生物化學(xué)第三章維生素和微量元素

1、第三章 維生素與微量元素 一、維生素的定義 維生素(vitamin)是機(jī)體維持正常生理功能所必需，但在 體內(nèi)不能合成或合成量很少，必須由食物供給的一組低分子量 有機(jī)物質(zhì)。這類化合物天然存在于食物中，在物質(zhì)代謝過程中 發(fā)揮各自特有的生理功能。但機(jī)體缺乏某種維生素時(shí)，可發(fā)生 物質(zhì)代謝的障礙并出現(xiàn)相應(yīng)的維生素缺乏癥。 二、維生素的命名與分類二、維生素的命名與分類 （一）命名：維生素有三種命名系統(tǒng): 一、是按其被發(fā)現(xiàn)的先后順序，以拉丁字母命名，如維 生素A、B、C、D、E、K等； 二、是根據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)命名，如視黃醇、硫胺素、 維生素B2等； 三、是根據(jù)其生理功能和治療作用命名，如抗干眼病維 生素、

2、抗癩皮病維生素、抗壞血酸維生素等等。 （二）分類 習(xí)慣上根據(jù)維生素的溶解性可將其分為脂溶性維生素 (lipid-soluble vitamin)和水溶性維生素(water-soluble vitamin)兩大類。脂溶性維生素包括維生素A、D、E、K 四種，水溶性維生素包括B族維生素和維生素C兩類。B 族維生素又包括維生素B1、B2、B6、B12、維生素PP、 泛酸、葉酸、生物素等。 第二節(jié)第二節(jié) 脂溶性維生素脂溶性維生素 一、維生素A (一)化學(xué)本質(zhì)及性質(zhì) 維生素A又稱抗干眼病維生素。天然的維生素A有A1 及A2兩種形式，A1又稱視黃醇（retinol），A2即 3-脫氫視黃醇。植物中含有稱作

3、維生素A原 （provitamin A）胡蘿卜素（carotene），其中- 胡蘿卜素可在小腸黏膜由-胡蘿卜素加氧酶作用， 加氧斷裂，生成2分子視黃醛retinal），再經(jīng)還原形 成視黃醇，部分視黃醛進(jìn)一步氧化形成視黃酸 （retinoic acid）。維生素A在體內(nèi)的活性形式包括 視黃醇、視黃醛和視黃酸。 (二)生化作用及缺乏癥 1. 構(gòu)成視覺細(xì)胞感光物質(zhì) 在視覺細(xì)胞內(nèi)，視黃醇被異構(gòu)成11- 順視黃醇，并進(jìn)而氧化為11-順視黃醛，其作為光敏感視蛋白（ opsin）的輔基與之結(jié)合生成各種視色素。在感受強(qiáng)光的錐狀細(xì)胞 內(nèi)有視紅質(zhì)、視青質(zhì)及視藍(lán)質(zhì)，桿狀細(xì)胞內(nèi)有感受暗光的視紫紅 質(zhì)。在暗處受弱光刺激

4、，視紫紅質(zhì)中的11-順視黃醛發(fā)生光異構(gòu)， 轉(zhuǎn)變成全反式視黃醛，并與視蛋白分離而失色。在維生素A缺乏 時(shí)，會發(fā)生“夜盲癥”。 2.參與糖蛋白的合成 視黃酸在體內(nèi)轉(zhuǎn)變生成的視黃 醇磷酸（retinyl phosphate）是寡糖穿越膜脂雙層的載 體，可促進(jìn)膜蛋白的糖鏈的延伸和糖脂的形成。如糖 蛋白分泌減少，引起上皮組織干燥、增生和角化等， 以致角膜、結(jié)合膜干燥產(chǎn)生干眼病xerophthalmia）， 所以維生素A又稱為抗干眼病維生素。 3. 其他作用 維生素A和-胡蘿卜素是有效的抗氧化 劑，能直接消滅自由基，有助于控制細(xì)胞膜和富含脂 質(zhì)組織的脂質(zhì)過氧化，故能防止自由基蓄積引起的腫 瘤和多種疾病的發(fā)

