1、第十章 B12輔酶及其相關化學,第一節(jié) 概述 第二節(jié) C-Co鍵的形成與斷裂 第三節(jié) 氧化還原反應 第四節(jié) 重排反應 第五節(jié) 甲基轉移反應,在生物體系中，一般金屬蛋白和金屬酶活性中心的金屬離子與生物配體間的作用主要依靠金屬離子與配位原子（X=N,O,S, P）間的相互作用，形成配位鍵(M-X)。而利用金屬有機鍵，即M-C 鍵來結合金屬離子的實例在生物體系中卻很少見，其中已經(jīng)知道的一個例子就是輔酶B12，鈷離子周圍除了CoN配位鍵之外，還有CoC鍵。 輔酶B12本身不是一個蛋白分子，然而它使許多酶催化反應所必需的輔酶。 維生素B12能有效地治療惡性貧血，因此引起人們的注意。 維生素 B12是重要

2、的含鈷生物配位化合物。它存在于細菌及許多生物體內(nèi)。動物組織中的維生素B12，一部分由食物中攝取，一部分由腸道中的細菌合成。人體本身不能合成維生素B12。,第一節(jié) 概述,金屬鈷的主要生理功能,鈷也是人體中一種必需微量元素，正常成人體內(nèi)總含量僅1.11.5毫克。各組織器官中以肝臟含量最高。鈷的重要生理功能在于它能刺激造血系統(tǒng)，加速造血并參與造血過程。它能促進腸道對鐵的吸收，促進鐵入骨髓中參與造血。鈷鹽可以增加血紅蛋白的含量、促進血紅細胞生成。迄今尚未發(fā)現(xiàn)人體單純?nèi)扁挼谋憩F(xiàn)，所以鈷的推薦量尚難以估計。 鈷缺乏：現(xiàn)發(fā)現(xiàn)鈷缺乏與血壓升高和心血管疾病的發(fā)生有一定關系。 鈷過量：當攝入量過量時可引起中毒，如

3、使用鈷鹽(氯化鈷)時，常表現(xiàn)為皮膚潮紅、胸骨后疼痛、惡心、嘔吐、耳鳴及神經(jīng)性耳聾，還可出現(xiàn)紅細胞增多癥，重者導致缺氧紫紺、昏迷甚至死亡。,維生素B12及其衍生物的結構,組成：咕啉環(huán)（corrin）4個吡咯環(huán)，6個雙鍵，8個甲基，7個酰胺取代基 其中3個乙酰胺，3個丙酰胺，1個N-取代丙酰胺） 核糖核苷酸部分，即二甲基苯并咪唑核苷酸 鈷離子：Co3+ , LS, d6 ; 鈷胺素(cobalamin)，凡是第五配體為二甲基苯并咪唑核苷酸的； 維生素B12 ： 第六配體是CN-,又稱為氰鈷素(cyanocobalamin) 水合鈷胺素：第六配體是水； 甲基鈷胺素：第六配體是甲基； 生物體內(nèi)起輔酶作

4、用的鈷胺素已分離出3種： 腺苷鈷胺素（輔酶B12）; 苯并咪唑鈷胺素； 二甲基苯并咪唑鈷胺素;,MeB12 與AdoB12 都具有CoC鍵，是自然界罕見的有機金屬化合物。,特點: Porphyin: 平面性, 剛性強, 構象穩(wěn)定 Corrin: 所有原子不在一個平面上，剛性小，構象易變。,卟 吩,咕 啉,Cobalamin derivatives.,coenzyme B12,cyanocobalamin,Cyanocobalamin的晶體結構,幾乎不含于植物性食物的維生素B12，是素食者最容易缺乏的維生素，也是紅血球生成不可缺少的重要元素，如果嚴重缺乏，將導致惡性貧血！ 維生素B12是相當特別

5、的維生素，蔬菜中幾乎完全找不到，只有紫菜及海藻類植物。此外，維生素B12也是唯一含礦物質的維生素，因含鈷而呈紅色，又稱紅色維生素，是少數(shù)有色的維生素。 【主要食物來源】 動物肝臟、腎臟、牛肉、豬肉、雞肉、魚類、蛤類、蛋、牛奶、乳酪、乳制品,維生素 B12,Lobster, Chicken, Steak,【維生素 B12的主要生理功能】 作為甲基轉移酶的輔因子，參與蛋氨酸、胸腺嘧啶等的合成，如使甲基四氫葉酸轉變?yōu)樗臍淙~酸而將甲基轉移給甲基受體（如同型半胱氨酸），使甲基受體成為甲基衍生物（如甲硫氨酸即甲基同型半胱氨酸。因此維生素B12可促進蛋白質的生物合成，缺乏時影響嬰幼兒的生長發(fā)育。 保護葉酸在

