第七章氨基酸代谢 学习目标 通过本章的学习，你应该能够： 掌握氨平衡的概念，营养必需氨基酸的概念，蛋白质腐败作用的概念，氨基酸 的转氨基作用，丙氨酸氨基转移酶催化的反应及其辅酶，联合脱氨基作 用，体内氨的来源、去路与转运，尿素合成的部位、基本过程、关健酶及其 生理意义，一碳单位的概念、载体、生成原料及主要生理作用，S腺苷甲硫 氨酸的生成、作用及其与一碳单位代谢的联系，甲基与硫酸根在体内的活 化形式。 熟悉食物蛋白质在胃肠的消化过程，氧化脱氨基作用，α酮酸的代谢途径，氨 酸的脱羧基作用，苯丙氨酸转变成酪氨酸的过程，苯丙氨酸羟化酶及其 酸 了解蛋白质的生理功能，蛋白质生理需要量，营养必需氨基酸的种类，蛋白 质营养价值和互补作用的概念，氨基酸在小肠的吸收方式，假神经递质 的概念，蛋白质腐败产物及其对人类健康的利弊，体内蛋白质降解方 式，氨基酸代谢库的概念，嘌呤核苷酸循环，非氧化脱氨基作用，尿素合 成的调节，高血氨症和氨中毒，生糖氨基酸、生酮氨基酸、生糖兼生酮氨 基酸的概念，Y氨基丁酸、组胺，5-羟色胺、多胺类物质的生成及作用， 碳单位的种类、一碳单位的生成及相互转变，甲硫氨酸循环及其生理意 义，维生素B在甲硫氨酸循环中的作用，活性硫酸根、牛磺酸的生成 肌酸与磁酸肌酸的代谢，路氨酸在体内转恋的主要活性物质，儿茶酚砖 的合成与帕金森氏病的关系，黑色素的合成与白化病的关系，酪氨酸的 彻底氧化与尿黑酸尿症的关系，支链氨基酸的分解代谢，氨基酸衍生的 其他重要含氮氨化合物。 氨基酸具有重要的生理功能，在机体的物质代谢和能量代谢中具有重要意义。氨基酸是蛋白质的 组成单位，利用氨基酸合成蛋白质的过程将在第十三章蛋白质的生物合成中介绍。除了作为蛋白质合 成的原料外，许多氨基酸在机体代谢过程中还能以各种方式转变，生成具有重要生理功能的含氮化合 物，如儿茶酚胺、甲状腺激素、嘌、嘧啶等，也可产生一些重要的化学基团。有些氨基酸本身具有特殊 的生理功能，如：丙氨酸和谷氨酰胺参与组织间的运氨作用：谷氨酸和天冬氨酸是兴奋性神经递质：甘氨 酸是抑制性神经递质，还参与生物转化作用等。氨基酸还可氧化分解供能。氨基酸在体内的代谢包括 分解代谢和合成代谢，本章主要讨论分解代谢。 182
第七家县装酸代凿 第一节蛋白质的营养作用 一、蛋白质的生理功能 (一)维持细胞组织的生长、更新和修补 蛋白质是细胞组织的主要成分。因此，参与构成各种细胞组织是蛋白质最重要的功能。食物蛋白 质是体内氨基酸的重要来源。提供足量、优质的食物蛋白质以获得机体所需的氨基酸，维持细胞组织生 长、更新和修补的需要，这对于生长发育期的儿童及康复期的患者尤为重要。 (二)参与多种重要的生理活动 蛋白质是机体生命活动的重要物质基础。体内具有多种特殊功能的蛋白质，例如酶、抗体、某些激 素和调节蛋白等。肌肉收缩、物质运输、血液凝固等也均有蛋白质参与。此外，氨基酸代谢过程中还可 产生嘌呤、嘧啶、胺类、神经递质等重要含氮化合物。 (三)氧化供能 般成人每日约有18%的能量来自蛋白质分解代谢。但是氧化供能只是蛋白质的次要功能，可由 糖或脂肪代替。 二、氮平衡 氮平衡(nitrogen balance)是指每日氮的摄入量与排出量之间的关系，是反映体内蛋白质代谢状况 的一项指标。蛋白质的含氮量平均约为16%。