Chapter 11 Catabolism of Protein 第十一章 蛋白质分解代谢

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1 Chapter 11 Catabolism of Protein 第十一章 蛋白质分解代谢

2 主要内容 第一节 蛋白质的营养作用 第二节 蛋白质的消化、吸收、腐败 第三节 氨基酸的一般代谢 第四节 一些氨基酸的特殊代谢

3 目 的 和 要 求 一、了解protein的营养作用、消化、吸 收和腐败putrefaction过程
二、掌握AA的脱氨基作用deamination， 氨ammonia的转运 三、掌握尿素urea的合成 四、了解α-酮酸的代谢和AA的脱羧基作 用decarboxylation 五、掌握一碳单位one carbon unit的代 谢，了解个别AA的代谢

4 第二节 蛋白质的营养作用

5 Protein营养的重要性（结合p29）： 1、参与催化、代谢调节、运动、运输、 免疫防御等生命活动 2、作为组织结构的材料 3、氧化供能

6 一、氮平衡nitrogen balance
# concept of nitrogen balance: 1、 氮总平衡Total N Balance：摄入氮 ＝ 排出氮 2、氮正平衡Positive N Balance：摄入氮 ＞ 排出氮 3、氮负平衡Negative N Balance：摄入氮 ＜ 排出氮 分别反映的代谢状况：

7 二、Protein的生理需要量 · 最低生理需要量：30～50g - Total N Balance · 营养学会推荐的需要量：70～80g
· 从事中等体力劳动每天需要量： 1.05g/Kg体重

8 中国居民平衡膳食宝塔 谷类食物位居底层，每人每 天应该吃 克；蔬菜 和水果占据第二层，每天应 吃 克和 克； 鱼、禽、肉、蛋等动物性食 物位于第三层，每天应该吃 克(鱼虾类50克，畜、 禽肉50-100克，蛋类 克)；奶类和豆类食物合占 第四层,每天应吃奶类及奶 制品100克和豆类及豆制品 50克。第五层塔尖是油脂类， 每天不超过25克。

9 古人的膳食原则 五谷为养 五果为助 五畜为益 五菜为充

10 因为缺乏营养指导，膳食营养搭配不合理，造成近三成广州人患肥胖症，三成中小学生营养缺乏，广州女性则普遍缺铁严重！

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12 根据我国已形成初稿的首部《营养条例》规定，保健品、食品生产、销售以及食堂、餐饮单位都必须配备持证的营养保健师。根据该条例，100人以上的食堂、餐饮单位，其菜肴不再由厨师直接配制，而是在营养师的指导下，共同完成食谱的搭配、调理等工作，以保证用膳者的合理营养搭配。该条例还规定，300人以上的食堂、餐饮单位，必须配备营养管理师。 日本全国有77万公共营养师(150:1) 国外公共营养师与医生的比例是2.4∶1

13 三、蛋白质的营养价值 Definition: 取决于组成protein的EAA的 class、content和proportion。
Ile、Met、Val、Leu、Trp、Phe、Thr、Lys ★ NEAA： ★ semi-essential AA/conditionally essential AA： Arg、His

14 食物名称 每100克食物含蛋白质 燕麦 莲子 黄豆 蚕豆 猪肉(瘦) 猪心 猪肝 豆腐皮 猪肾 猪皮 花生 猪血 核桃 牛肉(瘦) 羊肉(瘦) 鲢鱼 兔肉 2l 鸡肉 鸡肝 鸭肉 海参(干) 鸡蛋 龙虾 16.4 

15 成人、儿童和婴儿EAA 的每天最低需要量（mg/kg体重）
必需氨基酸 成人 儿童 婴儿 异亮氨酸 甲硫氨酸 缬氨酸 亮氨酸 色氨酸 苯丙氨酸 苏氨酸 赖氨酸

16 蛋白质的生理价值(Physiological Value of Protein):
蛋白质的互补作用(Protein Complementarity):

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18 第三节 蛋白质的消化、吸收和腐败

19 胰腺——trypsin；chymotrypsin elastase；carboxypeptidase A/B
一、 消化 （一）消化场所： 起始于胃，小肠为主要部位。 （二）消化酶： 胃——pepsin 胰腺——trypsin；chymotrypsin elastase；carboxypeptidase A/B 小肠——enterokinase；aminopeptidase； dipeptidase

