水溶性维生素包括B族维生素和维生素C,其主要特点:①都有较好的水溶性;②都能迅速被机体吸收;③除维生素B 12 和大部分叶酸与蛋白质结合转运外,其余的水溶性维生素都可在体液中自由转运;④多数体内储存不多,机体摄入过多可由尿中排出,必须经常补充(维生素B 12 除外,维生素C更易储存于体内),不会因体内蓄积而中毒。
B族维生素的主要生理功能是构成酶的辅助因子直接影响某些催化反应;维生素C既作为某些酶的辅助因子,又是体内重要的还原剂,参与体内的催化反应和氧化还原反应。
维生素B 1 也叫抗脚气病维生素,分子由含硫的噻唑环和含氨基的嘧啶环通过甲烯基连接而成,属于胺类,故称为硫胺素。纯品为白色结晶,极易溶于水,耐酸,在中性或碱性环境中不稳定,遇光和热效价下降,故应置于避光、阴凉处保存,不宜久贮。维生素B 1 易被小肠吸收,入血后主要在肝及脑组织中经硫胺素焦磷酸激酶催化生成焦磷酸硫胺素(TPP)才能发挥作用,TPP是维生素B 1 在体内的活性形式(图5-6)。
图5-6 维生素B 1 的活性形式
维生素B 1 的来源广泛,在种子的外皮、胚芽、黄豆、酵母、瘦肉及新鲜蔬菜中都含有丰富的维生素B 1 。人体所需的维生素B 1 需要全部从食物中摄取。当硫胺素进入体内后主要由小肠吸收,然后入血在硫胺素焦磷酸激酶的作用下生成硫胺素焦磷酸(TPP)。
1.参与糖代谢 维生素B 1 是羧化辅酶的主要成分,可参与丙酮酸及α-酮戊二酸的氧化脱羧基作用。当体内维生素B 1 缺乏时,神经及心脏组织中的糖类代谢出现障碍,丙酮酸的氧化脱羧反应不能正常进行,导致多发性神经炎和脚气病。因此,维生素B 1 是维持心脏及神经系统正常功能所必需的物质。每日的膳食中应含有丰富维生素B 1 的物质,如新鲜玉米、豆类、瘦肉和动物内脏等。对于多发性神经炎和脚气病的患者,可根据患者的具体病情,适量给予维生素B 1 药物制剂的补充。
2.增强消化系统的功能 维生素B 1 对于维持消化系统的正常功能具有重要作用。维生素B 1 可通过抑制胆碱酯酶的活性,增加消化液分泌,维持胃肠道的正常蠕动。尤其是对糖的消化有明显的增强效果。所以,人体缺乏维生素B 1 时,就会引起胃肠蠕动减慢、消化液分泌减少、食欲缺乏等消化系统症状。
维生素B 2 又名“核黄素”,是核醇与7,8-二甲基异咯嗪的缩合物(图5-7)。维生素B 2 因异咯而呈橙黄色晶体物质,能溶于水,但溶解度低,易溶于碱性溶液。耐酸、耐热,但对光和紫外线极为敏感,容易被分解破坏。维生素B 2 来源广泛,在奶类、蛋类、肉类、谷类、根茎类植物及蔬菜水果中都有较多含量。维生素B 2 在体内的活化形式有两种:黄素单核苷酸(FMN)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)。人体从食物中摄取维生素B 2 后,在小肠黏膜黄素激酶的作用下可转变为黄素单核苷酸(FMN);然后在组织细胞内焦磷酸化酶的进一步催化作用下生成黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)。
图5-7 维生素B 2 的分子结构
1.参与激素与维生素的代谢 黄素单核苷酸(FMN)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)是许多氧化酶系统中的构成成分,它们参与体内的多种氧化还原反应。在氨基酸氧化酶、黄嘌呤氧化酶、琥珀酸脱氢酶复合体等多种酶系统中,主要作为氢传递体,参与激素与维生素的代谢过程。
