การสังเคราะห์โคบอลามิน กระบวนการสร้างวิตามิน B12 ในจุลินทรีย์

การสังเคราะห์โคบอลามินเป็นกระบวนการที่แบคทีเรียและอาร์เคียใช้ในการสร้าง โคบอลามิน (Cobalamin) หรือที่รู้จักกันในชื่อ วิตามิน B12 ซึ่งเป็นหนึ่งในวิตามินที่มีโครงสร้างซับซ้อนที่สุดในธรรมชาติ กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับขั้นตอนการเปลี่ยนกรดอะมิโนเลวูลินิก (aminolevulinic acid) ผ่านสารตัวกลางอย่าง ยูโรพอร์ไฟรินโนเจน III (uroporphyrinogen III) และกรดอะดีโนซิลโคไบริก (adenosylcobyric acid) จนกลายเป็นรูปแบบสุดท้ายที่เอนไซม์ในสิ่งมีชีวิตผู้ผลิตและสิ่งมีชีวิตชนิดอื่น รวมถึงมนุษย์ที่ได้รับวิตามินนี้ผ่านการรับประทานอาหารนำไปใช้ประโยชน์ได้

เส้นทางการสังเคราะห์หลักสองรูปแบบ

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเส้นทางการสังเคราะห์สองรูปแบบหลักคือ ตำแหน่งของการใส่โคบอลต์ (Cobalt) และ ความต้องการออกซิเจน ดังนี้:

• เส้นทางแบบใช้ออกซิเจน (Aerobic pathway): พบใน Pseudomonas denitrificans และ Rhodobacter capsulatus โดยจะมีการใส่โคบอลต์ในขั้นตอนท้ายๆ ของกระบวนการ และจำเป็นต้องใช้ออกซิเจน
• เส้นทางแบบไม่ใช้ออกซิเจน (Anaerobic pathway): พบใน Salmonella typhimurium, Bacillus megaterium และ Propionibacterium freudenreichii โดยการใส่โคบอลต์จะเป็นขั้นตอนแรกๆ ของการสังเคราะห์

ขั้นตอนการสร้างวงแหวนคอร์ริน (Corrin Ring)

ไม่ว่าจะเป็นเส้นทางใด วงแหวนที่ทำหน้าที่เป็นคอมเพล็กซ์ประสานงานกับไอออนของโคบอลต์คือ วงแหวนคอร์ริน (corrin ring) โดยเฉพาะรูปแบบที่มีกลุ่มคาร์บอกซิเลตเจ็ดกลุ่มที่เรียกว่า กรดโคไบรินิก (cobyrinic acid) จากนั้นจะมีการสร้างกลุ่มเอไมด์ในตำแหน่งคาร์บอกซิเลตเกือบทั้งหมด เหลือไว้เพียงกลุ่มเดียว ซึ่งจะทำให้เกิด กรดโคไบริก (cobyric acid) และโคบอลต์จะถูกเชื่อมต่อด้วยกลุ่มอะดีโนซิล (adenosyl group)

ขั้นตอนสุดท้ายของการสังเคราะห์

ในส่วนสุดท้ายซึ่งเป็นขั้นตอนที่เหมือนกันในสิ่งมีชีวิตทุกชนิด จะมีการเติมสายโซ่เอมิโนโปรพานอล (aminopropanol sidechain) เข้ากับกลุ่มคาร์บอกซิลิกที่เหลืออยู่เพียงกลุ่มเดียว และประกอบส่วนลูปนิวคลีโอไทด์ (nucleotide loop) ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นลิแกนด์ตัวที่สองสำหรับโคบอลต์

บทบาทของโคบอลามินในสิ่งมีชีวิต

โคบอลามินประกอบด้วยเททราไพร์โรลที่ดัดแปลง (corrin) โดยมีไอออนของโคบอลต์อยู่ตรงกลาง และมักพบในสองรูปแบบที่ออกฤทธิ์ทางชีวภาพคือ เมทิลโคบอลามิน (methylcobalamin) และ อะดีโนซิลโคบอลามิน (adenosylcobalamin)

ในแบคทีเรียและอาร์เคีย เอนไซม์ที่ต้องพึ่งพาโคบอลามิน ได้แก่:

• เมทไทโอนีนซินเทส (methionine synthase)
• ไรโบนิวคลีโอไทด์รีดักเทส (ribonucleotide reductase)
• กลูตาเมตและเมทิลมาโลนิล-โคเอ (glutamate and methylmalonyl-CoA mutases)
• อีธานอลามีน แอมโมเนีย-ไลเอส (ethanolamine ammonia-lyase)
• ไดออล ดีไฮเดรเทส (diol dehydratase)

สำหรับมนุษย์ โคบอลามินมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อเมแทบอลิซึมของโฟเลต และการสังเคราะห์ซักซินิล-โคเอ (succinyl-CoA) ซึ่งเป็นสารตัวกลางในวัฏจักรกรดซิตริก

รายละเอียดขั้นตอนการสังเคราะห์เบื้องต้น

ในขั้นตอนแรกๆ ของการสังเคราะห์ จะมีการสร้างโครงสร้างเททราไพร์โรลโดยเอนไซม์ deaminase และ cosynthetase ซึ่งเปลี่ยนกรดอะมิโนเลวูลินิกผ่านพอร์โฟบิลินโนเจน (porphobilinogen) และไฮดรอกซีเมทิลบิลเลน (hydroxymethylbilane) ไปเป็น ยูโรพอร์ไฟรินโนเจน III (uroporphyrinogen III) ซึ่งเป็นสารตัวกลางตัวแรกที่ใช้ร่วมกันในการสร้างฮีม (haem), คลอโรฟิลล์ (chlorophyll), ไซโรฮีม (sirohaem) และโคบอลามิน

การสังเคราะห์ในสิ่งมีชีวิตแบบใช้ออกซิเจน

การสังเคราะห์โคบอลามินจะแยกออกจากเส้นทางของฮีมและคลอโรฟิลล์ที่จุดยูโรพอร์ไฟรินโนเจน III โดยมีการเติมกลุ่มเมทิล (CH3) อย่างต่อเนื่องเพื่อให้ได้สารตัวกลางที่เรียกว่า precorrin-1, precorrin-2 และต่อๆ ไป การใช้สายพันธุ์ Pseudomonas denitrificans ที่ผ่านการดัดแปลงพันธุกรรมช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถระบุลำดับการเติมเมทิลและขั้นตอนต่างๆ ได้อย่างครบถ้วน