氨基酸代谢 蛋白质降解产生的氨基酸能通过氧化产生能量供机体需要

氨基酸代谢　 蛋白质降解产生的氨基酸能通过氧化产生能量供机体需要，例如食肉动物所需能量的90％来自氨基酸氧化供给；食草动物依赖氨基酸氧化供能所占比例很小；大多数微生物可以利用氨基酸氧化供能；光合植物则很少利用氨基酸供能，却能按合成蛋白质、核酸和其他含氮化合物的需求合成氨基酸。 大多数生物氨基酸分解代谢方式非常相似，而氨基酸合成代谢途径则有所不同。例如，成年人体不能合成苏氨酸、赖氨酸、甲硫氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸等八种必需氨基酸，婴幼儿时期能合成组氨酸和精氨酸，但合成数量不能满足要求，仍需由食物提供，昆虫不能合成甘氨酸。人和动物，当食物缺少蛋白质或处于饥饿状态或患消耗性疾病时，体内组织蛋白质的分解即刻增强。这说明人和动物要不断地从食物中摄取蛋白质，才能使体内原有蛋白质得到不断更新，但食物中的蛋白质首先要分解成氨基酸才能被机体组织利用。本章只讨论蛋白质的酶促降解，组织内氨基酸的分解代谢和氨基酸合成代谢概况，而蛋白质的生物合成在本书第十三章讨论。 一、蛋白质的酶促降解 膳食给人体提供各类蛋白质，在胃肠道内，通过各种酶的联合作用分解成氨基酸。蛋白质在胃肠道内消化过程简述如下： 食物蛋白质经口腔加温，进入胃后，胃粘膜分泌胃泌素，刺激胃腺的腔壁细胞分泌盐酸和主细胞分泌胃蛋白酶原。无活性的胃蛋白酶原经激活转变成胃蛋白酶。胃蛋白酶将食物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。pH达7.0左右。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。 胃肠道几乎能把大多数动物性食物的球状蛋白完全水解，一些纤维状蛋白，例如角蛋白只能部分水解。植物性蛋白质，如谷类种籽蛋白，因为这些蛋白质往往被纤维素包裹着，胃肠道不能完全将它消化。 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-谷氨酰环化转移酶、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，要消耗3mol 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-谷氨酰循环对脯氨酸无转运活性。 动物组织中有各种组织蛋白酶，这类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，例如正在生长的儿童组织细胞中的蛋白质的合成大于分解，但饥饿者或患消耗性疾病的病人的蛋白质的分解就显著地加强。动物死后，组织蛋白酶可使组织自溶。尸体的腐烂显然与此酶有关。 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，胚则利用来重新合成蛋白质，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。 就高等动物来说，外界食物蛋白质经消化吸收的氨基酸和体内合成及组织蛋白质经降解的氨基酸，共同组成体内氨基酸代谢库。氨基酸代谢库中的氨基酸大部分用以合成蛋白质，一部分可以作为能源，体内有一些非蛋白质的含氮化合物也是以某些氨基酸作为合成的原料。图10-1为体内氨基酸代谢概况： 二、氨基酸的一般代谢 天然氨基酸分子都含有α-氨基和羧基，因此，各种氨基酸都有其共同的代谢途径。但是由于不同氨基酸的侧链基团不同，因此个别氨基酸还有其特殊的代谢途径。本教材除着重介绍共同的代谢途径外，个别氨基酸代谢途径就不作详细讨论，只作概括性阐述。 氨基酸的共同代谢包括脱氨基作用和脱羧基作用两个方面。 