Витаминот B12

Во медицинските анали од XIX и почетокот на XX век, постоела дијагноза која кај лекарите предизвикувала подеднаков анксиозен трепет како и напредниот стадиум на туберкулоза или карцином. Тоа била анемија пернициоза – погубната (кобната или смртонозната) анемија. Болеста започнувала подмолно, со замор, пожолување и благи трпнења во екстремитетите, за потоа да прогресира кон тешки невролошки дегенерации, оштетувања на рбетниот мозок, деменција и, неизбежно, смртен исход во рок од една до три години од поставувањето на дијагнозата.

Причината за овој морбиден исход долго време останувала енигма. За разлика од патогените бактериски инфекции кои во тоа време интензивно се класифицирале, пернициозната анемија не покажувала знаци на преносливост. Таа ги погодувала првенствено лицата во зрелата и постарата возраст, со посебна зачестеност во северноевропскиот географски појас. Лекарите биле беспомошни пред клеточната драма што се одвивала во коскената срцевина на пациентите: црвените крвни зрнца (еритроцитите) наместо да созреваат во функционални, биконкавни дискови, станувале абнормално големи, кршливи и неспособни да вршат ефективен транспорт на кислород.

Решението на оваа медицинска енигма не дошло од синтетичките фармаколошки лаборатории, туку од серија систематизирани биолошки експерименти кои подоцна отвориле врата кон една од најкомплексните и најфасцинантни капитали во историјата на органската и координациската хемија.

Приказната за победата над пернициозната анемија започнува во 1920 година со истражувањата на американскиот патолог Џорџ Випл. Изучувајќи го процесот на регенерација на крвта, Випл спровел серија контролирани експерименти врз кучиња кај кои предизвикувал вештачка анемија преку контролирано пуштање на крв. Неговата цел била да утврди која храна најбрзо го стимулира хемопоетскиот систем - конкретно коскената срцевина - за продукција на нови еритроцити. По тестирање на разни прехранбени артикли, Випл дошол до недвосмислен заклучок: суровиот говедски црн дроб покажал неспоредливо највисока ефикасност во обновувањето на хемоглобинот и црвените крвни зрнца.

Ова откритие, иако примарно наменето за пост-хеморагична анемија, привлекло внимание кај лекарите Џорџ Р. Мајнот и Вилијам П. Марфи. Тие претпоставиле дека метаболичкиот фактор присутен во црниот дроб можеби е токму она што им недостасува на пациентите кои страдаат од фаталната анемија.

Во 1926 година, Мајнот и Марфи го објавиле својот епохален клинички труд. Тие подложиле 45 пациенти со тешка пернициозна анемија на строга, специјално дизајнирана диета која барала секојдневен внес на 250 до 500 грама суров или минимално термички обработен говедски црн дроб. Резултатите биле драматични: кај сите пациенти се забележало нагло зголемување на ретикулоцитите (млади еритроцити) во крвта за само неколку дена, по што следело целосно повлекување на симптомите на анемија.

За ова епохално откритие - демонстрацијата дека една дотогаш неизлечива и фатална болест може целосно да се контролира преку специфичен прехранбен фактор - во 1934 година ја поделиле Нобеловата награда за физиологија или медицина.

И покрај научниот триумф, терапијата со суров црн дроб во пракса претставувала вистинско мачење за пациентите. Поради зачувување на термолабилниот активен фактор, црниот дроб не смеел целосно да се готви. Пациентите морале секојдневно да џвакаат огромни количини сурово месо. За оние кои биле во премногу тешка состојба за да џвакаат, лекарите конструирале рани верзии на блендери, каде суровиот црн дроб се пасирал со малку вода и им се давал на пациентите во форма на течна мешавина.

Била присутна општа свесност во научната заедница: во црниот дроб постои уникатна, исклучително моќна молекула која делува во микроскопски количини. За да се спасат пациентите од гадењето и мачното секојдневно конзумирање месо, хемичарите морале да дојдат на сцена, да ја изолираат таа супстанца и да ја дефинираат нејзината хемиска природа.

Изолацијата на активната компонента од црниот дроб се покажала како една од најпредизвикувачките задачи во историјата на биохемијата, бидејќи концентрацијата на бараната супстанца во ткивото била микроскопска (околу 1 милиграм на килограм ткиво). Потребни биле дури 22 години од клиничкиот пробив на Мајнот и Марфи до финалното добивање чист кристал.

Во 1948 година, две ривалски истражувачки групи – едната од американската фармацевтска компанија Merck, а другата од британската Glaxo - речиси истовремено објавиле дека успеале да изолираат чиста, кристална супстанца со темна црвена боја која поседувала огромна терапевтска моќ.

Бидејќи раните екстракти растворливи во вода беа наречени „Витамин B“, подоцнежните фракционирања откриваа специфични независни супстанци. Новите откритија добиваа редни броеви (B1,B2,B3…). Со изолацијата на факторот за анти-пернициозна анемија во 1948 година, му беше доделена ознаката Витамин B12.

Сега навлегуваме во суштината на хемискиот аспект. Витаминот B12 (цијанокобаламин) не е едноставна органска молекула. Тој претставува еден од најкомплексните метало-органски кофактори кои постојат во живиот свет.

