食品生物化学第五版 课件 项目5、6 核酸与食品加工、维生素与食品加工

教学目标（1）掌握核酸的分类、组成及存在。（2）了解DNA和RNA在组成、结构和功能上的差异。（3）掌握DNA双螺旋结构的要点。（4）了解核酸的一般性质；掌握核酸的紫外吸收性质；了解核酸的变性、复性及分子杂交。（5）了解核酸制品的生产及应用。基本知识重点与难点：核酸的化学组成、性质；DNA的模型要点。考核要求：核酸的化学组成、结构、性质；DNA的双螺旋结构要点。课件制作：郝涤非项目5核酸与食品加工核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，它不仅对于生命的延续、生物物种遗传特性的保持、生长发育、细胞分化等起着重要作用，而且与生命的异常活动如遗传病、代谢病、病毒病、肿瘤等也密切相关。人们常说的“龙生龙，凤生凤，老鼠生儿会打洞”、“种瓜得瓜，种豆得豆”，讲的就是遗传；而人们常说的另一句话“一母生九子，子子各不同”讲的就是变异。5.1概述人们通过种种生命现象，已经感悟到了，在人类的代代相传中，不变中有变，变中有不变，这都是基因（DNA）决定的，它是生命的主宰者和调控者，即调节着人类的生长、发育、疾病、衰老。5.1概述5.1.1核酸的概念与分类核酸（NucleicAcid）是生物体内一类重要的生物大分子，是生命活动的重要物质基础。从高等动植物到简单的病毒都含有核酸。它在生物的个体生长、发育、繁殖、遗传和变异等生命过程中起着重要的作用。根据核酸的化学组成，把核酸分为两类：一类为脱氧核糖核酸（DNA），另一类为核糖核酸（RNA）。脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸（DeoxyriboNucleicAcid，DNA）是遗传信息的贮存和携带者，是生物的主要遗传物质。在真核细胞中，DNA主要集中在细胞核内。原核细胞没有明显的细胞核结构，DNA存在于称为类核的结构区。每个原核细胞只有一个染色体，每个染色体含一个双链环状DNA。DNA是大分子化合物，其相对分子质量为106～109，它主要分布在细胞核内，在线粒体和叶绿体中也有少量分布。核糖核酸核糖核酸（RiboNucleicAcid，RNA）主要参与遗传信息的传递和表达过程。细胞内的RNA主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核中。病毒中RNA本身就是遗传信息的贮存者。在植物中还发现了一类比病毒还小得多的侵染性致病因子称为类病毒，它是不含蛋白质的游离的RNA分子。此外，有些RNA还具有生物催化作用（ribozyme）。RNARNA根据其生理功能和结构分为信使RNA（mRNA）、转运RNA（tRNA）和核糖体RNA（rRNA）。核糖体RNA是细胞中含量最多的一类RNA，占RNA总量的75%～80%，相对分子质量约为106，它以核蛋白形式存在于细胞质的核糖体中；转运RNA含量仅次于核糖体RNA，占RNA总量的10%～15%，相对分子质量为0.25×105～0.30×105，它以游离状态分布在细胞质中；信使RNA在细胞中含量较少，占RNA总量的5%，相对分子质量为0.2×106～2.0×106，它在细胞核中合成后转移到细胞质中。

5.1.2核酸的生物学意义孟德尔（G．Mendel）在1865年发现了豌豆杂交后性状分离和自由组合遗传规律，米歇尔（F．Ｍiescher）于1868年发现了核素（Nuclein），当时的一些细胞学家和遗传学家曾猜想核素可能与遗传有关。19世纪末发现有两类核酸，即胸腺型核酸和酵母型核酸，并一度认为前者代表动物核酸，后者代表植物核酸。直到20世纪40年代才了解DNA和RNA都是细胞的重要组成物质，DNA可引起遗传性状的转化，RNA可参与蛋白质的生物合成。5.1.2核酸的生物学意义半个多世纪以来，核酸研究已成为生物化学与分子生物学研究的核心和前沿，其研究成果改变了生命科学的面貌，也促进了生物技术的迅猛发展，充分表明这类物质具有重要的生物功能。5.2.1核酸的元素组成DNA和RNA分子中的主要元素有碳、氢、氧、氮、磷等，个别核酸分子中还含有微量的硫。磷在各种核酸中的含量比较接近和恒定，一般为9%～10%，其中DNA的平均含磷量为9.2%，RNA的平均含磷量为9.0%，核酸的平均含磷量为9.1%，即1g磷相当于11g核酸。因此，只要测出生物样品中核酸的含磷量，就可以计算出该样品的核酸含量，这是定磷法的理论基础。5.2核酸的化学组成5.2.2核酸水解产物的化学结构核酸是一种聚合物，它的结构单位是核苷酸。核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸。核酸部分水解则产生核苷和核苷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖。一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。核酸的各种水解产物可用色谱或电泳等方法分离鉴定。核酸的逐步水解过程可总结如图5-1所示。核酸分子中的戊糖有两种：一种是RNA中的戊糖，为D-核糖；另一种是DNA中的戊糖，为D-2-脱氧核糖。它们都是β构象。在核苷酸分子中戊糖和碱基均含有碳原子，为了区别戊糖与含氮碱基分子中的碳原子，习惯上在戊糖碳原子编号上加标“撇”（“′”）表示。核酸中两种戊糖的结构式及数字编号如图5-2所示。图5-2核糖结构（1）戊糖（2）碱基核酸中的碱基主要有五种，分别属于嘌呤碱和嘧啶碱两类含氮杂环化合物。嘌呤碱包括腺嘌呤与鸟嘌呤两种，既存在于DNA分子中，也存在于RNA分子中。嘧啶碱有三种，包括胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶。RNA分子中含有的嘧啶碱是胞嘧啶与尿嘧啶，而DNA分子中含有的是胞嘧啶与胸腺嘧啶。这些碱基的结构式如图5-3所示。嘌呤和嘧啶环中均含有共轭双键，因此对波长260nm左右的紫外光有较强吸收。测定260nm紫外吸收强度已广泛用于对核酸、核苷酸、核苷及碱基的定性和定量分析。核酸分子中还含有稀有碱基，稀有碱基的种类很多，都是DNA、RNA合成后碱基发出共价修饰的产物。（3）核苷核苷是核糖或脱氧核糖与嘌呤碱或嘧啶碱生成的糖苷。形成核苷时，由戊糖的1′-C和嘌呤的9-N或嘧啶的1-N形成糖苷键。核苷的名称都来自它们所含有的碱基名称，如含有腺嘌呤的核糖核苷就称为腺嘌呤核苷，如果是脱氧核糖就称为脱氧腺嘌呤核苷。腺嘌呤核苷、鸟嘌呤核苷、胞嘧啶核苷和尿嘧啶核苷分别简称为腺苷、鸟苷、胞苷和尿苷。脱氧腺嘌呤核苷、脱氧鸟嘌呤核苷、脱氧胞嘧啶核苷和脱氧胸腺嘌呤核苷分别简称为脱氧腺苷、脱氧鸟苷、脱氧胞苷和脱氧胸苷。一些重要的核苷结构式如图5-4所示。表示碱基的单字母也可以用来表示核苷，即用A、G、C、U分别表示腺苷、鸟苷、胞苷、尿苷。以d表示脱氧，用dA、dG、dC和dT表示脱氧腺苷、脱氧鸟苷、脱氧胞苷和脱氧胸苷。（4）核苷酸核苷与磷酸结合生成的化合物称为核苷酸。即核苷酸是由核苷分子中戊糖环上的羟基与一分子磷酸上的氢通过脱水生成磷酯键形成的化合物。磷酸是三元酸，它与核苷生成核苷酸之后，仍有两个活性的H+，两个核苷酸之间可通过其他游离的羟基（—OH）与磷酸中的H+反应生成二核苷酸，以磷酸二酯键连接。多个核苷酸通过磷酸二酯键相互连接生成的化合物称为多核苷酸。核酸实质上是一类多核苷酸高分子化合物，因此核酸的基本单位是核苷酸。根据多核苷酸分子中戊糖的不同，多核苷酸可分为核糖多核苷酸（RNA）和脱氧核糖多核苷酸（DNA）两类。核糖核苷的戊糖共有3个游离羟基（2′、3′、5′），理论上它可形成3种核苷酸：2′-核苷酸、3′-核苷酸和5′-核苷酸。脱氧核糖核苷的戊糖只有两个游离羟基（3′、5′），理论上只能形成两种脱氧核苷酸：3′-脱氧核苷酸和5′-脱氧核苷酸。在生物体内游离存在的核苷酸（RNA）大多数是5′-核苷酸，是由5′-羟基与一分子磷酸相连形成的化合物，通常用NMP来表示，其中N代表核苷，MP代表一分子磷酸。因为核苷酸分子中多为5′-NMP，所以表示其连接部位的代号5′可省去，如5′-腺嘌呤核苷酸简称为5′-腺苷酸（AMP）或一磷酸腺苷。核苷酸也可以含有两个或三个磷酸基团，分别称为核苷二磷酸（NDP）及核苷三磷酸（NTP）。在生物体内游离存在的脱氧核苷酸（DNA）大多数是5′-脱氧核苷酸。5′-胞嘧啶脱氧核苷酸简称为脱氧胞苷酸（dMP）或一磷酸脱氧胞苷。常见的几种核苷酸的结构式如图5-5所示。（5）DNA和RNA的组成差别DNA和RNA的组成差别主要是戊糖和碱基的不同，从而形成不同的核苷和核苷酸（表5-1）。5.2.3细胞内游离的核苷酸在生物体内，核苷酸除组成核酸外，还有一些以游离形式存在于细胞内。有一些单核苷酸的衍生物参与体内许多重要的代谢反应，具有重要的生理功能。（1）腺苷三磷酸（ATP）ATP是生物体中重要的化合物。其结构式如图5-6所示。在ATP分子的3个依次连续的磷酸基团中，末端两个磷酸基团称为高能磷酸基团，一般用“～”表示高能键。凡含有高能磷酸键的化合物称为高能磷酸化合物。

