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《生物化学与分子生物学》 > 第三章 维生素（Vitamins）
第二节 水溶性维生素
一、维生素B复合体维生素B复合体是一个大家族(维生素B族)，至少包括十余种维生素。其共同特点是：①在自然界常共同存在，最丰富的来源是酵母和肝脏；②从低等的微生物到高等动物和人类都需要它们作为营养要素；③同其他维生素比较，B族维生素作为酶的辅基而发挥其调节物质代谢作用，了解得更为清楚；④从化学结构上看，除个别例外，大都含氮；⑤从性质上看此类维生素大多易溶于水，对酸稳定，易被碱破坏。 除上述共性外，各个维生素尚有其特点，为了叙述方便，现将B族中各个维生素按其化学特点和生理作用归纳为以下三组。 (一)硫胺素、硫辛酸、生物素及泛酸 硫胺素(即维生素B1)因其结构中有含S的噻唑环与含氨基的嘧啶环故名，其纯品大多以盐酸盐或硫酸盐的形式存在。盐酸硫胺素为白色结晶，有特殊香味，在水中溶解度较大，在碱性溶液中加热极易分解破坏，而在酸性溶液中虽加热到120℃也不被破坏。氧化剂及还原剂均可使其失去作用，硫胺素经氧化后转变为脱氢硫胺素(又称硫色素thiochrome)，它在紫外光下呈兰色荧光，可以利用此特性来检测生物组织中的维生素B1或进行定量测定。
维生素B1易被小肠吸收，在肝脏中维生素B1被磷酸化成为焦磷酸硫胺素(TPP，又称辅羧酶)，它是体内催化a-酮酸氧化脱羧的辅酶，也是磷酸戊糖循环中转酮基酶的辅酶(参看糖代谢)。当维生素B1缺乏时，由于TPP合成不足，丙酮酸的氧化脱羧发生障碍，导致糖的氧化利用受阻。在正常情况下，神经组织的能量来源主要靠糖的氧化供给，所以维生素B1缺乏首先影响神经组织的能量供应，并伴有丙酮酸及乳酸等在神经组织中的堆积，出现手足麻木、四肢无力等多发性周围神经炎的症状。严重者引起心跳加快、心脏扩大和心力衰竭，临床上称为脚气病(beriberi)，因此又称维生素B1为抗脚气病维生素。 维生素B1尚有抑制胆碱酯酶(choline esterase)的作用，胆碱酯酶能催化神经递质－乙酰胆碱(acetylcholine)水解，而乙酰胆碱与神经传导有关。因此，缺乏维生素B1时，由于胆碱酯酶活性增强，乙酰胆碱水解加速，使神经传导受到影响，可造成胃肠蠕动缓慢、消化液分泌减少、食欲不振和消化不良等症状。反之，给以维生素B1，则可增加食欲、促进消化。 硫辛酸学名6.8-二硫辛酸，其结构式如下：
硫辛酸分子内含双S键，故常用 生物素的结构包括含硫的噻吩环、尿素及戊酸三部分，如下式
泛酸系由β-丙氨酸与羟基丁酸结合而构成，因其广泛存在于动植物组织故名泛酸或遍多酸。
泛酸，N-（α，r-二羟，β，β-二甲基丁酰）β-丙氨酸 泛酸在机体组织内是与巯基乙胺、焦磷酸及3′-磷酸腺苷结合成为辅酶A而起作用的。辅酶A的结构如下，因其活性基为桽H故常用CoASH表示之。
