生物化學(xué)第章維生素與輔酶

1、一、維生素概論,維生素是參與生物生長發(fā)育和代謝，維持生命現(xiàn)象所必需的一類微量小分子有機(jī)物質(zhì)。動物體內(nèi)或者不能合成維生素，或者合成量不足，所以必須從食物中攝取。有些維生素可以由動物腸道內(nèi)的細(xì)菌合成，合成量可以滿足動物的需要。動物細(xì)胞可將色氨酸轉(zhuǎn)變成煙酸（一種B族維生素），但量不足需要。除靈長類動物（包括人類）及豚鼠外，其它動物都可以自身合成維生素C。植物和多數(shù)微生物都能自己合成維生素。,(維生素的概念),The Nobel Prize i

2、n Physiology or Medicine 1929,Christiaan Eijkman,Sir FrederickGowland Hopkins,Utrecht University the Netherlands,University of Cambridge United Kingdom,"for his discovery of the anti-neuritic vitamin","

3、for his discovery of the growth-stimulating vitamins",維生素的作用,維生素在生物體內(nèi)的作用不同于糖類、脂肪和蛋白質(zhì)，不作為能量來源，不是結(jié)構(gòu)物質(zhì)，但它們在調(diào)節(jié)代謝中起著非常重要的作用。已知絕大多數(shù)維生素是作為輔酶或輔基的組成成分起作用。 機(jī)體缺乏維生素時，會產(chǎn)生各種相應(yīng)的維生素缺乏癥。 生物對維生素的需要量非常小。,維生素的命名,維生素的命名一般是按發(fā)現(xiàn)的先

4、后順序在“維生素”后面加A、B、C等字母來命名。有些維生素在初發(fā)現(xiàn)時以為是一種，后來發(fā)現(xiàn)是多種維生素的混合物，又在相應(yīng)的字母下加下標(biāo)1、2、3等加以區(qū)分。每一種維生素還有一個化學(xué)名稱，如維生素C又叫抗壞血酸。,維生素的分類,各種維生素在化學(xué)結(jié)構(gòu)上沒有共同性。通常按其溶解性質(zhì)分為脂溶性和水溶性兩大類。脂溶性的維生素有維生素A、D、E、K等，水溶性的維生素有維生素B1、B2、煙酸和煙酰胺、B6、泛酸、生物素、葉酸、B12（它們都屬于B族維生

5、素）和維生素C等。,維生素與輔酶的關(guān)系,見P434表11-1,二、脂溶性維生素,維生素A又名視黃醇（retinol），通常以脂肪酸酯的形式存在，其氧化態(tài)為視黃醛（retinene）。視黃醇是一種類異戊二烯分子。,維生素A,維生素A,視黃醇從動物類食品中吸收，或從植物類食品中吸收β－胡蘿卜素后自身合成。β－胡蘿卜素是維生素A合成的前體。維生素A包括A1和A2兩種，A2的生理活性只有A1的一半。,視黃醛的順反異構(gòu)體,9,11,β－胡蘿卜素的

6、結(jié)構(gòu),維生素A的生理功能,維生素A是構(gòu)成視覺細(xì)胞內(nèi)感光物質(zhì)的成分。眼球視網(wǎng)膜上有兩類感覺細(xì)胞，即圓錐細(xì)胞和桿細(xì)胞。圓錐細(xì)胞對強(qiáng)光及顏色敏感，桿細(xì)胞對弱光敏感，對顏色不敏感。桿細(xì)胞內(nèi)含有感光物質(zhì)視紫紅質(zhì)（rhodopin）。視紫紅質(zhì)在光中分解，在暗中再合成。視紫紅質(zhì)是由9,11－順視黃醛和視蛋白中賴氨酸殘基的ε－氨基通過schiff堿縮合而成的一種綴合蛋白質(zhì)。眼睛對弱光的感光性取決于視紫紅質(zhì)的合成。當(dāng)維生素A缺乏時，視紫紅質(zhì)合成受阻，暗中

