氧化型辅酶1和2

水溶性维生素_解读生命化学

第一节　水溶性维生素

一、维生素B₁和TPP

图6-1　维生素B₁和TPP的结构

维生素B₁为抗神经炎的维生素，因为它是由含硫的噻唑环和一个含氨基的嘧啶环所组成，所以又称硫胺或硫胺素，在生物体内经常以硫胺磷酸酯（TP）或硫胺焦磷酸酯（TPP）的辅酶形式存在。1936年，由R.R.Williams等测定其化学结构，并于1937年人工合成。其结构式如图6-1。

TPP是糖代谢过程中α-酮酸氧化脱羧酶的辅酶，参与丙酮酸或α-酮戊二酸的氧化脱羧反应和醛基转移作用，因此维生素B₁对于维持正常糖代谢具有重要作用。TPP的功能部位在噻唑环的2位碳原子上。由于3位上N＋的正电荷有助于C2失去质子而具电负性，故C2很易和α-酮酸形成加成产物而有利于脱羧反应。

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（0.5mg/kcal）。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升高，出现多发性神经炎、皮肤麻木、心力衰竭、四肢无力、肌肉萎缩、下肢浮肿等症状，临床称为脚气病。当服用维生素B₁后，血、尿中丙酮酸含量就会下降。另外，维生素B₁还具有维持正常的消化腺分泌和胃肠道蠕动功能，从而促进消化。当轻度缺乏维生素B₁时，会出现食欲不振、消化不良的症状，就是因为消化液分泌减少和胃肠蠕动缓慢所引起的。

维生素B₁在植物中广泛分布，谷类和豆类的种皮中含量很丰富，酵母中含量更多。维生素B₁在酸性溶液中较稳定，中性和碱性中易被破坏。维生素B₁耐热，在pH＝3.5以下加热到120℃仍不会被破坏，但维生素B₁极易溶于水，故米不宜淘洗太多次以免损失。

二、维生素B₂和FAD、FMN

维生素B₂又称核黄素，化学结构为核糖醇和6，7-二甲基异咯嗪的缩合物。由于在异咯嗪的1位和5位N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有氧化型和还原型两种形式（图6-2）。在生物体内的氧化还原过程中起传递氢的作用。

图6—2　维生素B2的结构

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（图6-3），是生物体内一些氧化还原酶（黄素蛋白）的辅基，与蛋白部分结合较牢。FMN又称磷酸核黄素，即在核黄素分子的核糖醇基上接上一分子磷酸。FAD由一分子FMN与一分子腺苷酸相连而成。它们同样以氧化型和还原型两种形式存在，具有传递氢的作用。在异咯嗪部分进行脱氢和加氢的作用。

图6-3　FMN和FAD的结构

以FAD为辅基的酶很多，如脂酰辅酶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为辅基的酶有肾L-氨基酸氧化酶、酵母乳酸脱氢酶等。FAD和FMN都是氢传递体，在氧化还原反应中起传递氢的作用，作为氢的受体或供体。FMN、FAD都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、黏膜和视觉的正常机能均有一定的作用。当缺乏维生素B₂时，组织呼吸减弱，代谢强度降低，会出现口角炎、舌炎、结膜炎、皮脂溢出性皮炎和视觉模糊等。临床可使用维生素B₂治疗。

维生素B₂在酸性环境中稳定，但遇光易被破坏。在碱性溶液中不耐热，故烹调食物时不宜加碱。氧化型核黄素水溶液具有黄绿色荧光，在450nm有吸收高峰，当维生素B₂呈还原型时，则450nm峰消失，可用于分析鉴定。维生素B₂广泛存在于动植物中，米糠、酵母、蛋黄中维生素B₂含量丰富。所有植物和很多微生物能合成核黄素，但在动物体内不能合成，必须由食物供给。

三、泛酸和辅酶A

图6—4　泛酸的结构

泛酸是自然界中分布十分广泛的维生素，故又称遍多酸。它是α，γ-二羟-β-β-甲基丁酸与β-丙氨酸通过肽键缩合而成的酸性物质，结构如图6-4。

辅酶A是泛酸的主要活性形式，简写为CoA。辅酶A分子所含的巯基可与酰基形成硫酯，其重要的生理功能是在代谢过程中作为酰基的载体；辅酶A是含泛酸的复合核苷酸。其结构式如图6-5。