由上可见，硫胺素、硫辛酸、生物素和泛酸这四种维生素在化学结构上有着共同特点，前三者本身结构含S，后者本身虽不含S，但由它构成的辅酶A却是含S的，这些维生素主要参与糖和脂肪的代谢，硫胺素和硫辛酸与氧化脱羧反应有关，生物素与羧化反应有关，而泛酸则通过构成辅酶A而参与酰基化反应。在这些维生素参与的代谢变化中，含S的活性基也显示着特殊的功能。关于它们在代谢中的作用详见糖代谢和脂代谢有关章节。 (二)维生素B2、维生素PP和维生素B6 维生素B2是由核醇(ribitol)与异咯嗪(isoalloxazine)结合构成的，由于异咯嗪是一种黄色色素，所以维生素B2又称为核黄素。维生素B2为桔黄色针状结晶，溶于水呈绿色荧光，在碱性溶液中受光照射时极易破坏，因此维生素B2应贮于褐色容器，避光保存。 维生素B2分子中的异咯嗪，其第1和第10位氮原子可反复接受和放出氢，因而具有可逆的氧化还原特性，这一特点与它的主要生理功能相关。
核黄素在体内经磷酸化作用可生成黄素单核苷酸(FMN)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，它们分别构成各种黄酶的辅酶参与体内生物氧化过程，其结构式和作用特点详见第6章。 维生素B2缺乏时，主要表现为口角炎、舌炎、阴囊炎及角膜血管增生和巩膜充血等。幼儿缺乏它则生长迟缓。但这些症状目前还难以用它参与黄酶的作用来解释，其机理尚不清楚。 维生素PP即抗癞皮病因子，又名预防癞皮病因子(pellagrapreventing factor)它包括尼克酸(烟酸)和尼克酰胺(烟酰胺)，均为吡啶衍生物。
尼克酸和尼克酰胺的性质都较稳定，不易被酸、碱及热破坏。动物组织中大多以尼克酰胺的形式存在，尼克酸在人体内可从色氨酸代谢产生并可转变成尼克酰胺。由色氨酸转变为维生素PP的量有限，不能满足机体的需要，所以仍需从食物中供给。一般饮食条件下，很少缺乏维生素PP，玉米中缺乏色氨酸和尼克酸，长期单食玉米则有可能发生维生素PP缺乏病－癞（糙)皮病(pellagra)。若将各种杂糖合理搭配，可防止此病的发生。 尼克酰胺是构成辅酶Ⅰ(NAD+)和辅酶Ⅱ(NADP+)的成分，这两种辅酶结构中的尼克酰胺部分具有可逆地加氢和脱氢的特性，在生物氧化过程中起着递氢体的作用(它们的结构和作用参看生物氧化一章)。 维生素PP缺乏时，主要表现为癞皮病，其特征是体表暴露部分出现对称性皮炎，此外还有消化不良，精神不安等症状，严重时可出现顽固性腹泻和精神失常。但是这些症状与维生素PP在代谢中所起的作用有何联系，目前尚不十分清楚。 维生素B6包括吡哆醇，吡哆醛和吡哆胺三种化合物，在体内它们可以相互转变。
在机体组织内维生素B6多以其磷酸酯的形式存在，参与氨基酸的转氨、某些氨基酸的脱羧以及半胱氨酸的脱巯基作用(参看第7章)。 动物缺乏维生素B6亦可发生与癞皮病类似的皮肤炎。在人类尚未发现单纯的维生素B6缺乏症。 维生素B2、维生素PP和维生素B6常共同存在，在营养上亦有共同特点，即当其缺乏都表现为皮肤炎症。然而从在代谢中的作用来看，前二者共同参与生物氧化过程，维生素B6则主要参与氨基酸的代谢。 (三)叶酸和维生素B12 叶酸由蝶酸(pteroicacid)和谷氨酸结合构成，在植物绿叶中含量丰富故名。在动物组织中以肝脏含叶酸最丰富。
食物中的叶酸多以含5分子或7分子谷氨酸的结合型存在，在肠道中受消化酶的作用水解为游离型而被吸收。若缺乏此种消化酶则可因吸收障碍而致叶酸缺乏。 叶酸在体内必须转变成四氢叶酸(FH4或THFA)才有生理活性。小肠粘膜、肝及骨髓等组织含有叶酸还原酶，在NADPH和维生素C的参与下，可催化此种转变。
