第九章 蛋白质分解和氨基酸代谢

第九章 蛋白质分解和氨基酸代谢 生物体内的各种蛋白质经常处于动态更新之中，蛋白质的更新包括蛋白质的分解代谢和蛋白质的合成代谢;前者是指蛋白质分解为氨基酸及氨基酸继续分解为含氮的代谢产物、二氧化碳和水并释放出能量的过程。构成蛋白质的氨基酸共有20种，其共同点是均含氨基和羧基，不同点是它们的碳骨架各不相同，因此，脱去氨基后各个氨基酸的碳骨架的分解途径有所不同，这就是个别氨基酸的代谢，也可称之为氨基酸的特殊代谢。以上这些内容均属蛋白质分解代谢的范畴，并且由于这一过程是以氨基酸代谢为中心，故称为蛋白质分解和氨基酸代谢。这是本章的中心内容。此外，蛋白质的营养问题与饮食卫生和临床实践关系密切，亦在本章讨论。 第一节 蛋白质的生理功能和营养问题 一、蛋白质和氨基酸的主要生理功能 维持组织的生长、更新和修补，此功能为蛋白质所特有，不能由糖或脂类代替。产生一些生理活性物质，包括胺类、神经递质、激素、嘌呤、嘧啶等。某些蛋白质具有特殊的生理功能，如血红蛋白运输氧，血浆中多种凝血因子参加血液凝固，肌肉中的肌动球蛋白与肌肉收缩有关。此外，酶、抗体、受体都是蛋白质。供给能量，每克蛋白质在体内氧化分解产生17(19kJ(4(1千卡)的能量，蛋白质的这种生理功能可由糖及脂类代替。一般情况下，蛋白质供给的能量占食物总供热量的10,,15,。 二、氮平衡(nitrogen balance)和蛋白质的需要量 氮平衡是一种人体实验。体内蛋白质的代谢情况可以根据该实验来评价。蛋白质中氮的平均含量为16%, 食物中的含氮物质主要是蛋白质。故通过测定食物中氮的含量可以推算出其中的蛋白质含量。蛋白质在体内代谢后产生的含氮物质主要经尿、粪、汗排出。因此，测定人体每天从食物摄入的氮含量和每天排泄物(包括尿、粪、汗等)中的氮含量，可评价蛋白质在体内的代谢情况。 氮的总平衡:摄入氮 = 排出氮，见于正常成人。 氮的正平衡:摄入氮 > 排出氮，表示体内蛋白质的合成大于蛋白质的分解，见于儿童、孕妇及病后恢复期。 氮的负平衡:摄入氮 < 排出氮，常见于蛋白质摄入量不能满足需要时，如长期饥饿、消耗性疾病等。 我国营养学会推荐的蛋白质营养成年人为70g,d，相当于每天1,1.2g,kg体重。婴幼儿与儿童因生长发育需要，应增至每天2,4g,kg体重。 三、必需氨基酸(essential amino acids)与蛋白质的生理价值 1 必需氨基酸是指体内需要，但人体本身不能合成或合成速度不足以满足需要，必须由食物蛋白质提供的氨基酸，共有8种:赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、甲硫(蛋)氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸。此外，组氨酸和精氨酸在婴幼儿和儿童时期因其体内合成量常不能满足生长发育的需要，也必须由食物提供，可称为半必需氨基酸。 非必需氨基酸(non-essential amino acids)是指体内需要，而人体本身可以合成，不必由食物供给的氨基酸，除上述8种必需氨基酸以外的其它组成蛋白质的氨基酸均为非必需氨基酸。 摄入细胞内的氨基酸不可能全部用于合成蛋白质，这是因为食物蛋白质中所含的各种氨基酸在其含量的比例方面与机体本身的蛋白质存在着差异。因此，总有一部分氨基酸不被用来合成机体蛋白质，最后在体内分解。这样，不同的食物蛋白质的利用率就存在差别。利用率愈高的蛋白质对人体的营养价值愈高。衡量某种蛋白质的营养价值的高低，或者说在体内的利用率的高低，最常用的一个指标是“生理价值”。可用正在生长期的幼小动物做实验，测定其体内氮的保留量和吸收量以求得某食物蛋白质的生理价值。 氮的保留量 蛋白质的生理价值 = 100 × 氮的吸收量 100 (氮的吸收量 = 食入氮 - 粪中氮， 氮的保留量 = 食入氮 - 粪中氮 - 尿中氮) 从食物蛋白质的氨基酸组成来讲，若所含必需氨基酸的种类和数量与人体蛋白质相接近，则易于被机体利用，也就是说氮的保留量高，因此其生理价值亦高。一般讲，动物蛋白质的生理价值较植物蛋白质高，表9—2列出了常用食物中蛋白质的生理价值。 四、蛋白质的互补作用 若将几种生理价值较低的蛋白质混合食用，可使其所含必需氨基酸成分相互补充，于是生理价值得以提高。这对增进膳食中蛋白质的营养效果是一个很好的措施。 五、临床上静脉补液用的氨基酸制剂 临床上在治疗因各种原因如烧伤、摄食困难、严重腹泻或外科手术等引起的低蛋白质血症时，常可经静脉补充氨基酸制剂。例如14氨基酸-800，其含有8种必需氨基酸及组、精、甘、丙、丝、脯等共14种氨基酸，总量为8.0g,100ml，其中芳香族氨基酸含量极低，适用于肝硬化等;6氨基酸-520含较高浓度的支链氨基酸(亮、异亮、缬)和鸟氨酸循环(尿素合成)中的氨基酸包括鸟、谷、天冬等共6种，总量5.2g,100m1，适用于重症肝炎等。 