Синтез биотина

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. История получения биотина

2. Потребность человека и содержание в продуктах

3. Физические и химические свойства

4. Методы синтеза биотина

Заключение

Список использованных источников

Введение

Биотин необходим для человека, животных, растений и большого числа микроорганизмов. Он является фактором роста для многих штаммов, а также многих грибов и бактерий. Однако некоторые дрожжи, грибы и бактерии способны его синтезировать. Потребность в биотине у птиц и животных покрывается за счет синтеза его бактериями желудочно-кишечного тракта. У коров, овец и лошадей, содержащихся на обычном рационе, практически исключена недостаточность биотина. У свиней и птиц недостаточность биотина может создаваться при использовании кормов, бедных витаминами.

Биотин представляет собой водорастворимый витамин группы В. Также имеет названия - витамин Н, витамин В7. Несмотря на то, что в настоящее время влияние биотина на обменные процессы в организме человека изучено недостаточно, есть положительные сообщения о применении его в практике лечения кожных заболеваний у взрослых и детей.

1. История открытия биотина

Более 60 лет назад Wilidiers показал, что для обеспечения жизнедеятельности Дрожжевых клеток в искусственную питательную среду необходимо внести какое-то органическое вещество (фактор роста). Этот фактор роста он предложил назвать «биосом» (от греч. «bios» -- жизнь). Изучение природы «биоса» привело к заключению, что «биос» представляет собой комплекс факторов роста, отличающихся друг от друга по физико-химическим свойствам. Экстракты, содержащие «биос», при обработке уксуснокислым свинцом разделялись на две биологически активные фракции. Фракция, выпадавшая в осадок, была названа «биос I», а фракция, остававшаяся в растворе, получила название «биос II». В 1928 г. «биос I» выделен из чая и идентифицирован как инозит. В 30-х годах «биос II» подвергался тщательному изучению и был разделен на две фракции -- «биос IIа» и «биос IIb» -- путем адсорбции последней на животном угле.

Kogi предложил назвать «биос IIb» прото «биосом II» или биотином, а фракцию «биос IIа» -- «биосом III». В 1935--1936 гг. Kogi и Tonnies впервые выделили кристаллический биотин из желтка яиц. Для этой цели они использовали 250 кг желтков яиц и получили 100 мг биотина с температурой плавления 148°. Позже было найдено, что некоторые виды Rhizobium требуют для своего роста какое-то органическое вещество, присутствующее в культурах Azotobacter в гидролизованных дрожжах и других естественных источниках. Это вещество получило название «ко-энзим Р». Сравнительное изучение действия на рост Rhizobium «ко-энзима Р» и кристаллического препарата биотина показало, что оба вещества обладают одинаковыми биологическими свойствами.

В 1931 г. Gyorgy (Gyorgy, 1954) в опытах на крысах обнаружил, что ряд естественных источников содержит вещество, предохраняющее животных от заболевания, вызываемого избытком белка яиц, и предложил назвать его витамином H. 1939 г. он получил препарат витамина Н из печени. В процессе изучения физико-химических свойств препаратов витамина Н и распространения его в естественных источниках возникла мысль об идентичности витамина Н и биотина. Экспериментальная проверка показала, что наиболее очищенные препараты витамина Н полностью заменяют ко-энзим Р при испытании на культурах Rhizobium tritolii и биотин при испытании на дрожжах. С другой стороны, коэнзим Р или биотин полностью заменял витамин Н при испытании на животных. Таким образом, витамин Н и биотин полностью идентичны. Дальнейшие исследования дали возможность установить химическое строение биотина и осуществить его синтез.

2. Потребность человека и содержание в продуктах

Биотин широко распространен в природе. Он обнаружен у микроорганизмов, растений и животных. Содержание его определено в различных систематических группах животных: простейших, насекомых, рыб, земноводных, птиц, млекопитающих. Наиболее высокий уровень биотина обнаружен в личинках насекомых и наименьший -- у пресмыкающихся. Рекордное количество (6,81 мкг/г) найдено в печени акулы. Содержание биотина в организме животных не зависит от принадлежности животного к определенной систематической группе. Анализ тканей показал большое различие в содержании биотина в органах одного и того же животного. Наиболее богаты витамином печень, почки, надпочечники; сердце и желудок содержат среднее, а мозговая ткань, легкие и скелетные мышцы --минимальное количество биотина.

В таблице 1 приведено содержание биотина в различных продуктах животного и растительного происхождения.

