生物化学与分子生物学/氨基酸的一般代谢

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蛋白质消化吸收和氨基酸代谢- 蛋白质的营养价值与消化、吸收 - 氨基酸的一般代谢 - 氨的代谢 - 个别氨基酸的代谢

体内蛋白质分解生成氨基酸[编辑]

成人体内的蛋白质每天约有1%~2%被降解,其中主要是骨骼肌中的蛋白质。蛋白质降解所产生的氨基酸大约70%~80%又被重新利用合成新的蛋白质。

蛋白质以不同的速率进行降解[编辑]

不同蛋白质的降解速率不同。蛋白质的降解速率是随生理需要而不断变化的,若以高的平均速率降解,标志着该组织正在进行主要结构的重建,例如妊娠中的子宫组织或严重饥饿造成的骨骼肌蛋白质的降解。蛋白质降解的速率用半寿期(half-life,t1/2)表示,半寿期是指将其浓度减少到开始值50%所需要的时间。肝中蛋白质的t1/2短的低于30分钟,长的超过150小时,但肝中大部分蛋白质的t1/2为1~8天。人血浆蛋白质的t1/2约为10天,结缔组织中一些蛋白质的tl/2可达180天以上,眼晶体蛋白质的t1/2更长。体内许多关键酶的t1/2都很短,例如胆固醇合成关键酶HMG-CoA还原酶的t1/2为0.5~2小时。为了满足生理需要,关键酶的降解既可加速亦可滞后,从而改变酶的含量,进一步改变代谢产物的流量和浓度。

真核细胞内蛋白质的降解有两条重要途径[编辑]

细胞内蛋白质的降解也是通过一系列蛋白酶和肤酶催化完成的。蛋白质首先被蛋白酶水解成肽,然后肽被肽酶降解成游离氨基酸。

  • 蛋白质在溶酶体通过ATP非依赖途径被降解 溶酶体的主要功能是消化作用,是细胞内的消化器官。溶酶体含有多种蛋白酶,称为组织蛋白酶(cathepsin) 。这些蛋白酶能够降解进入溶酶体的蛋白质,但对蛋白质的选择性较差,主要降解细胞外来的蛋白质、膜蛋白和胞内长寿命蛋白质。 蛋白质通过此途径降解,不需要消耗 ATP 。
  • 蛋白质在蛋白酶体通过ATP依赖途径被降解 蛋白质通过此途径降解需泛素(ubiquitin) 的参与。 泛素是一种由 76个氨基酸组成的小分子蛋白质,因其广泛存在于真核细胞而得名。泛素介导的蛋白质降解过程是一个复杂的过程。首先泛素与被选择降解的蛋白质形成共价连接,使后者得以标记,然后蛋白酶体(proteasome) 将其降解。 泛素的这种标记作用称为泛素化(ubiquitination) , 是由三种酶参与的催化反应完成的,同时需消耗ATP。一种蛋白质的降解需多次泛素化反应,形成泛素链(ubiquitin chain)。然后,泛素化的蛋白质在蛋白酶体降解,产生一些约7~9个氨基酸残基组成的肽链,肽链进一步经寡肤酶水解生成氨基酸。
蛋白酶体结构示意图

蛋白酶体存在于细胞核和胞质内,主要降解异常蛋白质和短寿命蛋白质。蛋白酶体是一个26S的蛋白质复合物,由20S的核心颗粒(core particle, CP)和19S的调节颗粒(regulatory particle, RP)组成。CP是由2个α环和2个β环组成的圆柱体,2个α环分别位于圆柱体的上下两端,而2个β环则夹在2个α环之间。每个α环由7个α亚基组成,而每个β环由7个β亚基组成,CP中心形成空腔。CP是蛋白酶体的水解核心,活性位点位于 2个β环上,每个β环的7个β亚基中有3个亚基具有蛋白酶活性,可催化不同的蛋白质降解。2个19S的RP分别位于柱形核心颗粒的两端,形成空心圆柱的盖子。每个RP都由18个亚基组成,其中某些亚基能够识别、结合待降解的泛素化蛋白质,有6个亚基具有ATP酶活性,与蛋白质的去折叠以及使蛋白质定位于CP有关。

外源性氨基酸与内源性氨基酸组成氨基酸代谢库[编辑]