20 胃 胃蛋白酶原 胃酸 胃蛋白酶 自 身 激 活 水解 蛋白质→→多肽 小肠 胰酶 内肽酶 外肽酶 胰蛋白酶 糜蛋白酶 弹性蛋白酶 羧基肽酶A
羧基肽酶B 肠激酶 激活 蛋 白 质 ↓ 寡肽 氨基酸 氨基肽酶 二肽酶 （ ）

21 H

22 各类胰蛋白酶作用特异性及产物 名称 最适PH 水解肽键的特异性 产物 胰蛋白酶 8.0~9.0 碱性氨基酸的羧基与其他 以碱性氨基酸作为羧基
胰蛋白酶 ~ 碱性氨基酸的羧基与其他 以碱性氨基酸作为羧基 氨基酸的氨基所形成的 末端的多肽和少量碱性 肽键 氨基酸 糜蛋白酶 ~ 芳香族氨基酸的羧基与其 以芳香族氨基酸作为羧基 他氨基酸的氨基所形成的 末端的多肽和少量芳香族 肽键 氨基酸 弹性蛋白酶 脂肪族氨基酸的羧基与其 以脂肪族氨基酸作为羧基 他氨基酸的氨基所形成的 末端的多肽和少量脂肪族 羧基肽酶A 中性氨基酸羧基末端的肽键 寡肽和中性氨基酸 羧基肽酶B 碱性氨基酸羧基末端的肽键 寡肽和碱性氨基酸

23 已知某peptide组成是Ala5, Lys1, Phe1与2，4-二硝基氟苯（缩写为DNFB，用于鉴定peptide或protein的N-terminal AA）反应后再酸解产生一个游离的DNFB-Ala，trypsin得一个tripeptide（Lys1 Ala2）和一个tetrapeptide（Ala3 Phe1），整个peptide经chymotrypsin解产生一个hexapeptide和一个游离AA，写出这个peptide的primary structure。

24 （三）消化产物： 95%的protein被完全水解，消除了免疫原性。 ？？？ oligopeptide dipeptide AA

25 二、氨基酸的吸收和转运

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27 部位：小肠为主，依赖载体蛋白carrier protein，主动耗能过程。 Various AA carrier proteins：
nonpolar AA carriers： basic AA carriers: acidic AA carriers： sub-AA and Gly carriers：Pro、Gly

28 竞争性抑制： Absorption of dipeptides and tripeptides：

29 γ－谷氨酰循环γ－glutamyl cycle：
γ-谷氨酰基转移酶 GSH

30 细胞膜 细胞内 细胞外 γ-谷 氨酰 基转 移酶 5-氧脯 γ-谷氨酰 氨基酸 γ-谷氨 酸环化 转移酶 氨基酸 5-氧脯氨酸 氨基酸
半胱氨酰甘氨酸 (Cys-Gly) γ-谷 氨酰 基转 移酶 半胱氨酸 甘氨酸 肽酶 谷氨酸 5-氧脯 氨酸酶 ATP ADP+Pi 谷胱甘肽 GSH γ-谷氨酰半胱氨酸 γ-谷氨酰 半胱氨酸 合成酶 ADP+Pi ATP 谷胱甘肽 合成酶 ATP ADP+Pi

31 三、蛋白质的腐败作用 定义：

32 腐败产物的生成： - protein NH3 R-CH2-COOH CO2 R-CH-COOH R-CH2-NH2 NH2 分解生成
肠菌 R-CH2-COOH CO2 R-CH-COOH - NH2 R-CH2-NH2 分解生成 hydroxybenzenes, indoles, H2S, CH4

33 常见腐败产物：

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36 假神经递质与肝昏迷

37 Phe Tyr 肠菌 苯乙胺 酪 胺 liver 正常 解毒 肝病 β-羟化酶 脑组织 苯乙醇胺 羟酪胺 假神经递质 肝性脑昏迷

38 第三节 氨基酸的一般代谢

39 Summary of AA Catabolism
amines decarboxylation Dietary protein Digest,absorption AA metabolic pool specifically other active substances degradation Tissue protein Synthesis 85% deamination amination of α-keto acids NEAA α-keto acids NH3 urea oxidation Glucose, fats NEAA