ATP分子中含两个高能磷酸键，而AMP分子中所含的磷酸键不是高能磷酸键，所以它是普通磷酸化合物。普通磷酸化合物其磷酸键能较低，水解时只能释放8.4kJ/mol能量，而高能磷酸键水解时可释放30.7kJ/mol能量。ATP依次水解可分别产生腺苷二磷酸（ADP）、腺苷一磷酸（AMP），即：ATP分解为ADP或AMP时释放出大量的能量，这是生物体主要的供能方式。ATP是机体生理活动、生化反应所需能量的重要来源。反之，AMP磷酸化生成ADP、ADP继续磷酸化生成ATP时则贮存能量，这是生物体暂时贮存能量的一种方式。ATP在生物体或细胞的能量代谢中起着极为重要的传递作用，被称为“能量货币”。此外体内存在的多种核苷多磷酸都能发生这种能量转化作用，如GTP、CTP和UTP。在核酸合成中，四种核苷三磷酸（ATP、GTP、CTP、UTP）是体内合成RNA的直接原料，四种脱氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、dCTP、dTTP）是合成DNA的直接原料。（2）腺苷衍生物——环化核苷酸核苷酸之间除了形成直链式的磷酸二酯键外，核苷酸内部也能形成磷酸酯键，生成环化核苷酸。5′-核苷酸的磷酸基可与戊糖环3′-羟基脱水缩合形成3′，5′-环核苷酸。重要的环核苷酸有3′，5′-环腺苷酸（cAMP）和3′，5′-环鸟苷酸（cGMP），其结构如图5-7所示。cAMP、cGMP不是核酸的组成成分，在体内含量很少，但具有重要的生理功能，在组织细胞中起着传递信息的作用，是某些激素发挥作用的媒介物，参与代谢调节过程，因此，通常把cAMP和cGMP称为激素作用的第二信使。此外，cAMP还参与大肠杆菌中DNA转录的调控，并且cAMP及其衍生物在治疗心绞痛及心肌梗死方面有一定疗效。（3）次黄嘌呤衍生物——次黄嘌呤核苷酸（IMP）在肌肉组织中，腺嘌呤核苷酸循环过程中由AMP脱氨形成次黄嘌呤核苷酸（图5-8）。（3）次黄嘌呤衍生物——次黄嘌呤核苷酸（IMP）次黄嘌呤核苷酸在生物体内是合成腺嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸的关键物质，对生物的遗传有重要的功能。另外，它还是一种很好的助鲜剂，有肉鲜味，与氨基酸类鲜味物质在单独存在时就能充分地显现呈味能力不同，核苷酸类鲜味剂需与氨基酸类鲜味物质同时使用，才能充分发挥其呈鲜效果。所以当与味精以不同比例混合时能制成具有特殊风味的强力味精。（4）辅酶类核苷酸核苷酸还是多种辅酶的组成成分，如腺苷酸是NAD+、FAD、辅酶A等的重要组成成分。它们不参与核酸的构成，而在生物氧化过程中参与氢和某些化学基团的传递，在糖、脂肪和蛋白质代谢中起着重要的作用。核苷酸也是多种代谢中间物的载体，形成活性形式，如UDP-葡萄糖是合成糖原、糖蛋白的活性原料，CDP-二酰基甘油是合成磷脂的活性原料，S-腺苷甲硫氨基酸是活性甲基的载体等。新近发现的一些核苷酸衍生物还对蛋白质生物合成或对基因转录起调节作用。5.3核酸的结构核酸是生物高分子聚合物，它的基本单位是核苷酸。核苷酸经完全水解后，可释放出等量的碱基、戊糖和磷酸。DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸，RNA的基本组成单位是核糖核苷酸。DNA和RNA中常见的核苷酸的种类虽然只有4种，但DNA和RNA相对分子质量都很大，各种核酸中核苷酸少则70多个，多则几千万甚至上亿个，而且核苷酸以一定的数量和排列顺序相互连接，并形成一定的空间结构。5.3.1核酸的一级结构核酸的一级结构就是通过3′，5′-磷酸二酯键连接的核苷酸序列，也称为多核苷酸链。多核苷酸链由交替的戊糖和磷酸基团形成核苷酸链的共价骨架。连接在戊糖上的碱基贮存和传送遗传信息。(1)核苷酸的连接方式实验证明，DNA和RNA都是没有分支的多核苷酸长链，链中前一个核苷酸戊糖残基上的3′-羟基和后一个核苷酸戊糖上的5′-磷酸通过脱水缩合形成酯键，借助这种3′，5′-磷酸二酯键将核苷酸彼此相连，形成核酸链。每条线性核酸链都有一个5′端和一个3′端（图5-9），即如果多核苷酸片段最后一个核苷酸的戊糖的3′-羟基不再参与3′，5′-磷酸二酯键的构成，这一端就是3′端，反之，如果其5′-磷酸不再参与磷酸二酯键的构成，就是5′端。因此DNA和RNA链都有方向性。(2)核酸的一级结构的表示方法RNA和DNA的多核苷酸链也像多肽链一样具有方向性，它的一端为5′末端，而另一端为3′末端。无论是DNA还是RNA，在它们的生物合成的聚合反应中，都是按照5′→3′方向进行的，因此没有特别指定时，核苷酸序列都是按照5′→3′方向读写。核酸的一级结构的表示方法有两种。一种是线条式缩写法，用竖直线表示戊糖；斜线表示3′，5′-磷酸二酯键，一端与戊糖的3′相连，另一端与下一个戊糖的5′相连；P表示磷酸残基，A、U、G、C、T表示各碱基（图5-10）。另一种是文字缩写法，即磷酸用p表示，腺苷一磷酸表示为pA，而脱氧腺苷一磷酸表示为pdA，其他的类似。按此法图5-10的线条式可改写成pApCpGpUpA，也可进一步简写为ACGUA。(3)DNA的一级结构DNA是由脱氧核糖核苷酸构成的，也是以3′，5′-磷酸二酯键相连。DNA的一级结构就是指构成DNA的脱氧核糖核苷酸按照一定的排列顺序而形成的线性结构。DNA是遗传变异的物质基础，不同的生物性状就是由DNA分子上的脱氧核糖核苷酸的排列顺序来决定的。因此研究DNA的一级结构具有十分重要的意义。DNADNA分子决定生物性状，而生物性状是多种多样的，因此在DNA分子的一级结构上，一定是不同的片段有着不同的功能，不同的生物性状由DNA分子上相应片段来决定。换言之，若把DNA分子看作由许多相对独立的单位构成，那么每一个独立单位就称作基因，即基因就是DNA分子上的一个片段。在核酸分子中核糖或脱氧核糖与磷酸共同构成其骨架结构，但是不参与信息的存储和表达，DNA和RNA对遗传信息的携带和传递都是依靠核苷酸中的碱基排列顺序变化而实现的，由于碱基排列方式不同而提供的DNA编码能力几乎是无限的。DNA一个细胞的DNA含有许多基因，各具有不同的功能。在一个基因组中各个基因的排列顺序，称为DNA顺序组织。因此，DNA的一级结构从广义上来说，不仅包括脱氧核糖核苷酸的排列顺序，还包括基因的排列顺序。(4)RNA的一级结构RNA的一级结构为线性多核苷酸。它的基本单位主要是AMP、GMP、CMP和UMP四种核苷酸。与DNA相比，RNA分子小得多，一般由几十个至几千个核苷酸彼此连接起来，各个核苷酸之间的连接键和DNA一样，也是3′，5′-磷酸二酯键。RNA分子是单链结构，不存在互补链。无论何种来源的RNA，其分子中的四种碱基的物质的量都不相等，所以RNA的碱基组成不及DNA分子中碱基组成那样有规律。5.3.2核酸的空间结构核酸的高级结构也叫作空间结构，是指在一级结构的基础上进一步折叠或盘曲所形成的空间结构，包括二级结构和三级结构。下面主要介绍DNA的空间结构。DNA的空间结构是指多核苷酸链与多核苷酸链之间以及多核苷酸链内通过氢键及碱基堆积力，在空间形成的螺旋、卷曲和折叠的构象。DNA的空间结构包括DNA的二级结构和DNA的超螺旋结构。(1)DNA的二级结构20世纪40年代后期，查戈夫（E.Chargaff）等人通过对多种DNA样品水解物的分析，发现DNA样品中的碱基组成有一定的规律性和定量关系，称为查戈夫（Chargaff）法则，包括以下一些要点：①