Таблица 1 - Содержание биотина в пищевых продуктах

Наиболее богаты витаминами свиная и говяжья печень, почки, сердце быка, яичный желток, а из продуктов растительного происхождения--бобы, рисовые отруби, пшеничная мука и цветная капуста. В животных тканях и дрожжах биотин находится преимущественно в связанном с белками виде, в овощах и фруктах -- в свободном состоянии.

Биотин необходим для человека, животных, растений и большого числа микроорганизмов. Он является фактором роста для многих штаммов, а также многих грибов и бактерий. Однако некоторые дрожжи, грибы и бактерии способны его синтезировать. Потребность в биотине у птиц и животных покрывается за счет синтеза его бактериями желудочно-кишечного тракта. У коров, овец и лошадей, содержащихся на обычном рационе, практически исключена недостаточность биотина. У свиней и птиц недостаточность биотина может создаваться при использовании кормов, бедных витаминами.

Потребность в биотине у человека покрывается за счет синтеза его микрофлорой кишечника, поэтому ее трудно оценить. С известной долей приближения можно считать, что (минимальной ежедневной дозой биотина для животных и человека являются следующие величины: для человека-- 150--200 мкг, обезьян--20 мкг, крыс-- 0,5--3 мкг, цыплят -- 0,65--1 мкг, свинец -- 100 мкг.

В период беременности и лактации потребность в биотине у женщин повышается до 250--300 мкг в день. По другим данным, потребность в биотине значительно ниже и составляет для взрослого человека 30-- 40 мкг в сутки.

Наиболее подробно недостаточность биотина изучена в опытах на крысах и цыплятах при скармливании рационов с большим содержанием сырого яичного белка. Биотиновый авитаминоз у животных характеризуется прекращением роста и падением веса тела (до 40%), покраснением и шелушением кожи, выпадением шерсти или перьев, образованием красного отечного ободка вокруг глаз в виде «очков», атактической походкой, отеком лапок и типичной позой животного с согбенной (кенгуруподобной) спиной. Дерматит, который развивается у животных при недостаточности биотина, может быть охарактеризован как себорея десквамационного типа, сходная с той, которая наблюдается у детей. У крыс авитаминоз биотина развивается через 4--5 недель скармливания опытного рациона, а у цыплят первые признаки авитаминоза появляются через 3 недели.

Помимо внешних признаков, биотиновый авитаминоз вызывает глубокие морфологические изменения в тканях и органах, а также нарушения в обмене веществ. Известны изменения в зобной железе, коже и мышцах крыс. Характерны обильный гиперкератоз, акантез и отеки. Разрушенные волосяные стволы перемешаны с гиперкератозными пластинками. Установлено расширение волосяных сумок, отверстия которых закупорены гиперкератозным материалом. В последней фазе развития авитаминоза наблюдается атрофия жира в гиперкератозных пластинках. Недостаток биотина в рационе крыс приводит к уменьшению его содержания в тканях. В печени и мышцах количество витамина снижается в 5 раз, а в мозговой ткани--на 15%. В крови авитаминозных крыс накапливается пировиноградная кислота, развивается ацидоз и снижается концентрация сахара. При этом глюкозурия не наблюдается, но уменьшается содержание редуцирующих Сахаров в печени при нормальном содержании их в мышцах; у животных развивается креатинурия.

Человек полностью удовлетворяет свою потребность в биотине за счет синтеза его микрофлорой кишечника, поэтому гиповитаминоз можно получить только в эксперименте. Экспериментальную недостаточность биотина у человека наблюдали Sydenstricker и соавторы (1942) путем включения в диету ежедневно 200 г сырого яичного белка. Через 3 недели появилось шелушение кожи без зуда. На 7--8-й день развилась пепельная бледность кожи и началась атрофия вкусовых сосочков языка. Позднее появились мышечные боли, повышенная чувствительность, болезненные ощущения, вялость, сонливость, тошнота и потеря аппетита. В крови уменьшилось содержание эритроцитов и холестерина. Выделение биотина с мочой снизилось в 7--8 раз против. Введение 150 мкг биотина уже на 3--4-й день устраняло депрессию, мышечные боли и восстанавливало аппетит.

Таким образом, недостаточность биотина у человека в первую очередь вызывает поражения кожи. Более тяжелые проявления требуют, по-видимому, большей длительности авитаминоза.

