生物化学第11章维生素与辅酶

一、维生素概论维生素是参与生物生长发育和代谢，维持生命现象所必需的一类微量小分子有机物质。动物体内或者不能合成维生素，或者合成量不足，所以必须从食物中摄取。有些维生素可以由动物肠道内的细菌合成，合成量可以满足动物的需要。动物细胞可将色氨酸转变成烟酸（一种B族维生素），但量不足需要。除灵长类动物（包括人类）及豚鼠外，其它动物都可以自身合成维生素C。植物和多数微生物都能自己合成维生素。(维生素的概念)TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1929ChristiaanEijkmanSirFrederickGowlandHopkinsUtrechtUniversitytheNetherlandsUniversityofCambridgeUnitedKingdomforhisdiscoveryoftheanti-neuriticvitaminforhisdiscoveryofthegrowth-stimulatingvitamins维生素的作用维生素在生物体内的作用不同于糖类、脂肪和蛋白质，不作为能量来源，不是结构物质，但它们在调节代谢中起着非常重要的作用。已知绝大多数维生素是作为辅酶或辅基的组成成分起作用。机体缺乏维生素时，会产生各种相应的维生素缺乏症。生物对维生素的需要量非常小。维生素的命名维生素的命名一般是按发现的先后顺序在“维生素”后面加A、B、C等字母来命名。有些维生素在初发现时以为是一种，后来发现是多种维生素的混合物，又在相应的字母下加下标1、2、3等加以区分。每一种维生素还有一个化学名称，如维生素C又叫抗坏血酸。维生素的分类各种维生素在化学结构上没有共同性。通常按其溶解性质分为脂溶性和水溶性两大类。脂溶性的维生素有维生素A、D、E、K等，水溶性的维生素有维生素B1、B2、烟酸和烟酰胺、B6、泛酸、生物素、叶酸、B12（它们都属于B族维生素）和维生素C等。维生素与辅酶的关系见P434表11-1二、脂溶性维生素维生素A又名视黄醇（retinol），通常以脂肪酸酯的形式存在，其氧化态为视黄醛（retinene）。视黄醇是一种类异戊二烯分子。维生素A维生素A视黄醇从动物类食品中吸收，或从植物类食品中吸收β－胡萝卜素后自身合成。β－胡萝卜素是维生素A合成的前体。维生素A包括A1和A2两种，A2的生理活性只有A1的一半。视黄醛的顺反异构体911β－胡萝卜素的结构维生素A的生理功能维生素A是构成视觉细胞内感光物质的成分。眼球视网膜上有两类感觉细胞，即圆锥细胞和杆细胞。圆锥细胞对强光及颜色敏感，杆细胞对弱光敏感，对颜色不敏感。杆细胞内含有感光物质视紫红质（rhodopin）。视紫红质在光中分解，在暗中再合成。视紫红质是由9,11－顺视黄醛和视蛋白中赖氨酸残基的ε－氨基通过schiff碱缩合而成的一种缀合蛋白质。眼睛对弱光的感光性取决于视紫红质的合成。当维生素A缺乏时，视紫红质合成受阻，暗中的视力下降，严重时可出现夜盲症。维生素A的来源和需要量维生素A主要来自动物性食品，以肝脏、乳制品和蛋黄中含量最多。维生素A原（β－胡萝卜素）主要来自植物性食品，以胡萝卜、绿叶蔬菜和玉米等含量较多。正常人每日维生素A的需要量为2600～3300国际单位，过多摄入维生素A可引起中毒症状。1个国际单位的维生素A为0.3μg维生素A。维生素D维生素D为类甾醇衍生物。它与动物骨骼的钙化有关，故又称为钙化醇（calciferol），具有抗佝偻病的作用。维生素D家族最重要的成员是麦角钙化醇（维生素D2）及胆钙化醇（维生素D3）。植物或酵母中所含的麦角甾醇经紫外线激活后可转化为维生素D2，动物皮下的7-脱氢胆甾醇经紫外线照射也可以转化为维生素D3。因此麦角甾醇和7-脱氢胆甾醇被称为维生素D原。维生素D2与D3的结构维生素D的活性形式与生理作用维生素D3经过肝和肾中的羟基化，最终形成高活性的1,25-二羟胆钙化醇。1,25-二羟胆钙化醇的生理功能是促进钙、磷的吸收，减少钙、磷从尿中排出，提高血钙、血磷浓度，有利于新骨的生成与钙化。