2 第二节 蛋白质的消化、吸收与腐败 一、消化 蛋白质的消化部位是胃和小肠(主要在小肠)，受多种蛋白水解酶的催化而水解成氨基酸和少量小肽，然后再吸收(图9-1)。 胃蛋白酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶和弹性蛋白酶都是内肽酶，亦即水解肽链内部的肽键;而羧基肽酶A、B和氨基肽酶是外肽酶，其作用是从肽链的最外端开始，前者从C端开始，后者从N端开始(图9-2)。胃蛋白酶的最适pH在1(5,2(5，适于胃内环境，其活性中心含天冬氨酸，属天冬氨酸蛋白酶类。胰蛋白酶、糜蛋白酶和弹性蛋白酶的最适pH在7(0左右，适于小肠环境，其活性中心含丝氨酸，属丝氨酸蛋白酶类。各种蛋白酶对肽键两旁的氨基酸种类均有一定的要求，亦即各有其特异性(表9-3)。 二、吸收 蛋白质消化的终产物为氨基酸和小肽(主要为二肽、三肽)，可被小肠粘膜所吸收。但小肽吸收进入小肠粘膜细胞后，即被胞质中的肽酶(二肽酶、三肽酶)水解成游离氨基酸，然后离开细胞进入血循环，因此门静脉血中几乎找不到小肽。 氨基酸的吸收机制: +1(通过耗能需Na的主动转运吸收 肠黏膜上皮细胞的黏膜面的细胞膜上有若干种特殊 +的运载蛋白(载体)，能与某些氨基酸和Na在不同位置上同时结合，结合后可使运载蛋白 ++的构象发生改变，从而把膜外(肠腔内)氨基酸和Na都转运入肠黏膜上皮细胞内。Na则 ++被钠泵打出至胞外，造成黏膜面内外的Na梯度，有利于肠腔中的Na继续通过运载蛋白进入细胞内，同时带动氨基酸进入。因此肠黏膜上氨基酸的吸收是间接消耗ATP，而直 +接的推动力是肠腔和肠黏膜细胞内Na梯度的电位势。氨基酸的不断进入使得小肠黏膜上皮细胞内的氨基酸浓度高于毛细血管内，于是氨基酸通过浆膜面其相应的载体而转运至 +毛细血管血液内。黏膜面的氨基酸载体是Na依赖的，而浆膜面的氨基酸载体则不依赖+Na。现已证实前者至少有6种，各对某些氨基酸起转运作用:?中性氨基酸，短侧链或极性侧链(丝、苏、丙) 载体。?中性氨基酸，芳香族或疏水侧链(苯丙、酪、甲硫、缬、亮、异亮) 载体。?亚氨基酸(脯、羟脯) 载体。?-氨基酸(-丙氨酸、牛磺酸) 载体。?碱性氨基酸和胱氨酸(赖、精、胱) 载体。?酸性氨基酸(天、谷) 载体。(图9-3、9-4)。 肾小管对氨基酸的重吸收也是通过上述机制进行的。 2(通过-谷氨酰基循环吸收 1969年Meister发现;小肠黏膜和肾小管还可通过-谷氨酰基循环吸收氨基酸。谷胱甘肽在这一循环中起着重要作用(图9-5)。这也是一个主动运送氨基酸通过细胞膜 3 的过程，氨基酸在进入细胞之前先在细胞膜上转肽酶的催化下，与细胞内的谷胱甘肽作用生成-谷氨酰氨基酸并进入细胞浆内，然后再经其它酶催化将氨基酸释放出来，同时使谷氨酸重新合成谷胱甘肽，进行下一次转运氨基酸的过程，因为氨基酸不能自由通透过细胞质膜。 三、腐败 未被吸收的氨基酸和小肽及未被消化的蛋白质，在大肠下部受大肠杆菌的作用，发生一些化学变化的过程称腐败。未被消化的蛋白质先被肠菌中的蛋白酶水解为氨基酸，然后再继续受肠菌中的其它酶类的催化。 腐败作用主要的化学反应有脱羧基作用和还原脱氨基作用。 (一) 脱羧基生成胺 (二) 还原脱氨基及生成其它有毒物质 肠道中氨的除上述腐败作用产生外，尚有另一个来源，即血液中的尿素约有25,可渗透进入肠道，受大肠杆菌的尿素酶的作用水解生成氨，被重吸收进入体内，再到达肝 脏合成尿素，这就是尿素的肠肝循环。平均每天约有7g尿素渗入肠道，而粪便中几乎不 含尿素，这是由于渗入肠道的尿素全部被大肠杆菌分解成氨而吸收，这部分氨的量约为4g。 自肠道吸收入体内的氨，是体内血氨的重要来源之一，正常人可将氨在肝脏合成尿素后排出，食用普通膳食的正常人每天排尿素约20g。严重肝脏疾病患者因其处理血氨的能力下降，常可引起肝昏迷，因此，临床上常给予肠道抑菌药物以减少肠道中氨的产生。 腐败作用产生的有毒物质除了胺和氨以外、还包括苯酚、吲哚、甲烷、CO、有机酸2和硫化氢等，这些物质大部分随粪便排出，小部分可被肠道吸收，进入肝脏予以处理。 第三节 氨基酸的一般代谢 食物蛋白质经消化吸收，以氨基酸形式进入血液循环及全身各组织，组织蛋白质又经常降解为氨基酸，这两种来源的氨基酸(外源性和内源性)混合在一起，存在于细胞内液、血液和其它体液中，总称为氨基酸代谢库(图9—6)。 血浆中氨基酸的浓度取决于内源性蛋白质的分解释放与各种组织利用之间的稳态平衡(人体每天更新机体总蛋白质的1,-2,，其中主要是肌肉蛋白质，其释放的游离氨基酸占体内氨基酸库中氨基酸总量的一半以上。