第六章维生素和辅酶 维生素维生素是维持生物正常生命过程所必需的一类有机物质,需要量很少,但对维持健康十 分重要。人体一般不能合成它们,必须从食物中摄取。维生素的主要功能是通过作为辅酶的成分调节机体 代谢。 维生素包括两大类,一类是水溶性维生素,另一类是脂溶性维生素。在水溶性维生素中除维生素C外, B族维生素都作为辅酶的成分在酶反应中担负催化作用,各种维生素见表6-1 表6-1维生素及其辅酶类型 种类 辅酶或其它功能 生化作用 硫胺素 焦磷酸硫胺素(TPP) a-酮酸氧化脱羧等 核黄素 黄素单核苷酸(FMN) 氢原子(电子)转移 黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD) 氢原子(电了)转移 水溶性维生素 尼克酸(烟酸) 烟酰胺腺嘌吟二核苷酸(NAD) 氢原子(电子)转移 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸NADP)氢原子(电子)转移 泛酸 辅酶A 酰基基团的转移 吡哆醛 磷酸吡哆醛 氨基基团的转移 生物素 胞生物素 羧基的转移 叶酸 四氢叶酸 碳基团的转移 维生素B12 辅酶B12 氢原子的1,2移(位) 硫辛酸 硫辛酰赖氨酸 氢原子和酰基基团的转移 维生素C 羟化作用中的辅助因素 脂溶性维生 维生素A 11-视黄醛 视觉循环,防止皮肤病变 维生素D 1,25-羟胆钙化甾醇 钙和磷酸的代谢 维生素E 抗氧化剂,预防不育症 维生素K 凝血酶原的生物合成 维生素原能在人及动物体内转化为维生素的物质称为维生素原 同效维生素化学结构与维生素相似,并有维生素生物活性的物质称为同效维生素。 第一节水溶性维生素 、硫胺素和羧化辅藤 硫胺素或称维生素B1,存在于许多植物种子中,尤其是在谷物种子的外皮中,因而在未经研磨的大米 和全麦粒制作的食物中,此种维生素的含量较丰富。在动物组织和酵母中,VB主要以辅酶即焦磷酸硫胺 素的形式存在。ⅤB在酸性条件下相当稳定,在碱性条件下加热及SO2处理易破坏,常因热烫预煮而损失 136
第六章 维生素和辅酶 维生素 维生素是维持生物正常生命过程所必需的一类有机物质，需要量很少，但对维持健康十 分重要。人体一般不能合成它们，必须从食物中摄取。维生素的主要功能是通过作为辅酶的成分调节机体 代谢。 维生素包括两大类，一类是水溶性维生素，另一类是脂溶性维生素。在水溶性维生素中除维生素 C 外， B 族维生素都作为辅酶的成分在酶反应中担负催化作用，各种维生素见表 6-1。 表 6-1 维生素及其辅酶类型 类 别 种 类 辅酶或其它功能 生化作用 硫胺素 焦磷酸硫胺素(TPP) α-酮酸氧化脱羧等 核黄素 黄素单核苷酸(FMN) 氢原子(电子)转移 水 黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD) 氢原子(电了)转移 溶 尼克酸(烟酸) 烟酰胺腺嘌吟二核苷酸(NAD) 氢原子(电子)转移 性 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP) 氢原子(电子)转移 维 泛酸 辅酶 A 酰基基团的转移 生 吡哆醛 磷酸吡哆醛 氨基基团的转移 素 生物素 胞生物素 羧基的转移 叶酸 四氢叶酸 一碳基团的转移 维生素 B12 辅酶B12 氢原子的 1,2 移(位) 硫辛酸 硫辛酰赖氨酸 氢原子和酰基基团的转移 维生素 C 羟化作用中的辅助因素 脂 溶 维生素 A 11-视黄醛 视觉循环，防止皮肤病变 性 维生素 D 1,25-羟胆钙化甾醇 钙和磷酸的代谢 维 维生素 E 抗氧化剂，预防不育症 生 维生素 K 凝血酶原的生物合成 素 维生素原 能在人及动物体内转化为维生素的物质称为维生素原。 同效维生素 化学结构与维生素相似，并有维生素生物活性的物质称为同效维生素。 第一节 水溶性维生素 一、硫胺素和羧化辅酶 硫胺素或称维生素 B1，存在于许多植物种子中，尤其是在谷物种子的外皮中，因而在未经研磨的大米 和全麦粒制作的食物中，此种维生素的含量较丰富。在动物组织和酵母中，VB1主要以辅酶即焦磷酸硫胺 素的形式存在。VB1在酸性条件下相当稳定，在碱性条件下加热及 SO2 处理易破坏，常因热烫预煮而损失。 136
