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第十一章 氨基酸代谢 Metabolism of Amino Acids
氨基酸（amino acids)是蛋白质(protein)的基本组成单位。氨基酸代谢包括合成代谢和分解代谢。
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蛋白质的生理功能 1. 是构成组织细胞的重要成分。 2. 参与组织细胞的更新和修补。 3. 参与物质代谢及生理功能的调控。 4. 氧化供能。
5. 其他功能：如转运、凝血、免疫、记忆、识别等均与蛋白质有关。
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氮平衡(nitrogen balance)
人体每日须分解一定量的组织蛋白质，并以含氮终产物的形式排出体外。同时，须从食物中摄取一定量的蛋白质，以维持正常生理活动之需。 体内蛋白质的合成与分解处于动态平衡中，故每日氮的摄入量与排出量也维持着动态平衡，这种动态平衡就称为氮平衡
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氮正平衡：每日摄入氮量大于排出氮量，表明体内蛋白质的合成量大于分解量，称为氮正平衡。此种情况见于儿童、孕妇、病后恢复期。
氮负平衡：每日摄入氮量小于排出氮量，表明体内蛋白质的合成量小于分解量，称为氮负平衡。此种情况见于消耗性疾病患者（结核、肿瘤），饥饿者。
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必需氨基酸与非必需氨基酸 体内不能合成，必须由食物蛋白质供给的氨基酸称为必需氨基酸(essential amino acid)。
体内能够自行合成，不必由食物供给的氨基酸就称为非必需氨基酸。
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必需氨基酸一共有八种：缬氨酸（Val） 、异亮氨酸（Ile）、亮氨酸（Leu）、苯丙氨酸（Phe） 、蛋氨酸（Met） 、色氨酸（Trp）、苏氨酸（Thr）赖氨酸（Lys）。
由于酪氨酸在体内需由苯丙氨酸为原料来合成，半胱氨酸必需以蛋氨酸为原料来合成，故这两种氨基酸被称为半必需氨基酸。
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蛋白质的营养价值及互补作用 决定蛋白质营养价值高低的因素有：① 必需氨基酸的含量；② 必需氨基酸的种类；③ 必需氨基酸的比例，即具有与人体需求相符的氨基酸组成。 将几种营养价值较低的食物蛋白质混合后食用，以提高其营养价值的作用称为食物蛋白质的互补作用。
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蛋白质的消化、吸收与腐败 蛋白质的消化 （一）胃中的消化： 胃蛋白酶水解食物蛋白质为多肽、寡肽及少量氨基酸。 （二）肠中的消化：
有两种类型的酶：⑴ 肽链外切酶：如羧肽酶A、羧肽酶B、氨基肽酶、二肽酶等；⑵ 肽链内切酶：如胰蛋白酶、糜蛋白酶、弹性蛋白酶等。 蛋白质在肠中完全水解为氨基酸。
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氨基酸的吸收 主要在小肠进行，是一种主动转运过程，需由特殊载体携带。转运氨基酸进入细胞时，同时转运入Na+。
除此之外，也可经γ-谷氨酰循环进行。需由γ-谷氨酰基转移酶催化，利用GSH，合成γ-谷氨酰氨基酸进行转运。消耗的GSH可重新再合成。
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蛋白质在肠中的腐败 主要在大肠中进行，是细菌对蛋白质及其消化产物的分解作用。
腐败分解作用包括水解、氧化、还原、脱羧、脱氨、脱巯基等反应。可产生有毒物质，如胺类（腐胺、尸胺），酚类，吲哚类，氨及硫化氢等。 这些有毒物质被吸收后，由肝脏进行解毒。
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第一节 氨基酸的分解代谢 氨基酸的分解代谢一般是： （1）肝外组织以转氨基、联合脱氨基等形式脱去氨基，并以Ala、Gln的形式运到肝脏
第一节 氨基酸的分解代谢 氨基酸的分解代谢一般是： （1）肝外组织以转氨基、联合脱氨基等形式脱去氨基，并以Ala、Gln的形式运到肝脏 （2）尿素循环 （3）脱氨后的碳骨架可以被氧化成CO2和H2O，也可以转化为糖、脂肪酸
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一、氨基酸的脱氨基作用 氨基酸主要通过三种方式脱氨基，即氧化脱氨基，联合脱氨基和非氧化脱氨基。 （一）氧化脱氨基：
反应过程包括脱氢和水解两步。 -2H H2O R-CH（NH2）COOH → R-C（=NH）COOH → R-COCOOH + NH3
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氨基酸的氧化脱氨基反应主要由L-氨基酸氧化酶（L-amino acid oxidase)和L-谷氨酸脱氢酶(L-glutamate dehydrogenase)所催化。
L-氨基酸氧化酶（L-amino acid oxidase)是一种需氧脱氢酶，以FAD或FMN为辅基，脱下的氢原子交给O2，生成H2O2。该酶活性不高，在各组织器官中分布局限，因此作用不大。