体内组织蛋白质降解产生的氨基酸及体内合成的非必需氨基酸属于内源性氨基酸,与食物蛋白质经消化吸收的氨基酸(外源性氨基酸)共同分布于体内各处,参与代谢,称为氨基酸代谢库(aminoacid metabolic pool)。氨基酸代谢库通常以游离氨基酸总量计算。由于氨基酸不能自由通过细胞膜,所以在体内的分布是不均一的。骨骼肌中的氨基酸占总代谢库的50%以上,肝约占10%, 肾约占4%, 血浆占1%~6%。消化吸收的大多数氨基酸,例如丙氨酸和芳香族氨基酸等主要在肝中分解,而支链氨基酸的分解代谢主要在骨骼肌中进行。

人体内氨基酸的代谢概况

体内氨基酸的主要功能是合成多肽和蛋白质,也可转变成其他含氮化合物。正常人尿中排出的氨基酸极少。由于各种氨基酸具有共同的基本结构,因此分解代谢途径有相同之处;但各种氨基酸在侧链结构上存在一定的差异,又导致了各自独特的代谢方式。

氨基酸分解代谢首先脱氨基[编辑]

氨基酸分解代谢的主要反应是脱氨基作用,可以通过多种方式如转氨基、氧化脱氨基及非氧化脱氨基等方式脱去氨基。

氨基酸通过转氨基作用脱去氨基[编辑]

转氨基作用由转氨酶催化完成[编辑]

转氨基作用(transarnination)是在氨基转移酶(arninotransferase)的催化下,可逆地将α-氨基酸的氨基转移给α-酮酸,结果是氨基酸脱去氨基生成相应的α-酮酸,而原来的α-酮酸则转变成另一种氨基酸。
氨基转移酶也称转氨酶(transaminase) , 广泛分布于体内各组织中,其中以肝及心肌中的含量最为丰富。转氨基作用的平衡常数接近1.0, 反应是完全可逆的。因此,转氨基作用既是氨基酸的分解代谢过程,也是体内某些氨基酸合成的重要途径。除赖氨酸、苏氨酸、脯氨酸及轻脯氨酸外,大多数氨基酸都能进行转氨基作用。除了α-氨基外,氨基酸侧链末端的氨基,如鸟氨酸的σ-氨基也可通过转氨基作用脱去。
体内存在着多种氨基转移酶,不同氨基酸与α-酮酸之间的转氨基作用只能由专一的氨基转移酶催化。在各种氨基转移酶中,以L-谷氨酸和α-酮酸的氨基转移酶最为重要。例如谷丙转氨酶 (glutamic-pyruvic transaminase, GPT)和谷草转氨酶(glutamic-oxaloacetic transaminase, GOT)在体内广泛存在,但各组织中的含量不同。
正常时,氨基转移酶主要存在于细胞内,血清中的活性很低。肝组织中ALT的活性最高,心肌组织中AST的活性最高。当某种原因使细胞膜通透性增高或细胞破裂时,氨基转移酶可大量释放入血,使血清中氨基转移酶活性明显升高。例如急性肝炎病人血清ALT活性显著升高;心肌梗死病人血清AST明显上升。临床上可以此 作为疾病诊断和预后的参考指标之一。

氨基转移酶具有相同的辅酶和作用机制[编辑]

氨基转移酶的辅基是维生素B6的磷酸酯,即磷酸吡哆醛,结合于转氨酶活性中心赖氨酸的ε-氨基上。在反应过程中,磷酸吡哆醛先从氨基酸接受氨基转变成磷酸吡哆胺,氨基酸则转变成α-酮酸;继而磷酸吡哆胺进一步将氨基转给另一种α-酮酸而生成相应的氨基酸,同时磷酸吡哆胺又转变为磷酸吡哆醛。在氨基转移酶的催化下,磷酸咄吡哆醛与磷酸吡哆胺的这种相互转变,起着传递氨基的作用。 磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺参与的转氨基反应过程

L-谷氨酸脱氢酶催化L-谷氨酸氧化脱氨基[编辑]