7、的視力下降，嚴(yán)重時可出現(xiàn)夜盲癥。,維生素A的來源和需要量,,維生素A主要來自動物性食品，以肝臟、乳制品和蛋黃中含量最多。維生素A原（β－胡蘿卜素）主要來自植物性食品，以胡蘿卜、綠葉蔬菜和玉米等含量較多。正常人每日維生素A的需要量為2600～3300國際單位，過多攝入維生素A可引起中毒癥狀。 1個國際單位的維生素A為0.3μg維生素A。,維生素D,,維生素D為類甾醇衍生物。它與動物骨骼的鈣化有關(guān)，故又稱為鈣化醇（calcifero

8、l），具有抗佝僂病的作用。維生素D家族最重要的成員是麥角鈣化醇（維生素D2）及膽鈣化醇（維生素D3）。植物或酵母中所含的麥角甾醇經(jīng)紫外線激活后可轉(zhuǎn)化為維生素D2，動物皮下的7-脫氫膽甾醇經(jīng)紫外線照射也可以轉(zhuǎn)化為維生素D3。因此麥角甾醇和7-脫氫膽甾醇被稱為維生素D原。,維生素D2與D3的結(jié)構(gòu),,,維生素D的活性形式與生理作用,,維生素D3經(jīng)過肝和腎中的羥基化，最終形成高活性的1,25-二羥膽鈣化醇。1,25-二羥膽鈣化醇的生理功能是促進(jìn)

9、鈣、磷的吸收，減少鈣、磷從尿中排出，提高血鈣、血磷濃度，有利于新骨的生成與鈣化。孕婦、嬰兒和青少年對維生素D的需要量大，如果此時維生素D不足，會出現(xiàn)骨骼變軟及畸形，發(fā)生在兒童身上稱為佝僂病，在孕婦身上為骨質(zhì)軟化癥。,維生素D治療佝僂病,維生素D3的前體及轉(zhuǎn)化過程,,B環(huán)開環(huán),,H重排,,,,維生素D3轉(zhuǎn)變成活性形式,,人體維生素D3的來源及需要量,,,人體中的維生素D主要是D3，除了從食物中攝取外，多曬太陽是預(yù)防維生素D缺乏的主要方法之

10、一。肝、奶及蛋黃中維生素D含量較高，尤以魚肝油中含量最豐富。 1克維生素D為4千萬國際單位。嬰兒、青少年、孕婦及哺乳者每日需要量為400～800單位。長期過量服用會造成中毒。,維生素E,維生素E與動物的生育有關(guān)，故稱生育酚（tocopherol）。天然的生育酚共有8種，在化學(xué)結(jié)構(gòu)上，均系苯駢二氫吡喃的衍生物。根據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)分為生育酚及生育三烯酚兩類，每類又可根據(jù)甲基數(shù)目和位置的不同，分為α、β、γ和δ四種。,維生素E結(jié)構(gòu)式,R

11、1、R2不同則成為不同的種類,維生素E的功能,維生素E與動物的生殖功能有關(guān)，并有抗氧化作用。動物缺乏維生素E時，其生殖器官受損而不育。維生素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強(qiáng)。,維生素E的抗氧化作用,維生素E的需要量,維生素E一般不易缺乏。成人每天對維生素E的需要量尚不清楚，但動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，每天食物中有50毫克即可滿足需要，妊娠及哺乳期需要量略增。維生素E以麥胚油、大豆油、玉米油和葵花籽油中含量最為豐富，豆

12、類及蔬菜中也含量較多。,維生素K,維生素K具有促進(jìn)凝血的功能，故又稱為凝血維生素。天然的維生素K有兩種：K1和K2。K1在綠葉植物及動物肝中含量較豐富，K2是人體腸道細(xì)菌的代謝產(chǎn)物。它們都是2-甲基-1,4-萘醌的衍生物。另外還有人工合成的K3和K4，它們的活性比天然維生素K還高。K3和K4是水溶性的。,維生素K的結(jié)構(gòu)式,4個異戊二烯碳骨架，1個雙鍵,6個異戊二烯碳骨架，6個雙鍵,2 3,維生素K的生理功能,,維生素K的主要生理功能是促

