生物化学第11章维生素与辅酶.ppt

第11章 维生素与辅酶,(Vitamin and coenzyme),一、维生素概论 二、脂溶性维生素 三、水溶性维生素 四、作为辅酶的金属离子,一、维生素概论,维生素是参与生物生长发育和代谢，维持生命现象所必需的一类微量小分子有机物质。动物体内或者不能合成维生素，或者合成量不足，所以必须从食物中摄取。有些维生素可以由动物肠道内的细菌合成，合成量可以满足动物的需要。动物细胞可将色氨酸转变成烟酸（一种B族维生素），但量不足需要。除灵长类动物（包括人类）及豚鼠外，其它动物都可以自身合成维生素C。植物和多数微生物都能自己合成维生素。,(维生素的概念),The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1929,Christiaan Eijkman,Sir Frederick Gowland Hopkins,Utrecht University the Netherlands,University of Cambridge United Kingdom,“for his discovery of the anti-neuritic vitamin“,“for his discovery of the growth-stimulating vitamins“,维生素的作用,维生素在生物体内的作用不同于糖类、脂肪和蛋白质，不作为能量来源，不是结构物质，但它们在调节代谢中起着非常重要的作用。已知绝大多数维生素是作为辅酶或辅基的组成成分起作用。 机体缺乏维生素时，会产生各种相应的维生素缺乏症。 生物对维生素的需要量非常小。,维生素的命名,维生素的命名一般是按发现的先后顺序在“维生素”后面加A、B、C等字母来命名。有些维生素在初发现时以为是一种，后来发现是多种维生素的混合物，又在相应的字母下加下标1、2、3等加以区分。每一种维生素还有一个化学名称，如维生素C又叫抗坏血酸。,维生素的分类,各种维生素在化学结构上没有共同性。通常按其溶解性质分为脂溶性和水溶性两大类。脂溶性的维生素有维生素A、D、E、K等，水溶性的维生素有维生素B1、B2、烟酸和烟酰胺、B6、泛酸、生物素、叶酸、B12（它们都属于B族维生素）和维生素C等。,维生素与辅酶的关系,见P434表11-1,二、脂溶性维生素,维生素A又名视黄醇（retinol），通常以脂肪酸酯的形式存在，其氧化态为视黄醛（retinene）。视黄醇是一种类异戊二烯分子。,维生素A,维生素A,视黄醇从动物类食品中吸收，或从植物类食品中吸收胡萝卜素后自身合成。胡萝卜素是维生素A合成的前体。维生素A包括A1和A2两种，A2的生理活性只有A1的一半。,视黄醛的顺反异构体,9,11,胡萝卜素的结构,维生素A的生理功能,维生素A是构成视觉细胞内感光物质的成分。眼球视网膜上有两类感觉细胞，即圆锥细胞和杆细胞。圆锥细胞对强光及颜色敏感，杆细胞对弱光敏感，对颜色不敏感。杆细胞内含有感光物质视紫红质（rhodopin）。视紫红质在光中分解，在暗中再合成。视紫红质是由9,11顺视黄醛和视蛋白中赖氨酸残基的氨基通过schiff碱缩合而成的一种缀合蛋白质。眼睛对弱光的感光性取决于视紫红质的合成。当维生素A缺乏时，视紫红质合成受阻，暗中的视力下降，严重时可出现夜盲症。,维生素A的来源和需要量,维生素A主要来自动物性食品，以肝脏、乳制品和蛋黄中含量最多。维生素A原（胡萝卜素）主要来自植物性食品，以胡萝卜、绿叶蔬菜和玉米等含量较多。正常人每日维生素A的需要量为26003300国际单位，过多摄入维生素A可引起中毒症状。 1个国际单位的维生素A为0.3g维生素A。,维生素D,维生素D为类甾醇衍生物。它与动物骨骼的钙化有关，故又称为钙化醇（calciferol），具有抗佝偻病的作用。维生素D家族最重要的成员是麦角钙化醇（维生素D2）及胆钙化醇（维生素D3）。植物或酵母中所含的麦角甾醇经紫外线激活后可转化为维生素D2，动物皮下的7-脱氢胆甾醇经紫外线照射也可以转化为维生素D3。因此麦角甾醇和7-脱氢胆甾醇被称为维生素D原。