氨基酸的分解代谢过程主要在肝脏进行，肝脏在处理氨基酸代谢过程中生成的氨起着至关重要的作用，这是由于肝脏中存在合成尿素的酶，因此肌肉和肝脏对维持血液循环中氨基酸水平起重要的作用。 4 氨基酸的主要功能是构成体内各种蛋白质和其它某些生物分子，与糖或脂肪不同，氨基酸的供给量若超过所需时，过多部分并不能储存或排出体外，而是作为燃料或转变为糖或脂肪。此时它的-氨基必须先脱去(脱氨基作用)，剩下的碳骨架则转变为代谢中间产物如乙酰辅酶A、乙酰乙酰辅酶A、丙酮酸或三羧酸循环中的某个中间产物。人体每天更新机体总蛋白的1,-2,，一般讲，组织蛋白质分解生成的内源性氨基酸中约85,可被再利用以合成组织蛋白质。 一、氨基酸的脱氨基作用(deamination) (一)L-谷氨酸氧化脱氨基作用(oxidative deamination of L-glutamate) 线粒体基质中存在L-谷氨酸脱氢酶，该酶催化L-谷氨酸氧化脱氨生成-酮戊二酸， ++反应可逆。L-谷氨酸脱氢酶属不需氧脱氢酶，辅酶是NAD或NADP，特异性强，分布广泛，肝脏中含量最为丰富，其次是肾、脑，心、肺等，骨骼肌中最少。L-谷氨酸脱氢酶是别构酶;由六个相同的亚基组成，分子质量为330,000。ATP、GTP是其别构抑制剂，而ADP、GDP是别构激活剂。一般情况下，反应偏向于谷氨酸的合成，但当谷氨酸浓度高，氨浓度低时，则有利于-酮戊二酸的生成，即催化L-谷氨酸氧化脱氨。 (二) 转氨基作用(transamination) 转氨基作用是在转氨酶的催化下，-氨基酸的氨基转移到-酮酸的酮基上，生成相应的氨基酸，原来的氨基酸则转变为-酮酸。 转氨酶分布广泛，除赖、苏、脯、羟脯氨酸外(例如，由于相应于赖氨酸的-酮酸不稳定，所以赖氨酸不能通过转氨作用生成)，体内大多数氨基酸都可以经转氨基作用生成。转氨基作用的平衡常数接近1.0，为可逆反应，因此也是体内合成非必需氨基酸的重要途径。 AST和ALT都是细胞内酶，正常人血清中含量甚微，若因疾病造成组织细胞破损或细胞膜通透性增加，则它们在血清中的浓度大大增高，例如，心肌梗死患者血清AST常升高，传染性肝炎患者可表现为血清ALT升高，所以，临床上两者可分别作为判断这两个组织功能正常与否的辅助指标。但如表-4所示，因其它组织中也含有一定量的此酶活性，故在分析这两个指标时仍需结合临床具体情况注意其非特异性问题。 转氨酶的辅酶是磷酸吡哆醛(含维生素B)，起着传递氨基的作用(见下图)。 6 上述生成的磷酸吡哆胺在转氨酶的作用下，以相同的方式，把来自氨基酸的氨基转递给-酮戊二酸，生成谷氨酸，而磷酸吡哆胺又再恢复成磷酸吡哆醛。磷酸吡哆醛作为转氨酶的辅酶参与转氨反应，其机制类似于打乒乓球，即:底物的一部分转移给酶，然后经酶转给另一个底物。 故称为乒乓反应机制。转氨反应总的结果可用下式表示: 5 经上述的转氨基作用，—酮戊二酸可以接收许多氨基酸中的氨基形成谷氨酸。 (三) 联合脱氨基作用(combined deamination) 上述转氨基作用虽然是体内普遍存在的一种脱氨基方式，但它仅仅是将氨基转移到-酮酸分子上生成另一分子氨基酸，从整体上看，氨基并未脱去。而氧化脱氨基作用仅限于L-谷氨酸，其它氨基酸并不能直接经这一途径脱去氨基。事实上，体内绝大多数氨基酸的脱氨基作用，是上述两种方式联合的结果，即氨基酸的脱氨基既经转氨基作用，又通过L-谷氨酸氧化脱氨基作用，是转氨基作用和谷氨酸氧化脱氨基作用偶联的过程，这种方式称为联合脱氨基作用。这是体内主要的脱氨基方式，反应可逆，也是体内合成非必需氨基酸的重要途径(图9—7)。 (四) 嘌吟核苷酸循环(purine nucleotide cycle) 骨骼肌中谷氨酸脱氢酶活性很低，氨基酸可通过嘌呤核苷酸循环而脱去氨基，这可能是骨骼肌中的氨基酸主要的脱氨基方式。 氨基酸通过转氨基作用生成的天冬氨酸，后者再和次黄嘌呤核苷酸(IMP)反应生成腺苷酸代琥珀酸，然后裂解出延胡索酸，同时生成腺嘌呤核苷酸(AMP)，AMP又在腺苷酸脱氨酶催化下脱去氨基，最终完成了氨基酸的脱氨基作用。IMP可以再参加循环。由此可见，嘌吟核苷酸循环实际上也可以看成是另一种形式的联合脱氨基作用(图9-8)。 (五)非氧化脱氨基作用(non-oxidative deamination) 1(脱水脱氨基，主要是指一些含羟基的氨基酸。 2(直接脱氨基 二、氨的代谢(metabolism of ammonia) 氨有毒且能渗透进细胞膜与血脑屏障，对细胞尤其是中枢神经系统来说是有害物质，故氨在体内不能积聚;必须加以处理。通常情况下，细胞内氨浓度很低。正常人血氨浓度< 0.1mg,100m1。严重肝病时，可引起血氨浓度升高，是导致肝昏迷的主要原因。