5、生。 二、維生素二、維生素D (一)化學(xué)本質(zhì)及性質(zhì) 維生素D又稱為抗佝僂病維生素，是類固醇衍生物， 含有環(huán)戊多氫菲結(jié)構(gòu)。維生素D由維生素D原轉(zhuǎn)變來，在 植物和動物中都存在，現(xiàn)已知的主要有D2、D3、D4、 D5四種，其中活性較強(qiáng)的為維生素D2（麥角鈣化醇， ergocalciferol）和維生素D3（膽鈣化醇， cholecalciferol 體內(nèi)膽固醇變?yōu)?-脫氫膽固醇，儲存在皮下，在紫 外線作用下再轉(zhuǎn)變成維生素D3，是人體內(nèi)維生素D的主 要來源，因而稱7-脫氫膽固醇為維生素D原。在酵母和 植物油中有不能被人吸收的麥角固醇，在紫外線照射下 可轉(zhuǎn)變?yōu)槟鼙蝗宋盏木S生素D2（圖3-2）。食物中的

6、 維生素D在小腸被吸收后被運(yùn)輸至肝，在25-羥化酶催化 下成為25-(OH)-D3。25-(OH)-D3經(jīng)腎小管上皮細(xì)胞線 粒體內(nèi)l-羥化酶的作用生成D3的活性形式1,25-(OH)2- D3，再經(jīng)24-羥化酶催化轉(zhuǎn)化成無活性的1,24,25- (OH)3-D3。 (二)生化作用及缺乏癥 1、維生素D在轉(zhuǎn)化為活性形式1,25-(OH)2-D3以后，可促進(jìn) 腸道黏膜合成鈣結(jié)合蛋白，使小腸對鈣、磷的吸收增加，維 持血漿中鈣、磷濃度的正常水平，有利于新骨的生成與鈣化。 2、維生素D還具有促進(jìn)成骨細(xì)胞形成和促進(jìn)鈣在骨質(zhì)中沉積。 3、維生素D可能是一種免疫調(diào)節(jié)激素，可以增強(qiáng)單核細(xì)胞及 巨噬細(xì)胞功能。免疫

7、細(xì)胞中存在1,25-(OH)2-D3受體，1,25- (OH)2-D3可通過其特異受體進(jìn)入免疫細(xì)胞，調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng) 的功能。 4、缺乏維生素D的嬰兒，腸道鈣、磷的吸收發(fā)生障礙，使血 液中鈣、磷含量下降，骨、牙不能正常發(fā)育，臨床表現(xiàn)為手 足搐搦，嚴(yán)重者導(dǎo)致出現(xiàn)佝僂病。成人則發(fā)生軟骨病。維生 素D可防治佝僂病、軟骨病和手足搐搦癥等，但在使用維生 素D時(shí)應(yīng)先補(bǔ)充鈣。大劑量久用可引起維生素D過多癥，表現(xiàn) 為食欲下降、惡心、嘔吐、血鈣過高、骨破壞、異位鈣化等。 (一)化學(xué)本質(zhì)及性質(zhì) 維生素E屬酚類化合物，是苯駢二氫吡喃的衍生物， 主要分為生育酚（tocopherol）及生育三烯酚 （tocotrienol

8、）兩大類。每類又可根據(jù)甲基的數(shù)目、 位置不同分為、和四種。自然界中以-生育 酚生理活性最高，若以它為基準(zhǔn)，及-生育酚和- 生育三烯酚的生理活性分別為40、8及20，其余活 性甚微。但就抗氧化作用而論，-生育酚作用最強(qiáng)， -生育酚作用最弱。生育酚和生育三烯酚的結(jié)構(gòu)如 下： 三、維生素E (二)生化作用及缺乏癥 1. 維生素E是體內(nèi)最重要的抗氧化劑，能清除生 物膜脂質(zhì)過氧化所產(chǎn)生的自由基，保護(hù)生物膜的結(jié) 構(gòu)與功能。維生素E與谷胱甘肽、維生素C、硒等抗 氧化劑協(xié)同作用，可更有效地清除自由基。 2.維生素E具有抗不育作用，俗稱生育酚，動物 缺乏維生素E時(shí)其生殖器官發(fā)育受損甚至不育，但 人類尚未發(fā)現(xiàn)因維

