第七章基酸代谢 第七章氨基酸代谢 氨基酸是构成蛋白质分子的基本单位。蛋白质是生命活动的基础。体内 的大多数蛋白质均不断地进行分解与合成代谢,细胞中不停地利用氨基酸合 成蛋白质和分解蛋白质成为氨基酸。体内的这种转换过程一方面可清除异常 蛋白质,这些异常蛋白质的积聚会损伤细胞。另一方面使酶或调节蛋白的活 性由合成和分解得到调节,进而调节细胞代谢。实际上酶的水平取决于其合 成,同样也由酶的分解来决定。所以,对细胞来说,蛋白质的分解与合成同 样重要 第一节蛋白质的营养作用 、蛋白质的生理功能 1.维持细胞组织的生长、更新和修补 蛋白质参与构成各种细胞组织是蛋白质最重要的功能。膳食中必须提 供足够的质和量的蛋白质,才能维持细胞组织的生长、更新和修补。对于发 育时期的儿童尤为重要。 2.参与多种重要的生理活动 体内具有多种特殊功能的蛋白质,如酶、多肽激素、抗体和某些调节蛋 白等。肌肉收缩、物质的运输、血液凝固等也由蛋白质来实现。此外,氨基 酸代谢过程还产生胺类、神经递质、嘌呤和嘧啶等含氮化合物。蛋白质和氨 基酸的上述功能不能由糖和脂类代替。 3氧化供能 蛋白质分解产生的氨基酸,经脱氨基生成的酮酸可以被进一步氧化分解 每克蛋白质产生17.19kJ(4lkCa)能量,供能是蛋白质的次要生理功能 氨基酸的主要功能是合成蛋白质,也合成多肽及其他含氮的生理活性物质。 除了维生素之外(维生素PP是个例外),体内的各种含氮物质几种都可由氨基酸转 变而成,包括蛋白质、肽类激素、氨基酸衍生物、黑色素、嘌呤碱、嘧啶碱、肌 酸、胺类、辅酶或辅基等。 、蛋白质的需要量和营养价值 (一)氮平衡 食物中的含氮物质绝大部分是蛋白质,蛋白质平均含氮量为16%,可通 过测定食物的含氮量(摄入量)和尿粪中的含氮量(排出量)判断体内蛋白 质的代谢概况。可分为 1.氮的总平衡 摄入氮=排出氮,反应正常成人的蛋白质代谢情况
第七章 氨基酸代谢 ·1· 氨基酸的主要功能是合成蛋白质，也合成多肽及其他含氮的生理活性物质。 除了维生素之外(维生素 PP 是个例外)，体内的各种含氮物质几种都可由氨基酸转 变而成，包括蛋白质、肽类激素、氨基酸衍生物、黑色素、嘌呤碱、嘧啶碱、肌 酸、胺类、辅酶或辅基等。 第七章 氨基酸代谢 氨基酸是构成蛋白质分子的基本单位。蛋白质是生命活动的基础。体内 的大多数蛋白质均不断地进行分解与合成代谢，细胞中不停地利用氨基酸合 成蛋白质和分解蛋白质成为氨基酸。体内的这种转换过程一方面可清除异常 蛋白质，这些异常蛋白质的积聚会损伤细胞。另一方面使酶或调节蛋白的活 性由合成和分解得到调节，进而调节细胞代谢。实际上酶的水平取决于其合 成，同样也由酶的分解来决定。所以，对细胞来说，蛋白质的分解与合成同 样重要。 第一节 蛋白质的营养作用 一、蛋白质的生理功能 1.维持细胞组织的生长、更新和修补 蛋白质参与构成各种细胞组织是蛋白质最重要的功能。膳食中 必须提 供足够的质和量的蛋白质，才能维持细胞组织的生长、更新和修补。对于发 育时期的儿童尤为重要。 2.参与多种重要的生理活动 体内具有多种特殊功能的蛋白质，如酶、多肽激素、抗体和某些调节蛋 白等。肌肉收缩、物质的运输、血液凝固等也由蛋白质来实现。此外，氨基 酸代谢过程还产生胺类、神经递质、嘌呤和嘧啶等含氮化合物。蛋白质和氨 基酸的上述功能不能由糖和脂类代替。 3.氧化供能 蛋白质分解产生的氨基酸，经脱氨基生成的酮酸可以被进一步氧化分解。 每克蛋白质产生 17.19kJ（4.1kCal）能量，供能是蛋白质的次要生理功能。 二、蛋白质的需要量和营养价值 （一）氮平衡 食物中的含氮物质绝大部分是蛋白质，蛋白质平均含氮量为 16%，可通 过测定食物的含氮量（摄入量）和尿粪中的含氮量（排出量）判断体内蛋白 质的代谢概况。可分为： 1. 氮的总平衡 摄入氮=排出氮，反应正常成人的蛋白质代谢情况