氨既是有毒的废物，又是生物合成某些含氮物质所需的氮源，在体内氨可经历不同的途径进行代谢，其来源与去路可归纳为图9—9。 (一)体内氨的来源(source of ammonia) 1. 体内各组织中氨基酸的脱氨作用 氨基酸经脱氨基后产生氨和α-酮酸。此外，氨基酸脱羧基后所产生的胺，经胺氧化 酶作用，也可分解产生氨。 2. 肾小管上皮细胞分泌的氨 肾小管上皮细胞中的谷氨酰胺在谷氨酰胺酶的作用下水解成谷氨酸和氨，这些氨不 +释放进血液，而是分泌到肾小管管腔中与尿液中H结合后再以铵盐形式随尿排出。 6 代谢性酸中毒时，肾脏增加了其对谷氨酰胺的分解，加速氨的排出，以缓解酸中毒。 3( 肠道吸收的氨 ?腐败作用产生的氨(见第二节)。?血液中尿素扩散渗透进入肠道， 在大肠杆菌的脲酶(尿素酶)的作用下生成的氨(见第二节)。 (二) 氨在体内的运输(transportation of ammonia) 氨是有毒物质，机体最主要的处理氨的措施是在肝脏中转变成无毒的尿素再经肾脏排出体外。但各组织产生的氨是不能以游离氨的形式经血液运输至肝脏的，而是以谷氨酰胺和丙氨酸两种形式运输的。 1(谷氨酰胺转运氨(glutamine transporting ammonia) 在脑、肌肉等组织中，谷氨酰胺合成酶的活性较高，它催化氨与谷氨酸反应生成谷氨酰胺，反应需要消耗ATP，谷氨酰胺由血液运送至肝或肾，再经谷氨酰胺酶催化，水解释放出氨。谷氨酰胺的合成和分解是由不同的酶催化的不可逆反应。由谷氨酰胺分解生成的氨可在肝脏中合成尿素，或在肾脏中生成铵盐后随尿排出，少量的谷氨酰胺在各组织中也可被直接利用，例如，参与嘌呤核苷酸合成。由此可见，谷氨酰胺既是氨的解毒产物，又是氨的暂时储存及运输形式，故正常情况下，谷氨酰胺在血液中浓度远远高于其它氨基酸。在脑组织中，谷氨酰胺在固定氨和转运氨方面均起着重要作用。因此，临床上对氨中毒患者也可通过补充谷氨酸盐来降低氨浓度。 2.葡萄糖—丙氨酸循环(glucose-alanine cycle) 肌肉中的氨是如何运输到肝脏的呢,在骨骼肌中，氨和丙酮酸作用(转氨基或联合脱氨基方式)生成丙氨酸，后者被释放入血，经血液运至肝脏后再经联合脱氨基作用释放出氨用于合成尿素。丙酮酸则在肝脏中经糖异生作用转变成葡萄糖，后者再运至肌肉中，在肌肉收缩时又转变成丙酮酸，加氨再转变为丙氨酸，此即葡萄糖-丙氨酸循环(图9—10)，通过这一循环，可使肌肉中的氨以无毒的丙氨酸形式运输到肝，与此同时，肝脏又为肌肉组织提供了能生成丙酮酸的葡萄糖。所以丙氨酸亦是氨的一种暂时储存和运输的形式。 丙氨酸是糖异生中的关键性氨基酸。在肝脏，从丙氨酸合成葡萄糖的速率远远超过其它氨基酸，直到丙氨酸浓度达到生理水平的20—30倍时，肝脏将丙氨酸异生成葡萄糖的能力才达到饱和。 (三)尿素的合成(formation of urea)——体内氨的主要去路 上述氨用于合成谷氨酰胺或者其它氨基酸，是氨的储存或再利用。若氨作为废物排出体外，不同动物则以不同形式排出。有些可以直接排氨;有些则把氨转变成尿酸排出体外;人类及其他哺乳动物主要以尿素的形式排出氨。 尿素是氨代谢的最终产物，无毒性，水溶性强，可由肾脏经尿排出，从量上讲是氨 7 的主要去路，是氨或蛋白质中的氮的最主要终产物。成人排出氮的80,,90,是尿素中的氮。 尿素主要在肝脏中合成，其他器官如肾及脑等虽也能合成，但其量甚微，动物实验发现，若将犬的肝脏切除，则血液及尿中的尿素含量显著降低;急性肝坏死患者的血液及尿中含尿素亦极低。 尿素在体内的合成全过程称鸟氨酸循环(ornithine cycle)，系1932年Krebs等提 15出，他们认为尿素是由1分子CO和2分子NH经过此循环而生成的。用核素标记的NHC1234 1514饲犬，则随尿排出的尿素分子中含有N，若用核素标记的NaHCO饲犬，则随尿排出的3 14尿素分子中含有C，这些实验确证尿素可由NH及C0合成。此外，还证实了鸟氨酸、瓜32 氨酸和精氨酸都参与了尿素的合成，并可循环使用，故称鸟氨酸循环(图9-11)。 根据近代的研究证实，鸟氨酸循环的详细过程比较复杂，现分四步分述于下: (1) 氨基甲酰磷酸的合成:来自外周组织或肝脏自身代谢所生成的NH及C0，首先在肝32细胞内合成氨基甲酰磷酸，此反应由存在于线粒体中的氨基甲酰磷酸合成酶I (carbamoyl-phosphate synthetase I)催化，并需ATP提供能量。氨甲酰磷酸合成酶I是肝线粒体中最丰富的酶之一，占线粒体基质内总蛋白质的20,以上.氨基甲酰磷酸合成酶I是一个别构酶，该酶只有在别构激活剂N-乙酰谷氨酸(N—acetylglutamic acid，AGA)存在时才能被激活，AGA与酶结合可诱导酶的构象改变，进而增加合成酶对ATP的亲和力。