生物化學與分子生物學/個別胺基酸的代謝

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蛋白質消化吸收和胺基酸代謝- 蛋白質的營養價值與消化、吸收 - 胺基酸的一般代謝 - 氨的代謝 - 個別胺基酸的代謝
胺基酸的分解代謝除共有代謝途徑外,因其側鏈不同,有些胺基酸還存在特殊的代謝途徑,並具有重要的生理意義。本節僅對幾種重要的胺基酸代謝途徑進行描述。

胺基酸脫羧基作用需要脫羧酶催化[編輯]

有些胺基酸可通過脫羧基作用(decarboxylation)生成相應的胺類。催化脫羧基反應的酶稱為脫羧酶(decarboxylase), 胺基酸脫羧酶的輔酶是磷酸吡哆醛。體內胺類含量雖然不高,但具有重要的生理功能。細胞內廣泛存在的胺氧化酶(amine oxidase)能將胺氧化成相應的酸、NH3和H2O2。醛類可繼續氧化成羧酸,羧酸再氧化成CO2和H20或隨尿排出,從而避免胺類的蓄積。胺氧化酶屬於黃素蛋白,在肝中活性最高。

穀氨酸脫羧生成γ-氨基丁酸[編輯]

穀氨酸由L-穀氨酸脫羧酶催化脫去羧基生成γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid, GABA)。L-穀氨酸脫羧酶在腦及腎組織中活性很高,因而γ-氨基丁酸在腦組織中的濃度較高。GABA是抑制性神經遞質,對中樞神經有抑制作用。

組氨酸脫羧生成組胺[編輯]

組氨酸由組氨酸脫羧酶催化脫去羧基生成組胺(histamine)。組胺在體內分布廣泛,乳腺、肺、肝、肌及胃黏膜中含量較高,主要存在於肥大細胞中。
組胺是一種強烈的血管擴張劑,並能增加毛細血管的通透性。組胺可使平滑肌收縮,引起支氣管痙攣導致哮喘。組胺還能促進胃黏膜細胞分泌胃蛋白酶原及胃酸。

色氨酸經過羥化後脫羧生成5-羥色胺[編輯]

色氨酸首先經色氨酸羥化酶催化生成5-羥色氨酸(5-hydroxytryptophan), 然後由5-羥色氨酸脫羧酶催化生成5-羥色胺。
5-羥色胺廣泛分布於體內各組織,除神經組織外,還存在於胃、腸、血小板及乳腺細胞中。腦組織中的5-羥色胺是一種神經遞質,具有抑制作用,直接影響神經傳導。在外周組織,5-羥色胺具有強烈的血管收縮作用。5-羥色胺經單胺氧化酶催化生成5-羥色醛,進一步氧化生成5-羥吲哚乙酸隨尿排出。

某些胺基酸脫羧基可產生多胺類物質[編輯]

多胺是指含有多個氨基的化合物。在體內,某些胺基酸經脫狻基作用可以產生多胺類物質。例如鳥氨酸經脫狻基作用生成腐胺(putrescine), 然後腐胺又可轉變成亞精胺(spermidine)及精胺(spermine)。
鳥氨酸脫羧酶(ornithine decarboxylase)是多胺(polyamine)合成的關鍵酶。精胺與亞精胺是調節細胞生長的重要物質。凡生長旺盛的組織,如胚胎、再生肝、腫瘤組織等,鳥氨酸脫羧酶的活性和多胺的含量都有所增加。多胺促進細胞增殖的機制可能與其穩定細胞結構、與核酸分子結合及促進核酸和蛋白質的生物合成有關。在體內多胺大部分與乙醯基結合隨尿排出,小部分氧化成CO2和NH3。目前臨床上常測定病人血或尿中多胺的水平作為腫瘤輔助診斷及病情變化的生化指標之一。

某些胺基酸在分解代謝中產生一碳單位[編輯]

四氫葉酸作為一碳單位的載體參與一碳單位代謝[編輯]

一碳單位是指某些胺基酸在分解代謝過程中產生的含有一個碳原子的有機基團,包括甲基(—CH3)、亞甲基(也稱甲叉基,—CH2—)、次甲基(也稱甲川基,—CH=)、甲醯基(—CHO)、亞胺甲基(—CH=NH)及羥甲基(—CH2OH)等。一碳單位不能游離存在 ,常與四氫葉酸(tetrahydrofolic acid, FH4)結合被轉運並參與代謝,四氫葉酸是一碳單位的運載體。在體內,四氫葉酸是由葉酸經過二氫葉酸還原酶(dihydrofolate reductase)催化,分兩步還原反應生成的。