,维生素D2与D3的结构,维生素D的活性形式与生理作用,维生素D3经过肝和肾中的羟基化，最终形成高活性的1,25-二羟胆钙化醇。1,25-二羟胆钙化醇的生理功能是促进钙、磷的吸收，减少钙、磷从尿中排出，提高血钙、血磷浓度，有利于新骨的生成与钙化。孕妇、婴儿和青少年对维生素D的需要量大，如果此时维生素D不足，会出现骨骼变软及畸形，发生在儿童身上称为佝偻病，在孕妇身上为骨质软化症。,维生素D治疗佝偻病,维生素D3的前体及转化过程,B环开环,H重排,维生素D3转变成活性形式,人体维生素D3的来源及需要量,人体中的维生素D主要是D3，除了从食物中摄取外，多晒太阳是预防维生素D缺乏的主要方法之一。肝、奶及蛋黄中维生素D含量较高，尤以鱼肝油中含量最丰富。 1克维生素D为4千万国际单位。婴儿、青少年、孕妇及哺乳者每日需要量为400800单位。长期过量服用会造成中毒。,维生素E,维生素E与动物的生育有关，故称生育酚（tocopherol）。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，每类又可根据甲基数目和位置的不同，分为、和四种。,维生素E结构式,R1、R2不同则成为不同的种类,维生素E的功能,维生素E与动物的生殖功能有关，并有抗氧化作用。动物缺乏维生素E时，其生殖器官受损而不育。维生素E中以生育酚的生理活性最高，但生育酚的抗氧化作用最强。,维生素E的抗氧化作用,维生素E的需要量,维生素E一般不易缺乏。成人每天对维生素E的需要量尚不清楚，但动物实验结果表明，每天食物中有50毫克即可满足需要，妊娠及哺乳期需要量略增。维生素E以麦胚油、大豆油、玉米油和葵花籽油中含量最为丰富，豆类及蔬菜中也含量较多。,维生素K,维生素K具有促进凝血的功能，故又称为凝血维生素。天然的维生素K有两种：K1和K2。K1在绿叶植物及动物肝中含量较丰富，K2是人体肠道细菌的代谢产物。它们都是2-甲基-1,4-萘醌的衍生物。另外还有人工合成的K3和K4，它们的活性比天然维生素K还高。K3和K4是水溶性的。,维生素K的结构式,4个异戊二烯碳骨架，1个双键,6个异戊二烯碳骨架，6个双键,2 3,维生素K的生理功能,维生素K的主要生理功能是促进肝脏合成凝血酶原，还能调节另外3种凝血因子、及的合成。缺少维生素K时，凝血功能减弱，常发生肌肉和胃肠道出血。 凝血酶原转变成凝血酶需要结合Ca2+，而结合Ca2+要求肽链上有羧基谷氨酸残基。此种不常见蛋白质氨基酸是由依赖维生素K的谷氨酰羧化酶催化完成的。当维生素K缺乏时，凝血酶原不能转变成凝血酶。,依赖维生素K的羧化反应,依赖维生素K的羧化反应,依赖维生素K的羧化反应是在肝细胞内质网中进行的，羧化反应与维生素K的环氧化物生成相偶联，此环氧化物经过维生素K循环可以重新转变成维生素K。双羟香豆素能抑制环氧化物还原酶，从而抑制维生素K循环，所以双羟香豆素是抗凝血剂。,双羟香豆素,维生素K循环,维生素K的来源,一般情况下人体不会缺乏维生素K，因为维生素K在蔬菜中含量丰富，人和哺乳动物肠道中的大肠杆菌也可以合成维生素K。大剂量使用维生素K也有一定毒性，如新生儿注射30mg/天，连用3天有可能引起高胆红素血症。,三、水溶性维生素,维生素B1和硫胺素焦磷酸,维生素B1由含硫的噻唑环和含氨基的嘧啶环组成，故称为硫胺素（thiamine），在生物体内常以硫胺素焦磷酸（TPP）的辅酶形式存在。维生素B1在碱性溶液中加热极易被破坏，而在酸性溶液中则对热稳定。,维生素B1和TPP,TPP参与催化的反应,硫胺素焦磷酸是涉及到糖代谢中羰基碳合成与裂解反应的辅酶，参与催化裂解反应、缩合反应、酮转移反应等。,维生素B1的需要量,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、瘦肉中含量最丰富。人体每日需要量为2毫克，体内若维生素B1过多，极易随尿排出，未见因体内积累而造成中毒的情况。大剂量用于治疗时，也未见副作用。,维生素B1缺乏症,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。