硫胺素 NH CHCH2-O-P0-P—OH OHOH CHS 硫胺素焦磷酸(TPP) 负碳离子(=C-) 焦磷酸硫胺素在α-酮酸脱氢酶,丙酮酸脱羧酶,转酮酶和磷酸酮糖酶中起辅酶的作用。硫胺素分子中 噻唑环的C-2位置上的氢原子容易解离出一个质子而形成一个负碳离子,负碳离子与呈正碳离子的酮酸加 成。其加成物经电子重排发生脱羧基反应,以后醛基解离再生成负碳离子。成人每天膳食中宜有1.1~2.lmg 的硫胺素。人体在摄入糖类多时,对硫胺素的需求量也大, 、核黄素和黄紊辅 核黄素即维生素B2。化学结构中含有二甲基异咯嗪和核醇两部分。核黄素是黄素蛋白(FP)的辅基,有 黄素单核苷酸(FMN)和黄素腺嘌呤二核酸(FAD)两种形式。 OH OH OH CH一 oH HH H OH CH H OH 核黄素 (6,7-二甲基-9-核醇基异咯嗪) 黄素单核苷酸(FMN) 黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD) 核黄素可以在绿色植物、细菌和真菌中合成,但不能在动物内合成。在动物中它以黄素辅酶的形式存 在。成人每日约需核黄素量为1.2~2.lmg 核黄素辅酶的功能是起氧化还原作用。还原型的核黄素是无色的,暴露在空气中时极易氧化而变为黄 色。VB2的氧化型及还原型结构如下 137
P O O OH O OH N P OH N CH2 C S N C C + H C S N C C + H+ － 1 4 5 3 2 噻 唑 负碳离子(＝C－) － H3C NH2 S N + CH3 CH2CH2 O 硫胺素焦磷酸(TPP) 硫胺素 焦磷酸硫胺素在 α-酮酸脱氢酶，丙酮酸脱羧酶，转酮酶和磷酸酮糖酶中起辅酶的作用。硫胺素分子中 噻唑环的 C-2 位置上的氢原子容易解离出一个质子而形成一个负碳离子，负碳离子与呈正碳离子的酮酸加 成。其加成物经电子重排发生脱羧基反应，以后醛基解离再生成负碳离子。成人每天膳食中宜有 1.1∼2.1mg 的硫胺素。人体在摄入糖类多时，对硫胺素的需求量也大。 二、核黄素和黄素辅酶 核黄素即维生素 B2。化学结构中含有二甲基异咯嗪和核醇两部分。核黄素是黄素蛋白(FP)的辅基，有 黄素单核苷酸(FMN)和黄素腺嘌呤二核酸(FAD)两种形式。 N N N NH H3C H3C O O CH2 C CH2 OH H C OH H C OH H P O O OH O O P OH O 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 N N N N NH2 CH2 O H OH H OH H H 核黄素 (6,7-二甲基-9-核醇基异咯嗪) 黄素单核苷酸(FMN) 黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD) 核黄素可以在绿色植物、细菌和真菌中合成，但不能在动物内合成。在动物中它以黄素辅酶的形式存 在。成人每日约需核黄素量为 1.2∼2.1mg。 核黄素辅酶的功能是起氧化还原作用。还原型的核黄素是无色的，暴露在空气中时极易氧化而变为黄 色。VB2 的氧化型及还原型结构如下： 137