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L-谷氨酸脱氢酶(L-glutamate dehydro-genase)是一种不需氧脱氢酶，以NAD+或NADP+为辅酶，生成的NADH或NADPH可进入呼吸链进行氧化磷酸化。该酶活性高，分布广泛，因而作用较大。该酶属于变构酶，其活性受ATP，GTP的抑制，受ADP，GDP的激活。
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（二）转氨基作用： 转氨基作用由转氨酶(transaminase)催化，将α-氨基酸的氨基转移到α-酮酸酮基的位置上，生成相应的α-氨基酸，而原来的α-氨基酸则转变为相应的α-酮酸。 R’-CH(NH2)COOH R”-COCOOH R’-COCOOH R”-CH(NH2)COOH
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转氨酶(transaminase)以磷酸吡哆醛(胺)为辅酶。
转氨基作用(transamination)可以在各种氨基酸与α-酮酸之间普遍进行。除Gly，Lys，Thr，Pro外，均可参加转氨基作用。
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较为重要的转氨酶有： ⑴ 丙氨酸氨基转移酶（alanine trans-aminase,ALT），又称为谷丙转氨酶（GPT）。催化丙氨酸与α-酮戊二酸之间的氨基移换反应，为可逆反应。该酶在肝脏中活性较高，在肝脏疾病时，可引起血清中ALT活性明显升高。 ALT 丙氨酸 + α-酮戊二酸 丙酮酸 + 谷氨酸
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⑵ 天冬氨酸氨基转移酶（aspartate transaminase,AST），又称为谷草转氨酶（GOT）。催化天冬氨酸与α-酮戊二酸之间的氨基移换反应，为可逆反应。该酶在心肌中活性较高，故在心肌疾患时，血清中AST活性明显升高。 AST 天冬氨酸 + α-酮戊二酸 草酰乙酸 + 谷氨酸
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（三）联合脱氨基作用： 转氨基作用与氧化脱氨基作用联合进行，从而使氨基酸脱去氨基并氧化为α-酮酸(α-ketoacid)的过程，称为联合脱氨基作用。
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（四）嘌呤核苷酸循环 这是存在于骨骼肌和心肌中的一种特殊的联合脱氨基作用方式。
在骨骼肌和心肌中，由于谷氨酸脱氢酶的活性较低，而腺苷酸脱氨酶(adenylate deaminase)的活性较高，故采用此方式进行脱氨基。
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腺苷酸脱氨酶可催化AMP脱氨基，此反应与转氨基反应相联系，即构成嘌呤核苷酸循环的脱氨基作用。
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二、α-酮酸的代谢 Metabolism of α-ketoacid
（一）再氨基化为氨基酸。 （二）转变为糖或脂： 1.生糖氨基酸。 2.生酮氨基酸：Leu，Lys。 3.生糖兼生酮氨基酸：Phe，Tyr，Ile，Thr，Trp。 （三）氧化供能：进入三羧酸循环彻底氧化分解供能。
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第二节 氨的代谢 一、血氨的来源与去路
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二、氨（ammonia)在血中的转运 （一）丙氨酸-葡萄糖循环
肌肉中的氨基酸将氨基转给丙酮酸生成丙氨酸，后者经血液循环转运至肝脏再脱氨基，生成的丙酮酸经糖异生合成葡萄糖后再经血液循环转运至肌肉重新分解产生丙酮酸，通过这一循环反应过程即可将肌肉中氨基酸的氨基转移到肝脏进行处理。这一循环反应过程就称为丙氨酸-葡萄糖循环。
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Glc-Ala循环的生物学意义： 在肌肉中，糖酵解提供丙酮酸，在肝中，丙酮酸又可生成Glc。 肌肉运动产生大量的氨和丙酮酸，两者都要运回肝脏进一步转化，而以Ala的形式运送，一举两得。
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（二）谷氨酰胺(glutamine)的运氨作用 ：
肝外组织，如脑、骨骼肌、心肌在谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase)的催化下，合成谷氨酰胺。谷氨酰胺对氨具有运输、贮存和解毒作用。
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三、鸟氨酸循环与尿素的合成 体内氨的主要代谢去路是用于合成无毒的尿素。 合成尿素的主要器官是肝脏，但在肾及脑中也可少量合成。
尿素合成是经称为鸟氨酸循环的反应过程来完成的。催化这些反应的酶存在于胞液和线粒体中。
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鸟氨酸循环（ornithine cycle)的主要反应过程为：