由胺基酸產生的—碳單位可相互轉變[編輯]

一碳單位主要來自絲氨酸、甘氨酸、組氨酸及色氨酸的分解代謝,蘇氨酸通過間接轉變成為甘氨酸也可以產生一碳單位。一碳單位由胺基酸生成的同時即結合在四氫葉酸的N5、N10位上。四氫葉酸的N5結合甲基或亞氨甲基,N5和N1O結合亞甲基或次甲基,N5或NlO結合甲醯基。
各種不同形式的一碳單位中,碳原子的氧化狀態不同。在適當條件下,它們可以通過氧化還原反應而彼此轉變。但是在這些反應中,N5-甲基四氫葉酸的生成是不可逆的。

一碳單位的主要功能是參與嘌呤和嘧啶的合成[編輯]

胺基酸分解代謝過程中產生的一碳單位可作為嘌呤和嘧啶的合成原料。故一碳單位在核酸的生物合成中具有重要作用,一碳單位將胺基酸代謝與核苷酸代謝密切聯繫起來。一碳單位代謝障礙或 FH4 不足時,可引起巨幼細胞貧血等疾病。應用磺胺類藥物可抑制某些細菌合成二氫葉酸,進而抑制細菌繁殖,但對人體影響不大。應用葉酸類似物如甲氨蝶呤等可抑制FH4的生成,從而抑制核酸的合成,起到抗腫瘤作用。

含硫胺基酸代謝可產生多種生物活性物質[編輯]

含硫胺基酸包括甲硫氨酸、半胱氨酸和胱氨酸。甲硫氨酸可以轉變為半胱氨酸和胱氨酸,半胱氨酸和胱氨酸又可以互相轉變,但後兩種都不能轉變為甲硫氨酸,所以甲硫氨酸是營養必需胺基酸。

甲硫氨酸參與甲基轉移反應[編輯]

  • 甲硫氨酸轉甲基作用與甲硫氨酸循環有關

甲硫氨酸分子中含有S-甲基,通過各種轉甲基作用可生成多種含甲基的生理活性物質,如腎上腺素、肉鹼、膽鹼及肌酸等。但在轉甲基反應前,甲硫氨酸必須經腺苷轉移酶 (adenosyl transferase) 的催化與 ATP 反應,生成 S-腺苷甲硫氨酸 (S-adenosyl methionine, SAM)。SAM中的甲基稱為活性甲基,故SAM 稱為活性甲硫氨酸。SAM是體內最重要的甲基直接供體。據統計,體內約有50餘種物質需要 SAM 提供甲基,生成相應的甲基化合物。
S-腺苷甲硫氨酸經甲基轉移酶(methyltransferase) 催化,將甲基轉移至另一種物質,使其發生甲基化 (methylation)反應,而S-腺苷甲硫氨酸失去甲基後生成 S-腺苷同型半胱氨酸,後者脫去腺苷生成同型半胱氨酸(homocysteine)。同型半胱氨酸若再接受 N5-CH3-FH4提供的甲基,則可重新生成甲硫氨酸。由此形成一個循環過程,稱為甲硫氨酸循環 (methionine cycle)。此循環的生理意義是由 N5-CH3-FH4提供甲基生成甲硫氨酸,再通過SAM提供甲基,以進行體內廣泛存在的甲基化反應,由此,N5-CH3-FH4可看成是體內甲基的間接供體。
在甲硫氨酸循環反應中,雖然同型半胱氨酸接受甲基後可以生成甲硫氨酸,但體內不能合成同型半胱氨酸,它只能由甲硫氨酸轉變而來,故甲硫氨酸必須由食物提供,不能在體內合成。
N5-CH3-FH4提供甲基使同型半胱氨酸轉變成甲硫氨酸的反應由N5-甲基四氫葉酸轉甲基酶催化,此酶又稱甲硫氨酸合成酶,其輔酶是維生素B12,參與甲基的轉移。當維生素B12缺乏時,N5-CH3-FH4上的甲基不能轉移給同型半胱氨酸。這不僅影響甲硫氨酸的合成,同時也影響四氫葉酸的再生,使組織中游離的四氫葉酸含量減少,一碳單位參與鹼基合成受到影響,可導致核酸合成障礙,影響細胞分裂。因此,維生素B12不足時可引起巨幼細胞貧血。另外,同型半胱氨酸在血中濃度升高,可能是動脈粥樣硬化和冠心病發生的獨立危險因素。