2.促进营养的代谢 维生素B 2 是参与物质代谢过程中多种酶的辅酶的必要组成成分。这些脱氢酶系统与氧化酶系统能促进蛋白质、脂肪和糖类的物质代谢,同时参与能量的释放,在组织细胞的呼吸链上起着非常重要的作用。当体内缺乏维生素B 2 时,就会影响生物氧化过程,引起物质代谢紊乱,阻碍细胞的正常呼吸作用;再进一步影响脂类代谢,破坏皮肤和黏膜组织的完整性。常见的症状有嘴角发炎、舌炎、口唇出血、眼结膜炎、阴囊炎等。
维生素PP又称“抗癞皮病维生素”,是一类吡啶的衍生物,包括尼克酸(烟酸)和尼克酰胺(烟酰胺)两大类(图5-8)。烟酸的化学本质是吡啶-3-羧酸,在体内可转变为具有生物活性的烟酸酰胺。烟酸性质稳定,在受光照、空气、加热和碱的作用时不易被分解破坏。维生素PP在植物中主要以烟酸的形式存在,在动物中则常以烟酰胺形式存在。
图5-8 尼克酸和尼克酰胺的分子结构
维生素PP主要来源于肉类、动物肝脏、奶类、谷类、酵母以及各种蔬菜。人体肝脏能将体内的色氨酸转变为维生素PP,但合成量很少。维生素PP进入人体后,会转变为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 + ),两者分别又称为辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ。辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ能参与体内的许多氧化还原反应,对维持机体正常的新陈代谢具有不容忽视的作用。
维生素PP是人体需要量最多的B族维生素,可作为不需氧脱氢酶的辅酶NAD + 和NADP + 的组成成分,参与机体物质代谢过程中的氧化脱氢反应。人体缺乏维生素PP时,体内NAD + 、NADP + 也相应减少,使皮肤、消化道和神经系统中的代谢物不能被正常氧化,导致癞皮病。癞皮病的主要表现为对称性皮炎、腹泻及痴呆等。另外,维生素PP还可参与性激素的合成。
维生素B 6 又称吡哆素,包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺(图5-9)。它们的化学结构和理化性质相似,在体内可相互转化,均为活化型。维生素B 6 为白色板状结晶物质,易溶于水,在空气和紫外线作用下易被分解破坏。鱼类、动物组织和酵母中维生素B 6 的含量较高,植物性食物如蔬菜、水果等含量较低。人体从食物中获取的维生素B 6 ,进入肝转变为磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺而发挥作用。
图5-9 维生素B 6 各形式的相互转化
维生素B 6 是氨基酸转氨酶和脱羧酶的辅酶,参与氨基酸的脱氨基和脱羧基作用。维生素B 6 与脑内所有神经递质的合成有密切关系,尤其是促进γ-羟基丁酸的生成。当缺乏维生素B 6 时,γ-羟基丁酸的合成减少,会引起惊厥、眩晕、恶心、呕吐。因此,临床上维生素B 6 是治疗小儿惊厥和妊娠呕吐的常用药物。
维生素B 6 是合成卟啉化合物的必需物质,能促进血红素的合成。人体缺乏维生素B 6 时可能会出现低血色素小细胞性贫血及血清铁的增高。
维生素B 6 还可参与不饱和脂肪酸的代谢作用,促进亚油酸转化为花生四烯酸。当体内缺乏维生素B 6 时,会引起脂类代谢障碍,导致动脉粥样硬化病变。所以临床常用维生素B 6 预防脂肪肝以及降低血清胆固醇含量。
