认识叶酸（蝶酰谷氨酸）及其作用

20世纪20年代，人们从巨细胞贫血患者中认识到了叶酸的重要性，20世纪40年代人工合成了叶酸，并用叶酸治疗恶性贫血，但神经系统的症状仍然呈进行性加重。20世纪50至60年代，阐明了叶酸在转移一碳单位中的作用，60年代初，发现叶酸缺乏是神经管缺陷发病的主要因素，90年代证明，在围妊娠期使用叶酸可明显降低神经管缺陷的发病风险达70%以上。1990年起，补充叶酸已经成为美国的政府行为。

叶酸（folic acid或folacin）又称蝶酰谷氨酸（pteroylglutamic acid，PteGlu），实际上是指含有蝶酰谷氨酸这一共同结构的一类有相关生物活性的化合物。

叶酸是蝶酰谷氨酸和具有类似生物活性相关化合物的总称，属水溶性B族维生素。天然叶酸多以多聚谷氨酸盐形式存在。机体所需叶酸由食物提供，本身不能合成。绿叶蔬菜、水果、酵母、蘑菇以及动物肝肾等组织富含叶酸。叶酸主要在空肠吸收。叶酸的多聚谷氨酸盐形式必须经肠黏膜刷状缘分泌的一种γ-谷氨酰胺羧肽酶转变为单谷氨酸盐才能被吸收。甲基四氢叶酸盐通过简单的弥散形式吸收，其他单谷氨酸盐则通过主动转运形式吸收。在吸收过程中，大部分叶酸转变为5-甲基四氢叶酸盐。血循环中的叶酸为甲基四氢叶酸单谷氨酸盐，多数以游离或与非特异性血清蛋白松散结合的形式存在，少数与较特异的膜相关叶酸结合蛋白结合。细胞可能是通过特异性受体摄取叶酸。叶酸进入细胞后，转变为多聚谷氨酸盐，是储存和发挥辅酶活性的必要形式。人体的叶酸储存量约为5～10mg，仅可供约4个月之需，主要以多聚谷氨酸盐形式储存于肝脏。叶酸需要量为200～400μg/d。叶酸及其代谢产物主要通过肾脏排泄，少量由胆汁排泄。胆汁排泄的叶酸可被肠道再吸收，构成叶酸的肠肝循环。

细胞内的叶酸通过VB₁₂依赖性蛋氨酸合成酶作用形成四氢叶酸（tetrahydrofolate），后者是叶酸的生物活性形式。四氢叶酸是分子间一碳单位（one carbon unit）转移的辅酶，一碳单位包括甲基（—CH₃）、甲烯基（—CH₂）、亚甲基（—CH）、甲酰基（—CHO）及羟甲基（—CH₂OH）等。携带不同一碳单位的四氢叶酸参与机体多种生物合成过程，如嘌呤合成、同型半胱氨酸转变为蛋氨酸以及尿嘧啶脱氧核苷酸转变为胸腺嘧啶核苷酸等。前者是红细胞生成过程中DNA合成的速率限制性因素。因此，叶酸缺乏可造成DNA合成障碍，细胞核发育迟缓，落后于细胞质发育，导致巨幼细胞贫血。

蝶酰谷氨酸为人工合成品，本身不具有生物活性，但它为有活性的叶酸盐的前体。蝶酰谷氨酸在pH 4的酸性条件下可被分解成其组成物：蝶啶（含吡嗪环结构）、对氨基苯甲酸及谷氨酸。这一类化合物之间的主要差别在于其吡嗪环上存在的不同形式的取代基，其次，其对氨基苯甲酰谷氨酸部分可以γ肽键连接更多的谷氨酸残基而形成叶酰多谷氨酸（PteGlun），膳食中的叶酸大部分以叶酰多谷氨酸的形式存在。蝶酰谷氨酸（PteGlu）的吡嗪环上的第7、8位可在二氢叶酸还原酶催化下被部分或完全还原，而形成二氢叶酸（dihydro folate，FH2）（H2PteGlun）或四氢叶酸（H4PteGlun）。