9、生素E缺乏所致的不育癥。臨床 上常用維生素E治療先兆流產(chǎn)及習(xí)慣性流產(chǎn)。 3.維生素E能提高血紅素合成的關(guān)鍵酶氨基- 酮戊酸合酶(ALA)和ALA脫水酶的活性，促進(jìn)血紅 素合成。 四、維生素K (一)化學(xué)本質(zhì)及性質(zhì) 維生素K是具有異戊烯類側(cè)鏈的萘醌化合物，在自 然界中主要以K1和K2兩種形式存在），其化學(xué)結(jié)構(gòu) 都是2-甲基1，4-萘醌的衍生物。維生素K1存在于 綠葉蔬菜中，稱為葉綠甲基萘醌 (phytylmenaquinone) 維生素K2是人體腸道細(xì)菌的代謝產(chǎn)物，又稱多 異戊烯甲基萘醌（multiprenylmenaquinoe）。臨床 上應(yīng)用的為人工合成的K3和K4，為2-甲基-萘醌 （me

10、naquinone）的含氮類似物，其活性高于維生 素K1和K2，臨床上作為水溶性維生素K代用品的4- 亞氨基2-甲基萘醌的凝血活性比維生素K1高34倍。 維生素K的結(jié)構(gòu)如下： (二)生化作用及缺乏癥 維生素K的主要生化作用是維持體內(nèi)第、凝血因子的正常水平 ，促進(jìn)凝血作用。這些凝血因子由無活性型向活性型的轉(zhuǎn)變需要其前體的46 個谷氨酸殘基(Glu)經(jīng)羧化變?yōu)?羧基谷氨酸(Gla)殘基。Gla具有很強(qiáng)的整合Ca2+ 能力，因而使其轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚孕汀４呋@一反應(yīng)的為-羧化酶，維生素K為該酶的 輔助因子。 第三節(jié) 水溶性維生素 一、維生素B1 (一)化學(xué)本質(zhì)及性質(zhì) 維生素B1又名硫胺素（thiamine）

11、, 耐熱，酸溶液中穩(wěn)定， 堿性條件下加熱易破壞，焦磷酸硫胺素(thiamine pyrophosphate，TPP)為其體內(nèi)的活性形式，結(jié)構(gòu)如下： (二)生化作用及缺乏癥 TPP是-酮酸氧化脫羧酶系的輔酶，如丙酮酸脫氫酶系、- 酮戊二酸脫氫酶系等。當(dāng)維生素B1缺乏時(shí)，代謝中間產(chǎn)物 -酮酸的氧化脫羧反應(yīng)發(fā)生障礙，導(dǎo)致神經(jīng)組織氧化供能不 足，導(dǎo)致末梢神經(jīng)炎及其他神經(jīng)病變。 TPP也是磷酸戊糖途徑中轉(zhuǎn)酮醇酶的輔酶，維生素B1缺乏時(shí)， 使體內(nèi)核苷酸的合成受到影響。 維生素B1在神經(jīng)傳導(dǎo)中起一定作用。 維生素B1和糖代謝關(guān)系密切，當(dāng)維生素B1缺乏時(shí)，糖代 謝受阻，丙酮酸積累，使血、尿和腦組織中丙酮酸含量

12、升高， 出現(xiàn)多發(fā)性神經(jīng)炎、心力衰竭、四肢無力、肌肉萎縮、甚至 浮腫等癥狀，臨床上稱為腳氣病，故維生素B1又稱為抗腳 氣病維生素。 二、維生素B2 (一)化學(xué)本質(zhì)及性質(zhì) 維生素B2又名核黃素(lactofiavin)，它的化學(xué)本質(zhì)是核糖醇 和6，7-二甲基異咯嗪的縮合物。維生素B2分布很廣，從食 物中被吸收后在小腸黏膜轉(zhuǎn)變成黃素單核苷酸(flavin mononucleotide，F(xiàn)MN)，在體細(xì)胞內(nèi)還可進(jìn)一步在焦磷酸 化酶的催化下生成黃素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenine dinucleotide，F(xiàn)AD)，F(xiàn)MN及FAD為其活性型，結(jié)構(gòu)如下： (二)生化作用及缺乏癥 FMN及FAD