在所有的DNA中，腺嘌呤残基摩尔数等于胸腺嘧啶残基摩尔数（A=T），而鸟嘌呤残基摩尔数等于胞嘧啶残基摩尔数（G=C）。嘌呤残基的总摩尔数等于嘧啶残基的总摩尔数（A+G=T+C）。②不同种属的DNA的四种碱基组成及排列序列有差异，但同一种属不同组织的DNA样品具有相同的碱基组成，即碱基组成没有组织和器官的特异性。例如：来自人、猪、羊、牛、细菌和酵母菌的DNA的碱基的数量和相对比例相差很大，即DNA的碱基组成具有种属的特异性。对于一个给定种属的DNA碱基组成不会随有机体的年龄、营养状态和环境变化而改变。(1)DNA的二级结构DNA双螺旋结构模型1953年，华生（J．D．Watson）和克里克（F．H．C．Crick）依据X射线衍射数据和查戈夫法则等DNA研究工作，建立了一个DNA分子的三维模型，称为DNA双螺旋结构模型(图5-11)。DNA双螺旋结构模型R要点如下：1)DNA分子由两条反向平行的多核苷酸链围绕一个假想的中心轴形成右手螺旋结构。一条链上的碱基通过氢键与另一条链上的碱基连接，形成碱基对。G与C配对，A与T配对（碱基互补），G和C之间可以形成三个氢键，A和T之间形成两个氢键。2)脱氧核糖和磷酸基团形成双螺旋结构的骨架位于螺旋的外侧，碱基堆积在双螺旋的内部，碱基平面与中心轴垂直，糖环平面几乎与碱基平面成直角。3)双螺旋的平均直径为2nm，相邻碱基对的距离为0.34nm，每隔10个碱基对，脱氧多核苷酸链就绕一圈，旋距为3.4nm，相邻核苷酸的夹角为36°。4)影响DNA双螺旋结构稳定的主要因素包括：①碱基堆积力，碱基之间的层层堆积形成疏水型核心，它是稳定DNA结构的主要力量；②氢键，链间互补碱基之间的氢键维持两条链的结合;③静电排斥力。华生和克里克的双螺旋结构模型是生物学发展史上的重要里程碑，由此揭开了分子生物学发展的序幕，因而具有划时代的意义。(2)DNA的超螺旋结构（三级结构）绝大部分原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋分子。环状双螺旋分子在细胞内进一步盘绕扭曲形成超螺旋。超螺旋是DNA三级结构的一种形式，是双螺旋的螺旋，是原核生物DNA的高级结构，如图5-12所示。真核生物的DNA分子十分巨大，进化程度越高的生物体其细胞核DNA的分子构成越大、越复杂。DNA分子长度常以碱基对数量表示。真核生物的DNA以非常致密的形式存在于细胞核内，在细胞周期的大部分时间以染色质形式出现，分裂期则形成染色体。染色质的基本组成单位是核小体，如图5-13所示。核小体由DNA和5种组蛋白组成，5种组蛋白分别为H1、H2A、H2B、H3和H4。各两分子的H2A、H2B、H3和H4组成了组蛋白八聚体，DNA双螺旋链缠绕在组蛋白八聚体上形成核小体的核心颗粒，核心颗粒之间由DNA和H1组成的连接区连接起来形成串珠样结构。在串珠样结构的基础上，再经过几个层次折叠，将DNA紧密压缩于染色体中。DNA在双螺旋二级结构基础上进一步盘曲成紧密的空间结构，其主要意义是有规律地压缩分子体积，减少所占空间。细胞内的DNA主要以超螺旋形式存在。比如，人的DNA在染色体中的超螺旋结构，使DNA分子反复折叠盘绕后共压缩8400倍左右。5.4核酸的性质核酸的性质是由其组成成分和结构决定的。核酸的主要组分是碱基、戊糖和磷酸。核酸的结构特点是相对分子质量大，分子中具有共轭双键、氢键、糖苷键和3′，5′-磷酸二酯键，还有许多活性基团，如羟基、磷酸基、氨基等。5.4.1核酸的一般物理性质RNA和核苷酸的纯品都是白色粉末或结晶，DNA是白色类似石棉样的纤维状物。除肌苷酸和鸟苷酸具有鲜味外，核酸和核苷酸大都具有酸味。肌苷酸又名次黄嘌呤核苷酸，英文简称IMP，是一种在核糖核酸（RNA）中发现的核苷酸，在酶的作用下，肌苷酸可以分解得到次黄嘌呤。DNA和RNA都是极性化合物，一般都溶于水，不溶于乙醇、氯仿、乙醚等有机溶剂。它们的钠盐比游离酸在水中的溶解度大，如RNA的钠盐在水中的溶解度可达4%。核酸是相对分子质量很大的高分子化合物，高分子溶液比普通溶液黏度要大得多，高分子形状的不对称性越大，其黏度也就越大，不规则线团分子比球状分子的黏度大，线形分子的黏度更大。由于DNA分子极为细长，因此即使是极稀的溶液也有极大的黏度，RNA的黏度要小得多。当核酸溶液因受热或在其他作用下发生变性或降解时，分子长短、直径比例减小，即分子不对称性降低，黏度下降。因此可用溶液黏度作为DNA变性的指标。5.4.1核酸的一般物理性质5.4.2核酸的紫外吸收性核酸中的嘌呤和嘧啶具有共轭双键，因而具有独特的紫外吸收光谱，对250～280nm波长的紫外光具有强烈的吸收能力。其最大吸收峰在260nm附近，吸光率以A260表示，而在230nm附近有一个低谷。DNA的紫外吸收光谱如图5-14所示。碱基、核苷、核苷酸、核酸都对250～280nm波长的紫外光具有特殊吸收性，由于各组分结构上的差异，其紫外吸收也有区别。例如，AMP、GMP、CMP和UMP的最大吸收峰分别是257nm、256nm、280nm和262nm。不过，通常在核酸测定时选用260nm波长。而蛋白质的最大吸收峰大约在280nm处，核酸在260nm处的紫外吸收比蛋白质在280nm处强30～60倍。利用这一特性，可鉴别核酸样品中是否混有蛋白质。鉴定核酸鉴定核酸样品的纯度时，可以先测定核酸样品溶液的A260值和A280值，然后计算A260/A280的比值，纯的DNA样品的比值为1.8，纯的RNA样品的比值为2.0。若核酸样品中含有蛋白质或苯酚等杂质时，则此比值显著降低。核酸定量测定利用核酸在260nm处的紫外吸收特性，可对核酸进行定量测定。对于纯的核酸溶液，首先测定其A260值，然后利用核酸的比吸光系数计算溶液中核酸的量。核酸的比吸光系数是指浓度为1μg/mL的核酸水溶液在260nm处的吸光率，天然状态的双链DNA的比吸光系数为0.020，变性DNA（单链DNA）和RNA的比吸光系数均为0.024。育种由于核酸对紫外光有强烈的吸收性质，所以紫外光是一种有效的诱变剂。选育高产优质菌株时常用紫外线照射法，使微生物细胞内的DNA吸收紫外线后，引起结构上的细微改变，但不致死亡，从而使微生物的某些性状发生改变，再从中选出对生产有用的菌株。5.4.3核酸的两性解离与等电点核酸中具有碱性的碱基和酸性的磷酸基，所以核酸呈两性性质。在核酸分子中，两个单核苷酸间的磷酸基很容易电离出氢离子，所以可以将核酸看成多元酸，具有较强酸性。核酸的等电点较低，如酵母RNA的等电点为2.0～2.8，DNA的等电点为4.0～4.5。所以在pH近中性的条件下，核酸以阴离子状态存在。在中性或偏碱性溶液中，带有负电荷的核酸，在外加电场力作用下，向阳极泳动。利用核酸这一性质，可将相对分子质量不同的核酸分离。在核酸中，碱基对间氢键的性质与其解离状态有关，而碱基的解离状态又与pH有关，所以核酸溶液的pH直接影响核酸双螺旋中碱基间氢键的稳定。对DNA来说，pH在4.0～11.0时，双螺旋结构最稳定。5.4.4核酸的变性与复性核酸同蛋白质一样有变性现象。在加热、酸、碱、乙醇、丙酮、尿素或是酰胺等理化因素的作用下，核酸分子中双螺旋区的氢键断裂，双螺旋结构被破坏，使双链解开形成单链线团结构，这种现象称为核酸的变性。核酸的变性仅是二级结构、三级结构的改变，而一级结构不变。热变性通常将加热引起的核酸变性称为热变性。如将DNA的稀盐溶液加热到80～100℃时，几分钟后两条链间氢键断裂，双螺旋解体，两条链彼此分开，形成两条无规则线团。此时变性后的核酸的理化性质发生一系列的变化，如在260nm处紫外吸收值急剧升高的增色效应（图5-15）、溶液的黏度下降和比旋光度显著降低等。DNA热变性的特点主要是加热引起双螺旋结构解体，所以又称为DNA的解链或融解作用。两种不同来源的DNA在260nm的吸收值与温度变化的关系DNA的解链过程发生于一个很窄的温度区内，因此DNA的变性过程是爆发式的，有一个相变过程。把A260达到最高值的一半时对应的温度称为该DNA的解链温度或融解温度，用Tm表示。Tm值大小与DNA碱基组成有关。由于G-C之间的氢键联系要比A-T之间的氢键联系强得多，故G＋C含量高的DNA其Tm值较高。通过测定Tm值可知其G＋C碱基的含量。解链温度（Tm）DNA的变性是可逆的。变性DNA在适当条件下，变性的两条互补链重新结合，恢复原来的双螺旋结构和性质，这个过程称为复性（renaturation）。热变性的DNA经缓慢冷却（称为退火处理）即可复性。最适宜的复性温度比Tm值约低25℃，这个温度又叫作退火温度。将热变性的DNA溶液骤然冷却至低温，两链间的碱基来不及形成适当配对，DNA单链自行按A=T、G≡C碱基配对，可能成为两个杂乱的线团，此时变性的DNA分子很难复性，如图5-16所示。复性DNA分子热变性后复性DNA双螺旋的两条链，经变性分离后，在一定条件下可以重新组合而复原，这是以互补的碱基排列顺序为基础的，因此可以进行分子杂交。即不同来源的多核苷酸链，变性分离经退火处理后，若有互补的碱基排列顺序，就能形成杂合的双螺旋体，甚至可以在DNA和RNA之间形成杂合双螺旋体。当两种不同来源的DNA分子杂交时，形成双螺旋的倾向越强，说明它们分子之间碱基顺序的互补性越强。所以分子杂交是一种监测不同来源的DNA多核苷酸链上碱基排列顺序相关性的重要技术。此外，分子杂交法还广泛应用于分离纯DNA基因、研究基因转录和调控等方面。图5-17DNA分子杂交5.5核酸与其营养植物性、动物性食品中都含有核酸，目前国内外一些婴儿配方奶粉中添加有不同剂量的核苷酸，保健品市场中也相继出现了核酸产品。膳食核酸经摄入消化，变成核苷酸和核苷或更小的碱基、戊糖等，被吸收进细胞内。膳食核酸膳食核酸经摄入消化，变成核苷酸和核苷或更小的碱基、戊糖等，被吸收进细胞内。膳食核酸对三大营养素的吸收和利用起着调节作用。例如，在低蛋白饮食的情况下，补充核酸能促进蛋白质的吸收和利用，消除低蛋白饮食造成的各种不良影响；在脂质代谢中，核酸可增加血中高密度脂蛋白和不饱和脂肪酸的含量，降低胆固醇的含量；次黄嘌呤还能促进肠道内铁的吸收和利用。总之，核酸营养最根本的作用在于促进机体中每一个细胞的新陈代谢，达到细胞水平的年轻化，因此具有较好的营养作用。天然含核酸较多的食物有鱼白（鱼精子）、花粉、海产品（沙丁鱼含量最高），其次是家禽家畜的肝脏等内脏，虾蟹类、其他鱼类，蘑菇、洋葱、豆类中含量也较高。摄入含核酸丰富的食品，经消化吸收后，核酸中的嘌呤化合物成分经分解代谢后可产生尿酸，使尿液和血液呈酸性。在一般情况下，尿酸可完全由尿排出，不在身体某些关节处积累，但对有嘌呤代谢障碍的人来说，尿酸积累多了，可能会导致痛风。因此，摄入核酸食品的同时，要多喝开水，使尿酸从尿液中排出。此外，还要多吃一些碱性食物，如牛奶、水果、蔬菜等，这些碱性食物，可以防止血液、尿液酸化，还可以获得多种维生素、无机盐、膳食纤维等，它们与核酸协同作用，可大大提高抗衰老保健效果。核酸类保健食品核酸类保健食品是指以核酸（DNA或RNA）为原料，辅以相应的协调物质生产的保健食品，可增强人体免疫力。但服用过多有导致痛风、结石的危险。痛风患者、血尿酸高者、肾功能异常者不宜食用核酸类保健食品。一、名词解释1.DNA双螺旋结构2.DNA的一级结构3.DNA变性4.Tm值5.DNA复性习题二、填空题1.核酸分子为DNA和RNA两类,构成两者的戊糖分别为()和（）两者特有的碱基分别为（

