第十章B12辅酶及其相关化学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第十章第十章 B12辅酶及其相关化学辅酶及其相关化学v第一节第一节 概述概述v第二节第二节 C-Co键形成与断裂v第三节第三节 氧化还原反应氧化还原反应v第四节第四节 重排反应重排反应v第五节第五节 甲基转移反应甲基转移反应第1页 在在生生物物体体系系中中，普普通通金金属属蛋蛋白白和和金金属属酶酶活活性性中中心心金金属属离离子子与与生生物物配配体体间间作作用用主主要要依依靠靠金金属属离离子子与与配配位位原原子子（X=N,O,S,X=N,O,S,P P）间间相相互互作作用用，形形成成配配位位键键(M-X)(M-X)。而而利利用用金金属属有有机机键键，即即M-C M-C 键键来来结结合合金金属属离离子子实实例例在在生生物物体体系系中中却却极极少少见见，其其中中已已经经知知道道一一个个例例子子就就是是辅辅酶酶B12B12，钴钴离离子子周周围围除除了了CoNCoN配位键之外，还有配位键之外，还有CoCCoC键。键。辅酶辅酶B B1212本身不是一个蛋白分子，然而它使许多酶催化反应所必需辅酶。本身不是一个蛋白分子，然而它使许多酶催化反应所必需辅酶。维生素维生素B B1212能有效地治疗恶性贫血，所以引发人们注意。能有效地治疗恶性贫血，所以引发人们注意。维维生生素素 B B1212是是主主要要含含钴钴生生物物配配位位化化合合物物。它它存存在在于于细细菌菌及及许许多多生生物物体体内内。动动物物组组织织中中维维生生素素B B1212，一一部部分分由由食食物物中中摄摄取取，一一部部分分由由肠肠道道中中细细菌菌合合成成。人体本身不能合成维生素人体本身不能合成维生素B B1212。第一节第一节 概述概述第2页金属钴主要生理功效v钴钴也也是是人人体体中中一一个个必必需需微微量量元元素素，正正常常成成人人体体内内总总含含量量仅仅1.11.5毫毫克克。各各组组织织器器官官中中以以肝肝脏脏含含量量最最高高。钴钴主主要要生生理理功功效效在在于于它它能能刺刺激激造造血血系系统统，加加速速造造血血并并参参加加造造血血过过程程。它它能能促促进进肠肠道道对对铁铁吸吸收收，促促进进铁铁入入骨骨髓髓中中参参加加造造血血。钴钴盐盐能能够够增增加加血血红红蛋蛋白白含含量量、促促进进血血红红细细胞胞生生成成。迄迄今今还还未未发发觉觉人人体体单单纯纯缺缺钴钴表表现现，所以钴推荐量尚难以预计。所以钴推荐量尚难以预计。v钴钴缺缺乏乏：现现发发觉觉钴钴缺缺乏乏与与血血压压升升高高和和心心血血管管疾疾病病发发生生有有一一定定关关系。系。v钴钴过过量量：当当摄摄入入量量过过量量时时可可引引发发中中毒毒，如如使使用用钴钴盐盐(氯氯化化钴钴)时时，常常表表现现为为皮皮肤肤潮潮红红、胸胸骨骨后后疼疼痛痛、恶恶心心、呕呕吐吐、耳耳鸣鸣及及神神经经性性耳耳聋聋，还还可可出出现现红红细细胞胞增增多多症症，重重者者造造成成缺缺氧氧紫紫绀绀、昏昏迷迷甚甚至至死亡。死亡。第3页 维生素维生素B B1212及其衍生物结构及其衍生物结构组成组成：咕啉环：咕啉环（corrincorrin）4 4个吡咯环，个吡咯环，6 6个双键，个双键，8 8个甲基，个甲基，7 7个酰胺取代基个酰胺取代基 其中其中3 3个乙酰胺，个乙酰胺，3 3个丙酰胺，个丙酰胺，1 1个个N-N-取代丙酰胺）取代丙酰胺）核糖核苷酸部分核糖核苷酸部分，即二甲基苯并咪唑核苷酸，即二甲基苯并咪唑核苷酸 钴离子钴离子：CoCo3+3+,LS,d,LS,d6 6;钴胺素钴胺素(cobalamin)(cobalamin)，凡是第五配体为二甲基苯并咪唑核苷酸；，凡是第五配体为二甲基苯并咪唑核苷酸；维生素维生素B B1212 ：第六配体是第六配体是CNCN-,又称为氰钴素又称为氰钴素(cyanocobalamin)(cyanocobalamin)水合钴胺素水合钴胺素：第六配体是水；：第六配体是水；甲基钴胺素甲基钴胺素：第六配体是甲基；：第六配体是甲基；生物体内起辅酶作用钴胺素已分离出生物体内起辅酶作用钴胺素已分离出3 3种：种：腺苷钴胺素腺苷钴胺素（辅酶（辅酶B B1212）;苯并咪唑钴胺素苯并咪唑钴胺素；二甲基苯并咪唑钴胺素二甲基苯并咪唑钴胺素;MeBMeB1212 与与AdoBAdoB1212 都含有都含有CoCCoC键，是自然界罕见有机金属化合物键，是自然界罕见有机金属化合物。