Principles of Biochemistry

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1 Principles of Biochemistry
《生物化學 原理》第四版 Lehninger Principles of Biochemistry David L. Nelson & Michael M. Cox

2 Chapter 18 胺基酸氧化和尿素的生成 　　 胺基之代謝命運 　　 氮的排泄及尿素循環 ◎　 胺基酸分解之路徑

3 18.3 胺基酸分解之路徑 胺基酸分解代謝所產生的能量總和，通常僅佔人體能量產出的10% 到 15%；這些代謝路徑並不如糖解反應和脂肪酸氧化反應活躍。為達到生物體內生合成的需求和特定胺基酸供給的平衡，這些代謝路徑的流通量有很大的不同。 20 個胺基酸的分解代謝路徑綜合匯集至 6 個主要產物，而這些產物全都會進入檸檬酸循環（圖18-15）。因此這些碳骨架可用於糖質新生作用或酮生成反應，或是完全氧化產生 CO2 和 H2O 。 P.729 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

4 有 7 種胺基酸的碳骨架最終會全部或部份分解為乙醯輔酶 A； 5 種胺基酸會轉變為α-酮戊二酸；4 種會轉變為琥珀醯輔酶 A ； 2 種會轉變為延胡索酸；2 種會轉變為草醯乙酸。其中有 6 種胺基酸碳骨架會全部或部份先代謝為丙酮酸，再轉為乙醯輔酶 A 或草醯乙酸。 這 20 種胺基酸個別的代謝路徑概括在下列的流程圖中，每一路徑都會指向其進入檸檬酸循環的特定點。在這些流程圖中，進入檸檬酸循環的碳原子會以顏色標示。請留意有些胺基酸出現不只一次，反映出其碳骨架的不同部分有不同代謝路徑。 P.729 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

5 有些胺基酸轉變為葡萄糖，其餘則轉變為酮體
苯丙胺酸、酪胺酸、異白胺酸、白胺酸、色胺酸、酥胺酸和離胺酸等 7 個完全或部份分解為乙醯乙醯輔酶 A 和∕或乙醯輔酶 A 的胺基酸，會在肝臟中產生酮體，因乙醯乙醯輔酶 A 在肝臟轉變為乙醯乙酸，再轉變為丙酮和β-羥基丁酸（見圖17-18）。 所以這些是生酮（ketogenic）胺基酸（圖18-15）。生酮能力在未治療的糖尿病患者最為明顯，因他們的肝臟會從脂肪酸和生酮胺基酸產生大量的酮體。 P.729 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

6 圖 胺基酸分解代謝概要。 胺基酸是根據它們降解作用的主要最終產物來分類的，有些胺基酸在此列出一次以上，因為其碳骨架的不同部份分別降解為不同的產物。這個圖表顯示了脊椎動物裡最重要的分解代謝反應途徑，但不同的物種間還會有微幅的變動。舉例來說，酥胺酸可以透過至少 2 種反應途徑來分解（見圖18-19 、18-27），而反應途徑的重要性會根據不同生物及代謝情形而有所不同。生糖胺基酸和生酮胺基酸也以顏色標示在本圖中。請注意其中有 5 種胺基酸，既是生糖胺基酸，也是生酮胺基酸。會分解成為丙酮酸的胺基酸，也可視為具有生酮潛力。因此只有 2 種胺基酸（白胺酸和離胺酸）是完全的生酮胺基酸。 P.729 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

7 圖 胺基酸分解代謝概要。 P.729

8 生酮和生糖胺基酸之間的區隔並不明顯；有種胺基酸（色胺酸、苯丙胺酸、酪胺酸、絲胺酸和異白胺酸）既是生酮，也是生糖胺基酸。
那些可被代謝為丙酮酸、α-酮戊二酸、琥珀醯輔酶 A、延胡索酸和∕或草醯乙酸的胺基酸，可經由第14、15 章所描述的路徑，再轉變為葡萄糖和肝醣。所以它們是生糖（glucogenic）胺基酸。 生酮和生糖胺基酸之間的區隔並不明顯；有種胺基酸（色胺酸、苯丙胺酸、酪胺酸、絲胺酸和異白胺酸）既是生酮，也是生糖胺基酸。 對於處於飢餓狀態或是攝取高蛋白飲食的動物而言，胺基酸的分解代謝是存活的關鍵要件。蛋白質中十分常見的白胺酸是一種純粹生酮的胺基酸，在飢餓狀態下它的分解代謝對於酮尿症病患有極大影響。 P.730 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