40 一、脱氨基作用 # leading pathway of AA degradation ammonia AA α-keto acid
1. transaminaton 2. oxidative deamination 3. transdeamination 4. purine nucleotide cycle ammonia AA α-keto acid

41 （一）转氨基 转氨酶 磷酸吡哆醛 （胺） 局限性： 只转移氨基，没有脱氨

42 1. 转氨酶 ⑴ Alanine Aminotransferase, ALT or
Glutamate-pyruvate Transferase, GPT ⑵ Aspartate Aminotransferase, AST or Glutamate-oxaloacetate Transferase, GOT

43 CH3 CHNH2 COOH + (CH2)2 C=O ALT 丙氨酸 α-酮戊二酸 丙酮酸 谷氨酸 CH2 AST 天冬氨酸 草酰乙酸

44 ALT常用于急性肝炎的辅助诊断 AST常用于心肌梗塞的辅助诊断 正常成人各组织中AST和ALT活性（单位/g湿组织）
心脏 肝脏 骨骼肌 肾脏 胰脏 脾脏 肺脏 血清 ALT常用于急性肝炎的辅助诊断 AST常用于心肌梗塞的辅助诊断

45 Clinical roles of detecting ALT and AST:

46 （二）氧化脱氨 氧化脱氢，水解脱氨

47 Enzymes: • L-amino acid oxidase • D-amino acid oxidase
• L-glutamate dehydrogenase(GDH)

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49 GDH： 活性高、分布广、反应可逆 仅Glu经此脱氨

50 （三）联合脱氨基作用

51 Biological roles： ● 使体内许多AA能真正脱氨 ● 逆反应合成NEAA

52 （四） Purine Nucleotide Cycle
肌肉组织中的transdeamination形式

53 二、血氨 （一）来源和去路 Blood Ammonia <0.60μM Deamination urea Oxidation
of amine Absorption in intestine Formation of Gln urea NEAA, purine, pyrimidine Blood Ammonia <0.60μM Gln (kidney)

54 NH3 NH4+ Ammonia Absorption: H+ OH- 临床应用：弱酸性溶液结肠透析治疗高血
NH3比NH4+易于穿过胞膜进入细胞而被吸收入血，NH3与NH4+的互变受肠液pH的影响。pH＞6时NH3大量扩散入血；肠液pH＜6时则扩散入肠腔。 肾脏ammonia的分泌和吸收也与酸碱度有关。 临床应用：弱酸性溶液结肠透析治疗高血 氨症，禁止使用肥皂液灌肠。

55 （二）Transportation of Ammonia
Why？ How to transport：

56 1、Ammonia Carrying by Gln:
ATP ADP+Pi CONH2 CH2 CHNH2 COOH COOH CH2 CHNH2 Gln synthetase + NH3 Glutaminase H2O

57 urea ammonia 肝 脑 肌肉 ammonia Gln ammonia 肾 H+ NH4+ 意义：Gln既是ammonia的解毒产 物，也是ammonia的储存及运 输行式。 随尿排泄

58 2、Alanine-glucose Cycle

59 ②supplying energy for muscle
Roles： ①eliminating toxicity of ammonia ②supplying energy for muscle

60 （三）Synthesis of Urea /Ornithine Cycle /Urea Cycle /Krebs-Henseleit Cycle
★正常情况下体内ammonia的主要去路(>80%） ★部位：肝细胞

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62 1.Process of Urea Synthesis
⑴ NH3 + CO2 + H2O 氨甲酰磷酸合成酶-1 Mg2+ N-乙酰谷氨酸 H2N-CO-O～PO3H2 2ATP 2ADP+Pi 氨基甲酰磷酸 ⑵ H2N-C-O～PO3H2 O= 鸟氨酸氨甲酰转移酶 H2N-(CH2)3-CH-COOH NH2 Pi H2N-C-NH-(CH2)3-CH-COOH 鸟氨酸 瓜氨酸 鸟氨酸氨基甲酰转移酶 （线粒体）