13、進(jìn)肝臟合成凝血酶原，還能調(diào)節(jié)另外3種凝血因子Ⅶ、Ⅸ及Ⅹ的合成。缺少維生素K時，凝血功能減弱，常發(fā)生肌肉和胃腸道出血。 凝血酶原轉(zhuǎn)變成凝血酶需要結(jié)合Ca2+，而結(jié)合Ca2+要求肽鏈上有γ羧基谷氨酸殘基。此種不常見蛋白質(zhì)氨基酸是由依賴維生素K的谷氨酰羧化酶催化完成的。當(dāng)維生素K缺乏時，凝血酶原不能轉(zhuǎn)變成凝血酶。,依賴維生素K的羧化反應(yīng),,依賴維生素K的羧化反應(yīng),依賴維生素K的羧化反應(yīng)是在肝細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中進(jìn)行的，羧化反應(yīng)與維生素K的環(huán)氧

14、化物生成相偶聯(lián)，此環(huán)氧化物經(jīng)過維生素K循環(huán)可以重新轉(zhuǎn)變成維生素K。雙羥香豆素能抑制環(huán)氧化物還原酶，從而抑制維生素K循環(huán)，所以雙羥香豆素是抗凝血劑。,雙羥香豆素,維生素K循環(huán),維生素K的來源,一般情況下人體不會缺乏維生素K，因?yàn)榫S生素K在蔬菜中含量豐富，人和哺乳動物腸道中的大腸桿菌也可以合成維生素K。大劑量使用維生素K也有一定毒性，如新生兒注射30mg/天，連用3天有可能引起高膽紅素血癥。,三、水溶性維生素,維生素B1和硫胺素焦磷酸,維生

15、素B1由含硫的噻唑環(huán)和含氨基的嘧啶環(huán)組成，故稱為硫胺素（thiamine），在生物體內(nèi)常以硫胺素焦磷酸（TPP）的輔酶形式存在。維生素B1在堿性溶液中加熱極易被破壞，而在酸性溶液中則對熱穩(wěn)定。,維生素B1和TPP,TPP參與催化的反應(yīng),硫胺素焦磷酸是涉及到糖代謝中羰基碳合成與裂解反應(yīng)的輔酶，參與催化α－裂解反應(yīng)、α－縮合反應(yīng)、α－酮轉(zhuǎn)移反應(yīng)等。,維生素B1的需要量,維生素B1主要存在于種子外皮及胚芽中，米糠、麥麩、黃豆、酵母、瘦肉中含量

16、最豐富。人體每日需要量為2毫克，體內(nèi)若維生素B1過多，極易隨尿排出，未見因體內(nèi)積累而造成中毒的情況。大劑量用于治療時，也未見副作用。,維生素B1缺乏癥,由于維生素B1和糖代謝關(guān)系密切，因此多食糖類食物，維生素B1的需要量也相應(yīng)增多。當(dāng)維生素B1缺乏時，糖代謝受阻，丙酮酸積累，使病人的血、尿和腦組織中丙酮酸含量增多。VB1還是乙酰膽堿酯酶的抑制劑，缺少VB1時，膽堿酯酶活性增加，乙酰膽堿減少，出現(xiàn)多發(fā)性神經(jīng)炎、皮膚麻木、心力衰竭、四肢無力

17、、肌肉萎縮及下肢浮腫等癥狀，臨床上稱為腳氣病。根據(jù)其缺乏癥，又將維生素B1稱為抗神經(jīng)炎維生素（抗腳氣病維生素）。,維生素PP和煙酰胺輔酶,維生素PP包括煙酸（nicotinic acid）和煙酰胺（nicotinamide），也稱為維生素B3，二者均屬于吡啶衍生物。在體內(nèi)煙酰胺與核糖、磷酸、腺嘌呤組成煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+，輔酶Ⅰ）和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（n

18、icotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADP+，輔酶Ⅱ）。,煙酰胺輔酶的結(jié)構(gòu)和氧化還原狀態(tài),兩個電子的轉(zhuǎn)移反應(yīng),煙酰胺輔酶參與催化的反應(yīng),煙酰胺輔酶是電子載體，參與催化氧化還原反應(yīng)，是多種脫氫酶的輔酶。這些反應(yīng)涉及到從底物轉(zhuǎn)移氫負(fù)離子給NAD+或從NAD+轉(zhuǎn)移氫負(fù)離子給底物，其吡啶環(huán)的C4位是反應(yīng)中心。依賴NAD+和NADP+的脫氫酶至少催化6種不同類型的反應(yīng)。,煙酰胺輔酶參與催化的6類

