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1、生物化学与分子生物学,第五章 维生素与无机物,Vitamins and Minerals,定义：维生素(vitamin)是人体内不能合成，或合成量甚少、不能满足机体的需要，必须由食物供给，维持正常生命活动过程所必需的一组低分子量有机化合物。,一、维生素,微量元素(trace element)：指人体每日需要量在100mg以下的化学元素，主要包括铁、碘、铜、锌、锰、硒、氟、钼、钴、铬等。,二、无机元素,无机元素(minerals)是维持人体正常生理功能也必不可少的元素。,分类,常量元素(macroelement)：钠、钾、氯、钙、磷、镁等,第一节 脂溶性维生素,Lipid-soluble Vit
2、amin,共同特点：（1）均为非极性疏水的异戊二烯衍生物（2）不溶于水，溶于脂类及脂肪溶剂（3）在食物中与脂类共存，并随脂类一同吸收（4）吸收的脂溶性维生素在血液与脂蛋白及某 些特殊结合蛋白特异结合而运输 种类：Vit A,Vit D,Vit E,Vit K,脂溶性维生素的结构,一、维生素A,动物内脏(视黄醇酯）植物：维生素A原（如-胡萝卜素）,（一）视黄醇是天然维生素A的主要形式,A1（视黄醇）A2（3-脱氢视黄醇）,天然形式：,来源：,运输形式：,（二）视黄醇、视黄醛和视黄酸是维生素A的活性形式,1视黄醛与视蛋白的结合维持了正常视觉功能,2视黄酸对基因表达和组织分化具有调节作用,全反式视黄
3、酸和9-顺视黄酸是执行这一重要功能的关键物质。与细胞内核受体结合，与DNA反应元件结合，调节某些基因的表达。缺乏：干眼病(xerophthalmia),3维生素A和胡萝卜素是有效的抗氧化剂,4.维生素A及其衍生物可抑制肿瘤生长,能直接消灭自由基，有助于控制细胞膜和富含脂质组织的脂质过氧化。,（三）维生素A缺乏或过量摄入均引起疾病,缺乏症：,1.夜盲症2.干眼病3.对感染性疾病的敏感性增加,过多则可引起中毒症状：头痛、恶心、共济失调；肝细胞损伤和高脂血症；长骨增厚、高钙血症、软组织钙化以及皮肤干燥、脱屑和脱发等。,二、维生素D,（一）维生素D是类固醇衍生物,种 类：VitD2（麦角钙化醇）Vit
4、D3（胆钙化醇）VitD2原：麦角固醇 VitD3原：7-脱氢胆固醇 麦角固醇 VitD2 胆固醇 7-脱氢胆固醇 VitD3（紫外照射）VitD3在血液中运输：与维生素D结合蛋白(vitamin D binding protein,DBP)相结合而运输。,（二）维生素D的活化形式是1,25-二羟维生素D3,维生素D3在体内的转变,（三）1,25-(OH)2-D3具有调节血钙和组织细胞分化的功能,1调节血钙水平是1,25-(OH)2-D3的重要作用,1,25-(OH)2-D3可通过信号转导系统使钙通道开放，促进小肠对钙、磷的吸收，影响骨组织的钙代谢，从而维持血钙和血磷的正常水平，促进骨和牙的钙
5、化。,2.1,25-(OH)2-D3还具有影响细胞分化的功能,调节多种组织细胞分化促进胰岛细胞合成与分泌胰岛素抑制某些肿瘤细胞增殖和促进分化,（四）维生素D缺乏或摄入过量均引起疾病,缺乏症：,儿童可患佝偻病（rickets）成人可发生软骨病（osteomalacia）,长期每日摄入25 g维生素D可引起中毒，长期每天摄入125 g维生素D则肯定会引起中毒，其症状主要有异常口渴，皮肤搔痒，厌食、嗜睡、呕吐、腹泻、尿频以及高钙血症、高钙尿症、高血压以及软组织钙化等。,三、维生素E,（一）维生素E是生育酚类化合物,生育酚(tocopherol):、和四种 生育三烯酚(tocotrienol):、和四
