维生素与辅酶¶

维生素是一类按物种、生命阶段和生理条件下的微量有机营养需要定义的化合物。部分维生素可由前体或内源反应生成，例如人可在皮肤中由 7-脱氢胆固醇生成维生素 D\(_3\)，也能从色氨酸合成一部分烟酸；日照、膳食、吸收和代谢状态共同决定其供给是否达到需要量。¹

维生素与酶反应之间存在多种对应关系。许多 B 族维生素会转化为携带电子、酰基或一碳单元的辅酶；维生素 K 的还原态参与谷氨酸侧链羧化；维生素 C 为若干金属依赖加氧酶维持还原环境。维生素 A、D 更多通过视黄醛或核受体配体发挥作用，维生素 E 则主要在脂质相中截断自由基链反应。“维生素”描述营养需要，“辅酶”描述反应角色。

维生素与辅酶连接酶通论中的辅因子概念和酶的催化机制与调控中的化学机制。辅酶如何把不同反应接成网络，见代谢总论及各条具体代谢通路。

维生素与辅因子分类¶

维生素、辅酶与辅因子的术语边界¶

辅因子（cofactor）是酶活性所需的非蛋白质成分，既可为有机分子，也可为金属离子。IUPAC 对辅酶的经典定义强调可解离、低相对分子质量并在反应中转移基团、氢或电子；实际文献也常把与酶结合很紧的有机辅因子纳入广义辅酶。若非蛋白质成分稳定而紧密地留在蛋白质中，通常称辅基（prosthetic group）；若在每轮反应中进出酶、被暂时化学改变后又由其他反应再生，则常称共底物（cosubstrate）。²

脱辅基酶蛋白（apoenzyme）与所需辅因子组装后形成有活性的全酶（holoenzyme）。实际辅因子体系可以先与底物形成镁离子—三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）络合物 MgATP，也可以共价连接到蛋白质，或由金属与有机配体共同组成复合中心；其装载还会受到转运、伴侣蛋白和细胞区室控制。

脂溶性维生素的主要作用¶

脂溶性只描述吸收和分配的共同物理背景，并不代表 A、D、E、K 采用同一种生化机制。它们随膳食脂质形成混合胶束、进入脂蛋白运输体系的程度不同，储存与清除也不相同。

维生素 A：视黄醛与视黄酸¶

膳食维生素 A 既来自预形成的视黄醇和视黄酯，也来自可转化的维生素 A 原类胡萝卜素；\(\beta\)-胡萝卜素是重要来源，却不是唯一来源。视循环中，11-cis-视黄醛与视蛋白形成感光色素，吸收光子后异构为全反式构型，触发视觉信号并经酶促步骤再生。另一方面，全反式视黄酸结合视黄酸受体（retinoic acid receptor，RAR）和视黄类 X 受体（retinoid X receptor，RXR），改变靶基因转录，从而参与胚胎发育、上皮分化和免疫稳态。视黄酸不能替代视黄醛完成视觉循环。⁴

“维生素 A\(_1\)”通常指以视黄醇为核心的人体主要维生素 A 系列；3,4-脱氢视黄醇又称维生素 A\(_2\)，在一些鱼类和其他脊椎动物中更重要。A\(_1\)/A\(_2\) 分类描述骨架差异，而视黄醇骨架的氧化状态进一步决定其进入感光或转录调节过程。

维生素 D 的活化与内分泌作用¶

紫外线 B 波段（ultraviolet B，UVB）可使皮肤中的 7-脱氢胆固醇形成维生素 D\(_3\)；真菌麦角固醇经光化学反应形成维生素 D\(_2\)。两者先在肝脏形成 25-羟维生素 D，再主要于肾脏生成具有高受体活性的 1,25-二羟代谢物。活性维生素 D 与核内维生素 D 受体结合，通过肠道钙磷吸收、肾脏处理和骨重塑的协同调节维持钙磷稳态。⁵

