalamin）。但是氰基钴胺素并不是维生素，它是在工业生产维生素的过程中产生的一种附加物质。人体并不能天然形成维生素B12，要通过外界获取该种维生素，关于维生素B12有较多的功能，其中包含参与人体内DNA的形成，促进人体的各项器官的新陈代行，并且还能够保持人体内的神经稳定。因此，人体对于维生素B12的需求十分旺盛，大多的生产商都会通过生物合成的方式进行维生素B12的生产和制作。
二、维生素B12合成相关基因的研究
随着技术的不断发展，维生素B12的合成过程已经被完全的掌握，其中需要用到的合成基因也被掌握，大概有四十多种基因用于了维生素B12的生物合成过程。关于合成相关基因的数据库已经完善，只要输入一种基因的名字，就可以得知其是否是维生素B 12的合成相关基因。不同的合成相关基因有不同的特点，根据不同的特点可以分为厌氧基因和好氧基因。厌氧基因值得是不依赖于ATP的钴鏊合酶存在的基因，主要包含cbiK或cbiX基因。好氧基因主要是依赖于ATP的钴鏊合酶存在的基因，主要包含cobE、cobW、cobF和cobG基因。关于厌氧基因和好氧基因可以采用不同的合成工艺，但是随着不断地研究发现，合成基因不能够仅仅划分为好氧基因和厌氧基因，还包含存在于两者之间的种类，这时候就需要采取不同的合成工艺进行微生物B12的提取。
三、维生素B12的生物合成路径
维生素B12的生物合成过程较为复杂，在合成过程中需要用到合成基因大概三十多个，同样合成的时间较长，本文主要介绍三种维生素B12的合成方法和合成过程。
3.1 5-氨基乙酰丙酸（5-aminolaevulinic acid，ALA）缩合形成尿卟啉原Ⅲ（UroporphyrinogenⅢ）
维生素B12的合成可以通过5-氨基乙酰丙酸进行生物合成，首先可以采用C4的途径进行合成，主要是由琥珀酰辅酶A和甘氨酸缩合产生的物质，然后提取纯度较高的维生素B12。其次，可以采用C5的方式进行提取，这种方式较为复杂，主要是通过谷氨酸的完整碳骨架转化得到，在此过程中需要tRNA和三种酶的参与。维生素B12中心咕啉环的前体是尿卟啉原Ⅲ，该种物质主要是由是5-氨基乙酰丙酸组成的。
3.2催化尿卟啉原Ⅲ（UroporphyrinogenⅢ）合成腺苷钴啉胺酸（Adenosylcobyric acid）
维生素B12合成的关键就是尿卟啉原Ⅲ甲基转移酶，维生素的合成离不开酶的参与，该种酶通过生物合成的过程，逐渐被催化成S-腺苷-L-甲硫氨酸（S-adenosyl-L-methionine，SAM），该种物质上面的2个甲基转移到尿卟啉原Ⅲ分子上，第1个甲基转移到中心环C-2位置形成前咕啉1（preco rrin-1），接着在C-7位置进行第2次甲基化反应，产生前咕啉2（precorrin-2）。至此好氧和厌氧合成路径没有区别，在随后的中心环缩合反应2条合成路径开始出现差异。在好氧路径中，前咕啉2在C-20位再次发生甲基化生成前咕啉3（precorrin-3）。由cobG编码的单加氧酶（monooxy genase）催化2个氧原子加入中心咕啉环的A环，形成了分子内γ-内酯，导致A、D环间的碳原子以乙酸的形式脱去。厌氧路径中，形成前咕啉2后随即发生了钴鏊合反应，形成钴前咕啉2（cobalt precorrin-2）。Cy sG蛋白在维生素B12的厌氧合成过程中具有非常重要的作用，它不但具有转甲基酶活性和催化钴鏊合的能力，同时还具有铁鏊合酶和依赖于NAD/NADH的氧化还原酶活性。相对于好氧合成菌而言，厌氧菌中钴的鏊合较早。最后，与腺苷钴啉酸a，c-二酰胺相连的4个羧基再次发生酰胺化反应，就生成了腺苷钴啉胺酸（Adenosy lcoby ric acid）。至此，带有腺嘌呤核苷酸的中心咕啉环合成完毕。
3.3催化腺苷钴啉胺酸（Adenosylcobyric acid）最终合成腺苷钴胺素（Adenosylcobalamin）
