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1、氨 基 酸 代 谢 Metabolism of Amino Acids,第 十 二 章,第一节 氨基酸的代谢概况 Overview of Metabolism of Amino Acids,一、氮平衡状态反映氨基酸摄入与消耗的状态,氮平衡(nitrogen balance) 氨基酸的摄入和消耗的状态,氮总平衡：摄入氮 = 排出氮（正常成人）,氮正平衡：摄入氮 排出氮（儿童、孕妇等）,氮负平衡：摄入氮 排出氮（饥饿、消耗性疾病患者）,测定尿与粪中的含氮量（排出氮）及摄入食物的含氮量（摄入氮）可以反映体内氨基酸的代谢状况。,氨基酸代谢库(metabolic pool),食物蛋白经消化吸收的氨基酸（
2、外源性氨基酸）与体内组织蛋白降解产生的氨基酸（内源性氨基酸）混在一起，分布于体内各处参与代谢，称为氨基酸代谢库。,(一)外源性氨基酸和内源性氨基酸组成氨基酸代谢库,二、氨基酸在体内满足各种生理需求,组织蛋白质降解所产生的氨基酸,（二）氨基酸在体内主要功能,1.大部分氨基酸用于蛋白质生物合成,蛋白质的合成,食物蛋白质消化、吸收的氨基酸,2.氨基酸的碳骨架可进入能量代谢,氨基酸代谢库中的氨基酸过多，食物蛋白质中某些氨基酸超过机体合成蛋白质的需要时，这些氨基酸就会进入分解代谢，彻底氧化，产生能量。 机体每日产生的能量约有18来自氨基酸的氧化分解。 饥饿时蛋白质降解释放氨基酸。这些氨基酸并不直接氧化供
3、能，而是转变成为葡萄糖或酮体；产生的葡萄糖则满足饥饿时机体对葡萄糖的需要，酮体也可进入能量代谢。,3.氨基酸代谢转换而产生多种物质,氨基酸可通过代谢转变而产生多种物质含氮化合物，包括神经递质、核苷酸、激素及其他多种含氮生理活性物质。 产生一些重要的化学基团，具有重要调节功能，或者用于非营养物质的（转化）代谢。,氨基酸衍生的重要含氮物,氨基酸代谢库,氨基酸代谢概况,目 录,第二节 体内氨基酸的来源 Sources of Amino Acids in Body,（一）氨基酸可分为营养必需氨基酸和营养非必需氨基酸,营养必需氨基酸(nutritionally essential amino acid)
4、,指体内需要而又不能自身合成，必须由食物供给的氨基酸，共有8种：Val、Ile、Leu、Thr、Met、Lys、Phe、Trp。,其余12种氨基酸体内可以合成，称非必需氨基酸。,（nutritionally non-essential amino acid）,一、机体从食物蛋白质获取氨基酸,组氨酸和精氨酸虽能在人体内合成，但合成量不多，长期缺乏也能造成负氮平衡，可以将这两种氨基酸视为营养半必需氨基酸（nutritionally semi-essential amino acid）。,（二）机体摄取食物蛋白质以满足对氨基酸的需要,蛋白质的生理需要量,成人每日最低蛋白质需要量为3050g，我国营养
5、学会推荐成人每日蛋白质需要量为80g。,蛋白质的营养价值,营养必需氨基酸种类多、数量足的蛋白质，其营养价值高，反之则营养价值低。,营养价值低的蛋白质混合食用，则营养必需氨基酸可以互相补充，从而提高营养价值，称为食物蛋白质的互补作用。,食物蛋白质的互补作用,（三）食物蛋白在胃和肠道被消化成氨基酸和寡肽,蛋白质消化的生理意义,由大分子转变为小分子，便于吸收。 消除种属特异性和抗原性，防止过敏、毒性反应。,1. 食物蛋白质在胃中消化,胃蛋白酶的最适pH为1.52.5，水解由芳香族氨基酸的羧基所形成的肽键 ，产物主要为多肽及少量氨基酸。,2. 蛋白质在小肠被水解成氨基酸和小肽 小肠是蛋白质消化的主要部
