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1、氨 基 酸 代 谢,第 九 章,Metabolism of Amino Acids,生物化学与分子生物学教研室 李有杰,蛋白质的生理功能和营养价值 Physiological Function and Nutrition Value of Protein,第一节,一、 体内蛋白质具有多方面的重要功能,（一）蛋白质维持细胞组织的生长、更新和修补,（二）蛋白质参与体内多种重要的生理活动,催化（酶）、免疫（抗原及抗体）、运动（肌肉）、物质转运（载体）、凝血（凝血系统）等。,每克蛋白质在体内氧化分解可释放17.19KJ (4.1 KCal)的能量，人体每日18%能量由蛋白质提供。,（三）蛋白质可作为能
2、源物质氧化供能,二、体内蛋白质的代谢状况可用氮平衡描述,氮平衡(nitrogen balance) 指每日氮的摄入量(食物中的蛋白质)与排出量(粪便和尿液)之间的关系。,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、恢复 期病人）,氮负平衡：摄入氮 排出氮（饥饿、严重烧伤 、出血、消耗性疾病患者）,蛋白质的生理需要量 成人每日蛋白质最低生理需要量为30g-50g，我国营养学会推荐成人每日蛋白质需要量为80g。,氮平衡的意义 可以反映体内蛋白质代谢的概况。,其余12种氨基酸体内可以合成，称为营养非必需 氨基酸。,三、营养必需氨基酸决定蛋白质的营养价值,蛋白质的营
3、养价值(nutrition value),蛋白质的营养价值是指食物蛋白质在体内的利用率，取决于必需氨基酸的数量、种类、量质比。,蛋白质的互补作用,指营养价值较低的蛋白质混合食用，其必需氨基酸可以互相补充而提高营养价值。,第二节 蛋白质的消化、吸收和腐败,Digestion, Absorption and Putrefaction of Proteins,一、外源性蛋白质消化成氨基酸和寡肽后被吸收,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。,（一）在胃和肠道蛋白质被消化成氨基酸和寡肽,1.蛋白质在胃中被水解成多肽和氨基酸,胃蛋白酶的最适p
4、H为1.52.5，对蛋白质肽键的作用特异性较差，主要水解由芳香族氨基酸、蛋氨酸和亮氨酸所形成的肽键，产物主要为多肽及少量氨基酸。 胃蛋白酶的凝乳作用：乳汁中的酪蛋白（casein）与Ca2+形成乳凝块，胃停留时间延长，利于消化。,2.蛋白质在小肠被水解成小肽和氨基酸 小肠是蛋白质消化的主要部位。,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。,蛋白水解酶作用示意图,肠液中酶原的激活,胰蛋白酶(trypsin),肠激酶(ente
5、rokinase),胰蛋白酶原,弹性蛋白酶(elastase),弹性蛋白酶原,糜蛋白酶(chymotrypsin),糜蛋白酶原,羧基肽酶(A或B) (carboxypeptidase),羧基肽酶原(A或B),小肠粘膜细胞对蛋白质的消化作用,主要是寡肽酶(oligopeptidase)的作用，例如氨基肽酶(aminopeptidase)及二肽酶(dipeptidase)等,最终产物为氨基酸。,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。 酶原还可视为酶的贮存形式。,酶原激活的意义,（二）氨基酸和寡肽通过主动转运机制被吸收,吸收部位：主要在小肠 吸收形式：氨基酸
6、、寡肽、二肽 吸收机制：耗能的主动吸收过程,通过转运蛋白完成氨基酸和小肽的吸收,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。,七种转运蛋白 (transporter),中性氨基酸转运蛋白 酸性氨基酸转运蛋白 碱性氨基酸转运蛋白 亚氨基酸转运蛋白 氨基酸转运蛋白 二肽转运蛋白 三肽转运蛋白,-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,通过-谷氨酰基循环完成氨基酸的吸收,二、未消化吸收蛋白质在大肠下段发生腐败作用,未被消化的蛋白质及未被吸收的氨基酸，在大肠下部受大肠杆菌的分解，此分解作用称为
7、腐败作用（putrefaction）。,腐败作用的产物大多有害，如胺、氨、苯酚、吲哚等；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),（一）肠道细菌通过脱羧基作用产生胺类,假神经递质(false neurotransmitter),某些物质结构(如苯乙醇胺，-羟酪胺）与神经递质（如儿茶酚胺）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。,（二）肠道细菌通过脱氨基作用产生氨,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。,（三）腐败作用产生其它有害物质,正常情况下，上述有害物质大部分随粪便排出
8、，只有小部分被吸收，经肝的代谢转变而解毒，故不会发生中毒现象。,第三节 氨基酸的一般代谢,General Metabolism of Amino Acids,一、体内蛋白质分解生成氨基酸,成人体内的蛋白质每天约有1%-2%被降解，主要是肌肉蛋白质。 蛋白质降解产生的氨基酸，大约70%-80%被重新利用合成新的蛋白质。,蛋白质的半寿期(half-life),蛋白质降低其原浓度一半所需要的时间，用t1/2表示。,（一）蛋白质以不同的速率进行降解,不同的蛋白质降解速率不同，降解速率随生理需要而变化。,不依赖ATP和泛素； 利用溶酶体中的组织蛋白酶(cathepsin)降解外源性蛋白、膜蛋白和长寿蛋白