其中以脱氨基作用为主要代谢途径。下面先介绍氨基酸的脱氨基作用和脱羧基作用，然后再分别介绍氨基酸分解产物的代谢。 (一)脱氨基作用 氨基酸的脱氨基作用主要有氧化脱氨基作用、转氨基作用以及移换脱氨基作用。现分述如下： 1．氧化脱氨基作用 α-氨基酸在酶的催化下氧化生成α-酮酸，此时消耗氧并产生氨，此过程称氧化脱氨基作用。反应式如下： 动物组织中氧化脱氨基作用的实验根据有：(1)若用α-氨基酸溶液灌注肝脏，流出肝脏的灌注液含有少量的α-酮酸。(2)Krebs运用组织切片法，分别将大鼠体内各种组织的切片与α-氨基酸在生理条件下保温1～2小时，将溶液中蛋白质除去，利用酮酸能与2，4-二硝基苯肼作用生成苯腙的特性来检定α-酮酸的生成。结果证明肝脏和肾脏均能将α-氨基酸氧化生成α-酮酸。(3)Krebs用肾脏提取液证明氧化脱氨基作用的定量关系，如10-1。 根据上表所列实验结果，氨基酸脱氨基时，每消耗一分子氧，产生氨及α-酮酸各约二分子，即氧∶氨∶α-酮酸=1∶2∶2，此比例与上述氧化脱氨基反应式的定量关系相符合。实际上，上述反应分两步进行，第一步是脱氢，氨基酸经酶催化脱氢生成α-亚氨基酸，第二步是加水和脱氨，α-亚氨基酸不需酶参加，水解生成α-酮酸及氨。 催化氨基酸氧化脱氨基作用的酶有L-氨基酸氧化酶、D-氨基酸氧化酶和L-谷氨酸脱氢酶等。真核生物的L-谷氨酸脱氢酶大部分分布在线粒体基质内。 L-氨基酸氧化酶催化L-氨基酸氧化脱氨，D-氨基酸氧化酶催化D-氨基酸氧化脱氨。L-氨基酸氧化酶和D-氨基酸氧化酶都是一类黄素蛋白酶，前者辅基为FMN或FAD，后者的辅基为FAD。这类黄素蛋白酶能催化氨基酸脱氨脱氢，脱下的氢由辅基FMN或FAD携带并转交到氧分子上形成过氧化氢，再由细胞内过氧化氢酶分解为水和氧。但是由于L-氨基酸氧化酶在体内分布不普遍，其最适pH为10左右，在正常生理条件下活力低，所以该酶在L-氨基酸氧化脱氨反应中并不起主要作用。D-氨基酸氧化酶在体内分布虽广，活力也强，但体内D-氨基酸不多，因此这个酶的作用也不大。 L-谷氨酸脱氢酶的辅酶为NAD+或NADP+，能催化L-谷氨酸氧化脱氨基，生成α-酮戊二酸及氨。L-谷氨酸脱氢酶是一种别构酶，ATP、GTP、NADH是别构抑制剂、ADP、GDP是别构激活剂。当ATP、GTP不足时，谷氨酸氧化脱氨作用便加速、从而调节氨基酸氧化分解供给机体所需能量。此酶在动植物、微生物中普遍存在，而且活性很强，特别在肝及肾组织中活力更强，它的最适pH在中性附近，其所催化的反应如下： 上述反应可以全部逆转，即在氨、α-酮戊二酸以及NADH或NADPH存在下，L-谷氨酸脱氢酶可催化合成L-谷氨酸。从L-谷氨酸脱氢酶所催化的反应平衡常数偏向于L-谷氨酸的合成看，此酶主要是催化谷氨酸的合成，但是在L-谷氨酸脱氢酶催化谷氨酸产生的NH3在体内被迅速处理的情况下，反应又可以趋向于脱氨基作用，特别在L-谷氨酸脱氢酶和转氨酶(见下面)联合作用时，几乎所有氨基酸都可以脱去氨基，因此L-谷氨酸脱氢酶在氨基酸的代谢上占有重要地位。 氧化脱氨基作用，尚有甘氨酸氧化酶，产物为NH3和乙醛酸，D-天冬氨酸氧化酶，产物为NH3与草酰乙酸，它的辅基为FAD。 2．转氨基作用 一种α-氨基酸的氨基可以转移到α-酮酸上，从而生成相应的一分子α-酮酸和一分子α-氨基酸，这种作用称转氨基作用，也称氨基移换作用。催化转氨基反应的酶叫转氨酶，它催化的反应是可逆的，平衡常数接近1.0。转氨基作用的简式如下： 式中，α-氨基酸可以看作是氨基的供体，α-酮酸则是氨基的受体。α-酮酸与α-氨基酸在生物体内可以相互转化，因此转氨基作用一方面是氨基酸分解代谢的开始步骤，另一方面也是非必需氨基酸合成代谢的重要步骤。 