这一部分主要包括与中心咕啉环相连的Coα配基的合成。腺苷钴啉胺酸咕啉环侧链上唯一未酰胺化的羧基与氨丙醇（R-1-amino-2-propanol）的氨基相连形成腺苷钴啉醇酰胺（Adenosylcobinamide）。随后，氨丙醇的羟基发生磷酸化，生成磷酸化腺苷钴啉醇酰胺。磷酸化腺苷钴啉醇酰胺通过磷酸化的侧链与鸟嘌呤核苷酸（GM P）连接就形成了腺苷-二磷酸鸟嘌呤核苷酸-咕啉醇酰胺（Adenosyl-GDP-cobi-namide）。钴胺素合成的最后一步α-ribazole（1-α-D-ribofuranosy l 5，6-dimethy lbenzimidazole）替换腺苷-二磷酸鸟嘌呤核苷酸-咕啉醇酰胺中的鸟嘌呤核苷酸（GMP）。α-ribazole的合成需要二甲基苯并咪唑（5，6-dimethylbenzimidazole，DMB）和煙酸单核苷酸（nicotinic acid mononucleotide，NaMN）的参与。二甲基苯并咪唑（DMB）的前体是核黄素（Ri-boflavin）;烟酸单核苷酸（NaM N）是合成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）过程中的1个中间产物。钴胺素合成酶催化α-ribazole替代腺苷-二磷酸鸟嘌呤核苷酸-咕啉醇酰胺分子中的鸟嘌呤核苷酸（GM P）后就完成了复杂的腺苷钴胺素的合成。
总结
综上所述，维生素B12 作为医药行业、畜牧行业和食品行业常用的维生素，能够为各行各业提供相应的帮助，关于维生素B12 的生物合成过程较为复杂，本文主要介绍了三种方式，主要包括5-氨基乙酰丙酸（5-aminolaevulinic acid，ALA）缩合形成尿卟啉原Ⅲ（UroporphyrinogenⅢ）、催化尿卟啉原Ⅲ（UroporphyrinogenⅢ）合成腺苷钴啉胺酸（Adenosylcobyric acid）、催化腺苷钴啉胺酸（Adenosylcobyric acid）最终合成腺苷钴胺素（Adenosylcobalamin），只有掌握了这三种方式，才能使维生素B12 的生物合成过程可控，满足对于维生素B 12 的需求。
参考文献：
[1]李俊芳.产维生素B12乳酸菌的筛选及生物学特性的研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2007.
（作者单位：河北华北制药华恒药业有限公司）
【关键词】维生素B12;生物合成;基因
一、维生素B12的概述
维生素B12也叫作钴胺素，最早是在1926年从肝的粗匀浆物中提取出来的，随着技术的不断发展，直到1948年，维生素B12在肝和肾的组织中实现了提取和提纯，从而产生了维生素B12的纯品，也识别到了其晶体结构，可以称为目前生物合成的物质中，结构最复杂的小分子结构，维生素B12的分子量较大，分子主要有三部分构成，分别是中心咕啉环、中心环轴向Coβ配基部分及1个含有核苷酸环的Coα配基。中心咕啉环由相连的4个吡咯和1个钴原子组成，钴鏊合在4个吡咯中心。咕啉环轴向上方的配基不同（即Coβ配基不同），则会产生不同形式的钴胺素类物质。维生素B12的主要存在形式是羟基钴胺素（hydrox ycobalamin）、氰基钴胺素（cy anocobalamin）、脱氧腺苷钴胺素（deo xyadeno-sylcobalamin）和甲基钴胺素（methylcobalamin）。但是氰基钴胺素并不是维生素，它是在工业生产维生素的过程中产生的一种附加物质。人体并不能天然形成维生素B12，要通过外界获取该种维生素，关于维生素B12有较多的功能，其中包含参与人体内DNA的形成，促进人体的各项器官的新陈代行，并且还能够保持人体内的神经稳定。因此，人体对于维生素B12的需求十分旺盛，大多的生产商都会通过生物合成的方式进行维生素B12的生产和制作。
二、维生素B12合成相关基因的研究
随着技术的不断发展，维生素B12的合成过程已经被完全的掌握，其中需要用到的合成基因也被掌握，大概有四十多种基因用于了维生素B12的生物合成过程。关于合成相关基因的数据库已经完善，只要输入一种基因的名字，就可以得知其是否是维生素B 12的合成相关基因。不同的合成相关基因有不同的特点，根据不同的特点可以分为厌氧基因和好氧基因。厌氧基因值得是不依赖于ATP的钴鏊合酶存在的基因，主要包含cbiK或cbiX基因。好氧基因主要是依赖于ATP的钴鏊合酶存在的基因，主要包含cobE、cobW、cobF和cobG基因。关于厌氧基因和好氧基因可以采用不同的合成工艺，但是随着不断地研究发现，合成基因不能够仅仅划分为好氧基因和厌氧基因，还包含存在于两者之间的种类，这时候就需要采取不同的合成工艺进行微生物B12的提取。
三、维生素B12的生物合成路径
维生素B12的生物合成过程较为复杂，在合成过程中需要用到合成基因大概三十多个，同样合成的时间较长，本文主要介绍三种维生素B12的合成方法和合成过程。
3.1 5-氨基乙酰丙酸（5-aminolaevulinic acid，ALA）缩合形成尿卟啉原Ⅲ（UroporphyrinogenⅢ）
