288: 维生素（Vitamins）

Author: David S. Goodsell Translator: 于 健（PDBj）

维生素 B1（硫胺素）的噻唑环是由酵母和植物中的硫胺素-噻唑合酶产生的。
维生素 B1（硫胺素）的噻唑环是由酵母和植物中的硫胺素-噻唑合酶产生的。 高质量的TIFF图片可以从这里获得。

健康的饮食必须包含细胞正常生长所需的所有营养物质。这些营养物质包括蛋白质（protein）、核酸（nucleic acid）、碳水化合物（carbohydrate）和脂肪（fat），所有这些营养成分都会被分解并用于构建我们自己的分子并提供我们生存所需的能量。同时，我们还需要许多矿物质，例如血液中的（hemoglobin）需要铁，骨骼需要钙。我们还需要少量的 13 种必要维生素。维生素是一种稀有的小分子，用于在我们的细胞中执行重要的工作。这些分子是健康生活所必需的，但我们的细胞无法制造它们。因此，我们需要从食物或维生素补充剂中获取它们。

维生素的演变

这就提出了一个问题：如果这些分子如此重要，为什么我们不能制造它们呢？ 和大多数与生物学相关的事物一样，答案可以在进化中找到。在我们远古祖先的进化过程中，这些分子可以在普通饮食中自由地摄取，因此没有从头开始制造它们的巨大压力。另外，由于这些分子许多在化学层面上难以构建，因此存在着反对花费资源来制造它们的选择性压力。换句话说，在我们遥远的家谱中的某个节点，制造这类分子带来的安全性不足以支付相应的成本，因此便永远失去了制造它们的能力。

自杀酶

生成维生素 B1（硫胺素）（vitamin B1 (thiamine)）的酶就是这种进化权衡的一个很好的例子。在植物和酵母细胞中，不同寻常的噻唑环（thiazole ring）是由硫胺噻唑合酶（thiamine thiazole synthase）产生的。当研究人员研究了这种酶的结构（PDB ID 3fpz）时，他们发现链中位于 205 位的一个半胱氨酸缺失了一个硫原子。进一步的研究表明，该酶在反应过程中提供了这个硫原子，并用它来构建噻唑环。因此，硫胺-噻唑合成酶是一种 "自杀酶"，只能起一次作用。这使得硫胺素的生产成本非常高，酵母细胞必须大量生产这种蛋白质。由于我们（和其他动物）食用富含硫胺素的植物，因此我们不必承担制造这种一次性酶的成本，也不必自己制造硫胺素。

致命后果

维生素 C（抗坏血酸）和胶原脯氨酰 4-羟化酶。这种酶有一个与胶原蛋白纤维结合的胶原蛋白结合位点和另一个进行反应的催化位点。
维生素 C（抗坏血酸）和胶原脯氨酰 4-羟化酶。这种酶有一个与胶原蛋白纤维结合的胶原蛋白结合位点和另一个进行反应的催化位点。 高质量的TIFF图片可以从这里获得。

维生素是通过其与历史疾病的联系而被发现的，这些疾病是由于人们没有这种分子的饮食来源而引起的。例如，几个世纪前，远航的水手患有坏血病（scurvy），这是一种因无法制造（collagen）而引起的疾病。原因是饮食中缺乏维生素 C（抗坏血酸）（vitamin C (ascorbic acid)），最终通过在航行中携带大量柑橘类水果解决了这一问题。今天，我们可以在分子层面上详细了解这种疾病的细节。胶原脯氨酰 4-羟化酶（collagen prolyl 4-hydroxylase，此处显示的是 PDB 条目 7zsc 和 4bta 的 结构）将脯氨酸（proline）转化为羟基脯氨酸（hydroxyproline），这对于健康结缔组织中胶原纤维的紧密堆积和相互作用至关重要。该酶在此反应中使用铁硫簇，并且不需要的副反应有时会使该簇失活。这就是维生素 C 发挥作用的地方：它是一种强大的抗氧化剂，可以恢复铁原子的适当氧化状态，从而恢复酶的活性。

吃胡萝卜

一种类似于蓝藻类胡萝卜素加氧酶（下）的酶将 β-胡萝卜素降解为两分子维生素 A（上）。
一种类似于蓝藻类胡萝卜素加氧酶（下）的酶将 β-胡萝卜素降解为两分子维生素 A（上）。 高质量的TIFF图片可以从这里获得。

我们从食物中获取大部分维生素，但在现代社会，许多加工食品都添加了维生素，从而确保我们随时都能摄入足够的维生素。在大多数情况下，我们直接从食物中获取维生素。这是因为我们食用的植物和动物在它们自己的细胞中使用维生素的方式与我们相同。在其他情况下，维生素是从用于其他功能的分子中产生的。例如，植物中含有色彩丰富的β-胡萝卜素（beta-carotene）分子，它能吸收特定波长的光，从而呈现出鲜艳的颜色。胡萝卜是β-胡萝卜素的典型来源，这种成分使胡萝卜呈现橙色。我们的细胞利用胡萝卜素加氧酶（carotene oxygenase）将β-胡萝卜素分成两个独立的分子，每个分子都是一个有效的维生素 A（视黄醛）（vitamin A (retinal)）分子。视黄醛也会吸收光线，在我们的眼中是由受体蛋白 (rhodopsin) 来使用它的。这里显示的是一种源自蓝藻的蛋白质（PDB 条目 2biw），与制造视黄醛的酶相似。还可以在AF_AFQ9HAY6F1中找到预测人类酶的模型。