9 許多有趣的化學重組反應發生在胺基酸的分解代謝過程中。藉由探討各類型的反應和參與其中的酶輔因子，有助於我們研究胺基酸的分解代謝路徑。我們已經討論過一個重要的反應類別：磷酸吡哆醛參與的轉胺反應。
另一個在胺基酸分解代謝常見的反應類型是單碳轉移（one-carbon transfer），這種反應通常需要一個輔因子參與：生物素、四氫葉酸，或 S-腺嘌呤核苷甲硫胺酸（圖18-16）。 這些輔因子參與轉移不同氧化狀態的單碳基團：生物素轉移最高氧化態的單碳，如 CO2（見圖14-18）；四氫葉酸轉移中度氧化態的單碳基團，但有時也轉移甲基；而 S-腺嘌呤核苷甲硫胺酸則是轉移甲基，即最高還原態的碳。後兩種輔因子在胺基酸和核苷酸的代謝上特別重要。 胺基酸分解代謝中扮演重要角色的酶輔因子 P.730 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

10 由細菌合成的四氫葉酸（tetrahydrofolate；H4 folate）是由具取代基的喋呤（6-甲基喋呤）、
p-胺基苯甲酸、和麩胺酸所構成（圖18-16）。葉酸是其氧化態，為哺乳動物的一種維生素，可被二氫葉酸還原酶（dihydrofolate reductase）經兩個步驟轉變成為四氫葉酸。三種氧化狀態的單碳轉移，其單碳基團都鍵結在 N-5 或 N-10，或 N-5 及 N-10 的位置上。輔因子帶的最高還原態為一個甲基，中度氧化態者帶有一個亞甲基，而最高氧化態者則帶著一個次甲基、甲醯基、或亞甲胺基（圖18-17）。 P.730 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

11 圖 18.16 在單碳轉移過程中，部分重要的酵素輔因子。
圖 在單碳轉移過程中，部分重要的酵素輔因子。 四氫葉酸單碳基團所連接的氮原子以藍色表示。 P.730 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

12 圖 四氫葉酸上單碳單元的轉變。 四氫葉酸上單碳單元的轉變。不同的分子種類依氧化狀態做分類，最高還原態在頂端，最高氧化態在底端。在相同顏色方塊中的分子皆具有相同的氧化態。從 N 5, N 10-亞甲基四氫葉酸轉變成為 N 5-甲基四氫葉酸的過程是不可逆的。甲醯基團的酵素轉移，就如同在嘌呤合成過程（見圖22-33）和原核生物的甲醯甲硫胺酸形成過程（第 27 章）中一樣，通常會使用 N 10-甲醯四氫葉酸（N 10-formyltetrahydrofolate）而非 N 5-甲醯四氫葉酸（N 5-formyltetrahydrofolate），後者是個非常穩定的分子，因此也是較弱的甲醯基供應者。N 5-甲醯四氫葉酸是環化水解酶（cyclohydrolase）反應的次要副產物，也可自發地形成。由 N 5-甲醯四氫葉酸轉變成 N 5, N 10-次甲基四氫葉酸需要ATP ，因為反應平衡偏向逆反應。請注意 N 5-亞甲胺四氫葉酸（N 5-formiminotetrahydrofolate）)是從圖 中反應途徑裡的組胺酸衍生而來。 P.731 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

13 圖 四氫葉酸上單碳單元的轉變。 P.731

14 雖然四氫葉酸的 N-5 位置可攜帶一個甲基，這個甲基的轉移位能並不能滿足大多數生合成的反應。ATP 和甲硫胺酸在甲硫胺酸腺嘌呤核苷轉移酶（methionine adenosyl transferase）作用下合成產生的 S-腺嘌呤核苷甲硫胺酸（S-Adenosylmethionine；adoMet）（圖18-18，步驟 1），是生物甲基轉移較佳的輔因子。 這是個不尋常的反應，乃由甲硫胺酸上親核性硫原子作用於 ATP 核糖部分之 5’ 碳原子，而非磷原子上；所釋出的三磷酸被此酶分解為單磷酸根（Pi）和雙磷酸根（PPi），而雙磷酸根繼續被無機焦糖酸酶（inorganic pyrophosphatase）分解。因此在這個反應中，三個磷酸鍵（包括二個高能鍵在內）均被打斷。在其他已知反應中，將 ATP 之三磷酸根打斷的反應只發生在輔酶 B12 的合成過程（見Box 17-2，圖 3）。 P.732 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

