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生物素的特点及其在生物医学中的应用概述

来源:搜集整理   日期:2020-12-29   点击数:

  蔡金星 薛军 曾海 邹奇锋 陈友伟 王丽随 朱耿桢
  
  莆田市第一医院药剂科
  
  摘    要:
  
  B族维生素中的生物素是一种辅酶,在生物体内可以参与羧化反应,合成碳水化合物、脂类、核酸、蛋白质。随着生物素应用途径的扩增,生物素的研究在近年也逐渐兴起。本文从多方面阐述生物素的测定方法、生化用途以及临床用途等,并对其未来的应用做了展望,希望为后续相关的研究提供思路。
  
  关键词:
  
  生物素 检测 探针 临床
  
  生物素又称维生素H和辅酶R,是水溶性维生素-B族维生素之一。是20世纪30年代在研究酵母生长因子和根瘤菌的生长与呼吸促进因子时,在肝中发现的一种可以防治由于喂食生鸡蛋蛋白导致的大鼠脱毛和皮肤损伤的因子。生物素是多种羧化酶的辅酶,在羧化酶的反应中为CO2载体。它与机体碳水化合物、脂类、蛋白质及核酸代谢密切相关。在肝、肾、酵母、牛乳中含量较多,是生物体固定二氧化碳的重要因素。
  
  1 生物素的性质和含量测定方法进展
  
  1936年,人们首次从蛋黄中分离得到了纯生物素,5年之后确认生物素的分子式为C10H16N2O3S,并且完成了结构表征[1]。1944年首次完成生物素的全合成,但是其绝对构型的验证直到1962年才全部确定。生物素其结构为含硫的脲基环并戊酸侧链,其中含有3个手性碳原子(见图1),对应8种立体异构体,但只有D(+)-生物素才具有生物活性。其理化特性不易被酸碱溶解,微溶于水和乙醇。
  
  图1 生物素的化学结构
  
  生物素的合成方法目前报道的有以L-氨基酸为原料合成[2]、以单糖为原料的合成[3]、以醛酸酯为原料的合成[4]以及环加成以及生化拆分[5]等方法。在其结构中含有羧基,所以可以通过缩合反应连接其他化合物。
  
  目前,生物素的检测方法主要有微生物法、高效液相色谱、荧光法和酶联免疫法以及毛细管电泳法和电色谱法等。
  
  微生物法主要有比浊法、滤纸片法[6,7]。其中微生物法是目前最灵敏和应用最广泛的方法。目前,微生物法检测生物素主要分为传统国际方法和试剂盒法。聂炎炎[8]等人在测定婴幼儿配方奶粉中采用传统国际方法和试剂盒法相结合的方式证实了微生物检测方法的快速性的优点且成本低。郑巍振[9]等人在用产氨短杆菌检测生物素的研究中采用管碟法,其具有操作简单、重复性好和抗杂质干扰等优点,目前已经广泛应用于饲料级生物素的含量测定中。刘加庆[10]等人利用高效液相色谱法测定糖蜜中的生物素,局限性较大,在于所被测的原料中,生物素含量不能太少,因此欠缺高度灵敏性。
  
  2 生物素在生物化学中的应用
  
  2.1 在化学中的应用
  
  在生物素的结构中含有羧基,所以可以通过缩合反应或者成酰氯后连接其他目标化合物。此方法的优点是连接后的化合物活性不会失去,因此目标药物连接生物素做成探针是目前药物研究的一个常用手段。但是生物素在柱层析色谱中对填料的材料要求较高,目前一般采用硅胶或者氧化铝。
  
  潘启玉[11]等人利用生物素连接青蒿素合成一系列衍生物作为探针来研究青蒿素的作用机制以及它与细胞体内生物大分子之间的相互作用,期望寻找到靶标蛋白,从而更深层次研究青蒿素类药物的作用机制。尹航[12]团队也利用生物素标记的化合物来研究阿片类药物吗啡的药理活性,结果显示可以靶向于TLR4,进而介导一系列的免疫应答。程魁[13]团队用生物素标记的化合物来研究新型的抗肿瘤药SMU-Z1的药理活性,通过中间一系列连接的碳链,证实了新型抗肿瘤药SMU-Z1靶向于TLR1/2且具有高度的抗肿瘤活性。
  
  2.2 在亲和系统中的应用
  
  70年代,由于免疫化学技术的迅速发展,各种生物素的标记技术也随之建立,合成了许多带有各种不同基团的生物素衍生物,使生物素-亲和素系统(Biotin-avidin system,BAS)开始应用于免疫学的各个领域。生物素的结构中的咪唑酮环和亲和素中的色氨酸残基相结合,其四氢噻吩环结合侧链末端羧基而结合蛋白质。两者都可以与抗体和其他大分子物质偶联,又可被酶、荧光素、放射性同位素和胶体金所标记[14]。因此被广泛应用于微量抗原、抗体定性、定量检测及定位观察等新技术[15]。
  
  亲和素是从动物微生物中提取的一种含10%碳水化合物的碱性糖蛋白[16]。亲和素的标记目前主要应用过碘酸盐氧化法、戊二醛法。生物素-亲和素系统是利用特异性结合反应为原理的新型生物反应放大系统。
  
  链酶亲和素是从链球菌属的菌培养液中提取的一种蛋白质,结构中含有四肽链蛋白。链酶亲和素的标记目前主要应用过碘酸盐氧化法。目前应用较多的是生物素-亲和素标记以及生物素-链酶亲和素标记系统。
  
