Витами́нами B12 называют группу биологически активных веществ — кобаламинов, которые относятся к корриноидам, содержат в структуре атом кобальта (III) и являются хелатными соединениями.

Витами́нами B12 называют группу биологически активных веществ — кобаламинов, которые относятся к корриноидам, содержат в структуре атом кобальта (III) и являются хелатными соединениями[1][2].

В научной литературе под витамином B12 обычно подразумевают цианокобаламин, который свободно преобразуется в одну из коферментных форм в человеческом организме[3]. В форме цианокобаламина в организм человека поступает основное количество витамина B12, при этом он не является синонимом B12, несколько других соединений также обладают B12-витаминной активностью[4]. Витамин B12 также называется внешним фактором Касла[5].

В природе продуцентами этого витамина являются бактерии и археи, в растениях и животных не синтезируется[6].

История открытия

Впервые влияние недостатка какого-либо вещества на развитие анемии обнаружил исследователь Уильям Мёрфи в эксперименте на собаках, у которых была искусственно вызвана анемия. Подопытные собаки, которым давали в пищу большое количество печени, излечивались от анемии. Впоследствии учёные Джордж Уипл и Джордж Майнот поставили перед собой задачу выделить из печени фактор, непосредственно отвечающий за это лечебное свойство. Это им удалось, новый противоанемийный фактор получил название витамина B12, и все трое учёных в 1934 году были удостоены Нобелевской премии по медицине[7].

Молекулярную химическую структуру цианокобаламина установила Дороти Кроуфут-Ходжкин в 1956 году по данным рентгеноструктурного анализа[8].

Химическое строение

К кобаламинам относятся[1][9]:

  • собственно цианокобаламин (Co-α-[α-(5,6-диметил-бензимидазолил)]-(Co-β-циано)кобамид; CN-Cbl; С63H89O14N14PCo), в котором с кобальтом связывается CN−-группа, наиболее устойчивое соединение, синтезируемое или образующееся при искусственном выделении из живых организмов, в естественных условиях не встречается;
  • гидроксокобаламин (или оксикобаламин, или витамин B12a: Co-α-[α-(5,6-диметил-бензимидазолил)]-(Co-β-гидроксо)кобамид; OH-Cbl; C62H90O15N13PCo), в котором CN− заменена на OH−-группу, природная активная форма витамина B12, присутствующая в организмах животных, обратимо превращается в кислой среде в аквакобаламин[10];
  • аквакобаламин (или витамин B12b: Co-α-[α-(5,6-диметил-бензимидазолил)]-(Co-β-аква)кобамид; aq-Cbl; C62H91O15N13Pco) продуцируется микроорганизмами, обратимо превращается в щелочной среде в гидроксокобаламин;
  • нитрокобаламин (или витамин B12c), в котором CN− заменена на ONO−-группу;
  • коферментные формы витамина B12: метилкобаламин и кобаламид[11];
  • диаквакобинамид[12].

В природе обнаружены либо искусственно синтезированы кобаламины и с другими лигандами: сульфатокобаламин (SO3−), хлорокобаламин (Cl−), бромокобаламин (Br−), тиоцианатокобаламин (SNC−), дицианокобаламин [(RCo—CN)CN]−. Возможно образование гексаперхлората цианокобаламина. Витамин B12с образуется из витамина B12b под воздействием азотистой кислоты, также синтезируется Streptomyces griseus[англ.]. Все производные кобаламина проявляют биологическую активность витамина B12. При взаимодействии с CN−, производные превращаются в цианокобаламин. В кислой среде из цианокобаламина образуется биологический низкоактивный циано-13-эпикобаламин (неовитамин B12) в котором пропионамидная группа в кольце «C» (с метильной группой) коррина пространственно расположена с другой стороны. При одноэлектронном восстановлении молекулы цианокобаламина образуется устойчивый в кристаллическом состоянии витамин B12t c двухвалентным атомом кобальта, при двухэлектронном восстановлении получается витамин B12s , устойчивый в водных растворах и под воздействием кислорода воздуха превращающийся в витамин B12a/B12b в зависимости от pH раствора. Для получения меченых радиоизотопных молекул цианокобаламина либо добавляют радиоактивный изотоп 60Co при культивировании микроорганизмов, либо добавляют к оксикобаламину синильную кислоту с изотопом 14С[2].

B12 имеет самое сложное по сравнению с другими витаминами химическое строение, основой которого является корриновое кольцо. Коррин во многом похож на порфирины (сложные химические структуры, входящие в состав гема, хлорофилла и цитохромов), но отличается от порфиринов тем, что два пятичленных гетероцикла в составе коррина соединены между собой непосредственно, а не метиленовым мостиком. В центре корриновой структуры располагается ион кобальта, образующий четыре координационные связи с атомами азота. Ещё одна координационная связь соединяет кобальт с диметилбензимидазольным нуклеотидом. Последняя, шестая координационная связь кобальта остаётся свободной: именно по этой связи и присоединяется цианогруппа, гидроксильная группа, метильный или 5'-дезоксиаденозильный остаток с образованием четырёх вариантов витамина B12, соответственно. Ковалентная связь углерод—кобальт в структуре цианокобаламина — единственный известный в живой природе пример ковалентной связи переходный металл — углерод.