孕妇、婴儿和青少年对维生素D的需要量大，如果此时维生素D不足，会出现骨骼变软及畸形，发生在儿童身上称为佝偻病，在孕妇身上为骨质软化症。维生素D治疗佝偻病维生素D3的前体及转化过程B环开环H重排维生素D3转变成活性形式人体维生素D3的来源及需要量人体中的维生素D主要是D3，除了从食物中摄取外，多晒太阳是预防维生素D缺乏的主要方法之一。肝、奶及蛋黄中维生素D含量较高，尤以鱼肝油中含量最丰富。1克维生素D为4千万国际单位。婴儿、青少年、孕妇及哺乳者每日需要量为400～800单位。长期过量服用会造成中毒。维生素E维生素E与动物的生育有关，故称生育酚（tocopherol）。天然的生育酚共有8种，在化学结构上，均系苯骈二氢吡喃的衍生物。根据其化学结构分为生育酚及生育三烯酚两类，每类又可根据甲基数目和位置的不同，分为α、β、γ和δ四种。维生素E结构式R1、R2不同则成为不同的种类维生素E的功能维生素E与动物的生殖功能有关，并有抗氧化作用。动物缺乏维生素E时，其生殖器官受损而不育。维生素E中以α－生育酚的生理活性最高，但δ－生育酚的抗氧化作用最强。维生素E的抗氧化作用维生素E的需要量维生素E一般不易缺乏。成人每天对维生素E的需要量尚不清楚，但动物实验结果表明，每天食物中有50毫克即可满足需要，妊娠及哺乳期需要量略增。维生素E以麦胚油、大豆油、玉米油和葵花籽油中含量最为丰富，豆类及蔬菜中也含量较多。维生素K维生素K具有促进凝血的功能，故又称为凝血维生素。天然的维生素K有两种：K1和K2。K1在绿叶植物及动物肝中含量较丰富，K2是人体肠道细菌的代谢产物。它们都是2-甲基-1,4-萘醌的衍生物。另外还有人工合成的K3和K4，它们的活性比天然维生素K还高。K3和K4是水溶性的。维生素K的结构式4个异戊二烯碳骨架，1个双键6个异戊二烯碳骨架，6个双键23维生素K的生理功能维生素K的主要生理功能是促进肝脏合成凝血酶原，还能调节另外3种凝血因子Ⅶ、Ⅸ及Ⅹ的合成。缺少维生素K时，凝血功能减弱，常发生肌肉和胃肠道出血。凝血酶原转变成凝血酶需要结合Ca2+，而结合Ca2+要求肽链上有γ羧基谷氨酸残基。此种不常见蛋白质氨基酸是由依赖维生素K的谷氨酰羧化酶催化完成的。当维生素K缺乏时，凝血酶原不能转变成凝血酶。依赖维生素K的羧化反应依赖维生素K的羧化反应依赖维生素K的羧化反应是在肝细胞内质网中进行的，羧化反应与维生素K的环氧化物生成相偶联，此环氧化物经过维生素K循环可以重新转变成维生素K。双羟香豆素能抑制环氧化物还原酶，从而抑制维生素K循环，所以双羟香豆素是抗凝血剂。双羟香豆素维生素K循环维生素K的来源一般情况下人体不会缺乏维生素K，因为维生素K在蔬菜中含量丰富，人和哺乳动物肠道中的大肠杆菌也可以合成维生素K。大剂量使用维生素K也有一定毒性，如新生儿注射30mg/天，连用3天有可能引起高胆红素血症。三、水溶性维生素维生素B1和硫胺素焦磷酸维生素B1由含硫的噻唑环和含氨基的嘧啶环组成，故称为硫胺素（thiamine），在生物体内常以硫胺素焦磷酸（TPP）的辅酶形式存在。维生素B1在碱性溶液中加热极易被破坏，而在酸性溶液中则对热稳定。维生素B1和TPPTPP参与催化的反应硫胺素焦磷酸是涉及到糖代谢中羰基碳合成与裂解反应的辅酶，参与催化α－裂解反应、α－缩合反应、α－酮转移反应等。维生素B1的需要量维生素B1主要存在于种子外皮及胚芽中，米糠、麦麸、黄豆、酵母、瘦肉中含量最丰富。人体每日需要量为2毫克，体内若维生素B1过多，极易随尿排出，未见因体内积累而造成中毒的情况。大剂量用于治疗时，也未见副作用。维生素B1缺乏症由于维生素B1和糖代谢关系密切，因此多食糖类食物，维生素B1的需要量也相应增多。当维生素B1缺乏时，糖代谢受阻，丙酮酸积累，使病人的血、尿和脑组织中丙酮酸含量增多。VB1还是乙酰胆碱酯酶的抑制剂，缺少VB1时，胆碱酯酶活性增加，乙酰胆碱减少，出现多发性神经炎、皮肤麻木、心力衰竭、四肢无力、肌肉萎缩及下肢浮肿等症状，临床上称为脚气病。根据其缺乏症，又将维生素B1称为抗神经炎维生素（抗脚气病维生素）。