由糖代谢所产生的丙酮酸、草酰乙酸及α-酮戊二酸可分别转变为丙氨酸、天冬氨酸及谷氨酸；同时自蛋白质分解代谢而来的丙氨酸、天冬氨酸及谷氨酸也可转变为丙酮酸、草酸乙酸及α-酮戊二酸，参加三羧酸循环，这些相互转变的过程都是通过转氨作用而实现的，从而沟通了糖与蛋白质的代谢。 大多数转氨酶都需要α-酮戊二酸作为氨基的受体，这是很有意义的，这就是意味着许多氨基酸的氨基，通过转氨作用转化为谷氨酸，再经L-谷氨酸脱氢酶的催化导致了氨基酸的氧化分解。 转氨酶的种类很多，在动、植物组织和微生物中分布也广，而且在真核生物细胞胞液和线粒体内都可进行转氨基作用，因此氨基酸的转氨基作用在生物体内是极为普遍的。实验证明，除赖氨酸、苏氨酸外，其余α-氨基酸都可参加转氨基作用，并且各有其特异的转氨酶。但其中以谷丙转氨酶和谷草转氨酶最为重要，前者是催化谷氨酸与丙酮酸之间的转氨作用，后者是催化谷氨酸与草酰乙酸之间的转氨基作用，反应式如下： 在不同动物或人体组织中，这两种转氨酶活力又各不相同，谷草转氨酶(简称GOT)以心脏中活力最大，其次为肝脏。谷丙转氨酶(简称GPT)则以肝脏中活力最大，当肝细胞损伤时，酶就释放到血液内，于是血液内酶的活力明显地增加，早期肝炎患者的酶活力大大高于正常人，因此临床上常以此来推断肝功能的正常与否，有助于肝脏疾病的诊断。 转氨酶的种类虽多，但其辅酶只有一种，即磷酸吡哆醛，它是维生素B6的磷酸酯。磷酸吡哆醛能接受氨基酸分子中的氨基而变成磷酸毗哆胺，同时氨基酸则变成α-酮酸。磷酸吡哆胺再将其氨基转移给另一分子α-酮酸，生成另一种氨基酸，而其本身又变成磷酸吡哆醛，这样看来转氨酶的辅酶磷酸吡哆醛是氨基酸的分解及合成过程中的一种氨基传递体。转氨作用的机制在细节上虽然还没有完全清楚，目前一般认为其中间过程大致如下： 上式中PCHO代表磷酸吡哆醛 3．联合脱氨基作用 生物体内L-氨基酸氧化酶活力不高，而L-谷氨酸脱氢酶的活力很强，转氨酶又普遍存在。但是，单靠转氨酶并不能使氨基酸脱去氨基。因此一般认为L-氨基酸在体内往往不是直接氧化脱去氨基，而是先与α-酮戊二酸经转氨作用变为相当的酮酸及谷氨酸，谷氨酸经谷氨酸脱氢酶作用重新变成α-酮戊二酸，同时放出氨，这种脱氨基作用是转氨基作用和氧化脱氨基作用配合进行的，所以叫联合脱氨基作用。动物体内大部分氨基酸是通过这种方式脱去氨基的，其反应式表示如下： 从上式中可以看到谷氨酸在氨基酸代谢中所处的中心位置。α-酮戊二酸在这一过程中，实际上是一种氨基传递体，α-酮戊二酸可由三羧酸循环中大量产生；同时大部分转氨作用又都有α-酮戊二酸参加，因此推想到体内氨基酸的脱氨基是通过这种方式进行的。事实证明，组织中除L-谷氨酸外其他L-氨基酸的脱氨基作用非常缓慢，如果加入少量α-酸戊二酸，则脱氨作用显著增强，因此曾经认为联合脱氨基作用可能是体内氨基酸脱氨基作用的主要方式，也是合成非必需氨基酸的重要途径。但是70年代初有人提出嘌呤核苷酸循环才是氨基酸脱氨基的主要途径(图10-2)。这是因为L-谷氨酸脱氢酶在肝、肾中虽然含量丰富，活力强，但正如前面已提到，它主要是催化谷氨酸的合成，有资料指出，当在肝脏组织中加入谷氨酸，其中只有10％是经谷氨酸脱氢酶催化，氧化脱去氨基，90％是经转氨基作用转化为天冬氨酸。由此看来，以L-谷氨酸脱氢酶为中心的联合脱氨基作用，似乎不是所有组织细胞的主要脱氨基方式。实验表明，骨骼肌、心肌、肝脏和脑组织主要的脱氨方式是以嘌呤核苷酸循环脱氨基作用为主，例如脑组织的氨有50％来自嘌呤核苷酸循环产生的。另外，根据实验测定的结果，哺乳动物，在骨骼肌中L-谷氨酸脱氢酶的含量很少、而嘌呤核苷酸循环中腺苷酸脱氨酶、腺苷酸琥珀酸合成酶和腺苷酸琥珀酸裂解酶在骨骼肌中含量很丰富。因此认为氨基酸氧化脱氨基是通过嘌呤核苷酸循环进行的。 由图可知氨基酸分子上的α-氨基通过二次转氨基作用形成天冬氨酸。天冬氨酸与次黄苷酸缩合成腺苷酸琥珀酸，然后在腺苷酸琥珀酸裂解酶催化下生成腺苷酸。