后者为叶酸在机体内辅酶形式的基础。H4PteGlun的第5位、第10位或上述两个位点同时可被不同氧化水平的一碳单位取代基（如甲酰基、亚甲基以及甲基）所占据，形成的主要衍生物包括5-甲酰（formyl）-H4PteGlun、10-甲酰-H4PteGlun、5，10-次甲基（methenyl）-H4PteGlun、5，10-亚甲基（methylene）-H4PteGlun、5-甲基（methyl）-H4PteGlun等，这些衍生物在一碳单位代谢中起重要作用。叶酸及其主要衍生物的化学结构式见下图。H2PteGlun还原成H4PteGlun是叶酸发挥其生化作用的必要步骤，而在一些抗叶酸类化合物（如氨基蝶呤、甲氨蝶呤）中，其分子结构与叶酸类似，且第4位的羟基被氨基所取代，它们与二氢叶酸还原酶的亲和力比H2PteGlun强3个数量级，能与之发生不可逆的结合，阻止了H4PteGlun的合成从而成为该酶强有力的抑制剂。

叶酸及其主要衍生物的化学结构

许多因素影响叶酸吸收

食物中的叶酸盐多以蝶酰多谷氨酸形式存在，而叶酸在小肠内以单谷氨酸盐形式吸收。因此，膳食中的蝶酰多谷酸盐必须先经小肠黏膜刷状缘膜上所含的蝶酰多谷氨酰水解酶（pteroylpolyglutamatehydrolase，PPH）水解成单谷氨酸基衍生物。但是各种食物中叶酸的生物活性各有不同，且依赖于多种因素，因此目前研究多集中在叶酸盐方面。肠道对叶酸盐的吸收在生理剂量时主要为一种载体介导的吸收方式，该过程对肠道pH的依赖性很强，最适pH为5.0～6.0。当pH升高时，吸收速度明显下降。当摄入较高剂量的叶酸或肠道pH较高时，则肠道对叶酸盐的吸收以简单扩散为主。有研究表明，锌是γ-谷氨酸水解酶的辅助因子，在叶酸的吸收中起着重要作用。缺锌的动物可导致胰腺产生的谷氨酰水解酶活性降低，并可能使该酶的合成量减少，从而使多谷氨酰叶酸盐的水解受影响进而限制叶酸的吸收。

特异性结合蛋白转运叶酸

进入血液循环及组织液中的叶酸主要为以5-甲基-H₄PteGlun形式存在的单谷氨酰衍生物，而在细胞内则以蝶酰多谷氨酰衍生物的形式存在。由于只有单谷氨酰形式的叶酸才能穿过细胞膜，因此要完成血循环中与细胞内叶酸的相互转运需要通过两种不同的机制。

叶酸进入细胞

细胞内的蝶酰多谷氨酰衍生物是通过叶酸多聚谷氨酸合酶催化下的多聚谷氨酰化作用形成的，而H4PteGlun才是多聚谷氨酰化反应的最适底物，因此，循环中的5-甲基-H4PteGlun进入细胞后，必须经去甲基化作用转化为H4PteGlun再进行多聚谷氨酰化反应。这种去甲基作用只能通过蛋氨酸循环来转移甲基，在蛋氨酸循环中，VB₁₂是催化同型半胱氨酸接受5-甲基-H4PteGlun转出的甲基合成蛋氨酸的钴胺素依赖性蛋氨酸合成酶的重要辅酶。因此VB₁₂缺乏时，5-甲基-H4PteGlun上的甲基不能转移，可导致细胞内叶酸匮乏。

细胞内叶酸向循环转运

细胞内的多聚谷氨酰衍生物只有在转化成单谷氨酰衍生物后才能由细胞释放入血液循环中，这种脱谷氨酰作用是在谷氨酰水解酶（存在于溶酶体中）催化下完成的。叶酸结合蛋白（folate-binding protein，FBP）在细胞膜上及细胞内均有分布，其中分布于膜上的结合蛋白参与叶酸转运的作用，它主要通过一种内吞途径介导叶酸的转运。小肠上皮细胞膜、脑脉络丛、胎盘脉络丛及外膜、肝细胞以及肾近曲小管上皮细胞的刷状缘膜上均有这种蛋白，这些高亲和力的FBP可选择性地转运5-甲基四氢叶酸，肾脏中的结合蛋白可能与肾小管中叶酸的重吸收有关。脑脉络丛质膜上的FBP不仅可结合5-甲基四氢叶酸，还可以与还原型的四氢叶酸结合，可能与叶酸盐从血液运输至脑脊髓液有关。