维生素B12的合成可以通过5-氨基乙酰丙酸进行生物合成，首先可以采用C4的途径进行合成，主要是由琥珀酰辅酶A和甘氨酸缩合产生的物质，然后提取纯度较高的维生素B12。其次，可以采用C5的方式进行提取，这种方式较为复杂，主要是通过谷氨酸的完整碳骨架转化得到，在此过程中需要tRNA和三种酶的参与。维生素B12中心咕啉环的前体是尿卟啉原Ⅲ，该种物质主要是由是5-氨基乙酰丙酸组成的。
3.2催化尿卟啉原Ⅲ（UroporphyrinogenⅢ）合成腺苷钴啉胺酸（Adenosylcobyric acid）
维生素B12合成的关键就是尿卟啉原Ⅲ甲基转移酶，维生素的合成离不开酶的参与，该种酶通过生物合成的过程，逐渐被催化成S-腺苷-L-甲硫氨酸（S-adenosyl-L-methionine，SAM），该种物质上面的2个甲基转移到尿卟啉原Ⅲ分子上，第1个甲基转移到中心环C-2位置形成前咕啉1（preco rrin-1），接着在C-7位置进行第2次甲基化反应，产生前咕啉2（precorrin-2）。至此好氧和厌氧合成路径没有区别，在随后的中心环缩合反应2条合成路径开始出现差异。在好氧路径中，前咕啉2在C-20位再次发生甲基化生成前咕啉3（precorrin-3）。由cobG编码的单加氧酶（monooxy genase）催化2个氧原子加入中心咕啉环的A环，形成了分子内γ-内酯，导致A、D环间的碳原子以乙酸的形式脱去。厌氧路径中，形成前咕啉2后随即发生了钴鏊合反应，形成钴前咕啉2（cobalt precorrin-2）。Cy sG蛋白在维生素B12的厌氧合成过程中具有非常重要的作用，它不但具有转甲基酶活性和催化钴鏊合的能力，同时还具有铁鏊合酶和依赖于NAD/NADH的氧化还原酶活性。相对于好氧合成菌而言，厌氧菌中钴的鏊合较早。最后，与腺苷钴啉酸a，c-二酰胺相连的4个羧基再次发生酰胺化反应，就生成了腺苷钴啉胺酸（Adenosy lcoby ric acid）。至此，带有腺嘌呤核苷酸的中心咕啉环合成完毕。
3.3催化腺苷钴啉胺酸（Adenosylcobyric acid）最终合成腺苷钴胺素（Adenosylcobalamin）
这一部分主要包括与中心咕啉环相连的Coα配基的合成。腺苷钴啉胺酸咕啉环侧链上唯一未酰胺化的羧基与氨丙醇（R-1-amino-2-propanol）的氨基相连形成腺苷钴啉醇酰胺（Adenosylcobinamide）。随后，氨丙醇的羟基发生磷酸化，生成磷酸化腺苷钴啉醇酰胺。磷酸化腺苷钴啉醇酰胺通过磷酸化的侧链与鸟嘌呤核苷酸（GM P）连接就形成了腺苷-二磷酸鸟嘌呤核苷酸-咕啉醇酰胺（Adenosyl-GDP-cobi-namide）。钴胺素合成的最后一步α-ribazole（1-α-D-ribofuranosy l 5，6-dimethy lbenzimidazole）替换腺苷-二磷酸鸟嘌呤核苷酸-咕啉醇酰胺中的鸟嘌呤核苷酸（GMP）。α-ribazole的合成需要二甲基苯并咪唑（5，6-dimethylbenzimidazole，DMB）和煙酸单核苷酸（nicotinic acid mononucleotide，NaMN）的参与。二甲基苯并咪唑（DMB）的前体是核黄素（Ri-boflavin）;烟酸单核苷酸（NaM N）是合成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）过程中的1个中间产物。钴胺素合成酶催化α-ribazole替代腺苷-二磷酸鸟嘌呤核苷酸-咕啉醇酰胺分子中的鸟嘌呤核苷酸（GM P）后就完成了复杂的腺苷钴胺素的合成。
总结
综上所述，维生素B12 作为医药行业、畜牧行业和食品行业常用的维生素，能够为各行各业提供相应的帮助，关于维生素B12 的生物合成过程较为复杂，本文主要介绍了三种方式，主要包括5-氨基乙酰丙酸（5-aminolaevulinic acid，ALA）缩合形成尿卟啉原Ⅲ（UroporphyrinogenⅢ）、催化尿卟啉原Ⅲ（UroporphyrinogenⅢ）合成腺苷钴啉胺酸（Adenosylcobyric acid）、催化腺苷钴啉胺酸（Adenosylcobyric acid）最终合成腺苷钴胺素（Adenosylcobalamin），只有掌握了这三种方式，才能使维生素B12 的生物合成过程可控，满足对于维生素B 12 的需求。
参考文献：
[1]李俊芳.产维生素B12乳酸菌的筛选及生物学特性的研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2007.
（作者单位：河北华北制药华恒药业有限公司）