维生素PP和烟酰胺辅酶维生素PP包括烟酸（nicotinicacid）和烟酰胺（nicotinamide），也称为维生素B3，二者均属于吡啶衍生物。在体内烟酰胺与核糖、磷酸、腺嘌呤组成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamideadeninedinucleotide，NAD+，辅酶Ⅰ）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamideadeninedinucleotidephosphate，NADP+，辅酶Ⅱ）。烟酰胺辅酶的结构和氧化还原状态两个电子的转移反应烟酰胺辅酶参与催化的反应烟酰胺辅酶是电子载体，参与催化氧化还原反应，是多种脱氢酶的辅酶。这些反应涉及到从底物转移氢负离子给NAD+或从NAD+转移氢负离子给底物，其吡啶环的C4位是反应中心。依赖NAD+和NADP+的脱氢酶至少催化6种不同类型的反应。烟酰胺辅酶参与催化的6类反应维生素PP需要量及缺乏症维生素PP在酵母、花生、肝、鱼及瘦肉中含量丰富。人体每日需要量约20毫克。人缺乏维生素PP时，表现为神经营养障碍，初时全身乏力，以后在两手、两颊、左右额及其他裸露部位出现对称性皮炎。故维生素PP又名抗癞皮病维生素。维生素B2和黄素辅酶维生素B2又名核黄素（riboflavin），是核醇与7,8-二甲基异咯嗪的缩合物。由于在异咯嗪的1位和5位氮原子上具有两个活泼的双键，易起氧化还原反应，故维生素B2和有氧化型和还原型两种形式，在催化氧化还原反应时起传递氢的作用。核黄素易受光照射破坏。核黄素、FMN和FAD的结构核黄素的辅酶形式在体内核黄素是以黄素单核苷酸（flavinmononucleotide，FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（flavinadeninedinucleotide，FAD）的形式存在。是生物体内一些氧化还原酶（黄素蛋白）的辅基，与脱辅酶以非共价键结合。黄素是比NAD+和NADP+更强的氧化剂，能被1个电子和2个电子还原。FMN和FAD广泛参与体内的各种氧化还原反应。FAD和FMN的氧化还原态无色黄色蓝色红色黄素蛋白催化的反应维生素B2的需要量及缺乏症维生素B2广泛存在于动植物中，在酵母、肝、肾、蛋黄、奶及大豆中含量丰富。人体每日需要量为2～3毫克。当维生素B2缺乏时，引起口角炎、唇炎、阴囊皮炎、眼睑炎及角膜血管增生、混浊、溃烂、畏光等。泛酸和辅酶A泛酸广泛存在于生物界，故又名遍多酸（pantothenicacid），是由β－丙氨酸通过肽键与α,γ-二羟基-β,β-二甲基丁酸缩合而成的一种有机酸。泛酸是辅酶A（coenzymeA）和磷酸泛酰巯基乙胺的组成成分，辅酶A是泛酸的主要活性形式，常简写为CoA，是由3’,5’-ADP以磷酸酐键连接4-磷酸泛酰巯基乙胺而成。辅酶A的结构磷酸泛酰巯基乙胺辅酶A参与催化的机理辅酶A主要起传递酰基的作用，是各种酰化反应中的辅酶。由于携带酰基的部位在－SH上，故辅酶A通常以CoASH表示。硫酯键的水解比酯键的水解更为有利，所以酰基CoA是酰基的活化形式。泛酸含量高的食物泛酸在酵母、肝、肾、蛋、小麦、米糠、花生和豌豆中含量丰富，在蜂王浆中含量最高。辅酶A被广泛用作各种疾病的重要辅助药物。维生素B6和磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺维生素B6包括3种物质，即吡哆醇（pyridoxine）、吡哆醛（pyridoxal）和吡哆胺（pyridoxamine），它们都是吡啶的衍生物。维生素B6在体内以磷酸酯的形式存在，磷酸吡哆醛（pyridoxal-5-phosphate，PLP）和磷酸吡哆胺是其活性形式，是氨基酸代谢中多种酶的辅酶。维生素B6的各种形式磷酸吡哆醛的作用PLP在生理条件下有两种互变异构形式。PLP参加涉及氨基酸代谢的各种反应，包括转氨作用，α－和β－脱羧作用，β－和γ－消除作用，消旋作用和羟醛反应。磷酸吡哆醛的两种互变形式PLP参与催化的反应Ⅰ123