1．氨基甲酰磷酸的合成： 此反应在线粒体中进行，由氨基甲酰磷酸合成酶Ⅰ（CPS-Ⅰ）催化，该酶需N-乙酰谷氨酸（AGA）作为变构激活剂，反应不可逆。 氨基甲酰磷酸合成酶Ⅰ(AGA，Mg2+) NH3 + CO2 + H2O + 2ATP H2NCOOPO3H2 + 2ADP + Pi
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2．瓜氨酸的合成： 在线粒体内进行，由鸟氨酸氨基甲酰转移酶（OCT）催化（该酶需生物素作辅基），将氨基甲酰基转移到鸟氨酸的γ-氨基上，生成瓜氨酸。 OCT H2NCOOPO3H2 + H2N（CH2）3CH（NH2）COOH H2NCOHN（CH2）3CH（NH2）COOH + Pi
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转运至胞液的瓜氨酸在精氨酸代琥珀酸合成酶催化下，消耗能量合成精氨酸代琥珀酸。精氨酸代琥珀酸合成酶是尿素合成的关键酶。
3．精氨酸代琥珀酸的合成： 转运至胞液的瓜氨酸在精氨酸代琥珀酸合成酶催化下，消耗能量合成精氨酸代琥珀酸。精氨酸代琥珀酸合成酶是尿素合成的关键酶。 H2NCOHN（CH2）3CH（NH2）COOH + HOOCCH2CH（NH2）COOH + ATP HOOCCHCH2COOH 精氨酸代琥珀酸合成酶 N=C(NH2)NH(CH2)3CH(NH2)COOH +AMP+PPi+ H2O
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在胞液中由精氨酸代琥珀酸裂解酶(argininosuccinate lyase)催化，将精氨酸代琥珀酸裂解生成精氨酸和延胡索酸。
4．精氨酸代琥珀酸的裂解： 在胞液中由精氨酸代琥珀酸裂解酶(argininosuccinate lyase)催化，将精氨酸代琥珀酸裂解生成精氨酸和延胡索酸。 HOOCCHCH2COOH 精氨酸代琥珀酸裂解酶 ｜ N=C(NH2)NH(CH2)3CH(NH2)COOH HN=C(NH2)NH(CH2)3CH(NH2)COOH + HOOCCH=CHCOOH
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在胞液中由精氨酸酶的催化，精氨酸水解生成尿素(urea)和鸟氨酸(ornithine)。鸟氨酸可再转运入线粒体继续进行循环反应。
5．精氨酸的水解： 在胞液中由精氨酸酶的催化，精氨酸水解生成尿素(urea)和鸟氨酸(ornithine)。鸟氨酸可再转运入线粒体继续进行循环反应。 精氨酸酶 HN=C(NH2)NH(CH2)3CH(NH2)COOH + H2O H2NCONH2 + H2N（CH2）3CH（NH2）COOH
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尿素合成的特点： 1．合成主要在肝脏的线粒体和胞液中进行； 2．合成一分子尿素需消耗四分子ATP； 3．精氨酸代琥珀酸合成酶是尿素合成的关键酶； 4．尿素分子中的两个氮原子，一个来源于NH3，一个来源于天冬氨酸。
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第三节 羧基的代谢 1、生物体内大部分a.a可进行脱羧作用，生成相应的一级胺。
2、a.a脱羧酶专一性很强，每一种a.a都有一种脱羧酶，辅酶都是磷酸吡哆醛。 3、a.a脱羧反应广泛存在于动、植物和微生物中，有些产物具有重要生理功能，如脑组织中L-Glu脱羧生成r-氨基丁酸，是重要的神经介质。His脱羧生成组胺（又称组织胺），有降低血压的作用。Tyr脱羧生成酪胺，有升高血压的作用。 4、大多数胺类对动物有毒，体内有胺氧化酶，能将胺氧化为醛和氨。
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由氨基酸脱羧酶(decarboxyase)催化，辅酶为磷酸吡哆醛，产物为CO2和胺。
R-CH（NH2）COOH R-CH2NH2 + CO2 (磷酸吡哆醛) 所产生的胺可由胺氧化酶氧化为醛、酸，酸可由尿液排出，也可再氧化为CO2和水。
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γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid, GABA）是一种重要的神经递质，由L-谷氨酸脱羧而产生。
（一）γ-氨基丁酸的生成： γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid, GABA）是一种重要的神经递质，由L-谷氨酸脱羧而产生。 反应由L-谷氨酸脱羧酶催化，在脑及肾中活性很高。 L-谷氨酸脱羧酶 HOOCCH2CH2CH（NH2）COOH HOOCCH2CH2NH2+CO2
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（二）5-羟色胺的生成： 5-羟色胺（5-hydroxytryptamine,5-HT）也是一种重要的神经递质，且具有强烈的缩血管作用。 5-羟色胺的合成原料是色氨酸(tryptophan)。 色氨酸在脑中首先由色氨酸羟化酶作用，生成5-羟色氨酸，然后再由5-羟色氨酸脱羧酶催化脱羧，生成5-羟色胺。
