生物化學與分子生物學/胺基酸的一般代謝

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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

體內蛋白質分解生成胺基酸[編輯]

成人體內的蛋白質每天約有1%~2%被降解,其中主要是骨骼肌中的蛋白質。蛋白質降解所產生的胺基酸大約70%~80%又被重新利用合成新的蛋白質。

蛋白質以不同的速率進行降解[編輯]

不同蛋白質的降解速率不同。蛋白質的降解速率是隨生理需要而不斷變化的,若以高的平均速率降解,標誌著該組織正在進行主要結構的重建,例如妊娠中的子宮組織或嚴重飢餓造成的骨骼肌蛋白質的降解。蛋白質降解的速率用半壽期(half-life,t1/2)表示,半壽期是指將其濃度減少到開始值50%所需要的時間。肝中蛋白質的t1/2短的低於30分鐘,長的超過150小時,但肝中大部分蛋白質的t1/2為1~8天。人血漿蛋白質的t1/2約為10天,結締組織中一些蛋白質的tl/2可達180天以上,眼晶體蛋白質的t1/2更長。體內許多關鍵酶的t1/2都很短,例如膽固醇合成關鍵酶HMG-CoA還原酶的t1/2為0.5~2小時。為了滿足生理需要,關鍵酶的降解既可加速亦可滯後,從而改變酶的含量,進一步改變代謝產物的流量和濃度。

真核細胞內蛋白質的降解有兩條重要途徑[編輯]

細胞內蛋白質的降解也是通過一系列蛋白酶和膚酶催化完成的。蛋白質首先被蛋白酶水解成肽,然後肽被肽酶降解成游離胺基酸。

  • 蛋白質在溶酶體通過ATP非依賴途徑被降解 溶酶體的主要功能是消化作用,是細胞內的消化器官。溶酶體含有多種蛋白酶,稱為組織蛋白酶(cathepsin) 。這些蛋白酶能夠降解進入溶酶體的蛋白質,但對蛋白質的選擇性較差,主要降解細胞外來的蛋白質、膜蛋白和胞內長壽命蛋白質。 蛋白質通過此途徑降解,不需要消耗 ATP 。
  • 蛋白質在蛋白酶體通過ATP依賴途徑被降解 蛋白質通過此途徑降解需泛素(ubiquitin) 的參與。 泛素是一種由 76個胺基酸組成的小分子蛋白質,因其廣泛存在於真核細胞而得名。泛素介導的蛋白質降解過程是一個複雜的過程。首先泛素與被選擇降解的蛋白質形成共價連接,使後者得以標記,然後蛋白酶體(proteasome) 將其降解。 泛素的這種標記作用稱為泛素化(ubiquitination) , 是由三種酶參與的催化反應完成的,同時需消耗ATP。一種蛋白質的降解需多次泛素化反應,形成泛素鏈(ubiquitin chain)。然後,泛素化的蛋白質在蛋白酶體降解,產生一些約7~9個胺基酸殘基組成的肽鏈,肽鏈進一步經寡膚酶水解生成胺基酸。
蛋白酶體結構示意圖

蛋白酶體存在於細胞核和胞質內,主要降解異常蛋白質和短壽命蛋白質。蛋白酶體是一個26S的蛋白質複合物,由20S的核心顆粒(core particle, CP)和19S的調節顆粒(regulatory particle, RP)組成。CP是由2個α環和2個β環組成的圓柱體,2個α環分別位於圓柱體的上下兩端,而2個β環則夾在2個α環之間。每個α環由7個α亞基組成,而每個β環由7個β亞基組成,CP中心形成空腔。CP是蛋白酶體的水解核心,活性位點位於 2個β環上,每個β環的7個β亞基中有3個亞基具有蛋白酶活性,可催化不同的蛋白質降解。2個19S的RP分別位於柱形核心顆粒的兩端,形成空心圓柱的蓋子。每個RP都由18個亞基組成,其中某些亞基能夠識別、結合待降解的泛素化蛋白質,有6個亞基具有ATP酶活性,與蛋白質的去摺疊以及使蛋白質定位於CP有關。

外源性胺基酸與內源性胺基酸組成胺基酸代謝庫[編輯]