摄入氮主要来源于食物中的蛋白质，主要用于体内蛋白 质的合成；而排出氮主要来源于粪便和尿液中的含氮化合物，主要是体内蛋白质分解代谢的终产物。因 此，测定摄入食物中的含氯量与排泄物中的含氮量之间的关系基本可以反映体内蛋白质合成与分解代 谢的状况。人体氮平衡有三种情况，即氨的总平衡、氮的正平衡及氨的负平衡。 氮的总平衡，即摄入氮=排出氯，反映体内蛋白质合成与分解处于动态平衡，即氮的收支平衡，见于 营养正常的成人。正常成人不再生长，每日进食的蛋白质主要用于维持组织结构、功能蛋白质更新。 氨的正平衡，即摄入氮>排出氮，反映体内蛋白质合成大于分解，以满足生长发育的需要，儿童、孕 妇及康复期的患者属于此种情况。 氮的负平衡，即摄入氮<排出氮，反映体内蛋白质合成小于分解，见于饥饿、严重烧伤、消耗性疾病 或长期营养不良等。 当正常成人食用不含蛋白质的膳食约8天后，每日排出的氯量逐渐趋于恒定，此时每千克体重每日 排出的氮氨量约为53mg,故一位60kg体重的成人每日蛋白质的最低分解量约为20g。由于食物蛋白质和 人体蛋白质中氨基酸组成的差异，不可能全部被利用，为维持氮的总平衡，成人每日蛋白质的最低生理 需要量为30-50g。为了长期保持氮的总平衡，我国营养学会推荐成人每日的蛋白质需要量为80g。 三、蛋白质的营养价值 营养学上把机体需要而又不能自身合成，必须由食物提供的氨基酸称为营养必需氨基酸 (amino acid)。人体内营养必需氨基酸有8种，它们是：缬氨酸，异亮氨酸、亮氨酸 苯丙氨酸、甲硫氨酸、色氨酸、苏氨酸、赖氨酸。其余12种氨基酸可以在人体内合成，称为营养非必需氨 基酸(nutritionally non-essential amino acid)。其中，组氨酸和精氨酸虽然能在人体内合成但合成量较 少，需要从食物中补充，也有人将其归为营养必需氨基酸。合成酪氨酸需要消耗苯丙氨酸，合成半胱 酸需要消耗甲硫氨酸，酪氨酸和半胱氨酸通过消耗营养必需氨基酸而间接依赖食物供给。如果膳食中 提供了足够的酪氨酸和半胱氨酸，则人体对苯丙氨酸和甲硫氨酸的需要可分别减少50%和30%。 183
蛋白质的营养价值(nutrition value)是指食物蛋白质在体内的利用率，其高低主要取决于食物蛋白 质中营养必需氨基酸的种类、数量和比例。一般来说，含营养必需氨基酸种类多、数量足的蛋白质营养 价值高，反之则营养价值低。 将几种营养价值较低的蛋白质混合食用，彼此间营养必需氨基酸可以得到互相补充，从而提高蛋白 质的营养价值，这种作用称为食物蛋白质的互补作用(complementary action)。例如，谷类蛋白质含赖氨 酸较少而含色氨酸较多，豆类蛋白质含赖氨酸较多而含色氨酸较少，两者混合食用即可提高营养价值。 某些疾病情况下，为了保证患者氨基酸的需要，可进行混合氨基酸输液 第二节体内氨基酸的来源 一、食物蛋白质的消化、吸收及腐败作用 (一)食物蛋白质的消化 食物蛋白质的消化、吸收是体内氨基酸的主要来源。同时，消化过程还可消除食物蛋白质的抗原 性，避免引起过敏反应和毒性反应。食物蛋白质需经消化道中一系列酶促反应，分解为小肽和氨基酸才 能被吸收。口腔的唾液中没有水解蛋白质的酶，食物蛋白质的消化自胃开始，而主要的消化过程是在小 肠进行。 