维生素 C 不是维生素 D 发挥作用的必需辅因子。钙磷稳态还受甲状旁腺激素、成纤维细胞生长因子 23、肾功能和矿物质供给共同控制；把抽筋作为维生素 D 缺乏的特异诊断同样不可靠。

维生素 E 与脂质自由基链反应¶

天然维生素 E 包括四种生育酚和四种生育三烯酚。它们都能向脂质过氧自由基提供氢原子，使链式过氧化不再继续攻击相邻多不饱和脂肪酸；生成的生育酚自由基可在抗氧化网络中被还原。人体肝脏的 \(\alpha\)-生育酚转移蛋白选择性保留并输出 \(\alpha\)-生育酚，因此“人体维生素活性”不能直接按试管中的自由基清除强弱排序。⁶

维生素 E 的命名源自早期动物生殖实验，但人体必需作用的核心证据更指向膜脂保护和神经系统完整性。对蛋白激酶 C、基因表达等作用的研究不能替代这一主线，也不能据体外效应推出大剂量补充的临床获益。

维生素 K 循环与谷氨酸羧化¶

维生素 K\(_1\)（叶绿醌）主要来自绿色植物，维生素 K\(_2\) 是一组侧链长度不同的甲萘醌。内质网中的 \(\gamma\)-谷氨酰羧化酶利用还原型维生素 K、CO\(_2\) 和 O\(_2\)，把特定蛋白质的 Glu 侧链转为 \(\gamma\)-羧基谷氨酸（\(\gamma\)-carboxyglutamate，Gla）；新增的羧基使凝血因子 II、VII、IX、X 以及蛋白 C、S、Z 等能够结合 Ca\(^{2+}\) 与膜表面，也参与骨与软组织中的 Gla 蛋白成熟。反应同时把维生素 K 氧化为环氧化物。⁷

维生素 K 环氧化物还原酶复合体亚基 1（vitamin K epoxide reductase complex subunit 1，VKORC1）把环氧化物循环还原，恢复可供羧化酶使用的形式。华法林类抗凝药通过干扰这一循环降低新生维生素 K 依赖蛋白的充分羧化；二硫苏糖醇（dithiothreitol，DTT）仅在部分实验体系中充当还原剂，体内循环使用生理还原系统。细菌则可把甲萘醌用作呼吸电子载体，这一能量代谢角色与人体凝血中的维生素 K 循环分属不同反应网络。

水溶性维生素与辅酶载体¶

各水溶性维生素具有不同的稳定性、储存能力和辅酶活化步骤。硫胺素怕热和碱，核黄素对光敏感，叶酸可因加工和储存损失，维生素 B\(_{12}\) 则能在体内形成较大储备。多数 B 族维生素先经吸收、磷酸化、腺苷化或还原等步骤成为活性辅酶。

这些表现只能帮助连接生化环节，不能单凭症状诊断一种维生素缺乏。美国国立卫生研究院膳食补充剂办公室（NIH Office of Dietary Supplements，NIH ODS）对各维生素的膳食来源、吸收、缺乏、过量和药物相互作用有持续更新的专业资料。⁸

有机辅酶的反应化学¶

硫胺素二磷酸的碳负离子稳定作用¶

ThDP 的噻唑鎓环可形成稳定化的碳负离子等价体，进攻丙酮酸等羰基底物，并把本来极不稳定的羰基邻位负电荷离域到辅酶环上。这使 \(\alpha\)-酮酸能够脱羧，也使转酮酶能够在糖磷酸之间转移二碳单元。丙酮酸脱氢酶、\(\alpha\)-酮戊二酸脱氢酶和支链 \(\alpha\)-酮酸脱氢酶都以 ThDP 完成首个脱羧步骤。⁹

硫胺素缺乏首先冲击高通量的糖和支链氨基酸氧化，神经与心肌因能量需求高而尤其敏感。ThDP 依赖的羰基化学构成其主要生化作用；淘洗、精制和加热造成的损失则取决于温度、pH 和加工条件。