第4页特点特点:Porphyin:平面性平面性,刚性强刚性强,构象稳定构象稳定Corrin:全部原子不在一个平面上，刚性小，构象易变。全部原子不在一个平面上，刚性小，构象易变。第5页卟卟 吩吩咕咕 啉啉第6页Cobalamin derivatives.第7页第8页coenzymeB12cyanocobalamin第9页Cyanocobalamin晶体结构晶体结构第10页 几乎不含于植物性食物维生素几乎不含于植物性食物维生素B12，是素食者最轻易缺乏，是素食者最轻易缺乏维生素，也是红血球生成不可缺乏主要元素，假如严重缺乏，维生素，也是红血球生成不可缺乏主要元素，假如严重缺乏，将造成恶性贫血！将造成恶性贫血！维生素维生素B12是相当尤其维生素，蔬菜中几乎完全找不到，是相当尤其维生素，蔬菜中几乎完全找不到，只有紫菜及海藻类植物。另外，维生素只有紫菜及海藻类植物。另外，维生素B12也是唯一含矿物质也是唯一含矿物质维生素，因含钴而呈红色，又称红色维生素，是少数有色维维生素，因含钴而呈红色，又称红色维生素，是少数有色维生素。生素。【主要食物起源主要食物起源】动物肝脏、肾脏、牛肉、猪肉、鸡肉、鱼类、蛤类、蛋、动物肝脏、肾脏、牛肉、猪肉、鸡肉、鱼类、蛤类、蛋、牛奶、乳酪、乳制品牛奶、乳酪、乳制品维生素维生素B12第11页Lobster,Chicken,Steak第12页【维生素维生素B12主要生理功效主要生理功效】作作为为甲甲基基转转移移酶酶辅辅因因子子，参参加加蛋蛋氨氨酸酸、胸胸腺腺嘧嘧啶啶等等合合成成，如如使使甲甲基基四四氢氢叶叶酸酸转转变变为为四四氢氢叶叶酸酸而而将将甲甲基基转转移移给给甲甲基基受受体体（如如同同型型半半胱胱氨氨酸酸），使使甲甲基基受受体体成成为为甲甲基基衍衍生生物物（如如甲甲硫硫氨氨酸酸即即甲甲基基同同型型半半胱胱氨氨酸酸。所所以以维维生生素素B12可可促促进进蛋蛋白白质质生生物物合成，缺乏时影响婴幼儿生长发育。合成，缺乏时影响婴幼儿生长发育。保保护护叶叶酸酸在在细细胞胞内内转转移移和和贮贮存存。维维生生素素B12缺缺乏乏时时，人人类类红红细细胞胞叶叶酸酸含含量量低低，肝肝脏脏贮贮存存叶叶酸酸降降低低，这这可可能能与与维维生生素素B12缺缺乏乏，造造成成甲甲基基从从同同型型半半胱胱氨氨酸酸向向甲甲硫硫氨氨酸酸转转移移困困难难相相关关，甲甲基基在在细细胞胞内内聚聚集集,损损害害了了四四氢氢叶叶酸酸在在细细胞胞内内贮贮存存,因因为为四四氢氢叶叶酸酸同甲基结合成甲基四氢叶酸倾向强，后者合成多聚谷氨酸。同甲基结合成甲基四氢叶酸倾向强，后者合成多聚谷氨酸。第13页辅酶辅酶B12主要功效：主要功效：参加碳代谢，促进核酸和蛋白质合成，叶酸贮存，硫醇活参加碳代谢，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。化，骨磷脂形成，红细胞发育与成熟。Enzyme reactionReduction Ribonucleotide reductase(核苷酸还原酶）核苷酸还原酶）第14页Rearrangement Glutamate mutase （谷氨酸变位酶）（谷氨酸变位酶）Diol dehydratase （二醇脱水酶）（二醇脱水酶）Methyl transfer Methionine synthetase（蛋氨酸合成酶）（蛋氨酸合成酶）第15页第二节第二节 C-Co键形成与断裂键形成与断裂v辅酶B12参加酶催化反应体系中，都与其中C-Co键形成和断裂相关；v与常见金属酶和金属蛋白金属-氮、金属-氧等配位键不一样，金属-碳键为键，是金属与碳之间形成共价键；v普通来说，金属-碳键都不稳定，轻易分解，但辅酶B12及其类似物不但能够稳定存在，而且在催化反应过程中又轻易发生断裂；v所以对辅酶B12及其相关反应研究对无机化学、金属有机化学来说都是一个挑战；第16页C-Co键形成C-Co键形成包括钴离子价态C-Co键形成能够经过以下三种反应来完成第17页v以以Co(II)与碳自由基反应来说明与碳自由基反应来说明C-Co键形成；键形成；Co(II)为为d7组组态，与碳自由基反应时，态，与碳自由基反应时，d轨道一个电子跃迁到轨道一个电子跃迁到S轨道或轨道或p轨轨道，形成道，形成d6s1或或d6p1电子排布，此单电子即可与碳自由基形电子排布，此单电子即可与碳自由基形成稳定成稳定C-Co共价键。