图6—5　辅酶A的结构

泛酸广泛存在于动植物组织中，人食物中的泛酸含量相当充分，同时肠内细菌能合成泛酸供人体利用，因此人类极少出现泛酸缺乏病。

四、烟酸、烟酰胺和NAD、NADP

烟酸（尼克酸）又称维生素PP，在体内主要以烟酰胺（尼克酰胺）形式存在，烟酸又称抗癞皮病维生素。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。它们的结构式如图6-6。

图6—6　NAD和NADP的结构

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。

表示NAD和NADP的氧化还原反应，用下列二式之一都可以：

NAD和NADP与两蛋白的结合非常松，容易脱离酶蛋白而单独存在。从脱氢酶对辅酶的要求来看，有的酶需要NAD为其辅酶，有的需要NADP为其辅酶，但也有些酶，NAD或NADP二者皆可。

例如，乙醇在醇脱氢酶的作用下脱氢变为乙醛，底物分子的一个H^＋和两个电子转给NAD^＋的烟酰胺环。使氮原子由五价变为三价，同时第4位碳原子上添加个氢原子，变成还原型的NADH。底物的另一个H^＋则释放到溶液中。其反应式如下：

CH₃CH₂OH＋NAD→─^＋CH₃CHO＋NADH＋H^＋

有时反应生成的NADH（或NADPH）又在其他的脱氢酶的作用下，把氢传递给另一底物，本身又恢复成氧化型的NAD（或NADP）。例如，3-磷酸甘油醛脱氢酶可催化3-磷酸甘油醛脱氢变成1，3-二磷酸甘油酸。此时生成的NADH，又可在乳酸脱氢酶的作用下，把氢转给丙酮酸，使之变为乳酸，而本身又恢复成氧化型。

维生素PP在自然界分布很广，肉类、谷物及花生中含量丰富。此外，在体内色氨酸可转变成烟酰胺，因此人类一般不缺乏。但玉米中缺乏色氨酸和烟酸，故长期只吃玉米，则有可能患癞皮病。烟酸和烟酰胺除用于癞皮病等缺乏症外。烟酸也可用作血管扩张药。对结核病有特效的异烟肼和烟酰胺结构相似，能抑制结核菌繁殖，使该菌不能正常利用烟酰胺，起抗代谢作用。

五、生物素

生物素是由噻吩环和尿素结合而成的一个双环化合物。侧链上有一戊酸。生物素的发现和分离纯化经过曲折的探索过程，生物素曾有各种名称，由于是酵母菌的生长因子，随后命名为生物素。大量的生物素可从卵黄中提取得到；卵清中有一种抗生物素蛋白，至于抗生物素蛋白怎样跟生物素结合，还不清楚。生物素的结构如图6—7。

图6—7　生物素的结构

维生物素与酶蛋白结合催化体内CO₂的固定以及羧化反应。它是多种羧化酶的辅酶。生物素与其专一的酶蛋白通过生物素的羧基与酶蛋白中赖氨酸的ε-氨基以酰胺键相连，首先CO₂与尿素环上的一个氮原子结合，然后再将生物素上结合的CO₂转给适当的受体，因此生物素在代谢过程中起CO₂载体的作用。

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。动物缺乏生物素时毛发脱落、皮肤发炎。人和动物肠道中有些微生物能合成，一般不会缺乏。吃生鸡蛋清过多或长期口服抗生素，易患缺乏症，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，能与生物素结合而使生物素不能为肠壁吸收。