6、位, 胰液蛋白酶消化蛋白质产生寡肽和少量氨基酸,胰酶是消化蛋白质的主要酶，最适pH为7.0左右，包括内肽酶和外肽酶。,内肽酶(endopeptidase) 水解蛋白质肽链内部的一些肽键，如胰蛋白酶、糜蛋白酶、弹性蛋白酶。,外肽酶(exopeptidase) 自肽链的末段开始每次水解一个氨基酸残基，如羧基肽酶(A、B)、氨基肽酶。,氨基酸 +,蛋白水解酶作用示意图,肠液中酶原的激活,胰蛋白酶的自身激活作用较弱。由于胰液中各种蛋白酶均以酶原形式存在，同时胰液中还存在胰蛋白酶抑制剂，能保护胰腺组织免受蛋白酶的自身消化。,可保护胰组织免受蛋白酶的自身消化作用。 保证酶在其特定的部位和环境发挥催化作用。
7、 酶原还可视为酶的储存形式。,酶原激活的意义,小肠黏膜细胞的消化酶水解寡肽为氨基酸,主要是寡肽酶(oligopeptidase)的作用，例如氨基肽酶(aminopeptidase)及二肽酶(dipeptidase)等， 最终产生氨基酸。,在小肠黏膜细胞中进行,（四）氨基酸的吸收是一个主动转运过程,吸收部位：主要在小肠黏膜细胞 吸收形式：氨基酸、寡肽、二肽 吸收机制：耗能的主动吸收过程,氨基酸吸收载体,载体蛋白与氨基酸、Na+组成三联体，由ATP供能将氨基酸、Na+转入细胞内，Na+再由钠泵排出细胞。,转运蛋白 （transporter）,中性氨基酸载体 碱性氨基酸载体 酸性氨基酸载体 亚氨基酸
8、与甘氨酸载体 -氨基酸转运蛋白,-谷氨酰基循环对氨基酸的转运作用,-谷氨酰基循环(-glutamyl cycle)过程：,谷胱甘肽对氨基酸的转运 谷胱甘肽再合成,半胱氨酰甘氨酸 (Cys-Gly),细胞外,-谷 氨酰 基转 移酶,细胞膜,谷胱甘肽 GSH,细胞内,-谷氨酰基循环过程,氨基酸,目 录,转运体系将小肽转运进入肠黏膜细胞,吸收部位：小肠近端 转运体系：二肽或三肽转运体系 吸收机制：耗能的主动吸收过程,（五）未被吸收的蛋白质被肠道细菌代谢,在消化过程中，有一小部分蛋白质未被消化或虽经消化、但未被吸收，肠道细菌对这部分蛋白质及其消化产物的代谢。,腐败作用的产物大多有害，如胺、氨、苯酚、吲
9、哚等；也可产生少量的脂肪酸及维生素等可被机体利用的物质。,蛋白质的腐败作用(putrefaction),1肠道细菌使氨基酸脱羧基产生胺类,假神经递质(false neurotransmitter),某些物质结构与神经递质结构相似，可取代正常神经递质从而影响脑功能，称假神经递质。,-羟酪胺和苯乙醇胺结构类似儿茶酚胺，它们可取代儿茶酚胺与脑细胞结合，但不能传递神经冲动，使大脑发生异常抑制。,2在肠道细菌作用下氨基酸脱氨基生成氨,降低肠道pH，NH3转变为NH4+以胺盐形式排出，可减少氨的吸收，这是酸性灌肠的依据。,3腐败作用产生其他有害物质,除了胺类和氨以外，通过腐败作用还可产生一些其他有害物质，
10、例如苯酚、吲哚、甲基吲哚及硫化氢等。,二、体内蛋白质降解生成氨基酸,（一）体内蛋白质被不断地转换更新,蛋白质降低其原浓度一半所需要的时间，用t1/2表示。,蛋白质转换(protein turnover),指体内蛋白质的不断降解与合成的动态平衡。,蛋白质半寿期(half life),（二）体内蛋白质在不同因素的控制下被降解,1蛋白质功能调控的机制之一是降解蛋白质,具有调节功能的蛋白质在需要时合成，随后被迅速降解，某些因素导致这些蛋白质的半寿期延长，则会导致基因表达的异常。,2结构蛋白需要更新,组织细胞的结构蛋白多为长寿蛋白质，但仍然以一定的速率被降解。细胞代谢过程中经常产生影响蛋白质结构的物质，
11、通过氧化作用而损伤蛋白质。这些蛋白质即通过特定的机制被降解，细胞则重新合成相同的蛋白质以替代被降解的蛋白质。,3. 饥饿状态引起蛋白质降解,在机体处于饥饿状态时，机体也会降解一部分蛋白质，释放出氨基酸。氨基酸分解代谢的中间产物通过糖异生途径转变成葡萄糖，对维持血糖水平具有重要意义。,（三）真核细胞内有两条主要的蛋白质的 降解途径,不依赖ATP 利用溶酶体中的组织蛋白酶(cathepsin)降解外源性蛋白、膜蛋白和长寿命的细胞内蛋白,1外在和长寿蛋白质在溶酶体通过ATP-非依赖途径降解,溶酶体的主要功能是消化作用，是细胞内的消化器官，含有多种蛋白酶 。,根据完成生理功能的不同阶段可将溶酶体分为:
