第六章 维生素化学

第六章 维生素和辅酶Vitamins and cofactors,内 容,6.1 维生素的概念与分类6.2 脂溶性维生素6.3 水溶性维生素,维生素的发现,动物饲养实验证明，大鼠喂饲纯化的蛋白质、脂肪、糖类和矿物质后，不能存活；但当在纯化的饲料中增加微量牛奶，大鼠则可正常生长。因此，科学家确定动物体正常营养除蛋白质、脂肪、糖类和矿物质外，还必需供给某些必要物质维生素。中国古代名医孙思邈，用动物肝脏（VA）治疗夜盲症、用谷皮汤（B1）治疗脚气病。人体也能合成某些维生素，如VD，但不能满足正常需求。植物可合成各种维生素，微生物也可合成一些维生素，如VK，VB2等。,第一节 维生素总论,一、概述,维生素（vitamin）是机体维持正常功能所必需，但在体内不能合成或合成量很少，必须由食物供给的一组低分子量有机物质。,长期缺乏某种维生素，会导致维生素缺乏症。对人体、动物体，多数维生素是体内不能合成或合成量不能满足机体的需要，必须从食物中摄取，属外源性物质。,维生素的功能通常是作为酶的辅助因子（辅酶与辅基）。因此，它对动物体正常生长与健康是必需的。,摄入过多维生素时可发生中毒，干扰物质代谢。,二. 命名与分类,(一) 命名,维生素有三种命名系统：一是按发现的历史顺序，以英文字母顺次命名，如维生素、维生素、维生素、维生素等；二是按其特有的功能命名，如抗干眼病维生素、抗癞皮病维生素、抗坏血酸等；三是按其化学结构命名，如视黄醇、硫胺素、核黄素等。三种命名系统互相通用。,(二) 分类,维生素通常接溶解性质将其分为脂溶性维生素（lipid-soluble vitamins）和水溶性维生素（water-soluble vitamins）两大类。根据分布情况，水溶性维生素又可分为B族维生素与维生素C两类。,l、脂溶性维生素,（1）维生素A：又名抗干眼病维生素，或视黄醇。（2）维生素D：又名抗佝偻病维生素，或钙化醇。（3）维生素E：又名抗不育维生素或生育酚。（4）维生素K：又名凝血维生素。,微生物A、D、K主要储存于肝，微生物E主要储存于脂肪组织。,2、水溶性维生素,（1）维生素B1：又名抗脚气病维生素或硫胺素。（2）维生素B2：又名核黄素。（3）维生素PP：又名抗癞皮病维生素，即尼克酸和尼克酚胺(烟酸和烟酰胺)。（4）维生素B6：又名抗皮炎维生素，即吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺。（5）泛酸：又名遍多酸。（6）生物素。（7）叶酸。（8）维生素B12：又名抗恶性贫血维生素或钴胺素。（9）维生素C：又名抗坏血酸。,以上所列是较为重要的维生素，其中以维生素A、D、B1、B2、PP和维生素C对机体的代谢调节最为重要，从膳食中的供应也常不足或缺乏。,4.1 维生素总论,三、缺乏病发生的原因,（一）维生素的摄入量不足,（二）维生素的吸收障碍,（三）需要量增加,（四）服用某些药物,（五）食物以外的维生素供给不足,第二节 脂溶性维生素,维生素A族维生素D族维生素E族维生素K族,Lipid-soluble Vitamins,脂溶性维生素,脂溶性维生素包括维生素A、D、E、K，它们不溶于水，而溶于脂类及脂肪溶剂。脂溶性维生素在食物中与脂类共同存在，并随脂类一同吸收。吸收后的脂溶性维生素在血液中与脂蛋白及某些特殊的结合蛋白特异地结合而运输。