背景 [1][2]
生物素又名維生素H、維生素B7。是含硫的環(huán)狀化合物，只有D-生物素(右旋異構(gòu)體)存在于自然界，且具有生物活性，在飼料中常與賴氨酸結(jié)合在一起。生物素亦稱維生素H或輔酶R。1920年Bateman發(fā)現(xiàn)大量生卵白對大鼠有毒，1926年Boas描述了中毒癥狀：皮炎、脫毛、肌肉喪失協(xié)調(diào)作用；并謂肝、酵母有保護(hù)作用。1936年Kogl與Tonnis從蛋黃中提出晶體的酵母生長因素，命名為生物素。1940年Gyorgy與duVigneaud證明生物素與抗卵白損傷因子是同一種物質(zhì)，并分離出生物素。1942年確定了生物素的結(jié)構(gòu)。
生物素，以一種輔酶形式參加多種羧化反應(yīng)。這輔酶通過賴氨酸-氨基成酰胺鍵與酶蛋白結(jié)合。 這些酶如乙酰CoA羧化酶，丙酰CoA羧化酶，甲基丙二酰轉(zhuǎn)羧酶和丙酮酸羧化酶等，能催化將CO2固定到有機(jī)鍵中間去。因而缺乏生物素的組織將CO2參合到草酰乙酸以及合成脂酸的能力減少。腸道細(xì)菌能合成生物素，因此用一般動物飼養(yǎng)方法不易產(chǎn)生生物素缺乏癥，但若用大量生卵白，或消滅腸道細(xì)菌，或用生物素代謝拮抗物，才能造成生物素缺乏。生卵白中含有抗生物素蛋白，分子量約為70 000，是一種糖蛋白。
它是一個由四個順序已知的相同亞基構(gòu)成；每個亞基含128個氨基酸，能以Ka=1015的結(jié)合力與生物素結(jié)合。這種異常緊密而又不可逆的結(jié)合，似乎說明抗生物素蛋白在卵中有極重要的未知生理功用。然而這種蛋白卻已成為人們抑制含有生物素的羧化酶類的有用工具。在需要生物素的各種動物體內(nèi)能用氧生物素直接替換生物素而起作用，它并不是在體內(nèi)轉(zhuǎn)換成生物素而起作用。 實驗動物缺乏生物素時表現(xiàn)皮炎、脫毛和神經(jīng)系統(tǒng)紊亂。人類沒有缺乏生物素的癥狀。如人為地誘發(fā)時則有厭食、惡心、蒼白、皮炎與抑郁等。 蛋黃、肝、蕃茄、酵母中富于生物素。
生理功能[2]
1. 參與機(jī)體的脂類代謝
生物素參與脂肪酸合成，同時也是長鏈不飽和和脂肪酸正常合成和脂肪酸代謝的必需物質(zhì)。另外。生物素還與乙酰膽堿的合成和膽固醇代謝有關(guān)。
2. 參與機(jī)體的蛋白質(zhì)和核酸代謝
生物素在蛋白質(zhì)合成、氨基酸脫氨、嘌呤合成、氨基甲酰轉(zhuǎn)移以及亮氨酸、色氨酸分解代謝中起著重要的作用。而且也是多種氨基酸轉(zhuǎn)移脫羧所必需的。
3. 參與機(jī)體的碳水化合物代謝
在碳水化合物代謝中。生物素酶參與催化脫羧和羧化反應(yīng)，是三羧酸循環(huán)必需成分。它參與和影響丙酮酸脫羧生成草酰乙酸、蘋果酸轉(zhuǎn)化為丙酮酸、琥珀酸與丙酸的互變、草酰琥珀酸轉(zhuǎn)化為n一酮戌二酸的代謝過程。
4. 參與其它物質(zhì)代謝
生物素還作為輔酶成分參與其它營養(yǎng)物質(zhì)如甲基轉(zhuǎn)移反應(yīng)和糖代謝等代謝過程。同時，生物素還與溶菌酶活化和皮脂腺的功能有關(guān)；與葉酸、泛酸的代謝密切相關(guān)。
效價測定 [3]
