《现代营养学原著第八版(已修订)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代营养学原著第八版(已修订)（804页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 5 章 蛋白质与氨基酸Jns Berzelius 创造了 “protein(蛋白质 )”一词。1838 年，荷兰化学家 Geradus J.Mulder 在 “Bulletin des Sciences Physiques et Naturelles en Nerlande”的一篇论文中使用了该词语。目前对于蛋白质与氨基酸营养研究与认识的进展有相关著作予以专门叙述。Munro 归纳了早期推荐的蛋白质膳食摄入量。本意只限于从总体角度有选择性地论述蛋白质与氨基酸代谢及相关营养作用的新进展，着重强调蛋白质和氨基酸与人类营养作用有关的内容。蛋白质代谢和营养的基础 氨基酸的功能蛋白质是细胞、组织中五
2、大类生物大分子之一。其他四类生物大分子是DNA、RNA、多糖和脂类。蛋白质的基本构成单位是氨基酸，氨基酸是蛋白质营养与代谢的基本单位。虽然自然界存在着数百种氨基酸，但只有 20 种左右氨基酸通过同源 rRNA 的转运和随后的 mRNA 密码子的识别而参与蛋白质的合成。对于某些特定的硒蛋白谷胱甘肽过氧化物酶和 2 型碘化酪氨酸-5脱碘酶等，存在着硒半胱氨酸的合成和向这些蛋白质的掺入。这涉及一个复杂的过程，包括丝氨酰-tRNA 转化为硒半胱氨酰-tRNA，然后被密码子 UGA 识别。硒蛋氨酸也存在于机体蛋白质中，但它来源于植物性食物和一些补充剂如酵母等。最后，其他氨基酸，如羟脯氨酸、N-甲基组胺酸
3、也存在于蛋白质中，这些特定氨基酸残基的“翻译” 后修饰可使蛋白质具有特定的结构和功能特点：典型例子是在参与凝血和骨基质沉积的一些蛋白质中，谷氨酸残基的维生素 K 依赖的羧化反应。然而，最常见的 20 种氨基酸和少数其他一些不形成肽链形式的氨基酸，如鸟氨酸、牛磺酸，对于机体氮的节约、人体蛋白质和氨基酸的营养状况，有着更为直接的重要意义。氨基酸除了是合成肽链的底物以外，还具有许多其他功能(其中一些见表 5-1)。对其中许多的功能人们早就已经有了认识，但新近一项重要发现增进了人们对氨基酸促进某些特定蛋白质或球形蛋白质合成机制的了解。现在已经知道，氨基酸，尤其是支链氨基酸亮氨酸，可以影响 mRNA 翻
4、译的启动。这是一个复杂的过程，需要多步反应和十几个真核细胞启动子的参与。其中两步反应受到如下调控：启动子蛋氨酰-tRNA 与核糖体 40S 亚基的结合；以及 mRNA 与 43S 启动前复合物的结合。亮氨酸似乎可以增加 mRNA 帽结合蛋白 eIF4F 的利用率，并通过激活核糖体蛋白 S6 激酶途径调节翻译。口服亮氨酸可激活该激酶，哺乳动物雷伯霉素靶目标(MTOR) 使其磷酸化。然而，主要一点是，亮氨酸或许还有其他的氨基酸，都可以激活信号传递通路，从而改变球形蛋白质和特定蛋白质合成的起始速率。不过，仍需更多的研究以彻底了解在不同细胞中氨基酸诱导改变蛋白质合成及其正常的生理功能的作用机制，越来越
5、多的证据表明，氨基酸可以在转录水平调节蛋白质的合成。由于阵列技术的应用，便得基因组谱筛查成为可能，因而很可能在较短时间内便可获得大量数据，从而更清楚地阐明单独一种氨基酸以及氨基酸结合其他营养素对基因表达、蛋白质产物以及它们少间相互功能作用的调节机制。表 5-1 氨基酸的部分功能功能 例证蛋白质合成的底物 所有的有密码子的氨基酸蛋白质周转的调节因子 亮氨酸、谷氨酰胺酶活性的调节因子 精氨酸和 N-乙酰谷氨酸的合成苯丙氨酸和苯丙氨酸脱水酶的活化信号传导物质的前体 精氨酸、氮氧化合物神经递质 色氨酸、谷氨酸盐离子流动 牛磺酸、谷氨酸盐、羟脯氨酸含氮化合物的前体 核酸、肌酸酐氮的传递物质 谷氮酰胺、丙