6、种,（二）维生素E具有抗氧化等多方面的功能,1维生素E是体内最重要的脂溶性抗氧化剂,机制:捕捉过氧化脂质自由基,保护生物膜的结构与功能。,缺乏:轻度溶血性贫血。,2维生素E具有调节基因表达的作用,上调或下调生育酚的摄取和降解相关的基因 延缓衰老 脂类摄取与动脉硬化的相关基因:预防和治疗冠状动脉粥样硬化性心脏病 细胞外基质蛋白的基因、细胞黏附与炎症的相关基因 抗炎、维持正常免疫功能 细胞信号系统和细胞周期调节的相关基因 抑制细胞增殖，抗肿瘤,3维生素E能促进血红素合成,血红素合成关键酶：氨基酮戊酸(ALA)合酶 ALA脱水酶缺乏：新生儿贫血,（三）维生素E缺乏可引起轻度贫血,维生素E缺乏病是由于
7、血中维生素E含量低而引起，主要发生在婴儿，特别是早产儿。新生儿缺维生素E可引起贫血。临床上常用维生素E治疗先兆流产及习惯性流产。,四、维生素K,（一）维生素K是2-甲基1,4-萘醌的衍生物,人工合成：K3,天然形式：,K1-植物甲萘醌或叶绿醌,K2-肠道细菌的产物,（二）维生素K的主要功能是促进凝血,1维生素K是凝血因子合成所必须的辅酶,2维生素K对骨代谢具有重要作用,（三）维生素K缺乏可引起出血,第二节 水溶性维生素,Water-soluble Vitamin,易溶于水，故易随尿液排出体内不易储存，必须经常从食物中摄取作用比较单一，主要构成酶的辅助因子直 接影响某些酶的催化作用。,种类：B族
8、维生素，维生素C,共同特点,水溶性维生素的结构,一、维生素B1,（一）维生素B1形成辅酶焦磷酸硫胺素,焦磷酸硫胺素(thiamine pyrophosphate,TPP),TPP是-酮酸氧化脱羧酶的辅酶，也是转酮酶的辅酶在神经传导中起一定的作用，抑制胆碱酯酶的活性,脚气病，末梢神经炎,（二）维生素B1在糖代谢中具有重要作用,（三）维生素B1缺乏可引起脚气病,二、维生素B2,维生素B2又名核黄素(riboflavin)体内活性形式为黄素单核苷酸(FMN)黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD),（一）维生素B2是FAD和FMN的组成成分,Vit B2,FMN,AMP,FAD,FMN及FAD是体内氧化还原酶(
9、如脂酰CoA脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、黄嘌呤氧化酶等）的辅基，主要起氢传递体的作用.,（二）FMN和FAD是体内氧化还原酶的辅基,（三）维生素B2缺乏病是一种常见的营养缺乏病,口角炎，唇炎，阴囊炎等,三、维生素PP,维生素PP包括：烟酸(nicotinic acid)烟酰胺(nicotinamide),体内活性形式：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+),（一）维生素PP是NAD+和NADP+的组成成分,NAD+：R为 H,NADP+：R为,烟酰胺,（三）维生素PP缺乏可引起癞皮病,缺乏症:癞皮病,大量长期服用会中毒,肝损伤,NAD+及NADP+是体内多种不需氧脱氢