许多组织中含有腺苷酸脱氨酶催化腺苷酸脱去氨基，重新形成了次黄苷酸，在这里次黄苷酸与α-酮戊二酸相似起了传递氨基的作用，因此嘌呤核苷酸循环的实质也是转氨基和脱氨基联合进行的方式。 4．非氧化脱氨基作用 氨基酸的脱氨基作用，除上述3种方式外，某些氨基酸还可以进行非氧化脱氨基作用。这种脱氨基方式，主要在微生物体内进行。动物体内也有，但并不普遍。非氧化脱氨基作用又可区分为脱水脱氨基、脱硫化氢脱氨基、直接脱氨基和水解脱氨基等4种方式。 (二)脱羧基作用 氨基酸在氨基酸脱羧酶催化下进行脱羧作用，生成二氧化碳和一个伯胺类化合物。这个反应除组氨酸外均需要磷酸吡哆醛作为辅酶。 氨基酸的脱羧作用，在微生物中很普遍，在高等动植物组织内也有此作用，但不是氨基酸代谢的主要方式。 氨基酸脱羧酶的专一性很高，除个别脱羧酶外，一种氨基酸脱羧酶一般只对一种氨基酸起脱羧作用。氨基酸脱羧后形成的胺类中有一些是组成某些维生素或激素的成分，有一些具有特殊的生理作用，例如脑组织中游离的γ-氨基丁酸就是谷氨酸经谷氨酸脱羧酶催化脱羧的产物，它对中枢神经系统的传导有抑制作用。 天冬氨酸脱羧酶促使天冬氨酸脱羧形成β-丙氨酸，它是维生素泛酸的组成成分。 组胺可使血管舒张、降低血压，而酪胺则使血压升高。前者是组氨酸的脱羧产物，后者是酪氨酸的脱羧产物。 如果体内生成大量胺类，能引起神经或心血管等系统的功能紊乱，但体内的胺氧化酶能催化胺类氧化成醛，继而醛氧化成脂肪酸，再分解成二氧化碳和水。 RCH2NH2+ O2+ H2O→RCHO+ H2O2+ NH3 脱羧酶的作用机制如下： 上式中PCHO代表磷酸吡哆醛。 (三)氨基酸分解产物的代谢 氨基酸经脱氨作用生成氨及α-酮酸。氨基酸经脱羧作用产生二氧化碳及胺。胺可随尿直接排出，也可在酶的催化下，转变为其他物质，已在上节中介绍。二氧化碳可以由肺呼出。而氨和α-酮酸等则必须进一步参加其他代谢过程，才能转变为可被排出的物质或合成体内有用的物质。 氨在pH 7.4时主要以NH4+的形式存在。氨是有毒物质，在兔体内，当血液中氨的含量达到5mg/100mL时，兔即死亡。高等动物的脑组织对氨相当敏感，血液中含1％氨便能引起中枢神经系统中毒。人类氨中毒后引起语言紊乱、视力模糊，出现一种特殊的震颤，甚至昏迷或死亡。氨中毒的机理一般认为高浓度的氨与三羧酸循环中间物——α-酮戊二酸结合成L-谷氨酸，使大脑中的α-酮戊二酸大量减少，导致三羧酸循环无法正常运转，ATP生成受到严重阻碍，从而引起脑功能受损。由此可见，动物体内氨基酸氧化脱氨基作用产生的氨不能大量积累，必须向体外排泄，但各种动物排泄氨的方式则各不相同。在进化过程中，由于外界生活环境的改变，各种动物在解除氨毒的机制上就有所不同。水生动物体内及体外水的供应都极充足，其脱氨作用所产生的氨可随水直接排出体外，因为氨可以由大量的水稀释而不致发生不良影响，所以水生动物主要是排氨的，也有使部分氨转变成氧化三甲胺再排泄的。鸟类及生活在比较干燥环境中的爬虫类，由于水的供应困难，所产生的氨不能直接排出，即变成溶解度较小的尿酸，再被排出体外，所以鸟类及某些爬虫类动物都是主要排尿酸的。两栖类是排尿素的。人和哺乳类动物虽然在陆地上生活，但其体内水的供应不太欠缺，故所产生的氨主要是变为溶解度较大的尿素，再被排出，所以哺乳动物几乎都是排尿素的。这些事实都证明环境条件可以影响生物的物质代谢。 1．氨的代谢转变 (1)尿素的合成 ①尿素的合成部位 肝脏是生成尿素的主要器官。正常动物若增加膳食中蛋白质，则血中氨基酸浓度上升，尿中尿素增加。若切除动物的肝脏，则血及尿中的尿素含量降低。若以氨基酸溶液注射或饲养切除肝脏的动物，则大部分氨基酸存积血中，一部分随尿排出体外；也有一小部分脱去氨基而变成α-酮酸及氨，血氨因之增多。若将动物的肾脏切除，则尿素不能排出，血中尿素因之升高。若将肝脏及肾脏同时切除，则血中尿素的含量可以维持恒定。