第三章 维生素（Vitamins）
维生素是维持人和动物机体健康所必须的一类营养素，本质为低分子有机化合物，它们不能在体内合成，或者所合成的量难以满足机体的需要，所以必须由食物供给。维生素的每日需要量甚少(常以毫克或微克计)，它们既不是构成机体组织的原料，也不是体内供能的物质，然而在调节物质代谢、促进生长发育和维持生理功能等方面却发挥着重要作用，如果长期缺乏某种维生素，就会导致疾病(avitaminosis)。
维生素的种类很多，通常按其溶解性分为脂溶性维生素和水溶性维生素两大类。
脂溶性维生素包括：
维生素A(视黄醇retinol)
维生素D(钙化醇calciferol)
维生素E(生育酚tocopherol)
维生素K(凝血维生素)
水溶性维生素包括：
维生素B复合体，其中有：
维生素B1(硫胺素thiamine)
维生素B2(核黄素riboflavin)
维生素PP(尼克酸及尼克酰胺nicotinic acid and nicotinamide)
维生素B6(吡哆醇pyndoxine及其醛、胺衍生物)
泛酸(遍多酸pantothenic acid)
生物素(biotin)
硫辛酸(lipoic acid)
叶酸(folic acid)
维生素B12(钴胺素cobalamin)
维生素C(抗坏血酸ascorbic acid)
维生素P(通透性维生素)
第一节 脂溶性维生素
脂溶性维生素中以维生素A和D在营养上更为重要，缺少他们将分别引起维生素A或D缺乏病。维生素E缺乏病仅在动物实验时观察到，至于维生素K，因肠道细菌可以合成它，所以人类维生素K缺乏病多系吸收障碍或因长期使用抗生素或维生素K的代谢拮抗药(metabolic antagonists)所致。
一、化学特点
1.维生素A
维生素A是由β-白芷酮环和两分子2-甲基丁二烯构成的不饱和一元醇。一般所说维生素A系指A1而言，存在于哺乳动物和咸水鱼肝脏中。在淡水鱼肝油中尚发现另一种维生素A，称为A2，其生理效用仅及A1的40%。从化学结构上比较，维生素A2在β-白芷酮环上比A1多一个双键。
维生素A的侧链含有4个双链，故可形成多种顺反异构体，其中较重要的有全反型(AⅡ-trans)和Ⅱ-顺型（11-cis)。视黄醇在体内可被氧化成视黄醛(retinal)，此反应是可逆的。
视黄醛进一部被氧化则成视黄酸(retinoic acid)，但此反应在体内是不可逆的。
视黄醇是黄色片状结晶，通常与脂肪酸形成酯存在于食物中。不论是维生素A1或A2都可与三氯化锑起反应，呈现深兰色。这种性质可用于测定维生素A。
维生素A的化学性质活泼，易被空气氧化而失去生理作用，紫外线照射亦可使之破坏，故维生素A的制剂应装在棕色瓶内避光贮存。
维生素A只存在于动物性食品(肝、蛋、肉)中，但是在很多植物性食品如胡萝卜、红辣椒、菠菜、芥菜等有色蔬菜中也含有具有维生素A效能的物质，例如各种类胡萝卜素(carotenoid)，其中最重要者为β-胡萝卜素(β-carotene)。
β-胡萝卜素可被小肠粘膜或肝脏中的加氧酶(β-胡萝卜素-15，15′-加氧酶)作用转变成为视黄醇，所以又称做维生素A元(provitamin A)。尽管理论上1分子β-胡萝卜素可以生成2分子维生素A，但由于胡萝卜素的吸收不良，转变有限，所以实际上6微克β-胡萝卜素才具有1微克维生素A的生物活性。
食物中的维生素A酯在小肠受酯酶的作用而水解，所产生的脂肪酸和维生素A进入小肠上皮细胞后又重新合成维生素A酯，并掺入乳糜微粒，通过淋巴转运，贮存于肝脏。肝脏中的维生素A可应机体需要向血中释放。血浆中的维生素A是非酯化型的。它与视黄醇结合蛋白(RBP)结合而被转运。食物中的类胡萝卜素经小肠吸收后主要在小肠粘膜转变为维生素A，一部分也可在肝脏中进行此种转变。