黄素与烟酰胺的电子转移¶

核黄素形成 FMN 和 FAD，其异咯嗪环可在氧化态、半醌态和完全还原态之间转换，因此能接收或给出一个或两个电子。黄素常与酶紧密结合，把底物的二电子氧化连接到铁硫中心、醌或氧等一电子和二电子受体；琥珀酸脱氢酶、脂酰 CoA 脱氢酶和谷胱甘肽还原酶展示了不同的黄素反应环境。所谓 FMN 或 FAD 的某个吸收峰是实验读数，不是两者功能的定义。¹⁰

烟酸和烟酰胺进入 NAD\(^+\) 与 NADP\(^+\)。烟酰胺环的 C4 位接受一个氢负离子，相当于两个电子和一个质子；另一个质子通常释放到溶液。NAD 与 NADP 的腺嘌呤、烟酰胺部分相同，2′-磷酸主要帮助酶区分代谢池，并不改变烟酰胺环本身的氧化还原化学。细胞常维持较氧化的 NAD 池以接受分解代谢电子，并维持较还原的 NADP 池以支持生物合成和抗氧化；两个池都持续在氧化态和还原态之间循环。¹¹

NAD\(^+\) 还是一类可消耗底物：ADP-核糖基转移酶、聚 ADP-核糖聚合酶和 sirtuin 去酰化酶切开其烟酰胺—核糖键，把 ADP-核糖部分用于修饰或耦联反应。因而 NAD 代谢同时连接能量氧化还原、DNA 损伤应答和蛋白质调控。烟酸也可由色氨酸合成；传统玉米膳食相关癞皮病同时涉及烟酸结合形态、蛋白质组成和加工方式，碱处理可显著提高可利用性。

酰基、羧基与一碳单元载体¶

辅酶 A 与硫辛酰臂的酰基转移¶

泛酸构成辅酶 A 和酰基载体蛋白中 4′-磷酸泛酰巯基乙胺的核心。末端巯基与羧酸形成硫酯；硫酯比普通氧酯更易进行酰基转移，使乙酰 CoA、脂酰 CoA 和琥珀酰 CoA 等既能保存酰基身份，又能把它交给新的亲核体。完整辅酶 A 由 3′-磷酸腺苷二磷酸和泛酰巯基乙胺连接而成，泛酸提供的是其中的核心片段。¹²

硫辛酸在人体内能够合成，通常不作为维生素列入；其活性形式是共价连接在多酶复合体特定 Lys 上的硫辛酰胺。柔性的硫辛酰结构域在多个活性中心之间摆动，既以硫酯携带酰基，也以二硫键／二巯基循环传递电子。它服务于丙酮酸、\(\alpha\)-酮戊二酸和支链 \(\alpha\)-酮酸脱氢酶复合体，也参与甘氨酸裂解系统。¹³

生物素羧基转移与叶酸一碳转移¶

生物素经酶促反应共价接到羧化酶的 Lys 上，形成可移动的生物素酰臂。第一活性位点消耗 ATP，把 HCO\(_3^-\) 活化并暂存为羧基生物素；载体臂再转到第二活性位点，把羧基交给丙酮酸、乙酰 CoA、丙酰 CoA 等受体。因此生物素处理的是由无机碳酸氢盐来的 CO\(_2\) 等价体。生蛋清中的亲和素可紧密结合生物素，长期大量摄入未经加热的蛋清可能妨碍吸收；实验中常用的链霉亲和素则是细菌来源的同类高亲和蛋白。¹⁴

叶酸在细胞中还原为四氢叶酸（THF），并常以多谷氨酸形式保留。THF 的 N5、N10 位可携带甲基、亚甲基、次甲基和甲酰基等不同氧化态的一碳单元，参与嘌呤、胸苷酸、甲硫氨酸和丝氨酸／甘氨酸代谢；它不负责生物素式的 CO\(_2\) 固定。食物叶酸多为多谷氨酸，吸收前需水解；合成叶酸是氧化程度较高的单谷氨酸形式。二氢叶酸还原酶使二氢叶酸还原为 THF，并参与合成叶酸的活化，甲氨蝶呤等药物由此干扰一碳代谢。¹⁵