10、酶（如苹果酸脱氢酶、乳酸脱氢酶）的辅酶，起传递氢的作用。,（二）NAD+和NADP+是多种不需氧脱氢酶的辅酶,四、泛酸,泛酸(pantothenic acid)又名遍多酸体内活性形式为辅酶A(CoA)、酰基载体蛋白(ACP),（一）泛酸在辅酶A和酰基载体蛋白的组成成分,（二）辅酶A和酰基载体蛋白参与酰基转移反应,CoA及ACP是酰基转移酶的辅酶，参与酰基的转移作用。,（三）泛酸缺乏可引起各种胃肠功能障碍等疾病,泛酸,4-磷酸泛酰巯基乙胺,CoA的结构式,五、生物素,（一）生物素(biotin)的来源广泛,（二）生物素是多种羧化酶的辅基,生物素是体内多种羧化酶(如丙酮酸羧化酶、乙酰CoA羧化酶)
11、的辅基，与羧化酶蛋白中赖氨酸残基的-氨基以酰胺键共价结合，形成生物胞素残基，参与CO2固定过程。,生物素还可使组蛋白生物素化，从而影响细胞周期、转录和DNA损伤的修复。,（三）生物素缺乏也可诱发机体不适,疲乏、恶心、呕吐、食欲不振、皮炎及脱屑性红皮病,六、维生素B6,（一）维生素B6包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺,维生素B6包括吡哆醇(pyridoxine)、吡哆醛(pyridoxal)和吡哆胺(pyridoxamine)。活化形式：磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺,磷酸吡哆醛是氨基酸转氨酶及脱羧酶的辅酶，用于治疗小儿惊厥、妊娠呕吐和精神焦虑。磷酸吡哆醛也是-氨基-酮戊酸合酶（ALA合酶）的辅酶。缺乏导致低
12、血色素小细胞性贫血和血清铁增高。磷酸吡哆醛是同型半胱氨酸分解代谢酶的辅酶，缺乏引起高同型半胱氨酸血症。,（二）磷酸吡哆醛的辅酶作用多种多样,1磷酸吡哆醛是多种酶的辅酶,2磷酸吡哆醛可终止类固醇激素的作用,作用机制：将类固醇激素-受体复合物从DNA中移去，终止这些激素的作用。维生素B6缺乏：可增加人体对雌激素、雄激素、皮质激素和维生素D作用的敏感性。,（三）维生素B6过量可引起中毒,日摄入量超过200mg可引起神经损伤，表现为周围感觉神经病。,叶酸(folic acid)又称蝶酰谷氨酸体内活性形式为四氢叶酸(FH4),七、叶酸,（一）四氢叶酸是叶酸的活性形式,（二）四氢叶酸是一碳单位的载体,FH
13、4是一碳单位转移酶的辅酶，参与一碳单位的转移。N5、N10 是一碳单位的结合位点。,缺乏症：巨幼红细胞贫血 高同型半胱氨酸血症和DNA低甲基化,叶酸,二氢叶酸还原酶,NADPH+H+,NADP+,二氢叶酸,二氢叶酸还原酶,NADPH+H+,NADP+,四氢叶酸,5,6,7,8-四氢叶酸,（三）叶酸缺乏可导致巨幼红细胞性贫血,维生素B12又称钴胺素(coholamine)体内活性形式为甲基钴胺素 5-脱氧腺苷钴胺素,八、维生素B12,（一）维生素B12的吸收需要内因子,R：5-脱氧腺苷5-脱氧腺苷钴胺素,Vit B12是N5-CH3-FH4转甲基酶（甲硫氨酸合成酶）的辅酶，催化同型半胱氨酸甲基化
