引言
维生素是生物体必需的微量营养成分，通常无法由有机体自身产生，需要通过膳食等手段由外源获得。维生素虽然无法像糖类、蛋白质以及脂肪那样能够产生能量，然而，却同样可以对生物体的新陈代谢起调节作用。众所周知，缺乏维生素能够导致诸多的健康问题，例如，维生素A缺乏会导致夜盲症与干眼症，维生素C缺乏会导致坏血病，维生素D缺乏则会导致佝偻病等，因此，适量摄取维生素对维持身体的健康至关重要。近年来，各种维生素类营养保健品层出不穷，其中有一种名为“生物素”的产品宣称，对于头发与指甲生长、皮肤修复以及营养物质代谢极为关键。
图1商品化的生物素类营养保健品
生物素的发现历史
所谓生物素，其实是维生素B7，又称为维生素H或辅酶R，属于水溶性B族维生素的成员，其拥有的众多名称与其横跨四十载的研究历史密不可分。1916年，生物化学家W. G. Bateman发现鼠类在食用大量生的鸡蛋白后，会表现出脱毛与皮肤损伤的症状。1936年，德国化学家F. Kögl与B. Tönnis由煮熟的蛋黄中分离出一种结晶物质，能够促进酵母菌的生长，并将其命名为“生物素”(Biotin)。不久之后，美国科学家P. György在1937年发现一种能够防治皮炎与脱毛 (采用生蛋清喂养大鼠诱发)的物质，因此，采用德文中皮肤“Haut”与毛发“Haar”的首字母，将该物质命名为“维生素H”。需要说明的是，美国生物化学家F. E. Allison等人在1933年同样由蛋黄中分离出一种对于豆类根瘤菌生长至关重要的物质，并提出这一物质是一种与呼吸相关的辅因子 (cofactor for respiration)，于是，将其命名为“辅酶R”。直到1940年，P. György与V. Vigneaud等人通过实验证实，所谓生物素、辅酶R以及维生素H均为同一物质。同时，由于生物素为化学家发现的第七种B族维生素，因此，将其命名为维生素B7[1]。
图2. V. Vigneaud (左)与P. György (右)
生物素的生理功能
生物素是机体代谢中羧化与脱羧反应过程相关酶体系中的辅助因子，能够参与羧化反应、糖原异生以及蛋白质的合成。因而，生物素是生命、上皮组织生长与维持以及繁殖所必需的物质。此外，生物素对于机体内的碳水化合物、脂肪酸、蛋白质以及核酸代谢均发挥重要作用[2]。多数情况下，人们更关注其营养保健功能，目前普遍认为生物素对于维持皮肤、指甲及毛发的正常功能具有积极作用，缺乏生物素则导致毛发变细、失去光泽，白发与脱发，皮炎湿疹等皮肤症状。尽管如此，生物素因其来源极为广泛 (存在于蛋黄、坚果、豆类、鱼类以及水果在内的多种食物中)，因此，日常饮食即可满足所需，无需额外补充。然而，同样有研究表明，糖尿病、妊娠以及营养不良时，会导致生物素缺乏，这时便需要适当的外源补充。
图3富含生物素的食物 (图片来源于网络)
生物素的生物合成
自然界中的植物与细菌均能够合成生物素以满足正常的生理功能，并且，植物与细菌在生物素的合成过程中，均采用相同的起始原料与反应路径。即采用L-丙氨酸1与庚二酸2作为起始原料，首先，通过缩合过程，形成7-羰基-8-氨基壬酸3，之后，通过羰基的转氨过程，形成7,8-二氨基壬酸4。接下来。在脱硫生物素合成酶 (dethiobiotin synthase，DBS)作用下，通过进一步的缩合，获得去硫生物素5，最后，在生物素合成酶作用下，获得最终产物[3]。
图4生物素的生物合成路径
生物素的化学合成
前文已经提到，生物素在脂肪酸生化合成、糖酵解等多种生化反应过程中起重要作用，人体缺乏生物素则会引起多种营养性疾病。不仅如此，家禽缺乏生物素同样会导致生长迟缓以及发育不良甚至死亡，尤其是随着家禽与畜牧业的不断发展，生物素作为饲料添加剂的需求量激增。因此，生物素的化学合成研究具有必要性与迫切性。
