第七章 氨基酸代謝

第一節(jié)

氨基酸的一般代謝

一、脫氨基作用

氨基酸脫氨有氧化脫氨和非氧化脫氨兩種方式，氧化脫氨又和轉氨作用組成聯合脫氨基作用。非氧化脫氨主要在微生物體內進行。

1.氧化脫氨基作用

氧化脫氨是酶催化下伴隨有脫氫的脫氨，α-氨基酸轉變?yōu)棣?酮酸。主要的酶有L-氨基酸氧化酶、D-氨基酸氧化酶和L-谷氨酸脫氫酶。前二類是黃素蛋白酶，輔基為FMN和或FAD，在動物體內作用都不大，所形成的FMNH2或FADH2被氧分子氧化，產生毒性的過氧化氫，可由過氧化氫酶分解為水和氧。

L-谷氨酸脫氫酶廣泛分布于動物、植物和微生物，輔酶為NAD+或NADP+。L-谷氨酸脫氫酶活性高，專一性強，只催化L-谷氨酸氧化脫氨生成α-酮戊二酸、NH3、NADH或NADPH，反應是可逆的。此酶是一種變構酶，ATP、GTP和NADH是變構抑制劑，而ADP、GDP是變構激活劑。

味精生產即利用微生物體內的L-谷氨酸脫氫酶將α-酮戊二酸轉變?yōu)楣劝彼?，進而轉化為谷氨酸鈉。

2.轉氨基作用

一種α-氨基酸的氨基在轉氨酶催化下轉移到α-酮酸上，生成相應的α-酮酸和另一α-氨基酸，反應是可逆的。

轉氨作用溝通了糖與蛋白質的代謝。大多數轉氨酶以α-酮戊二酸作為氨基的受體，這樣許多氨基酸的氨基通過轉氨作用轉化為谷氨酸，再經L-谷氨酸脫氫酶的催化使氨基酸氧化分解。所以谷氨酸在很多氨基酸合成和降解代謝反應中是一個關鍵的中間代謝物。

已發(fā)現50種以上轉氨酶。谷丙轉氨酶（GPT）在肝臟中活性最高，谷草轉氨酶（GOT）在心臟中活性最高，都是細胞內酶。肝細胞受損，血清GPT明顯升高。

而心肌梗死患者GOT顯著上升。

轉氨酶的輔酶只有一種，即磷酸吡哆醛，是VB6的磷酸酯。在轉氨過程中，磷酸吡哆醛及磷酸吡哆胺之間相互轉變，起著傳遞氨基的作用，類似于打乒乓球，所以稱為乒-乓反應機制。

3.聯合脫氨基作用

常見的有兩種途徑：

（1）轉氨酶與L-谷氨酸脫氫酶的聯合

主要在肝、腎等組織，轉氨酶與L-谷氨酸脫氫酶的聯合作用，可使大部分氨基酸脫去氨基，全過程是可逆的，其逆過程可以合成新的氨基酸。在這一過程中，α-酮戊二酸是一種氨基傳遞體，可由三羧酸循環(huán)中大量產生。

（2）連續(xù)轉氨偶聯嘌呤核苷酸循環(huán)

主要在心肌、骨骼肌和腦進行?；顒拥募∪鈺笔且驗榧∪鈨萀-谷氨酸脫氫酶活性不高，氨基酸通過連續(xù)脫氨，將氨基轉移給草酰乙酸，生成天冬氨酸，再與次黃嘌呤核苷酸（IMP）生成AMP。AMP在腺苷酸脫氫酶催化下，生成IMP并釋放氨，完成聯合脫氨基作用。IMP既是接受天冬氨酸的起始物，又是釋放氨基后的再生物，于是構成了嘌呤核苷酸循環(huán)。

二、氨的去路

1.氨對動物是有毒的

氨在pH7.4時主要以NH4＋的形式存在，在兔體內，血氨達到5mg/100mL，兔即死亡，正常人血氨濃度小于60μmol/L,血氨升高會引起腦功能紊亂，出現中毒癥狀，是肝昏迷發(fā)病的重要機制之一。

血氨的去路：①合成尿素（人體80%～90%的氨以尿素形式排出，鳥類和生活在比較干燥環(huán)境中的爬蟲類以尿酸形式排出，水生動物可直接排出）；②合成谷氨酰胺（這是神經組織解氨毒的重要方式，也是氨的儲存、運輸方式。在植物體內，氨的運輸、儲存和利用形式是天冬酰胺）；③合成非必需氨基酸或其他含氮物（嘌呤或嘧啶堿）。

2.尿素的合成

（1）部位：肝臟線粒體和胞液。

（2）機理：1932年，德國學者Krebs和Hensleit根據實驗研究，提出了鳥氨酸循環(huán)（ornithine cycle）合成尿素的學說，這比三羧酸循環(huán)發(fā)現早5年。實驗的根據是：將鼠肝切片置于胺鹽和重碳酸鹽介質中，有氧條件下保溫數小時，發(fā)現胺鹽含量減少，而尿素增多。當加入少量鳥氨酸、瓜氨酸或精氨酸能大大加速尿素的合成。肝臟又含有精氨酸酶，可催化精氨酸水解生成鳥氨酸和尿素。于是一個循環(huán)機制就出現。