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（三）组胺的生成： 组胺(histamine)由组氨酸脱羧产生，具有促进平滑肌收缩，促进胃酸分泌和强烈的舒血管作用。 组胺的释放与过敏反应和应激反应有关。
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（四）多胺的生成： 精脒（spermidine)和精胺(spermine)均属于多胺(polyamines)，它们与细胞生长繁殖的调节有关。
多胺合成的原料为鸟氨酸，关键酶是鸟氨酸脱羧酶
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第四节 氨基酸碳架的代谢 20种aa有三种去路 （1）重新氨基化生成氨基酸。 （2）氧化成CO2和水（TCA）。 （3）生糖、生脂。
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一、氧化途径 20种aa的碳架可转化成7种物质： 丙酮酸、乙酰CoA、乙酰乙酰CoA、 α-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸。
最后集中为5种物质进入TCA： 乙酰CoA、α-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸。
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(一）形成乙酰-CoA的途径 ★ 通过丙酮酸到乙酰-CoA的途径：Ala、Gly、Ser、Thr、Cys
★ 通过乙酰乙酰-CoA到乙酰-CoA： Phe、Tyr、Leu ★ 氨基酸直接形成乙酰-CoA
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（二）、 α-酮戊二酸途径 Arg、His、Gln、Pro、Glu
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（三）、 形成琥珀酰CoA途径 Met、Ile、Val转变成琥珀酰CoA
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（四）、 延胡索酸途径 Phe、Tyr可生成延胡索酸
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（五）、形成 草酰乙酸途径 Asp和Asn可转变成草酰乙酸进入TCA， Asn先转变成Asp（Asn酶）， Asp经转氨作用生成草酰乙酸.
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二、生糖氨基酸与生酮氨基酸 生酮氨基酸：Phe、Tyr、 Trp 、Leu、Lys。
在分解过程中转变为乙酰乙酰CoA，后者在动物肝脏中可生成乙酰乙酸和β-羟丁酸。 生糖氨基酸：凡能生成丙酮酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸、草酰乙酸的a.a.都称为生糖a.a，它们都能生成Glc。 Phe、Tyr是生酮兼生糖a.a
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三、由氨基酸衍生的其它重要物质 （一）由氨基酸产生一碳单位：
一碳单位(one carbon unit)是指只含一个碳原子的有机基团，这些基团通常由其载体携带参加代谢反应。 常见的一碳单位有甲基（-CH3）、亚甲基或甲烯基（-CH2-）、次甲基或甲炔基（=CH-）、甲酰基（-CHO）、亚氨甲基（-CH=NH）、羟甲基（-CH2OH）等。
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一碳单位的载体： 常见的载体有四氢叶酸（FH4）和S-腺苷同型半胱氨酸，有时也可为VitB12。 常见的一碳单位的四氢叶酸衍生物有： 1．N10-甲酰四氢叶酸（N10-CHO FH4）。 2．N5-亚氨甲基四氢叶酸（N5-CH=NH FH4）。 3．N5,N10-亚甲基四氢叶酸 （N5,N10-CH2-FH4）。 4．N5,N10-次甲基四氢叶酸 （N5,N10=CH-FH4）。 5．N5-甲基四氢叶酸（N5-CH3 FH4）。
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2-氨基-4-羟基-6-甲基-5,6,7,8-四氢蝶呤啶的结构
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（二）一碳单位的产生和互变：
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（三）、S-腺苷蛋氨酸循环 蛋氨酸是体内合成许多重要化合物，如肾上腺素、胆碱、肌酸和核酸等的甲基供体。
甲基供体的活性形式为S-腺苷蛋氨酸（S-adenosyl methionine,SAM）。 SAM也是一种一碳单位衍生物，其载体可认为是S-腺苷同型半胱氨酸，携带的一碳单位是甲基。
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从蛋氨酸形成的S-腺苷蛋氨酸，在提供甲基以后转变为同型半胱氨酸，然后再反方向重新合成蛋氨酸，这一循环反应过程称为S-腺苷蛋氨酸循环或活性甲基循环。