急性黄色肝萎缩患者的血及尿中几乎不含尿素，而含有未经脱去氨基的完整氨基酸。这些实验证明肝脏是合成尿素的主要器官。 ②尿素的生成机制和鸟氨酸循环 利用肝脏切片在有氧环境下与铵盐混合，保温数小时后，发现铵盐的含量减少，同时尿素出现。用同法如加入氨基酸保温，则氨基酸脱氨基所产生的氨也大致全量地合成尿素，若加入少量的鸟氨酸或瓜氨酸，则尿素形成的速度及生成量都大大地增加。若无铵盐，则鸟氨酸或瓜氨酸都不能单独增加尿素的产量。这表示，在合成尿素时，鸟氨酸或瓜氨酸都有促进作用。此外，还发现在排尿素的哺乳动物的肝中含有精氨酸酶，这个酶可以催化精氨酸分解为尿素和鸟氨酸。此反应如下： 后来用同位素15N的铵盐饲养排尿素的动物，发现随尿排出的尿素分子上含有15N，数日后将动物杀死，并由其尸体中提取精氨酸，发现精氨酸的胍基上含有15N，再用碱性溶液水解精氨酸产生含15N的尿素和不含15N的鸟氨酸，这就进一步说明氨是合成尿素的前体。 根据上述实验结果，说明尿素的合成不是一步完成，而是通过鸟氨酸循环的过程形成的。此循环可分成三个阶段：第一阶段为鸟氨酸与二氧化碳和氨作用，合成瓜氨酸。第二阶段为瓜氨酸与氨作用，合成精氨酸。第三阶段精氨酸被肝脏中精氨酸酶水解产生尿素和重新放出鸟氨酸。反应从鸟氨酸开始，结果又重新产生鸟氨酸。实际上这些反应形成一个循环，称鸟氨酸循环(又称尿素循环)，用图10-3表示。 在上述循环中，二分子NH3和一分子CO2结合成一分子尿素及一分子H2O。鸟氨酸、瓜氨酸及精氨酸只是这个循环中的催化剂。 ③鸟氨酸循环的中间步骤 根据近年来的研究，鸟氨酸循环的中间步骤可能极为复杂，现将中间步骤分述如下： 1)从鸟氨酸合成瓜氨酸 在这一过程中需要一分子NH3和一分子CO2。NH3来源于谷氨酸的氧化脱氨作用，而CO2是糖的代谢产物，二者在ATP存在下首先合成氨甲酰磷酸，催化此反应的酶为氨甲酰磷酸合成酶，并有N-乙酰谷氨酸作为别构激活剂参加反应。 然后氨甲酰磷酸在鸟氨酸氨甲酰移换酶催化下，将氨甲酰基转移给鸟氨酸形成瓜氨酸。 2)从瓜氨酸合成精氨酸 瓜氨酸在ATP与Mg2+的存在下，通过精氨琥珀酸合成酶的催化与天冬氨酸缩合为精氨琥珀酸，同时产生AMP及焦磷酸。天冬氨酸在此作为氨基的供体。 精氨琥珀酸通过精氨琥珀酸裂合酶的催化形成精氨酸和延胡索酸。延胡索酸经三羧酸循环变为草酰乙酸。草酰乙酸与谷氨酸进行转氨作用又可变回天冬氨酸。 3)精氨酸水解生成尿素 精氨酸在精氨酸酶的催化下水解产生尿素和鸟氨酸。此酶的专一性很高，只对L-精氨酸有作用，存在于排尿素动物的肝脏中。 鸟氨酸循环将氨转化成尿素，每生成1mol尿素要消耗3mol ATP。 鸟氨酸循环中，天冬氨酸与瓜氨酸反应生成精氨琥珀酸后，经裂解生成精氨酸和延胡索酸。延胡索酸转化成草酰乙酸，经转氨作用生成天冬氨酸，再进入鸟氨酸循环，周而复始地运转，因此鸟氨酸循环与三羧酸循环关系非常密切。通过这一循环不但消除氨毒，还消耗了一部分体内不需要的CO2。 尿素是哺乳动物的蛋白质代谢的最终产物。尿素氮占尿中排出的总氮量的90％，在蛋白质营养不足时，可降低至40％～50％。 (2)酰胺的合成 氨基酸脱氨作用所产生的氨除了形成含氮物如尿素排出体外，还可以酰胺的形式储藏于体内。如谷氨酰胺和天冬酰胺不仅是合成蛋白质的原料，而且也是体内解除氨毒的重要方式。存在于脑、肝脏及肌肉等细胞组织中的谷氨酰胺合成酶，能催化谷氨酸与氨作用合成谷氨酰胺，此反应需要ATP参加。 然后谷氨酰胺通过血液循环运送到肾脏，经谷氨酰胺酶作用分解成谷氨酸及NH3，此NH3是尿氨的主要来源，占尿中氨总量的60％。 氨在天冬酰胺合成酶的催化下也可与天冬氨酸反应生成天冬酰胺，它大量存在于植物体内，是植物体中储氨的重要机构，当需要时，天冬酰胺分子内的氨基又可通过天冬酰胺酶的作用分解出来，供合成氨基酸之用。 