13、是體內(nèi)氧化還原酶的輔基，如：琥珀酸 脫氫酶、黃嘌呤氧化酶及NADH脫氫酶等，主要起 遞氫體的作用。 維生素B2廣泛參與體內(nèi)的各種氧化還原反應(yīng)，能促 進(jìn)糖、脂肪和蛋白質(zhì)的代謝，對維持皮膚、黏膜和 視覺的正常功能均有一定作用。缺乏維生素B2時(shí)， 組織呼吸減弱，代謝強(qiáng)度降低，可引起口角炎、唇 炎、陰囊炎、眼瞼炎等癥。 三、維生素PP (一)化學(xué)本質(zhì)及性質(zhì) 維生素PP又稱抗癩皮病維生素，包括尼克酸(nicotinic acid， 又稱煙酸)及尼克酰胺(nicotinamide，又稱煙酰胺)，兩者均 屬吡啶衍生物，在體內(nèi)可相互轉(zhuǎn)化。維生素PP廣泛存在于自 然界動植物中，肝內(nèi)能將色氨酸轉(zhuǎn)變成維生素PP，但

14、轉(zhuǎn)變率 較低，60mg色氨酸僅能轉(zhuǎn)變成1mg尼克酸，人體的維生素 PP主要從食物中攝取。維生素PP的結(jié)構(gòu)如下： 主要包括尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)和尼克酰胺腺嘌呤 二核苷酸磷酸(NADP+)，它們也是維生素PP在體內(nèi)的活性型。 NAD+和NADP+的結(jié)構(gòu)如下 (二)生化作用及缺乏癥 NAD+和NADP+在體內(nèi)是多種不需氧脫氫酶的輔酶。 維生素PP能維持神經(jīng)組織的健康，對中樞及交感神經(jīng)系 統(tǒng)有保護(hù)作用，缺乏時(shí)表現(xiàn)出神經(jīng)營養(yǎng)障礙。維生素PP缺 乏癥稱為癩皮病(pellagra)，主要表現(xiàn)是皮炎、腹瀉及癡呆。 近年，臨床上將尼克酸用來作為降膽固醇藥。尼克酸能 抑制脂肪組織的脂肪分解，從而抑制

15、FFA的動員，可使肝中 VLDL的合成下降，起到降膽固醇的作用。服用過量尼克酸 (24g/d)會引起血管擴(kuò)張、臉頰潮紅、痤瘡及胃腸不適等 癥狀，長期大量服用可能對肝有損害。抗結(jié)核藥物異煙肼的 結(jié)構(gòu)與維生素PP十分相似，兩者有拮抗作用，長期服用可 能引起維生素PP缺乏。 (一)化學(xué)本質(zhì)及性質(zhì) 維生素B6包括吡哆醇(pyridoxine)、吡哆醛(pyridoxal)及吡 哆胺(pyridoxamine)，在體內(nèi)以磷酸酯的形式存在。磷酸吡 哆醛和磷酸吡哆胺可相互轉(zhuǎn)變，均為活性型(圖3-4)。維生 素B6廣泛存在于肝、腎、肌肉、米糠、種子胚及酵母中 四、維生素四、維生素B6 (二)生化作用及缺乏癥