四氢叶酸参与体内“一碳基团”的转移，是一碳基团转移酶系统的辅酶。因此，四氢叶酸在体内嘌呤和嘧啶的合成上起重要作用。例如N5，N10-甲炔四氢叶酸(N5，N0=CHFH4)和N10-甲酰四氢叶酸(N10-CHO·FH4)可参与嘌呤核苷酸的合成，其中甲炔基(=CH-)和甲酰基(-CHO)分别成为嘌呤碱中第8位和第2位上两个碳原子的来源。在尿嘧啶脱氧核苷酸(d-UMP)转变成胸腺嘧啶脱氧核苷酸(d-TMP)的过程中，N5，10-甲烯四氢叶酸(N5，N10-CH2-FH4)可供给甲烯基(-CH2-)而形成胸腺嘧啶中的甲基(参看核酸代谢)。 由此可见，叶酸与核苷酸的合成有密切关系，当体内缺乏叶酸时，“一碳基团”的转移发生障碍，核苷酸特别是胸腺嘧啶脱氧核苷酸的合成减少，以致骨髓中幼红细胞DNA的合成受到影响，细胞分裂增殖的速度明显下降。此时血红蛋白的合成虽也有所减弱，但影响较小。幼红细胞可因分裂障碍而使细胞增大，形成巨幼红细胞(megaloblast)。由这种巨幼红细胞产生的成熟红细胞，其平均体积也较正常大，可在周围血液中见到，所以叶酸缺乏引起的贫血属于巨幼细胞性大红细胞性贫血(megaloblastic macrocytic anemia)。因白细胞分裂增殖同样需要叶酸，故叶酸缺乏时，尚可见周围血液中粒细胞减少，且粒细胞的体积也偏大，核分叶增多。 人类肠道细菌能合成叶酸，故一般不发生缺乏症，但当吸收不良、代谢失常或组织需要过多，以及长期使用肠道抑菌药物或叶酸拮抗药等状况下，则可造成叶酸缺乏。叶酸拮抗药种类很多，其中氨蝶呤(aminopterin)及氨甲蝶呤(methotrexate简写MTX)在结构上与叶酸相似，都是叶酸还原酶的强抑制剂，常用作抗癌药。
维生素B12结构复杂，因其分子中含有金属钴和许多酰氨基，故又称为钴胺素。 维生素B12分子中的钴(可以是一价、二价或三价的)能与－CN、－OH、－CH3或5′－脱氧腺苷等基团相连，分别称为氰钴胺、羟钴胺、甲基钴胺和5′－脱氧腺苷钴胺，后者又称为辅酶B12。其实，甲基钴胺也是维生素B12的辅酶形式。维生素B12的两种辅酶形式一一甲基钴胺和5′－脱氧腺苷钴胺在代谢中的作用各不相同。 甲基钴胺(CH3·B12)参与体内甲基移换反应和叶酸代谢，是N5－甲基四氢叶酶甲基移换酶的辅酶。此酶催化N5CH3·FH4和同型半胱氨酸之间不可逆的甲基移换反应，产生四氢叶酸和蛋氨酸。
图3-3 维生素B12的结构 N5-CH3-FH3来源于N5，N10-CH2-FH4的还原(参看蛋白质代谢一章中“一碳基团”的代谢)，此还原反应在体内也是不可逆的。由dUMP甲基化生成dTMP时，只能利用N6，N10-CH2-FH4供给甲基，而不能利用N5-CH3·FH4。因此，必须通过上述甲基移换反应使FH4“再生”，从而保证dTMP的不断合成。