天冬酰胺在动物体内也有所发现，但它在动物体内的作用是不重要的。 (3)嘧啶环的合成(详见核酸代谢章) 上面谈到鸟氨酸循环的氨甲酰磷酸是由NH3和CO2在ATP供能条件下经氨甲酰磷酸合成酶催化合成的。这种酶分布在线粒体内，又称氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ。它是别构酶，N-乙酰谷氨酸为正别构剂。它利用转氨基作用和L-谷氨酸脱氢酶的催化作用，谷氨酸氧化产生的氨作为氮源。氨甲酰磷酸合成酶Ⅱ，分布于胞浆，一般存在于生长迅速的组织细胞内，包括肿瘤细胞中。它利用谷氨酰胺作为氮源，不需要N-乙酰谷氨酸参加就可催化合成氨甲酰磷酸。生成的氨甲酰磷酸再与天冬氨酸缩合成氨甲酰天冬氨酸，然后经环化，形成二氢乳清酸，最后合成尿苷酸。所以，氨基酸脱下的氨经谷氨酰胺就可转化成嘧啶类化合物，这是氨的去路之一。 2．α-酮酸的代谢转变 α-氨基酸脱氮后生成的α-酮酸可以再合成为氨基酸；可以转变为糖和脂肪；也可氧化成二氧化碳和水，并放出能量以供体内需要。 (1)再合成氨基酸 体内氨基酸的脱氨作用与α-酮酸的还原氨基化作用可以看作一对可逆反应，并处于动态平衡中。当体内氨基酸过剩时，脱氨作用相应地加强，相反，在需要氨基酸时，氨基化作用又会加强，从而合成某些氨基酸。 糖代谢的中间产物α-酮戊二酸与氨的作用产生谷氨酸就是还原氨基化过程，也就是谷氨酸氧化脱氨基的逆反应，此反应是由L-谷氨酸脱氢酶催化，以还原辅酶为氢供体。动物体内谷氨酸脱氢酶的还原辅酶为NADH+H+或NADPH+H+ 而在植物体内为NADPH+ H+。 用N15标记的NH3的实验证明，植物细胞质中最初接受氮素的碳骨架主要是α-酮戊二酸，因此谷氨酸是氮素同化早期阶段含N15最多的化合物。 上述反应是多数有机体直接利用NH3合成谷氨酸的主要途径，不仅如此，而且该反应在其他所有氨基酸的合成中，都有重要意义，因为谷氨酸的氨基可以转到任何一种。α-酮酸上，从而形成各种相应的氨基酸。例如谷氨酸与丙酮酸和草酰乙酸通过转氨基作用分别合成丙氨酸和天冬氨酸。 (2)转变成糖及脂肪 当体内不需要将α-酮酸再合成氨基酸，并且体内的能量供给又极充足时，α-酮酸可以转变为糖及脂肪，这已为动物实验所证明。例如，用氨基酸饲养患人工糖尿病的犬，大多数氨基酸可使尿中葡萄糖的含量增加，少数几种可使葡萄糖及酮体的含量同时增加，而亮氨酸只能使酮体的含量增加。在体内可以转变为糖的氨基酸称为生糖氨基酸，按糖代谢途径进行代谢；能转变成酮体的氨基酸称为生酮氨基酸，按脂肪酸代谢途径进行代谢；二者兼有的称为生糖兼生酮氨基酸，部分按糖代谢，部分按脂肪酸代谢途径进行。一般说，生糖氨基酸的分解中间产物大都是糖代谢过程中的丙酮酸、草酸乙酸、α-酮戊二酸，琥珀酰CoA或者与这几种物质有关的化合物。生酮氨基酸的代谢产物为乙酰辅酶A或乙酰乙酸。现将氨基酸与糖和脂肪的共同中间代谢产物列于表10-2 (3)氧化成二氧化碳和水 脊椎动物体内氨基酸分解代谢过程中，20种氨基酸有着各自的酶系催化氧化分解α-酮酸。途径各异，但它们都集中形成5种中间产物可分别进入三羧酸循环，进一步分解生成CO2和脱出的氢通过呼吸链生成水。这5种中间产物是乙酰CoA、α-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸。氨基酸脱氨基后生成的α-酮酸可氧化生成CO2、H2O和释放出能量用以合成ATP。例如，1mol谷氨酸氧化脱氨基产生1mol NADH，α-酮戊二酸和氨，α-酮戊二酸进入三羧酸循环转变成草酰乙酸，伴随产生2mol NADH，1mol FADH2和1mol ATP；草酰乙酸进一步氧化可产生15mol ATP。总量为27mol ATP。NH3合成尿素，消耗了3mol ATP，故谷氨酸彻底氧化生成H2O、CO2和尿素的同时净合成24mol ATP。 