生物素的測定方法有：①理化方法，如高效液相色譜(HPLC)法、離子選擇電極法、比色和薄層色法等；② 同位素稀釋法，利用抗生物素蛋白的生物素結(jié)合特性測定；③ 微生物法，一般利用乳酸桿菌對生物素有特異需要的特性；④ 動物試驗法，以試驗動物的增重及肝和血液中丙酮酸羧化酶的活性判定；⑤酶學(xué)方法，生物素與啤酒酵母的丙酮酸羧化酶蛋白在體內(nèi)結(jié)合，再測定酶的活性。
應(yīng)用[4][5]
生物素是碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)代謝中的一種必需輔酶。參與碳水化合物與蛋白質(zhì)之間的互相轉(zhuǎn)變、蛋白質(zhì)和碳水化合物轉(zhuǎn)化為脂肪。并作為羧化酶的輔酶，轉(zhuǎn)移羧基和固定二氧化碳。還作為許多酶的輔基，起著羧基載體的作用，在碳水化合物代謝中，固定二氧化碳和脫羧。
當(dāng)日糧中碳水化合物攝入量不足時，生物素對維持正常血糖水平很重要。它在蛋白質(zhì)合成、氨基酸脫氨、嘌呤合成和核酸代謝中起著重要作用，也是不同氨基酸分解中的羧基轉(zhuǎn)移的必需物質(zhì)。長鏈不飽和脂肪酸的合成和必需脂肪酸的代謝均需要生物素。生物素還與乙酰膽堿的合成和膽固醇代謝有關(guān)。
生物素在動物體內(nèi)以輔酶的形式參與糖、蛋白質(zhì)、脂肪的代謝過程。生物素是維持動物皮膚、毛、蹄、生殖和神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育所必需的，還可提高飼料利用率、增重等。缺乏時，生長緩慢，繁殖障礙，出現(xiàn)皮炎、脫毛、皮膚角化等。豬常見皮膚潰爛，口黏膜發(fā)炎，腹瀉，痙攣，蹄底裂縫并出血。主要用于維生素H缺乏所引起的病變及營養(yǎng)不良的輔助劑。
合成[6]
方法1：工業(yè)合成方法。以富馬酸(2)為起始物，經(jīng)溴加成、二溴:化物被芐胺取代以及光氣閉環(huán)，生成咪唑烷酮順二甲酸(3)，繼而轉(zhuǎn)變?yōu)樗狒?4)并被環(huán)己醇開環(huán)為外消旋單酯(5)，5用(+)一麻黃堿高收率地拆分為所需的旋光異構(gòu)體(6)，6的對映體循環(huán)返回酸酐(4)。氫化硼鋰還原6中的酯鍵使之成為醇羥基并轉(zhuǎn)變?yōu)樗铇?gòu)型的內(nèi)酯(7)，用硫代乙酸鉀處理生成硫代內(nèi)酯(8)，再經(jīng)格氏反應(yīng)和脫水得到在側(cè)鏈導(dǎo)人頭3個碳原子的中間體(9)。
催化氫化使側(cè)鏈烯鍵飽和并立體專一性地確立了第3個手性中心(10)，并用氫溴酸處理成為環(huán)锍鹽(11)，利用锍正離子的吸電性在其鄰位碳原子上導(dǎo)人丙二酸酯殘基而得到生物素前體(12)。最后經(jīng)酸性承解，脫去用來保護(hù)兩個氨基的芐基并使丙二酸酯成為二酸并脫羧，制得旋光純的生物素(1)。全過程總收率大于25％ ，每步反應(yīng)平均收率在90％以上。