,脂溶性维生素,Vit 别名 生理功能 缺乏症 A 视黄醛 合成视紫红质 夜盲症、干眼病 D 钙化醇 促进钙磷吸收 佝偻病、软骨病 E 生育酚 抗氧化 治疗习惯性流产 K 凝血Vit 合成凝血因子 使凝血时间延长,一、维生素A （视黄醇、抗干眼病维生素）,（一）结构,维生素A又称抗干眼病维生素。天然形式: A1及 A2 。,Al又称视黄醇（retinol），A2又称3-脱氢视黄醇。维生素A 在体内的活性形式包括视黄醇、视黄醛。A1主要存在于海水鱼的肝脏，A2主要存在于淡水鱼的肝脏。,植物中不存在维生素A，但有多种胡萝卜素，其中以-胡萝卜素最为重要。它在小肠粘膜处由-胡萝卜素加氧酶的作用，加氧断裂，生成2分子视黄醇，所以通常将-胡萝卜素称为维生素A原。,维生素的单位：国际单位1个“国际单位”的维生素A0.6g-胡萝卜素0.344g维生素A1醋酸酯，0.3g维生素A1，,缺乏或过多的影响正常：成人5000，儿童20003500个国际单位缺乏：上皮组织角质化、干眼病、夜盲症等过多：中毒,维生素A的性质：1、不溶于水，溶于油脂和乙醇，易氧化，2、有特异的紫外吸收光带 维生素A1为328nm； 维生素A2为345nm、350nm。,（二）生理功能及缺乏症,1维生素A是视觉细胞内感受弱光的物质视紫红质的组成成分,在视觉细胞内由 11-顺视黄醛（retinal）与不同的视蛋白（opsin）组成视色素。在感受强光的锥状细胞内有视红质、视青质及视蓝质，杆状细胞内有感受弱光或暗光的视紫红质。,（二）生理功能,VA主要功能增强对弱光的敏感性，及暗光的适应能力。,功能性物质,在维生素A缺乏时，必然引起11-顺视黄醛的补充不足，视紫红质合成减少，对弱光敏感性降低，日光适应能力减弱，严重时会发生夜盲症。,视紫红质,视蛋白,11-顺视黄醛,全反视黄醛,暗处,光,视紫红质的合成、分解与视黄醛的关系,Vitamin-A DeficiencyEarly Stage,Vitamin-A DeficiencyLate Stage,2维生素A也是维持上皮组织的结构与功能所必需的物质。,当维生素A缺乏时，可引起上皮组织干燥、增生和角质化，产生干眼病、皮肤干燥、毛发脱落等。,增强免疫力，具有一定的抗癌功能。人体上皮细胞正常分化与视黄酸直接相关。研究表明：-胡萝卜素具有一定抗癌作用。 在pO2较低时（如肌肉组织细胞中），-胡萝卜素具有抗氧化功能消灭自由基抵抗肿瘤。,3其它作用,缺乏时：1）11-顺视黄醛视紫红质合成弱光敏感性，暗光适应能力严重者夜盲症；2）糖蛋白合成维持上皮组织的分化与完整性干眼病； 糖蛋白对保持细胞水分具有重要作用。同时具有影响细胞的分化等功能。 VA缺乏上皮细胞组织干燥、增生、角质化。,（三）缺乏症 夜盲症，干眼病，皮肤干燥（四）VA过量长期过量头痛、恶心、腹泻、肝脾肿大等，孕妇易出现胎儿畸形。VA是脂溶性vit，不易排出，当其大过量时可中毒（正常：800ug/每日）。,二、维生素D（钙化醇、抗佝偻病维生素）,（一）化学本质和性质 一种类甾醇类衍生物,维生素D又称为抗佝偻病维生素，是类固醇衍生物。主要包括 D2（麦角钙化醇ergocalcilferol）及 D3（胆钙化醇 cholecalcifeol）。,(1)种类：主要有D2，D3，D4，D5；D2，D3活性 最高维生素D原：动植物组织中含有可以转化为 维生素D的固醇类物质。,（2）来源,在体内的转变,在生物体内，D2和D3本身不具有生物活性。它们在肝脏和肾脏中进行羟化后，形成1，25-二羟基维生素D。其中1，25-二羟基维生素D3是生物活性最强的。