（3）反應過程：有5步反應，前2步在肝細胞線粒體，其他3步在胞質溶液中進行。尿素循環(huán)本身是四步酶促反應組成。

氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ（CPS-Ⅰ）激活氨結合CO2形成氨甲酰磷酸。

鳥氨酸轉氨甲酰酶催化氨甲酰磷酸轉移到鳥氨酸上生成瓜氨酸。

精氨琥珀酸合成酶催化瓜氨酸與天冬氨酸縮合生成精氨琥珀酸。這是尿素中第2個氮原子的來源。

精氨琥珀酸酶催化精氨琥珀酸裂解為精氨酸和延胡索酸（后者可進入三羧酸循環(huán)，并轉變?yōu)椴蒗Ｒ宜?，轉氨后又形成天冬氨酸）。

精氨酸酶水解精氨酸生成尿素，并重新產生鳥氨酸，進入第二輪循環(huán)。

總反應式：NH3 + HCO3- +天冬氨酸 +3ATP → CO( N H 2)2 + 延胡索酸+2ADP+2Pi+AMP+PPi

尿素的合成是一個耗能的過程，循環(huán)中使用了4個高能磷酸鍵（3分子ATP水解為2ADP及Pi、一個AMP和PPi，后者隨之水解為Pi）。

尿素循環(huán)產生的延胡索酸可進入TCA，精氨酸與甘氨酸縮合形成瓜基乙酸，進而合成肌酸磷酸（肌肉中的一種高能倉庫）。

（4）調節(jié)：氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ是變構酶，乙酰谷氨酸（AGA）是該酶的激活劑，而精氨酸又是AGA合成酶的激活劑，因此，精氨酸濃度增高時，尿素生成加速。精氨琥珀酸合成酶活性最低，是限速酶。

三、α-酮酸的去路

α-酮酸的去路：①氨基化生成非必需氨基酸（如丙氨酸、谷氨酸和天冬氨酸由一步轉氨反應合成，其它的也是通過短的，不太耗能的途徑合成）；②轉變成糖和脂肪；③氧化供能。

脊椎動物體內的20種氨基酸的碳骨架由各自的酶系進行氧化分解，途徑各異，但集中形成5種產物進入檸檬酸循環(huán)。這5種產物是乙酰CoA、α-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸和草酰乙酸。它們最后氧化成CO2和H2O，釋放能量。

降解為檸檬酸循環(huán)中間代謝物的氨基酸還可以進入糖異生途徑生成葡萄糖，這樣的氨基酸稱為生糖氨基酸；那些形成乙酰CoA氨基酸可以成為脂肪酸和酮體的前體，稱生酮氨基酸；既可生成檸檬酸循環(huán)中間代謝物，又可生成乙酰CoA的氨基酸稱為生糖兼生酮氨基酸。氨基酸碳骨架進入TCA的途徑如下圖。

第二節(jié)氨基酸合成代謝的概況

一、氨基酸的N原子及碳骨架的來源

不同氨基酸的生物合成途徑不同，按相關代謝途徑的中間物提供的起始物的不同分為六個類型：

二、氨基酸與一碳單位

生物體內許多物質的代謝和含有一個碳原子的基團有關，如卵磷脂的生物合成中有由S-腺苷甲硫氨酸提供甲基的反應。某些氨基酸在分解代謝過程中可以產生一碳單位。

1.概念：甲基、亞甲基（-CH2-）、次甲基（-CH=）、甲?；?、亞胺甲基（-CH=NH）等，稱為一碳單位。但CO2不屬于這種類型。

2.產生和轉運：一碳單位主要來源于絲氨酸、甘氨酸、組氨酸及色氨酸的代謝。一碳單位不能游離存在，必須與載體四氫葉酸（FH4或THFA）結合轉運和參與代謝。葉酸為B族維生素，在體內經二氫葉酸還原酶作用，加氫形成FH4。一碳單位通常結合在FH4分子的N5、N10位上，如N5，N10 -甲烯四氫葉酸。

絲氨酸在羥甲基轉移酶催化下，生成甘氨酸的過程中產生N5，N10–CH2-FH4，而甘氨酸在甘氨酸裂解酶作用下，也會產生N5，N10–CH2-FH4。

組氨酸在體內經酶促分解產生N-亞氨甲基谷氨酸，進而轉化為谷氨酸。（FH4接受亞氨甲基生成N5-CH=NH-FH4，再生成N5，N10=CH-FH4，后者可參與合成嘌呤堿C8原子。）

色氨酸在分解過程中產生甲酸，結合FH4，生成N10-甲酰四氫葉酸，參與合成嘌呤堿C2原子。

3.生理功用：主要是作為合成嘌呤和嘧啶核苷酸的原料。是將氨基酸和核苷酸代謝聯系起來，與細胞的增殖、生長和機體發(fā)育過程有密切關系。

一、一些氨基酸衍生物的合成

氨基酸除了作為蛋白質的構件分子外，還是許多特殊生物分子的前體，包括激素、輔酶、核苷酸、卟啉、NO及一些胺類分子。以下僅介紹幾種：

1．神經遞質和激素

氨基酸的脫羧作用在微生物中很普遍，在高等植物組織中亦有，但不是機體氨基酸代謝的主要方式。體內部分氨基酸可在專一性很高的氨基酸脫羧酶的催化下，生成相應的胺。如在腦組織，谷氨酸在谷氨酸脫羧酶作用下，脫去α-羧基生成γ-氨基丁酸（GABA），是一種抑制性神經遞質。

組氨酸脫羧生成的組胺可控制血管收縮以及胃分泌胃酸。

色氨酸經羥化后脫羧生成5-羥色胺（5-HT），也是一種神經遞質，還是某些非神經組織的激素。

苯丙氨酸和酪氨酸是兩種重要的芳香族氨基酸。苯丙氨酸經羥化作用生成酪氨酸。后者參與兒茶酚胺、黑色素等代謝。苯酮酸尿癥、白化病等遺傳病與它們代謝異常有關。

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?；撬崾悄承┠懰岬慕M分，于1827年在牛的膽汁中發(fā)現。牛磺酸分布于心、肝、腎、肺、腦、骨骼肌，來源于半胱氨酸氧化脫羧，也被認為是一種抑制性神經遞質。