泛酸又称遍多酸、维生素B 3 (图5-10),因在动植物中分布广泛而得名。泛酸由2,4-二羟基-3,3-二甲基丁酸与β-丙氨酸通过酰胺键连接而成。浅黄色黏稠油状物,易溶于水,在热酸或碱中易分解。泛酸几乎存在于所有食物中,进入人体在肠道吸收,经磷酸化并获得巯基乙胺而生成4-磷酸泛酰巯基乙胺。4-磷酸泛酰巯基乙胺是辅酶A(CoA)及酰基载体蛋白(ACP)的主要组成成分。所以泛酸在体内的活性形式是辅酶A(CoA)和酰基载体蛋白(ACP)。
图5-10 泛酸的分子结构
体内CoA、ACP是构成酰基转移酶的辅酶,具有转移酰基的作用,参与糖、脂类、蛋白质代谢及肝的生物转化;具有制造及更新身体组织,辅助毛发形成,帮助伤口愈合,制造抗体抵抗传染病,防止疲劳,帮助抗压等作用。
泛酸在食物中含量充足,人类很少出现泛酸缺乏症。缺乏者主要症状为低血糖症、血液及皮肤异常、疲倦、忧郁、失眠、食欲不振、消化不良,易患十二指肠溃疡。
生物素又称维生素H、维生素B 7 (图5-11),为无色针状的结晶物。在常温下性质比较稳定,耐酸不耐碱,受热和氧化剂的作用会失去活性。生物素广泛存在于动物性和植物性食品中,如动物肝、瘦肉、鸡蛋、奶类、酵母、鱼类、蔬菜水果等。
图5-11 生物素的分子结构
生物素是体内多种羧化酶的辅酶,参与蛋白质、脂肪和糖类代谢中CO 2 的固定和羧化反应。生物素是合成维生素C的必要物质,同时也是维持人体生长发育、皮肤和骨髓健康所不可缺少的营养素。
由于生物素来源广泛,体内肠道细菌也能自身合成,所以正常情况下人体不会出现生物素缺乏症。但在大量生食鸡蛋,有胃肠道吸收障碍,或服用某些抵抗生物素的药物(如苯巴比妥、苯妥英、酰胺咪嗪等)后,则会引起生物素的缺乏。主要表现为毛发变细、失去光泽、皮肤鳞片状和红色皮疹等,严重缺乏者皮疹可蔓延至眼睛、鼻子和嘴唇周围;多数患者会有食欲缺乏、精神沮丧、肌痛、抑郁、嗜睡及脑电图异常等症状。在及时补充生物素后这些症状则会自行消失。
叶酸又称维生素B 11 ,在植物绿叶中含量相当丰富,因此而得名。它主要由蝶酸和谷氨酸结合而成,为淡黄色结晶状粉末,无味无臭,可溶于水,对酸和碱敏感。绿叶蔬菜、动物肝脏及肾脏、酵母、水果和蛋类等都是叶酸的主要食物来源。进入人体的叶酸在小肠和肝脏等组织中被二氢叶酸还原酶还原为二氢叶酸(FH 2 ),二氢叶酸再还原为四氢叶酸(FH 4 )而发挥作用。
叶酸参与一碳单位转移酶的辅酶FH 4 的组成,在嘧啶、嘌呤、蛋氨酸、胆碱以及激素等重要物质的生物合成中起着传递一碳单位的作用。体内缺乏叶酸时,一碳单位代谢障碍,嘌呤和嘧啶的合成减少,影响幼红细胞DNA的合成,使红细胞发育成熟障碍,导致巨幼细胞贫血。
叶酸是参与人体新陈代谢过程的重要物质,体内缺乏叶酸,除了会导致贫血外,还会引起发育迟缓、抵抗力减弱、肠胃不适等,严重者精神萎靡、智力退化,孕产妇则可能会出现早产、妊娠中毒、产后出血等。
叶酸与巨幼红细胞性贫血
对于怀孕中的准妈妈而言,叶酸是一种重要的维生素。一方面,叶酸缺乏将导致准妈妈发生巨幼红细胞性贫血,影响胎儿的发育;另一方面,在怀孕早期补充叶酸还能预防胎儿的脑神经管畸形。
1983年7月至1991年4月,英国医学理事会,完成一项世界范围的研究计划,肯定了孕妇补充叶酸对预防胎儿神经管缺陷的效果。美国和中国也有相似的研究结果。
怀孕早期是补充叶酸的关键时期,为了减少出生缺陷,很多国家建议从计划怀孕起即开始补充每日0.4mg的叶酸。我们每天吃的食物中叶酸的含量为200~400μg,但不是所有的叶酸都能被利用,如食物烹调不当,其损失量可达到50%~90%,因而,为了预防巨幼细胞性贫血,准妈妈在怀孕期间可以适量地补充一些叶酸。