生物素在动、植物中分布很广，在肝、肾、蛋黄、酵母、蔬菜和谷类中都含有。在微生物培养时，通常加入玉米浆或酵母膏满足微生物对生物素的需要。

六、叶酸和叶酸辅酶

叶酸也称蝶酰谷氨酸，简写为PGA。叶酸是一个在自然界广泛存在的维生素，因为在绿叶中含量丰富，故称叶酸。叶酸是人类和某些微生物生长所必需的，当哺乳类动物缺乏叶酸时表现出生长不良和各种贫血症。人体虽然自己不能合成叶酸，但肠道菌可以合成以供给人体需要，加上叶酸在植物的绿叶中大量存在，一般不易缺乏。

图6-8　叶酸的结构

叶酸是由2-氨基-4-羟基-6-甲基蝶呤、对氨基苯甲酸与L-谷氨酸连接而成。它的结构式如图6-8。

作为辅酶的是叶酸加氢的还原产物——5，6，7，8-四氢叶酸（图6—9）。叶酸还原反应是由肠壁、肝、骨髓等组织中的叶酸还原酶促进发生的。

图6-9　四氢叶酸的结构

四氢叶酸又称辅酶F，简写作FH₄。它在各种生物合成的反应中，起转移和利用一碳基团的作用。被携带的一碳基团是结合在FH₄的N₅或N₁₀或二者的N原子上.由FH₄携带的-碳基团有甲基（-CH₃）、亚甲基（-CH2-）、次甲基（-CH＝）、甲酰基（-CHO）、亚胺甲基（-CH＝NH）。这些基团在各种酶促反应中，以FH₄为中间载体，从一种代谢物转移到另一代谢物或者相互变换。在许多重要物质如嘌呤、嘧啶、核苷酸、丝氨酸、甲硫氨酸等的合成过程中，都需要这些带有一碳基团的四氢叶酸作为一碳物的供体参与作用。

叶酸结构中由于含有与磺胺药结构相类似的对氨基苯甲酸，所以磺胺药在细菌合成叶酸的反应中起了竞争性的抑制作用，从而抑制细菌的生长和繁殖。由于叶酸与核酸的合成有关，是骨髓巨红细胞和白细胞等细胞成熟和分裂所必需的物质。临床可用于治疗巨红细胞贫血、血小板减少症等，常与维生素C、维生素B₆和维生素B₁₂合用。

七、维生素B₆和磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺

维生素B₆又称抗皮炎维生素。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。它们在生物体内部是以磷酸酯形式存在，即在5位的醇基上接上一分子磷酸。参加代谢作用的主要是磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺，分别可用PHCO和PCH₂NH₂简式表示。维生素B₆及其辅酶形式如图6—10。

图6-10　维生素B₆及辅酶的结构

磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺与氨基酸代谢有关，在氨基酸转氨基、脱酸和消旋作用中起着辅酶的作用。因此，当吃蛋白质类物质多时，对维生素B₆的需要量增加。

维生素B₆在动植物中分布很广，谷类外皮含量尤为丰富，缺乏维生素B₆可产生呕吐、中枢神经兴奋、惊厥、低色素性贫血等，故维生素B₆常用于治疗呕吐、动脉粥样硬化症、周围神经炎和低色素性贫血病等。

八、维生素B₁₂和B₁₂辅酶类

图6-11　维生素B₁₂的结构

维生素B₁₂是一种抗恶性贫血因子，为红细胞正常成熟和生长所必需。1948年首次从肝脏中分离出来，是一种含钴的红色结晶，所以维生素B₁₂又称钴胺素。由于维生素B₁₂分子的钴原子以配位键相连着一氰根。这种连接有氰根的维生素B₁₂又称氰钴胺素。它的化学结构如下图6-11。

维生素B₁₂通常以辅酶的形式参加代谢作用。从哺乳动物组织中分离得到的维生素B₁₂辅酶有三种形式：5＇-脱氧腺苷钴胺素、甲基钴胺素和羟钴胺素。在这些辅酶中以5＇-脱氧腺苷钴胺素最重要，在生物界也分布最广，通常被称为辅酶B₁₂。

目前已知维生素B₁₂辅酶类参与的酶促反应有两类：①辅酶B₁₂参与某些化合物的重排，②参与某些化合物的甲基化，主要是以甲基钴胺素作为甲基载体，参与甲硫氨酸、胆碱和胸腺嘧啶等的合成。