12、 初级溶酶体由高尔基体分泌形成，含有多种水解酶原。 次级溶酶体正在进行或完成消化作用的消化泡，内含水解酶和相应底物。 残体 后溶酶体，已失去酶活性，仅留未消化的残渣。,2异常和短寿蛋白质在蛋白酶体通过需要ATP的泛素途径降解,依赖ATP 降解异常蛋白和短寿命蛋白,泛素(ubiquitin),76个氨基酸的小分子蛋白(8.5kD) 普遍存在于真核生物而得名 一级结构高度保守,（1）泛素化使蛋白质贴上了被降解的标签,泛素与选择性被降解蛋白质形成共价连接，并使其激活。,（2）泛素化的蛋白质在蛋白酶体降解,泛素介导的蛋白质降解过程,蛋白酶体对泛素化蛋白质的降解。,泛素化过程,E1：泛素活化酶,E2：泛
13、素结合酶,E3：泛素蛋白连接酶,蛋白酶体是一个26S蛋白质复合物，由20S的核心颗粒(core particle, CP)和19S的调节颗粒(regulatory particle, RP)组成,蛋白酶体,蛋白酶体的核心颗粒是由4个环2个环和2个环组成的圆柱体，每个环由7个类型的亚基组成，它们位于圆柱体的顶端。每个环由7个类型的亚基组成，它们位于圆柱体的中央。,蛋白酶体核心颗粒,三、营养非必需氨基酸可在体内通过不同途径合成,（一）-酮戊二酸还原氨化生成谷氨酸,H2O,NH4+,酮戊二酸,L谷氨酸,（二）丙酮酸和草酰乙酸通过转氨基作用生成丙氨酸和天冬氨酸,丙酮酸,转氨酶,丙氨酸,谷氨酸或天冬氨酸
14、, 酮戊二酸 或草酰乙酸,（三）谷氨酰胺合成酶利用谷氨酸和游离氨合成谷氨酰胺,L-谷氨酰胺,L-谷氨酸,NH4+,Mg-ATP,Mg-ADP Pi,NH3+,NH3+,（四）天冬氨酸在天冬酰胺合成酶催化下形成天冬酰胺,L-天冬酰胺,L-天冬氨酸,天冬酰胺合成酶,NH3+,NH3+,Gln,Glu,Mg-ATP,Mg-AMP PPi,（五）利用3-磷酸甘油酸合成丝氨酸,（六）甘氨酸在哺乳动物中 有几条合成途径,（七）脯氨酸是从谷氨酸形成的,L-谷氨酸,L-脯氨酸,L-谷氨酸- -半缩醛,2-吡咯-5-羧酸,H2O,NADH H+,NADH H+,NAD,NAD,H2O,NH3,NH2,NH,H3
15、N,（八）甲硫氨酸分解代谢过程可产生半胱氨酸,（九）苯丙氨酸在苯丙氨酸羟化酶催化下形成酪氨酸,四氢生物蝶呤,二氢生物蝶呤,L- 丙氨酸,L- 酪氨酸,NADP,NADPH H,酶 II,酶 I,O2,H2O,CH2 CH COO-,CH2 CH COO-,NH3+,NH3+,HO,（十）组氨酸和精氨酸是营养性半必需氨基酸,组氨酸（histidine）和精氨酸（arginine）都是营养半必需氨基酸，当组氨酸短期缺乏时，成年人和成年大鼠能够维持氮平衡，而正在生长的动物需要食物中的组氨酸，假如延长研究时间，成年人也需要补充组氨酸。,第三节 氨基酸氮的代谢,Catabolism of Amino A
16、cid Nitrogen,一、脱氨基是氨基酸分解代谢的起始反应,转氨基作用（transamination）： 在转氨酶(transaminase)的作用下，某一氨基酸去掉-氨基生成相应的-酮酸，而另一种-酮酸得到此氨基生成相应的氨基酸的过程。,（一）待分解的氨基酸经转氨酶作用移去-氨基,反应式,大多数氨基酸可参与转氨基作用，但赖氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸除外,转氨酶又称氨基转移酶（aminotransferase）,体内存在多种转氨酶，不同氨基酸与-酮酸之间的转氨基作用只能由专一的转氨酶催化。 体内有两种重要的转氨酶:,谷氨酸转氨酶 谷-丙转氨酶（glutamate-pyruvate transaminase，GPT或ALT） 谷-草转氨酶（glutamate-oxaloacetate transaminase, GOT或AST） .丙氨酸转氨酶,转氨酶,正常人各组织GO