2.维生素D
维生素D系固醇类的衍生物，人体内维生素D主要是由7-脱氢胆固醇经紫外线照射而转变，称为维生素D3或胆钙化醇(cholecalciferol)。植物中的麦角固醇经紫外线照射后可产生另一种维生素D，称为维生素D2或钙化醇。
两种维生素D具有同样的生理作用。人体主要从动物食品中获取一定量的维生素D3(它常与维生素A共同存在)，而植物中的麦角固醇除非经过紫外线照射(转变为维生素D2)，否则很难被人体吸收利用。然而，正常成人所需要的维生素D主要来源于7-脱氢胆固醇的转变。7-脱氢胆固醇存在于皮肤内，它可由胆固醇脱氢产生，也可直接由乙酰CoA合成。人体每日可合成维生素D3200?00国际单位(1国际单位=0.025微克维生素D3)，因此只要充分接受阳光照射，即完全可以满足生理需要。
不论维生素D2或D3，本身都没有明显的生理活性，它们必须在体内进行一定的代谢转化，才能生成活性的化合物，即活性维生素D。(参阅第十八章)
图3-1 维生素D2和D3的生成
维生素D2及D3均为无色针状结晶，易溶于脂肪和有机溶剂，除对光敏感外，化学性质一般较稳定。
3.维生素E
维生素E又称为生育酚，已经发现的生育酚有α、β、γ和δ四种，其中以α-生育酚的生理效用最强。它们都是苯骈二氢吡喃的衍生物。α-生育酚的结构如下：
维生素E为油状物，具有特异的紫外吸收光谱(295nm波长处)，在无氧状况下能耐高热，并对酸和碱有一定抗力，但对氧却十分敏感，是一种有效的抗氧化剂。维生素E被氧化后即失效。
4.维生素K
维生素K是2-甲基1，4-萘醌的衍生物，自然界已发现的有两种，存于绿叶植物中者为维生素K1，肠道细菌合成者为维生素K2，它们的结构如下。
1，4-萘醌即具有维生素K的作用，尤以2-甲基1，4-萘醌的作用最强，为天然维生素K效力的三倍，但其毒性较大。2-甲基1，4-萘醌又称维生素K3，水溶性，可以人工合成，现在药用维生素K多为其还原性衍生物或亚硫酸钠盐。
二、生理作用
1.维生素A 维生素A的生理作用主要表现在以下三个方面。
(1)构成视网膜的感光物质，即视色素。已知维生素A的缺乏主要影响暗视觉，与暗视觉有关的是视网膜杆状细胞中所含的视紫红质(visual purple,又名rhodopsin)。视紫红质是由维生纱A的醛衍生物(视黄醛)与蛋白质结合生成的、视蛋白与视黄醛的结合要求后者具有一定的构型，体内只有11-顺位的视黄醛才能与视蛋白结合，此种结合反应需要消耗能量并且只在暗处进行，因为视紫红质遇光则易分解。视紫红质对弱光非常敏感，甚至一个光量子即可诱发它的光化学反应，导致其最终分解成视蛋白和全反位视黄醛。
视紫红质
↓
前光视紫红质
↓
光视紫红质
↓
间视紫红质Ⅰ
↓
间视紫红质Ⅱ
↓
视蛋白+全反位视黄醛
因为在此过程中视紫红质分解而退色，所以又叫做“漂白”(bleaching)、视紫红质的漂白是放能反应，通过视杆细胞外段特有的结构，能量转换为神经冲动，引起视觉。由于视紫红质的分解，残留在视网膜内的视紫红质的量甚少，若不及时再合成，则视网膜就不能再感受弱光的刺激，此时在光线弱的暗处就看不见物体了。然而，由视紫红质分解所产生的全反位视黄醛可以经还原、异构转变为11-顺位视黄醇，并进一步又氧化成11-顺视黄醛。这样，在暗处11-顺视黄醛又可与视蛋白结合再生成视紫红质，如下图所示。
图3-2 视紫红质的合成、分解与视黄醛的关系