16、磷酸吡哆醛是氨基酸代謝中的轉(zhuǎn)氨酶及脫羧酶的輔酶， 能促進(jìn)谷氨酸脫羧，增進(jìn)大腦抑制性神經(jīng)遞質(zhì)-氨基丁酸的 生成。臨床上常用維生素B6治療小兒驚厥及妊娠嘔吐和精神 焦慮等。 磷酸吡哆醛還是血紅素合成的限速酶-氨基-酮戊酸 (ALA)合酶的輔酶，維生素B6缺乏時(shí)血紅素的合成受阻，造 成低血色素小細(xì)胞性貧血和血清鐵增高。 磷酸吡哆醛作為糖原磷酸化酶的重要組成部分，參與糖原 分解為1-磷酸葡萄糖的過程。肌肉磷酸化酶所含的維生素B6 約占全身維生素B6的7080。 人類未發(fā)現(xiàn)維生素B6缺乏的典型病例。異煙肼與吡哆醛 結(jié)合形成腙而從尿中排出，引起維生素B6缺乏癥，故維生素 B6也可用于防治因大劑量服用異煙肼

17、導(dǎo)致的中樞神經(jīng)興奮、 周圍神經(jīng)炎和小細(xì)胞低色素性貧血等。 五、泛 酸 (一)化學(xué)本質(zhì)及性質(zhì) 泛酸(pantothenic acid)又稱遍多酸，廣泛分布于動植物組織 中，蜂皇漿中含量最高。泛酸在腸內(nèi)被吸收進(jìn)入人體后，經(jīng)磷 酸化并獲得巰基乙胺而生成4磷酸泛酰巰基乙胺。4-磷酸泛酰巰 基乙胺是輔酶A、及?；d體蛋白(acyl carrier protein，ACP) 的組成部分，所以CoA及ACP為泛酸在體內(nèi)的活性型。 (二)生化作用及缺乏癥 在體內(nèi)CoA及ACP構(gòu)成?；D(zhuǎn)移酶的輔酶。 因泛酸廣泛存在于生物界，所 以很少見泛酸缺乏癥，但在二戰(zhàn)時(shí)的遠(yuǎn)東戰(zhàn)俘中曾有“腳灼熱綜合征”，為泛 酸缺乏所致。

18、六、生 物 素 (一)化學(xué)本質(zhì)及性質(zhì) 生物素(biotin)是由噻吩環(huán)和尿素結(jié)合而形成的一個雙環(huán)化 合物，側(cè)鏈有一戊酸，為無色針狀結(jié)晶體，耐酸而不耐堿， 氧化劑及高溫可使其失活。 生物素是酶促反應(yīng)中的羧基傳遞體， 生物素是體內(nèi)多種羧化酶的輔酶，如丙酮酸羧化酶等，參與CO2的 羧化過程。生物素在動植物界分布廣泛，如肝、腎、蛋黃、酵母、蔬菜、 谷類中含量豐富。人腸道細(xì)菌也能合成，故很少出現(xiàn)缺乏癥。新鮮雞蛋中 有一種抗生物素蛋白(avidin)，它能與生物素結(jié)合使其失去活性不被吸收， 蛋清加熱后這種蛋白被破壞，也就不再妨礙生物素的吸收。長期使用抗生 素可抑制腸道細(xì)菌生長，也可能造成生物素的缺乏，主要

19、癥狀是疲乏、惡 心、嘔吐、食欲缺乏、皮炎及脫屑性紅皮病。 七、葉 酸 （一)化學(xué)本質(zhì)及性質(zhì) 葉酸(folic acid)是由2-氨基-4-羥基-6-甲基蝶呤啶 （pteridine）、對氨基苯甲酸（p-aminobenzoic acid， PABA）和L-谷氨酸三部分組成，因綠葉中含量十分豐富而 得名。葉酸為某些微生物生長所必需，人體雖然自己不能合 成，但因腸道細(xì)菌可以合成，故一般不易患缺乏癥。葉酸在 植物的綠葉中大量存在，肝、酵母中含量也很豐富。 在體內(nèi)葉酸被二氫葉酸還原酶還原為二氫葉酸，再進(jìn)一 步還原為四氫葉酸（tetrahydrofolic acid，THFA或FH4）， 反應(yīng)過程需要N