63 ⑶ NH2 C=O NH (CH2)3 CHNH2 COOH + CH2 精氨酸代琥珀酸合成酶 ATP AMP+PPi C=N- CH
瓜氨酸 天冬氨酸 精氨酸代琥珀酸 ⑶ 精氨酸代琥珀酸裂解酶 NH2 C=NH NH (CH2)3 CHNH2 COOH + = HC CH HOOC 精氨酸 延胡索酸

64 NH2 C=NH NH (CH2)3 CHNH2 COOH 精氨酸 精氨酸酶 C=O + 尿素 鸟氨酸 H2O ⑷

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66 Total Reaction Formula:
CO2 + 2NH3 + 3H2O +3ATP === NH2CNH2 + 2ADP + AMP + 4Pi O=

67 2. Biological functions of Urea Cycle:
Thorough removal of ammonia

68 3. Summary of Urea Cycle: 合成过程经历肝细胞的胞质和线粒体两个部位
合成1 urea消耗:2NH3,1CO2,3ATP。1NH3来自AA脱下的NH3,另外NH3来自Asp。 Urea易溶于水、无毒，从肾脏排出，是ammonia的主要解毒产物 非蛋白氮（NPN）：包括urea、ammonia、尿酸、肌苷、AA和血红素等，其中urea占NPN的一般。可作肾功能的指标。 CPS-Ⅰ和CPS-Ⅱ ：

69 Products urea pyrimidine
CPSⅠ CPSⅡ Site mitochondria cytosol N source NH Gln Products urea pyrimidine CPS : carbomoyl phosphate synthetase

70 3. High blood ammonia & Ammonia poisoning
进入 脑组织 NH3 + α-酮戊二酸 = Glu + NH3 = Gln TAC循环中的α-酮戊二酸 被大量消耗 Glu NADH+H+ ATP 肝功能受损 urea合成障碍 血氨 脑组织供能不足 肝昏迷 肝昏迷氨中毒学说：①②③④

71 三、Metabolism of α-keto acids
NEAA glucose, fat CO2 + H2O + ATP glucogenic AA ketogenic AA gluco-ketogenic AA NH3 amination transamination conversion oxidation

72 Glucogenic AA and Ketogenic AA
分类 氨基酸 生糖氨基酸 生糖兼生酮氨基酸 Phe Tyr Try Ile 生酮氨基酸 Leu Lys 甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、精氨酸、脯氨酸、谷氨 酸、谷氨酰胺、苏氨酸、缬氨酸、组氨酸、甲硫氨 酸、半胱氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺

73 氨基酸、糖及脂肪代谢的联系 T A C 糖 脂肪 葡萄糖或糖原 甘油三酯 磷酸丙糖 α-磷酸甘油 脂肪酸 PEP 丙氨酸 半胱氨酸 丝氨酸
苏氨酸 色氨酸 丙酮酸 异亮氨酸 亮氨酸 色氨酸 乙酰CoA 乙酰乙酰CoA 酮体 亮氨酸 赖氨酸 酪氨酸 色氨酸 苯丙氨酸 草酰乙酸 柠檬酸 天冬氨酸 天冬酰胺 T A C CO2 延胡索酸 α-酮戊二酸 谷氨酸 精氨酸 谷氨酰胺 组氨酸 缬氨酸 苯丙氨酸 酪氨酸 琥珀酰CoA CO2 异亮氨酸 蛋氨酸 丝氨酸 苏氨酸 缬氨酸

74 Leu的生酮反应过程

75 Lys的生酮反应过程

76 四、Decarboxylation decarboxylase AA amine + CO2 磷酸吡哆醛 (堆积) 神经系统、心血管功能紊乱

77 Common important amines:
Glu——γ-amino butyric acid（GABA） Try——5-hydroxy tryptamine（5-HT） His——histamine Cys——taurine牛磺酸 Orn and Met——polyamines