维生素B 12 又称抗恶性贫血维生素或钴胺素,是唯一含有金属元素的维生素。深红色针状结晶物,具有吸湿性,易溶于水和乙醇,但不溶于丙酮、氯仿等有机溶剂。在中性及微酸条件下对热稳定,但对光照、强酸和碱溶液敏感。天然维生素B 12 有羟钴胺素、甲基钴胺素和5′-脱氧腺苷钴胺素三种形式,后两者是维生素B 12 的活性型。维生素B 12 的来源主要是动物性食品,包括鱼类、禽类与蛋类等。
维生素B 12 是甲基转移酶的辅酶,能促进FH 4 的再利用,参与一碳单位的合成、分解与转运。人体内蛋白质的合成、脂肪及糖类的代谢都与维生素B 12 密切相关。维生素B 12 参与骨髓的造血,是合成细胞的重要原料。当人体缺乏维生素B 12 时,会影响红细胞成熟,导致巨幼细胞性贫血。主要表现为脸色蜡黄,舌炎,厌食,体重下降,腹部不适,呼吸困难,出血时间延长,神经系统功能紊乱等。
维生素C又称L-抗坏血酸(图5-12),为酸性己糖衍生物,是L-己糖酸内酯。维生素C为白色无味晶体粉末,性质稳定。但液态维生素C在暴露于空气、加热、光照、碱性和氧化酶作用下极易被氧化破坏。维生素C广泛存在于各种新鲜蔬菜和水果中,尤其在各种绿色蔬菜和柑橘属水果中含量相当丰富。但植物中的抗坏血酸氧化酶能将维生素C氧化失活,所以储存过久的蔬菜水果其维生素C含量会明显减少。
图5-12 维生素C分子结构
1.促进胶原蛋白的合成 维生素C是维持胶原脯氨酸羟化酶和胶原赖氨酸羟化酶活性所必需的辅助因子,参与羟化反应,促进胶原蛋白的合成。当体内缺乏维生素C时,会影响羟化酶活性,使胶原蛋白合成障碍,引起毛细血管脆性增加,牙齿松动,皮下、黏膜易出血,伤口不易愈合等症状。人体长期缺乏维生素C时会导致坏血病。
2.参与芳香族氨基酸的代谢 维生素C可参与苯丙氨酸、酪氨酸及色氨酸的羧基化反应。机体缺乏维生素C时,苯丙氨酸会出现大量堆积,此时苯丙氨酸的转氨基作用增强,在患者尿中会出现大量的对羟苯丙酮酸代谢产物。
3.参与胆固醇的转化 维生素C是胆汁酸合成反应中7α-羟化酶的辅酶。胆固醇可在7α-羟化酶的催化作用下转变成胆汁酸,所以维生素C可促进胆固醇的羟化作用。维生素C缺乏会直接影响体内的胆固醇转化,进一步则会影响脂类代谢的正常进行。
4.参与体内氧化还原反应 维生素C可作为还原剂中和体内许多氧化性物质,保护蛋白质及巯基酶不被氧化,维持其生物活性。维生素C能促使谷胱甘肽还原生成还原型谷胱甘肽(图5-13),其具有保护巯基酶不被重金属离子氧化的作用,所以维生素C具有解除重金属中毒的作用(图5-14)。维生素C可参与红细胞内高铁血红蛋白还原酶系统,促使高铁血红蛋白还原为血红蛋白,恢复其运输氧气的能力。维生素C还能促使肠道内Fe 3+ 还原为易溶解易吸收的Fe 2+ ,使食物中的铁更易于吸收,从而增强造血功能。
图5-13 维生素C与谷胱甘肽还原反应的关系
图5-14 维生素C解毒示意图
另外,维生素C被认为是一种重要的抗氧化剂,可以保护维生素A、E和多种不饱和脂肪酸免受过多氧化的作用。维生素C还可作为供氢体,促使叶酸转变为有生理活性的四氢叶酸。
5.增强免疫功能与抗肿瘤作用 研究表明维生素C一方面能促进淋巴细胞的生成,增强吞噬细胞的吞噬能力,有助于提高机体的免疫力;另一方面它能促使体内干扰素的大量生成,从而增强免疫功能,预防各种感染性疾病的发生。此外,维生素C参与体内多种氧化还原反应,具有预防癌症的作用。