氨基甲酰磷酸合酶I的活性是由其别构激活剂AGA的稳态浓度所决定。这种稳态水平又是由乙酰CoA和谷氨酸合成AGA的速率，以及将AGA水解生成乙酸和谷氨酸的速率所决定。由于AGA是乙酰CoA和谷氨酸在N—乙酰谷氨酸合成酶(N—acetylglutamate synthase)的催化下形成的。所以氨基酸分解速度加快可导致谷氨酸浓度的升高，AGA浓度也随之增加。通过AGA对氨甲酰磷酸合成酶I的激活作用可以使鸟氨酸循环的氨甲酰磷酸的量增加。 细胞内有两种氨基甲酰磷酸合成酶，即合成酶I和?，它们催化反应所生成的产物都是氨基甲酰磷酸。但两者处于不同的代谢途径中，合成酶I位于肝细胞线粒体中，以C0和NH合成氨基甲酰磷酸，后者参与尿素合成; 合成酶?位于生长迅速的组织细胞的23 胞质中，它以谷氨酰胺作为氮源，也是催化氨基酰磷酸的合成，但这里生成的氨基酰磷酸与嘧啶合成有关。谷氨酰胺的侧链酰胺是在合成酶II分子中的一个部位内被水解，有趣的是尽管在合成酶I中也存在着同样的部位，但其却未显示出类似于合成酶II的催化活性。 在合成酶I中，该部位是和该酶的别构激活剂AGA结合。 (2)瓜氨酸的合成:氨基甲酰磷酸在线粒体内经鸟氨酸氨基甲酰转移酶(ornithine carbamoyltransferase，OCT)的催化，将氨基甲酰转移至鸟氨酸而合成瓜氨酸 8 (citrulline)。 (3) 精氨酸的合成:瓜氨酸在线粒体内合成后，即被转运到线粒体外，在胞质中经精氨酸代琥珀酸合成酶(argininosuccinate synthetase，ASAS)的催化，与天冬氨酸反应生成精氨酸代琥珀酸，后者再受精氨酸代琥珀酸裂解酶(argininosuccinate lyase，ASAL)的作用，裂解为精氨酸及延胡索酸。 在上述反应中，天冬氨酸起供给氨基的作用，而其本身又可由草酰乙酸与谷氨酸经转氨基作用再生成。谷氨酸的氨基可来自体内多种氨基酸。由此可见，多种氨基酸的氨基可通过天冬氨酸而参加尿素合成。 在鸟氨酸循环中形成的延胡索酸使鸟氨酸循环和三羧酸循环紧密联系在一起，如(a)在线粒体中,通过草酰乙酸和谷氨酸之间转氨基作用生成的天冬氨酸能转移到胞质，在胞质中，天冬氨酸作为鸟氨酸循环中的氨基供体。(b)精氨酸代琥珀酸裂解生成的延胡索酸可转变为苹果酸，苹果酸进一步氧化生成草酰乙酸，这两个反应与三羧酸循环中的反应相似，但前者是由胞质中的延胡索酸酶和苹果酸脱氢酶催化的。理论上说，鸟氨酸循环是和三羧酸循环互相连接，这里的草酰乙酸既可进入三羧酸循环，也可经转氨作用再次形成天冬氨酸进入鸟氨酸循环。然而，因每一个循环是独立运转的并且它们之间的联系程度取决于关键性的中间产物，如延胡索酸、苹果酸、草酰乙酸等在线粒体和胞质之间的转运情况，即:这些中间产物既可在胞质中被进一步代谢，也可转移到线粒体中参与三羧酸循环。 (4)精氨酸水解生成尿素:在胞质中形成的精氨酸受精氨酸酶(arginase)的催化生成尿素和鸟氨酸，鸟氨酸再进入线粒体参与瓜氨酸的合成，通过鸟氨酸循环，如此周而复始地促进尿素的生成(图9-12)。 在上述反应中，鸟氨酸、赖氨酸均可与精氨酸竞争和精氨酸酶结合，是精氨酸酶强有力的抑制剂。 尿素的生物合成是一个循环的过程。在反应开始时消耗的鸟氨酸在反应末又重新生成，整个循环中没有鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸代琥珀酸或精氨酸的净丢失或净增加。只消耗了氨、C0、ATP和天冬氨酸。 2 尿素分子中两个氨基，一个来自氨，另一个来自天冬氨酸，而天冬氨酸又可由其它氨基酸通过转氨基作用生成。由此可见，尿素分子中的两个氨基虽然来源不同但均直接或间接来自各种氨基酸的氨基。 从以上鸟氨酸循环可以看出，形成一分子尿素可清除两分子氨和一分子C0。尿素属2中性无毒物质，所以尿素的合成不仅可消除氨的毒性，还可减少C0溶于血液所产生的2 酸性。 9 机体在将有毒的氨转换成尿素的过程是消耗能量的，合成氨甲酰磷酸时消耗了两分子ATP，而在合成精氨琥珀酸时表面上虽然消耗了一分子ATP，但由于生成了AMP和焦磷酸，这一过程实际上是水解了两个高能磷酸键。所以相当于消耗了两分子ATP，因此生成一分子尿素实际上共消耗四分子ATP. 尿素合成的总反应可表示如下: NH+ CO+ 天冬氨酸 + 3ATP + 2HO 尿素 + 延胡索酸 + 2ADP + AMP + 4Pi 3 2 2 (四) 尿素合成的调控 1. 食物的影响 高蛋白膳食使尿素合成速度加快，排泄的含氮物中尿素占80,,90,，低 蛋白膳食使尿素合成速度减慢，排泄的含氮物中尿素可低至60,或更低。动物实验表明，饮食变化大时可以使动物体内鸟氨酸循环中的酶浓度改变达到10倍至20倍，推测人体也可出现相同的情况。