78 1、GABA 脱羧酶 Glu γ-氨基丁酸（GABA） 脑组织活性最高 抑制性神经递质

79 2、5-HT 抑制性神经递质，与调节睡眠 体温和镇痛等有关 脑内 强烈的血管收缩剂 外周 松果体 其分泌有昼夜节律性和季节节律性
（褪黑激素） 乙酰化 5-羟色胺（5-HT） 抑制性神经递质，与调节睡眠 体温和镇痛等有关 脑内 强烈的血管收缩剂 外周 松果体 其分泌有昼夜节律性和季节节律性 与内分泌和免疫调节有关

80 3、 Histamine

81 促进胃粘膜分泌胃蛋白酶原及胃酸 有血管舒张作用，增加毛细血管通透性 引起支气管痉挛，产生哮喘 组胺的功能 主要存在肥大细胞中 脑内作为中枢神经递质，与控制觉醒和睡眠、 调节情感等有关

82 4、儿茶酚胺类catecholamines
CH2CHNH2COOH  CH2CHNH2  CH2CHNH2COOH  酪氨酸羟化酶 DOPA脱羧酶 CO2 OH OH OH 二羟苯丙氨酸（DOPA） 酪氨酸 多巴胺 CH2NH-CH3  HCOH CH2NH2  HCOH 多巴胺--羟化酶 苯乙胺-N-甲基转移酶 OH OH -CH3

83 5、Taurine 合成胆汁酸盐 脑组织中含有较多牛磺酸

84 6、Polyamines

85 精胺与精脒：是调节细胞生长的重要物质。凡生长旺盛的组织（胚胎、再生肝及癌瘤组织）多胺含量有所增加。推测其具有促进核酸及蛋白质合成的作用。故临床测定癌瘤病人血、尿多胺含量作为观察病情和辅助诊断癌症的生化指标之一。

86 第五节 Metabolism of individual AA

87 ※ one carbon unit ※ sulfur-containing AA ※ aromatic AA ※ branched chain AA

88 一、One Carbon Unit(OCU)
Concept：some AA one carbon groups Classes： 甲基 -CH3 甲烯基 -CH2- 甲炔基 -CH= 甲酰基 -HC=O 亚氨甲基 -CH=NH Carrier：四氢叶酸 tetrahydrofolate (FH4)结合 部位位于FH4的N5、N10位

89 Formation and structure of FH4
Sites binding OCU

90 OCU与FH4的结合 甲基 -CH3 N5 甲烯基 -CH2- N5和N10 甲酰基 -CHO- N10 甲炔基 -CH= N5和N10
亚氨甲基 CH=NH N5

91 OCU generation & conversion
脱氧胸苷酸C5-CH3 甲硫氨酸 甲硫氨酸循环 （不可逆） 同型半胱氨酸

92 Biological functions of OCU metabolism:
酸生物合成中占有重要地位。 OCU将AA代谢与核酸代谢密切联系起来。 OCU代谢障碍可引发某些疾病，如巨幼 红细胞性贫血等。 抗生素或抗恶性肿瘤药（甲氨喋呤、 乙胺嘧啶或甲氧苄啶）作用的靶标。

93 二、 Sulfur-containing AA
Met（甲硫/蛋） Classes Cys（cysteine） Cystine 胱氨酸

94 （一）Metabolism of Met +

95 1、Met cycle CH3- （VitB12） RH R-CH3 : 肌酸、肉毒碱、 胆碱、肾上腺素

96 OCU generation & conversion
脱氧胸苷酸C5-CH3 甲硫氨酸 甲硫氨酸循环 （不可逆） 同型半胱氨酸

97 2、Biological roles: 为体内甲基化反应提供CH3— 使FH4得到再生（巨幼红细胞性贫血）

98 巨幼红细胞性贫血简称巨幼贫，因缺乏维生素B12或（和）folate所致。
各阶段红细胞和粒细胞有巨幼样变

99 （二）Metabolism of Cys and Cystine
氧化脱羧 Cystine Taurine conversion 氧化脱氨 Cys 丙酮酸 + NH3 + H2S 合成 H2SO4 GSH 3’-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸（PAPS）