H3 2H R 氧化型核黄素 还原型核黄素 (黄色 (无色) R=FMN或FAD分子其余部分 上式表明:还原反应是在一个“14加成反应”中加入两个氢原子而生成还原或消色的核黄素。核黄 素在酸性溶液中对热稳定,在碱性溶液及光下易分解。FMN和FAD与蛋白质紧密连结,而且在酶提纯时, 也仍与蛋白质结合。可以用冷酸或用煮沸处理使它们从酶蛋白中分离出来,后一种方法能破坏酶蛋白质性 质,所以是不可逆的;用冷酸分离是可逆的,将核黄素部分与酶蛋白重新混合又可恢复活性 黄素蛋白所参加的酶反应是从NADH处接受一个负氢离子(H)和从环境中接受一个质子(H),并可从 很多有机物上接受一对氢原子,如从氨基酸、脂肪酸硫酯、嘧啶、醛、α-羟酸和琥珀酸等。其中有些反应 是催化从邻近两个碳原子上脱下两个氢原子而形成一个双键。 三、泛酸和辅醇A 泛酸又称为维生素B3,是辅酶A和酰基载体蛋白的组成成分,它是乙酰化作用的辅酶。泛酸在碱性 溶液中易水解。 辅酶A的结构式如下图所示 泛酰巯基乙胺 巯基乙胺 CH, OH CH2C—CH -CH2- CH7CO-NHCH2-CH2-SH H OH HO→ O—cH2 焦磷酸 HOP—OH 腺苷-3-磷酸 辅酶A(简写为CoA-SH) 人在营养上需要泛酸,但泛酸广泛存在于植物和动物食物中,所以泛酸缺乏症极少见 辅酶A是酰基转移酶的辅酶。它所含的巯基可与酰基形成硫酯,在代谢中起传递酰基的作用。在生物 体内辅酶A是由泛酸作为前体合成的。许多微生物可以从缬氨酸的脱氨产物——a-酮异戊二酸开始合成泛 解酸,由天冬氨酸脱羧生成β-丙氨酸,二者在泛酸合成酶的催化下利用ATP的能量合成泛酸 138
N N C NH N H3C H3C O O R +2H－ －2H－ N N C NH N H3C H3C O O R H H 氧化型核黄素 (黄色) 还原型核黄素 (无色) R＝FMN或FAD分子其余部分 上式表明：还原反应是在一个“1,4 加成反应”中加入两个氢原子而生成还原或消色的核黄素。核黄 素在酸性溶液中对热稳定，在碱性溶液及光下易分解。FMN 和 FAD 与蛋白质紧密连结，而且在酶提纯时， 也仍与蛋白质结合。可以用冷酸或用煮沸处理使它们从酶蛋白中分离出来，后一种方法能破坏酶蛋白质性 质，所以是不可逆的；用冷酸分离是可逆的，将核黄素部分与酶蛋白重新混合又可恢复活性。 黄素蛋白所参加的酶反应是从NADH处接受一个负氢离子(H―)和从环境中接受一个质子(H+ )，并可从 很多有机物上接受一对氢原子，如从氨基酸、脂肪酸硫酯、嘧啶、醛、α-羟酸和琥珀酸等。其中有些反应 是催化从邻近两个碳原子上脱下两个氢原子而形成一个双键。 三、泛酸和辅酶 A 泛酸又称为维生素 B3 ，是辅酶 A 和酰基载体蛋白的组成成分，它是乙酰化作用的辅酶。泛酸在碱性 溶液中易水解。 辅酶 A 的结构式如下图所示： CH2 P O O O HO P O O N N N N NH2 O H OH H O H H CH2 C N CH3 CH3 CH OH C O P O HO H CH2 CH2 CH2 SH OH 焦磷酸 腺苷-3'-磷酸 辅酶A(简写为CoA-SH) 泛酸 巯基乙胺 泛酰巯基乙胺 CH2 CO NH OH 人在营养上需要泛酸，但泛酸广泛存在于植物和动物食物中，所以泛酸缺乏症极少见。 辅酶 A 是酰基转移酶的辅酶。它所含的巯基可与酰基形成硫酯，在代谢中起传递酰基的作用。在生物 体内辅酶 A 是由泛酸作为前体合成的。许多微生物可以从缬氨酸的脱氨产物——α-酮异戊二酸开始合成泛 解酸，由天冬氨酸脱羧生成 β-丙氨酸，二者在泛酸合成酶的催化下利用 ATP 的能量合成泛酸： 138
泛解酸+B-丙氨酸+ATP 泛酸合成酶 泛酸+AMP+PPi 四、烟酰胺、烟酸和辅醵 烟酸又称为维生素Bs或维生素PP,它包括烟酸和烟酰胺两种化合物。在体内,烟酸以烟酰胺态存在, 维生素B不受光、热、氧破坏,是最稳定的一种维生素 烟酸和烟酰胺的分布很广,动植物组织中都有,肉产品中较多。缺乏这种维生素会引起人患癞皮病 成人每日约需12~21mg尼克酸。 COOH CONH2 尼克酸 尼克酰胺 烟酸虽然是维生素,但它与一般的维生素不同,在人体中能由色氨酸合成少量,若饮食中含有适量色 氨酸时,则每日所需的烟酸一部分可通过这个途径取得。 