  • 甲硫氨酸為肌酸合成提供甲基

肌酸(creatine)和磷酸肌酸(creatine phosphate)是能量儲存與利用的重要化合物。肌酸是以甘氨酸為骨架,由精氨酸提供脈基,S-腺苷甲硫氨酸提供甲基合成的,肝是合成肌酸的主要器官。在肌酸激酶(creatine kinase, CK)催化下,肌酸接受ATP的高能磷酸基形成磷酸肌酸。磷酸肌酸作為能量的儲存形式,在心肌、骨骼肌及腦組織中含量豐富。
肌酸激酶由兩種亞基組成,即M亞基(肌型)與 B亞基(腦型),構成3種同工酶: MM、MB 和 BB。它們在體內各組織中的分布不同,MM主要在骨骼肌,MB主要在心肌,而BB主要在腦。當心肌梗死時,血中 MB 型肌酸激酶的活性增高,因此可作為心肌梗死的輔助診斷指標之一。
肌酸和磷酸肌酸的終末代謝產物是肌酐(creatinine)。肌酐主要在骨骼肌中通過磷酸肌酸的非酶促反應生成。肌酐隨尿排出,正常入每日尿中肌酐的排出量恆定。當腎功能障礙時,肌酐排出受阻,血中濃度升高。因此,血中肌酐的測定有助於腎功能不全的診斷。

半胱氨酸與多種生理活性物質的生成有關[編輯]

  • 半胱氨酸與胱氨酸可以互變 半胱氨酸含有巰基(—SH),胱氨酸含有二硫鍵(—S—S—),兩者可以相互轉變。

在許多蛋白質分子中,兩個半胱氨酸殘基間形成的二硫鍵對於維待蛋白質空間構象的穩定及其功能具有重要作用。如胰島素的A、B鏈就是以二硫鍵連接的,若二硫鍵斷裂,胰島素即失去其生物活性。體內有許多重要的酶,如琥珀酸脫氫酶、乳酸脫氫酶等,其活性與半胱氨酸的琉基直接有關,故有巰基酶之稱。某些毒物,如芥子氣、重金屬鹽等,能與酶分子中的琉基結合而抑制該酶的活性。體內存在的還原型穀胱甘肽能保護酶分子上的琉基,因而有重要的生理功能。

  • 半胱氨酸可轉變成牛磺酸 半胱氨酸首先氧化成磺基丙氨酸,再經磺基丙氨酸脫羧酶催化,脫去羧基生成牛磺酸。牛磺酸是結合膽汁酸的組成成分之一。
  • 半胱氨酸可生成活性硫酸根 含硫胺基酸氧化分解均可產生硫酸根,但半胱氨酸是體內硫酸根的主要來源。半胱氨酸可以直接脫去巰基和氨基,生成丙酮酸、氨和 H2S。H2S 經氧化生成 H2S04。體內的硫酸根,一部分以無機鹽的形式隨尿排出,另一部分由 ATP 活化生成活性硫酸根,即 3'-磷酸腺苷-5'-磷酸硫酸 (3'-phospho-adenosine-5'-phospho-sulfate, PAPS)。

PAPS化學性質活潑,在肝生物轉化中可提供硫酸根使某些物質生成硫酸酯。例如,類固醇激素可形成硫酸酯而被滅活,一些外源性酚類化合物也可以形成硫酸酯而排出體外。此外,PAPS還可參與硫酸角質素及硫酸軟骨素等分子中硫酸化氨基糖的合成。

芳香族胺基酸代謝需要加氧酶催化[編輯]

芳香族胺基酸包括苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。酪氨酸可由苯丙氨酸羥化生成。苯丙氨酸與色氨酸為營養必需胺基酸。

苯丙氨酸和酪氨酸代謝既有聯繫又有區別[編輯]