第七章基酸代谢 2.氮的正平衡 摄入氮>排出氮,部分摄入的氮用于合成体内蛋白质,见于儿童、孕妇 和恢复期病人。 3.氮的负平衡 摄入氮<排出氮,见于蛋白质供给量不足,如饥饿和消耗性疾病等 (二)生理需要量 正常成人每日分解蛋白质20g,因此每日最低需蛋白质3050g,我国营养 学会推荐蛋白质需要量为80g。 (三)蛋白质的营养价值 蛋白质的营养价值取决于蛋白质含有的氨基酸的种类和数量,特别是 营养必需氨基酸的种类和数量 营养必需氨基酸指体内不能合成,必需由食物供给的氨基酸,包括赖氨 酸、色氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸 另外酪氨酸和半胱氨酸是半必需氨基酸。 2.食物蛋白质的互补作用 营养价值较低的食物蛋白质混合食用,从而提高蛋白质营养价值的作用。 如:谷类蛋白质赖氨酸少,色氨酸多,而豆类蛋白质赖氨酸多,色氨酸少 二者混合食用可提高蛋白质的营养价值。 、蛋白质在胃肠道内消化过程(P302) 蛋白质经摄入后,胃粘膜分泌胃泌素,刺激胃腺分泌盐酸和胃蛋白酶原。 无活性的胃蛋白酶原经激活转变成胃蛋白酶。胃蛋白酶将蛋白质水解成大 不等的多肽片段,随食糜流入小肠,触发小肠分泌胰泌素。胰泌素刺激胰腺 分泌碳酸氢盐进入小肠,中和胃内容物中的盐酸。同时小肠上段的十二指肠 释放出肠促胰酶肽,以刺激胰腺分泌一系列胰酶酶原,其中有胰蛋白酶原 胰凝乳蛋白酶原和羧肽酶原等。在十二指肠内,胰蛋白酶原经小肠细胞分泌 的肠激酶作用,转变成有活性的胰蛋白酶,催化其他胰酶原激活。这些胰酶 将肽片段混合物分别水解成更短的肽。小肠内生成的短肽由羧肽酶从肽的C 端降解,氨肽酶从N端降解,如此经多种酶联合催化,食糜中的蛋白质降解 成氨基酸混合物,再由肠粘膜上皮细胞吸收进入机体。游离氨基酸进入血液 循环输送到肝脏 氨基酸吸收是一种耗能过程。中性、碱性、酸性和脯氨酸等游离氨基酸 各自有其需消耗ATP的专一载体和依赖Na的转运系统。在机体内,氨基酸 进入细胞内尚需别的机制完成,例如大肠。肾脏存在一种称为Y-谷氨酰循环 系统。它利用谷胱甘肽转运一些氨基酸。这一循环有γ-氨酰环化转移酶、5 氧脯氨酸酶、γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶和谷胱甘肽合成酶,在这些酶依次作 用下,将细胞外的氨基酸转入细胞。转运过程中,每转入一个氨基酸,要消
第七章 氨基酸代谢 ·2· 2. 氮的正平衡 摄入氮>排出氮， 部分摄入的氮用于合成体内蛋白质，见于儿童、孕妇 和恢复期病人。 3. 氮的负平衡 摄入氮<排出氮，见于蛋白质供给量不足，如饥饿和消耗性疾病等。 （二）生理需要量 正常成人每日分解蛋白质 20g，因此每日最低需蛋白质 30-50g，我国营养 学会推荐蛋白质需要量为 80g。 （三）蛋白质的营养价值 1. 蛋白质的营养价值取决于蛋白质含有的氨基酸的种类和数量，特别是 营养必需氨基酸的种类和数量。 