,VD的运输,1. 生化作用作用于小肠粘膜、肾及肾小管，促进钙磷吸收，有利于新骨的形成、钙化。,（二）生化作用及缺乏症,功能：促进骨骼正常发育,缺乏症：儿童佝偻病成人软骨病过多：中毒,来源；肝、蛋黄、鱼肝油、奶等,（二）生理功能及缺乏症,佝偻病,补充VD前后的状态,四、维生素K（凝血维生素）,（二）生化作用及缺乏症 1. 生化作用： 作为-谷氨酸羧化酶辅酶，促进凝血酶合成维持体内凝血因子、 、和的正常水平，参与凝血作用。 2. 缺乏表现: 易出血,（一）化学本质及性质,天然形式：K1、K2人工合成：K3、K4,来源：维生素K1绿叶蔬菜； 维生素K2肠道细菌合成 维生素K3人工合成 维生素K是2-甲基萘醌的衍生物。,维生素K1,维生素K2,凝血酶原的谷氨酸被羧基化后，与钙离子结合，有利于凝血酶原转化为凝血酶。,是羧化酶的辅酶；对维持凝与抗凝血的正常平衡有重要作用,四、维生素E,（一）化学本质与性质 种类：8种，以-生育酚的效价最高 来源：麦胚油、玉米油、花生油等植物油。 动物不能合成。极易自身氧化，故具有较强的抗氧化、保护其他物质的功能。,生育酚通式,功能：维持生殖机能， 抗氧化作用，抗衰老作用等。,缺乏症：动物生殖能力受阻。 人类未发现典型缺乏症。过量：无毒,（二）生理功能及缺乏症,1维生素E是体内最重要的抗氧化剂，能避免脂质过氧化物的产生，保护生物膜的结构与功能，对抗自由基对人体的危害作用，起到抗衰老的作用。,2维生素E俗称生育酚，动物缺乏维生素E时其生殖器官发育受损甚至不育。临床上常用维生素E来治疗先兆流产及习惯性流产。,3促进血红素代谢。新生儿缺乏维生素E时可引起贫血，这可能与血红蛋白合成减少及红细胞寿命缩短有关。维生素E能提高血红素全成过程中关键酶的活性，所以孕妇、哺乳期的妇女及新生儿应注意补充维生素E。,6.3 水溶性维生素,维生素B族维生素C族其它维生素,B1、B2、B3、泛酸、B6、B12、生物素、叶酸、硫辛酸,Water-soluble Vitamins,概 述,水溶性维生素包括B族维生素和维生素C。水溶性维生素体内过剩的部分均可由尿排出体外，因而在体内很少蓄积，也不会因此而发生中毒。又因为在体内的储存很少，所以必须经常从食物中摄取。,一、维生素C,（一）化学本质 维生素C又称L-抗坏血酸,结构特点：分子中C2和C3形成二烯醇的形式，具有很强的还原性，极易被氧化成氧化型抗坏血酸,Vc的氧化还原反应,性质：型的2.3位可解离出H+，Vc呈酸性，具较强的还原性，且极易被氧化变性。对光、热、氧、酸、碱、水等均不稳定。,具有酸性和抗氧化性,Vc的氧化过程,2,3,2,3,人类等灵长类因缺乏合成维生素C的L-古洛糖酸内酯氧化酶，故不能合成自身所需要的维生素C，必须从饮食中获得。,维生素C可还原染料2,6-二氯酚靛酚（简称2，6-D）。在碱性条件下为蓝色；在酸性条件下为粉红色，还原后变为无色。,（二）生化作用及缺乏症 生化作用：参与氧化还原反应和羟化反应，促进胶原蛋白的合成，促进铁的吸收。,保持巯基酶活性和GSH还原状，起解毒作用。重金属解毒功能。,缺乏症：坏血病,可促进Hb由氧化型（Met-Hb）转变为还原型（Red-Hb）。,二、维生素B1,（一）化学本质及性质1）别名：硫胺素(thiamine)2）结构特点： 含有嘧啶环和噻唑环。3）形成的辅酶：焦磷酸硫胺素（TPP）是-酮酸脱羧酶的辅酶,焦磷酸硫胺素(TPP),硫胺素,焦磷酸硫胺素,TPP形成过程,维生素B1和硫胺素焦磷酸,嘧啶环,噻唑环,（二）生理功能及缺乏症,以TPP形式参与糖代谢，为丙酮酸、-酮戊二酸氧化脱羧酶系的辅酶。