烟酰胺核苷酸是一些催化氧化还原反应的脱氢酶的辅酶 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NDA)和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NAD)的结构式如下: NE HOP—O—CH2 HO一P—O—CH OHOH OHO—PO3H2 CONH, CoNH? HO O—CH2 OCH, OHOH OH OH NAD(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸) NADP(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸) NDA也称为辅酶I(缩写CoD或二磷酸吡啶核苷酸(缩写DPN)。NADP也称辅酶Ⅱ(CoⅡ〕或三磷酸吡 啶核苷酸(TPN) NAD和NADP都是脱氢酶的辅酶,这两个辅酶都传递氢,区别在于 NADPH,H一般用于生物合成代 谢中的还原作用,提供生物合成作用所需的还原力,如脂肪酸合成,而NADH,H则常用于生物分解代谢 过程,如氧化磷酸化作用,通过偶联形成ATP而提供生命活动所需的能量。氢的传递在其辅酶分子中的尼 克酰胺部位进行。例如在醇脱氢酶的催化下,醇( RCH2OH脱去两个氢原子,转化为醛(RCHO),所脱去 的两个氢原子,由尼克酰胺部分来传递。氧化态的尼克酰胺接受两个电子和一个质子而转变成还原态,从 底物分子脱下的两个氢原子之一就以质子形态剥离到环境中而形成生物细胞内的质子浓度差。经典的物理 发电机剥离电子产生电位差,生物细胞则是剥离质子产生质子浓差,这是生命最为奥妙之处,是细胞力能 和信息的基础
泛解酸 ＋ β-丙氨酸 ＋ ATP 泛酸 ＋ AMP ＋ PPi 泛酸合成酶 四、烟酰胺、烟酸和辅酶 烟酸又称为维生素 B5 或维生素 PP，它包括烟酸和烟酰胺两种化合物。在体内，烟酸以烟酰胺态存在， 维生素 B5 不受光、热、氧破坏，是最稳定的一种维生素。 烟酸和烟酰胺的分布很广，动植物组织中都有，肉产品中较多。缺乏这种维生素会引起人患癞皮病。 成人每日约需 12∼21mg 尼克酸。 COOH N CONH2 N 尼克酸 尼克酰胺 烟酸虽然是维生素，但它与一般的维生素不同，在人体中能由色氨酸合成少量，若饮食中含有适量色 氨酸时，则每日所需的烟酸一部分可通过这个途径取得。 烟酰胺核苷酸是一些催化氧化还原反应的脱氢酶的辅酶。 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NDA)和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)的结构式如下： HO CH2 O P O O N＋ O H OH H OH H H CONH2 HO P O CH2 O O H OH H OH H H N N N N NH2 PO3H2 HO CH2 O P O O N＋ O H OH H OH H H CONH2 HO P O CH2 O O H O H OH H H N N N N NH2 NAD+ (烟酰胺腺嘌呤二核苷酸) NADP+ (烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸) NDA+ 也称为辅酶I（缩写CoI)或二磷酸吡啶核苷酸(缩写DPN)。NADP+ 也称辅酶Ⅱ(CoⅡ)或三磷酸吡 啶核苷酸(TPN)。 NAD+ 和NADP+ 都是脱氢酶的辅酶，这两个辅酶都传递氢，区别在于NADPH，H+ 一般用于生物合成代 谢中的还原作用，提供生物合成作用所需的还原力，如脂肪酸合成，而NADH，H+ 则常用于生物分解代谢 过程，如氧化磷酸化作用，通过偶联形成ATP而提供生命活动所需的能量。氢的传递在其辅酶分子中的尼 克酰胺部位进行。例如在醇脱氢酶的催化下，醇(RCH2OH)脱去两个氢原子，转化为醛(RCHO)，所脱去 的两个氢原子，由尼克酰胺部分来传递。氧化态的尼克酰胺接受两个电子和一个质子而转变成还原态，从 底物分子脱下的两个氢原子之一就以质子形态剥离到环境中而形成生物细胞内的质子浓度差。经典的物理 发电机剥离电子产生电位差，生物细胞则是剥离质子产生质子浓差，这是生命最为奥妙之处，是细胞力能 和信息的基础。 139