例如饥饿时，能引起合成尿素的酶的水平上升，毫无疑问,增高的酶浓度是用以处置因蛋白质分解的增加而伴随的过量氨的生成。 2(氨基甲酰磷酸合成酶I的影响 氨基甲酰磷酸为尿素分子中氮的主要来源，它的合成由氨基甲酰磷酸合成酶I所催化，前已述及, AGA是此酶的别构激活剂。AGA由乙酰辅酶A与谷氨酸经AGA合成酶的催化而合成，而精氨酸又是AGA合成酶的激活剂。 3(鸟氨酸循环的中间产物的影响 循环的中间产物如鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸的浓度均可影响尿素的合成速度，例如供给充足的精氨酸就可有足够的鸟氨酸以加速循环的进行。 4(鸟氨酸循环中的酶系的影响 循环中的各种酶系中以精氨酸代琥珀酸合成酶的活性最低，因此是尿素合成的限速酶(表9-5)。 鸟氨酸循环是处理氨的主要途径。各种因素(包括酶的遗传缺陷等)导致的鸟氨酸循环障碍，均可使血氨浓度升高，甚至引起肝昏迷，可能和以下因素有关: 脑组织仅能合成极少量尿素，故在脑组织中解除氨毒性的主要机制是形成谷氨酰胺。当血氨浓度升高时，原先由机体供给脑组织的血谷氨酸显然就不足以将过量的氨转变成谷氨酰胺，因此，脑组织必须动用-酮戊二酸来合成谷氨酸。由于谷氨酸脱氢酶催化的反应趋向谷氨酸的生成，这一反应不仅消耗了NADH，也导致了三羧酸循环中-酮戊二酸量的减少。此外，合成谷氨酰胺时又需要ATP供能, 故谷氨酸和谷氨酰胺的大量合成严重干扰了脑组织中的能量代谢。总之，过量的有毒的氨明显地减少了脑组织中ATP的含量。谷氨酸水平的降低也影响了-氨基丁酸(一种重要的抑制性神经递质，由谷氨酸脱羧形成)的合成，因此，脑组织对氨的敏感性反应不仅包括ATP生成减少，同样涉及神经递质的耗尽。临床上常根据不同的发病原因采取不同的措施,如限制高蛋白的摄入,补充适量的精氨酸及与必需氨基酸相应的-酮酸等来进行治疗，但肝昏迷发病机制十分复杂，还有其它学说进行解释。 10 三、α-酮酸的代谢 氨基酸经脱氨基后所生成的-酮酸可以有以下三条去路: (一) 合成非必需氨基酸 经还原加氨或转氨作用，-酮酸可以合成非必需氨基酸。某一种-酮酸也可在代谢中 转变成其他-酮酸后再经氨基化生成另一种非必需氨基酸。 (二) 转变成糖或脂肪 早期(1920,1940年)营养学的研究已证明氨基酸在体内可以转变成糖类或脂肪(或酮体)。分别用各种氨基酸饲养人工糖尿病犬，某些氨基酸可以增加尿中葡萄糖的排泄量，有的增加尿中酮体的排泄量，也有的既增加葡萄糖同时还增加酮体的排泄量，40年代进行核素氨基酸的实验，更证实了这些转变的存在(表9-6)。 各种氨基酸的碳骨架差异很大，所生成的-酮酸各不相同，其分解代谢途径当然各异，但是最后都可与糖、脂肪的中间代谢产物尤其是三羧酸循环的中间产物相联系，于是转变成糖、脂肪或酮体(图9-13)。 由图可看出某一氨基酸是生糖、生酮或生糖兼生酮，并且还可看出糖、脂肪、蛋白质三类物质之间可以互相转变，而三羧酸循环是三者互变的重要枢纽。总的互变关系还可用简图表示(图9-14)。 (三) 氧化供能 氨基酸可通过转变成三羧酸循环的中间产物氧化供能。 四、氨基酸的脱羧基作用(decarboxylation) 氨基酸除脱去氨基的分解代谢途径外，也可以脱去羧基产生相应的胺类，催化此反应的酶是氨基酸脱羧酶类(amino acid decarboxylases)，其辅酶为磷酸吡哆醛。 氨基酸的脱羧基作用从量上讲并不占主要地位，但其产物胺类一般都具有重要生理作用，例如:谷氨酸的脱羧基产物-氨基丁酸，色氨酸经羟化及脱羧基后的产物5-羟色胺等。 (一) -氨基丁酸(-aminobutyricacid，GABA) 脑组织中的谷氨酸脱羧酶活性很高，因而该组织中-氨基丁酸浓度较高，其作用是抑制突触传导，可能是一种抑制性神经递质。 (二) 5-羟色胺(5-hydroxytryptamine) 5-羟色胺也是一种神经递质，在大脑皮质及神经突触内含量很高。在外周组织，5-羟色胺是一种强血管收缩剂和平滑肌收缩刺激剂。 (三) 牛磺酸 11 牛磺酸(taurine)是结合胆汁酸的组成成分，由半胱氨酸经氧化、脱羧后生成。 (四) 组胺 组胺(histamine)为组氨酸脱去羧基后的产物(反应式见本章第二节)，在体内分布广泛，主要存在于胃黏膜、肝脏和肌肉等组织中。组胺具有很强的扩血管作用，并能使毛细血管通透性增加。在机体的炎症及创伤部位常有组胺释放。组胺还具有促进平滑肌收缩及分泌胃酸的作用。 (五) 多胺 多胺(polyamines)是指一类具有3个或3个以上氨基的化合物，主要有精脒(spermidine)和精胺(spermine)，均为鸟氨酸的代谢产物。 