三、氨基酸合成代谢概况 (一)氨基酸合成途径的类型 氨基酸代谢的一般规律在上一节已作介绍，但个别氨基酸的代谢还有其特殊性，而且内容极其繁杂，本教材不能全面详尽讨论。下面将选择重要的予以介绍。个别氨基酸的合成代谢用简图概括(图10-4)，图中标出各氨基酸的来源以及相互间的关系。某些氨基酸代谢则围绕一碳单位予以讨论。图10-4为体内氨基酸合成代谢途径，图中只交代了合成氨基酸的碳骨架来源，由氨基酸分解代谢产生的氨基和含氮中间产物往往可用于氨基酸的合成。 不同生物合成氨基酸的能力有所不同。动物不能合成全部20种氨基酸。例如人和大白鼠只能合成10种氨基酸，(其余十种自身无法合成，必须由食物供给。这种必须由食物供给的氨基酸称为必需氨基酸，)它们是赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸、甲硫氨酸、亮氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、精氨酸和组氨酸。后二种(精氨酸和组氨酸)对幼儿来说体内可以合成，但合成的速度不快不能满足需要，但成年以后可满足要求，故也有将这两种氨基酸称为半必需氨基酸的。自身能合成的氨基酸称为非必需氨基酸。植物和绝大多数微生物能合成全部氨基酸。 所有自身能合成的非必需氨基酸都是生糖氨基酸，其原因是这些氨基酸与糖的转变是可逆过程，必需氨基酸中只有少部分是生糖氨基酸(参看表10-2)，这部分氨基酸转变成糖的过程是不可逆的。因此，有机体可以利用糖来合成某些非必需氨基酸，而不能合成全部氨基酸。所有生酮氨基酸都是必需氨基酸，因为这些氨基酸转变成酮体的过程是不可逆的，因此，脂肪很少或不能用来合成氨基酸。 由图10-4可见，不同氨基酸生物合成途径不同，但许多氨基酸生物合成都与机体内的几个主要代谢途径相关。因此，可将氨基酸生物合成相关代谢途径的中间产物，看作氨基酸生物合成的起始物，并以此起始物不同划分为六大类型： 1．酮戊二酸衍生类型 α-酮戊二酸与NH3在L-谷氨酸脱氢酶(辅酶为NADPH)催化下，还原氨基化生成L-谷氨酸；L-谷氨酸与NH3在谷氨酰胺合成酶催化下，消耗ATP而形成谷氨酰胺；L-谷氨酸γ-羧基还原成谷氨酸半醛，然后环化成二氢吡咯-5-羧酸，再由二氢吡咯还原酶作用还原成L-脯氨酸。L-谷氨酸也可在转乙酰基酶催化下生成N-乙酰谷氨酸，再在激酶作用下，消耗ATP后转变成N-乙酰-γ-谷氨酰磷酸，然后在还原酶催化下由NADP提供氢而还原成N-乙酰谷氨酸γ-半醛。最后经转氨酶作用，谷氨酸提供α-氨基而生成N-乙酰鸟氨酸，经去乙酰基后转变成鸟氨酸。通过鸟氨酸循环而生成精氨酸。 由上所述，α-酮戊二酸衍生型可合成谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸和精氨酸等非必需氨基酸。 2．草酰乙酸衍生类型 在谷-草转氨酶催化下，草酰乙酸与谷氨酸反应生成L-天冬氨酸；天冬氨酸经天冬酰胺合成酶催化，在有谷氨酰胺和ATP参与下，从谷氨酰胺上获取酰胺基而形成L-天冬酰胺；细菌和植物还可以由L-天冬氨酸为起始物合成赖氨酸或转变成甲硫氨酸。另外，L-天冬氨酸为起始物合成L-高丝氨酸，再转变成苏氨酸(苏氨酸合成酶催化)。L-天冬氨酸与丙酮酸作用进而合成异亮氨酸。 由此可见，草酰乙酸衍生型可合成L-天冬氨酸、天冬酰胺、赖氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸。 3．丙酮酸衍生类型 以丙酮酸为起始物可合成L-丙氨酸，L-缬氨酸和L-亮氨酸。 4．甘油酸-3-磷酸衍生类型 由甘油酸-3-磷酸起始，经酶促可分别合成丝氨酸、甘氨酸和半胱氨酸。 