营养必需氨基酸指体内不能合成，必需由食物供给的氨基酸，包括赖氨 酸、色氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸。 另外酪氨酸和半胱氨酸是半必需氨基酸。 2. 食物蛋白质的互补作用 营养价值较低的食物蛋白质混合食用，从而提高蛋白质营养价值的作用。 如：谷类蛋白质赖氨酸少，色氨酸多，而豆类蛋白质赖氨酸多，色氨酸少。 二者混合食用可提高蛋白质的营养价值。 三、蛋白质在胃肠道内消化过程（P302） 蛋白质经摄入后，胃粘膜分泌胃泌素，刺激胃腺分泌盐酸和胃蛋白酶原。 无活性的胃蛋白酶原经激活转变成胃蛋白酶。胃蛋白酶将蛋白质水解成大小 不等的多肽片段，随食糜流入小肠，触发小肠分泌胰泌素。胰泌素刺激胰腺 分泌碳酸氢盐进入小肠，中和胃内容物中的盐酸。同时小肠上段的十二指肠 释放出肠促胰酶肽，以刺激胰腺分泌一系列胰酶酶原，其中有胰蛋白酶原、 胰凝乳蛋白酶原和羧肽酶原等。在十二指肠内，胰蛋白酶原经小肠细胞分泌 的肠激酶作用，转变成有活性的胰蛋白酶，催化其他胰酶原激活。这些胰酶 将肽片段混合物分别水解成更短的肽。小肠内生成的短肽由羧肽酶从肽的 C 端降解，氨肽酶从 N 端降解，如此经多种酶联合催化，食糜中的蛋白质降解 成氨基酸混合物，再由肠粘膜上皮细胞吸收进入机体。游离氨基酸进入血液 循环输送到肝脏。 氨基酸吸收是一种耗能过程。中性、碱性、酸性和脯氨酸等游离氨基酸 各自有其需消耗 ATP 的专一载体和依赖 Na+的转运系统。在机体内，氨基酸 进入细胞内尚需别的机制完成，例如大肠。肾脏存在一种称为γ-谷氨酰循环 系统。它利用谷胱甘肽转运一些氨基酸。这一循环有γ-氨酰环化转移酶、5- 氧脯氨酸酶、γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶和谷胱甘肽合成酶，在这些酶依次作 用下，将细胞外的氨基酸转入细胞。转运过程中，每转入一个氨基酸，要消
第七章基酸代谢 耗3个ATP。γ-谷氨酰循环对谷氨酰胺、半胱氨酸和其他中性氨基酸转运活 性最大:对天冬氨酸转运活性最小,对亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸等支链氨 基酸和芳香族氨基酸活力也小。γ-谷氨酸循环对脯氨酸无转运活性。 动物组织中有各种组织蛋白酶,也能将细胞自身的蛋白质水解成氨基酸, 但不同于消化道中的蛋白水解酶。正常组织内,蛋白质的分解速度与组织的 生理活动是相适应的 四、高等植物和微生物中的氨基酸 高等植物体中也含有蛋白酶类,种籽及幼苗内都含有活性蛋白酶,叶和 幼芽中也有蛋白酶,某些植物的果实中含有丰富的蛋白酶,如木瓜中的木瓜 蛋白酶、菠萝中的菠萝蛋白酶、无花果中的无花果蛋白酶等都可使蛋白质水 解。植物组织中的蛋白酶,其水解作用以种籽萌芽时为最旺盛。发芽时,胚 乳中贮存的蛋白质在蛋白酶催化下水解成氨基酸,当这些氨基酸运输到胚, 胚则重新合成蛋白质,以组成植物自身的细胞。 微生物也含有蛋白酶,能将蛋白质水解为氨基酸。 下图为体内氨基酸代谢概况: 组织蛋白质 食物蛋白质 (包括酶、蛋白激素等) 消化吸收 合成分解 血液氨基酸 组织氨基酸 排泄 体内基酸代谢库 转化 过剩氨基酸 脱羧基作用脱氨基作用 非蛋白的含氮化合物 嘌呤、嘧啶、胆碱、肌 O. NH, a-酮酸酸、肾上腺素,甲状腺 素等) 尿素其他含氮物糖类_1酮体 CO,+H, O CO2 +HO+ATP 图:氨基酸代谢概况 蛋白质分解代谢首先在酶的催化下水解为氨基酸,而后各氨基酸进行分 解代谢,或转变为其它物质、或参与新的蛋白质的合成。因此氨基酸代谢是 以蛋白质分解代谢为中心内容 第一节氨基酸的一般代谢 食物蛋白经过消化吸收后,以氨基酸的形式通过血液循环运到全身的各 组织。这种来源的氨基酸称为外源性基酸。机体各组织的蛋白质在组织酶的