）和（），两者主要存在部位分别为（）和（）。2.单核苷酸由（

）和（

）组成。连接核酸一级结构的键是（

）。3.DNA双螺旋结构中碱基配对规律是A(腺嘌呤)与（

）配对，G(鸟嘌呤)与（

）配对。4.核酸完全水解的产物是（

）、（

）和（

）。其中（

）又可分为（

）碱和（

）碱。6.核酸的基本组成单位是（

），它们之间是通过（

）键相连接的。7.DNA的二级结构是（

）结构，维系其二级结构的键是（

）。每圈螺旋含（

）个碱基对，螺距为（

）nm。8.DNA变性时（

）键断裂，变性后对紫外线吸收改变，称为（

）效应。三、简答题1.简述DNA二级结构的基本特点。2.引起DNA变性的因素有哪些？变性后理化性质有何改变？3.什么是解链温度？影响某种核酸分子Tm值大小的因素是什么？为什么？拓展一核酸在食品生产中的应用众所周知，母乳中含有多种免疫活性物质，其中核酸和核苷酸起着十分重要的作用。分析表明：初乳中以核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）为主，一个月以后，乳汁中的核酸水平开始下降，而核苷酸的含量却逐渐增加，随着哺乳期的延续，母乳主要以核苷酸的形式向婴儿提供核酸营养。营养学家提出：婴儿每天需摄取160mg的核酸及其衍生物才能满足正常的生长发育。拓展一核酸在食品生产中的应用美国科学家、诺贝尔奖获得者弗兰克通过数千例临床研究确认，以适当补充核酸为主，配合相应的酶和辅酶，对于活化和强化人体细胞、促进新陈代谢、增强免疫力、防治多种功能性和退行性疾病具有良好的效果。如果在人的一生中都能提供充足的核酸，那么人体的各器官将保持旺盛的活力，人体的衰老将减慢。1977年，弗兰克博士建立了核酸疗法（基因疗法），通过补充核酸自主修复人体受损的基因，此观点很快得到了国际医学界和营养学界的肯定，并在临床上广泛使用。拓展一核酸在食品生产中的应用核酸类保健食品在我国的开发于20世纪90年代才起步，最初主要是从日本等国进口呈味性核苷酸用于改善调味食品的风味。近几年，我国在核酸类保健品的研究开发方面投入了大量的科研力量，取得了一些可喜的成果。如研究成功的反义核酸，它能阻止肿瘤细胞中蛋白质的合成，从而产生良好的抗肿瘤效果，尤其是抑制肝肿瘤细胞生长的能力超过目前任何一种化疗药物，对于抑制其他恶性肿瘤细胞的生长也有很好的效果。拓展二转基因食品转基因技术是利用分子生物学技术，将某些生物（动物、植物、微生物）的基因或改变的基因转移到其他物种中去，使其性状（营养物质、消费品质）向人们所需要的目标转变。以转基因生物为食品或以其为原料加工成的食品称为转基因食品。1.什么是转基因食品？转基因食品大体上可分为四类：（1）转基因植物食品（如转基因玉米、大豆、土豆、西红柿、香蕉、苹果、菠菜等）。主要目的是提高产品质量，抗病虫害，提高农业效益。（2）转基因动物食品（如转基因鱼、肉类等）。其目的是获得风味和营养价值符合消费者需要的食品。（3）转基因微生物食品（如转基因酵母生产出来的食品）。是利用转基因微生物发酵而得到葡萄酒、啤酒、酱油等食品。（4）转基因特殊食品。利用生物遗传工程，将普通的蔬菜、水果、粮食等变成能预防疾病的“疫苗食品”。如将能预防霍乱的抗病基因转入苜蓿植物中，喂小白鼠后，其抗病力大大增强。于是，越来越多的抗病基因被转入植物，这样人们可以在品尝鲜果美味的同时，达到防病的目的。转基因技术在食品工业上的应用：改造食品微生物；改善食品原料的品质；改进食品生产工艺；生产食品添加剂及功能性食品。2.转基因技术潜在的风险（1）食品安全潜在风险可能出现的情况有：致毒、致敏、营养代谢紊乱、对抗生素的抵抗作用。（2）环境安全潜在风险可能使杂草增多，对非目标生物的伤害，产生新的作物害虫而使杀虫剂增加，破坏生态（破坏生物多样性），产生新病毒。3.转基因食品的安全性食用安全性，主要包括营养成分、抗营养物质、毒性、致敏性和致畸性等。目前普遍公认的食用安全性评价原则是经济合作与发展组织（OECD）于1993年提出的“实质等同性”原则。通过对转基因食品中的各种主要营养成分、主要的营养拮抗物质、毒性物质及过敏性成分等物质的种类与含量进行分析测定，并与对应的传统食品进行比较，若两者之间无差异，则认为转基因食品与传统食品在食用安全性方面具有实质等同性，不存在安全性问题。3.转基因食品的安全性如转基因羊乳汁中含有的人类凝血因子经鉴定和其他方法生产的是同一种物质，那么就可以放心地食用了。若转基因产品与传统产品存在不等同性，则应进行严格的安全性评价。这主要考虑是否含有有毒物质和过敏源，要求对所转入基因认真研究，确认对人、畜无毒，不形成过敏源。根据“实质等同性”原则，转基因食品安全性分成三个等级：Ⅰ级，转基因食品成分、营养价值、体内代谢途径、杂质水平和传统食品相同，或变异在已知的范围内，这类食品无须做进一步的分析评价。Ⅱ级，与传统食品极其相似，但产生或缺少某个新成分或特性，对不同成分或特性应做进一步的分析评价。Ⅲ级，与传统食品既不相同也不相似，需要做广泛的营养学和毒理学评价。由此可见，转基因食品的风险是可以人为控制的。3.转基因食品的安全性围绕转基因的争论由学术界蔓延到全社会，在信息极度不对称背景下，转基因技术被误解，体现的是人们对科技力量的深层次恐惧。要消解这样的认识鸿沟，公开转基因利弊真相，保证消费者知情权、选择权也许是最好的选择。正如科学界的共识——转基因是一项技术，本身是中性的，不能笼统地说安全或不安全，只有在用其所长的同时加强监管，才能确保生物安全和人类安全。教学目标（1）掌握维生素的概念与分类方法。（2）了解各种维生素的结构，掌握其性质、生理功能及食物来源。（3）了解辅酶或辅基与维生素的联系。（4）掌握维生素损失的原因及食品加工对维生素的影响。基本知识重点与难点：维生素的结构、性质与功能。考核要求：掌握两大类维生素的性质、功能。项目6维生素与食品加工课件制作：郝涤非6.1概述人类对维生素的认识始于3000多年前。当时古埃及人发现夜盲症可以被一些食物治愈，但是他们并不清楚食物中的什么物质起了治疗作用。这是人类对维生素最朦胧的认识。坏血病曾夺去几十万英国水兵的生命。1747年英国海军军医林德总结了前人的经验，建议海军和远征船队的船员在远航时要多吃些柠檬，他的建议被采纳了，从此再未发生过坏血病。但那时还不知道柠檬中的什么物质对坏血病有抵抗作用。1912年，波兰科学家卡西米克·丰克（KazimierzFunk）经过千百次的实验，终于从米糠中提取出一种能够治疗脚气病的白色物质（硫胺素）。这种物质被丰克称为“维持生命的营养素”，简称Vitamin，这是第一次对维生素命名。我国最初译为维他命，后称为维生素。6.1.1维生素的概念与特点维生素是维持机体正常生命活动必不可少的一类微量小分子有机化合物。机体对维生素的需要量很小，但这类物质在体内不能合成，或合成的量很少，必须从食物中摄取，才能满足机体需要。维生素在调节体内物质代谢和能量代谢方面起着非常重要的作用。大多数维生素是通过辅酶或辅基的形式参与生物体内的酶反应系统，也有少数维生素还具有一些特殊的生理功能。6.1.1维生素的概念与特点机体缺少某种维生素时，会使物质代谢过程发生障碍，生物不能正常生长、发育，甚至发生疾病。这种因缺乏维生素而引发的疾病称为维生素缺乏症。维生素的共同特点（1）量少效高。需要量极少，通常以毫克，有的甚至以微克计，维持人体健康和生长发育所必需，不可缺少。（2）从食物中摄取。绝大多数不能在体内合成或合成量很少，必须由食物供给。（3）调节物质。不能提供能量，也不是机体的组成成分，是对机体的代谢进行调节的物质。（4）缺少会患病或死亡。维生素或其前体都在天然食物中存在，但是没有一种天然食物含有人体所需的全部维生素。偏食、吸收障碍等会造成某种维生素缺乏，导致人体代谢异常。6.1.2维生素的命名与分类（1）根据发现的先后顺序用大写的英文字母命名此种命名法较为常用。如第一个被发现的命名为维生素A，第二个被发现的命名为维生素B，依此类推，目前为止到维生素K。可是同一时间发现的、原来认为是一种维生素的，随着科学实验的不断深入，发觉它们是不同种化合物，于是又在相同字母右下角用1、2、3、4等数字加以区别，如维生素B1、维生素B2等。6.1.2.1

维生素的命名用这种方法命名的目前已知的维生素有维生素A（A1、A2）、维生素B（B1、B2、B3、B5、B6、B7、B11、B12）、维生素C、维生素D（D1、D2、D3）、维生素E、维生素K。其中不论是英文字母还是数字都不全。这是因为有的物质原来被认为是维生素，后来又被否定了，原有的编号因为习惯就没再向前提，于是成了现在的样子。此种命名方法因个别名字有争议会逐渐被淘汰。（2）根据生理功能命名维生素D有预防和治疗佝偻病的作用，于是又称它为抗佝偻病维生素；维生素C有抗坏血酸的作用，于是又称它为抗坏血酸维生素。（3）根据分子结构命名如维生素B1是含硫的胺类，故又称为硫胺素。

（1）脂溶性维生素不溶于水而溶于脂肪和脂肪溶剂（如苯、乙醚、石油醚、氯仿、四氯化碳、乙醇等）的维生素称为脂溶性维生素，如维生素A、维生素D、维生素E、维生素K等。它们的消化与吸收都和脂类有关。脂溶性维生素的共同特点脂溶性维生素的共同特点是：①化学组成仅含有碳、氢、氧（人工合成的维生素K4除外）；②不溶于水而溶于脂肪及有机溶剂（如苯、乙醚及氯仿等）；③在食物中常与脂类共存，在酸败的脂肪中容易被破坏；④在体内的消化、吸收、运输、排泄过程均与脂类密切相关；⑤摄入后大部分贮存在脂肪组织中；⑥大剂量摄入容易引起中毒；⑦摄入过少，可缓慢地出现缺乏症状。