图3-4 维生素B12和叶酸代谢以及与DNA合成的关系 由上图可见，甲基钴胺的作用是促进叶酸的周转利用，以利于胸腺嘧啶脱氧核苷酸和DNA的合成，如果缺乏维生素B12，则叶酸陷入N5－CH3·FH4这个“陷井”而难以被机体再利用，犹如缺乏叶酸一样，所以维生素B12缺乏所引起的贫血，同缺乏叶酸一样，也是巨幼细胞性大红细胞贫血。 上述以CH3·B12作辅酶的甲基移换反应不仅促进FH4的再利用，而且还促进蛋氨酸的再利用(蛋氨酸→同型半胱氨酸→蛋氨酸，参看氨基酸的代谢)。蛋氨酸经活化后可作为甲基供体促进胆碱和磷脂的合成，有利于肝脏的代谢。所以临床上把叶酸和维生素B12作为治疗肝脏病的辅助药物，除了考虑到它们的促核酸与蛋白质合成作用外，还考虑到它们有保护肝脏，防止发生脂肪肝的作用。 5′－脱氧腺苷钴胺(5′－dA·B12)是甲基丙二酰辅酶A变位酶的辅酶，参与体内丙酸的代谢。 体内某些氨基酸、奇数碳脂肪酸和胆固醇分解代谢中可产生丙酰CoA。正常情况下，丙酰COA经羧化生成甲基丙二酰CoA，后者再受甲基丙二酰CoA变位酶和辅酶B12(即5′－dA·B12)的作用转变为琥珀酰CoA，最后进入三羧酸循环而被氧化利用(参看糖代谢)。
当维生素B12缺乏时，由于这些代谢途径受阻，将导致甲基丙二酰COA和丙酰COA的堆积，结果引起甲基丙二酰COA水解，产生甲基丙二酸由尿排出。所以维生素B12缺乏病人尿中出现甲基丙二酸，这可作为一个很灵敏的诊断指标。据分析，患者脑脊液中甲基丙二酸的浓度大于血浆中浓度，表明代谢障碍主要发生在神经组织。另外，同位素示踪实验发现，堆积的丙酰CoA掺入到病变的神经髓鞘，构成异常的奇数碳脂肪酸(15C和17C)，这可能与神经髓鞘的退行性变有关。因为5′－dA－B12所参与的代谢途径与叶酸无关，所以维生素B12缺乏患者除了造血系统的症状与叶酸缺乏相似外，尚有其独特的神经症状。维生素B12缺乏引起丙酸CoA代谢障碍可用下列图解表示。
图3-5 维生素B12缺乏对丙酰CoA-代谢的影响 维生素B12广泛存在于动物性食品中，人体对它的需要量甚少(每日仅需2?微克)，而体内贮存量很充裕，所以因摄入不足而致维生素B12缺乏者在临床上比较少见。但是维生素B12的吸收与正常胃粘膜分泌的一种糖蛋白密切相关，这种糖蛋白叫做内因子(intrinsic factor简写IF)。维生素B12必须与内因子结合后才能被小肠吸收。这一方面是由于维生素B12的吸收部位在回肠下段，只有维生素B12与内因子结合成IF－B12复合物才能被肠粘膜上的受体接纳；另一方面二者的结合有相互保护的作用；内因子保护维生素B12不被肠道细菌所破坏；维生素B12保护内因子不被消化液中的酶所水解。某些疾病如萎缩性胃炎、胃全切除的病人或者先天缺乏内因子，均可因维生素B12的吸收障碍而致维生素B12的缺乏。对这类病人只有采取注射的方式给予维生素B12才有效。
二、维素素C和P维生素C又名抗坏血酸(ascorbic acid)，它是含有内脂结构的多元醇类，其特点是具有可解离出H+的烯醇式羟基，因而其水溶液有较强的酸性。维生素C可脱氢而被氧化，有很强的还原性，氧化型维生素C(脱氢抗坏血酸dehydroascorbic acid)还可接受氢而被还原。 维生素C含有不对称碳原子，具有光学异构体，自然界存在的、有生理活性的是L－型抗坏血酸。 维生素C在酸性水溶液(pH＜4)中较为稳定，在中性及碱性溶液中易被破坏，有微量金属离子(如Cu++、Fe+++等)存在时，更易被氧化分解；加热或受光照射也可使维生素C分解。此外，植物组织中尚含有抗坏血酸氧化酶，能催化抗坏血酸氧化分解，失去活性，所以蔬菜和水果贮存过久，其中维生素C可遭到破坏而使其营养价值降低。