人们从强光下转而进入暗处，起初看不清物体，但稍停一会儿，由于在暗处视紫红质的合成增多，分解减少，杆细胞内视紫红质含量逐渐积累，对弱光的感受性加强，便又能看清物体，这一过程称为暗适应(dark adaptation)。从上图可以看出，当维生素A缺乏时，11-顺视黄醛得不到足够的补充，杆细胞内视紫红质的合成减弱，暗适应的能力下降，可致夜盲(night blindness)，祖国医学称此症状为“雀目”。
(2)维持上皮结构的完整与健全
维生素A是维持一切上皮组织健全所必需的物质，缺乏时上皮干燥、增生及角化，其中以眼、呼吸道、消化道、泌尿道及生殖系统等的上皮影响最为显著。在眼部，由于泪腺上皮角化，泪液分泌受阻，以致角膜、结合膜干燥产生干眼病(xerophthalmia)，所以维生素A又称为抗干眼病维生素。皮脂腺及汗腺角化时，皮肤干燥，毛囊周围角化过度，发生毛囊丘疹与毛发脱落。由于上皮组织的不健全，机体抵抗微生物侵袭的能力降低，容易感染疾病。
(3)促进生长、发育
缺乏维生素A时，儿童可出现生长停顿、骨骼成长不良和发育受阻。在缺乏维生素A的雌性大鼠则出现排卵减少，影响生殖。
维生素A如何维持上皮组织的健全和促进儿童和幼小动物的生长、发育其机理尚未完全阐明。近年来的研究表明，维生素A(视黄醇)及其衍生物视黄酸可影响上皮细胞的分化过程。缺乏维生素A则培养中的上皮细胞趋向于分化为复层鳞状上皮，而向培养基中添加维生素A则减弱此种表型的表达，刺激粘液分泌上皮的形成。再从分子机制上探讨则发现维生素A具有类固醇激素样的作用，通过与细胞内受体结合，形成复合物转位于细胞核内，启动某种基因的转录和促进某种蛋白质的合成(参看代谢调节一章)。此种作用已在角质细胞的角蛋白合成和胚胎癌细胞的Ⅳ型胶原蛋白合成中得到证实。视黄酸还有促进胚胎的正常发育和分化以及对抗促癌剂(promoters)的作用。然而，有人认为维生素A的抗癌作用不在于它的对基因表达的调整，而是与它对细胞表面的作用有关。已知维生素A可促进糖蛋白的合成，特别是作为细胞表面受体的糖蛋白和纤维粘连蛋白(fibronectin)的合成。癌变细胞其表面因缺乏纤维粘连蛋白而丧失正常粘附能力，此缺陷可被维生素A所逆转。维生素A还使细胞表面上的EGF受体(上皮生长因子受体)数目增加，通过促进EGF与细胞的结合而促进生长。
2.维生素D
维生素D能促进小肠对食物中钙和磷的吸收，维持血中钙和磷的正常含量，促进骨和齿的钙化作用，详见第18章钙磷代谢。
3.维生素E
维生素E与动物生殖机能有关，雌性动物缺少维生素E则失去正常生育能力，一般虽能受孕，但由于子宫机能障碍，易引起胎儿死亡及吸收、导致流产。在雄性动物缺少维生素E则睾丸生殖上皮发生退行性变，伴有输精管萎缩，精子退化，尾部消失，丧失活动力。在人类单纯由于缺少维生素E而发生的病尚属罕见，但在临床上它可作为药物使用，治疗某些习惯性流产，有时能收到一定效果。
实验研究表明，维生素E有稳定不饱和脂肪酸的作用，缺少维生素E则体内脂肪组织中的不和脂肪酸易于被过氧化物氧化而聚合，此种过氧化物聚合物一方面使得皮下脂肪熔点升高，刺激组织引起病变，形成硬皮症，另一方面它对神经、肌肉及血管等组织亦起着有害作用，动物缺少维生素E则其横纹肌萎缩或瘫痪，肌纤维甚至可以坏死。维生素E对脂肪代谢和肌肉代谢的调节作用是与它本身的化学性质相关的。因为维生素E对氧非常敏感，是一种强有力的抗氧化剂，可以降低组织的氧化速度。当它与不饱和脂肪酸共存时则可防止后者被过氧化物氧化。同样，肠道内或肝脏内的维生素A亦可因维生素E之存在而减少其被氧化破坏。维生素E的此种抗氧化剂作用常应用来保存维生素A制剂和各种食用油脂。
此外，维生素E尚能促进与生物氧化有关的辅酶Q(参与第6章)的合成。
4.维生素K
维生素K可以促进肝脏合成多种凝血因子，因而促进血液凝固，详见第14章。