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。VB1还是乙酰胆碱酯酶的抑制剂，缺少VB1时，胆碱酯酶活性增加，乙酰胆碱减少，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。根据其缺乏症，又将维生素B1称为抗神经炎维生素（抗脚气病维生素）。,维生素PP和烟酰胺辅酶,维生素PP包括烟酸（nicotinic acid）和烟酰胺（nicotinamide），也称为维生素B3，二者均属于吡啶衍生物。在体内烟酰胺与核糖、磷酸、腺嘌呤组成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+，辅酶）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADP+，辅酶）。,烟酰胺辅酶的结构和氧化还原状态,两个电子的转移反应,烟酰胺辅酶参与催化的反应,烟酰胺辅酶是电子载体，参与催化氧化还原反应，是多种脱氢酶的辅酶。这些反应涉及到从底物转移氢负离子给NAD+或从NAD+转移氢负离子给底物，其吡啶环的C4位是反应中心。依赖NAD+和NADP+的脱氢酶至少催化6种不同类型的反应。,烟酰胺辅酶参与催化的6类反应,维生素PP需要量及缺乏症,维生素PP在酵母、花生、肝、鱼及瘦肉中含量丰富。人体每日需要量约20毫克。人缺乏维生素PP时，表现为神经营养障碍，初时全身乏力，以后在两手、两颊、左右额及其他裸露部位出现对称性皮炎。故维生素PP又名抗癞皮病维生素。,维生素B2和黄素辅酶,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。由于在异咯嗪的1位和5位氮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和有氧化型和还原型两种形式，在催化氧化还原反应时起传递氢的作用。核黄素易受光照射破坏。,核黄素、FMN和FAD的结构,核黄素的辅酶形式,在体内核黄素是以黄素单核苷酸（flavin mononucleotide，FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，FAD）的形式存在。是生物体内一些氧化还原酶（黄素蛋白）的辅基，与脱辅酶以非共价键结合。黄素是比NAD+和NADP+更强的氧化剂，能被1个电子和2个电子还原。FMN和FAD广泛参与体内的各种氧化还原反应。,FAD和FMN的氧化还原态,无色,黄色,蓝色,红色,黄素蛋白催化的反应,维生素B2的需要量及缺乏症,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。人体每日需要量为23毫克。当维生素B2缺乏时，引起口角炎、唇炎、阴囊皮炎、眼睑炎及角膜血管增生、混浊、溃烂、畏光等。,泛酸和辅酶A,泛酸广泛存在于生物界，故又名遍多酸（pantothenic acid），是由丙氨酸通过肽键与,-二羟基-,-二甲基丁酸缩合而成的一种有机酸。泛酸是辅酶A（coenzyme A）和磷酸泛酰巯基乙胺的组成成分，辅酶A是泛酸的主要活性形式，常简写为CoA，是由3,5-ADP以磷酸酐键连接4-磷酸泛酰巯基乙胺而成。,辅酶A的结构,磷酸泛酰巯基乙胺,辅酶A参与催化的机理,辅酶A主要起传递酰基的作用，是各种酰化反应中的辅酶。由于携带酰基的部位在SH上，故辅酶A通常以CoASH表示。硫酯键的水解比酯键的水解更为有利，所以酰基CoA是酰基的活化形式。,泛酸含量高的食物,泛酸在酵母、肝、肾、蛋、小麦、米糠、花生和豌豆中含量丰富，在蜂王浆中含量最高。辅酶A被广泛用作各种疾病的重要辅助药物。,维生素B6和磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺,维生素B6包括3种物质，即吡哆醇（pyridoxine）、吡哆醛（pyridoxal）和吡哆胺（pyridoxamine），它们都是吡啶的衍生物。