细胞内的FBP存在于线粒体和胞质中，胞质中的FBP用交联葡聚糖凝胶G-150核层析法可分离出3种FBP，其中两种现已被证实为10-甲酰四氢叶酸脱氢酶和甘氨酸N-甲基转移酶；线粒体中的FBP用DEAE-纤维素层析法可分离为两种FBP，分别为二甲酰甘氨酸脱氢酶和肌氨酸脱氢酶。在肝细胞中，胞质中60%的叶酸和线粒体中20%的叶酸都与细胞内FBP相结合，这种细胞中大量的叶酸与叶酸代谢酶的结合有利于与叶酸辅酶的螯合而进行有关的生物合成反应，尤其在叶酸供给有限的条件下具有十分重要的意义。

肝脏贮存及代谢叶酸

人体的叶酸含量约为5～10mg，其中肝脏中叶酸浓度最高，其含量约占人体叶酸总量的一半以上，故肝脏是叶酸的基本贮存库。小肠黏膜吸收的单谷氨酸叶酸盐经门静脉进入肝脏，在肝细胞中转变为多聚谷氨酰衍生物，分布于细胞质和线粒体中。肝细胞质中总叶酸含量的45%为甲基-H₄PteGlun，30%是甲酰-H₄PteGlun，25%为未取代的H₄PteGlun。而线粒体中只有7%为甲基-H₄PteGlun，其余为甲酰-H₄PteGlun（44%）和未取代的H₄PteGlun（48%），这与不同部位叶酸介导的代谢活动是一致的。叶酸盐主要经尿和胆汁排出，在尿中的终产物形式主要为乙酰氨基苯甲酰谷氨酸。注射标记的叶酸盐后，大部分放射活力可从胆汁由不具生物活性的物质排出，其代谢机制尚不清楚。37℃条件下，8小时叶酸从汗液中的排出量可达30μg，相当于每升汗液排出叶酸8.8μg。

叶酸参与核酸-蛋白质合成及一碳单位代谢

1. 参与嘌呤核糖核苷酸合成：5-磷酸核糖焦磷酸经过一系列酶促反应首先生成次黄嘌呤核苷酸（IMP），然后再转变为其他嘌呤核苷酸。该过程中需5，10-亚甲基四氢叶酸提供甲基和5-甲酰四氢叶酸供给甲酰基，即嘌呤的2，8位碳来源于叶酸盐衍生物携带的一碳基团。
2. 参与胸腺嘧啶核苷酸合成：尿嘧啶核苷酸在胸腺嘧啶核苷酸合成酶的作用下，由5，10-亚甲基四氢叶酸提供甲基，合成胸腺嘧啶核苷酸。叶酸盐缺乏影响核酸代谢，尤其是影响胸腺嘧啶核苷酸的合成，以致红细胞成熟受阻。同时还可影响粒细胞、巨核细胞及其他细胞，主要表现为巨幼红细胞性贫血。
3. 参与丝氨酸与甘氨酸转变：丝氨酸在羟甲基转移酶作用下与四氢叶酸反应，生成5，10-亚甲基四氢叶酸和甘氨酸，此反应为可逆反应。甘氨酸还可在甘氨酸裂解酶系催化下产生5，10-亚甲基四氢叶酸。
4. 参与组氨酸代谢：组氨酸的中间代谢产物亚氨甲基谷氨酸与四氢叶酸反应，生成5-亚氨甲基四氢叶酸和谷氨酸，前者再经环脱氨酶催化转变为5，10-亚甲基四氢叶酸。
5. 参与蛋氨酸合成：在细胞内，5-甲基四氢叶酸在VB₁₂辅酶的参与下合成蛋氨酸。VB₁₂为5-甲基半胱氨酸转移酶的辅酶，VB₁₂缺乏时，5-甲基四氢叶酸上的甲基不能转移，不仅影响半胱氨酸合成蛋氨酸，同时也影响DNA的合成，从而影响细胞的分裂导致巨幼红细胞性贫血。叶酸和VB₁₂的缺乏影响蛋氨酸的代谢，可使血浆中总半胱氨酸升高，后者为心脑血管疾病的独立危险因子，已受到越来越多的重视并成为研究热点。