Jak powstaje witamina B12?
W poprzednim wpisie napisałem o tym, do czego potrzebna jest witamina B12 oraz w jaki sposób jest wchłaniana w naszym organizmie. Ale skąd się bierze? Biorąc pod uwagę złożoną budowę kobalaminy, jej otrzymanie na drodze syntezy chemicznej było nie lada wyzwaniem. Ale w roku 1976 zespołom Alberta Eschenomosera z Politechniki w Zurychu i Roberta Woodwarda (Harvard University) udało się dokonać syntezy witaminy B12. Prekursorami były proste substancje, takie jak etylometyloketon, butadien czy kamfora. Synteza wymagała 70 kroków i zajęła 11 lat, a pracowało przy niej ponad 100 osób. Był to ogromny sukces chemików-organików, którzy pokazali, że są w stanie zsyntetyzować i oczyścić tak skomplikowaną cząsteczkę. Komercyjnie nie miało to jednak większego sensu, bo okazało się, że bakterie są w stanie produkować witaminę B12 o wiele taniej. Dziś jest ona produkowana na skalę przemysłową właśnie przez bakterie, przede wszystkim przez genetycznie zmodyfikowany szczep Pseudomonas denitrificans. Witamina B12 powstaje w ramach procesu składającego się z 30 kroków (to znaczy, tyle enzymów potrzeba, żeby przetworzyć substancje wyjściowe, takie jak bursztynylo-CoA i glutaminian w końcowy produkt). Oczywiście konieczny jest dodatek soli kobaltu, bo bez niego witamina B12 nie powstanie. Produkcja zachodzi w temperaturze 30oC w fermentorach o objętości 120 m3 w ciągu 7-8 dni, a końcowe stężenie kobalaminy to ok. 150 mg/litr. Pożywka to ekstrakt drożdżowy i sacharoza. Po oczyszczeniu i krystalizacji witamina jest gotowa do użycia.
W 2023 r. przedstawiono metodę syntezy kobalaminy w tzw. systemie „cell-free” (to znaczy, bez udziału komórek), za pomocą enzymów wyprodukowanych przez genetycznie modyfikowane bakterie Escherichia coli. Geny kodujące te enzymy uzyskano z bakterii należących do 26 gatunków bakterii (jak np. Salmonella typhimurium, czy Bacillus subtlis), a enzymów było w sumie 36. Substancją wyjściową był kwas 5-aminolewuliowy. Reakcja zachodziła w ciągu 14 godzin, zastosowano 4 etapy syntezy (to znaczy, czterokrotnie zmieniano zestawy enzymów), a końcowe stężenie kobalaminy wynosiło 5 mg/litr. Być może taka jest właśnie przyszłość biotechnologii: synteza skomplikowanych związków za pomocą uprzednio otrzymanych enzymów (Ryc. 1)?
Ryc. 1. Schemat syntezy witaminy B12 za pomocą enzymów otrzymanych w genetycznie modyfikowanych bakteriach Escherichia coli. Źrodło: Kang Q. et al., Nature 2023, 14:5177. Licencja CC BY 4.0.
Czym grozi nam brak witaminy B12?
Zapotrzebowanie dorosłego człowieka na witaminę B12 wynosi ok. 2,4 µg dziennie (u kobiet w ciąży i karmiących piersią nieco więcej). W porównaniu do innych witamin jest to stosunkowo niewiele: zapotrzebowanie na witaminę B1 to ok. 1 mg/dobę, a witaminę B3 ok. 15 mg/dobę. W organizmie człowieka (głównie w wątrobie) jest ok. 3 mg witaminy B12, co stanowi kilkuletni zapas. Uważa się jednak, że ok. 1-2% populacji w krajach rozwiniętych (dużo więcej w krajach biednych) cierpi na niedobór witaminy B12. Ze wzglądu na spory zapas tej witaminy w wątrobie, objawy takiego niedoboru mogą pojawić się dopiero po kilku latach.
Najczęstszym skutkiem tego niedoboru są zaburzenia układu nerwowego oraz anemia złośliwa, zwana też niedokrwistością Addisona-Biermera. Jej objawy to obniżenie liczby erytrocytów i poziomu hemoglobiny, a także wzrost objętości krwinki czerwonej (mean corpuscular volume, MCV) Pojawiają się też neutrofile o charakterystycznie rozczłonkowanym jądrze, co jest dobrze widoczne w rozmazie krwi. Przyczyną jest upośledzenie syntezy nukleotydów wchodzących w skład DNA: jeżeli ich brakuje, komórki nie mogą zakończyć podziałów komórkowych, co powoduje wzrost objętości komórek. Komórki takie, nazywane megaloblastami, są obecne w krwiobiegu u osób dotkniętych tą chorobą.
