环境生物化学基础维生素与辅酶

第5章 维生素与辅酶,第5章 维生素与辅酶,第1节 维生素的概念与分类 一. 概念 二. 命名与分类第2节 水溶性维生素与辅因子 一. 维生素B1与焦磷酸硫胺素 二. 维生素B2与FAD、FMN 三. 维生素B5与NAD、NADP 四. 生物素 五. 维生素B6与磷酸吡哆醛 六. 泛酸与辅酶A,七. 叶酸与四氢叶酸 八. 维生素B12 九. 硫辛酸 十. 维生素C第3节 脂溶性维生素 一. 维生素A 二. 维生素D 三. 维生素E 四. 维生素K,第1节 维生素的概念与分类,一、概念 维生素是参与生物生长发育和代谢所必需的一类微量有机物质。 这类物质由于体内不能合成或者合成量不足，所以虽然需要量很少，每日仅以mg或g计算，但必须由食物供给。,已知绝大多数维生素作为酶的辅酶或辅基的组成成分，在物质代谢中起重要作用。 机体缺乏维生素时，物质代谢会发生障碍。因为各种维生素的生理功能不同，缺乏不同的维生素产生不同的疾病，这种由于缺乏维生素而引起的疾病称为维生素缺乏症。,二、命名与分类 （一）命名 维生素是由vitamin一词翻译而来，其名称一般是按发现的先后，在“维生素” (简式用V表示)之后加A、B、C、D等拉丁字母来命名。初发现时以为是一种，后来证明是多种维生素混合存在，便又在拉丁字母右下方注以1、2、3等数字加以区别，例如B1、B2、B6及B12等。,（二）分类 1、脂溶性维生素 脂溶性维生素包括维生素A、D、E、K等，它们不溶于水，而溶于脂肪及脂溶剂(如苯、乙醚及氯仿等)中，故称为脂溶性维生素。2、水溶性维生素 水溶性维生素包括维生素B族、硫辛酸和维生素C。属于B族的主要维生素有维生素B1、B2、PP、B6、泛酸、生物素、叶酸及B12等。维生素B族在生物体内通过构成辅酶而发挥对物质代谢的影响。,第二节 水溶性维生素与辅因子,一、维生素B1与焦磷酸硫胺素（一）结构 维生素B1为抗神经炎维生素（又名抗脚气病维生素），化学结构是由含硫的噻唑环和含氨基的嘧啶环组成，故称硫胺素(thiamine) 。在生物体内多以焦磷酸硫胺素 (TPP)的辅酶形式存在。硫胺素在氧化剂存在时易被氧化产生脱氢硫胺素(硫色素)，后者在紫外照射下呈现蓝色荧光，利用这一特性可进行定性定量分析。,图5-1 维生素B1的结构,图5-2 TPP的结构,（二）功能 焦磷酸硫胺素(TPP)是涉及到糖代谢中羧基碳（醛和酮）合成与裂解反应的辅酶。特别是-酮酸的脱羧和-羟酮的形成与裂解都依赖于焦磷酸硫胺素。 例如：在乙醇发酵过程中，TPP作为脱羧酶的辅酶，丙酮酸通过酵母丙酮酸脱羧酶产生CO2和乙醛；在糖分解代谢过程中，TPP作为丙酮酸脱氢酶复合体和-酮戊二酸脱氢酶复合体中脱氢酶的辅酶分别参加丙酮酸和-酮戊二酸的氧化脱羧作用。,由于维生素B1和糖代谢关系密切，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，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。 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、瘦肉等食物中含量最丰富。,二、维生素B2与FAD、FMN（一）结构 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。维生素B2有氧化型和还原型两种形式，在生物体内氧化还原过程中起传递氢的作用。 在体内核黄素是以黄素单核苷酸(FMN)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)形式存在，是生物体内一些氧化还原酶(黄素蛋白)的辅基，与蛋白部分结合很牢。,图5-4 维生素B2（核黄素）的结构,图5-5 FMN的结构,图5-6 FAD的结构,（二）功能 由于FMN、FAD广泛参与体内各种氧化还原反应，因此维生素B2能促进糖、脂肪和蛋白质的代谢，对维持皮肤、粘膜和视觉的正常机能均有一定的作用。当维生素B2缺乏时，引起口角炎、舌炎、唇炎、阴囊皮炎、眼睑炎、角膜血管增生等症状。 