100 1、Conversion of Cys and Cystine

101 2、Cys氧化分解为active H2SO4 参与硫酸软骨素、硫酸角质素、肝素等合成 参与肝脏的生物转化（P-323）

102 3、Cys参与合成GSH 保护巯基蛋白（enzymes）不被氧化， 具噬核性，阻断外源性毒物与核酸、proteins结合

103 三、 Aromatic AA (AAA) Phe Classes of AAA Tyr Trp

104 Phe & Tyr: 甲状腺激素 黑色素 Phe Tyr 儿茶酚胺 氧化分解

105 （一）Phe transforming into Tyr
苯丙氨酸羟化酶 NAD(P)H + H+ NAD(P)+

106 苯酮酸尿症(phenyl ketonuria, PKU)
Tyr 苯丙氨酸羟化酶 （活性降低） transamination 苯丙酮酸 苯酮酸尿症（PKU） 对中枢神经系统有毒性,智力发育障碍

107 PKU患者 智力低下，60%患儿有脑电图异常，头发细黄，皮肤色淡和虹膜淡黄色，惊厥，尿有“发霉”臭味或鼠尿味。

108 （二）Tyr转变为甲状腺素 Tyr 碘 化 二碘酪氨酸 一碘酪氨酸 二碘酪氨酸

109 促进物质代谢、机体生长发育 甲状腺激素作用： 甲状腺素缺乏，引起呆小症

110 （三）Tyr转变为黑色素melanin 先天性缺乏 白化病 albinism 黑色素合成障碍 酪氨酸酶

111 白化病 皮肤乳白色，毛发淡黄或银白色，瞳孔淡红，虹膜淡灰或淡红，半透明视网膜缺乏色素。

112 （四）Tyr转变为儿茶酚胺 （DOPA） （DA） （NE） （E） 帕金森病 合成不足 儿茶酚胺

113 帕金森病（Parkinson‘s disease）： 最早系统描述这种疾病的是英国内科医生詹姆斯·帕金森博士。
帕金森病是由基底神经节中缺乏DA引起的一种疾病。主要影响中老年人，多在60岁左右发病。 症状表现为静止时手、头或嘴不自主地震颤，肌肉僵直、运动缓慢以及姿势平衡障碍等，导致生活不能自理。 协和张振馨在医学杂志《柳叶刀》上指出：中国60岁以上帕金森病发病率男性为1.7％，女性为1.6％。全球400万患者中有170万在中国。 1997起，4月11日定为 “世界帕金森病日”。

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116 （五）Tyr的氧化分解 尿黑酸氧化酶 尿黑酸症 缺乏

117 Summary of Phe & Tyr metabolism

118 Trp: 生成5-HT 生成COU 分解产生丙酮酸和乙酰乙酰辅酶A 分解产生少量尼克酸

119 四、Branched chain AA 主要在骨骼肌中进行

120 小 结

121 小 结 蛋白质的营养价值及其需要量 氨基酸吸收的基本特点及载体分类 蛋白质的腐败作用 脱氨基作用——联合脱氨基作用 尿素的合成——鸟氨酸循环
一碳单位代谢及其意义 甲硫氨酸代谢及其意义 苯酮酸尿症（PKU） 酪氨酸代谢的多代谢途径

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123 氨基酸、糖及脂肪代谢的联系 T A C 糖 脂肪 葡萄糖或糖原 甘油三酯 磷酸丙糖 α-磷酸甘油 脂肪酸 PEP 丙氨酸 半胱氨酸 丝氨酸
苏氨酸 色氨酸 丙酮酸 异亮氨酸 亮氨酸 色氨酸 乙酰CoA 乙酰乙酰CoA 酮体 亮氨酸 赖氨酸 酪氨酸 色氨酸 苯丙氨酸 草酰乙酸 柠檬酸 天冬氨酸 天冬酰胺 T A C CO2 延胡索酸 α-酮戊二酸 谷氨酸 精氨酸 谷氨酰胺 组氨酸 缬氨酸 苯丙氨酸 酪氨酸 琥珀酰CoA CO2 异亮氨酸 蛋氨酸 丝氨酸 苏氨酸 缬氨酸

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125 AA metabolic pool Tissue protein Dietary protein α-酮酸 Tissue protein
合成 Tissue protein Dietary protein 消化吸收 脱氨 α-酮酸 分解 一般代谢 Tissue protein 脱羧 Amine 特殊代谢 体内合成NEAA 其他含N化合物

126 2、Alanine-glucose Cycle

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