15 將甲基自S-腺嘌呤核甲硫胺酸上轉移至其接受者，便形成 S-腺嘌呤核苷高半胱胺酸（S-adenosylhomocysteine）（圖18-18，步驟2），再被分解為高半胱胺酸（homocysteine）和腺（步驟 3）。 甲硫胺酸的再生可經由甲硫胺酸合成酶（methionine synthase）的作用，將一個甲基轉移至高半胱胺酸（步驟 4）；甲硫胺酸可再轉變為 S-腺嘌呤核甲硫胺酸，以完成一個活化甲基循環。 四氫生物喋呤（tetrahydrobiopterin）和四氫葉酸中的喋呤相似，亦是胺基酸代謝的另一個輔因子，但不參與單碳基團之轉移，而是參與氧化反應。我們將在討論苯丙胺酸的分解作用時，會提及四氫生物喋呤的反應模式（見圖18-24）。 P.732 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

16 六種胺基酸被代謝為丙酮酸 有六種胺基酸的碳骨架會部份或全部代謝為丙酮酸。丙酮酸可再被代謝為乙醯輔酶 A（酮體的前驅物）或草醯乙酸（糖質新生作用的前驅物），因此同時具有生酮與生糖的特性。這六種胺基酸是丙胺酸、色胺酸、半胱胺酸、絲胺酸、甘胺酸、和酥胺酸（圖18-19）。丙胺酸和α-酮戊二酸進行轉胺反應後，直接轉變成丙酮酸。 色胺酸的支鏈被切斷產生丙胺酸，再轉成丙酮酸。半胱胺酸則需兩個步驟轉變為丙酮酸，即先移除硫原子，再進行轉胺反應。絲胺酸透過絲胺酸脫水酶（serine dehydratase）轉變為丙酮酸；絲胺酸的β-羥基和α胺基在磷酸吡哆醛依賴反應（pyridoxal phosphate-dependent reaction）一起被移除（圖18-20a）。 P.732 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

17 甘胺酸有三個分解路徑，而只有一個會產生丙酮酸。透過絲胺酸羥甲基轉移酶（serine hydroxymethyl transferase）所催化的加成反應，甘胺酸先加上一個羥甲基形成絲胺酸（圖18-19 和18-20b）；這個催化反應需要輔四氫葉酸和磷酸哆醛。絲胺酸轉化為丙酮酸過程則如上所述。甘胺酸代謝的另一條路徑為將甘胺酸氧化裂解為 CO2、NH4 和一個亞甲基（─ CH2 ─）（圖18-19），這是動物代謝甘胺酸的主要路徑。 這個由甘胺酸裂解酶（glycine cleavage enzyme ，也稱為甘胺酸合成）催化的可逆反應，也需要四氫葉酸來接受亞甲基。在此氧化裂解途徑中，甘胺酸的二個碳原子並未進入檸檬酸循環。其中一個碳原子以 CO2 的形式逸失，另一個則是成為 N 5, N 10-亞甲基四氫葉酸上的亞甲基（圖18-17），是其他生合成路徑中的單碳基團供應者。 P.732 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

18 甘胺酸之第二個代謝路徑在哺乳動物中十分重要。甘胺酸裂解酶有缺陷的人會受到非酮性高甘胺酸血症（nonketotic hyperglycinemia）所困擾，此疾病的特徵是血清中甘胺酸含量上升，導致嚴重的智能缺陷以及幼兒的死亡。甘胺酸在高濃度的狀況下為抑制性神經傳導物質，這或許可解釋此疾病對於神經方面的影響。許多人類胺基酸代謝方面的遺傳缺陷已經被辨識出來（表18-2）。 甘胺酸代謝的第三個（也是最後一個）路徑中，其非對掌性異構物乃 D-胺基酸氧化酶的受質，可被轉變為乙酸醛（glyoxylate），成為肝臟乳酸脫氫酶的另類受質。即乙醛酸可經依賴 NAD＋的氧化反應，成為草酸鹽（oxalate）： P.733

19 圖 18.18 在甲基活化循環中，甲硫胺酸和S-腺嘌呤核苷甲硫胺酸的合成。
步驟敘述於本文中。在甲硫胺酸合成酶反應中（步驟4），甲基轉移至鈷胺素上形成甲基鈷胺素，甲基鈷胺素是甲硫胺酸形成反應中的甲基供應者。由於 S-腺嘌呤核苷甲硫胺酸具有一個帶正電荷的硫（也就是硫離子），因此在許多生合成反應中它都是強力的甲基化試劑。R 表示甲基受體（步驟 2）。 P.733 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