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。所有植物和很多微生物都能合成核黄素。,三、维生素B5与NAD、NADP（一）结构 维生素B5，即维生素PP，包括烟酸和烟酰胺，又称抗癞皮病维生素，二者均属于吡啶衍生物。烟酸为吡啶-3-羧酸，烟酰胺为烟酸的酰胺，在生物体内主要以烟酰胺形式存在。,图5-7 烟酸和烟酰胺的结构 a. 烟酸；b.烟酰胺,（二）功能 在生物体内烟酰胺与核糖、磷酸、腺嘌呤组成脱氢酶的辅酶，主要以烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(辅酶)和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(辅酶)的形式存在，其还原形式为NADH和NADPH。 烟酰胺辅酶是电子载体，在各种酶促氧化还原反应中起着重要的递氢作用。NAD+在氧化途径(分解代谢)中是电子受体，而NADH在还原途径(生物合成)中是电子供体。,图5-9 NAD+和NADP+氧化还原反应式 R代表NAD+和NADP+分子的其余部分,依赖于NAD和NADP的脱氢酶至少催化6种不同类型的反应：简单的氢转移，氨基酸脱氨生成-酮酸，-烃酸氧化随后-酮酸中间物脱羧，醛的氧化，双键的还原，碳-氮键的氧化。 维生素B5广泛存在于自然界，以酵母、花生、谷类、豆类、肉类和动物肝中含量丰富，在体内色氨酸能转变为维生素B5。,四、维生素B6与磷酸吡哆醛（一）结构 维生素B6又称吡哆素（pyridoxine），包括吡哆醇、吡哆醛、吡哆胺3种物质，它们在生物体内可相互转化。维生素B6在体内经磷酸化作用转变为相应的磷酸酯，即磷酸吡哆醛（PLP）和磷酸吡哆胺（PMP），又统称为磷酸吡哆素，是氨基酸代谢中多种酶的辅酶。,吡哆醇、吡哆醛、吡哆胺的结构。,吡哆醇(pyridoxol),吡哆醛(pyridoxal),吡哆胺(pyridoxamine),（二）功能 磷酸吡哆素作为转氨酶和氨基酸脱羧酶的辅酶，在氨基酸和蛋白质代谢中起重要作用，主要参与氨基酸的转氨、脱羧、消旋化等反应。例如，在转氨反应中，磷酸吡哆醛作为转氨酶的辅酶，先接受氨基酸的氨基生成醛亚胺，再转变为磷酸吡哆胺，然后将所携带的氨基转给另一个酮酸生成相应的氨基酸。 维生素B6在酵母菌、肝脏、谷粒、肉、鱼、蛋、豆类及花生中含量较多。,五、泛酸与辅酶A（一）结构 泛酸（pantothenic acid）又称遍多酸、维生素B3，由,-二羟基-二甲基丁酸和一分子-丙氨酸缩合而成。泛酸在体内转化为辅酶A（CoA）。,-二羟-,-二甲基丁酸,-丙氨酸,巯基乙胺,辅酶A（CoASH）,（二）功能 辅酶A的主要功能是传递酰基，是形成中间代谢产物的重要辅酶。例如，乙酸与辅酶A的-SH基结合形成乙酰辅酶A，是糖代谢的重要中间产物。,六、生物素（一）结构 生物素即维生素B7，是由噻吩环和尿素结合而成的一个双环化合物，左侧链上有一分子戊酸。,图5-12 生物素的结构,（二）功能 生物素是多种羧化酶的辅酶，通过生物素的羧基与专一酶蛋白中赖氨酸残基的-氨基以酰胺键共价结合到酶上。在代谢过程中生物素起CO2载体的作用。 生物素来源广泛，在肝、肾、蛋黄、酵母、蔬菜和谷类中都含有，肠道细菌也可以自行合成供人体需要，故一般很少出现缺乏症。但大量食用生鸡蛋清可引起生物素缺乏。,七、叶酸与四氢叶酸（一）结构 叶酸即维生素B11，最初是由肝脏中分离出的，后来发现绿叶中含量十分丰富，因此命名为叶酸。,图5-14 叶酸的结构,四氢叶酸（THF)是叶酸的活性辅酶形式，称为辅酶F(CoF)，是通过二氢叶酸还原酶连续的还原叶酸而成。,图5-15 四氢叶酸的形成及结构,（二）功能 叶酸是除了CO2之外的所有一碳基团转移酶的辅酶。如甲基、亚甲基、甲酰基、次甲酰基等一碳基团可结合在它的N5位或N10位，继而参与体内多种物质，如嘌呤、嘧啶、丝氨酸、甲硫氨酸、胆碱等的合成，同时也影响到核酸和蛋白质的合成。