  生物素-亲和素系统特异性强、亲和力高。生物素化大分子具有多价性,因此灵敏度高。且快速稳定,可与酶、荧光素、胶体金等多类标记技术结合,应用广泛。由于是碱性蛋白(PI=10),且含糖基,与聚苯乙烯的非特异性吸附较高,会导致本底增大,降低检测灵敏度。生物素-亲和素系统目前应用于酶免疫技术、荧光免疫技术、放射免疫技术和分子生物学。应用方法主要有:桥-亲和素-生物素标记法(BAB法)、亲和素-生物素-过氧化物酶法(ABC法)、标记生物素-抗生物素法(LAB法)。田晓辉[17]等利用生物素-亲和素标记技术瞄定肝素与胰岛表面,证实了此法是一种安全有效的方法。
  
  生物素-链酶亲和素系统为弱酸性蛋白(PI=6.0),不含糖基,因此与聚苯乙烯的非特异性结合,因其稳定性好、产量高、容易提纯等特点而应用广泛。周珣[18]等利用链霉亲和素-生物素放大免疫法证实了其灵敏性。吴在荣[19]等利用此法研究人胰岛素以及王金龙[20]用此法测量人甲胎蛋白后均发现,其回收率、灵敏度、线性范围和批间变异系数均和临床要求相符合。
  
  3 在生活中的应用
  
  3.1 生物素在生产中的应用
  
  生物素目前广泛应用于配合饲料,比例约占配合饲料比例的0.375%。一般认为,生物素的添加可明显改善繁殖性能,生物素缺乏可导致大鼠吸收胎甚至不孕[21]。
  
  在生长饲料中存在的天然生物素不足以刺激猪生长和最佳酮体品质[22],添加生物素可改善,同时刘学剑[23]等研究出种鸡饲料中添加生物素可以维持种蛋正常孵化率,对肉仔鸡生长促进血清甲状腺素T4、三碘甲状原氨酸T3和生长激素水平呈上升趋势。孟昭宁[24]等研究出小麦饲粮中添加生物素可提高日增重和饲料利用率。
  
  奶牛从饲料中提取的生物素有游离态和蛋白态两种形式,蛋白态只有降解为游离态才能被利用。添加生物素可提高乳产品产量,大部分研究发现,奶牛补充生物素可提高产奶量,Rosendo[25]等研究也证实了这一观点。其原因是生物素可以改善奶牛的蹄质健康,使采食竞争明显,采食时间延长而增加产奶量,进而提高奶牛的繁殖能力。余超[26]等认为,生物素提高产奶量是通过提高葡萄糖产量和增加奶牛纤维消化量的结果。孙永泰[27]等研究表明,由于瘤胃的酸性环境,可能限制了高产奶牛和肉牛对生物素的吸收利用,所以这类动物机体可能处于生理性生物素缺乏状态。
  
  生物素也能改善毛发脱落,不但防止脂溢性落发,还能预防生活中常见的少年白发[28]。同时它在维护皮肤健康中也扮演着重要角色。至于生物素安定神经系统方面的功效至今尚未获得证实,但对忧郁、失眠确有一定助益。
  
  3.2 生物素的药理作用和对免疫系统的作用
  
  生物素在机体的免疫调节中起到多种作用。生物素作为羧化酶的辅酶,它可以调节丙酮酸羧化酶、乙酰辅酶A羧化酶1和2的水平而控制糖异生和脂肪酸合成和氧化的酶,同时脂质体生物素促进胰岛素口服吸收,因此可降低血糖浓度改善糖尿病状况、调节血脂水平[29]。同时,生物素具备防止蛋白损害的功能,人体缺乏生物素会产生疲乏、恶心、呕吐、肌肉疼痛的症状,因此临床常用于急慢性湿疹、接触性皮炎、异常性痤疮[30]。
  
  生物素促进免疫器官生长,于会民[31]等人研究出生物素对肉仔鸡脾脏免疫器官的增殖发育具有推动作用。生物素的添加明显提高增殖细胞核抗原基因的表达水平和血液中B淋巴细胞的转化效率以及脾脏中T淋巴细胞和B淋巴细胞的转化率,显著降低CD3+的细胞含量。同时生物素提高淋巴细胞增殖率[32],且影响细胞因子的表达,例如人外周血淋巴细胞中的IL-1β等干扰素,但是IL-2和IL-4的表达却和生物素的量呈负相关[33]。
  
  4 总结
  
  生物素合成路线长,在合成过程中容易产生有害物质,未来可能逐渐被微生物法替代。生物素的含量测定研究到目前为止技术都比较成熟,各种方法测定均有其独特的优势。实验室和工厂的含量测定需要偏向灵敏性和重复性高且稳定快速,同时需要考虑到仪器的价格问题。生物素应用于化合物的标记目前正是各个免疫学和药物化学研究的热门领域,目前各个研究机构比较热衷于用其标记活性化合物。由于其特殊的空间构象,在分离提纯的时候需要尝试不同的实验条件。在亲和素应用方面已经成为分子生物学研究必不可少的手段之一。在生活作用方面,生物素作为医药原料、饲料添加剂和化妆品原料,药理方面研究生物素的作用机理已经起步。不管作为何种角色,其越来越多的作用将被揭开神秘的面纱。可以预见,在未来的科学研究中,生物素将会扮演越来越重要的作用。
  
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