  • 苯丙氨酸羥化生成酪氨酸

正常情況下,苯丙氨酸的主要代謝途徑是經羥化作用生成酪氨酸,反應由苯丙氨酸羥化酶(phenylalanine hydroxylase)催化。苯丙氨酸羥化酶主要存在於肝等組織,屬一種單加氧酶,輔酶是四氫生物蝶呤,催化的反應不可逆,故酪氨酸不能轉變為苯丙氨酸。
苯丙氨酸除轉變為酪氨酸外,少量可經轉氨基作用生成苯丙酮酸。先天性苯丙氨酸羥化酶缺陷病人,不能將苯丙氨酸羥化為酪氨酸。因此,苯丙氨酸經轉氨基作用生成苯丙酮酸。大量的苯丙酮酸及其部分代謝產物(苯乳酸及苯乙酸等)由尿排出,稱為苯丙酮尿症 (phenylketonuria, PKU)。苯丙酮酸的堆積對中樞神經系統有毒性,導致腦發育障礙,患兒智力低下。治療原則是早期發現,並適當控制膳食中苯丙氨酸的含量。

  • 酪氨酸轉變為兒茶酚胺和黑色素或徹底氧化分解

酪氨酸的進一步代謝與合成某些神經遞質、激素及黑色素有關。酪氨酸在腎上腺髓質和神經組織經酪氨酸羥化酶 (tyrosine hydroxylase)催化生成 3,4-二羥苯丙氨酸 (3,4-dihydroxyphenylalanine, DOPA) , 又稱多巴。 與苯丙氨酸羥化酶相似,酪氨酸羥化酶也是以四氫生物蝶呤為輔酶的單加氧酶。多巴在多巴脫羧酶的作用下,脫去羧基生成多巴胺(dopamine)。多巴胺是一種神經遞質。帕金森病 (Parkinson disease) 病人腦內多巴胺生成減少。在腎上腺髓質,多巴胺側鏈的β-碳原子再被羥化,生成去甲腎上腺素 (norepinephrine) , 後者甲基化生成腎上腺素 (epinephrine) 。 多巴胺、去甲腎上腺素及腎上腺素統稱為兒茶酚胺 (catecholamine) 。酪氨酸羥化酶是合成兒茶酚胺的關鍵酶,受終產物的反饋調節。
酪氨酸代謝的另一條途徑是合成黑色素(melanin)。在黑色素細胞中,酪氨酸經酪氨酸酶(tyrosinase)作用羥化生成多巴,後者經氧化、脫羧等反應轉變成吲哚醌,最後吲哚醌聚合為黑色素。先天性酪氨酸酶缺乏的病人,因不能合成黑色素,皮膚毛髮等發白,稱為白化病(albinism)。病人對陽光敏感易患皮膚癌。
除上述代謝途徑外,酪氨酸還可在轉氨酶的催化下,生成對羥苯丙酮酸,後者經尿黑酸等中間產物進一步轉變成延胡索酸和乙醯乙酸,然後兩者分別沿糖和脂質代謝途徑進行代謝。因此,苯丙氨酸和酪氨酸是生糖兼生酮胺基酸。當體內尿黑酸分解代謝的酶先天性缺陷時,尿黑酸的分解受阻,可出現尿黑酸尿症(alkaptonuria) 。

色氨酸分解代謝可產生丙酮酸和乙醯乙醯CoA[編輯]

色氨酸除生成5-羥色胺外,還可在肝經色氨酸加氧酶(tryptophan oxygenase)催化,生成一碳單位和多種酸性中間代謝產物。色氨酸經分解可產生丙酮酸和乙醯乙醯CoA,故色氨酸為生糖兼生酮胺基酸。少部分色氨酸還可轉變成煙酸,但合成量很少,不能滿足機體的需要。

支鏈胺基酸的分解有相似的代謝過程[編輯]

支鏈胺基酸包括纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸,它們都是營養必需胺基酸,在體內的分解有相似的代謝過程,大致分為三個階段:

  • 通過轉氨基作用生成相應的α-酮酸;
  • 通過氧化脫羧生成相應的脂醯CoA;
  • 通過β-氧化過程生成不同的中間產物參與三羧酸循環,其中纈氨酸分解產生琥珀醯CoA,亮氨酸產生乙醯CoA和乙醯乙醯CoA,異亮氨酸產生琥珀醯CoA和乙醯CoA。所以,這三種胺基酸分別是生糖胺基酸、生酮胺基酸和生糖兼生酮胺基酸。

支鏈胺基酸的分解代謝主要在骨骼肌中進行。
綜上所述,胺基酸除了作為合成蛋白質的原料外,還可以轉變為神經遞質、激素及其他重要的含氮生理活性物質。值得指出的是,其中一氧化氮(NO)的細胞信號轉導功能研究近年來受到高度關注,而體內NO正是由精氨酸在一氧化氮合酶(nitricoxide synthase, NOS)催化下生成的。