DE19850433A1 - Crotonobetainyl-Coenzym A, Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Crotonobetainyl-Coenzym A, Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft das Crotonobetainyl-Coenzym A, ein Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung bei der Herstellung von L(-)-Carnitin. DOLLAR A An L(-)-Carnitin besteht ein wachsender Bedarf. Es ist die Aufgabe gestellt, diese Substanz in größeren Mengen zur Verfügung zu stellen. DOLLAR A Die Aufgabe wird gelöst, indem Crotonobetainyl-Coenzym A zur Aktivierung von Carnitinhydratase eingesetzt wird und diese aus Crotonobetain das L(-)-Carnitin produziert. Ähnlich kann verfahren werden, indem Crotonobetainyl-Coenzym A und Carnitinracemisierendes System in Puffer gelöst werden und dieses aus D(+)-Carnitin das gewünschte L(-)-Carnitin herstellt. DOLLAR A Die Erfindung wird angewendet in der L(-)-Carnitinsynthese.
Description
Die Erfindung betrifft Crotonobetainyl-Coenzym A und ein Verfahren zu seiner
Herstellung. Sie betrifft ferner die Verwendung von Crotonobetainyl-Coenzym A zur
Herstellung von L(-)-Carnitin aus Crotonobetain und D(+)-Carnitin.
Crotonobetainyl-Coenzym A ist als Substanz bisher nicht bekannt. Betrachtet man
die Eignung dieser Verbindung, im Prozeß der Herstellung von L(-)-Carnitin
verwendet zu werden, muß der Stand von Wissenschaft und Technik bezüglich der
Herstellungsverfahren von L(-)-Carnitin berücksichtigt werden. Für die Gewinnung
von L(-)-Carnitin sind zahlreiche chemische und biochemische bzw.
biotechnologische Verfahren bekannt. Die meisten chemischen Synthesen führen
zum D,L-Carnitin. Durch Umsetzung des Racemats mit optisch aktiven Trennsäuren,
z. B. mit optischen Isomeren der Weinsäure, der Camphersäure oder der
Camphersulfonsäure und einer anschließenden fraktionierten Kristallisation ist es
möglich, das L-Enantiomer zu gewinnen (z. B. DD-PS 23 217; DD-PS 93 347; DE-OS 29 27 672).
Alle bisher bekannten Verfahren zur Synthese haben den Nachteil, daß
D(+)-Carnitin als Abfallprodukt anfällt, entsorgt werden muß und nur maximal 50%
des synthetisierten Produktes als L(-)-Carnitin erhalten werden. Der therapeutische
Einsatz von D,L-Carnitin ist nicht vertretbar, da D(+)-Carnitin nicht nur wirkungslos
bezüglich der Fettsäureoxidation ist sondern auch kompetitiver Hemmstoff
verschiedener L(-)-Carnitin-spezifischer Transportsysteme und Enzyme (Life
Sciences 28 [1981] 2931-2938). Aus diesem Grund sind in den letzten Jahren
Verfahren zur stereospezifischen Synthese aus achiralen Vorstufen entwickelt
worden (z. B. Tetrahedron, [1992], Vol. 48, 319-324).
Alternativen zur chemischen Synthese von L(-)-Carnitin stellen mikrobiologische
bzw. enzymatische Prozesse dar. So ist es möglich, die Rückreaktion der L(-)-
Carnitindehydrogenase (EC 1.1.1.108) zu nutzen, um L(-)-Carnitin aus 3-
Dehydrocarnitin herzustellen (US-PS 4221 869). Da es sich dabei um ein NADH-
abhängiges Enzym handelt, muß die Bereitstellung von Reduktionsäquivalenten
garantiert werden. Außerdem ist 3-Dehydrocarnitin sehr instabil. Verschiedene
Stämme von Enterobacteriaceen sind in der Lage, unter anaeroben Bedingungen L(-)-
Carnitin über Crotonobetain in gamma-Butyrobetain umzuwandeln (DD-PS 221 905,
JP-PS 6167 494, JP-PS 61 234 794, JP-PS 61 234 788). Die Metabolisierung von L(-)-
Carnitin in Crotonobetain ist reversibel und wird von einem stereospezifischen
Enzym, der L(-)-Carnitindehydratase, katalysiert (DD-PS 281 735, DD-PS 281 919).