Jaka jest przyczyna tego zjawiska? Do syntezy DNA potrzebne są nukleotydy, które nie powstaną bez udziału witaminy B12 oraz kwasu foliowego. Jeżeli ich brakuje, wzrost komórek oraz ich podziały zostają wstrzymane. Dotyczy to przede wszystkim komórek, które najszybciej się dzielą, a do takich należą komórki szpiku, w którym powstają krwinki czerwone. Dlatego w warunkach niedoboru witaminy B12 produkcja erytrocytów spada.
Niedobór witaminy B12 może też powodować zmiany w układzie nerwowym dające objawy neurologiczne, które zazwyczaj poprzedzają objawy ze strony układu krwiotwórczego. Są to zaburzenia czucia, mrowienie w końcach palców, osłabienie, zaburzenia równowagi, a później także zaburzenia poznawcze, apatia i stany depresyjne.
Dlaczego może brakować witaminy B12?
Jeżeli spożywamy wystarczającą ilość witaminy B12, to przeważnie przyczyną jest niedobór czynnika wewnętrznego, który jest produkowany przez komórki żołądka. Czynnika tego może brakować w sytuacji, kiedy komórki żołądka ulegają zniszczeniu przez układ odpornościowy. Dzieje się tak w przypadku chorób autoimmunizacyjnych, czyli wtedy, gdy komórki układu odpornościowego niszczą inne komórki (w tym przypadku, komórki okładzinowe żołądka). Resekcja żołądka, np. w wyniku choroby nowotworowej, też uniemożliwia przyswajanie witaminy B12 na drodze pokarmowej.
Niedobór witaminy B12 zdarza się też u osób stosujących dietę wegańską, ponieważ pokarmy roślinne jej na ogół nie zawierają. Wyjątkiem są niektóre glony, a także grzyby, jak np. shitake czy kurki (grzyby to nie rośliny). Kobalamina jest w nich pochodzenia bakteryjnego. Dlatego w diecie wegańskiej zaleca się suplementację witaminy B12. Gorzej jest w przypadku braku czynnika wewnętrznego: jedyna rada wówczas to domięśniowe zastrzyki z witaminy B12.
Również przewlekłe choroby układu pokarmowego, jak celiakia czy choroba Leśniowskiego-Crohna mogą powodować upośledzone wchłanianie witamin B12. Niektóre leki, jak pochodne metforminy stosowane w leczeniu cukrzycy albo inhibitory pompy wodorowej stosowane w leczeniu żołądka też mogą powodować takie skutki.
Niedobór witaminy B12 zdarza się też w przypadku zakażenie tasiemcem (np. bruzdogłowiec szeroki, Diphyllobothrium latum). Jest tak dlatego, że tasiemiec, jak każde zwierzę, potrzebuje witaminy B12 i zabiera ją gospodarzowi.
Czy nadmiar witaminy B12 może być szkodliwy? Raczej nie, bo skomplikowany system wchłaniania z udziałem wielu białek powoduje, że „nadmiarowa” witamina jest wydalana z moczem.
Dlaczego potrzebujemy witaminy B12, skoro rośliny i grzyby radzą sobie bez niej?
Nie da się ukryć, że witamina B12 jest dla nas problematyczną cząsteczką. Nie możemy jej syntetyzować, wchłanianie jest skomplikowanym procesem wymagającym wielu białek, a jedynym źródłem są pokarmy pochodzenia zwierzęcego. A co z roślinożernymi zwierzętami? U przeżuwaczy, takich jak krowy lub owce, kobalamina jest produkowana przez bakterie w komorze żołądka zwanej żwaczem. Warunkiem jest jednak obecność soli kobaltu w glebie, na której rośnie trawa służąca jako pasza. W niektórych regionach Australii i Nowej Zelandii stwierdza się chorobę owiec o nazwie choroba buszu (bush sickness), która jest spowodowana niedoborem kobaltu w glebie. Bakterie ze żwacza, przy całej ich sprawności w syntezie kobalaminy, nie są w stanie wyprodukować jej bez kobaltu. Objawy są podobne do anemii złośliwej (Ryc. 2).
Ryc. 2. Owce z niedoborem kobaltu („bush sickness”). Źródło: Wikipedia. Licencja CC BY 4.0.
Inne roślinożerne zwierzęta (te, które nie są przeżuwaczami, czyli np. króliki czy bobry) radzą sobie zjadając własne odchody. Wchłaniają w ten sposób witaminę B12 wyprodukowaną przez bakterie żyjące w ich jelicie grubym. Bakterie z naszego jelita grubego też produkują witaminę B12, ale nie możemy jej wchłaniać, bo jelito kręte znajduje się przed jelitem grubym. Jest to jeden z paradoksów związanych z tą witaminą.
A w jaki sposób witamina B12 powstała miliardy lat temu? O tym w następnym wpisie.
Literatura dodatkowa
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40932-4
Synteza witaminy B12 za pomocą 36 enzymów bakteryjnych