20 圖 18.18 在甲基活化循環中，甲硫胺酸和S-腺嘌呤核苷甲硫胺酸的合成。
P.733 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

21 在實驗室，絲胺酸羥甲基轉移酶可在一個步驟中將酥胺酸轉變為甘胺酸和乙醛，但這並不是哺乳動物分解酥胺酸的重要路徑。
酥胺酸（threonine）有兩個重要的分解代謝路徑。其中一個路徑是經由甘胺酸形成丙酮酸（圖18-19）。轉變為甘胺酸有兩個步驟，首先由酥胺酸脫氫酶將酥胺酸轉變為2-胺基-3-丁酮酸（2-amino-3-ketobutyrate）。這條路徑僅佔酥胺酸代謝總量的10% 至30%，在人體中較不重要，但在其他哺乳動物中有較高之重要性。人類主要會產生琥珀醯輔酶 A 的途徑，將描述於後。 在實驗室，絲胺酸羥甲基轉移酶可在一個步驟中將酥胺酸轉變為甘胺酸和乙醛，但這並不是哺乳動物分解酥胺酸的重要路徑。 P.734 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

22 圖 18.19 丙胺酸、甘胺酸、絲胺酸、半胱胺酸、色胺酸、和酥胺酸的分解代謝路徑。
圖 丙胺酸、甘胺酸、絲胺酸、半胱胺酸、色胺酸、和酥胺酸的分解代謝路徑。 色胺酸的 代謝結果示於圖 中。絲胺酸和甘胺酸代謝的多數反應細節，示於圖 中。本圖所顯示的酥胺酸分解反應，僅佔酥胺酸分解代謝的三分之一（另外的代謝路徑見圖 18-27）。半胱胺酸有數個反應路徑皆可產生丙酮酸；而半胱胺酸的硫原子會有許多不同的命運，其中之一示於圖 。本圖及後續圖中，碳原子會用顏色標示以便利追蹤其代謝命運。 P.734 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

23 圖 18.19 丙胺酸、甘胺酸、絲胺酸、半胱胺酸、色胺酸、和酥胺酸的分解代謝路徑。
圖 丙胺酸、甘胺酸、絲胺酸、半胱胺酸、色胺酸、和酥胺酸的分解代謝路徑。 P.734

24 七種胺基酸被代謝為乙醯基-輔酶 色胺酸、離胺酸、苯丙胺酸、酪胺酸、白胺酸、異白胺酸、酥胺酸等胺基酸其部份的碳骨架可代謝為乙醯輔酶 A 和∕或乙醯乙醯輔酶 A；乙醯乙醯輔酶 A 可再轉變為乙醯輔酶 A（圖18-21）。白胺酸、離胺酸和色胺酸代謝路徑的最後步驟與脂肪酸氧化中的步驟相似。酥胺酸透過圖18-19 描繪的次要途徑產生部分乙醯輔酶 A。 這七種胺基酸的代謝路徑中，其中有二個特別值得注意。在動物組織中，色胺酸的代謝路徑是所有胺基酸中最複雜的；色胺酸的一部份（其中 4 個碳）會透過乙醯乙醯輔酶 A 轉為乙醯輔酶 A。色胺酸分解代謝的部分中間產物，是合成其他生物分子的前驅物（圖18-22），這些中間產物包括菸鹼酸鈉（nicotinate；動物體內 NAD 和 NADP 的前驅物）、血清胺（serotonin；脊椎動物的神經傳導物質）、 醋酸鹽（indoleacetate；植物的生長因子）。 P.734 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