14、生成甲硫氨酸。,Vit B12 缺乏：,缺乏症：巨幼红细胞贫血 高同型半胱氨酸血症 神经疾患,（二）维生素B12影响一碳单位的代谢和脂肪酸的合成,一是引起甲硫氨酸合成减少 二是影响四氢叶酸的再生,（三）维生素B12缺乏可导致巨幼红细胞性贫血等多种疾病,九、维生素C,（一）维生素C是对热不稳定的酸性物质,维生素C又称L-抗坏血酸(ascorbic acid)，呈酸性，广泛存在于新鲜蔬菜和水果中。,动物体内不能合成维生素C，必需由食物供给。,抗坏血酸分子中C2和C3羟基可以氧化脱氢生成脱氢抗坏血酸，后者也可以加氢还原。,维生素C,脱氢维生素C,（二）维生素C既是一些羟化酶的辅酶又是强抗氧化剂,1维
15、生素C是一些羟化酶的辅酶,抗坏血酸是维持体内含铜羟化酶和-酮戊二酸-铁羟化酶活性必不可少的辅因子。,2维生素C作为抗氧化剂可直接参与体内氧化还原反应,3维生素C具有增强机体免疫力的作用,（三）维生素C严重缺乏可引起坏血病,十、-硫辛酸,-硫辛酸（lipoic acid）的结构是6,8-二硫辛酸，能还原为二氢硫辛酸，为硫辛酸乙酰转移酶的辅酶。,-硫辛酸有抗脂肪肝和降低血胆固醇的作用。另外，它很容易进行氧化还原反应，故可保护巯基酶免受金属离子毒害。,第三节,微量元素,Trace Element,种类 主要包括有铁、碘、铜、锌、锰、硒、氟、钼、钴、铬等10种。,概念：微量元素是指人体中每人每天的需要
16、量在100以下的元素。,一、铁,（一）运铁蛋白和铁蛋白分别是铁的运输和储存形式,铁(Fe3+)在血液中与运铁蛋白(transferrin)结合而运输。多余的铁以铁蛋白的形式主要储存于肝、脾、骨髓、小肠黏膜、胰等器官。体内铁的唯一排泄途径：细胞内有铁蛋白铁随着小肠黏膜上皮细胞脱落而排泄于肠腔。,铁是体内含量最多的一种微量元素，成年男性平均含铁量约为50 mg/kg，女性约为30 mg/kg。,铁卟啉化合物：75%非铁卟啉类含铁化合物：25%（如含铁的黄素蛋白、铁硫蛋白、运铁蛋白等）。,（二）体内铁主要存在于铁卟啉化合物和其他含铁化合物中,（三）铁的缺乏与中毒均可引起严重的疾病,铁的缺乏：小细胞低
17、血色性贫血,铁摄入过剩：血色素沉着症(hemochromatosis),二、锌,血锌水平：0.10.15mmol/L 运输形式：清蛋白或运铁蛋白结合而运输储存形式：与金属硫蛋白(metallothionein)结合排泄方式：主要经粪排泄，其次为尿、汗、乳汁,锌(zinc)在人体内的含量仅次于铁，约为1.52.5g。成人每日需锌1520mg。,（一）清蛋白和金属硫蛋白分别参与锌的运输和储存,功能：含锌金属酶的组成成分、锌指蛋白中锌指模体的成分。,（二）锌是含锌金属酶和锌指蛋白的组成成分,（三）锌缺乏可引起多种疾病,缺乏症：皮肤炎、伤口愈合缓慢、脱发、神经精神障碍，儿童发育不良、睾凡萎缩等。,三、
18、铜,运输形式：60%的铜与铜蓝蛋白(ceruloplasmin)紧密结合，其余的与清蛋白疏松结合或与组氨酸形成复合物。排泄方式：主要随胆汁排泄,成人体内铜(copper)的含量约为80110mg，肌肉中约占50%，10%存在于肝。,（一）铜在血液中主要与铜蓝蛋白结合而运输,缺乏症：小细胞低色素性贫血、白细胞减少、出血性血管改变、骨脱盐、高胆固醇血症和神经疾患。中毒：蓝绿粪便、唾液，以及行动障碍。,1）体内多种酶的辅基，含铜的酶多以氧分子或氧的衍生物为底物。2）增强血管生成素(angiogenin)对内皮细胞的亲和力、增加血管内皮生长因子(VEGF)和相关细胞因子的表达与分泌，促进血管生成。,（