胃肠道中的蛋白水解酶根据对蛋白质水解的部位可分为内肽酶和外肽酶。内肽酶特异地水解肽链 内部的肽键；外肽酶则特异地水解肽链末端的肽键，自肽链N-末端（称氨基肽酶）或C-末端（称羧基肽 酶)的氨基酸开始水解肽链，每次水解掉一个氨基酸残基（图7）。这些蛋白水解酶对不同氨基酸组成 的肽键具有一定的专一性（表71）。 氨基肽酶 H -NH-CH-COO 氮基 H-GH一CO0E R 氨基酸 图71蛋白水解作用示意图 表71蛋白水解作用的专一性 蛋白水解酶 专一性 内肽酶 胃蛋白酶 R,=Tp,Phe、Tyr、Ala,Met,Lcu 凡=任何氨基酸残基 胰蛋白酶 R,=Arg、Lys R=任何氨基酸残基 糜蛋白酶 R=Phie,Tr、Tp R,=任何氨基酸残基 184
年七康复基程代世 续表 蛋白水解酶 专一性 弹性蛋白酶 R,=胎防族氨基酸残基 凡，=任何氨基酸残基 外肽酶 羧基肽酶A 民=任何氨基酸残基 R,=除Arg,Lys,Pm外任何氨基酸残基 发基肽酶B R=任何氨基酸残基 R4=Arg、Lys 氨基肽酶 R,=任何氨基酸残基 R=除Pm外任何氨基酸残基 1.胃中的消化食物蛋白质进入胃后，经胃蛋白酶作用水解生成多肽和少量氨基酸。胃黏膜主细 胞合成分泌胃蛋白酶原，经胃酸激活或胃蛋白酶自身激活，去除N末端42个氨基酸残基后转变成有活 性的胃蛋白酶。胃蛋白酶的最适pH为1.5~2.5。酸性胃液可使蛋白质变性，有利于蛋白质的水解 胃蛋白酶对肽键的特异性较低，主要水解由芳香族氨基酸、亮氨酸或甲硫氨酸残基等所形成的肽键。胃 蛋白酶还具有凝乳作用，可使乳汁中的酪蛋白与C“形成凝乳块，使乳汁在胃中的停留时间延长，有利 于乳汁中蛋白质的消化。 2.小肠中的消化食物在胃中的停留时间较短，因此食物蛋白质在胃中的消化是不完全的。小肠 是食物蛋白质消化的主要部位。胃中消化不完全及未被消化的蛋白质进入小肠，由胰腺及肠黏膜细胞 分泌的多种蛋白水解酶和肽酶协同作用，进一步水解成小肽和氨基酸。 (1)胰液蛋白酶及其作用：进入小肠的蛋白质消化主要靠胰液中的胰酶完成，这些酶最适pH为 7.0左右，包括胰蛋白酶、糜蛋白酶、弹性蛋白酶及羧基肽酶A和羧基肽酶B。蛋白质在胰液蛋白酶作 用下最终产物为氨基酸和一些寡肽。 胰腺细胞最初分泌的各种蛋白酶和肽酶都是以酶原的形式分泌到十二指肠，之后被肠激酶激活 肠激酶也是一种蛋白水解酶，由十二指肠黏膜细胞分泌，特异地作用于胰蛋白酶原，从其八末端水解掉 1分子六肽，生成有活性的胰蛋白酶。胰蛋白酶的自身激活作用较弱，但能迅速激活糜蛋白酶原、弹性 蛋白酶原及羧基肽酶原（图72）。由于胰液中各种蛋白酶均以酶原的形式存在，同时胰液中还存在胰 蛋白酶抑制剂，议样能保护胰腺组织免受蛋白酶的自身谐化 胰蛋白牌原 一肠激阿 一胰蛋白酶 弹性蛋白晚原。己 ·弹性蛋白酶 图72胰酶的激活过程 (2)小肠黏膜细胞寡肽酶的作用：蛋白质经胃液和胰液中各种酶消化，产物仅1/3为氨基酸，2/3 为寡肽。寡肽的水解主要在小肠黏膜细胞内进行。小肠黏膜细胞存在着两种寡肽酶：氨基肽酶和二肽 酶。氨基肽酶从氨基末端逐个水解出氨基酸，剩下的二肽再经二肽酶水解，最终水解成氨基酸。 食物蛋白质在胃和小肠中各种酶的协同作用下，消化效率很高，95%的食物蛋白质可被完全水解成 氨基酸和少量的二肽和三肽，直接被机体吸收。 (二)氨基酸的转运吸收 氨基酸的吸收主要在小肠进行。食物蛋白质消化水解生成的氨基酸和小肽，通过主动转运机制被 185
