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钴——构建基因密码的“幕后英雄”
www.quanyy.com         2014-09-10

  维生素B12,人体不可缺少的营养物质之一。它是特别的,不只因为它那迷人的红色,更因为它是唯一一种含有金属元素的维生素。而维生素B12中的金属就是钴。

  与电视广告上经常露面的钙、铁、锌相比,钴是一个对我们而言相对陌生的名字。它是元素周期表上的27号,和铁同属一族,性质与铁也有几分相像。它有多种价态,可以是正一价、正二价,也可以是正三价,而这些价态之间的转换就使得它可以参与多种多样的氧化还原反应。不同价态的钴在溶液中都有着漂亮的颜色,维生素B12溶液的红色就源自正三价的钴。

  在生物体内,钴以维生素B12及其类似物的形式存在,并作为催化核心与蛋白骨架形成酶。

  维生素B12中结合钴的核心是一个名为咕啉的环状结构,这个结构与血红素中的卟啉环只相差一个碳原子。这二者结构如此相似,在加上钴与铁的性质也有相似之处,很容易让人把它们联想到一起。但如果只把钴当做铁的替代品和“山寨版”就大错特错了。虽然钴和铁在催化氧化还原反应上有一些共通之处,但它们又各有绝活。铁有载氧的本领,钴也一样有自己独一无二的特技——转移碳原子。正因为钴的这项特技,使得它成为了构建基因密码过程中不可或缺的幕后工作者。

  说到钴的这项绝技,就不得不说到金属与非金属之间的成键问题。金属与非金属的结合,除了正负离子间依靠静电力相互吸引以外,一般是依靠配位达成的。金属离子提供空余的电子轨道,非金属原子提供闲置的成对电子,凑在一起形成配位键。配位键可以维持相对稳定的结合,但比不上共价键那么结实。而且,配位键一般只能按照结合时的形式断开,非金属原子把自己的一对电子原封不动地拿走,不会产生什么新的产物也没有后续的化学反应,无法带来惊喜。

  而钴除了配位键以外,还可以与碳原子形成一种特别的金属-碳键。这种键具有一些类似碳-碳共价键的性质,断开的方式也与配位键有所不同。当碳-钴键断开时,双方将一对成键电子平分,形成低一价的钴(从正三价到正二价)和一个带单电子的碳自由基。碳自由基是个异常活跃的不安分人士,逮到谁都要跟人家反应,这就使得后续的基团转移反应成为可能。

  而正是因为可以催化这样的甲基转移反应,使得钴成为了合成传达基因密码的DNA/RNA分子不可或缺的后援力量。

  或许你学过一些生物化学的内容,对DNA合成及其原料合成的过程了如指掌,但仔细回想一遍,却发现自己没找到钴的身影,这又是怎么回事呢?

  DNA/RNA是由一个个核苷酸分子组成的,而核苷酸又是由五碳糖(核糖/脱氧核糖)、碱基和磷酸组合而成的。构成核苷酸的碱基包括嘌呤和嘧啶两类,这两类分子的合成都需要一种名为“一碳单位”的基团。这种基团不能独立存在,必须以四氢叶酸分子作为载体。一碳单位与四氢叶酸分子的结合是不可逆反应,而四氢叶酸分子在体内又需要再生之后循环利用,这时候就需要钴来帮忙了。钴可以把连接在四氢叶酸上的甲基(一碳单位的一种,其他一碳单位也可以转化成甲基)接到自己身上,然后再转给高半胱氨酸形成甲硫氨酸,这样不止帮四氢叶酸完成了再生,还为体内其他很多甲基化反应提供了甲基来源。如果一个人体内缺乏钴(即缺乏维生素B12),他体内的核酸代谢就会受到影响,造成贫血、神经系统损伤等。

  钴,不止带来美丽的红色,更是为传达基因密码默默做着贡献的幕后英雄。(来源:科学松鼠会)


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