大多数动物能够利用葡萄糖以合成维生素C，但是人类、灵长类动物和豚鼠由于体内缺少合成维生素C的酶类，所以不能合成维生素C，而必须依赖食物供给。食物中的维生素C可迅速自胃肠道吸收，吸收后的维生素C广泛分布于机体各组织，以肾上腺中含量最高。但是维生素C在体内贮存甚少，必须经常由食物供给。维生素C在体内分解可以产生草酸和苏阿糖酸(threonic acid)。
维生素C具有广泛的生理作用，除了防治坏血病外，临床上还有许多应用，从感冒到癌症，维生素C是应用最多的一种维生素。但是其作用机理有些还不十分清楚，从使用的剂量来看，有越来越大的趋势，已超出了维生素的概念，而是作为保健药物使用了。 已知维生素C参与体内代谢功能主要有以下几个方面。 (一)参与体内的羟化反应 维生素C对于许多物质的羟化反应都有重要作用，而羟化反应又是体内许多重要化合物的合成或分解的必经步骤，例如胶元的生成、类固醇的合成与转变，以及许多有机药物或毒物的生物转化等，都需要羟化作用才能完成。 1.胶元的合成 当胶元(collancg)合成时，多肽链中的脯氨酸(Pro)和赖氨酸(Lys)残基需要分别被羟化成为羟脯氨酸和羟赖氨酸残基(详见第十五章)。维生素C是此种羟化反应必需的辅助因素之一，因为在羟化反应中，不仅需要相应的羟化酶，而且还需要O2、Fe++和a-酮戊二酸等，维生素C有助于维持Fe++的还原状态，并能激活羟化酶。 胶原是细胞间质的重要成分，因此，当维生素C缺乏时，胶原和细胞间质合成障碍，毛细管壁脆性增大，通透性增强，轻微创伤或压力即可使毛细血管破裂，引起出血现象，临床上称为坏血病(scurvy)。 2.类固醇的羟化 正常情况下，体内胆固醇约有80%转变为胆酸后排出，在胆固醇转变为胆酸前，需先将环状部分羟化(7α羟化作用，参看胆固醇代谢)，而后侧链断裂，最终生成胆酸，缺乏维生素C则此种羟化过程受阻，胆固醇转变成胆酸的作用下降，肝中胆固醇堆积，而血中胆固醇浓度增高。因此，临床上用大量维生素C可降低血中胆固醇，其机理可能在于维生素C促进胆固醇向胆酸转变。 此外，肾上腺皮质激素合成加强时，皮质中维生素C含量显著下降，这可能是皮质激素合成过程中某些羟化步骤需消耗维生素C。 3.芳香族氨基酸的羟化 苯丙氨酸(Phe)羟化为酪氨酸(Tyr)，酪氨酸转变为儿茶酚胺(catecholamine)或分解为尿黑酸等过程中许多羟化步骤均需有维生素C的参加。又如色氨酸(Trp)转变为5－羟色胺(5－HT)时也需要维生素C(参看氨基酸代谢和神经组织生化等章节)，儿茶酚胺和5－羟色胺都是重要的神经递质，它们在调节神经活动方面有重要作用。 4.有机药物或毒物的羟化 药物或毒物在内质网上的羟化过程，是重要的生物转化反应，缺乏维生素C时，此种羟化反应明显下降，药物或毒物的代谢显著减慢，给予维生素C后，催化此类羟化反应的酶系活性升高，促进药物或毒物的代谢转变，因而有增强解毒的作用(参看肝脏生化一章中生物转化作用)。 (二)还原作用 维生素C在体内作为重要的还原剂而起作用，主要有以下几个方面。 1.