方法2：以L一氨基酸為起始原料的方法。L-氨基酸中以L-半胱氨酸和L-胱氨酸分子最符合生物素結(jié)構(gòu)的要求。1977年以L一半胱氨酸鹽酸鹽(13)為初始反應(yīng)物，先后用苯甲醛和氯甲酸甲酯處理以保護(hù)氨基和巰基(14，15)，15經(jīng)還原和氧化，分子中的羧基轉(zhuǎn)變?yōu)槿┗?17)，再與格氏試劑作用生成側(cè)鏈烯丙醇(18)。18與原乙酸三甲酯反應(yīng)后發(fā)生Claisen重排，得到含反式戊烯酸酯倒鏈的中問體(19)經(jīng)水解開環(huán)、溴代和巰基對烯鍵加成，重新組環(huán)形成四氫噻吩衍生物(20)。
水解使氨基游離(21)，經(jīng)重排和成環(huán)生成二環(huán)化臺物(22)。用疊氮基取代(s 2)22中的溴只獲得16％的所需中間體(23)，23被氫化和水得到二胺(26)，然后用光氣環(huán)化為瞇唑烷酮(27)后側(cè)鏈成酯(28)，酯鍵還原為醇(29)，酸催化使29成環(huán)狀锍鹽(30)。
與11轉(zhuǎn)變?yōu)?的情況相似，30經(jīng)丙二酸酯處理制得生物素。該合成路線構(gòu)思新穎，但也存在不少問題，致命的弱點是由疊氮酸鋰對22中的溴進(jìn)行S 2反應(yīng)時需的構(gòu)型反轉(zhuǎn)產(chǎn)物23僅獲得16％ 的收率，而不要的E2消除產(chǎn)物24卻有71％的收率。若能找到抑制消除反應(yīng)的反應(yīng)條件，或用其它離去基團(tuán)代替溴，也許能顯著提高該步反應(yīng)的收率。此外，由25到28的三步反應(yīng)收率也只有45％。
方法3：以單糖為起始原料的方法。單糖分子具有多個手性中心，是一類來源豐富而經(jīng)濟(jì)的合成生物素的起始原料，文獻(xiàn)上常見者有D-葡萄糖、D-甘露糖、D-氨基葡萄糖和D-阿拉伯糖。前二者同分子結(jié)構(gòu)的差別僅在c 2的構(gòu)型，D-甘露糖的c 2和c 3羥基在環(huán)面同側(cè)，更容易實行異丙叉保護(hù)，故最早被用作合成生物素的起始原料。將D-甘露糖(47)用丙酮和苯甲酰氯處理得到48，經(jīng)選擇性水解和鄰二醇失碳氧化生成醛(49)，繼而與wittig試劑反應(yīng)及加氫獲得50。
酯交換脫去苯甲?；?，恢復(fù)半縮醛結(jié)構(gòu)，然后還原和甲磺?；?2。硫化鈉使52的兩個甲磺酰氧基離去而形成四氫噻吩結(jié)構(gòu)的化臺物(53)，隨后脫去第二個異丙叉保護(hù)基并再次導(dǎo)人兩個甲磺?；?54)。54經(jīng)S2反應(yīng)引入兩個疊氮基(見55)，還原為二胺，經(jīng)?；?酰化產(chǎn)物容易分離和純化)后將?；a(chǎn)物純化再水解回二胺(56)，最后用光氣閉環(huán)制得生物素。
主要參考資料
[1] 中國醫(yī)學(xué)百科全書·十七
[2] 生物化學(xué)生物素的生理功能及其應(yīng)用進(jìn)展
[3] 黃興國, 戚咸理, 賀建華, 等. 生物素及其營養(yǎng)應(yīng)用[J]. 飼料博覽, 2003 (7): 17-19. [4] 泌尿系統(tǒng)病學(xué)詞典
[5] 養(yǎng)豬科學(xué)用藥指南
[6] 張逸偉, 曾漢維. 生物素合成的進(jìn)展[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2001, 29(2): 58-65.