體內組織蛋白質降解產生的胺基酸及體內合成的非必需胺基酸屬於內源性胺基酸,與食物蛋白質經消化吸收的胺基酸(外源性胺基酸)共同分布於體內各處,參與代謝,稱為胺基酸代謝庫(aminoacid metabolic pool)。胺基酸代謝庫通常以游離胺基酸總量計算。由於胺基酸不能自由通過細胞膜,所以在體內的分布是不均一的。骨骼肌中的胺基酸占總代謝庫的50%以上,肝約占10%, 腎約占4%, 血漿占1%~6%。消化吸收的大多數胺基酸,例如丙氨酸和芳香族胺基酸等主要在肝中分解,而支鏈胺基酸的分解代謝主要在骨骼肌中進行。

人體內胺基酸的代謝概況

體內胺基酸的主要功能是合成多肽和蛋白質,也可轉變成其他含氮化合物。正常人尿中排出的胺基酸極少。由於各種胺基酸具有共同的基本結構,因此分解代謝途徑有相同之處;但各種胺基酸在側鏈結構上存在一定的差異,又導致了各自獨特的代謝方式。

胺基酸分解代謝首先脫氨基[編輯]

胺基酸分解代謝的主要反應是脫氨基作用,可以通過多種方式如轉氨基、氧化脫氨基及非氧化脫氨基等方式脫去氨基。

胺基酸通過轉氨基作用脫去氨基[編輯]

轉氨基作用由轉氨酶催化完成[編輯]

轉氨基作用(transarnination)是在氨基轉移酶(arninotransferase)的催化下,可逆地將α-胺基酸的氨基轉移給α-酮酸,結果是胺基酸脫去氨基生成相應的α-酮酸,而原來的α-酮酸則轉變成另一種胺基酸。
氨基轉移酶也稱轉氨酶(transaminase) , 廣泛分布於體內各組織中,其中以肝及心肌中的含量最為豐富。轉氨基作用的平衡常數接近1.0, 反應是完全可逆的。因此,轉氨基作用既是胺基酸的分解代謝過程,也是體內某些胺基酸合成的重要途徑。除賴氨酸、蘇氨酸、脯氨酸及輕脯氨酸外,大多數胺基酸都能進行轉氨基作用。除了α-氨基外,胺基酸側鏈末端的氨基,如鳥氨酸的σ-氨基也可通過轉氨基作用脫去。
體內存在著多種氨基轉移酶,不同胺基酸與α-酮酸之間的轉氨基作用只能由專一的氨基轉移酶催化。在各種氨基轉移酶中,以L-穀氨酸和α-酮酸的氨基轉移酶最為重要。例如谷丙轉氨酶 (glutamic-pyruvic transaminase, GPT)和穀草轉氨酶(glutamic-oxaloacetic transaminase, GOT)在體內廣泛存在,但各組織中的含量不同。
正常時,氨基轉移酶主要存在於細胞內,血清中的活性很低。肝組織中ALT的活性最高,心肌組織中AST的活性最高。當某種原因使細胞膜通透性增高或細胞破裂時,氨基轉移酶可大量釋放入血,使血清中氨基轉移酶活性明顯升高。例如急性肝炎病人血清ALT活性顯著升高;心肌梗死病人血清AST明顯上升。臨床上可以此 作為疾病診斷和預後的參考指標之一。

氨基轉移酶具有相同的輔酶和作用機制[編輯]

氨基轉移酶的輔基是維生素B6的磷酸酯,即磷酸吡哆醛,結合於轉氨酶活性中心賴氨酸的ε-氨基上。在反應過程中,磷酸吡哆醛先從胺基酸接受氨基轉變成磷酸吡哆胺,胺基酸則轉變成α-酮酸;繼而磷酸吡哆胺進一步將氨基轉給另一種α-酮酸而生成相應的胺基酸,同時磷酸吡哆胺又轉變為磷酸吡哆醛。在氨基轉移酶的催化下,磷酸咄吡哆醛與磷酸吡哆胺的這種相互轉變,起著傳遞氨基的作用。 磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺參與的轉氨基反應過程

L-穀氨酸脫氫酶催化L-穀氨酸氧化脫氨基[編輯]