钴胺素的碳—钴键化学¶

钴胺素的咕啉环配位钴，甲基钴胺素和 5′-脱氧腺苷钴胺素分别具有可反应的 C—Co 键。在人体内，甲基钴胺素参与甲硫氨酸合酶，把 5-甲基-THF 的甲基转给同型半胱氨酸；腺苷钴胺素参与甲基丙二酰 CoA 变位酶，以自由基化学把 L-甲基丙二酰 CoA 重排为琥珀酰 CoA。氰钴胺素和羟钴胺素可转化为这些活性形式，但不是人体两种反应的直接辅酶形态。¹⁶

只有细菌和古菌能完成钴胺素的从头合成，动物经食物链、共生或强化食品取得。人体从回肠吸收维生素 B\(_{12}\) 还依赖胃酸、蛋白酶、内因子与受体介导摄取，因此缺乏常来自吸收障碍，而不只见于完全避免动物性食物者。某些微生物以钴胺素参与核糖核苷酸还原等额外反应，不能把这些反应直接列作人体 B\(_{12}\) 功能。

磷酸吡哆醛的氨基酸反应化学¶

PLP 的醛基先与酶中 Lys 形成内醛亚胺，底物氨基酸进入后置换为外醛亚胺。吡啶环作为电子汇，稳定氨基酸 \(\alpha\)-碳去质子化后形成的负电荷；酶活性位点再通过固定底物几何，选择断开 C\(_\alpha\)—H、C\(_\alpha\)—COO\(^-\) 或 C\(_\alpha\)—侧链中的哪一根键。共同的 PLP 化学由此产生转氨、脱羧、消旋、\(\beta\)／\(\gamma\) 消除与取代等不同反应。¹⁷

PMP 是转氨循环中携带氨基的还原胺形式。PLP 也参与血红素前体合成、神经递质合成和糖原磷酸化酶反应，但赖氨酰氧化酶是铜依赖、以赖氨酸酪氨酰醌为辅基的酶，不是维生素 B\(_6\) 辅酶。把某种产物来自氨基酸代谢写成“PLP 合成该产物”也过于粗略，仍须指出具体酶和断键方向。

抗坏血酸与加氧酶还原环境¶

抗坏血酸是具有烯二醇还原中心的内酯，不是“多羟基酚”。它可逐步给出电子形成半脱氢抗坏血酸和脱氢抗坏血酸。胶原脯氨酰和赖氨酰羟化酶等 Fe\(^{2+}\)/2-氧代戊二酸依赖双加氧酶在偶发的非生产性氧化后会留下 Fe\(^{3+}\)，抗坏血酸帮助恢复 Fe\(^{2+}\)，维持酶的多轮周转；它还参与肉碱和儿茶酚胺生物合成，并通过还原膳食 Fe\(^{3+}\) 改善非血红素铁吸收。¹⁸

人和其他部分动物因缺失有功能的 L-古洛糖酸内酯氧化酶而不能完成抗坏血酸合成。其他动物的合成通路与糖醛酸代谢相连，但这不构成人体可用的补偿途径。坏血病中胶原成熟受损可解释牙龈出血、瘀斑与伤口愈合不良；“刺激免疫”或“改善过敏”之类宽泛表述不能替代具体反应和临床证据。

丙酮酸脱氢酶复合体的辅酶协作¶

丙酮酸脱氢酶复合体把五类辅酶安排成一条连续的物质与电子传递链。E1 上的 ThDP 使丙酮酸脱羧，留下羟乙基中间体；它被氧化为乙酰基并交给 E2 的氧化型硫辛酰臂。硫辛酰臂摆到 E2 催化中心，把乙酰基转给 CoA，生成乙酰 CoA，同时自身成为还原型二氢硫辛酰胺。E3 上的 FAD 接收两个电子恢复硫辛酰二硫键，随后 NAD\(^+\) 再氧化 FADH\(_2\)，生成 NADH。¹⁹