3. Физические и химические свойства

биотин витамин организм обменный

В 1941 г. du Vigneaud и сотрудники выделили из печени кристаллический препарат метилового эфира биотина, из которого путем омыления щелочью был получен свободный биотин. Эмпирическая формула его была определена как C₁₀H₁₆O₃N₂S. На основании изучения продуктов распада биотина эти авторы пришли к выводу, что структура витамина соответствует 2-кeтo-3,4-имидaзoлидo-2-тeтpaгидpoтиофен-н-валериановой кислоте. (см. Рисунок 1)

Рисунок 1 - Формула биотина

Молекула биотина состоит из имидазолового (А) и тиофенового (В) колец. Гетероцикл можно рассматривать как тиофеновое кольцо, связанное с уреидной группировкой. Приведенная структура биотина была подтверждена полным его химическим синтезом. В молекуле имеется три асимметрических атома углерода, что обусловливает существование 8 стереоизомеров.

Биотин образует игольчатые кристаллы с температурой плавления 232°. D поперечном сечении кристалл представляет собой ромб, острые углы которого равны 55°. Длина осей: а--5,25?, b--10,35?, с-- 21,00?. Плотность кристаллов 1,41. Молекулярный вес биотина на основе химической формулы равен 214. Нa на основе рентгеноскопического анализа 245±6. При исследовании кристаллической структуры биотина установлено, что алифатическая цепь находится в цис-положении по отношению к уреидной циклической группировке.

На основании данных, полученных методом рентгеноскопической кристаллографии Traub (1959) считает возможным образование внутримолекулярной водо-родной связи, которая возникает между кислородом карбонильной группы и одним из кислородных атомов карбоксильной группы в результате близкого расстояния между N-3' и С-6 равного 2,4?; все остальные расстояния в молекуле составляют более 3,4?. Образование такой связи должно изменять распределение зарядов в уреидном кольце со смещением, кетоенольного. равновесия к енолу, что приводит к изменению химической реактивности N-1. Наличие водородной связи в известной мере определяет биологическую активность биотина и его производных. В 1965 г. установлена структура и относительная конфигурация каждого асимметрического центра биотина, а в 1966 г. абсолютная стереохимия витамина. Биотин хорошо растворим в воде и спирте, трудно растворим в эфире, углеводородах парафинового ряда и несколько лучше в циклогексане, бензоле, галогенизированных углеводородах, спиртах и кетонах. Биотин устойчив к действию ультрафиолетовых и рентгеновых лучей. Он разрушается под влиянием перекиси водорода, соляной кислоты, едких щелочей, формальдегида и сернистого газа. Он не изменяется под действием молекулярного кислорода, серной кислоты, гидроксиламина. В ультрафиолетовых лучах для биотина не обнаружено специфического поглощения. Молекула биотина обладает большой специфичностью. Это подтверждается тем, что из 8 известных стереоизомеров только один--биотин -- обладает биологической активностью. Удаление или замена каких- либо атомов или групп атомов приводит к полной потере активности (см. рисунок 2) Только одна группа производных, полученных окислением атома серы или заменой серы кислородом (оксибиотин) или двумя атомами водорода (дестиобиотин), проявляет биологическую активность. Сульфобиотин заменяет потребность в биотине у некоторых дрожжей, но оказывается антагонистом витамина для L. casei, E. coli и Neurospora.

Рисунок 2 - Строение сульфобиотина, биотинсульфооксина, дестибиотина

Известны аминокислотные производные биотина, среди которых наиболее изучен биоцитин, обладающий высокой активностью для многих микроорганизмов. Биоцитин выделен в кристаллическом виде из дрожжей. В 1951 г. расшифрована его структура. Он представляет собой пептид биотина и лизина, а именно (см рисунок 3):

Рисунок 3 - Биоцитин

В 1952 г. осуществлен синтез биоцитина. Степень использования биоцитина разными микроорганизмами резко различается. Возможной причиной этого может быть наличие или отсутствие биоцитиназы, которая расщепляет биоцитин с освобождением свободного биотина.

По данным Traub (1959), биологическая активность биотина и его аналогов обусловлена внутримолекулярной связью, что позволяет объяснить причины наличия или отсутствия биологической активности для большинства изомеров и производных биотина. Так, образование водородной связи исключено у всех других оптических изомеров, кроме D-биотина, а также у производных с более длинной или укороченной боковой цепью, что приводит к полной потере биологической активности (гомобиотин, норбиотин). Неактивность гуанидиновых аналогов биотина, биотинола, оксибиотинола также объясняется отсутствием у них водородной связи. Некоторые производные биотина, которые образуются без нарушения водородной связи, сохраняют биологическую активность (дестиобиотин, оксибиотин, биоцитин и ряд аминокислотных производных биотина).