第七章 氨基酸代谢 ·3· 耗 3 个 ATP。γ-谷氨酰循环对谷氨酰胺、半胱氨酸和其他中性氨基酸转运活 性最大；对天冬氨酸转运活性最小，对亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸等支链氨 基酸和芳香族氨基酸活力也小。γ-谷氨酸循环对脯氨酸无转运活性。 动物组织中有各种组织蛋白酶，也能将细胞自身的蛋白质水解成氨基酸， 但不同于消化道中的蛋白水解酶。正常组织内，蛋白质的分解速度与组织的 生理活动是相适应的。 四、高等植物和微生物中的氨基酸 高等植物体中也含有蛋白酶类，种籽及幼苗内都含有活性蛋白酶，叶和 幼芽中也有蛋白酶，某些植物的果实中含有丰富的蛋白酶，如木瓜中的木瓜 蛋白酶、菠萝中的菠萝蛋白酶、无花果中的无花果蛋白酶等都可使蛋白质水 解。植物组织中的蛋白酶，其水解作用以种籽萌芽时为最旺盛。发芽时，胚 乳中贮存的蛋白质在蛋白酶催化下水解成氨基酸，当这些氨基酸运输到胚， 胚则重新合成蛋白质，以组成植物自身的细胞。 微生物也含有蛋白酶，能将蛋白质水解为氨基酸。 下图为体内氨基酸代谢概况： 图：氨基酸代谢概况 蛋白质分解代谢首先在酶的催化下水解为氨基酸，而后各氨基酸进行分 解代谢，或转变为其它物质、或参与新的蛋白质的合成。因此氨基酸代谢是 以蛋白质分解代谢为中心内容。 第一节 氨基酸的一般代谢 食物蛋白经过消化吸收后，以氨基酸的形式通过血液循环运到全身的各 组织。这种来源的氨基酸称为外源性基酸。机体各组织的蛋白质在组织酶的
第七章基酸代谢 作用下,也不断地分解成为氨基酸;机体还能合成部分氨基酸(非必需氨基酸); 这两种来源的氨基酸称为内源性氨基酸。外源性氨基酸和内源性氨基酸彼此 之间没有区别,共同构成了机体的氨基酸代谢库( metabolic pool)。氨基酸代谢 库实际上包括细胞内液、细胞间液和血液中的氨基酸 从氨基酸的结构上看,除了侧链R基团不同外,均有α-氨基和α-羧基。 氨基酸在体内的分解代谢实际上就是氨基、羧基和R基团的代谢。氨基酸的 降解反应包括脱氨基作用、脱羧作用、羟基化作用等。脱氨基作用是氨基酸 脱氨基生成氨 ammonia)和相应的a-酮酸;脱羧作用是脱羧基生成CO2和胺 0、题氨基作陷一R-C000+NH a開酸 用~R-CH2-NH12+CO2 胺在体内可经胺氧化酶作用,进一拶分解生成氨和相应的醛和酸 氨对人体来说是有毒的物质,氨在体内主要合成尿素排出体外,还可以 合成其它含氮物质(包括非必需氨基酸、谷氨酰胺等),少量的氨可直接经尿排 出。R基团部分生成的酮酸可进一步氧化分解生成CO2和水,并提供能量 也可经一定的代谢反应转变生成糖或脂在体内贮存。由于不同的氨基酸结构 不同,因此它们的代谢也有各自的特点 各组织器官在氨基酸代谢上的作用有所不同,其中以肝脏最为重要。肝 脏蛋白质的更新速度比较快,氨基酸代谢活跃,大部分氨基酸在肝脏进行分 解代谢,同时氨的解毒过程主要也在肝脏进行。