五类辅酶分别稳定中间体、搬运酰基或电子，协同完成总反应：ThDP 稳定碳负离子，硫辛酰臂跨位点搬运酰基与电子，CoA 接收酰基，FAD 在蛋白内部完成近距离氧化，NAD\(^+\) 则把还原当量带离复合体。辅酶结构的差异使总反应拆成可控的小步骤，并减少活泼中间体向溶液扩散。

无机辅因子与解释边界¶

金属离子辅因子¶

金属可稳定负电荷、活化水和底物、维持蛋白质结构，也可在不同氧化态间转移电子。IUPAC 将活性状态下含有功能必需金属离子的酶称为金属酶；“金属激活酶”常用于描述体外加入金属后恢复或增强活性的体系，但两者并非仅凭结合在“内部”还是“表面”就能截然划分。Mg\(^{2+}\) 常先与 ATP 或核酸底物形成络合物，Zn\(^{2+}\) 可稳定结合在催化中心，而错误金属也可能在纯化体系中产生表观活性。²⁰

多数经典硝酸还原酶使用钼辅因子；经过验证的钒酶主要包括某些固氮微生物的替代型钒氮化酶，以及藻类、真菌和细菌中的钒依赖卤过氧化物酶。硒属于非金属元素，并以硒代半胱氨酸进入谷胱甘肽过氧化物酶、硫氧还蛋白还原酶等蛋白质的催化中心。²¹

营养与实验解释边界¶

维生素缺乏表型来自一组依赖反应同时受限。叶酸和 B\(_{12}\) 缺乏都可产生巨幼细胞性贫血，但 B\(_{12}\) 缺乏还会积累甲基丙二酸并损害神经；大量叶酸可改善贫血，却不能修复 B\(_{12}\) 缺乏的神经损害。核黄素又参与 B\(_6\) 活化和色氨酸—烟酸代谢，因此单一营养素状态可改变其他辅酶池。由一个症状反推唯一缺乏，或由一种补充剂升高某个代谢物便推断整体健康获益，都超出了证据。

肠道微生物能合成核黄素、叶酸、生物素、维生素 K 和钴胺素等分子，但合成位置、化学形式、宿主吸收部位和菌群生态共同决定可利用量。例如人体 B\(_{12}\)—内因子复合物主要在回肠吸收，结肠微生物产生的钴胺素不能被视为可靠膳食来源；长链甲萘醌在结肠虽丰富，其对人体维生素 K 需要量的贡献仍有不确定性。

NADH 在 340 nm 的吸收、黄素的可见吸收与荧光、硫胺素氧化产物的荧光都可用于追踪反应，但峰位和强度会受结合状态、pH、光程和其他吸收物影响。表面等离子共振（surface plasmon resonance，SPR）测量表面附近折射率变化，属于通用的无标记结合方法；检测原理与定量边界见光谱测定与生化定量。

参考资料与延伸阅读¶

• Nelson, D. L., Cox, M. M. & Hoskins, A. A. Lehninger Principles of Biochemistry, 8th ed., Chapters 6 and 17–18. Macmillan Learning, 2021.
• IUPAC Gold Book. Cofactors、Coenzyme 与 Metalloenzyme.
• Cooper, G. M. The Central Role of Enzymes as Biological Catalysts. The Cell: A Molecular Approach, 2nd ed.
• Alberts, B. et al. Catalysis and the Use of Energy by Cells. Molecular Biology of the Cell, 4th ed.
• NIH Office of Dietary Supplements. Vitamin and Mineral Fact Sheets.
• Oldenburg, J. et al. The vitamin K cycle. Vitamins and Hormones 78, 35–62 (2008).
• Niki, E. & Traber, M. G. A history of vitamin E. Annals of Nutrition and Metabolism 61, 207–212 (2012).
• Cronan, J. E. Assembly of lipoic acid on its cognate enzymes. Microbiology and Molecular Biology Reviews 80, 429–450 (2016).
• Andreini, C. et al. Metal ions in biological catalysis: from enzyme databases to general principles. Journal of Biological Inorganic Chemistry 13, 1205–1218 (2008).