25 機轉圖 18.20 磷酸吡哆醛與四氫葉酸輔因子在絲胺酸和甘胺酸代謝中的交互作用。
機轉圖 磷酸吡哆醛與四氫葉酸輔因子在絲胺酸和甘胺酸代謝中的交互作用。 這些反應的第一個步驟（此處未顯示），都牽涉到形成與酶連接之磷酸吡哆醛（PLP）和受質胺基酸（絲胺酸和甘胺酸）間的共價亞胺（covalent imine）鍵結。(a) 絲胺酸脫水酶反應中需要有由 PLP 催化在α和β碳間的脫水作用（步驟 1），而最終產生丙酮酸（步驟 2 至 4）。(b) 在絲胺酸羥甲基轉移反應中，甘胺酸的α碳上由 PLP 所穩定的碳陰離子（步驟 1 的產物），是從 N 5,N 10-亞甲基四氫葉酸形成絲胺酸過程中亞甲基（－CH2 －OH）轉移的關鍵中間產物。這個反應是可逆的。(c) 甘胺酸裂解酶是一個多酶複合體，包括 P 、H 、T 、及 L 等組成單位。這整個可逆的反應將甘胺酸轉變成為 CO2 和NH4 ，而甘胺酸的第二個碳與四氫葉酸結合，形成 N 5, N 10-亞甲基四氫葉酸。在這些反應中，磷酸吡哆醛在關鍵階段活化胺基酸的α碳，而四氫葉酸則負責在它們之間運送單碳單元（onecarbon unit）（見圖18-6 、18-17）。 P.735 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

26 機轉圖 18.20 磷酸吡哆醛與四氫葉酸輔因子在絲胺酸和甘胺酸代謝中的交互作用。
機轉圖 磷酸吡哆醛與四氫葉酸輔因子在絲胺酸和甘胺酸代謝中的交互作用。 P.735

27 表18.2 P.736 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

28 人類苯丙胺酸代謝的基因缺陷 有許多胺基酸是神經傳導物質，或是其前驅物或拮抗物，因此胺基酸代謝相關基因之缺陷常會導致神經發育不良及智能障礙。多數這類疾病中，會造成特定中間產物的累積。舉例來說，苯丙胺酸代謝路徑上的第一個酶（圖18-23），苯丙胺酸羥化酶（phenylalanine hydroxylase） 若有缺陷會引發苯丙酮尿症（phenylketonuria；PKU），而苯丙胺酸濃度增高正是苯丙酮尿症（高苯丙胺酸血症）常見病因。 苯丙胺酸羥化酶〔（又稱為苯丙胺酸-4-單氧酶（phenylalanine-4-monooxygenase）〕為常見的多重功能氧化酶（mixed-function oxidase）之一。此類酶會利用 O2 分子的一個氧原子羥化其受質，同時將另一個氧原子還原為 H2O。 P.736 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

29 圖 18.21 色胺酸、離胺酸、苯丙胺酸、酪胺酸、白胺酸和異白胺酸的分解代謝路徑。
圖 色胺酸、離胺酸、苯丙胺酸、酪胺酸、白胺酸和異白胺酸的分解代謝路徑。 這些胺基酸將它們部分的碳原子（紅色）提供給乙醯輔酶 A。色胺酸、苯丙胺酸、酪胺酸、和異白胺酸同時還將其碳原子 （藍色）提供給丙酮酸或其他檸檬酸循環的中間產物。苯丙胺酸的代謝路徑在圖18-23 有更詳細的描述。在這個流程圖中，氮原子的代謝結果並未被追蹤；多數的情況下，它們會被移轉到α-酮戊二酸而形成麩胺酸。 P.737 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

30 圖 18.21 色胺酸、離胺酸、苯丙胺酸、酪胺酸、白胺酸和異白胺酸的分解代謝路徑。
圖 色胺酸、離胺酸、苯丙胺酸、酪胺酸、白胺酸和異白胺酸的分解代謝路徑。 P.737

31 苯丙胺酸羥化酶需要四氫生物喋呤為輔因子，負責將電子由NADH 帶至O2 ，而本身則氧化成為二氫生物喋呤（圖18-24）。二氫生物喋呤再經二氫生物喋呤還原酶（dihydrobiopterin reductase）及 NADH 還原成四氫生物喋呤。 苯丙酮尿症患者體內，一個正常狀況下較少用到的苯丙胺酸次要代謝路徑被啟動。藉由此途徑，苯丙胺酸與丙酮酸進行轉胺反應， 產生苯丙酮酸（phenylpyruvate）（圖18-25）。苯丙胺酸和苯丙酮酸在血液和組織中累積，並排至尿液中，因此稱為「苯丙酮尿」。但大部分的苯丙酮酸並非以此方式排出，而是脫羧基變成苯乙酸（phenylacetate）或還原成為苯乳酸（phenyllactate）。 P.737 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

32 圖 當作前驅物的色胺酸。 色胺酸的芳香環可產生菸鹼酸鈉、 醋酸鹽，和血清胺。以顏色標記的原子是用來顯示菸鹼酸鈉中芳香環原子的來源。 P.738 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