目前为止，文献报道的生物素的全合成策略基本分为两种，即对映选择性合成与立体专一性合成。前者采用富马酸作为原料，通过不对称合成或其他手性技术，构建分子中的三个手性碳中心，并经历多步反应，最终获得足够光学纯度的目标产物。另一策略则是采用L-半胱氨酸等手性化合物作为起始原料，借助原料中固有的手性碳原子，通过结构变换，进而构建生物素分子。
1946年，Roche公司的研究人员Goldberg 与Sternbach报道首例生物素的不对称全合成，该团队采用富马酸1作为原料，首先经历双溴化、苄胺对卤原子的亲核进攻以及后续与光气的进一步反应，获得中间体2，通过2的分子内脱水过程，形成酸酐化合物3。3在乙酸酐存在的条件下，采用金属锌对酸酐进行部分还原，产生外消旋体化合物4，并通过4的进一步还原，获得化合物5。之后，采用Grignard试剂，将侧链引入环骨架中，并通过后续的消除反应，形成关键砌块6。通过6中双键的立体选择性氢化过程，获得砌块7，并通过后续酸性条件下的分子内环化过程，获得砌块8。接下来，通过手性樟脑磺酸盐参与的拆分与分步结晶过程，进而获得关键的手性砌块9，最后，采用丙二酸二乙酯钠盐参与9的亲核开环以及后续酸性条件下的去保护步骤，最终获得手性纯的生物素[4]。需要说明的是，Goldberg 与Sternbach团队的开创性研究，为(＋)-生物素工业化合成路线的设计奠定了坚实的基础，因此，文献中将这一路线称为Hoffmann-La Roche (HLR)路线。2001 年，陈芬儿课题组对HLR 路线进行改进，开辟出一条更加完善的工业化合成路线[5]。
图5生物素的首次全合成 (HLR路线)
除不对称合成之外，合成化学家同样围绕另一种直接由手性原料开始的全合成设计方案，进行较为细致的研究。其中，最具代表性的设计方案由Clercq等人在1994年报道。该小组采用L-半胱氨酸作为起始原料，首先与苯甲醛经历缩合以及成环过程，并通过氨基保护，获得五元环砌块1。之后，通过对五元环砌块1中羧基的还原与再氧化步骤，形成具有醛基的中间体2。同时，该小组通过Wittig反应，将中间体2中的醛基转化为烯基，并通过钠/液氨体系还原，释放出巯基，获得中间体3，中间体3随即进行分子内脱水关环过程，形成大环硫内酯4。接下来，在去除Boc保护基之后，通过游离氨基与苯甲醛之间的还原胺化过程，引入苄基，再与NaN3反应，获得得到砌块5。最后，将5在高压釜中进行热解，获得两种混合物6，并通过酸性条件下的去保护步骤，最终完成 (+)-生物素的全合成[6]。
图6通过L-半胱氨酸全合成生物素
生物素的应用
生物素除作为营养添加剂外，同样能够广泛地应用于生化研究领域。例如，鸡蛋中的卵白素会与生物素进行几乎不可逆的强烈结合，借助这一特性，可以将生物素与标靶分子结合，并采用卵白素进行检验。此外，生物素在多种生理与病理过程中表现出低毒性，因而可以设计成为具有靶向选择性的药物载体，将抗癌药物有效地传递至肿瘤细胞。目前，含生物素的小分子已发展成一类具有良好应用价值的生物功能分子，并且，这类化合物具有合成简便、易于官能团化与特异性强等优点[7]。
结束语
生物素是生物生长发育过程中的一种十分重要的营养物质，能够参与机体的多种新陈代谢活动，并广泛应用于食品、医药、饲料、发酵等领域，同时，对工农业生产以及人们的日常生活产生重要的影响。因此，近年来受到化学家与生物学家的青睐。此外，科学家已经开始发现生物素分子同样存在其它全新的功能。由此可见，在未来的相关研究中，生物素将作出更为重要的贡献。
No comments yet.