19、反應(yīng),維生素PP需要量及缺乏癥,維生素PP在酵母、花生、肝、魚及瘦肉中含量豐富。人體每日需要量約20毫克。人缺乏維生素PP時，表現(xiàn)為神經(jīng)營養(yǎng)障礙，初時全身乏力，以后在兩手、兩頰、左右額及其他裸露部位出現(xiàn)對稱性皮炎。故維生素PP又名抗癩皮病維生素。,維生素B2和黃素輔酶,維生素B2又名核黃素（riboflavin），是核醇與7,8-二甲基異咯嗪的縮合物。由于在異咯嗪的1位和5位氮原子上具有兩個活潑的雙鍵，易起氧化還原反應(yīng)，故維生素B2和有

20、氧化型和還原型兩種形式，在催化氧化還原反應(yīng)時起傳遞氫的作用。核黃素易受光照射破壞。,核黃素、FMN和FAD的結(jié)構(gòu),核黃素的輔酶形式,在體內(nèi)核黃素是以黃素單核苷酸（flavin mononucleotide，F(xiàn)MN）和黃素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，F(xiàn)AD）的形式存在。是生物體內(nèi)一些氧化還原酶（黃素蛋白）的輔基，與脫輔酶以非共價鍵結(jié)合。黃素是比NAD+和NADP+更強(qiáng)的氧化劑，能被1個電子和2個

21、電子還原。FMN和FAD廣泛參與體內(nèi)的各種氧化還原反應(yīng)。,FAD和FMN的氧化還原態(tài),無色,黃色,藍(lán)色,紅色,黃素蛋白催化的反應(yīng),維生素B2的需要量及缺乏癥,維生素B2廣泛存在于動植物中，在酵母、肝、腎、蛋黃、奶及大豆中含量豐富。人體每日需要量為2～3毫克。當(dāng)維生素B2缺乏時，引起口角炎、唇炎、陰囊皮炎、眼瞼炎及角膜血管增生、混濁、潰爛、畏光等。,泛酸和輔酶A,泛酸廣泛存在于生物界，故又名遍多酸（pantothenic acid），是由

22、β－丙氨酸通過肽鍵與α,γ-二羥基-β,β-二甲基丁酸縮合而成的一種有機(jī)酸。泛酸是輔酶A（coenzyme A）和磷酸泛酰巰基乙胺的組成成分，輔酶A是泛酸的主要活性形式，常簡寫為CoA，是由3’,5’-ADP以磷酸酐鍵連接4-磷酸泛酰巰基乙胺而成。,輔酶A的結(jié)構(gòu),磷酸泛酰巰基乙胺,輔酶A參與催化的機(jī)理,輔酶A主要起傳遞?；淖饔茫歉鞣N?；磻?yīng)中的輔酶。由于攜帶?；牟课辉冢璖H上，故輔酶A通常以CoASH表示。硫酯鍵的水解比酯鍵的水解

23、更為有利，所以酰基CoA是?；幕罨问?。,泛酸含量高的食物,泛酸在酵母、肝、腎、蛋、小麥、米糠、花生和豌豆中含量豐富，在蜂王漿中含量最高。輔酶A被廣泛用作各種疾病的重要輔助藥物。,維生素B6和磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺,維生素B6包括3種物質(zhì)，即吡哆醇（pyridoxine）、吡哆醛（pyridoxal）和吡哆胺（pyridoxamine），它們都是吡啶的衍生物。維生素B6在體內(nèi)以磷酸酯的形式存在，磷酸吡哆醛（pyridoxal-5-ph