共价键。v上述三种反应中，因为上述三种反应中，因为Co(I)与碳正离子反应与碳正离子反应轻易发生而被用轻易发生而被用来制备、合成含来制备、合成含C-Co化合物；化合物；v惯用方法首先将需要烷基化惯用方法首先将需要烷基化Co(III)物种用硼氢化钠等还原剂物种用硼氢化钠等还原剂还原到还原到Co(I)，再与烷基化试剂反应得到所需要，再与烷基化试剂反应得到所需要C-Co化合物。化合物。在此过程中，能够观察到溶液颜色改变。在此过程中，能够观察到溶液颜色改变。红色红色绿色绿色红色红色第18页在生物体系中，辅酶在生物体系中，辅酶B12参加酶催化反应过程一样包括到参加酶催化反应过程一样包括到C-Co键形成；首先键形成；首先Co(III)状态到状态到Co(I)状态是由状态是由NADH及及FAD等电子等电子供体提供电子，在钴胺素还原酶作用下分两步完成；然后进行供体提供电子，在钴胺素还原酶作用下分两步完成；然后进行烷基化反应，并需要镁或锰等二价金属离子存在下才能顺利完烷基化反应，并需要镁或锰等二价金属离子存在下才能顺利完成；成；所以，酶催化反应中所以，酶催化反应中C-Co键形成是各种酶、辅因子等共同键形成是各种酶、辅因子等共同作用结果。作用结果。第19页C-Co键断裂第20页v从能量关系上能够看出，从能量关系上能够看出，C-Co键断裂发生键断裂发生均裂反应均裂反应在能量上是有利。在能量上是有利。v辅酶辅酶B12及其类似物、含及其类似物、含C-Co键类配合物对光不稳键类配合物对光不稳定，在光照下易发生定，在光照下易发生C-Co键键均裂反应。均裂反应。v加热条件下，也能够发生加热条件下，也能够发生C-Co键均裂反应。键均裂反应。v在强亲核试剂或亲电试剂存在下也能够发生在强亲核试剂或亲电试剂存在下也能够发生C-Co键键异裂反应。异裂反应。第21页v Ribonucleotide reductase(核苷酸还原酶）核苷酸还原酶）v在在该该酶酶作作用用下下，核核糖糖体体核核苷苷被被还还原原为为2-脱脱氧氧核核糖糖核核苷苷，这这是是生生物物合合成成DNA速速度度决决定定步步骤骤。二二磷磷酸酸核核苷苷和和三三磷磷酸酸核核苷苷都都是是该该酶酶底底物物，还还原原同同时时酶酶蛋蛋白白链链 两两个个半半胱胱氨氨酸酸巯巯基基被被氧氧化化成成双双硫化合物，随即又被其它还原剂等还原成巯基。硫化合物，随即又被其它还原剂等还原成巯基。v依依据据参参加加催催化化反反应应金金属属离离子子辅辅因因子子种种类类不不一一样样，核核苷苷酸酸还还原原酶能够分为四类，本节介绍是以酶能够分为四类，本节介绍是以B12为辅基类型为辅基类型II。第三节第三节 辅酶辅酶B12参加氧化参加氧化-还原反应还原反应第22页第23页Nature Structural Biology9,293-300()第24页第25页第26页Ribonucleotide reductase reaction mechanism第27页第三节第三节 辅酶辅酶B12参加重排反应参加重排反应辅酶B12在生物体中参加最多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）（谷氨酸变位酶）Diol dehydratase（二醇脱水酶（二醇脱水酶）第28页第29页Glutamate Mutase第30页第31页Propane Diol Dehydratase第32页第33页第五节第五节 辅酶辅酶B12参加甲基转移反应参加甲基转移反应v生物体系中，一个主要酶催化反应需要在辅酶B12类似物-甲基钴胺素存在下才能完成，这就是甲基转移反应，催化这种反应酶称之为甲基转移酶（methyltransferase)。v代表性酶：Methionine synthetase（蛋氨酸合成酶）（蛋氨酸合成酶）第34页蛋氨酸合成酶蛋氨酸合成酶第35页第36页