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1、第十章 B12辅酶及其相关化学,第一节 概述 第二节 C-Co键的形成与断裂 第三节 氧化还原反应 第四节 重排反应 第五节 甲基转移反应,在生物体系中，一般金属蛋白和金属酶活性中心的金属离子与生物配体间的作用主要依靠金属离子与配位原子（X=N,O,S, P）间的相互作用，形成配位键(M-X)。而利用金属有机键，即M-C 键来结合金属离子的实例在生物体系中却很少见，其中已经知道的一个例子就是辅酶B12，钴离子周围除了CoN配位键之外，还有CoC键。 辅酶B12本身不是一个蛋白分子，然而它使许多酶催化反应所必需的辅酶。 维生素B12能有效地治疗恶性贫血，因此引起人们的注意。 维生素 B12是重要
2、的含钴生物配位化合物。它存在于细菌及许多生物体内。动物组织中的维生素B12，一部分由食物中摄取，一部分由肠道中的细菌合成。人体本身不能合成维生素B12。,第一节 概述,金属钴的主要生理功能,钴也是人体中一种必需微量元素，正常成人体内总含量仅1.11.5毫克。各组织器官中以肝脏含量最高。钴的重要生理功能在于它能刺激造血系统，加速造血并参与造血过程。它能促进肠道对铁的吸收，促进铁入骨髓中参与造血。钴盐可以增加血红蛋白的含量、促进血红细胞生成。迄今尚未发现人体单纯缺钴的表现，所以钴的推荐量尚难以估计。 钴缺乏：现发现钴缺乏与血压升高和心血管疾病的发生有一定关系。 钴过量：当摄入量过量时可引起中毒，如
3、使用钴盐(氯化钴)时，常表现为皮肤潮红、胸骨后疼痛、恶心、呕吐、耳鸣及神经性耳聋，还可出现红细胞增多症，重者导致缺氧紫绀、昏迷甚至死亡。,维生素B12及其衍生物的结构,组成：咕啉环（corrin）4个吡咯环，6个双键，8个甲基，7个酰胺取代基 其中3个乙酰胺，3个丙酰胺，1个N-取代丙酰胺） 核糖核苷酸部分，即二甲基苯并咪唑核苷酸 钴离子：Co3+ , LS, d6 ; 钴胺素(cobalamin)，凡是第五配体为二甲基苯并咪唑核苷酸的； 维生素B12 ： 第六配体是CN-,又称为氰钴素(cyanocobalamin) 水合钴胺素：第六配体是水； 甲基钴胺素：第六配体是甲基； 生物体内起辅酶作
4、用的钴胺素已分离出3种： 腺苷钴胺素（辅酶B12）; 苯并咪唑钴胺素； 二甲基苯并咪唑钴胺素;,MeB12 与AdoB12 都具有CoC键，是自然界罕见的有机金属化合物。,特点: Porphyin: 平面性, 刚性强, 构象稳定 Corrin: 所有原子不在一个平面上，刚性小，构象易变。,卟 吩,咕 啉,Cobalamin derivatives.,coenzyme B12,cyanocobalamin,Cyanocobalamin的晶体结构,几乎不含于植物性食物的维生素B12，是素食者最容易缺乏的维生素，也是红血球生成不可缺少的重要元素，如果严重缺乏，将导致恶性贫血！ 维生素B12是相当特别
5、的维生素，蔬菜中几乎完全找不到，只有紫菜及海藻类植物。此外，维生素B12也是唯一含矿物质的维生素，因含钴而呈红色，又称红色维生素，是少数有色的维生素。 【主要食物来源】 动物肝脏、肾脏、牛肉、猪肉、鸡肉、鱼类、蛤类、蛋、牛奶、乳酪、乳制品,维生素 B12,Lobster, Chicken, Steak,【维生素 B12的主要生理功能】 作为甲基转移酶的辅因子，参与蛋氨酸、胸腺嘧啶等的合成，如使甲基四氢叶酸转变为四氢叶酸而将甲基转移给甲基受体（如同型半胱氨酸），使甲基受体成为甲基衍生物（如甲硫氨酸即甲基同型半胱氨酸。因此维生素B12可促进蛋白质的生物合成，缺乏时影响婴幼儿的生长发育。 保护叶酸在