（2）水溶性维生素溶于水而不溶于有机溶剂的维生素称为水溶性维生素。水溶性维生素包括B族维生素、维生素C。属于B族维生素的主要有维生素B1、维生素B2、维生素PP、维生素B6、泛酸、生物素、叶酸和维生素B12等。水溶性维生素特别是B族维生素在生物体内通过构成辅酶而调节物质代谢。这类辅酶在肝脏内含量最丰富。与脂溶性维生素不同，进入人体的多余部分及其代谢产物由尿排出，体内不能贮存，因而对缺乏敏感。水溶性维生素的共同特点①自然界中常共同存在，其化学组成除含有碳、氢、氧外，还含有氮、硫、钴等元素；②易溶于水而不溶于脂肪及有机溶剂，对酸稳定，易被碱破坏；③与脂溶性维生素比较，水溶性维生素及其代谢产物较易自尿中排出，体内没有非功能性的单纯贮存形式；④当机体饱和后，多摄入的维生素从尿中排出；若组织中的维生素枯竭，则给予的维生素将大量被组织利用，从尿中排出减少；⑤绝大多数水溶性维生素以辅酶或辅基的形式存在；⑥水溶性维生素一般无毒，但极大量摄入时也可出现毒性；⑦摄入过少，可较快出现缺乏症。（1）摄入量不足由于不良饮食习惯或食物贮存和加工处理不当，导致维生素摄入不足。例如不喜欢吃蔬菜、水果，偏食等，还有新鲜蔬菜、水果贮存时间太长，淘米过度，煮稀饭加碱，炒菜时先切后洗，清洗时不必要的去皮等。6.1.3维生素缺乏的原因（2）吸收障碍消化系统疾病常同时导致维生素吸收障碍，如较长时间的腹泻、胆汁分泌障碍影响脂溶性维生素吸收。另外，生鸡蛋中的抗生物素蛋白可与生物素结合形成难以吸收的化合物。（3）需要量增加青少年儿童长身体，发育快，需要的维生素也多；孕妇、乳母、重体力劳动者和消耗性疾病患者对维生素需要量增加。摄入不足会导致维生素缺乏。（4）某些药物的使用肠道正常菌群可合成大量维生素，供人体吸收利用，如B族维生素。若长期服用抗菌药物抑制肠道细菌生长，易造成维生素缺乏。维生素虽为必需，但人对其需要量有一定范围，如摄入过多也会引起某些维生素中毒，如维生素A、维生素D、维生素B1、维生素B2等。6.2.1维生素A维生素A是第一个被发现的维生素，是所有具有视黄醇生物活性的β-紫罗宁衍生物的统称，是具有脂环的不饱和一元醇类。维生素A有A1和A2两种。维生素A1也称为视黄醇，存在于哺乳动物及咸水鱼的肝脏中。维生素A1结构中存在共轭双键（异戊二烯类），有多种顺反立体异构体。食物中的维生素A1主要是全反式结构，生物活性最高。维生素A2为3-脱氢视黄醇，存在于淡水鱼的肝脏中。二者的生理功能相同，但维生素A2的生理活性只有维生素A1的40%。平时所说的维生素A常指维生素A1。6.2脂溶性维生素维生素A维生素A只存在于动物性食品（肝、蛋、肉）中，在很多植物性食品如胡萝卜、红辣椒、菠菜、芥菜等有色蔬菜中存在着类胡萝卜素。类胡萝卜素结构与维生素A1相似，但不具有生物活性，它在人和动物的肠壁和肝脏中能转变成具有生物活性的维生素A，因此类胡萝卜素也称为维生素A原。其中生物活性最高的是β-胡萝卜素。β-胡萝卜素具有11个双键，含有两个维生素A1的结构部分。理论上1分子β-胡萝卜素可以生成2分子维生素A1，但由于胡萝卜素不能被完全吸收，转变有限，所以实际上6μgβ-胡萝卜素才具有1μg维生素A1的生物活性。维生素A及β-胡萝卜素的结构如图6-1所示。维生素A为黄色片状结晶，不纯品一般是无色或淡黄色油状物，熔点为62～64℃;不溶于水，易溶于油脂或其他有机溶剂；易被紫外线或空气中的氧破坏而失去效力；在无氧条件下可耐热至120～130℃，但在有氧条件下同样温度经4小时即可失去全部生物活性。维生素A对热、酸、碱稳定，一般加工烹调方法不会引起破坏，与磷脂、维生素E、维生素C及其他抗氧化剂并存则较为稳定。维生素A维生素A是构成视觉细胞内感光物质的成分。人视网膜的杆状细胞内含有的感光物质视紫红质，是由11-顺式视黄醛的醛基和视蛋白内赖氨酸的ε-氨基通过缩合而形成的一种结合蛋白。视黄醛是维生素A的氧化产物，对暗视觉是十分重要的。视紫红质经光照射后，11-顺式视黄醛异构成全反式视黄醛，并与视蛋白分离而失色，此过程称为“漂白”。在这一过程中感光细胞超极化，引发神经冲动，电信号上传到视神经。与视蛋白分离的全反式视黄醛在一系列的酶作用下，又转变为11-顺式视黄醛，再与视蛋白结合成视紫红质供下一次循环使用。视紫红质的形成过程维生素A人从亮处进入暗处，因视紫红质消失，最初看不清任何物体，经过一段时间，等视紫红质再生到一定水平才逐渐恢复视觉，恢复对弱光的敏感性，从而能在一定照度的暗处见物，此过程称为暗适应。所谓暗适应，就是指眼从明处到暗处的适应过程，正常人开始适应为4～5min，完全适应为20～30min。由肝脏释放的视黄醇与视黄醇结合蛋白结合，在血浆中再与前白蛋白结合，运送至视网膜，参与视网膜的光化学反应。若维生素A充足，则视紫红质的再生快而完全，故暗适应恢复时间短；若维生素A不足，则视紫红质再生慢而不完全，故暗适应恢复时间延长，严重时可产生夜盲症。维生素A还参与上皮细胞与黏膜细胞中糖蛋白的生物合成，维持上皮细胞的正常结构和功能；加速蛋白质的生物合成和骨细胞的分化，促进机体的生长和骨骼的发育；参与免疫球蛋白的合成过程，增加机体的抗感染能力；还能通过促进上皮细胞的正常分化并控制其恶变而具有防癌作用。维生素A当维生素A缺乏时，除了感受暗光发生障碍，导致夜盲、干眼、角膜软化、表皮细胞角化、失明等症状外，还会影响人的正常发育，引起上皮组织干燥，抵抗病菌能力降低，因而易感染疾病。但摄入维生素A过多会引起中毒，主要症状为厌食、烦躁、皮肤干燥、瘙痒、毛发枯干易落、肝脏和脾脏肿大等。及时停止食用，症状可很快消失。维生素A人体对维生素A的需要量取决于人体的体重和生理状况。正常成人每日维生素A生理需要量为2600~3300国际单位（IU），过多摄入维生素A会引起中毒症状，严重危害健康。维生素A人体可从食物中获得维生素A和维生素A原。维生素A在动物性食物中含量丰富，各种动物的肝脏、鱼肝油、鱼卵、全奶、蛋黄等含量较高。植物性食物只含β-胡萝卜素，最好的来源包括有色蔬菜中的菠菜、胡萝卜、韭菜、雪里蕻等，水果中的杏、香蕉、柿子等。6.2.2维生素D维生素D是类固醇衍生物，具有抗佝偻病的作用，故又称为抗佝偻病维生素。维生素D种类很多，其中以维生素D2和维生素D3最重要。维生素D2又名麦角钙化固醇，维生素D3又名胆钙化固醇，二者的区别仅在侧链上。维生素D2比维生素D3在侧链上多一个甲基和双键。维生素D的结构如图6-2所示。植物性食物中所含的麦角固醇经紫外线照射后可转变为维生素D2，故麦角固醇是维生素D2的维生素原。人和动物皮下含有7-脱氢胆固醇，经日光或紫外线照射后可转变为维生素D3，故7-脱氢胆固醇是维生素D3的维生素原。维生素D2、D3均是白色针状晶体，不溶于水。维生素D2易溶于植物油及有机溶剂，维生素D3略溶于植物油。