维生素B₁₂参与DNA的合成，对红细胞的成熟很重要，当缺少维生素B₁₂时，巨红细胞中DNA合成受到障碍，影响了细胞分裂使不能分化成红细胞。肝、肾、瘦肉、鱼和蛋类食物中维生素B₁₂含量较高。放线菌、人和动物的肠道细菌都能合成，一般情况下不会缺少B₁₂但维生素-B₁₂的特异性吸收与胃黏膜分泌的一种糖蛋白（称为内在因子）和内在因子受体有关。维生素B₁₂只有与这种糖蛋白结合才能透过肠壁被吸收。有的人缺乏“内在因子”，而导致维生素B₁₂的缺乏。恶性贫血患者的胃液中常缺少这种糖蛋白，故B₁₂不能被吸收，须注射治疗。维生素B₁₂临床用于治疗恶性贫血及其他疾病，如神经炎、神经萎缩等。

九、维生素C

因维生素C能防治坏血病，故又称抗坏血酸。维生素C是一种L型己糖衍生物，有双链，是一个具有6个碳原子的酸性多羟基化合物，其分子中2位和3位碳原子的两个烯醇式羟基极易解离，释放出H＋，而被氧化成为脱氢抗坏血酸。故抗坏血酸既具有酸性又具有还原性。氧化型抗坏血酸与还原型抗坏血酸可以互相转变，在生物组织中自成氧化还原体系。

抗坏血酸的生理功能可能是通过它本身的氧化和还原在生物氧化过程中作为氢的载体。抗坏血酸是脯氨酸羟基化酶的辅酶。因为胶原蛋白含有较多的羟脯氨酸，所以抗坏血酸可促进胶原蛋白和黏多糖的合成，维持软骨、牙质和骨的正常细胞间质，促使伤口愈合和减低微血管的通透性及脆性。当维生素C缺乏时，细胞间质中的黏多糖合成受阻，不能维持正常的胶态，从而引起微血管壁通透性增加，脆性增强，易破裂，伤口愈合延缓和发生骨折等症状。维生素C还可促进抗体生成和增强白细胞对细菌的吞噬能力，从而增强机体的抵抗能力，也能促进机体对铁的吸收。抗坏血酸尚有许多其他生理功能，但其机制还不清楚。

维生素C缺乏或过量均影响健康，故应合理服用。维生素C存在于新鲜水果和蔬菜中，柑橘、枣、山楂、番茄、辣椒、松针和幼苗中含量丰富。人体不能自身合成，必须由食物中摄取。但大多数动物和植物能从葡萄糖或其他前体来合成。临床维生素C用于治疗坏血病、各种急慢性传染病、紫斑病、贫血、外伤和骨折等，近年来认为可用于防治感冒、肿瘤和冠心病等。但长期服用大剂量维生素C后会引起疲乏、呕吐、尿结石和高血糖等副作用。

固体的维生素C较稳定，但长期暴露于空气和潮湿空气中会产生有害物质。维生素C易溶于水，在水溶液中极易被空气氧化，加热易破坏，在中性或碱性溶液中尤甚，遇光、微量金属离子都可促使维生素C的破坏。在制橘汁水果罐头时，往往加氮或二氧化碳以排氧，可减少维生素C的破坏。

十、硫辛酸

硫辛酸是某些细菌和原生动物生长所必需的因子，它的化学结构为-含硫的八碳酸。在6，8位上有二硫键相连，故又称6，8-二硫辛酸，以氧化型和还原型两种形式存在，通过氧化还原反应能迅速地相互转化（图6—12）。

硫辛酸在自然界广泛分布，肝和酵母中含量丰富。通常硫辛酸和二硫辛酸转乙酰酶的酶蛋白分子中赖氨酸残基的ε-氨基作用，形成酰胺，以结合状态存在。在代谢作用中硫辛酸作为多酶复合体丙酮酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶的辅酶，起转运酰基和氢的作用，与糖代谢关系密切。在食物中硫辛酸常和维生素B₁同时存在。临床试用于肝炎等疾病。

图6-12　硫辛酸的结构