第二篇物质代谢及其调节 吸收。转运的方式主要有以下两种方式： 1,转运蛋白已知体内至少有七种转运蛋白参与氨基酸和小肽（主要是二肽、三肽）的转运。这些 转运蛋白包括中性氨基酸转运蛋白、碱性氨基酸转运蛋白、酸性氨基酸转运蛋白、亚氨基酸转运蛋白、B 氨基酸转运蛋白、二肽转运蛋白及三肽转运蛋白。这些转运蛋白能与氨基酸或小肽和N结合形成 联体复合物，将氨基酸或小肽和Na'同向转运人细胞内，N阳'则借钠泵排出细胞外，并消耗ATP 某些氨基酸由于在结构上有一定的相似性，它们共用同一种转运载体，在吸收过程中彼此竞争。转 运蛋白吸收氨基酸的方式不仅存在于小肠黏膜细胞，还存在于肾小管细胞、肌细胞等的细胞膜上。小肽 转运载体主要分布于小肠近端，故肽吸收入细胞甚至先于游离氨基酸。 2.v-谷氨酰基循环小肠黏膜细跑、肾小管细胞和脑组织吸收氨基酸还可通过γ-谷氨酰基循环 (y-glutamyl cycle)进行。此循环由Meister提出，也称Meister循环。其反应过程是首先通过细胞内谷胱 甘肽的水解，释放出Y谷氨酰基，再从细胞外结合1分子氨基酸转运至胞内，然后再进行谷胱甘肽的合 成，由此构成一个循环（图73） 细胞外 细胞膜 细胞内 COOH COOH HN-C-H 900H NH H 转移酶 氨基酸 一H 0 氨燕酸 谷甘驾酸个 半胱氨酸 人ADP+PR 谷氨酸 AP合成 A ATP Y-谷氨酰半跳氨酸 ADP+Pi 图73Y谷氨酰基循可 催化上述反应的各种酶中，γ谷氨酰基转移酶是关键酶，位于细胞膜上，其余的酶均存在于胞液中 此循环每转运1分子氨基酸需消耗3分子ATP,均用于谷胱甘肽的再合成。Y谷氨酰基循环对不同种 类氨基酸的转运活性有所不同，对谷氨酰胺、半胱氨酸及一些中性氨基酸的转运活性最高，而对天冬氨 酸、某些支链氨基酸及芳香族氨基酸则活性较差，对脯氨酸完全不起作用。 (三)蛋白质的肠内腐败作用 肠道细菌对肠道中未被消化的蛋白质及未被吸收的氨基酸的分解作用称为腐败作用 (putrefaction)。实际上，腐败作用是肠道细菌本身的代谢过程，以无氧分解为主。腐做作用的产物大多 数对机体有害，如胺、氨、酚、吲噪及硫化氢等，但也有小部分产物对人体具有一定的营养作用，如脂肪酸 及维生素等。 1.胺类物质的生成未被消化的蛋白质经肠道细菌蛋白酶的作用水解生成氨基酸，氨基酸再在细 菌氨基酸脱羧酶作用下脱去羧基生成胺类(amines)。例如，组氨酸，赖氨酸、色氨酸、酪氨酸及苯丙氨酸 脱羧基分别生成相应的组胺、尸胺、色胺、酪胺及苯乙胺。这些衡败产物大多有毒，例如组胺和尸胺有降 低血压的作用，酪胺有升高血压的作用。这些有毒物质通常经肝的生物转化作用转化为无毒形式排出 体外。酪胺和苯乙胺若不能在肝中及时转化，则易进入脑组织，分别经B羟化酶作用生成B-多巴胺（羟 酪胺)和苯乙醇胺。由于它们的分子结构与脑内的神经递质儿茶酚胺相似，故称假神经递质(false neu rotransmitter）。假神经递质增多时，可竞争性干扰脑内儿茶酚胺的合成及作用，阻碍神经冲动传递，引起 186