24、osphate，PLP）和磷酸吡哆胺是其活性形式，是氨基酸代謝中多種酶的輔酶。,維生素B6的各種形式,磷酸吡哆醛的作用,PLP在生理?xiàng)l件下有兩種互變異構(gòu)形式。PLP參加涉及氨基酸代謝的各種反應(yīng)，包括轉(zhuǎn)氨作用，α－和β－脫羧作用，β－和γ－消除作用，消旋作用和羥醛反應(yīng)。,磷酸吡哆醛的兩種互變形式,PLP參與催化的反應(yīng)Ⅰ,1,2,3,PLP參與催化的反應(yīng)Ⅱ,4,5,PLP參與催化的反應(yīng)Ⅲ,6,7,人體對維生素B6的需要量,維生素B6在動植物

25、中分布很廣，酵母、肝、瘦肉、卷心菜等食物中均含量豐富。人體每日需要量約1.5～2毫克，因?yàn)槭澄镏懈缓S生素B6，同時腸道細(xì)菌也可以合成維生素B6，所以人類很少發(fā)生維生素B6缺乏病。,維生素B12（氰鈷胺素）及其輔酶,維生素B12的化學(xué)名稱為氰鈷胺素（cyanocobalamin），它在體內(nèi)轉(zhuǎn)變成兩種輔酶形式，主要輔酶形式是5’-脫氧腺苷鈷胺素，次要的輔酶形式是甲基鈷胺素。該結(jié)構(gòu)由一個咕啉環(huán)和一個中心鈷離子組成，鈷離子同4個吡咯氮相配位，

26、鈷軸向的一個配位是二甲基苯并咪唑基的氮，另一個軸向配位可以是－CN、－CH3、－OH、或者5’-脫氧腺苷基的5’-碳。,維生素B12及其輔酶形式的結(jié)構(gòu)式,維生素B12輔酶參與反應(yīng)的類型,分子內(nèi)重排,核苷酸還原成脫氧核苷酸,甲基轉(zhuǎn)移,從氰鈷胺素合成5’-脫氧腺苷鈷胺素,維生素B12的缺乏癥,維生素B12參與DNA的合成，對紅細(xì)胞的成熟很重要，當(dāng)缺少維生素B12時，巨紅細(xì)胞中DNA的合成受到障礙，影響了細(xì)胞分裂，不能分化成紅細(xì)胞，引起惡性貧

27、血。人體對維生素B12需要量極少，每日注射1μg即可治療缺乏癥。維生素B12廣泛來源于動物性食品，特別是肉類和肝中含量豐富。人和動物的腸道細(xì)菌都能合成，故在一般情況下不會缺少維生素B12。,生物素,生物素（biotin）是由噻吩環(huán)和尿素結(jié)合而成的一個雙環(huán)化合物，噻吩環(huán)2位側(cè)鏈上有一分子戊酸。它在多種酶促羧化反應(yīng)中作為羧基的活動載體起作用。生物素通過其側(cè)鏈羧基與酶蛋白上賴氨酸的ε氨基共價結(jié)合，生物素與酶蛋白主肽鏈之間有一個,長長的柔性鏈，

28、這使得生物素可以在酶活性部位的一個亞位上接受羧基，并運(yùn)動到另一個亞位上釋放羧基。,生物素與酶蛋白中賴氨酸的連接,依賴生物素的酶上的3個亞位,依賴生物素的酶具有3個亞位：羧化作用亞位；羧基載體亞位；羧基轉(zhuǎn)移亞位。有些酶在一條多肽鏈上攜帶所有的3個亞位，但是許多依賴生物素的酶是由單功能亞基的聚集體組成，不同的亞位分布在不同的亞基上。,生物素參與催化的轉(zhuǎn)羧基反應(yīng)機(jī)理,人體對生物素的需要量,人體每天對生物素的需要量約100～300毫克。生物素來

29、源廣泛，肝、腎、蛋黃、酵母、蔬菜和谷物中都有，腸道細(xì)菌也能合成，所以一般很少出現(xiàn)缺乏癥。,葉酸和四氫葉酸,葉酸（folic acid）由2-氨基-4-羥基-6-甲基蝶啶（6-甲基蝶呤）、對氨基苯甲酸和L-谷氨酸三部分組成，因其在綠葉中含量十分豐富，因此命名為葉酸。葉酸是除了CO2以外所有氧化水平一碳單位的重要受體和供體，參與催化一碳單位的轉(zhuǎn)移反應(yīng)。四氫葉酸是葉酸的活性輔酶形式，又稱為輔酶F（CoF）。,葉酸的結(jié)構(gòu),葉酸還原成四氫葉酸,二