33 圖 苯丙胺酸和酪胺酸的分解代謝路徑。 在人體中，這些胺基酸通常會轉變成乙醯乙醯輔酶 A 和延胡索酸。這些酶若其基因缺陷會導致人類之遺傳疾病（黃色陰影）。 P.738

34 在幼年時期，天然的蛋白質（例如牛奶中的酪蛋白）必須先經過水解，且將大部分苯丙胺酸移除，方可提供給病人作為適當的飲食。
苯乙酸在尿液中產生獨特的味道，護士通常以此判定嬰兒是否患有苯丙酮尿症。幼年時苯丙胺酸或其代謝物的累積，會阻礙腦部的正常發育，導致嚴重的智能遲緩。 苯丙酮尿症是最早發現的人類遺傳性代謝缺陷。此症狀在嬰兒早期發現可透過嚴格的飲食控制，相當有效地防止智能遲緩。飲食中供應的苯丙胺酸和酪胺酸必需剛好足夠蛋白質合成使用，富含蛋白質的食物則必須避免。 在幼年時期，天然的蛋白質（例如牛奶中的酪蛋白）必須先經過水解，且將大部分苯丙胺酸移除，方可提供給病人作為適當的飲食。 P.739 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

35 苯丙酮尿症的發生，也可能是由於催化四氫生物喋呤再生的酶有缺陷（圖18-24）。這種病例的治療方式較為複雜，並非僅是限制苯丙胺酸和酪胺酸的攝取。
四氫生物喋呤在 L-3,4-二羥基苯丙胺酸（L-3,4-dihydroxyphenylalanine；L-dopa）和 5-羥基色胺酸（5-hydroxytryptophan）形成過程中是必須的，而此兩者分別是正腎上腺素和血清胺等神經傳導物質的前驅物。因此對此類型的苯丙酮尿症病患，其飲食中必須加以補充這兩種前驅物。由於四氫生物喋呤既不穩定也無法通過血腦屏障，直接補充四氫生物喋呤沒有效果。 P.739 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

36 圖 18.24 四氫生物喋呤在苯丙胺酸羥化酶反應的角色。
圖 四氫生物喋呤在苯丙胺酸羥化酶反應的角色。 以粉紅色標示的氫原子在這個反應中直接由C-4 移轉至C-3 。這項在 NIH 所發現的特徵，被稱之為 NIH 移轉。 P.739 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

37 圖 18.25 苯丙酮尿患者其苯丙胺酸分解代謝的非傳統路徑。
圖 苯丙酮尿患者其苯丙胺酸分解代謝的非傳統路徑。 苯丙酮尿患者其苯丙胺酸會在組織、血液，和尿液中累積。 尿液中可能也同時含有苯乙酸和苯乳酸。 P.739 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

38 另一個與苯丙胺酸分解代謝有關的遺傳疾病是黑尿症（alkaptonuria），此病症是尿黑酸雙加氧酶（homogentisate dioxygenase）有缺陷（圖18-23）。雖然有大量的尿黑酸排出，且氧化後會使尿液變黑，但與苯丙酮尿症相比，黑尿症的影響較不嚴重，產生的不良影響也較少。 黑尿症患者容易產生某種關節炎。黑尿症有特殊的歷史定位。Archibald Garrod 在 19 世紀初期發現這種症狀是具遺傳性的，追查其原因發現是由於單一酶的缺乏。 P.740 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

39 五種胺基酸轉變為α-酮戊二酸 脯胺酸、麩胺酸、麩胺醯胺、精胺酸、和組胺酸等五種胺基酸，其碳骨架會以α-酮戊二酸的形式進入檸檬酸循環（圖18-26）。脯胺酸、麩胺酸和麩胺醯胺具有五碳的碳骨架。脯胺酸環狀結構的開啟，是藉由距離羧基團最遠的碳原子氧化產生 Schiff 鹼，此 Schiff 鹼被水解產生一種名為麩胺酸γ-半醛（glutamate γ-semialdehyde）的鏈狀半醛基。 這個中間產物的同一個碳原子可被氧化形成麩胺酸。麩胺醯胺或其他可以將麩胺醯胺的醯胺基氮轉給其受體的酶，都能將麩胺醯胺轉變為麩胺酸。麩胺酸經轉胺或脫胺反應就產生α-酮戊二酸。 P.740 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