6、细胞内的转移和贮存。维生素B12缺乏时，人类红细胞叶酸含量低，肝脏贮存的叶酸降低，这可能与维生素B12缺乏，造成甲基从同型半胱氨酸向甲硫氨酸转移困难有关，甲基在细胞内聚集,损害了四氢叶酸在细胞内的贮存,因为四氢叶酸同甲基结合成甲基四氢叶酸的倾向强，后者合成多聚谷氨酸。,辅酶B12的主要功能： 参与碳的代谢，促进核酸和蛋白质合成，叶酸贮存，硫醇活化，骨磷脂形成，红细胞发育与成熟。,Enzyme reaction,Reduction Ribonucleotide reductase (核苷酸还原酶）,Rearrangement Glutamate mutase （谷氨酸变位酶） Diol dehy
7、dratase （二醇脱水酶） Methyl transfer Methionine synthetase （蛋氨酸合成酶）,第二节 C-Co键的形成与断裂,辅酶B12参与的酶催化反应体系中，都与其中的C-Co键的形成和断裂有关； 与常见金属酶和金属蛋白的金属-氮、金属-氧等配位键不同，金属-碳键为键，是金属与碳之间形成的共价键； 一般来说，金属-碳键都不稳定，容易分解，但辅酶B12及其类似物不仅能够稳定存在，而且在催化反应过程中又容易发生断裂； 因此对辅酶B12及其相关反应的研究对无机化学、金属有机化学来说都是一个挑战；,C-Co键的形成,C-Co键的形成涉及钴离子的价态,C-Co键的形成可
8、以通过以下三种反应来完成,以Co(II)与碳自由基反应来说明C-Co键的形成； Co(II)为d7组态，与碳自由基反应时，d轨道的一个电子跃迁到S轨道或p轨道，形成d6s1或d6p1电子排布，此单电子即可与碳自由基形成稳定的C-Co共价键。 上述三种反应中，因为Co(I)与碳正离子的反应容易发生而被用来制备、合成含C-Co的化合物； 常用方法首先将需要烷基化的Co(III)物种用硼氢化钠等还原剂还原到Co(I)，再与烷基化试剂反应得到所需要的C-Co的化合物。在此过程中，可以观测到溶液的颜色变化。 红色绿色红色,在生物体系中，辅酶B12参与的酶催化反应过程同样涉及到C-Co键的形成；首先Co(
9、III)状态到Co(I)的状态是由NADH及FAD等电子供体提供电子，在钴胺素还原酶的作用下分两步完成；然后进行烷基化反应，并需要镁或锰等二价金属离子的存在下才能顺利完成；因此，酶催化反应中C-Co键的形成是多种酶、辅因子等共同作用的结果。,C-Co键的断裂,从能量关系上可以看出，C-Co键的断裂发生均裂反应在能量上是有利的。 辅酶B12及其类似物、含C-Co键类的配合物对光不稳定，在光照下易发生C-Co键的均裂反应。 加热的条件下，也可以发生C-Co键的均裂反应。 在强的亲核试剂或亲电试剂存在下也可以发生C-Co键的异裂反应。,Ribonucleotide reductase (核苷酸还原酶
10、） 在该酶的作用下，核糖体核苷被还原为2-脱氧核糖核苷，这是生物合成DNA的速度决定步骤。二磷酸核苷和三磷酸核苷都是该酶的底物，还原的同时酶蛋白链的 两个半胱氨酸的巯基被氧化成双硫化合物，随后又被其它还原剂等还原成巯基。 根据参与催化反应金属离子辅因子种类的不同，核苷酸还原酶可以分为四类，本节介绍的是以B12为辅基的类型II。,第三节 辅酶B12参与的氧化-还原反应,Nature Structural Biology 9, 293 - 300 (2002),Ribonucleotide reductase reaction mechanism,第三节 辅酶B12参与的重排反应,辅酶B12在生物体中参与最多的酶催化反应还是重排反应；取代基X与相邻碳原子之间进行交换；,Glutamate mutase （谷氨酸变位酶）,Diol dehydratase （二醇脱水酶）,Glutamate Mutase,Propane Diol Dehydratase,第五节 辅酶B12参与的甲基转移反应,生物体系中，一种重要的酶催化反应需要在辅酶B12类似物-甲基钴胺素的存在下才能完成，这就是甲基转移反应，催化这种反应的酶称之为甲基转移酶（methyltransferase)。 代表性酶：Methionine synthetase （蛋氨酸合成酶）,蛋氨酸合成酶,