缺VB1，TPP不能合成，糖类物质代谢中间产物-酮酸不能氧化脱羧而堆积，造成“脚气病”。,VB1可抑制胆碱酯酶的活性，减少乙酰胆碱水解。乙酰胆碱有增加肠道蠕动及腺体分泌的作用，有助于消化。缺VB1，消化液分泌减少，肠胃蠕动减少，出现食欲不振，消化不良。,1. 生化作用TPP是-酮酸氧化脱羧酶的辅酶，也是磷酸戊糖途径中转酮酶的辅酶。 在神经传导和糖代谢中起重要作用，抑制胆碱酯酶的活性。,CoASH、NAD+、TPP,缺乏：会导致能量来源发生障碍脚气病,湿性脚气病-腿部广泛性水肿,维生素B2又名核黄素(riboflavin)，因其溶液呈黄色而得名。它的异咯嗪环上的第1及第10位氮原子与活泼的双键连接，这两个氮原子可反复接受或释放氢，因而具有可逆的氧化还原性。,三、维生素 B2,（一）化学本质及性质维生素B2又名核黄素 核醇与7.8-二甲基异咯嗪缩合物。体内活性形式为 黄素单核苷酸(FMN) 黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD) 核黄素+ATP FMN+ADP FMN+ATP FAD+PPi,维生素B2分布很广,从食物中被吸收后在小肠粘膜的黄素激酶的作用下可转变成黄素单核苷酸（FMN），在体细胞内还可进一步在焦磷酸化酶的催化下生成黄素腺膘吟二核苷酸（FAD），FMN及FAD为其活性型。,FMN 和FAD的分子结构,（二）生化作用及缺乏症,生化作用： FMN及FAD分别是体内氧化还原酶的辅基，主要起递氢体作用。参与糖、脂肪、Pr代谢；对维持皮肤、粘膜和视觉正常机能具一定作用。,氧化态（黄色）,还原态（无色）,B2的异咯嗪环上1、5位N与活泼双键相连，可接收或放出H。具可逆氧化还原性。,FAD + 2H = FADH2FMN + 2H = FMNH2,(yellow),(colorless),FAD、FMN的氧化还原态,缺乏症： 口角炎，唇炎，舌炎、粘膜炎、角膜炎、血管增生等症状。 过量无毒。需量： 成人：1.2-1.5mg/日分布：广泛地存在于动植物食品中， 如：酵母、肝、肾、蛋黄、奶、大豆、米糠等中。 所有植物和微生物均可以合成B2。,口角炎 (angular stomatitis),唇炎 (cheilosis),舌炎 (glossitis),四、泛酸,（一）化学本质及性质1)维生素(VB3)：泛酸2)由，-二羟基-二甲基丁酸和一分子-丙氨酸缩合而成。* 体内活性形式为辅酶A(HSCoA),分子中带有-SH基。* 是酰基载体蛋白(ACP)中重要成分。,泛酸,4,泛酸与巯基乙胺、核苷酸形成辅酶A (CoA-SH),泛酸（B3)和辅酶A,硫酯水解释放酰基在能量上比氧酯更有利，前者的G0为: -20.2 kj/mol，后者的G0为: -31.5 kj/mol,（二）生化作用及缺乏症* CoA及ACP是酰基转移酶的辅酶，参与酰基的转移作用。* 是脂肪酸合成酶复合体的主要成分。,泛酸在肠内被吸收进人人体后，经磷酸化并获得巯基乙胺而生成磷酸泛酰巯基乙胺。4-磷酸泛酰巯基乙胺是辅酶A（COA）及酰基载体蛋白（acyl caarier protein，ACP）的组成部分，所以CoA及ACP为泛酸在体内的活性型。,泛酸,巯基乙胺,（二）生理功能及缺乏症,在体内CoA及ACP构成酰基转移酶的辅酶，广泛参与糖、脂类、蛋白质代谢，约有70多种酶需CoA及ACP。