钴胺素（cobalamin）分子中含钴和咕啉, 是最大，結構最複雜的維生素。咕啉(corrin)的結構類似卟啉，但沒有連接成完全共轭結構，所以分子不是平面結構，柔性更強。

咕啉

金屬離子钴位于咕啉環中，六個配位鍵中的四個由咕啉環提供，第五個由二甲基苯并咪唑基團提供。第六個配位位點是其反應中心，可以與不同的基團結合，産生钴胺素的四種形式：與氰結合的氰钴胺素（氰钴胺）、與羟基結合的羟基钴胺素（羟钴胺）、與甲基結合的甲基钴胺素（甲钴胺），以及與5’-脫氧腺苷結合的輔酶B₁₂（腺苷钴胺）。

钴胺素的不同形式

腺苷钴胺（adoB₁₂）和甲钴胺（MeB₁₂）是維生素B12的兩種活性輔因子形式，天然存在于體内。氰钴胺易結晶，不易被空氣氧化，所以常被用作維生素B12的食品添加劑形式。羟钴胺比氰钴胺更容易轉化為活性形式，但比氰钴胺稍貴。另外，羟钴胺對氰離子具有強烈的親和力，可以用作氰化物中毒的解毒劑。

钴胺素是一種很特殊的維生素，它參與的反應都比較特别。人體中钴胺素參與的生化反應主要有三種類型：異構、甲基轉移和核糖核苷酸還原。

钴胺素參與的三類反應

參與異構反應的是腺苷钴胺素。一些依賴輔酶B₁₂的酶可以催化1,2-遷移分子重排反應，即一個碳原子上的氫原子與相鄰碳原子上的一個基團發生易位。例如在丙酸代謝中，甲基丙二酸單酰輔酶A轉變為琥珀酰輔酶A的反應就是這樣。催化這個反應的是甲基丙二酰輔酶A變位酶（Methylmalonyl-CoA mutase）。反應過程是先由輔酶B₁₂産生一個5’-脫氧腺苷自由基，然後将底物3位上的氫原子轉移到自由基上，再把2位上的乙酰基轉移到3位，最後把自由基上的氫轉到底物的2位，輔酶B₁₂複原。這是一種罕見的自由基催化機制。

甲基丙二酰輔酶A的變位反應

核糖核苷酸還原酶（Ribonucleotide reductase）将NDP還原為dNDP，是DNA合成和修複的關鍵酶，在調節DNA合成的總速率中起關鍵作用。這個酶也是通過自由基機制催化的。核糖核苷酸還原酶有三種類型，其中的第二類酶也是通過腺苷钴胺中C-Co鍵的均裂解産生5'-脫氧腺苷自由基進行催化的。

甲基钴胺素可作為甲基載體，接受甲基四氫葉酸提供的甲基，然後把它轉移到同型半胱氨酸上，生成甲硫氨酸。這是甲硫氨酸循環的一部分。所以缺乏钴胺素會導緻甲硫氨酸循環中斷，一碳單位供應不足。在生物體中，嘌呤和胸腺嘧啶的合成都需要一碳單位，它們的合成障礙會影響核酸的合成。這對快速分裂的細胞影響較大，可導緻巨紅細胞貧血（紅細胞巨大而極易破碎）等症狀。曆史上，維生素B12就是在研究惡性貧血的過程中發現的。

钴胺素缺乏也會導緻神經系統病變。一方面是因為丙酸代謝需要钴胺素參與，所以缺乏钴胺素會造成甲基丙二酸（MMA）升高。MMA是一種髓鞘去穩定劑，它會抑制脂肪酸合成，也會代替丙二酸進入脂肪酸中。這種異常的脂肪酸被摻入髓鞘質中，會使髓鞘質變得脆弱，容易發生脫髓鞘，最終造成脊髓的亞急性聯合變性。另一方面，钴胺素缺乏導緻甲硫氨酸減少，而乙酰膽堿、兒茶酚胺等神經遞質的合成，還有髓鞘質的甲基化等都需要甲硫氨酸。所以缺乏維生素B12可能對腦和神經系統造成不可逆的損傷，出現一系列症狀，如疲勞、嗜睡、頭痛、抑郁、記憶力差、行走困難（平衡障礙）等。

胃粘膜能分泌一種粘蛋白，可與維生素B12結合，促進吸收，稱為内因子。缺乏内因子時，維生素B12易被腸内細菌及寄生蟲奪去，造成缺乏。有的人由于腸胃異常，缺乏這種内源因子，即使膳食中來源充足也會患惡性貧血。植物性食物基本不含維生素B12，所以素食者也易缺乏（紫菜是個例外，它的維生素B12含量與肝髒接近）。英國素食協會建議，沒有從添加過钴胺素的強化食品中攝取足量B12的素食者都應該服用補充劑。

所以，钴胺素是一種容易缺乏的營養物質。成人的維生素B12日推薦量為3微克。作為水溶性維生素，通過食物補充一般沒有過量的風險，但如果過量注射，就有可能造成毒副作用，比如血液尿酸含量增加，誘發痛風等。

另外，在某些微生物中，钴胺素可以協助脫鹵酶催化從有機分子中除去鹵原子的反應。這對于環境保護非常有用，因為大多數生物無法處理含有鹵素的化學污染物。

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