20、ADPH和維生素C參與。四氫葉酸是葉酸的活 性形式 (二)生化作用及缺乏癥 FH4是體內(nèi)一碳單位轉(zhuǎn)移酶的輔酶，以一碳單位的載體參 與體內(nèi)許多重要物質(zhì)例如嘌呤、嘧啶、核苷酸、絲氨酸、甲 硫氨酸等的合成過程中。當(dāng)葉酸缺乏時(shí)，DNA合成必然受到 抑制，骨髓幼紅細(xì)胞DNA合成減少，細(xì)胞分裂速度降低，細(xì) 胞體積變大，造成巨幼紅細(xì)胞貧血。 抗癌藥物甲氨蝶呤因結(jié)構(gòu)與葉酸相似，能抑制二氫葉酸 還原酶的活性，使四氫葉酸合成減少，進(jìn)而抑制體內(nèi)胸腺嘧 啶核苷酸的合成，因此有抗癌作用。 八、維生素B12 (一)化學(xué)本質(zhì)及性質(zhì) 維生素B12又稱鈷胺素(cobalamin)，其結(jié)構(gòu)中含有一個金屬鈷離 子，是唯一含金屬元素

21、的維生素。維生素B12在體內(nèi)因結(jié)合的基團(tuán) 不同，可有多種存在形式，如氰鈷胺素、羥鈷胺素、甲鈷胺素和 5-脫氧腺苷鈷胺素，后兩者是維生素B12的活性型。羥鈷胺素的性 質(zhì)比較穩(wěn)定，是藥用維生素B12的常用形式，且療效優(yōu)于氰鈷胺素。 甲鈷胺素和5-脫氧腺苷鈷胺素具有輔酶的功能，又稱輔酶B12。 維生素B12多存在于動物的肝中，肝、腎、瘦肉、魚及蛋類食物中 的含量較高,人和動物的腸道細(xì)菌均能合成。在胃中要經(jīng)酸或在腸 內(nèi)經(jīng)胰蛋白酶作用與蛋白質(zhì)分開，然后在一種由胃壁細(xì)胞分泌的 高度特異的糖蛋白稱為內(nèi)因子(intrinsicfactor，IP)的協(xié)助下， 才能在回腸被吸收。 (二)生化作用及缺乏癥 維生素B

22、12是甲硫氨酸合成酶(又稱甲基轉(zhuǎn)移酶)的輔基，催化體 內(nèi)的同型半胱氨酸甲基化生成甲硫氨酸。B12缺乏時(shí)，N5- CH3FH4上的甲基不能轉(zhuǎn)移，既不利于甲硫氨酸的生成，也影響 四氫葉酸的再生，使組織中游離的四氫葉酸含量減少，不能重新 利用它來轉(zhuǎn)運(yùn)其他的一碳單位，影響嘌呤、嘧啶的合成，最終導(dǎo) 致核酸合成障礙，影響細(xì)胞分裂，產(chǎn)生巨幼紅細(xì)胞性貧血 (megaloblastic anemia)也即惡性貧血。同型半胱氨酸的堆積可造 成同型半胱氨酸尿癥。維生素B12廣泛存在于動物食品中，食用正 常膳食者，一般不會發(fā)生維生素B12缺乏癥。 十、維生素C (一)化學(xué)本質(zhì)及性質(zhì) 維生素C又稱L-抗壞血酸(ascorbic acid)，它是含有6個碳原子 的不飽和多羥基化合物，以內(nèi)酯形式存在。又因其為烯醇式結(jié) 構(gòu)維生素C的結(jié)構(gòu)如下： (二)生化作用及缺乏癥 1維生素C作為多種羥化酶的輔助因子，參與體內(nèi)多種羥 化反應(yīng) （1）促進(jìn)膠原蛋白的合成；（2）參與膽固醇的轉(zhuǎn)化 維生 素C是膽汁酸合成的限速酶7-羥化酶的輔酶；（3）參 與芳香族氨基酸的代謝 在苯丙氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)槔野彼幔野彼?轉(zhuǎn)變?yōu)閷αu苯丙酮酸及尿黑酸的反應(yīng)中，都需維生素C。 2維生素C參與體內(nèi)氧化還原反應(yīng) (1) 維生素C能保護(hù)