30、氫葉酸,四氫葉酸,四氫葉酸攜帶的一碳單位中碳的氧化態(tài),四氫葉酸攜帶各種一碳單位的形式,,,,,,,葉酸類似物,可抑制二氫葉酸還原酶，它們是抗腫瘤藥物,人體對葉酸的需要量和缺乏癥,由于葉酸與核酸的合成有關(guān)，當(dāng)葉酸缺乏時，DNA的合成受到抑制，造成巨紅細(xì)胞性貧血。葉酸廣泛存在于肝、酵母及蔬菜中，人類腸道細(xì)菌也能合成葉酸，故一般不易發(fā)生缺乏癥。當(dāng)吸收不良，代謝失?；蜷L期使用腸道抑菌藥時，可引起葉酸缺乏癥。人體每日需要量約400μg，孕婦需要量

31、增加一倍。,硫辛酸的結(jié)構(gòu),硫辛酸（lipoic acid）是6,8-二巰基辛酸，以氧化態(tài)和還原態(tài)兩種形式存在，這兩種形式可以通過氧化還原互相轉(zhuǎn)變。在酶分子中，硫辛酸的羧基與肽鏈中的賴氨酸側(cè)鏈氨基以酰胺鍵連接。,硫辛酸的作用,硫辛酸是一種?；d體，存在于丙酮酸脫氫酶和α－酮戊二酸脫氫酶中，這兩種酶是糖代謝中的兩種多酶復(fù)合體，分別催化丙酮酸脫羧產(chǎn)生乙酰CoA和α－酮戊二酸脫羧形成琥珀酰CoA。硫辛酸在α－酮酸氧化作用和脫羧作用時行使偶聯(lián)?；?/p>

32、轉(zhuǎn)移和電子轉(zhuǎn)移的功能。此反應(yīng)在后面會詳細(xì)介紹。,維生素C,維生素C具有防治壞血病的功能，故又稱為抗壞血酸（ascorbic acid）。維生素C是一種含有6個碳原子的酸性多羥基化合物，分子中C2及C3位上兩個相鄰的烯醇式羥基易解離而釋放H+，所以維生素C雖無自由羧基，但仍具有酸的性質(zhì)。,L型有高活性D型只有低活性,維生素C,維生素C廣泛分布于動物界和植物界，僅人類和其他靈長類、豚鼠、一些鳥類和某些魚類不能合成，因?yàn)槿祟惡瓦@些動物的肝臟

33、中缺少L-古洛糖酸-γ-內(nèi)酯氧化酶，所以不能合成抗壞血酸，必須從食物中獲得。,維生素C的生物合成,維生素C的降解,氧化型的抗壞血酸（脫氫抗壞血酸）易降解,維生素C的氧化還原,維生素C的功能,,維生素C參與體內(nèi)的多種氧化還原反應(yīng)，通過偶聯(lián)氧化還原，使一些分子保持還原態(tài)。維生素C是羥化酶維持活性所必需的輔因子之一，體內(nèi)有許多反應(yīng)涉及到羥化反應(yīng)，膠原分子上的羥脯氨酸和羥賴氨酸就是脯氨酸和賴氨酸經(jīng)羥化酶催化產(chǎn)生的。缺少維生素C膠原的合成受到影響

34、。還有許多代謝過程也受到阻礙。,維生素C的偶聯(lián)氧化還原,,重金屬離子,,（酶失活）,維生素C的缺乏癥,維生素C是最不穩(wěn)定的一種維生素，由于它容易被氧化，在食物貯藏或烹調(diào)過程中，甚至切碎新鮮蔬菜時都能被破壞。因此，只有新鮮的蔬菜、水果或生拌菜才是維生素C的豐富來源。人缺少維生素C時會發(fā)生壞血病，出現(xiàn)易出血，牙齒松動，傷口不易愈合，易骨折等癥狀。由于維生素C在人體內(nèi)的半衰期較長（大約16天），所以食用不含維生素C的食物3～4個月后才會出現(xiàn)壞