L-穀氨酸是哺乳類動物組織中唯一能以相當高的速率進行氧化脫氨反應的胺基酸,脫下的氨進一步代謝後排出體外。L-穀氨酸的氧化脫氨反應由L-穀氨酸脫氫酶(L-glutamate dehydrogenase)催化完成,此酶廣泛存在於肝、腎和腦等組織中,屬於一種不需氧脫氫酶。在L-穀氨酸脫氫酶的催化下, L-穀氨酸氧化脫氨生成α-酮戊二酸和氨。
L穀氨酸脫氫酶是一種別構酶,由6個相同的亞基聚合而成。ATP與GTP是此酶的別構抑制劑,而ADP和GDP是別構激活劑。因此,當體內能量不足時能加速胺基酸的氧化,對機體的能量代謝起重要的調節作用。L-穀氨酸脫氫酶還是唯一既能利用NAD+又能利用NADP+接受還原當量的酶。
轉氨基作用只是把胺基酸分子中的氨基轉移給α-酮戊二酸或其他α-酮酸,並沒有真正實現脫氨基。若氨基轉移酶與L-穀氨酸脫氫酶協同作用,首先通過轉氨基作用使其他胺基酸的氨基轉移至α-酮戊二酸生成L-穀氨酸,然後L-穀氨酸再脫氨基,就可以使胺基酸脫氨生成NH3。這種方式需要氨基轉移酶與L-穀氨酸脫氫酶聯合作用,即轉氨基作用與L-穀氨酸的氧化脫氨基作用偶聯進行,被稱作轉氨脫氨作用(transdeamination), 又稱聯合脫氨作用。

胺基酸通過胺基酸氧化酶催化脫去氨基[編輯]

大多數從L-α胺基酸中釋放的氨反映了氨基轉移酶和L-穀氨酸脫氫酶的聯合作用。在肝、腎組織中還存在一種L-胺基酸氧化酶,屬黃素酶類,其輔基是FMN 或FAD。這些能夠自動氧化的黃素蛋白將胺基酸氧化為α-亞胺基酸,然後再加水分解成相應的α-酮酸,並釋放銨離子。分子氧可進一步直接氧化還原型黃素蛋白形成過氧化氫(H2O2) ,H2O2被過氧化氫酶裂解成氧和H2O。過氧化氫酶存在於大多數組織中,尤其是肝。

胺基酸碳鏈骨架可進行轉換或分解[編輯]

胺基酸脫氨基後生成的α-酮酸(a-keto acid)可以進一步代謝,主要有以下三方面的代謝途徑。

  • α-酮酸可徹底氧化分解並提供能量 α-酮酸在體內可通過三羧酸循環與生物氧化體系徹底氧化生成CO2和H2O,同時釋放能量以供機體生理活動需要。可見,胺基酸也是一類能源物質。
  • α-酮酸經氨基化生成營養非必需胺基酸 體內的一些營養非必需胺基酸可通過相應的α-酮酸經氨基化而生成。例如,丙酮酸、草醯乙酸、 α-酮戊二酸經氨基化後分別轉變成丙氨酸、天冬氨酸和穀氨酸。這些α-酮酸也可以是來自糖代謝和三羧酸循環的產物。
  • α-酮酸可轉變成糖和脂質 在人體內α-酮酸可以轉變成糖和脂質。實驗發現,分別用不同胺基酸飼養人工造成糖尿病的犬時,大多數胺基酸可使尿中排出的葡萄糖增加,少數幾種則可使葡萄糖及酮體的排出同時增加,而亮氨酸和賴氨酸只能使酮體的排出增加。由此,將在體內可以轉變成糖的胺基酸稱為生糖胺基酸(glucogenicamino acid); 能轉變成酮體的胺基酸稱為生酮胺基酸(ketogenicamino acid); 既能轉變成糖又能轉變成酮體的胺基酸稱為生糖兼生酮胺基酸(glucogenic and ketogenic amino acid)。

利用核素標記胺基酸的示蹤實驗證明,上述營養學研究的結果是正確的。各種胺基酸脫氨基後產生的α-酮酸結構差異很大,其代謝途徑也不盡相同,轉變過程的中間產物包括乙醯CoA(生酮胺基酸)和丙酮酸及三羧酸循環的中間物,例如α-酮戊二酸、草醯乙酸、延胡索酸及琥珀醯CoA等(生糖胺基酸)。
綜上所述,胺基酸的代謝與糖和脂質的代謝密切相關。胺基酸可轉變成糖與脂質;糖也可以轉變成脂質和一些非必需胺基酸的碳架部分。由此可知,三狻酸循環是物質代謝的總樞紐,通過它可以使糖、脂肪酸及胺基酸完全氧化,也可使彼此相互轉變,構成一個完整的代謝體系。