精脒和精胺能促进核酸和蛋白质的生物合成，故其最重要的生理功能是与细胞增殖及生长相关，这是因为多胺带有多个正电荷，能吸引DNA和RNA之类的多聚阴离子，从而刺激DNA和RNA合成。已有的研究表明;在一些生长旺盛的组织和肿瘤组织中，和多胺合成有关的鸟氨酸脱羧酶活性很高，多胺含量也很高。 第四节 个别氨基酸的代谢 由于每一个氨基酸的碳链部分的结构不同，因此除上述一般代谢途径外，尚有其特殊的代谢途径，一般讲，非必需氨基酸较简单，而必需氨基酸较复杂。现分四类加以讨论:一碳单位、含硫氨基酸、支链氨基酸、芳香族氨基酸。 一、碳单位的代谢 (一) 概念 机体在合成嘌呤、嘧啶、肌酸、胆碱等化合物时，需要某些氨基酸的参与，这些氨基酸可提供含一个碳原子的有机基团，称为一碳单位 (one carbon group)或一碳基团。体内的一碳单位有五种:甲基(-CH,methyl), 甲烯基(-CH-,methylene), 甲炔基32 (-C=,methemyl), 甲酰基(-CHO,formyl)和亚氨甲基(-CH=NH,forminino)。 凡是这种涉及到一个碳原子有机基团的转移和代谢的反应，统称为一碳单位代谢。一碳单位不能以游离形式存在,常与四氢叶酸(tetrahydrofolic acid，FH)结合在一起4转运，参与代谢。因此，FH是一碳单位的载体，也可以看作是一碳单位代谢的辅酶。一4 碳单位与FH结合后成为活性一碳单位，参与代谢，尤其在核酸的生物合成中占重要地4 510位。一碳单位与FH结合的位点在FH的N和N上。 44 (二) 来源及互变 一碳单位来自丝氨酸、甘氨酸、甲硫氨酸、色氨酸和组氨酸的分解代谢。 12 510甘氨酸在甘氨酸裂解酶系催化下裂解生成N，N-甲烯四氢叶酸、NH和CO等。 32 5甲硫氨酸的甲基可以转移到FH上生成N-CHFH，不过FH并非活性甲基的惟一载体，4344 体内更重要的活性甲基载体是S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosyl-methionine，SAM)。 一碳单位的来源、互变和利用见下图(图9-15)，一碳单位不仅是甲硫氨酸合成时甲基的供给者，更重要的是合成嘌呤的原料之一。故一碳单位在核酸生物合成中占有重要地位。正如乙酰辅酶A在联系糖、脂和蛋白质代谢中所起的枢纽作用一样，一碳单位在氨基酸和核酸代谢方面起重要的联接作用。 二、含硫氨基酸的代谢 (一) 甲硫氮酸和转甲基作用 甲硫氨酸是体内重要的甲基供体，但必须先转变成它的活性形式SAM，才能供给甲基。已知体内约有50多种物质需要SAM提供甲基，生成甲基化合物，如;SAM在体内参与合成许多重要的甲基化合物肌酸、肾上腺素、胆碱等。核酸或蛋白质通过甲基化进行修饰，可以影响它们的功能。此外，一些活性物质经甲基化后，又可消除其活性或毒性，是生物转化的一种重要反应，因此，甲基化作用不仅是重要的代谢反应，更具有广泛的生理意义，而SAM则是体内最重要的甲基直接供体。 甲硫氨酸是必需氨基酸，必须由食物供给，如图9-16所示，虽然在体内同型半胱氨 5酸得到从N—甲基FH所携带的甲基后可以生成甲硫氨酸，但体内并不能合成同型半胱4 氨酸，它只能由甲硫氨酸转变而来，故甲硫氨酸必须由食物供给。不过通过甲硫氨酸循环可以使甲硫氨酸在供给甲基时得以重复利用，起了节约一部分甲硫氨酸的作用。从甲 5硫氨酸循环可见，N-甲基FH可看成是体内甲基的间接供体。 4 5甲硫氨酸循环的生理意义是甲硫氨酸的再利用。在此反应中，因N-甲基FH同型半4 5胱氨酸转甲基酶的辅酶是甲基维生素B，故维生素B缺乏时，N-甲基FH的甲基不能12124转移，不仅影响了甲硫氨酸的合成，同时由于已结合了甲基的FH不能游离出来，无法4 重新利用以转运一碳单位，如此，可导致DNA合成障碍，影响细胞分裂，最终可能引起巨幼红细胞贫血。 在体内, 甲硫氨酸还参与了肌酸的合成, 后者和ATP反应生成的磷酸肌酸是体内ATP 的储存形式。 (二) 半胱氨酸及胱氨酸的代谢 1( 半胱氨酸含巯基(-SH)，胱氨酸含二硫键(-S-S-)。两分子半胱氨酸可氧化生成胱 氨酸，胱氨酸亦可还原成半胱氨酸。两个半胱氨酸分子间所形成的二硫键在维持蛋 白质构象中起着很重要的作用。在蛋白质化学一章中已述及，体内许多重要的酶， 如乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶等都有赖于分子中半胱氨酸残基上的巯基以表现其活 13 2+2+性，故有巯基酶之称，某些毒物，如重金属离子Pb、Hg等均能和酶分子上的巯基 结合而抑制酶活性，从而发挥其毒性作用。二硫基丙醇可使已被毒物结合的巯基恢 复原状，具有解毒功能。 2(半胱氨酸可经氧化、脱羧生成牛磺酸，是结合胆汁酸的组成成分(见前氨基酸的脱羧)。 