因泛酸广泛存在于生物界，所以很少见泛酸缺乏症。但在治疗其他维生素B缺乏病时同时给予适量泛酸常可提高疗效。,五、维生素PP,（一）结构及性质,维生素PP又名抗癞（糙）皮病维生素，包括尼克酸（nicotinic acid）及尼克酰胺（nicotinamide），在体内可相互转化。,在体内尼克酸可经几步连续的酶促反应与核糖、磷酸、腺嘌呤组成脱氢酶的辅酶，主要包括尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+），它们也是维生素PP在体内的活性型。,维生素PP广泛存在于自然界，肝内能将色氨酸转变成维生素PP，但转变率较低,为1/60，即60mg色氨酸仅能转变成 lmg尼克酸。因色氨酸为必需氨基酸，所以人体的维生素PP主要从食物中摄取。,NAD+:X 为 H; NADP+: X 为 PO3H2,NAD+: 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,辅酶INADP+:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,辅酶II多种氧化还原 酶的辅酶,NAD+和NADP+的分子结构,递氢体功能及其功能部位：,NAD+ + 2H = NADH + H+NADP+ + 2H = NADPH + H+,作为脱氢酶的辅酶，在催化底物时通过氧化态与还原态的互变而传递氢,（二）生理功能及缺乏症 NAD+和 NADP+在体内是多种不需氧脱氢酶的辅酶，分子中的尼克酰胺部分具有可逆的加氢及脱氢的特性。常参与产生能量的氧化分解反应，而则参与有关还原性合成反应。,生化功能NAD+(辅酶):在分解代谢中广泛接受还原能力，最终传给呼吸链放出能量。 NADP+(辅酶):只从葡萄糖及葡萄糖酸的磷酸酯获得还原能力，用于还原性合成及羟化反应。NAD+和NADP+均为体内不需氧脱氢酶的辅酶（如苹果酸脱氢酶、乳酸脱氢酶），起传递氢的作用。,人类VPP缺乏症称为癞（糙）皮病（pellagra），癞皮病主要表现是皮炎、腹泻及痴呆。皮炎常呈对称性，并出现于暴露部位；痴呆是因神经组织变性的结果。,抗结核药物异烟肼的结构与维生素PP十分相似，二者有拮抗作用，长期服用可能引起维生素PP缺乏。最近尼克酸临床用来作为降胆固醇的药物。,缺乏：对抗性皮炎（癞皮病）大剂量：可损坏肝脏,缺乏症：缺乏时出现癞皮病的症状,猪- 癞皮病(耳部、颈部、背部产生皮炎),六、维生素B6及其辅酶,维生素B6包括吡哆醇、吡哆醛及吡哆胺，在体内以磷酸酯的形式存在。磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺可相互转变，均为活性型。,生理功能及缺乏症,磷酸吡哆醛是氨基酸代谢中的转氨酶及脱羧酶的辅酶，能促进谷氨酸脱羧，增进-氨基丁酸的生成，-氨基丁酸是一种抑制性神经递质。,磷酸吡哆醛作为糖原磷酸化酶的重要组成部分，参与糖原分解为1-磷酸葡萄糖的过程。,人类未发现维生素B6缺乏的典型病例。异烟肼能与磷酸吡哆醛结合，使其失去辅酶的作用，所以在服用异烟肼时，应补充维生素B6。,缺乏症： 人类未发现缺乏症 动物：生长减慢 或体重减轻 皮肤、粘膜及羽毛损伤 神经系统紊乱 胃肠道功能失调 免疫功能受损等,鹅步症,七、 生物素（维生素H、VB7 ）,尿素,噻吩,1)组成:噻吩环、尿素、戊酸组成,是一种含硫维生素,（一）结构及性质,生物素（biotin） ，也称VB7，由一个噻吩环和一分子尿素结合而成，侧链带一戊酸。