分枝氨基酸的分解代谢则主 要在肌肉组织中进行。 、氨基酸的脱氨基作用 脱氨基作用是指氨基酸在酶的催化下脱去氨基生成α-酮酸的过程。这是 氨基酸在体内分解的主要方式。氨基酸的结构不同,脱氨基的方式也不同, 主要有氧化脱氨、转氨、联合脱氨和非氧化脱氨等,以联合脱氨基最为重要 (一)转氨基作用 1.转氨酶与转氨基作用 体内各组织中都有氨基转移酶( aminotransferase)或称转氨酶 ( transaminase)。此酶催化某一氨基酸的α-氨基转移到另一种α-酮酸的酮基 上,生成相应的氨基酸;原来的氨基酸则转变成a-酮酸(a- ketoacid) C-0,转氨酶 Co HC NH COOH COOH COOH 上述反应可逆,平衡常数近于1。因此,转氨基作用( transamination)既 是氨基酸的分解代谢过程,也是体内某些氨基酸(非必需氨基酸)合成的重 要途径。反应的实际方向取决于四种反应物的相对浓度
第七章 氨基酸代谢 ·4· 作用下，也不断地分解成为氨基酸；机体还能合成部分氨基酸(非必需氨基酸)； 这两种来源的氨基酸称为内源性氨基酸。外源性氨基酸和内源性氨基酸彼此 之间没有区别，共同构成了机体的氨基酸代谢库(metabolic pool)。氨基酸代谢 库实际上包括细胞内液、细胞间液和血液中的氨基酸。 从氨基酸的结构上看，除了侧链 R 基团不同外，均有 α-氨基和 α-羧基。 氨基酸在体内的分解代谢实际上就是氨基、羧基和 R 基团的代谢。氨基酸的 降解反应包括脱氨基作用、脱羧作用、羟基化作用等。脱氨基作用是氨基酸 脱氨基生成氨 ammonia)和相应的α-酮酸；脱羧作用是脱羧基生成 CO2 和胺。 胺在体内可经胺氧化酶作用，进一步分解生成氨和相应的醛和酸。 氨对人体来说是有毒的物质，氨在体内主要合成尿素排出体外，还可以 合成其它含氮物质(包括非必需氨基酸、谷氨酰胺等)，少量的氨可直接经尿排 出。R 基团部分生成的酮酸可进一步氧化分解生成 CO2 和水，并提供能量， 也可经一定的代谢反应转变生成糖或脂在体内贮存。由于不同的氨基酸结构 不同，因此它们的代谢也有各自的特点。 各组织器官在氨基酸代谢上的作用有所不同，其中以肝脏最为重要。肝 脏蛋白质的更新速度比较快，氨基酸代谢活跃，大部分氨基酸在肝脏进行分 解代谢，同时氨的解毒过程主要也在肝脏进行。分枝氨基酸的分解代谢则主 要在肌肉组织中进行。 一、氨基酸的脱氨基作用 脱氨基作用是指氨基酸在酶的催化下脱去氨基生成α-酮酸的过程。这是 氨基酸在体内分解的主要方式。氨基酸的结构不同，脱氨基的方式也不同， 主要有氧化脱氨、转氨、联合脱氨和非氧化脱氨等，以联合脱氨基最为重要。 （一）转氨基作用 l．转氨酶与转氨基作用 体 内 各 组 织 中 都 有 氨 基 转 移 酶 （ aminotransferase ） 或 称 转 氨 酶 （transaminase）。此酶催化某一氨基酸的 α-氨基转移到另一种 α-酮酸的酮基 上，生成相应的氨基酸；原来的氨基酸则转变成 α-酮酸（a-ketoacid）。 上述反应可逆，平衡常数近于 1。因此，转氨基作用（transamination）既 是氨基酸的分解代谢过程，也是体内某些氨基酸（非必需氨基酸）合成的重 要途径。反应的实际方向取决于四种反应物的相对浓度