L-谷氨酸是哺乳类动物组织中唯一能以相当高的速率进行氧化脱氨反应的氨基酸,脱下的氨进一步代谢后排出体外。L-谷氨酸的氧化脱氨反应由L-谷氨酸脱氢酶(L-glutamate dehydrogenase)催化完成,此酶广泛存在于肝、肾和脑等组织中,属于一种不需氧脱氢酶。在L-谷氨酸脱氢酶的催化下, L-谷氨酸氧化脱氨生成α-酮戊二酸和氨。
L谷氨酸脱氢酶是一种别构酶,由6个相同的亚基聚合而成。ATP与GTP是此酶的别构抑制剂,而ADP和GDP是别构激活剂。因此,当体内能量不足时能加速氨基酸的氧化,对机体的能量代谢起重要的调节作用。L-谷氨酸脱氢酶还是唯一既能利用NAD+又能利用NADP+接受还原当量的酶。
转氨基作用只是把氨基酸分子中的氨基转移给α-酮戊二酸或其他α-酮酸,并没有真正实现脱氨基。若氨基转移酶与L-谷氨酸脱氢酶协同作用,首先通过转氨基作用使其他氨基酸的氨基转移至α-酮戊二酸生成L-谷氨酸,然后L-谷氨酸再脱氨基,就可以使氨基酸脱氨生成NH3。这种方式需要氨基转移酶与L-谷氨酸脱氢酶联合作用,即转氨基作用与L-谷氨酸的氧化脱氨基作用偶联进行,被称作转氨脱氨作用(transdeamination), 又称联合脱氨作用。

氨基酸通过氨基酸氧化酶催化脱去氨基[编辑]

大多数从L-α氨基酸中释放的氨反映了氨基转移酶和L-谷氨酸脱氢酶的联合作用。在肝、肾组织中还存在一种L-氨基酸氧化酶,属黄素酶类,其辅基是FMN 或FAD。这些能够自动氧化的黄素蛋白将氨基酸氧化为α-亚氨基酸,然后再加水分解成相应的α-酮酸,并释放铵离子。分子氧可进一步直接氧化还原型黄素蛋白形成过氧化氢(H2O2) ,H2O2被过氧化氢酶裂解成氧和H2O。过氧化氢酶存在于大多数组织中,尤其是肝。

氨基酸碳链骨架可进行转换或分解[编辑]

氨基酸脱氨基后生成的α-酮酸(a-keto acid)可以进一步代谢,主要有以下三方面的代谢途径。

  • α-酮酸可彻底氧化分解并提供能量 α-酮酸在体内可通过三羧酸循环与生物氧化体系彻底氧化生成CO2和H2O,同时释放能量以供机体生理活动需要。可见,氨基酸也是一类能源物质。
  • α-酮酸经氨基化生成营养非必需氨基酸 体内的一些营养非必需氨基酸可通过相应的α-酮酸经氨基化而生成。例如,丙酮酸、草酰乙酸、 α-酮戊二酸经氨基化后分别转变成丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸。这些α-酮酸也可以是来自糖代谢和三羧酸循环的产物。
  • α-酮酸可转变成糖和脂质 在人体内α-酮酸可以转变成糖和脂质。实验发现,分别用不同氨基酸饲养人工造成糖尿病的犬时,大多数氨基酸可使尿中排出的葡萄糖增加,少数几种则可使葡萄糖及酮体的排出同时增加,而亮氨酸和赖氨酸只能使酮体的排出增加。由此,将在体内可以转变成糖的氨基酸称为生糖氨基酸(glucogenicamino acid); 能转变成酮体的氨基酸称为生酮氨基酸(ketogenicamino acid); 既能转变成糖又能转变成酮体的氨基酸称为生糖兼生酮氨基酸(glucogenic and ketogenic amino acid)。

利用核素标记氨基酸的示踪实验证明,上述营养学研究的结果是正确的。各种氨基酸脱氨基后产生的α-酮酸结构差异很大,其代谢途径也不尽相同,转变过程的中间产物包括乙酰CoA(生酮氨基酸)和丙酮酸及三羧酸循环的中间物,例如α-酮戊二酸、草酰乙酸、延胡索酸及琥珀酰CoA等(生糖氨基酸)。
综上所述,氨基酸的代谢与糖和脂质的代谢密切相关。氨基酸可转变成糖与脂质;糖也可以转变成脂质和一些非必需氨基酸的碳架部分。由此可知,三狻酸循环是物质代谢的总枢纽,通过它可以使糖、脂肪酸及氨基酸完全氧化,也可使彼此相互转变,构成一个完整的代谢体系。