В настоящее время выяснена причина патологических изменений, возникающих при кормлении животных сырым яичным белком. В нем содержится авидин -- белок, который специфически соединяется с биотином (введенным внутрь с пищевыми продуктами или синтезированным кишечными микроорганизмами) в неактивный комплекс и тем самым препятствует его всасыванию. Авидин содержится в яичном белке курицы, гуся, утки, индейки и лягушки. В 1942 г. он получен в кристаллическом виде и оказался глюкопротеидом с молекулярным весом 70000. Авидин стехиометричёски связывает эквимолярные количества биотина, образуя прочный комплекс, который не расщепляется ферментами пищеварительного тракта. Комплекс авидина с биотином термически устойчив и полностью диссоциирует только в автоклаве при 120° за 15 минут. С авидином соединяется DL-оксибиотин и некоторые другие аналоги биотина, но сродство авидина к биотину намного больше, чем к его производным. Изучение взаимодействия биотина и его производных с авидином показало необходимость уреидной группы в молекуле витамина, тогда; как карбоксильная группа и атом серы не являются необходимыми для образования комплекса. Авидин является универсальным ингибитором биотина. Его способность связывать биотин широко используется при изучении механизма участия этого витамина в процессах обмена веществ: торможение той или иной биохимической реакции авидином является существенным доводом в пользу возможности участия в ней биотина. Авидин применяется для получения экспериментальной биотиновой недостаточности у животных.

4. Методы синтеза биотина

Синтез биотина из L-цистеина через 3-оксотиофан без заместителя в положении 2. В этом синтезе, который предложил Гаррис с сотр., использована подвижность атомов водорода положения 2 тиофановой молекулы для конденсации ее с альдегидсодержащей боковой цепочкой, впоследствии преаращаемой в необходимую о-карбоксибутильную группу. (см. рисунок 5.)

L-цистеин конденсируют в виде натриевой соли, получаемой из L-цистина, восстановлением натрием в жидком аммиаке, конденсируют с монохлоруксусной кислотой в присутствии едкого натра в S-карбоксиметил-L-цистеин. Аминогруппу этого соединения защищают бензоилированием, карбоксильные группы этерифицируют метиловым спиртом и получают диметиловый эфир N-бензоил-S-карбоксиметил-L-цистеина. Диметиловый эфир N-бензоил-S-карбоксиметил-L-цистеина (XXVIII) подвергают далее внутримолекулярной конденсации в присутствии метилата натрия (реакция Дикмана) и легко превращают в р-кетоэфир с образованием натриевого производного енольной формы метилового эфира 4-бензоиламино-3-оксо-2-карбокси-4,5-дигидротиофена (XXX); циклизация одновременно сопровождается рацемизацией. После гидролиза и декарбокснлирования соединения XXX при 125° С в смеси уксусной и соляной кислот получают 4-бензоиламино-З-оксотиофан (XXXI); это соединение достаточно лабильно и с метиловым спиртом может расщепляться по связи S--С с образованием ациклического дисульфида. В положение 2 4-бензоиламино-З-оксотиофана (XXXI) вводят алифатический заместитель конденсацией с метиловым эфиром моноальдегида глутаровой кислоты при каталитическом участии уксуснокислого пиперидина. Образующийся при конденсации 4-беизоиламино-3-оксо-2-(о-карбометоксибутилиден)тиофан (XXXII) при действии гидроксиламина в пиридине превращают в оксим (XXXIII). Однако в водно-спиртовой среде в присутствии углекислого натрия гидроксиламин присоединяется не по оксогруппе, а по кратной связи с образованием 4-бен-зоиламино-3-оксо-2-(а -гидроксиламино-о-карбометоксибутил)тиофана. Из обеих форм оксима (XXXIII) при избирательном восстановлении цинковой пылью в уксусной кислоте и ацетилировании уксусным ангидридом образуется два изомерных соединения: 3-ацетиламино-4-бензоиламино-2-(о-кар-бометоксибутил)-4,5-дигидротиофен с т. пл. 185--186° С, «изодегидроэфир» (XXXIV) с одним асимметрическим атомом углерода, и З-ацетиламино-4-бензоиламино-2-(8-карбометоксибутилиден)тиофан с т. пл. 162--163° С, «аллодегидроэфир» (XXXV) в двумя асимметрическими атомами углерода.

При каталитическом восстановлении двойной связи соединения XXXIV получаются соединения, в которых атомы водорода положений 2 и 3 присоединяются в цис-положении. Это положение само по себе может явиться цис- или транс-положением в отношении какого-либо заместителя, уже имеющегося в молекуле.