维生素B6在体内以磷酸酯的形式存在，磷酸吡哆醛（pyridoxal-5-phosphate，PLP）和磷酸吡哆胺是其活性形式，是氨基酸代谢中多种酶的辅酶。,维生素B6的各种形式,磷酸吡哆醛的作用,PLP在生理条件下有两种互变异构形式。PLP参加涉及氨基酸代谢的各种反应，包括转氨作用，和脱羧作用，和消除作用，消旋作用和羟醛反应。,磷酸吡哆醛的两种互变形式,PLP参与催化的反应,1,2,3,PLP参与催化的反应,4,5,PLP参与催化的反应,6,7,人体对维生素B6的需要量,维生素B6在动植物中分布很广，酵母、肝、瘦肉、卷心菜等食物中均含量丰富。人体每日需要量约1.52毫克，因为食物中富含维生素B6，同时肠道细菌也可以合成维生素B6，所以人类很少发生维生素B6缺乏病。,维生素B12（氰钴胺素）及其辅酶,维生素B12的化学名称为氰钴胺素（cyanocobalamin），它在体内转变成两种辅酶形式，主要辅酶形式是5-脱氧腺苷钴胺素，次要的辅酶形式是甲基钴胺素。该结构由一个咕啉环和一个中心钴离子组成，钴离子同4个吡咯氮相配位，钴轴向的一个配位是二甲基苯并咪唑基的氮，另一个轴向配位可以是CN、CH3、OH、或者5-脱氧腺苷基的5-碳。,维生素B12及其辅酶形式的结构式,维生素B12辅酶参与反应的类型,分子内重排,核苷酸还原成脱氧核苷酸,甲基转移,从氰钴胺素合成5-脱氧腺苷钴胺素,维生素B12的缺乏症,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的合成受到障碍，影响了细胞分裂，不能分化成红细胞，引起恶性贫血。人体对维生素B12需要量极少，每日注射1g即可治疗缺乏症。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，故在一般情况下不会缺少维生素B12。,生物素,生物素（biotin）是由噻吩环和尿素结合而成的一个双环化合物，噻吩环2位侧链上有一分子戊酸。它在多种酶促羧化反应中作为羧基的活动载体起作用。生物素通过其侧链羧基与酶蛋白上赖氨酸的氨基共价结合，生物素与酶蛋白主肽链之间有一个,长长的柔性链，这使得生物素可以在酶活性部位的一个亚位上接受羧基，并运动到另一个亚位上释放羧基。,生物素与酶蛋白中赖氨酸的连接,依赖生物素的酶上的3个亚位,依赖生物素的酶具有3个亚位：羧化作用亚位；羧基载体亚位；羧基转移亚位。有些酶在一条多肽链上携带所有的3个亚位，但是许多依赖生物素的酶是由单功能亚基的聚集体组成，不同的亚位分布在不同的亚基上。,生物素参与催化的转羧基反应机理,人体对生物素的需要量,人体每天对生物素的需要量约100300毫克。生物素来源广泛，肝、肾、蛋黄、酵母、蔬菜和谷物中都有，肠道细菌也能合成，所以一般很少出现缺乏症。,叶酸和四氢叶酸,叶酸（folic acid）由2-氨基-4-羟基-6-甲基蝶啶（6-甲基蝶呤）、对氨基苯甲酸和L-谷氨酸三部分组成，因其在绿叶中含量十分丰富，因此命名为叶酸。叶酸是除了CO2以外所有氧化水平一碳单位的重要受体和供体，参与催化一碳单位的转移反应。四氢叶酸是叶酸的活性辅酶形式，又称为辅酶F（CoF）。,叶酸的结构,叶酸还原成四氢叶酸,二氢叶酸,四氢叶酸,四氢叶酸携带的一碳单位中碳的氧化态,四氢叶酸携带各种一碳单位的形式,叶酸类似物,可抑制二氢叶酸还原酶，它们是抗肿瘤药物,人体对叶酸的需要量和缺乏症,由于叶酸与核酸的合成有关，当叶酸缺乏时，DNA的合成受到抑制，造成巨红细胞性贫血。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。当吸收不良，代谢失常或长期使用肠道抑菌药时，可引起叶酸缺乏症。人体每日需要量约400g，孕妇需要量增加一倍。,硫辛酸的结构,硫辛酸（lipoic acid）是6,8-二巯基辛酸，以氧化态和还原态两种形式存在，这两种形式可以通过氧化还原互相转变。在酶分子中，硫辛酸的羧基与肽链中的赖氨酸侧链氨基以酰胺键连接。,硫辛酸的作用,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，这两种酶是糖代谢中的两种多酶复