,由于叶酸与核酸的合成有关，当叶酸缺乏时，DNA合成受到抑制，骨髓红细胞中DNA合成减少，细胞分裂速度降低，细胞体积较大，细胞核内染色质疏松，称为巨红细胞，这种红细胞大部分在骨髓内成熟前就被破坏造成贫血，称作巨红细胞性贫血。因此叶酸在临床上可用于治疗巨红细胞性贫血。 叶酸广泛存在于肝、酵母及蔬菜中，人类肠道细菌也能合成叶酸，故一般不易发生缺乏症。,八、维生素B12（一）结构 维生素B12或称作氰钴胺素，是体内唯一含有金属元素的维生素。 维生素B12的结构比较复杂，分子中除含有钴原子外，还有5,6-二甲基苯咪唑、3-磷酸核糖、氨基异丙醇和类似卟啉环的咕啉环成分。,图5-16 维生素B12的结构,（二）功能 维生素B12在体内以辅酶的形式参加代谢反应，如分子内重排、核苷酸还原成脱氧核苷酸和甲基转移。 维生素B12对维持正常生长和营养、上皮组织细胞的正常新生、神经系统髓磷脂的正常等有极其重要的作用。维生素B12参与DNA的合成，对红细胞的成熟很重要，当缺少时易引起恶性贫血。 维生素B12广泛来源于动物性食品，特别是肉类和肝中含量丰富。人和动物的肠道细菌都能合成，故一般情况下不会缺少维生素B12。,九、硫辛酸（一）结构 硫辛酸是一种含硫的脂肪酸，又称6,8-二硫辛酸，以闭环氧化型二硫化物形式和开链还原形式两种结构混合物存在,图5-17 硫辛酸的氧化型和还原型的互变,（二）功能 硫辛酸是一种酰基载体。存在于丙酮酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶中，是涉及糖代谢的两种多酶复合体。硫辛酸在-酮酸氧化作用和脱羧作用时行使偶联酰基转移和电子转移的功能。 硫辛酸在自然界广泛分布，肝和酵母中含量尤为丰富。在食物中硫辛酸常和维生素B1同时存在。,十、维生素C（一）结构 维生素C具有防治坏血病的功能，故又称为抗坏血酸。维生素C是一种含有6个碳原子的酸性多羟基化合物，易被氧化成为脱氢抗坏血酸，氧化型抗坏血酸和还原型抗坏血酸可以相互转变，所以维生素C虽无自由羧基，但仍具有有机酸的性质。,图5-18 抗坏血酸的氧化性和还原性的互变,（二）功能 1参与体内的氧化还原反应 2参与体内多种羟化反应 3维生素C的其他功能 防止贫血，涉及组胺代谢和变态反应，调节前列腺素的合成，刺激免疫系统、防止和治疗感染等。,第3节 脂溶性维生素,一、维生素A（一）结构 维生素A又名视黄醇是一个具有脂环的不饱和一元醇，通常以视黄醇酯的形式存在，醛的形式称为视黄醛。维生素A包括A1和A2两种。,视黄醇(A1),3-脱氢视黄醇,3-脱氢视黄醇(A2),（二）功能 维生素A是构成视觉细胞内感光物质的成分。当维生素A缺乏时，视网膜不能很好的感受弱光，严重时可出现夜盲症。 维生素A在刺激组织生长及分化中也起重要作用。维生素A也能刺激许多组织中的RNA合成。当维生素A缺乏时机体的免疫功能会降低。细胞的粘附也受维生素A的影响。 维生素A主要来自动物性食品，以肝脏、乳制品及蛋黄中含量最多。维生素A原即-胡萝卜素主要来自植物性食品，以胡萝卜、绿叶蔬菜及玉米等含量较多。,二、维生素D（一）结构 维生素D为类甾醇衍生物，具有抗佝偻病作用，故称为抗佝偻病维生素。维生素D家族最重要的成员是麦角钙化(甾)醇(即维生素D2)及胆钙化(甾)醇(即维生素D3)。（二）功能 维生素D主要含于肝、奶及蛋黄中。其主要功能是促进肠壁对钙和磷的吸收，调节钙磷代谢，有助于骨骼的钙化和牙齿形成。可防治佝偻病、软骨病和手足抽搐症等。,三、维生素E（一）结构 维生素E与动物生育有关故称生育酚，主要存在于植物油中，尤以麦胚油、大豆油、玉米油和葵花籽中含量为最丰富。豆类及蔬菜中含量也较多。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，每类又可根据甲基的数目和位置不同，分为、，几种。,（二）功能 维生素E极易氧化而保护其他物质不被氧化，是动物和人体中最有效的抗氧化剂。它能对抗生物膜磷脂中不饱和脂肪酸的过氧化反应，因而避免脂质中过氧化物产生，保护生物膜的结构和功能；维生素E还可与硒(Se)协同通过谷胱甘肽过氧化酶发挥抗氧化作用；维生素E与动物生殖功能有关，动物缺乏维生素E时，其生殖器官受损而不育。临床上常用维生素E治疗