Damit kann Crotonobetain als achirale Ausgangsverbindung zur Synthese von L(-)-
Carnitin verwendet werden. Einige Proteus-Stämme können auch unter aeroben
Bedingungen L(-)-Carnitin aus Crotonobetain bilden (US-PS 5300 430). Für die
enzymatische Synthese von L(-)-Carnitin aus dem Abfallprodukt D(+)-Carnitin wurde
eine Racemase beschrieben (DD-PS 300 181). Eine dritte Möglichkeit stellt die
Gewinnung von L(-)-Carnitin aus gamma-Butyrobetain mittels der gamma-
Butyrobetainhydroxylase (EC 1.14.11.1) dar (DE-OS 31 23 975). In den EP 158 194,
EP 195 944 und JP 61 199 793 sind Verfahren beschrieben, die auf der Produktion
von L(-)-Carnitin aus Crotonobetain oder gamma-Butyrobetain mittels Kultivierung
selektionierter Mikroorganismen auf einer zusätzlichen C-Quelle, z. B. Glycinbetain,
in Anwesenheit von Crotonobetain oder gamma-Butyrobetain beruhen.
Die L(-)-Carnitindehydratase (EC 4.2.1.89) katalysiert die reversible Umwandlung
von Crotonobetain zu L(-)-Carnitin nur in Anwesenheit eines aus Escherichia coli
isolierten und bisher noch nicht identifizierten niedermolekularen Faktors F (DD-PS 281 735).
Durch Immobilisierung einer aus der Familie der Enterobacteriaceae
isolierten L(-)-Carnitindehydratase wurde ein Verfahren zur L(-)-Carnitinsynthese
ohne Nebenproduktbildung entwickelt (DD-PS 281 919). Für die Racemisierung von
D(+)- in L(-)-Carnitin ist dieser niedermolekulare Faktor F ebenfalls essentiell. Auch
die Reduktion von Crotonobetain zu gamma-Butyrobetain erfolgt nur in Anwesenheit
des gleichen Faktors.
L(-)-Carnitin (3-Hydroxy-4-trimethylaminobutyrat) ist eine ubiquitär in der Natur
vorkommende Verbindung. Für den Transport langkettiger Fettsäuren duch die
innere Mitochondrienmembran ist es als Acylgruppencarrier von essentieller
Bedeutung. Aufgrund seiner zentralen Bedeutung im Stoffwechsel höherer
Organismen findet L(-)-Carnitin Anwendung in der Therapie und Prophylaxe von
Patienten mit verschiedenen Herzkrankheiten aber auch zur Behandlung von
Dialysepatienten (Übersicht: Pathology 17, [1985] 116-169). Bei parenteraler
Ernährung in der Postnatalperiode bei Neugeborenen sowie bei Erwachsenen über
einen längeren Zeitraum enrveist sich die Supplementation von L(-)-Carnitin als
unerläßlich (Gürtler und Löster, Carnitin [1996] 21-30). Von zunehmender Bedeutung
ist L(-)-Carnitin als Ergänzungsnährstoff.
Mikrobiologische Verfahren zur Synthese von L(-)-Carnitin haben den Nachteil, daß
die Mikroorganismen aufgrund ihrer geringen Größe nur schwierig vom Kulturmedium
abgetrennt werden können und daß für die Kultivierung ständig Nährmedien neu zur
Verfügung gestellt werden müssen. Dazu kommt, daß zur Aufarbeitung der
verdünnten L(-)-Carnitin-haltigen Kulturflüssigkeit ein erheblicher Aufwand betrieben
werden muß. Bei der Synthese von L(-)-Carnitin aus Crotonobetain in
mikrobiologischen Systemen besteht die Möglichkeit der Umsetzung von
Crotonobetain zu gamma-Butyrobetain durch Crotonobetainreduktase als
Konkurrenzreaktion zur Synthesereaktion.