交易的艺术

维生素 K（左）和维生素 K 环氧化物还原酶（右，维生素显示为橙色）。
维生素 K（左）和维生素 K 环氧化物还原酶（右，维生素显示为橙色）。 高质量的TIFF图片可以从这里获得。

维生素具有有用的化学特性。维生素 A 具有特定用途，能感知眼睛中的光线。B族维生素是多面手，能很好地将化学基团（或单个电子）传递到需要的地方，并用于各种酶。维生素C和维生素E是抗氧化剂，能保护我们的分子免受损害，而维生素D则作为一种激素来传递信息。维生素 K被某些酶所利用，例如第X因子（Factor X），这些酶可以修饰参与血液凝固的蛋白质中的谷氨酸，使其与细胞表面紧密结合。它是强效抗凝剂华法林（warfarin）的靶标。维生素 K 有多种用途，  在植物中它被称为 "植物醌"（phyloquinone），有助于管理（human papillomavirus and vaccine）等蛋白质中的电子转移。

准备工具

(左图）人类核黄素激酶和酵母 FAD 合成酶。(右图）两种酶合成 FAD 的步骤。
(左图）人类核黄素激酶和酵母 FAD 合成酶。(右图）两种酶合成FAD的步骤。 高质量的TIFF图片可以从这里获得。

B 族维生素用于运输化学基团和电子，因此需要由使用它们的酶非常小心地定位。然而，由于某些 B 族维生素分子较小，难以管理，因此细胞会给它们添加方便的化学处理剂。例如，在核黄素（维生素 B2）}（riboflavin (vitamin B2)）中加入核苷酸形成FAD，在烟酸（维生素 B3）（niacin (vitamin B3)）中加入类似的柄状部分可生成NAD。有两种酶可制备供使用的核黄素：首先，核黄素激酶（riboflavin kinase，PDB 条目 1p4m）加入磷酸，然后FAD 合成酶（FAD synthetase，PDB 条目 2wsi）加入核苷酸。

自制维生素 

阳光能将一种胆固醇（上图）转化为维生素 D3（下图）。
阳光能将一种胆固醇（上图）转化为维生素 D3（下图）。 高质量的TIFF图片可以从这里获得。

有两种维生素在名单中占有一席之地：我们的细胞能够制造它们，但有时产量还不够。烟酸（维生素 B3）用于制造NADH，它是所有生物合成和能量产生途径中使用的核心电子载体。例如，它将电子从糖酵解（glycolysis）和（citric acid cycle）的酶携带到巨大的NADH脱氢酶复合体（NADH dehydrogenase complex）。虽然我们的细胞可以从氨基酸色氨酸中制造烟酸，但这一过程效率很低，我们主要依靠从膳食中摄取。维生素 D 是通过皮肤暴露在阳光下，一种胆固醇发生化学重组而形成的。如果您生活在阳光充足的地区，这完全没有问题，但如果不是，您可能需要从鱼肝油或其他膳食补充剂中获取。

特快专递

维生素 E（上图）和生育酚转移蛋白（下图）。
维生素 E（上图）和生育酚转移蛋白（下图）。 高质量的TIFF图片可以从这里获得。

在某些情况下，我们的身体需要特别努力才能将维生素输送到需要的地方。例如，维生素 E（生育酚）（vitamin E (tocopherol)）是一种脂溶性抗氧化剂，可以保护我们的细胞膜。由于它不太溶于水，所以我们制造了一种携带生育酚的蛋白质，通过血液将其运送到需要的地方。这种蛋白质的结构（PDB 条目 3w67）显示，维生素在蛋白质内部受到保护，但一旦到达目标细胞，附近沟槽中的脂质就会与之结合，并打开蛋白质，使维生素得以释放。

探索结构

维生素 B12 的作用

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最大的维生素--维生素 B12（钴胺素）（vitamin B12 (cobalamin)）仅被我们细胞中的少数酶所利用。这里显示的是甲基丙二酸辅酶 A 突变酶（methylmalonyl coenzyme A mutase，PDB 条目 4req），它能将甲基丙二酸（methylmalonate）和琥珀酸（succinate）相互转化。在反应过程中，使用维生素 B5生成的分子通过辅因子辅酶 A 靠近维生素 B12。这是分解氨基酸并将其转化为琥珀酸的燃料过程中的一个重要步骤。该结构包含两种状态的分子。这一反应是由维生素 B12 中心的钴原子在附近脱氧腺苷（deoxyadenosine）分子的帮助下完成的。点击图表下方的按钮，切换到交互式可操作图像，详细查看该结构。

进一步的讨论议题

  1. PDB 档案中的许多结构都包含维生素分子。如果您访问某个维生素的 PDBj 化合物页面并查看 "相关 PDB 条目 "选项卡，就会发现包含该分子的 PDB 条目。例如，如果您查看维生素B12的页面，就会发现它目前包含在 100 多个条目中。
  2. 有关维生素来源及其健康益处的更多信息，请参阅美国国立医学图书馆网页（英文）。

参考文献

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本文是由RCSB PDB的PDB-101提供的《当月的分子》2023年12月的文章的中文翻译。请参考我们的条款和条件页面。

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