Рисунок 5 - Синтез биотина по методу Гарриса

В результате исчерпывающего гидрирования на Pd-катализаторе изомерных соединений XXXIV и XXXV, различающихся положением двойной связи, образуется три различных рацемических стереоизомерных 3-ацетиламино-4-бензоиламино-2-(о-карбоксибутил) тиофана (XXXVI, XXXVII, XXXVIII). Из них в результате отщепления бензоильного и ацетильного остатков при действии гидрата окиси бария при 140° С и гидролиза эфирной группы были получены три стереоизомерные диаминокарбоновые кислоты (XIII, XXXIX, XL).

В заключение диаминокарбоновые кислоты (XIII, XXXIX, XL) при взаимодействии с фосгеном подвергаются циклизации в стереоизомерные биотины (I, III, IV).

Синтез биотина через 3-оксотиофан с ?-метоксибутильным заместителем в положении 2. Для получения биотина Грюсснер, Бурквин и Шнидер предложили метод, в последних стадиях которого метоксигруппа боковой цепи гек-сагидроимидазолтиенового цикла должна быть превращена в карбоксильную группу. (см. рисунок 6). В качестве исходного вещества применяют этиловый эфир 2-бром-6-ме-токсикапроновой кислоты (XLI), который конденсируют с натриевым производным р-меркаптопропионового эфира в соединение XLII, подвергаемое затем дальнейшей циклизации в 2-(о-метоксибутнл)-3-оксо-4-карбоэто-кситиофан (XLIII). Карбоксильную группу в положение 3 этого соединения вводят циангидрнновым синтезом и получают циангидрин тиофана (XLIV). В соединении XLIV нитрильную группу последовательно превращают в амидную, карбоксильную, карбоалкоксильную, а гидроксильную группу положения 3 заменяют на хлор; после восстановления цинком и уксусной кислотой получают 2-(й-метокснбутил)-3,4-дикарбоалкокситиофан (XLV). Из соединения XLV при действии гидразин-гидрата получают дигидразид (XLVI), некристаллизующаяся часть которого была переведена по реакции Курциуса в 3,4-диуретан (XLVII). Это соединение подвергнуто хроматографическому разделению на окиси алюминия с последующей хлороформной элюцией некристаллизующейся части, которая при нагревании с 48%-ной бромистоводородной кислотой с одновременным замещением метоксильной группы боковой цепи на атом брома превращается в диамин (XLVIII).

Рисунок 6 - Синтез биотина по методу Грюсснера, Бурквина и Шнидера

Эти реакции протекают с малым выходом; соединения XLVII--L в процессе синтеза не выделялись. Следует отметить, что рассматриваемый метод получения биотина сопровождается образованием ряда побочных продуктов

Заключение

В настоящее время применение биотина в клинике с лечебной и профилактической целью изучено недостаточно. Большое значение биотина для нормального состояния кожных покровов привело к попыткам лечения биотином ряда кожных заболеваний. Биотин показан при себорейном дерматите у грудных детей, связанном, возможно, с явлениями недостаточности этого витамина. Заболевание излечивается при ежедневном введении 5--10 мкг биотина в течение 4 недель. Отмечен успех при длительном применении биотином в тех случаях дескваматозной эритродермии, когда недостаточность биотина была в числе причин заболевания. Лечебная доза биотина составляет 150--300 мкг в сутки; вводится он-парентерально. Г. И. Бежанов в 1966 г. сообщил о применении биотина в комплексной терапии псориаза. Наблюдения, проведенные за большой группой больных, показали, что биотин проявлял противозудный эффект, а сочетание биотина с фумаратом, витаминами группы В и бальнеотерапией потенцированный и более быстрый клинический эффект. В процессе лечения у значительного большинства больных рассасывался инфильтрат, уменьшалось или полностью прекращалось шелушение. Автор рекомендует применять биотин в комплексном лечении псориаза. В последние годы появился ряд сообщений о целесообразности применения фармакологических доз биотина п комплексной терапии атеросклероза и гипертонической болезни. Эти данные представляют особый интерес в связи с участием биотина в синтезе холестерина.

Список использованных источников

1. В.М. Березовский. Химия витаминов. - М.: Пищевая промышленность, 1973 - 626 с.

2. Яхимович Р.И. Химия витаминов. - Киев: Наукова думка, 1978 г. - 248 стр.

3. Шнайдман Л.О. Производство витаминов. - М.: Пищевая промышленность, 1973. - 439 с.

4. Комов В.П., Шведова В.Н. Биохимия. - М.: Дрофа, 2008. - 638 с.

Размещено на Allbest.ru