保护巯基和使巯基再生 已知许多含巯基的酶当其在体内发挥催化作用时需要有自由的桽H，而维生素C能使酶分子中－SH保持在还原状态，从而保持酶有一定的活性，维生素C还可使氧化型的谷光甘肽(G－S－S－G)还原为还原型的谷胱甘肽(G－SH)，使－SH得以再生，从而保证谷胱甘肽的功能。例如不饱和脂酸易被氧化成脂性过氧化物，后者可使各种细胞膜，尤其是溶酶体膜破裂，释放出各种水解酶类，致使组织自溶，造成严重后果，还原型谷胱甘肽在谷胱甘肽过氧化酶的催化下可使脂性过氧化物还原，从而消除其对组织细胞的破坏作用，而G－SH便氧化成G－S－S－G，在谷胱甘肽还原酶催化下，维生素C也可使G－S－S－G还原成G－SH，从而使后者不断得到补充。
图3-6 维生素C与谷胱甘肽拉化还原反应的关系 (1)：G-SH还原酶(2)：G-SH过氧化酶 再如某些含巯基的酶在金属中毒(如铅中毒)时被抑制，给以大量维生素C往往可以缓解其毒性。据认为，金属离子能与体内巯基酶类的桽H结合，使其失活，以致代谢障碍而中毒。维生素C可以将G－S－S－G还原为G－SH，后者可与金属离子结合而排出体外，所以维生素C能保护含巯基的酶，具有解毒作用。
图3-7 维生素C解毒示意图 2.促进铁的吸收和利用 维生素C能使难吸收的Fe+++还原成易吸收的Fe++，促进铁的吸收，它还能促使体内的Fe+++还原，有利于血红素的合成。此外，维生素C还有直接还原高铁血红蛋白(MHb)的作用。 3.促进叶酸转变为四氢叶酸(见前) 由此可见，维生素C对缺铁性贫血和巨幼细胞性贫血的治疗都可起辅助作用。 4.抗体的生成 抗体分子中含有相当数量的双S键，所以抗体的合成需要足够量的半胱氨酸，体内高浓度的维生素C可以把胱氨酸还原成半胱氨酸，有利于抗体的合成。维生素C增强机体的免疫功能不限于促进抗体的合成，它还能增强白细胞对流感病毒的反应性以及促进H2O2在粒细胞中的杀菌作用等。 维生素P又称为通透性维生素(P代表permeability)，最初由柠檬中分离出来，化学本质为黄素酮类(flavonone)，称为柠檬素(citrin)。以后又发现多种具有类似结构和活性的物质，所以维生素P不是单一的化合物，主要的维生素P类化合物有桔皮苷、芸香苷(芦丁)及L－表儿茶素等。
维生素P的主要生理作用在于维持毛细血管壁的正常通透性，缺少它则通透性增强。因为在自然界维生素P常与维生素C共存，故一般认为坏血病系此两种维生素共同缺乏的结果。虽然在人类尚未发现单纯缺乏维生素P的疾病，但临床上可以应用维生素P防治某些因毛细血管通透性增强而引起的疾病。维生素P的作用机制尚未被阐明，有实验表明它有“节约”维生素C和抑制透明质酸酶(参看第17章)的作用。 营养学上较为重要的维生素有A、D、B1、B2、PP和C六种，它们的来源、需要量、生理功能和缺乏症简要总结如附表。 附表 几种与人体营养有关维生素的来源、需要量、主要功能及缺乏症
*除特殊注明外均为正常成人每日需要量，为国际单位
…… 第五节 酶促反应的动力学 第六节 酶在体内存在的几种主要形式 参考资料 第三章 维生素（Vitamins） 第一节 脂溶性维生素 第二节 水溶性维生素（当前页） 第四章 糖代谢 第一节 概述(overview) 第二节 糖的分解代谢(catabolism of carbohydrate) 第三节 糖异生 …… |
表示之。