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四、氨基酸与生物活性物质 （1）、Tyr与黑色素 （2）、 Tyr与儿茶酚胺类 （3）、 Trp与5-羟色胺及吲哚乙酸
5-羟色胺是神经递质，促进血管收缩 （4）、肌酸和磷酸肌酸（Arg、Gly、Met） 肌酸和磷酸肌酸，在贮存和转移磷酸键能中起重要作用。它们存在于动物的肌肉、脑、血液中。 （5）、His与组胺 His脱羧生成组胺，是一种血管舒张剂，在神经组织中是感觉神经的一种递质。
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五、氨基酸代谢缺陷症 先天性氨基酸代谢缺陷症 苯丙酮尿症（PKU）
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苯丙酮酸尿症
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白化病
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第五节 氨基酸的生物合成 一、 氮源 （1）生物固氨（微生物） a.与豆科植物共生的根瘤菌 b.自养固氮菌 兰藻
第五节 氨基酸的生物合成 一、 氮源 （1）生物固氨（微生物） a.与豆科植物共生的根瘤菌 b.自养固氮菌 兰藻 在固氮酶系作用下，将空气中的N2固定，产生NH3 （2）硝酸盐和亚硝酸盐 (植物、微生物) （3）各种脱氨基作用产生的NH3（所有生物）
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二、 碳源 直接碳源是相应的α-酮酸。 植物能合成20种a.a.相应的全部碳架或前体。 人和动物只能直接合成部分a.a.相应的α-酮酸。
二、 碳源 直接碳源是相应的α-酮酸。 植物能合成20种a.a.相应的全部碳架或前体。 人和动物只能直接合成部分a.a.相应的α-酮酸。 主要来源：糖酵解、TCA、磷酸已糖支路。 必需氨基酸：Ile、Leu、Lys、Met、Phe、Thr、Trp、Val、（Arg、His）
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三、合成途径 1、脂肪族氨基酸生物合成途径 ①α-酮戊二酸衍生类型 Glu、Gln、Pro、Arg、Lys（蕈类、眼虫）
由α-酮戊二酸与游离氨，经L-Glu脱氢酶催化。 对于植物和微生物，氨的来源是Gln的酰胺基，由Glu合酶催化 。 Gln合酶是催化氨转变为有机含氮物的主要酶，活性受9种含氮物反馈调控：氨基Glc-6-P、Trp、Ala、 Gly、Ser、 His和CTP、 AMP、氨甲酰磷酸。 除Gly、Ala，其余含氮物的氮都来自Gln。
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②草酰乙酸衍生类型 Asp、Asn、Met、Thr、Ile（也可归入丙酮类）、Lys（植物、细菌）
经TCA中间产物（α-酮戊二酸、草酰乙酸）可合成10种a.a.，即Glu、Gln、Pro、Arg、Asp、Asn、Met、Thr、Ile、Lys。 谷草转氨酶 草酰乙酸 + Glu Asp + α-酮戊二酸 Asn合成酶 Asp + Gln + ATP Asn + Glu + AMP + PPi Mg2+ （哺乳动物） Asn合成酶 Asp+ NH ATP Asn + AMP + PPi 细菌
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③丙酮酸衍生类型 Ala、Val（Ile）、Leu
④3-磷酸甘油酸衍生类型 Ser、Gly、Cys 经酵解中间产物（3-磷酸甘油酸、丙酮酸），可合成Ser、Cys、Gly、 Ala、Val、Leu等6种a.a。 ⑤经酵解及磷酸戊糖中间产物（磷酸烯醇丙酮酸、4-磷酸赤藓糖），可合成Phe、Tyr、Trp等3种芳香族a.a。 ⑥His有自己独特的合成途径，与其它氨基酸之间没有关系
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四、 氨基酸生物合成的调节 最有效的调节是通过合成过程的终端产物，反馈抑制反应系列中第一个酶的活性，即通过别构效应调节第一个酶的活性。
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（一）通过终端产物对aa合成的反馈抑制（二） 通过酶量调节
1、简单的终端产物反馈抑制
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2、不同终端产物对共同合成途径的协同抑制
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3、不同分枝产物对多个同工酶的抑制
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4、顺序反馈抑制
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五、 几种重要的 a.a.衍生物的生物合成 （1）、 谷光苷肽 （2）、 肌酸 （3）、 卟啉 血红素、细胞色素、叶绿素。卟啉由Gly和琥珀酰CoA合成 （4）、 短杆菌肽
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