维生素D2的熔点为115～118℃，维生素D3的熔点为84～85℃。维生素D3在空气中易氧化，对日光较敏感，在油脂中能长期保存，但温度超过115℃则失去活性。维生素D在中性及碱性溶液中能耐高温和氧化，在酸性溶液中则会逐渐分解，所以油脂氧化酸败可引起维生素D破坏，而一般的烹调加工不会导致维生素D的损失。维生素D在体内的活性形式是1，25-二羟胆钙化醇，简写为1，25-（OH）2D3。体内的维生素D3必须经肝脏羟化成25-OHD3（25-羟胆钙化醇，25羟维生素D3），后者再经肾脏羟化成1，25-（OH）2D3才能发挥作用。维生素D的主要生理功能是调节钙和磷的代谢，维持血液中钙、磷的正常浓度，促使骨骼正常发育，并促进成骨作用，对动物骨架的正常钙化有益。当体内的维生素D转化为1，25-（OH）2D3以后，可促进肠道黏膜合成钙结合蛋白，使小肠对钙和磷的吸收增加，从而维持血浆中钙、磷浓度的正常水平，而这正是成骨作用的必要条件。维生素D还具有促进成骨细胞形成和促进钙在骨质中沉积成Ca3（PO4）2、CaCO3等骨盐的作用，有助于骨骼和牙齿的形成。除此之外，维生素D对防止氨基酸通过肾脏时的丢失有重要作用，而且具有免疫调节功能，可以改变机体对感染的反应。维生素D缺乏时，肠道内钙、磷吸收发生障碍，血液中钙、磷浓度下降，儿童骨骼和牙齿不能正常发育，手足抽搐，甚至导致佝偻病，成人引起软骨病，特别是孕妇和哺乳期妇女更易发生骨软化症，但在使用维生素D时应先补充钙。过多服用维生素D将引起急性中毒，表现为血钙过高、骨破坏、异位钙化和动脉硬化。发现维生素D中毒后，应及时停止摄入维生素D，避免日光和紫外线照射，并给予治疗。经常晒太阳是人体获得维生素D3的最好方法，尤其是婴幼儿。天然食物中维生素D含量不多，在脂肪含量高的海鱼、动物肝脏、蛋黄、奶油和干酪等中含量相对较多，瘦肉、奶类中含量较少。6.2.3维生素E维生素E又称为生育酚，在化学结构上是6-羟基苯并二氢吡喃的衍生物，结构通式如图6-3所示。6.2.3维生素E具有生物活性的生育酚的种类很多，自然界中已知共有8种化合物，它们的差异在于环状结构上的甲基数目和位置不同，其中有4种（α、β、γ、δ）较为重要。若以α-生育酚为基准（设为100），则它们的活性分别为100、40、8、20，可见α-生育酚的活性最大。生育酚的基团差异见表6-1。维生素E为浅黄色黏稠油状液体，无臭，无味，不溶于水，易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂和油脂中，对热与酸稳定，对碱不稳定。维生素E对氧十分敏感，具有抗氧化作用，是食品工业中常用的抗氧化剂。维生素E遇光后颜色渐变深，受紫外线光照后即失效。维生素E的基本功能是保护细胞和细胞内部结构完整，防止某些酶和细胞内部成分遭破坏。维生素E极易被氧化而保护其他物质不被氧化，是动物和人体内最有效的抗氧化剂。维生素E也能防止维生素A、维生素C和三磷酸腺苷（ATP）的氧化，保证它们在体内发挥正常的生理作用。维生素E能保护血管，改善血液状况，提高精神活力和运动能力。它可延长红细胞的寿命，可以抑制分解代谢酶；也可以减少褐脂质的形成，延缓衰老；还可用于治疗溶血性贫血。维生素E通过调节嘧啶碱基参与DNA生物合成过程，是维生素C、辅酶Q合成的辅助因子。维生素E可抑制含硒蛋白、含铁蛋白等的氧化，保护脱氢酶中的巯基免受氧化。维生素E与动物的生殖功能有关，缺乏维生素E时，其生殖器官受损而不育。雄鼠缺乏时，睾丸萎缩，不产生精子；雌鼠缺乏时，胚胎及胎盘萎缩而被吸收，引起流产。临床上常用维生素E治疗先兆流产和习惯性流产。维生素E广泛存在于食物中，故维生素E缺乏在人类较为少见，但可出现在低体重的早产儿和脂肪吸收障碍的患者中。维生素E广泛地存在于植物油及各种油料种子中，如麦胚油、棉籽油、玉米油、花生油及芝麻油都是维生素E的良好来源。莴苣叶和柑橘皮中也富含维生素E。动物性食物中维生素E含量较丰富的是蛋和肝。维生素Ｅ一般不易缺乏，正常血浆维生素Ｅ浓度为（0.9~1.6）mg/100mL，若低于0.5mg/100mL，则可出现缺乏症。主要表现为红细胞数量减少，寿命缩短，体外实验见到红细胞脆性增加，常表现为贫血或血小板增多症。6.2.4维生素K维生素K又名凝血维生素，其化学本质为2-甲基-1，4-萘醌的衍生物。天然存在的维生素K有两种：维生素K1和维生素K2。维生素K1主要存在于绿叶植物和动物肝脏中；维生素K2是人体肠道细菌的代谢产物，因此长期服用抗菌药物可使肠道细菌合成维生素K2受阻，减少维生素K的来源。维生素K1和K2的结构如图6-4所示。临床上所用的维生素K是人工合成的，有维生素K3、K4、K5、K7等，均以2-甲基-1，4-萘醌为主体。其中，维生素K4的凝血活性比K1高3～4倍。通常维生素K是以维生素K1为参考标准的。维生素K3和K4的结构如图6-5所示。维生素K1为黄色油状物，维生素K2为黄色结晶，耐高温，但易被光和碱破坏。维生素K的主要生理功能是：（1）促进肝脏合成凝血酶原（凝血因子Ⅱ），调节凝血因子Ⅶ、凝血因子Ⅸ、凝血因子Ⅹ的合成，促进血液凝固。（2）作为电子传递链的一部分，参与氧化磷酸化过程。（3）参与骨盐代谢。骨化组织中也存在维生素K依赖的蛋白质，被称为骨钙蛋白，其分子中含有3个γ-羧基谷氨酸残基，可与钙离子结合而参与调节钙盐沉积。维生素K在蛋黄、苜蓿、绿叶蔬菜、动物肝脏、鱼肉中含量丰富，人体肠道中的大肠杆菌也可以合成维生素K，故人体一般不会缺乏维生素K。6.3.1维生素B1维生素B1为抗神经炎维生素，化学结构是由一个带氨基的嘧啶环和一个含硫的噻唑环组成的，故又称为硫胺素。一般使用的维生素B1都是化学合成的硫胺素盐酸盐。维生素B1与焦磷酸结合生成焦磷酸硫胺素（TPP）后才具有生物活性。结构式如图6-6所示。6.3水溶性维生素维生素B1为白色针状粉末或晶体，味苦，是B族维生素中最不稳定的维生素。干燥结晶态热稳定性好，易溶于水，故淘米次数不宜太多，以免维生素B1损失。在酸性条件下对热较为稳定，如在pH为3.5时加热到120℃仍不会被破坏；在中性及碱性溶液中易被氧化，因此在食品加工中应尽量避免加碱。二氧化硫或亚硫酸盐在中性及碱性介质中都能加速维生素B1的分解，所以在贮藏含有维生素B1较多的食物如谷类、豆类和猪肉时，不宜用亚硫酸盐作为防腐剂或以二氧化硫熏蒸谷仓。维生素B1在体内经硫胺素激酶催化，可与ATP作用转变为焦磷酸硫胺素（TPP）：TPP是丙酮酸氧化脱羧酶、α-酮戊二酸氧化脱羧酶和转酮醇酶的辅酶，因此维生素B1对维持正常糖代谢具有重要作用。若机体缺乏维生素B1，体内TPP含量减少，丙酮酸氧化脱羧作用即发生障碍，糖代谢作用受阻，丙酮酸、乳酸在组织中积累，心血管和神经组织的正常功能受到影响，表现为多发性神经炎、四肢麻木、肌肉萎缩、心力衰竭、心跳加快、下肢水肿等症状，临床上称为脚气病。