Получение витамина B12

До освоения синтеза витамина B12 он мог добываться экстракцией из печени животных. Сначала печень, а затем её экстракт использовались в лечении пернициозной анемии[13].

Химический синтез

Полный химический синтез цианокобаламина[англ.] впервые был осуществлён в 1972 году в результате многолетней совместной работы двух исследовательских групп (одна из которых, руководимая Робертом Вудвордом, работала в Гарварде, а другая, возглавляемая Альбертом Эшенмозером, в Швейцарском федеральном технологическом институте в Цюрихе). Первые работы над синтезом витамина B12 были начаты ещё в начале 60-х годов 20 века. На разработку общей стратегии синтеза и саму работу ушло более 10 лет. В ходе планирования синтеза молекула была условно разделена на два основных фрагмента, синтезом которых и занимались группы, руководимые Вудвордом и Эшенмозером. Особая сложность синтеза биологически активного витамина B12 была обусловлена, в частности, наличием в корриновом кольце 9 хиральных (оптически активных) атомов углерода. В общей сложности в работах по синтезу на протяжении ряда лет участвовали порядка 100 учёных из примерно 20 стран, а сама разработанная схема синтеза включала 95 стадий[14][15]. Успешный полный синтез соединения столь сложной структуры явился выдающимся достижением синтетической органической химии и на практике продемонстрировал принципиальную возможность химического синтеза «любого» природного соединения, вне зависимости от сложности строения его молекулы.

Микробиологическое производство

Для получения препаратов витамина B12 (в основном цианокобаламина) в промышленных масштабах для нужд медицины и сельского хозяйства используется микробиологическое производство. Для производства применяют микроорганизмы и их штаммы-мутанты, такие как[9][16]:

  • для медицинских препаратов — Propionibacterium[англ.] shermanii (штамм М-82 с выходом продукта до 58 мг/л), Propionibacterium freudenreichii[англ.], Pseudomonas denitrificans[англ.] (штамм MB 2436 с выходом продукта до 59 мг/л). Используется глубинное культивирование;
  • для кормовых концентратов витамина B12 — Methanococcus[англ.] halophilus (с выходом продукта 16—42 мг/л, в питательные среды также добавляются пивные или кормовые дрожжи в качестве источника некоторых питательных веществ и создания благоприятной культуральной среды для метанобразующих бактерий, а также для обогащения кормов витаминами B2, B6, PP). Используется метод ферментации. При производстве также образуются сопутствующие балластные продукты, такие как фактор A, фактор B (предшественник витамина — кобинамид), фактор III (5-оксибензилиндазол), псевдовитамин B12 и ряд подобных.

Промышленное производство витамина B12 с помощью пропионовокислых бактерий включает следующие технологические стадии[17]:

  • в течение года в железобетонных ферментерах происходит непрерывное сбраживание барды комплексом бактерий;
  • полученная метановая бражка сгущается;
  • сгущённая масса сушится на распылительной сушилке.

Из-за того, что витамин B12 неустойчив при тепловой обработке, особенно в щелочной среде, в метановую бражку перед выпариванием добавляют хлор до оптимального значения pH 5,0—5,3, что делает среду кислой, также добавляется сульфит натрия до оптимального содержания 0,07—0,1 %[17].

Метаболизм в организме

В желудке желудочный сок растворяет связанный с белками пищи B12. Формы в таблетках могут проходить через желудок, но для всасывания свободного B12 (не связанного с белками пищи) желудочный сок не нужен. В желудке вырабатывается внутренний фактор Касла, необходимый для всасывания B12 в кишечнике[18]. R-протеин (другие названия — гаптокоррин и кобалофилин) — связывающий B12 белок слюны, но действовать он начинает в желудке после того, как желудочный сок высвободит B12 из белкового комплекса, тогда этот протеин связывается с ним для того, чтобы сам B12 также не был разрушен желудочным соком[19]. Затем B12 соединяется с внутренним фактором Касла — ещё одним связывающим белком, который синтезируется париетальными клетками желудка, его выработка стимулируется гистамином, гастрином, пентагастрином и непосредственно пищей. В двенадцатиперстной кишке протеазы высвобождают B12 из комплекса с R-пептидом, затем B12 связывается с внутренним фактором, и только в таком связанном с внутренним фактором виде он распознаётся рецепторами поглощающих энтероцитов подвздошной кишки. Внутренний фактор защищает B12 от поедания кишечными бактериями[20].

Закись азота нарушает метаболизм витамина B12, поэтому при использовании закиси азота для анестезии (например, при стоматологических операциях) и пограничном уровне витамина B12 развивается полинейропатия, вызванная дефицитом B12[21][22]. Также в зоне риска находятся люди, постоянно работающие с закисью азота, в случае плохого уровня проветривания помещений[22]. Подобный дефицит требует терапии фолатами и B12.