6、細胞內(nèi)的轉移和貯存。維生素B12缺乏時，人類紅細胞葉酸含量低，肝臟貯存的葉酸降低，這可能與維生素B12缺乏，造成甲基從同型半胱氨酸向甲硫氨酸轉移困難有關，甲基在細胞內(nèi)聚集,損害了四氫葉酸在細胞內(nèi)的貯存,因為四氫葉酸同甲基結合成甲基四氫葉酸的傾向強，后者合成多聚谷氨酸。,輔酶B12的主要功能： 參與碳的代謝，促進核酸和蛋白質合成，葉酸貯存，硫醇活化，骨磷脂形成，紅細胞發(fā)育與成熟。,Enzyme reaction,Reduction Ribonucleotide reductase (核苷酸還原酶）,Rearrangement Glutamate mutase （谷氨酸變位酶） Diol dehy

7、dratase （二醇脫水酶） Methyl transfer Methionine synthetase （蛋氨酸合成酶）,第二節(jié) C-Co鍵的形成與斷裂,輔酶B12參與的酶催化反應體系中，都與其中的C-Co鍵的形成和斷裂有關； 與常見金屬酶和金屬蛋白的金屬-氮、金屬-氧等配位鍵不同，金屬-碳鍵為鍵，是金屬與碳之間形成的共價鍵； 一般來說，金屬-碳鍵都不穩(wěn)定，容易分解，但輔酶B12及其類似物不僅能夠穩(wěn)定存在，而且在催化反應過程中又容易發(fā)生斷裂； 因此對輔酶B12及其相關反應的研究對無機化學、金屬有機化學來說都是一個挑戰(zhàn)；,C-Co鍵的形成,C-Co鍵的形成涉及鈷離子的價態(tài),C-Co鍵的形成可

8、以通過以下三種反應來完成,以Co(II)與碳自由基反應來說明C-Co鍵的形成； Co(II)為d7組態(tài)，與碳自由基反應時，d軌道的一個電子躍遷到S軌道或p軌道，形成d6s1或d6p1電子排布，此單電子即可與碳自由基形成穩(wěn)定的C-Co共價鍵。 上述三種反應中，因為Co(I)與碳正離子的反應容易發(fā)生而被用來制備、合成含C-Co的化合物； 常用方法首先將需要烷基化的Co(III)物種用硼氫化鈉等還原劑還原到Co(I)，再與烷基化試劑反應得到所需要的C-Co的化合物。在此過程中，可以觀測到溶液的顏色變化。 紅色綠色紅色,在生物體系中，輔酶B12參與的酶催化反應過程同樣涉及到C-Co鍵的形成；首先Co(

9、III)狀態(tài)到Co(I)的狀態(tài)是由NADH及FAD等電子供體提供電子，在鈷胺素還原酶的作用下分兩步完成；然后進行烷基化反應，并需要鎂或錳等二價金屬離子的存在下才能順利完成；因此，酶催化反應中C-Co鍵的形成是多種酶、輔因子等共同作用的結果。,C-Co鍵的斷裂,從能量關系上可以看出，C-Co鍵的斷裂發(fā)生均裂反應在能量上是有利的。 輔酶B12及其類似物、含C-Co鍵類的配合物對光不穩(wěn)定，在光照下易發(fā)生C-Co鍵的均裂反應。 加熱的條件下，也可以發(fā)生C-Co鍵的均裂反應。 在強的親核試劑或親電試劑存在下也可以發(fā)生C-Co鍵的異裂反應。,Ribonucleotide reductase (核苷酸還原酶

10、） 在該酶的作用下，核糖體核苷被還原為2-脫氧核糖核苷，這是生物合成DNA的速度決定步驟。二磷酸核苷和三磷酸核苷都是該酶的底物，還原的同時酶蛋白鏈的 兩個半胱氨酸的巰基被氧化成雙硫化合物，隨后又被其它還原劑等還原成巰基。 根據(jù)參與催化反應金屬離子輔因子種類的不同，核苷酸還原酶可以分為四類，本節(jié)介紹的是以B12為輔基的類型II。,第三節(jié) 輔酶B12參與的氧化-還原反應,Nature Structural Biology 9, 293 - 300 (2002),Ribonucleotide reductase reaction mechanism,第三節(jié) 輔酶B12參與的重排反應,輔酶B12在生物體中參與最多的酶催化反應還是重排反應；取代基X與相鄰碳原子之間進行交換；,Glutamate mutase （谷氨酸變位酶）,Diol dehydratase （二醇脫水酶）,Glutamate Mutase,Propane Diol