所以维生素B1又称为抗脚气病维生素。TPP能抑制胆碱酯酶的活性，减少乙酰胆碱的水解，维持正常的消化腺分泌和胃肠道蠕动，从而促进消化。轻度缺乏维生素B1，出现食欲不振、消化不良等症状，是由消化液分泌减少，胃肠道蠕动减慢造成的。维生素B1广泛存在于动植物食品中，在稻谷、小麦、豆类、酵母及动物内脏、瘦猪肉、蛋类、马铃薯等食品原料中含量比较丰富。在谷物原料中，它主要存在于外表部分如糊粉层，故碾磨得过于精细的米和面粉将损失大量的硫胺素，若长期食用这种精米、面，同时又缺乏食用其他硫胺素丰富的副食品，将会引起硫胺素的缺乏症或患脚气病。6.3.2维生素B2维生素B2又称为核黄素，是核糖醇与6，7-二甲基异咯嗪的缩合物。在生物体内，核黄素主要以黄素单核苷酸（FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）两种形式存在。它们的结构式如图6-7所示。核黄素为黄色粉末状结晶体，水溶性较低，其水溶液呈现黄绿色荧光，味苦，对热较稳定，在中性或酸性溶液中短期加热也不致破坏，但在碱性溶液中加热较易破坏。游离型核黄素对光敏感，特别是对紫外线。如将牛奶（奶中核黄素40%～80%为游离型）放入瓶中在日光下照射，2h内核黄素可被破坏一半以上，破坏的程度随温度及pH升高而加剧。不论在中性、酸性或碱性媒质中，游离型核黄素均可被紫外线破坏。食物中核黄素主要是结合型，即与磷酸和蛋白质结合成复杂化合物，结合状态比较稳定，因此在食物加工过程中损失较少。FMN、FAD是多种氧化还原酶的辅酶，与酶蛋白紧密结合组成黄素蛋白。如以FAD为辅基的酶有脂酰辅酶A脱氢酶、D-氨基酸氧化酶、琥珀酸脱氢酶和L-葡萄糖氧化酶等，以FMN为辅基的酶有L-氨基酸氧化酶、酵母乳酸脱氢酶等。从结构上看，这两种辅基在异咯嗪的N1、N10之间有一对活泼的共轭双键，容易发生可逆的加氢或脱氢反应。在细胞氧化反应中，FMN、FAD通过氧化型和还原型的互变，达到传递氢的作用。核黄素在体内参与多种氧化还原反应，促进糖、脂肪和蛋白质代谢。核黄素缺乏时，组织呼吸减弱，代谢强度降低，主要症状是唇炎、舌炎、口角炎、角膜炎、多发性神经炎等。核黄素广泛分布于自然界，在酵母中含量最高，动物的肝、心、肾中含量也较丰富，其次是奶、蛋类食品等；植物性食物以干豆类、花生和绿色蔬菜中含量较多。许多动物的肠道细菌能合成核黄素，但人的肠道合成量不足以满足机体的需要。6.3.3泛酸泛酸是自然界中分布十分广泛的维生素，故又称为遍多酸，是由α，γ-二羟基-β，β-二甲基丁酸和β-丙氨酸脱水缩合而成的一种有机酸，其结构式如图6-8所示。泛酸为浅黄色黏性油状物，呈酸性，易溶于水，在空气中稳定，但对酸、碱、热不稳定，对氧化剂及还原剂稳定。泛酸最稳定的形态是它的钙盐。食品的加工处理会对泛酸的含量产生较大影响。在体内，泛酸和巯基乙胺、3-磷酸-AMP缩合形成辅酶A（简写为CoA或CoASH），其结构如图6-9所示。辅酶A分子中所含的巯基可与酰基形成硫酯，在代谢过程中作为酰基的载体发挥功能。在乙酰化作用中，辅酶A转运乙酰基，成为乙酰辅酶A。乙酰辅酶A与糖代谢和脂代谢等有关。泛酸以结合的形式存在于所有的动物和植物组织中。在酵母中含量最丰富，在肝脏、肾、蛋黄、新鲜蔬菜、全面粉面包、牛乳等中含量也较为丰富。人体肠内细菌也能合成泛酸。6.3.4维生素PP维生素PP又称为抗癞皮病维生素，包括尼克酸和尼克酰胺两种化合物。它是结构最简单、性质最稳定的一种维生素。尼克酸和尼克酰胺又称为烟酸和烟酰胺，它们都属于吡啶的衍生物，其结构式如图6-10所示。维生素PP在体内主要以烟酰胺的形式存在，烟酸是烟酰胺的前体，两者在体内可相互转化，具有同样的生物效力。烟酸为白色或淡黄色晶体或结晶体粉末，无臭或有微臭，味微酸，熔点为236～237℃，溶于水，易溶于沸水、沸乙醇、碳酸钙溶液和氢氧化钙溶液，不溶于乙醚。烟酰胺为白色结晶粉末，无臭，味苦，熔点为128～131℃，易溶于水、乙醇和甘油。烟酰胺是生物体内辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ的组成成分。辅酶Ⅰ又称为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，简称NAD+，由一分子烟酰胺核苷酸和一分子腺嘌呤核苷酸组成。辅酶Ⅱ为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酯，简称NADP+。NAD+和NADP+在生物体内都是作为脱氢酶类的辅酶，在氧化还原过程中起携带和传递氢的作用，作为受氢体和供氢体，分别以氧化型的NAD+和NADP+与还原型的NADH和NADPH两种形式存在。在氧化还原过程中底物分子被脱氢酶激活后脱下两个氢原子：其中一个氢原子转移到氧化型NAD+或NADP+烟酰胺的吡啶环上，使之成为还原型的NADH或NADPH；另一个以氢离子H+形式出现在介质中。在人体内，色氨酸能转变为烟酸，烟酸又可转变为烟酰胺，因此，富含色氨酸的食物也富含烟酸。由于玉米内缺乏色氨酸和烟酸，故长期只食用玉米，有可能患维生素PP缺乏症。动物肉类尤其是肝脏是维生素PP的良好来源。酵母、花生、谷类、豆类等含维生素PP也都很丰富。牛乳中烟酸含量不多，但色氨酸的含量较多。缺乏维生素PP的主要症状是癞皮病，患者有皮炎、腹泻及痴呆等表现，皮炎尤为突出，患者一般还有神经疾病如抑郁症，到发病末期可发展为精神病。6.3.5维生素B6维生素B6又称为抗皮炎维生素，具有抗皮肤发炎功能，化学结构是吡啶的衍生物，包括三种结构类似的物质，即吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺，在体内三种物质可互相转化，其结构式如图6-11所示。维生素B6为无色晶体，易溶于水及乙醇，对光和碱较敏感，不耐高温，但在酸性溶液中稳定。维生素B6在体内以磷酸酯形式存在，磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺是其活性形式。维生素B6作为辅酶在体内积极参加各种氨基酸代谢，是转氨酶、脱羧酶的辅酶。在体内维生素B6经磷酸化作用转变为相应的磷酸酯——磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺和磷酸吡哆醇，它们之间可以相互转变。参加代谢作用的主要是磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺，二者是维生素B6的活性形式。维生素B6作为辅酶在体内积极参加各种氨基酸代谢，是转氨酶、脱羧酶的辅酶。