甘油酸-3-磷酸酶促脱氢生成羟基丙酮酸-3-磷酸，经丝氨酸磷酸转氨酶作用，L-谷氨酸提供α-氨基而形成丝氨酸3-磷酸。它在丝氨酸酶磷酸作用下去磷酸生成L-丝氨酸。L-丝氨酸在丝氨酸转羟甲基酶作用下，脱去羟甲基后生成甘氨酸。 大多数植物和微生物可以把乙酰CoA的乙酰基转给丝氨酸而生成O-乙酰丝氨酸。反应由丝氨酸转乙酰基酶催化。O-乙酰丝氨酸经硫氢基化而生成L-半胱氨酸和乙酸。 5．赤藓糖4-磷酸和烯醇丙酮酸磷酸衍生类型 芳香族氨基酸中苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸可由赤藓糖-4-磷酸为起始物在有烯醇丙酮酸磷酸条件下酶促合成分支酸，再经氨基苯甲酸合成酶作用可转变成邻氨基苯甲酸，最后生成色氨酸；分支酸还可以转变成预苯酸，在预苯酸脱氢酶作用下生成对羟基丙酮酸，最后生成酪氨酸；在预苯酸脱水酶作用下预苯酸转变成苯丙酮酸，最后形成苯丙氨酸。 6．组氨酸生物合成 组氨酸酶促生物合成途径非常复杂。它由磷酸核糖焦磷酸开始，首先把核糖-5-磷酸部分连接到ATP分子中的嘌呤环的第1号氮原子上生成N-糖苷键相连的中间物[N-1-(核糖-5＇-磷酸)-ATP」，经过一系列反应最后合成L-组氨酸。由于组氨酸来自ATP分子上的N-C基团，故有人认为它是嘌呤核苷酸代谢的一个分支。图10-5示意出6种衍生类型衍生出有关的氨基酸主要代谢路线。 (二)氨基酸与一碳单位 1．一碳单位概念 生物体内许多物质的代谢和一碳单位有关。在前一章卵磷脂的生物合成中有由S-腺苷甲硫氨酸提供甲基的反应，嘌呤和嘧啶的生物合成过程需要一碳单位参予，那么什么称一碳单位，而一碳单位又是从哪里产生的？所谓一碳单位就是指含有一个碳原子的基团，体内一碳单位有多种形式，现列表于下： 在物质代谢过程中常遇到一碳基团(一碳单位)从一个化合物转移到另一个化合物的分子上去，这种反应需要一碳单位转移酶参加，这一类酶的辅酶为四氢叶酸，它的功能是起着携带一碳基团的作用。 为了便于学习，现将四氢叶酸结构式再次列出如下： 因为有不同形式的一碳单位，因此也就有相应的一碳单位四氢叶酸，其简单结构如下： 2．一碳单位的产生 体内一碳单位是从哪里产生的？下列氨基酸在代谢过程中可以产生。 甘氨酸的分解反应产生N5，N10-亚甲基四氢叶酸、CO2和NH3，催化这一反应的是甘氨酸合成酶。 丝氨酸降解为甘氨酸也产生N5，N10-亚甲基四氢叶酸，反应是可逆的，催化该反应的酶为丝氨酸羟甲基转移酶。 组氨酸降解为谷氨酸的过程中可以形成一碳单位，其降解过程如下： 苏氨酸在体内过剩时可由苏氨酸脱水酶催化降解产生甘氨酸。甘氨酸进而转变成一碳单位。 3．一碳单位和含硫氨基酸的关系 含硫氨基酸有半胱氨酸和甲硫氨酸。高等植物和许多微生物可以利用无机含硫化合物来合成半胱氨酸，后者为合成甲硫氨酸提供硫原子。合成反应如图10-6所示。 但在高等动物体内，情况恰恰相反，甲硫氨酸是必需氨基酸，必需由食物供给，而非必需氨基酸半胱氨酸可以由甲硫氨酸合成，合成步骤如下： 甲硫氨酸是体内重要的甲基化试剂，可以为很多化合物提供甲基，但甲硫氨酸首先要形成其活化形式—S-腺苷甲硫氨酸才能被转甲基酶催化，将甲基转移给许多甲基受体。虽然甲硫氨酸可以为许多甲基化合物提供甲基，但甲硫氨酸的甲基只能由极少数反应供给，主要是N5-甲基四氢叶酸上的甲基转移到高半胱氨酸的分子上。 (三)氨基酸与某些重要生物活性物质的合成 生物体在生命活动中需要一些生物活性物质用来调节代谢和生命活动。有些活性物质可由氨基酸合成。 1．肾上腺素、去甲肾上腺素、多巴及多巴胺的合成 这些活性物质可由酪氨酸衍生而来，它们在神经系统中起重要作用。其合成过程简述如下： 2．牛磺酸的合成 牛磺酸可通过半胱氨酸侧链氧化成半胱氨酸亚磺酸后，进一步氧化成磺基丙氨酸，然后脱羧而成牛磺酸。反应示意如下： 罗纪盛，生物化学简明教程，高等教育出版社 PAGE 19