含NAD和NADP的脱氢酶不仅对其底物是专一的,而且对其辅酶也是专一的,例如在氧化的磷酸戊 糖途径中催化6-磷酸葡萄糖氧化时,NADP立即被还原。同样,乙醇脱氢酶在催化乙醇氧化的同时将NADˉ 还原。这个反应可以用下列反应来表示: CONH 醇脱氢酶 CONH2 RCH,OH (NAD) RCHO H (NADHH 五、吡哆醇和脱羧辅酶 吡哆醇又称维生素B6,Vυ包含有吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺,还有它们的辅酶形式:磷酸吡哆醛和磷 酸吡哆胺。VB,耐热、酸、碱,但对光敏感。这些化合物的结构式如下 CHO CH,OH CH,OH HO CH,OH 哆醇 吡哆醛 吡哆胺 (维生素B) CHO HoNH CH,O-P-OH CH,O-P-OH H3C 磷酸吡哆醛 磷酸吡哆胺 磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺是Ⅴ的辅酶形式,有时也称脱羧辅酶。它们是转氨酶、氨基酸脱羧酶的辅 酶。在氨基酸的转氨、脱羧和外消旋等重要反应中起着催化作用。 六、生物素和羧基生物素 生物素又称维生素B,或维生素H。人体缺乏生物素时引起皮炎和毛发脱落。生鸡蛋淸中有一种蛋白 质,称为抗生物素蛋白,可以与生物素紧密结合,从而使生物素失去作用。生物素的结构式如下: COOH 生物素 羧基生物素是由生物素经腺三磷磷酸化后,形成生物素的腺二磷烯醇酯,与CO2反应,产生羧基生物 素和腺二磷。这个反应式表述如下
含NAD+ 和NADP+ 的脱氢酶不仅对其底物是专一的，而且对其辅酶也是专一的，例如在氧化的磷酸戊 糖途径中催化 6-磷酸葡萄糖氧化时，NADP+ 立即被还原。同样，乙醇脱氢酶在催化乙醇氧化的同时将NAD+ 还原。这个反应可以用下列反应来表示： N CONH2 ＋ Y RCH2OH ＋ (NAD+ ) 醇脱氢酶 RCHO ＋ N CONH2 ＋ Y (NADH,H+ H ) + 五、吡哆醇和脱羧辅酶 吡哆醇又称维生素 B6，VB6包含有吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺，还有它们的辅酶形式：磷酸吡哆醛和磷 酸吡哆胺。VB6，耐热、酸、碱，但对光敏感。这些化合物的结构式如下： CH2OH N CH2OH HO H3C CH2OH N CHO HO H3C CH2OH N CH2NH2 HO H3C CH2O N CHO HO H3C P O OH CH2O N CH2NH2 HO H3C P O OH 吡哆醇 吡哆醛 (维生素B6) 吡哆胺 磷酸吡哆醛 磷酸吡哆胺 OH OH 磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺是VB6的辅酶形式，有时也称脱羧辅酶。它们是转氨酶、氨基酸脱羧酶的辅 酶。在氨基酸的转氨、脱羧和外消旋等重要反应中起着催化作用。 六、生物素和羧基生物素 生物素又称维生素 B7，或维生素 H。人体缺乏生物素时引起皮炎和毛发脱落。生鸡蛋清中有一种蛋白 质，称为抗生物素蛋白，可以与生物素紧密结合，从而使生物素失去作用。生物素的结构式如下： H N HN S 生物素 O COOH 羧基生物素是由生物素经腺三磷磷酸化后，形成生物素的腺二磷烯醇酯，与CO2反应，产生羧基生物 素和腺二磷。这个反应式表述如下： 140