6、氨酸翻译调节因子 亮氨酸4E-BP 和 P70(s6k)通过 MTOR 依赖途径口转录调节因子 亮氨酸限制可诱导 CHOP 的表达蛋白质的降解速率同样也决定组织器官中蛋白质的含量。蛋白质降解或裂解的总体过程在机体功能中有许多必需的作用，例如，细胞生长、对不同生理条件的适应、清除异常或损坏的蛋白质、维持免疫系统的正常功能。所有细胞内蛋白质均可通过多种途径降解(图 5-1)，细胞内蛋白质大多是通过能量依赖的、泛素-蛋白酶体途径降解。在该途径中，蛋白质在含有多个亚基的 20S 蛋白酶体内降解成小分子的肽和氨基酸，该蛋白酶体与一个大的 19S 调节颗粒结合形成 26S 复合物。该蛋白酶体可降解大约 1
7、%的细胞蛋白质。这一强有力的蛋白水解酶系统以一种有序的特有的循环咬-嚼机制有效地裂解肽键。禁食等许多条件可以激活泛素蛋白酶体途径。对全身蛋白质转化的研究显示，进食和增加蛋白质摄入量可以抑制蛋白质的降解，但是目前尚不清楚是哪一些器官和组织在其中起着最大的作用，也尚未测定出氨基酸、碳水化合物及其他产能物质在其中所起作用的相对大小。例如，单独口服氨基酸似乎并未改变股外侧肌中蛋白质的降解速度，而混合膳食可抑制前臂肌的蛋白质降解。因此，至少在肌肉中，可能是由于碳水化合物诱导的胰岛素利用率上升，以至氨基酸得以增强蛋白水解的抑制效应。接下来，胰岛素可能是通过降低泛素-蛋白酶体活性来抑制蛋白质水解。肠道可能是
8、进食引起全身蛋白质降解速度减慢的重要场所。异常蛋白质短寿命正常蛋白质长寿命正常蛋白质内质网蛋白质泛素-蛋白酶体途径细胞外蛋白质表面受体 溶菌酶线粒体蛋白质 线粒体蛋白酶图 5-1 哺乳动物细胞中不同的蛋白质水解途径的底物由于在其他文献中可以见到，此处不再详述氨基酸的诸多其他功能及其机制。需要提及的两点是： 一些氨基酸的功能是复杂多变的，例如，谷氨酰胺的功能(表 5-2)。正如 Reeds 的分析和表 5-3 所示，这些非蛋白原性质的功能与膳食摄入量和需要量有关。一些终末产物的合成途径能够明显影响氨基酸前体的总体利用(如在半胱氨酸、甘氨酸的利用中，肌酸酐的合成和甘氨酸或谷胱甘肽的合成)。从营养学
9、角度，在实现它们作为蛋白质合成底物的过程中(例如神经递质的信号功能和解毒功能)，氨基酸经过转化，部分碳、氨通过分解代谢和尿液分泌而排出体外。因此，为了保持体内有充足的蛋白质和氨基酸，需要摄入足够预先形成的氨基酸以及可利用氨源，以便合成其他氨基酸和产生具有重要生理功能的含氨化合物。表 5-2 谷氨酰胺的功能蛋白质合成的底物(密码子为 CAA，CAG)在肌肉、小肠中参与合成代谢与提供营养(功能因子)调节酸碱平衡(参与肾脏氨的生成)肝尿素生成的底物肝肾糖异生的底物肠上皮细胞的燃料燃料、核酸的前体以及在免疫活性细胞中对细胞毒性产物的生成具有重要性氨的清除剂合成瓜氨酸、精氨酸的底物氮的供体(核苷酸、氨基
10、精、辅酶等)氮的转运(1/3 氮循环)(肌肉、肺 )氨基丁酸的前体(源于谷氨酸)谷氨酸盐的穿梭(中枢神经系统)谷胱甘肽合成的优先底物蛋白质合成调节的渗透信号机制？糖原合成的刺激物L-精氨酸氨氧化物的代谢表 5-3 重要功能性终末产物的合成对成人氨基酸需要的潜在来源(mol/kgd)项目 谷氨酸 甘氨酸 半胱氨酸 精氨酸 蛋氨酸血浆流量 4200 3960 1320 1800 528前体动力学净合成量 358 2730 96 180 168肌酸 - 170 - 170 170牛磺酸 - - 7 - -一氧化氮 - - - 15 -终末产物的合成量谷胱甘肽 550 550 550 - -氨基酸的营
11、养学问题Rose 最先根据对成年男性进行的一系列经典定性氮平衡实验，将氨基酸分为必需氨基酸和非必需氨基酸。目前认为这种分类方法已不再适用。必须经膳食获得的氨基酸有色氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、赖氨酸、苏氨酸、组氨酸，或更为严谨地讲，是前 5 种氨基酸的酮酸衍生物。最后 3 种氨基酸不能通过转氨基获得，必须由膳食供蛤。蛋白质中其他常见氨基酸可以由碳、氨供体合成。- 酮戊二酸、草酰乙酸及丙酮酸转氨基后分别生成谷氨酸、天冬氨酸和丙氨酸，甘氨酸是由丝氨酸通过丝氨酸羟甲基转移酶生成的，丝氨酸则由丙酮酸转化而来，精氨酸、脯氨酸是由谷氨酸和谷氨酰胺生成的。天冬酰胺是由谷氨酸和天冬氨酸生