19、二）铜是多种含铜酶的辅基,（三）铜缺乏可导致小细胞低色素性贫血等疾病,四、锰,运输形式：大部分与血浆中-球蛋白和清蛋白结合而运输，少量与运铁蛋白结合。储存部位：骨、肝、胰和肾 排泄方式：主要经胆汁，少量随胰液排出，尿中排泄很少。,人体内含锰(manganese)约1220mg。成人每日需25mg。,（一）大部分锰与血浆中-球蛋白和清蛋白结合而运输,缺乏症：生长发育受到影响中毒：抑制呼吸链中复合物和ATP酶的活性，造成氧自由基的过量产生；干扰多巴胺的代谢，导致精神病和帕金森神经功能障碍（锰疯狂）。,1）多种酶的组成成分和激活剂2）体内正常免疫功能、血糖与细胞能量调节、生殖、消化、骨骼生长、抗自由
20、基等均需要锰。,（二）锰是多种酶的组成成分和激活剂,（三）过量摄入锰可引起中毒,五、硒,运输形式：与和球蛋白结合，小部分与VLDL结合而运输。排泄方式：主要随尿及汗液排泄。,人体含硒(selenium)约为14mg21mg。成人日需要量在30 g 50g。,（一）大部分硒与和球蛋白结合而运输,谷胱甘肽过氧化物酶是重要的含硒抗氧化蛋白，降低细胞内H2O2的含量，保护细胞膜，并加强维生素E的抗氧化作用。硒蛋白P是血浆中的主要硒蛋白，可表达于各种组织，既是硒的转运蛋白，也是内皮系统的抗氧化剂。硫氧还蛋白还原酶参与调节细胞内氧化还原过程，参与DNA合成的修复机制。,（二）硒以硒半胱氨酸形式参与多种重要
21、硒蛋白的组成,可引发糖尿病、心血管疾病、神经变 性疾病、某些癌症等，如：克山病。,碘甲腺原氨酸脱碘酶可激活或去激活甲状腺激素，以维持机体生长、发育与代谢。硒参与辅酶Q和辅酶A的合成。,（三）硒缺乏可引发多种疾病,功能：主要参与甲状腺激素的合成，也具有抗氧化作用；缺乏症:地方性甲状腺肿，严重可致发育停滞、痴呆，如胎儿期缺碘可致呆小病；中毒：高碘性甲状腺肿，表现为甲状腺功能亢进及一些中毒症状。,六、碘,成人体内含碘(iodine)30mg50mg，其中约30%集中在甲状腺内，用于合成甲状腺激素。60%80%以非激素的形式分散于甲状腺外。,七、钴,人体对钴的最小需要量为1g，主要从尿中排泄，人体排钴
22、能力强，很少有钴蓄积的现象发生。钴主要以B12的形式发挥作用，钴缺乏可致B12缺乏，而B12缺乏可引起巨幼红细胞性贫血等疾病。,八、氟,成人体内含氟(fluorine)约2g6g，其中90%分布于骨、牙中，少量存在于指甲、毛发及神经肌肉中。,血中水平：20mol/L 运输形式：与球蛋白结合，小部分以氟化物形式运输。排泄方式：尿,功能：氟与骨、牙的形成及钙磷代谢密切相关。氟可被羟基磷灰石吸附，生成氟磷灰石，从而加强对龋牙的抵抗作用。缺乏症:骨质疏松，易发生骨折；牙釉质受损易碎。中毒：骨脱钙和白内障，并可影响肾上腺、生殖腺等多种器官的功能。,九、铬,铬作为铬调素的组成成分，增强胰岛素的生物学效应。
23、铬缺乏的主要表现在胰岛素的有效性降低，造成葡萄糖耐量受损，血清胆固醇和血糖上升。,铬中毒主要侵害皮肤和呼吸道，出现皮肤黏膜的刺激和腐蚀作用，严重者发生急性肾功能衰竭。,第四节 钙、磷及其代谢,Metabolism of Calcium and Phosphorus,钙（calcium）是人体内含量最多的无机元素之一，成人含量约为30 mol（1200g/70kg体重），仅次于碳、氢、氧和氮。磷（phosphorus）正常成人约含19.4 mol（600 g）。,一、钙、磷在体内分布及其功能,（一）钙既是骨的主要成分又具有重要的调节作用,骨钙占体内总钙99%，以羟基磷灰石(hydroxyapat