40 精胺酸和組胺酸含有五個相鄰的碳原子，以及透過氮原子連接的第六個碳。因此將這兩種胺基酸轉變為麩胺酸的代謝途徑，較脯胺酸或麩胺醯胺來得複雜（圖18-26）。
精胺酸轉變為尿素循環中鳥胺酸的 5-碳骨架（圖18-10），鳥胺酸再經過轉胺反應變成麩胺酸γ-半醛。組胺酸則是透過一個多步驟的途徑，轉變為具有 5-碳的麩胺酸；其中一個步驟是利用四氫葉酸作為輔因子，將多餘的第六個碳移除。 P.740 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

41 四種胺基酸轉變為琥珀醯輔酶 甲硫胺酸、異白胺酸、酥胺酸和纈胺酸等四種胺基酸的碳骨架，在其分解代謝過程中可產生琥珀醯輔酶 A（圖18-27），而琥珀醯輔酶 A 正是檸檬酸循環的中間產物。甲硫胺酸透過 S-腺嘌呤甲硫胺酸將甲基轉給需要的接受者，剩下的四個碳原子中有三個變為丙醯輔酶 A（琥珀醯輔酶 A 的前驅物）的丙酸。異白胺酸則是進行轉胺反應，所產生的α-酮酸接著進行氧化脫羧反應。剩下的 5-碳骨架則氧化變成乙醯輔酶 A 和丙醯輔酶 A 。 纈胺酸經過轉胺和脫羧反應後，再經一系列的氧化反應將剩下的 4 個碳原子轉為丙醯輔酶 A 。纈胺酸和異白胺酸的部份代謝路途徑，與脂肪酸分解的步驟頗為類似（見圖17-8a）。人體內酥胺酸的主要代謝路徑，同樣是經過兩個步驟轉變為丙醯輔酶 A（見圖18-19 之次要路徑）。 P.740 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

42 支鏈胺基酸不在肝臟中分解 多數胺基酸的分解代謝在肝臟中進行，但具有支鏈的三種胺基酸（白胺酸、異白胺酸、和纈胺酸）主要是在肌肉、脂肪、腎臟，和腦部進行氧化供作能源。這些肝臟以外的組織具有一種肝臟缺乏的轉胺酶，可作用在這三種支鏈胺基酸上，產生相對應的α-酮酸（圖18-28）。 支鏈α-酮酸去氫酶複合體（branched-chain α-keto acid dehydrogenase complex）接著會催化這三種α-酮酸的氧化脫羧反應，將羧基以 CO2 的形式逸出，並產生醯基輔酶 A 的衍生物。 P.740 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

43 圖 18.26 精胺酸、組胺酸、麩胺酸、麩胺醯胺、和脯胺酸的分解代謝路徑。
圖 精胺酸、組胺酸、麩胺酸、麩胺醯胺、和脯胺酸的分解代謝路徑。 這些胺基酸會轉化為α-酮戊二酸。組胺酸以號碼標示之反應步驟由下列的酶所催化：1 組胺酸氨解離酶（histidine ammonia lyase）、2 尿狗酸水合酶（urocanate hydratase）、3 咪唑酮丙酸酶 （imidazolonepropionase）、4 麩胺酸亞甲基轉移酶 （glutamate formimino transferase）。 P.741 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

44 圖 18.26 精胺酸、組胺酸、麩胺酸、麩胺醯胺、和脯胺酸的 分解代謝路徑。
圖 精胺酸、組胺酸、麩胺酸、麩胺醯胺、和脯胺酸的 分解代謝路徑。 P.741

45 圖 18.27 甲硫胺酸、異白胺酸、酥胺酸、和纈胺 酸的分解代謝路徑。
圖 甲硫胺酸、異白胺酸、酥胺酸、和纈胺 酸的分解代謝路徑。 這些胺基酸會轉化成琥珀醯輔酶 A；異白胺酸同時還將它的 2 個碳原子提供給乙醯輔酶 A（見圖18-21）。這裡所顯示的甲硫胺酸分解過程是發生在人體中的代謝路徑；其他生物的代謝路徑顯示在圖18-19 。從甲硫胺酸到高半胱胺酸的路徑在圖18-18 有更詳細描述；從高半胱胺酸到α-酮戊二酸的轉變則顯示在圖22-14 中；丙醯輔酶 A 轉變成琥珀醯輔酶 A 顯示在圖17-11 。 P.742 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