第七章基酸代谢 体内大多数氨基酸可以参与转氨基作用,但赖氨酸、脯氨酸及羟脯氨酸 例外、除了α-氨基外,氨基酸侧链末端的氨基,如鸟氨酸的δ氨基也可通过 转氨基作用而脱去。 体内存在着多种转氨酶。不同氨基酸与a-酮酸之间的转氨基作用只能由 专一的转氨酶催化。在各种转氨酶中,以L-谷氨酸与α-酮酸的转氨酶最为重 要。例如,谷丙转氨酶( glutamic pyruvic transaminase,GPI,又称ALT)和谷 草转氨酶( glutamic oxaloacetic transaminase,COT又称AST).它们在体内广泛 存在,但各组织中含量不等(下表)。 表:正常成人各组织中GOT及GPT活性 GPT 细织 (单位克漫组织)(单位/克漫组(单位克组织)(单位/克漫组织 710族腺280 40400 0 骨骼肌900 4800 000 70 900 1900血请20 谷丙转氨辭 谷氨酸+丙酮酸 竺a-酮戊二酸+丙氨酸 谷氨酸+草酰乙酸 谷草转氨酶 a-酮戊二酸+天冬氨酸 由上表可见,正常时上述转氨酶主要存在于细胞内,而血清中的活性很 低;各组织器官中以心和肝的活性为最高。当某种原因使细胞膜通透性增高 或细胞破坏时,则转氨酶可以大量释放入血,造成血清中转氨酶活性明显升 高。例如,急性肝炎患者血清GPT活性显著升高;心肌梗死患者血清中GOT 明显上升。临床上可以此作为疾病诊断和预后的指标之 2.转氨基作用的机制 转氨酶的辅酶都是维生素B的磷酸酯,即磷酸吡哆醛,它结合于转氨酶 活性中心赖氨酸的ε-氨基卜。在转氨基过程中,磷酸吡哆醛先从氨基酸接受 氨基转变成磷酸吡哆胺,同时氨基酸则转变成α-酮酸。磷酸吡哆胺进一步将 氨基转移给另一种α-酮酸而生成相应的氨基酸,同时磷酸吡哆胺又变回磷酸 吡哆醛。在转氨酶的催化下,磷酸吡哆醛与磷酸吡哆胺的这种相互转变,起 着传递氨基的作用,如下图
第七章 氨基酸代谢 ·5· 体内大多数氨基酸可以参与转氨基作用，但赖氨酸、脯氨酸及羟脯氨酸 例外、除了 α-氨基外，氨基酸侧链末端的氨基，如鸟氨酸的δ-氨基也可通过 转氨基作用而脱去。 体内存在着多种转氨酶。不同氨基酸与 α-酮酸之间的转氨基作用只能由 专一的转氨酶催化。在各种转氨酶中，以 L-谷氨酸与 α-酮酸的转氨酶最为重 要。例如，谷丙转氨酶（glutamic pyruvic transaminase,GPT，又称 ALT）和谷 草转氨酶(glutamic oxaloacetic transaminase,COT,又称 AST)．它们在体内广泛 存在，但各组织中含量不等（下表）。 表： 正常成人各组织中 GOT 及 GPT 活性 由上表可见，正常时上述转氨酶主要存在于细胞内，而血清中的活性很 低；各组织器官中以心和肝的活性为最高。当某种原因使细胞膜通透性增高 或细胞破坏时，则转氨酶可以大量释放入血，造成血清中转氨酶活性明显升 高。例如，急性肝炎患者血清 GPT 活性显著升高；心肌梗死患者血清中 GOT 明显上升。临床上可以此作为疾病诊断和预后的指标之一。 2．转氨基作用的机制 转氨酶的辅酶都是维生素 B6 的磷酸酯，即磷酸吡哆醛，它结合于转氨酶 活性中心赖氨酸的ε-氨基卜。在转氨基过程中，磷酸吡哆醛先从氨基酸接受 氨基转变成磷酸吡哆胺，同时氨基酸则转变成 α-酮酸。磷酸吡哆胺进一步将 氨基转移给另一种 α-酮酸而生成相应的氨基酸，同时磷酸吡哆胺又变回磷酸 吡哆醛。在转氨酶的催化下，磷酸吡哆醛与磷酸吡哆胺的这种相互转变，起 着传递氨基的作用，如下图