[CN]  (Цијано група)
[ Co³⁺ ]  (Централен Кобалт јон)
[ Корински Прстен ]  (Четири пиролски прстени)
[ Диметилбензимидазол нуклеотид ]

Во срцето на молекулата B12 лежи координациски комплекс. За разлика од хемот во хемоглобинот (кој содржи порфирински прстен со централен Fe-јон) или хлорофилот (кој содржи порфириноиден прстен со Mg-јон), B12 користи корински прстен (corrin ring).

Коринскиот прстен се состои од четири редуцирани пиролски прстени (означени како A, B, C и D). За разлика од порфиринот, каде сите четири пироли се поврзани преку метински мостови (=CH−), во коринскиот прстен два пиролски прстени (A и D) се директно поврзани меѓу себе преку нивните α-јаглеродни атоми. Ова му дава на прстенот поголема флексибилност и помала големина на внатрешната празнина. Во самиот центар на коринската матрица координативно е врзан јон на преодниот метал кобалт (Co). Во неговата стабилна изолациона форма (цијанокобаламин), кобалтот се наоѓа во оксидациска состојба +3 (Co³⁺). Врската меѓу кобалтот и јаглеродот во аденозилкобаламинот (Co−C врска) е една од исклучително ретките директни метал-јаглерод (органометални) врски присутни во природните биолошки системи.

Разјаснувањето на оваа колосална молекуларна архитектура и нејзиното вештачко креирање претставуваат два највисоки врвови во хемијата на XX век. Британската хемичарка Дороти Хоџкин го прифатила предизвикот да ја дешифрира тродимензионалната структура на B12 со помош на рентгенска дифракциона анализа на неговите кристали.

Со оглед на тоа што молекулата содржи над 100 атоми (исклучувајќи го водородот), пресметките за математичко решавање на дифракционите мапи во 1950-тите биле Херкулов зафат. Хоџкин била пионер во користењето на раните електронски сметачи (компјутери) за обработка на кристалографските податоци. Во 1956 година, нејзиниот тим ја објавил комплетната 3D структура на витаминот B12, откривајќи го непознатиот дотогаш корински прстен и специфичната координација на кобалтот. За овој епохален труд (како и за структурата на пеницилинот), Дороти Хоџкин во 1964 година ја добила Нобеловата награда за хемија.

Откако структурата била позната, органо-хемичарите се соочиле со најголемиот предизвик: Дали е можно оваа молекула да се синтетизира во лабораторија преку класични хемиски реакции, без помош на живи ензими?

Трката и соработката за тотална синтеза на B12 започнала во 1961 година, предводена од двајца гиганти на органската хемија: Роберт Вудвард од Харвард и Алберт Ешенмозер од Швајцарскиот институт за технологија.

Синтезата барала решавање на неколку десетици стереохемиски центри и специфично спојување на реактивни пиролски прстени без несакани споредни полимеризации. Во овој мега-проект учествувале над 100 истражувачи и постдокторанди за период од 11 години. Во 1972 година, по повеќе од 90 последователни хемиски чекори, тимот официјално ја објавил успешната тотална синтеза на витаминот B12.

Иако оваа тотална синтеза нема практична индустриска употреба поради екстремната цена и нискиот вкупен принос, фундаменталните теоретски сознанија до кои Вудвард дошол за време на планирањето на реакциските патишта резултирале со формулирање на познатите Вудвард-Хофманови правила за перициклични реакции - еден од најважните теоретски темели на модерната органска хемија.

На молекуларно ниво, B12 функционира како коензим во две клучни ензимски реакции кај човекот, кои директно објаснуваат зошто неговиот недостаток предизвикува анемија и невролошки оштетувања.

Поради екстремната комплицираност на хемиската тотална синтеза поставена од Вудвард, сиот витамин B12 кој денес се користи во медицината, фармацевтската индустрија и за фортификација на храната (вклучително и суплементите за вегани) се произведува исклучително преку индустриска биотехнологија и ферментација.

Бактериските видови како Pseudomonas denitrificans, Propionibacterium freudenreichii или Bacillus megaterium се одгледуваат во големи ферментори под контролирани аеробни и анаеробни услови. Во медиумот за ферментација се додаваат извори на кобалт и прекурсори за диметилбензимидазол. Бактериите ја вршат комплетната биосинтеза на коринскиот прстен преку своите ензимски патишта, произведувајќи чист, биоактивен витамин B12 со висок принос и ниски трошоци.

Приказната за витаминот B12 претставува еден од најсовршените мостови меѓу медицината, биохемијата и препаративната хемија. Од примитивните клинички набљудувања на Випл, Мајнот и Марфи со суров говедски црн дроб во 1920-тите, преку дешифрирањето на неговиот моќен кобалт-корински центар од страна на Дороти Хоџкин, па сè до фундаменталните теоретски пробиви во органската синтеза на Вудвард - овој метало-органски комплекс останува обележје за тоа како науката успеала да ја претвори една од најсмртоносните болести на минатото во целосно совладана биохемиска епизода.