3(谷胱甘肽(glutathione，GSH)是由谷氨酸分子中的-羧基与半胱氨酸及甘氨酸在体内合成的三肽，它的活性基团是半胱氨酸残基上的巯基。GSH有还原型和氧化型两种形式可以互变。 GSH在维持细胞内巯基酶的活性和使某些物质处于还原状态(例如使高铁血红蛋白还原成血红蛋白)时本身被氧化成GS-SG，后者可由细胞内存在的谷胱甘肽还原酶使之再还原成GSH，NADPH为其辅酶。 此外，红细胞中的GSH还和维持红细胞膜结构的完整性有关，若GSH显著降低则红细胞易破裂。 在细胞内，GSH,GS-SG的比例一般维持在100,1左右。 4(半胱氨酸在体内进行分解代谢可以直接脱去巯基和氨基，产生丙酮酸、氨和硫化氢，硫化氢被迅速氧化成硫酸根。在体内生成的硫酸根，一部分可以无机硫酸盐形式随尿排出，一小部分则可经活化转变成“活性硫酸根”，即3'-磷酸腺苷5'-磷(3'—phosphoadenosine-5'phosphosulfate，PAPS)，这一转变过程需要ATP的参与。 PAPS性质活泼，可以提供硫酸根与某些物质合成硫酸酯，例如;类固醇激素可形成硫酸酯形式而被灭活。PAPS还可参与硫酸软骨素的合成。 三、支链氨基酸的代谢 支链氨基酸包括缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸，它们都是必需氨基酸，均主要在肌肉、脂肪、肾、脑等组织中降解。因为在这些肝外组织中有一种作用于此三个支链氨基酸的转氨酶，而肝中却缺乏。在摄入富含蛋白质的食物后，肌肉组织大量摄取氨基酸，最明显的就是摄取支链氨基酸。支链氨基酸在氮的代谢中起着特殊的作用，如在禁食状态下，它们可给大脑提供能源。支链氨基酸降解的第一步是转氨基，-酮戊二酸是氨基的受体。缬、亮、异亮氨基酸转氨后各生成相应的,-酮酸，此后，在支链,-酮酸脱氢酶系的催化下氧化脱羧生成各自相应的酰基CoA的衍生物，反应类似于丙酮酸和,-酮戊二酸的氧化脱羧(图9-17)。 肌肉组织中的,-酮戊二酸在接受支链氨基酸的氨基后转变成谷氨酸，然后谷氨酸又可与肌肉中的丙酮酸经转氨作用又回复生成,-酮戊二酸和丙氨酸，丙氨酸经血液运送至肝脏参与尿素合成和糖异生作用，即参加葡萄糖-丙氨酸循环(图9-18、9-10)。 14 四、芳香族氨基酸的代谢 芳香族氨基酸包括苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。 (一)苯丙氨酸及酪氨酸的代谢 苯丙氨酸和酪氨酸的结构相似。苯丙氨酸在体内经苯丙氨酸羟化酶(phenylalanine hydroxylase)催化生成酪氨酸，然后再生成一系列代谢产物。 苯丙氨酸羟化酶存在于肝脏，是一种混合功能氧化酶，该酶催化苯丙氨酸氧化生成酪氨酸，反应不可逆，亦即酪氨酸不能还原生成苯丙氨酸，因此，苯丙氨酸是必需氨基酸而酪氨酸是非必需氨基酸。 若苯丙氨酸羟化酶先天性缺失，则苯丙氨酸羟化生成酪氨酸这一主要代谢途径受阻，于是大量的苯丙氨酸走次要代谢途径，即转氨生成苯丙酮酸，导致血中苯丙酮酸含量增高，并从尿中大量排出，这即是苯丙酮酸尿症(phenylketonuria，PKU)，苯丙酮酸的堆积对中枢神经系统有毒性，使患儿智力发育受障碍，这是氨基酸代谢中最常见的一种遗传疾病，其发病率约为8,10,10万，患儿应及早用低苯丙氨酸膳食治疗。PKU现在已可进行产前基因诊断。 酪氨酸的进一步代谢涉及到某些神经递质、激素及黑色素的合成。如酪氨酸是合成儿茶酚胺类激素(去甲肾上腺素和肾上腺素)及甲状腺素的原料。 酪氨酸在体内可以合成黑色素，若合成过程中的酶系先天性缺失则不能合成黑色素，黑色素合成障碍，皮肤、毛发等发白，称为白化病(albnism)，发病率约为3,10万。 酪氨酸还可转氨生成对羟苯丙酮酸，再转变成尿黑酸，最后氧化分解生成乙酰乙酸和延胡索酸，所以酪氨酸和苯丙氨酸都是生糖兼生酮氨基酸。若有关尿黑酸氧化的酶系先天性缺失，则尿黑酸堆积，使排出的尿迅速变黑，出现尿黑酸症(alkaptonuria)，此遗传疾病较罕见，发病率约仅为0(4,10万。 (二)色氮酸的代谢 色氨酸的降解途径是所有氨基酸中最复杂的。此外，它的某些降解中间产物又是合成一些重要生理物质的前身，如尼克酸(这是合成维生素的特例)、5-羟色胺等。 上述芳香族氨基酸降解的两种主要酶:苯丙氨酸羟化酶和色氨酸吡咯酶，都主要存在于肝脏，所以当患有肝脏严重疾病时，芳香族氨基酸的分解代谢受阻，使之在血液中的含量升高，此时应严格限制食物或补液中的芳香族氨基酸含量且多补充支链氨基酸。 血液中支链氨基酸与芳香族氨基酸浓度之比 (BCAA/ACAA)正常值应为3.0,3.5，肝脏严重疾病如肝昏迷时常可降至1.5-2.0，临床上此比值可作为衡量肝功能是否衰竭的一个指标。 15 16 17