维生素B6在动植物体内分布很广，酵母、动物的肝脏、蛋黄、肉、鱼和谷类、花生中含量都很丰富。某些动植物和微生物能合成维生素B6，因维生素B6在食物中含量丰富，肠道细菌也可合成维生素B6，所以人类很少发生维生素B6缺乏症。缺乏维生素B6可产生厌食、呕吐、中枢神经兴奋、惊厥、低色素性贫血（缺铁性贫血）等症状，故维生素B6常用于治疗厌食、呕吐、动脉粥样硬化症、周围神经炎和低色素性贫血病等。6.3.6生物素生物素含硫元素，是由脲和带有戊酸侧链的噻吩组成的，其结构如图6-12所示。生物素为无色、无臭的针状结晶物，熔点为232～233℃，极易溶于热水，在冷水中仅轻度溶解，不溶于乙醇、石油醚和氯仿。生物素的干粉形式相当稳定，但在溶液中不稳定，可被强酸、强碱和氧化剂破坏，在紫外光照射下可逐渐被分解破坏。生物素是多种羧化酶如丙酮酸羧化酶等的辅酶，与酶蛋白结合在体内催化CO2的固定以及羧化反应。生物素通过其侧链羧基与酶蛋白中赖氨酸的ε-氨基以酰胺键相连。在羧化作用时，CO2先与尿素环上的一个氮原子结合，然后再将CO2转给适当的受体，因此生物素在代谢过程中是CO2的载体，对糖、蛋白质和核酸代谢有重要意义。生物素对某些微生物如酵母、细菌等的生长有强烈的促进作用。动物缺乏生物素时会发生毛发脱落、皮肤发炎。人和动物肠道中有些微生物能合成生物素，故一般很少发生缺乏症。吃生鸡蛋过多或长期口服抗生素，易患生物素缺乏症，表现为鳞屑状皮炎、抑郁等。这是因为未经煮熟的鸡蛋清中有一种抗生物素的蛋白质，能与生物素结合成不易消化吸收的物质，鸡蛋加热后这种蛋白质即被破坏。6.3.7叶酸叶酸也称为蝶酰谷氨酸（PGA）。叶酸在自然界广泛存在，最初是由肝脏中分离出来的，后来发现绿叶