46 圖 18.27 甲硫胺酸、異白胺酸、酥胺酸、和纈胺酸的分解代謝路徑。
圖 甲硫胺酸、異白胺酸、酥胺酸、和纈胺酸的分解代謝路徑。 P.742

47 有一種較為罕見的遺傳疾病，此三種支鏈α-酮酸（以及它們的前驅胺基酸，尤其是白胺酸）會在血液中累積及「溢入」尿液中，這種病症稱為楓糖尿症（maple syrup urine disease），因為有缺陷的支鏈α-酮酸去氫酶複合體導致α-酮酸過多而出現在尿液中，使得尿液具獨特的氣味。 此病症若未加以治療，會造成腦部發展異常、智能障礙以及幼兒死亡。治療必須伴隨嚴格的飲食控制（限制纈胺酸、白胺酸以及異白胺酸的攝取），以確保正常生長發育。 P.742 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

48 天冬醯胺和天冬胺酸分解為草醯乙酸 天冬醯胺和天冬胺酸的碳骨架最終以草醯乙酸的形式進入檸檬酸循環。天冬醯胺是被天冬醯胺酶（asparaginase）催化水解成為天冬胺酸，而天冬胺酸進行與α-酮戊二酸的轉胺反應，變成麩胺酸和草醯乙酸（圖18-29）。 如同碳水化合物和脂質的例子，胺基酸的分解最終還是透過檸檬酸循環產生還原當量物（NADH 和 FADH2）。在呼吸作用中，這些還原當量物為有氧生物氧化和生產能量的燃料；因此生化分子分解代謝過程的探索，將於下一章討論呼吸作用時做一總結。 P.742 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

49 圖 18.28 三個支鏈胺基酸：纈胺酸、異白胺酸、白胺酸的分解代謝路徑。
圖 三個支鏈胺基酸：纈胺酸、異白胺酸、白胺酸的分解代謝路徑。 這三個在肝臟以外的組織發生的代謝路徑，共用前兩個酶。支鏈α-酮酸去氫酶複合體是丙酮酸及α-酮戊二酸去氫酶複合體的類似物，且需要相同的五種輔因子（有些未示於本圖中）。楓糖尿症患者的支鏈α-酮酸去氫酶有缺陷。 P.743

50 圖 天冬醯胺和天冬胺酸的分解代謝路徑。 這二種胺基酸皆代謝成草醯乙酸。 P.743

51 總結 18.3 移除胺基後，胺基酸的碳骨架會氧化成為可進入檸檬酸循環的化合物，最後氧化為CO2和H2O。這些反應路徑需要許多輔因子，包括單碳基團移轉反應中的四氫葉酸與S-腺嘌呤核苷甲硫胺酸，及苯丙胺酸羥化酶催化的苯丙胺酸氧化反應中的四氫生物喋呤。 根據胺基酸分解的最終產物，有些可轉變為酮體，有些則轉變為葡萄糖，還有一些兩者皆可轉換。因此胺基酸分解作用亦是整體代謝的一環，以及在某些以胺基酸作為主要代謝能量的狀況下，甚至是存活的關鍵。 胺基酸的碳骨架透過五種中間產物進入檸檬酸循環：乙醯輔酶 A、α-酮戊二酸、琥珀醯輔酶 A、延胡索酸，及草醯乙酸。有些則被分解為丙酮酸，再轉變成為乙醯輔酶 A 或草醯乙酸。 P.745 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成

52 總結 18.3 (續) 可產生丙酮酸的胺基酸為丙胺酸、半胱胺酸、甘胺酸、絲胺酸、酥胺酸和色胺酸。白胺酸、離胺酸、苯丙胺酸、和色胺酸可經乙醯乙醯輔酶 A 再轉變成乙醯輔酶 A。異白胺酸、白胺酸、酥胺酸和色胺酸則可直接產生乙醯輔酶 A 。 精胺酸、麩胺酸、麩胺醯胺、組胺酸和脯胺酸可代謝生成α-酮戊二酸；異白胺酸、甲硫胺酸、酥胺酸和纈胺酸生成琥珀醯輔酶A；苯丙胺酸和酪胺酸的四個碳原子可生成延胡索酸；天冬醯胺和天冬胺酸生成草醯乙酸。 支鏈胺基酸（異白胺酸、白胺酸及纈胺酸）和其他胺基酸不同，僅在非肝臟組織被分解。 許多嚴重的人類疾病可歸因於胺基酸分解代謝酶之基因缺陷。 P.745 第 18 章 胺基酸氧化和尿素的生成