12、成的。酪氨酸、半胱氨酸分别来源于其必需氨基酸母体苯丙氨酸和蛋氨酸。酪氨酸、半胱氨酸与谷氨酰胺、精氨酸可能还有甘氨酸、脯氨酸一起被称为条件必需氨基酸，因为在特定的生理、病理条件下，它们的合成速度不能满足细胞需要。因此，在研究严重烧伤代谢时发现，保持精氨酸的机体内稳态需要由膳食供给精氨酸；低出生体重儿不能合成足够的半胱氨酸和脯氨酸，可能还包括甘氨酸。最近的研究发现，可能还需要预先形成的 -氨基氮源。此前一直认为，如果必需氨基酸摄入充分，则可能只需要非特异的氨源可能是以一种简单混合物的形式，例如尿素和柠檬酰胺。然而从几方面原因来看，这个说法不足以解释保证机体充足蛋白质营养的需要。首先是关于尿素氮的利
13、用。近来已经开始重视尿素氮在肠腔内水解的潜在重要作用(推测主要由大肠菌群酶活性的作用)和由此释放出来的氮对宿主体内氮稳态的重要作用。但是有学者对这一概念提出质疑，因为在其他研究中发现尿素的产生量随机体蛋白质摄入的增加而增加，二者呈线性相关，尿素水解产生的氮似乎又重新进入尿素合成途径。因此，即使在低蛋白摄入的情况下，仍不清楚尿素氮在多大程度上成为可利用的氮源，此外，正如Waterlow 在文献中很清楚地概括的那样，体内尿素产生的短期和长期的调节机制以及保持体内蛋白质平衡的机制，仍存在着许多不确定性。其次，一些生物可利用空气中的氮来合成氨，植物可利用氨或由硝化菌产生的可溶性硝酸盐(被还原成氨) 。
14、然而，包括人在内的脊椎动物只能以氨基酸形式或其他有机氮化物形式获得氨。谷氨酸、谷氨酰胺为氮从氮循环中进入其他氨基酸提供了一个关键途径，这里有必要简述人体是如何获得这种非特异性氮来保持机体氮平衡的。氨可以通过以下反应进入氨基酸：广泛存在的谷氨酸氨连接酶(谷氨酰胺合成酶)催化的下列反应：谷氨酸+NH 4+ATP谷氨酰胺+ADP+Pi+H +谷氨酸脱氢酶催化的下列反应：-酮戊二酸 +NH4+NADPHL-谷氨酸+NADP+H +然而，由于该反应中 NH+的 Km 值较高(1mmol/L) ，所以在哺乳动物氨的净同化作用不大。同时，由于动物组织内不含有谷氨酸合酶，以致只有当已存在谷氨酸或丙氨酸或天冬氨
15、酸时，才能通过谷氨酰胺合成酶的保留，获得氨基氮的净增加。氨也可通过甘氨酸合酶(甘氨酸裂解反应)掺入甘氨酸。反应如下：CO2+NH4+H+NAD+N5 ,N10-亚甲基四氢叶酸甘氨酸+NAD +四氢叶酸然后，甘氨酸可能被掺入蛋白质及谷胱甘肽、肌酸酐、卟啉等化合物，以及转化为丝氨酸。丝氨酸的氮可以供半胱氨酸(和牛磺酸)的合成，或通过丝氨酸脱水酶释放氨。然而甘氨酸的裂解反应在甘氨酸的分解代谢中似乎比在合成代谢中更为重要。因此，氨通过甘氨酸-丝氨酸途径进入机体的氨基酸系统，对机体氨基酸系统的氮净进入量似乎只有非常有限的作用。因此，这一情况提示，谷氨酸有可能是哺乳动物获得净氨基氮的主要氨基酸，它最终来自
16、植物蛋白质。尽管谷氨酸盐作为氮的入口具有很重要的功能，但是仍然不清楚如果 -氨基氮 (如丙氨酸或天冬氨酸)供应充足，是否还需要由膳食提供一定量的谷氨酸盐。目前对这个问题还没有明确的答案，但是很显然仅靠必需氨基酸或高比例的必需氨基酸不能保证实验动物生长良好。总之，必需氨基酸和甘氨酸之外的某种预先形成的 -氨基氨源似乎也是必需的，但是，是否只有谷氨酸盐是特别必需的，还是谷氨酸盐只是比其他的同系物更为有效的 -氨基氮源仍未确定。Reeds 通过综述很多的研究发现，从在其他方面都健康的大鼠和猪的饲料中去除谷氨酸盐和谷氨酰胺可导致生长发育不良，表明谷氨酸可能是必需的。如果上述论点正确，那么就引进了一个关于在总蛋白质需要量中非特异性氮成分的新观点。1965 年，联合国粮农组织和世界卫生组织(FAO/WHO)的专家组提出：“ 膳食中非必需氨基酸氮的比例，因而还有膳食中的 E/T 比值(全部必需氨基酸氮与总氮的质量比)，对必需氨基酸的需要有明显的影响为合理利用现有食物资源，显然需要确定不同生理状