24、ite)的形式存在,血清钙(911mg/dl)，占总钙0.1%,其他钙占总钙1%,胞液钙作为第二信使在信号转导中发挥许多重要的生理作用。肌肉中的钙可启动骨骼肌和心肌细胞的收缩。,血钙的正常水平对于维持骨骼内骨盐的含量、血液凝固过程和神经肌肉的兴奋性具有重要的作用。,（二）磷是体内许多重要生物分子的组成成分,成人血浆中无机磷的含量约为1.11.3mmol/L（3.54.0mg/dl）。,血液Ca P=35 40,（三）钙磷代谢紊乱可引起多种疾病,维生素D缺乏可引起钙吸收障碍，导致儿童佝偻病和成人骨软化症。骨基质丧失和进行性骨骼脱盐可导致中、老年人骨质疏松。甲状旁腺功能亢进与维生素D中毒可引起高血
25、钙症、尿路结石等。甲状旁腺功能减退症可引起低钙血症。,高磷血症常见于慢性肾病患者，与冠状动脉、心瓣膜钙化等严重心血管并发症密切相关；是引起继发性甲状旁腺功能亢进、维生素D代谢障碍、肾性骨病等的重要因素。维生素D缺乏也可减少肠腔磷酸盐的吸收，是引起低磷血症的原因之一。,二、钙和磷的代谢,（一）钙和磷的吸收与排泄受多种因素影响,主要来源:牛奶、豆类和叶类蔬菜主要吸收部位:十二指肠和空肠上段,小肠对钙的吸收,影响钙吸收因素:,酸性食物均有利于钙的吸收。碱性磷酸盐、草酸盐和植酸盐不利于钙的吸收。钙的吸收随年龄的增长而下降。维生素D能促进钙和磷的吸收。,正常成人肾小球每日滤过约9g游离钙。（1）肾小管对
26、钙的重吸收量与血钙浓度相关。血钙浓度降低可增加肾小管对钙的重吸收率，而血钙高时吸收率下降。（2）肾对钙的重吸收受甲状旁腺激素的严格调控。,肾对钙的重吸收,磷的吸收,形式：无机磷酸盐 部位：小肠上段,肾小管对血磷的重吸收也取决于血磷水平，pH降低可增加磷的重吸收。甲状旁腺激素抑制血磷的重吸收。,（二）骨内钙和磷的代谢是体内钙磷代谢主要组成,内钙、磷代谢与动态平衡图,三、钙和磷代谢的调节,主要调节激素：维生素D、甲状旁腺激素和降钙素主要调节靶器官：小肠、肾和骨,（一）维生素D促进小肠钙的吸收和骨盐沉积,（1）1,25-(OH)2D3与小肠黏膜细胞特异的胞浆受体结合，进入细胞核，刺激钙结合蛋白的生成
27、，促进小肠对钙的吸收，磷的吸收也随之增加。（2）1,25-(OH)2D3可促进骨盐沉积，刺激成骨细胞分泌胶原，促进骨基质的成熟，有利于成骨。,（二）甲状旁腺激素具有升高血钙和降低血磷的作用,（1）PTH刺激破骨细胞的活化，促进骨盐溶解，使血钙与血磷增高。（2）PTH促进肾小管对钙的重吸收，抑制对磷的重吸收。（3）PTH还可刺激肾合成1,25-(OH)2D3，间接地促进小肠对钙、磷的吸收。,PTH的总体作用是使血钙升高。,（三）降钙素是唯一降低血钙浓度的激素,降钙素(calcitonin，CT)是甲状腺C细胞合成的由32个氨基酸残基组成的多肽，其作用靶器官为骨和肾。（1）CT抑制破骨细胞、激活成骨细胞，促进骨盐沉积，降低血钙与血磷。（2）CT抑制肾小管对钙、磷的重吸收。,CT的总体作用是降低血钙与血磷。,1,25-(OH)2-D3、PTH和CT对钙磷代谢的调节,维生素D缺乏：儿童佝偻病(rickets)成人骨软化症(osteomalacia)中、老年人骨质疏松(osteoporosis)甲旁亢与维生素D中毒：高血钙症(hypercalcemia)尿路结石,