Das Verfahren zur enzymatischen Synthese von L(-)-Carnitin aus Crotonobetain
hat den Nachteil, daß über die immobilisierte L(-)-Carnitindehydratase neben
Crotonobetain eine aus E. coli gewonnene und von Protein befreite Lösung mit einem
nicht identifiziertem Faktor F gegeben werden muß, die essentiell für die Aktivierung
des Enzyms ist. Störende Einflüsse von Komponenten in der proteinfreien Lösung
auf den Faktor F können nicht ausgeschlossen werden. Eine Optimierung der
enzymatischen Synthese von L(-)-Carnitin ist nur bedingt möglich, da insbesondere
auch die Menge an zugesetztem Faktor F nicht exakt quantifizierbar ist. Für die in E. coli
beschriebene Racemisierung von D(+)- zu L(-)-Carnitin ist derselbe Faktor F von
essentieller Bedeutung. Der Faktor F kann durch bekannte Coenzyme und
Cofaktoren von Enzymen nicht ersetzt werden (Jung et al., Biochim. Biophys. Acta
1003 [1989] 270-276).
Ursachen für die aufgeführten Nachteile sind fehlende Kenntnisse über die Struktur
des Faktors F sowie über seine Rolle bei der Aktivierung des Apoenzyms der L(-)-
Carnitindehydratase. Andere Verbindungen, die ebenfalls die Aktivierung des
Apoenzyms der L(-)-Carnitindehydratse bewirken könnten, sind nicht bekannt.
Das Ziel der Erfindung ist, die stereospezifische Synthese von L(-)-Carnitin aus
Crotonobetain im zelifreien Medium bzw. die Racemisierung des Abfallproduktes
D(+)-Carnitin zu L(-)-Carnitin enzymatisch zu ermöglichen. Diese Enzym-
katalysierten Reaktionen stellen eine Alternative zur rein chemischen Synthese von
L(-)-Carnitin bzw. zu mikrobiologischen Verfahren der L(-)-Carnitingewinnung dar.
Die Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, mit Crotonobetainyl-Coenzym A und
L(-)-Carnitindehydratase die enzymatische Synthese von L(-)-Carnitin aus
Crotonobetain ohne Nebenproduktbildung zu ermöglichen. Weiterhin ist durch die
Anwendung des Carnitin-racemisierenden Systems zusammen mit Crotonobetainyl-
Coenzym A die Umwandlung des physiologisch unwirksamen Abfallprodukts D(+)-
Carnitin in L(-)-Carnitin anzustreben.
Gegenstand der Erfindung ist eine Coenzym A-Verbindung, im folgenden als
Crotonobetainyl-Coenzym A bezeichnet, die in der Lage ist, als Cofaktor die L(-)-
Carnitindehydratase zu aktivieren, so daß eine reversible Umwandlung von
Crotonobetain zu L(-)-Carnitin erfolgen kann. Der Cofaktor ist auch für die
Racemisierung von D(+)- zu L(-)-Carnitin sowie für die Umwandlung von
Crotonobetain in gamma-Butyrobetain essentiell erforderlich. Die vorliegende
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synthese und Anwendung von Crotonobetainyl-
Coenzym A.
Der Einsatz der L(-)-Carnitindehydratase kombiniert mit Crotonobetainyl-Coenzym
A eröffnet eine völlig neue Möglichkeit der Synthese von L(-)-Carnitin aus
Crotonobetain. Durch Coimmobilisierung von L(-)-Carnitindehydratase und
Crotonobetainyl-Coenzym A kann eine Alternative zu bisherigen industriellen
Verfahren der L(-)-Carnitin-Produktion entwickelt werden. In analoger Weise kann
das racemisierende System zusammen mit Crotonobetainyl-Coenzym A als
Verfahren zur Synthese von L(-)- aus D(+)-Carnitin zur Anwendung kommen.
Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich, L(-)-Carnitin aus Crotonobetain mittels L(-)-
Carnitindehydratase (EC 4.2.1.89) zu synthetisieren. Für die Aktivierung des
Apoenzyms der L(-)-Carnitindehydratase sind nur katalytische Mengen an
Crotonobetainyl-Coenzym A notwendig.
Voraussetzung für die Synthese von Crotonobetainyl-Coenzym A ist die
Aktivierung des Crotonobetains. Als Ausgangsstoff wird vorzugsweise getrocknetes
Crotonobetain-Hydrochlorid verwendet. Das Crotonobetain-Hydrochlorid wird mit
Phosphortrichlorid bei 15-70°C (vorzugsweise bei 25°C) unter Sauerstoffabschluß
umgesetzt. Gebildetes Crotonobetainylchlorid wird von weiteren Produkten und Aus
gangsstoffen durch Begasen mit Stickstoff abgetrennt.
Das so erhaltene Crotonobetainylchlorid ist für die Synthese von Crotonobetainyl-
Coenzym A geeignet. Coenzym A wird zuerst in eiskalter 1 M
Natriumhydrogencarbonatlösung, pH 7,5-9,5 (vorzugsweise pH 8,5), suspendiert.
Dazu wird eine definierte Menge an Crotonobetainylchlorid (vorzugsweise im
Überschuß) unter Kontrolle des pH-Wertes gegeben. Nach 15-30 min ist die
Reaktion beendet. Die Bildung von Crotonobetainyl-Coenzym A wird durch HPLC
(Spherisorb, C18-Säule) kontrolliert und anschließend einem weiteren Reinigungsschritt
(Ionenaustauschchromatographie an DOWEX 50) unterzogen. Die Reinheitskontrolle erfolgt
erneut über HPLC (Spherisorb, C18-Säule). Von dem sauberen Präparat wurden
physikalisch-chemische Eigenschaften bestimmt (vgl. nachfolgende Tabelle).
Eigenschaften | Crotonobetainyl-Coenzym A |
Molare Masse | 893,6 |
Absorptionsmaximum | 208 nm, 260 nm |
Molarer Extinktionskoeffizient (ε260) | 20,2 l.mmol-1.cm-1 |
pH-Stabiltät für 1 h | 2-10 |
Temperaturstabilität für 1 h | 100%: -20°C bis 0°C |
75%: 20°C bis 60°C | |
Löslichkeit | Wasser |
Für den erfindungsgemäßen Nachweis der Aktivierung der L(-)-
Carnitindehydratase wird gereinigtes Crotonobetainyl-Coenzym A (vorzugsweise 1-10 nmol∧∧)
in Kaliumphosphatpuffer (10 mM, pH 7,5) gegeben, partiell angereicherte
L(-)-Carnitindehydratase (ohne Faktor F keine Aktivität zeigend) und die zu
metabolisierende Crotonobetainlösung (1 M) hinzugefügt sowie bei 37°C inkubiert.
Gebildetes L(-)-Carnitin wird anschließend im optischen Test mit Hilfe der Carnitin-
Acetyltransferase (nach BERGMEYER (1970)) nachgewiesen. Analog wird beim
Nachweis der Racemisierungsreaktion verfahren, wobei statt Crotonobetain eine
D(+)-Carnitinlösung (1 M) hinzugefügt wird. Die exakte Bestimmung des gebildeten
L(-)-Carnitin ist nach vorheriger Eichung des Systems mit bekannten L(-)-
Carnitinlösungen möglich.