为无色针状结晶体，耐酸而不耐碱，氧化剂及高温可使其失活。,（二）生理功能及缺乏症,生物素是体内多种羧化酶的辅酶，如丙酮酸羧化酶等，参与CO2的固定过程。,生物胞素可将活化的羧基转移给酶的相应的底物。生物素来源极广泛，人体肠道细菌也能合成，很少出现缺乏症。长期使用抗生素可抑制肠道细菌生长，也可能造成生物素的缺乏，主要症状是疲乏、恶心、呕吐、食欲不振、皮炎及神经过敏等. 生鸡蛋清中含抗生物素蛋白，与生物素结合不被肠道吸收，导致缺乏症。,猪: 后腿痉挛、足裂缝;皮炎(皮肤干燥、粗糙,并有棕色渗出物)。,猪蹄裂,猪皮炎症-注意从肩部沿背及两侧蔓延的干燥鳞片状剥落的皮肤和形成的皮痂,八、叶酸（FA、VM）和四氢叶酸,（一）化学本质及性质 叶酸又称蝶酰谷氨酸 组成：蝶呤啶、对氨基苯甲酸，L谷氨酸 体内活性形式为四氢叶酸(FH4 THF,),蝶呤啶,四氢叶酸,叶酸的5、6、7、8位置，在NADPH + H+存在下，可被还原成四氢叶酸（FH4 、THFA）,（二）生化作用及缺乏症 生化作用：FH4是一碳单位转移酶的辅酶，参与一碳单位(-CH3, -CH2-, -CHO 等)的转移。 发现于肝脏，但绿叶植物中十分丰富，因而得名。,功能THF（FH4）是除CO2外，所有氧化水平C原子，一碳单位重要受体和供体，也可写成CoF。是由二氢叶酸还原酶将叶酸(FA)连续还原而成。一碳单位的连接部位（活性部位）：N5或N10位。,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,THF可参与多种合成代谢，在需一碳单位的物质合成中十分重要。例如：嘌呤、胸腺嘧啶核苷酸（TMP）、胆碱和某些氨基酸（Met、Gly、Ser）等合成中起重要作用。对核酸代谢贡献极大。由于抗癌药物甲氨蝶呤结构类似于叶酸，所以，可抑制癌细胞内FH2FH4 因此，导致癌细胞内TMP合成具抗癌功能。（甲氨蝶呤抗癌原理）,叶酸缺乏症：,叶酸THFDNA合成骨髓，幼红细胞DNA合成细胞分裂速度巨幼红细胞性贫血分布：自然界广泛存在（尤其绿色叶片中），肉类中含量也较丰富。 正常人体不易缺乏。但孕妇较易缺乏。苯巴比妥及口服避孕药物可干扰叶酸吸收与代谢。,维生素B12又称钴胺素（coholamine），是唯一含金属元素的维生素。维生素B12在体内因结合的基团不同，可有多种形式存在，如氰钴胺素、羟钴胺素、甲钴胺素和5-脱氧腺苷钴胺素，后两者是维生素B12的活性型，也是血液中存在的主要形式。,九、 维生素Bl2及其辅酶,二甲基苯并咪唑,1）别名：钴胺素,（一）化学本质及性质,唯一带有金属离子(Co2+)的维生素。分子中含钴和咕啉。,钴胺素,* 咕啉与卟啉类似，第六个配位可结合其他基团，产生各种钴胺素。 * 如： 氰钴胺素、羟钴胺素、甲基钴胺素、5-脱氧腺苷钴胺素等。,2）VB12分子中与Co离子相连的CN基被5-脱氧腺苷所取代，形成维生素B12辅酶。,R：5-脱氧腺苷5-脱氧腺苷钴胺素,R,（二）生化作用及缺乏症,生化作用： 参与体内变位和甲基转移作用,COOH COOHH3-C-C-H H2-C- C-H2 COSCoA CO SCoA,L-甲基-丙二酰CoA,琥珀酰CoA,B12-转位酶,变位作用：,变位酶的辅酶，催化底物分子内基团(主要为甲基)的变位反应。,甲基转移作用：甲钴胺素接受甲基四氢叶酸提供的甲基，用于合成甲