Für den erfindungsgemäßen Nachweis der Aktivierung des Enzymsystems,
welches Crotonobetain in gamma-Butyrobetain umwandelt, wird gereinigtes
Crotonobetainyl-Coenzym A (vorzugsweise 1-10 nmol) in temperierten (vorzugsweise
37°C) und mit Stickstoff begasten Kaliumphosphatpuffer (50 mM, pH 7,8) gegeben,
Crotonobetain-reduzierendes Enzymsystem (ohne Faktor F keine Aktivität zeigend)
sowie Dithionit (vorzugsweise 50 mM) und Benzylviologen (vorzugsweise 1 mM)
hinzugefügt. Nach Zugabe der zu metabolisierenden Crotonobetainlösung (3,75 M)
kann gebildetes gamma-Butyrobetain im optischem Test anhand des oxidierten
Benzylviologen nachgewiesen werden.
Bildung von L(-)-Carnitin aus Crotonobetain durch angereicherte L(-)-
Carnitindehydratase und Crotonobetainyl-Coenzym A (CB-CoA) nach 10 min
Inkubation bei 37°C in Kaliumphosphatpuffer (10 mM, pH 7,5).
Bildung von L(-)-Camitin aus D(+)-Camitin durch ein Camitin-racemisierendes System und
Crotonobetainyl-Coenzym A (CB-CoA) nach 10 min Inkubation bei 37°C in
Kaliumphosphatpuffer (10 mM, pH 7,5).
Claims (6)
1. Crotonobetainyl-Coenzym A, gekennzeichnet durch folgende Eigenschaften:
- a) Molare Masse: 893,6
- b) Absorptionsmaxima: 208 nm und 260 nm
- c) Molarer Extinktionskoeffizient (ε260): 20,2 l.mmol-1.cm-1
- d) Km-Wert der L(-)-Carnitindehydratase für Crotonobetainyl-Coenzym A: 8.10-6 M
- e) Temperaturstabilität: bei -20°C mehrere Wochen bei 0°C einige Stunden
- f) pH-Stabilität: zwischen pH 2 und pH 10 über 1 Stun
de gut
stabil bei pH 5 über mehrere Wochen - g) Löslichkeit: in Wasser gut
in organischen Lösungsmittel sehr we nig - h) Sonstiges: hygroskopisch.
2. Verfahren zur Herstellung von Crotonobetainyl-Coenzym A nach Anspruch 1 aus
Crotonobetain-Hydrochlorid und Coenzym A, dadurch gekennzeichnet, daß zu
nächst in einem erstenSchritt Crotonobetainylchlorid aus Crotonobetain-Hydro
chlorid und Phosphortrichlorid bei 25°C hergestellt und anschließend in einem
zweiten Schritt mit Coenzym A in eiskalter Natriumhydrogencarbonatlösung zu
Crotonobetainyl-Coenzym A umgesetzt wird.
3. Verwendung von Crotonobetainyl-Coenzym A nach Anspruch 1 zur Aktivierung
von L(-)-Carnitindehydratase, dadurch gekennzeichnet, daß beide Verbindungen
in eine Pufferlösung von pH 7,8 gegeben werden.
4. Verwendung von Crotonobetainyl-Coenzym A nach Anspruch 1 und 2 zur
Herstellung von L(-)-Carnitin, dadurch gekennzeichnet, daß beide Verbindungen
in einen Puffer bei pH 7,8 gegeben werden und dieser Lösung Crotonobetain zu
gefügt wird.
5. Verwendung von Crotonobetainyl-Coenzym A nach Anspruch 1 zur Herstellung
von L(-)-Carnitin, dadurch gekennzeichnet, daß Crotonobetainyl-Coenzym A und
Carnitin-racemisierendes System zusammen in Puffer bei pH 7,8 gegeben werden
und der Lösung D(+)-Carnitin zugesetzt wird.
6. Verwendung von Crotonobetainyl-Coenzym A nach Anspruch 1 zur Herstellung
von gamma-Butyrobetain, dadurch gekennzeichnet, daß Crotonobetainyl-
Coenzym A und Crotonobetain-reduzierendes Enzymsystem zu Benzylviologen
und Dithionit in Puffer pH 7,5 gegeben werden und Crotonobetain zugefügt wird.
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CA 61(1964) 5969 c * |
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