9、质。,1、蛋白质在溶酶体通过ATP-非依赖途径被降解,（二）真核细胞内蛋白质的降解有两条重要途径,2、蛋白质在蛋白酶体通过ATP-依赖途径被降解,依赖ATP和泛素 降解异常蛋白和短寿蛋白质,泛素(ubiquitin),76个氨基酸组成的多肽(8.5kD) 普遍存在于真核生物而得名 一级结构高度保守,泛素与选择性被降解蛋白质形成共价连接，并使其激活,即泛素化，包括三种酶参与的3步反应，并需消耗ATP。 蛋白酶体(proteasome)对泛素化蛋白质的降解。,泛素介导的蛋白质降解过程,泛素化过程,E1：泛素激活酶,E2：泛素结合酶,E3：泛素蛋白连接酶,UB：泛素,Pr：被降解蛋白质,蛋白酶体存在
10、于细胞核和胞浆内，主要降解异常蛋白质和短寿蛋白质。,泛素介导的蛋白质降解过程：,二、外源性氨基酸与内源性氨基酸组成氨基酸代谢库,食物蛋白质经消化吸收的氨基酸（外源性氨基酸）与体内组织蛋白质降解产生的氨基酸及体内合成的非必需氨基酸（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(metabolic pool) 。,氨基酸代谢概况：,三、氨基酸分解先脱氨基,脱氨基作用 指氨基酸脱去-氨基生成相应-酮酸的过程。,（一）氨基酸通过转氨基作用脱去氨基,转氨基作用(transamination),1.转氨基作用由转氨酶催化完成,在转氨酶(transaminase)的作用下，某一氨基酸去掉
11、-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。,反应式,大多数氨基酸可参与转氨基作用，但赖氨酸、苏氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸除外。,转氨酶的专一性强，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。在各种转氨酶中，以L-谷氨酸和-酮酸的转氨酶最为重要。,正常人各组织中ALT及AST 活性 (单位/克湿组织),血清转氨酶活性，临床上可作为疾病诊断和预后的指标之一。,2.各种转氨酶都具有相同的辅酶和作用机制,转氨酶的辅酶是磷酸吡哆醛,转氨基作用不仅是体内多数氨基酸脱氨基的重要方式，也是机体合成非必需氨基酸的重要途径。,通过此种方式并未产生游离的氨。,转氨基作用的生理
12、意义,（二）L-谷氨酸通过L-谷氨酸脱氢酶催化脱去氨基,存在于肝、脑、肾中 辅酶为 NAD+ 或NADP+ GTP、ATP为其抑制剂 GDP、ADP为其激活剂,催化酶： L-谷氨酸脱氢酶,L-谷氨酸,NH3,-酮戊二酸,NAD(P)+,NAD(P)H+H+,H2O,联合脱氨基作用,两种脱氨基方式的联合作用，使氨基酸脱下-氨基生成-酮酸的过程。,定义,转氨基偶联氧化脱氨基作用,H2O+NAD+,转氨酶,此种方式既是氨基酸脱氨基的主要方式，也是体内合成非必需氨基酸的主要方式。 主要在肝、肾和脑组织进行。,转氨基作用与谷氨酸脱氢作用的结合被称作转氨脱氨作用（transdeamination）,苹果酸
13、,腺苷酸 代琥珀酸,次黄嘌呤 核苷酸 (IMP),腺苷酸代琥 珀酸合成酶,（三）氨基酸通过嘌呤核苷酸循环脱去氨基,（四）氨基酸通过氨基酸氧化酶脱去氨基,四、氨基酸碳链骨架可进行转换或分解,氨基酸脱氨基后生成的-酮酸(-keto acid）主要有三条代谢去路。,（一）-酮酸可彻底氧化分解并提供能量,（二）-酮酸经氨基化生成营养非必需氨基酸,（三）-酮酸可转变成糖及脂类化合物,2L: Leu, Lys 2e: Ile, Phe 3T: Tyr, Thr, Trp,丙酮酸 可进入线粒体氧化产生乙酰CoA，进入三羧酸循环而彻底氧化 酮体 可直接分解产生乙酰CoA或乙酰乙酰CoA 三羧酸循环的中间产物
14、通过三羧酸循环中的反应转变成苹果酸，运输到线粒体外，在胞质内依次转变成草酰乙酸、磷酸烯醇式丙酮酸、丙酮酸，然后进入线粒体彻底氧化,氨基酸分解代谢的中间产物主要有3类：,琥珀酰CoA,延胡索酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,柠檬酸,乙酰CoA,丙酮酸,PEP,磷酸丙糖,葡萄糖或糖原,糖,-磷酸甘油,脂肪酸,脂肪,甘油三酯,乙酰乙酰CoA,酮体,CO2,CO2,氨基酸、糖及脂肪代谢的联系,T A C,一般在下列3种代谢状况下，氨基酸才氧化降解：,细胞的蛋白质进行正常的合成和降解时，蛋白质合成并不需要蛋白质降解释放出的某些氨基酸，这些氨基酸会进行氧化分解。 食品富含蛋白质，消化产生的氨基酸超过了蛋白质合成的
15、需要，由于氨基酸不能在体内储存，过量的氨基酸在体内被氧化降解。 机体处于饥饿状态或未控制的糖尿病状态时，机体不能利用或不能合适地利用糖作为能源，细胞的蛋白质被用做重要的能源。,第四节 氨的代谢,Metabolism of Ammonia,血氨（blood ammonia) 体内代谢产生的氨及消化道吸收的氨进入血液，形成血氨。 血氨水平 正常生理情况下，血氨水平在4765 mol/L。,一、血氨有三个重要来源,（一）氨基酸脱氨基作用和胺类分解均可产生氨,氨基酸脱氨基作用产生的氨是体内氨的主要来源。,（三）肾小管上皮细胞分泌的氨主要来自谷氨酰胺,（二）肠道细菌腐败作用产生氨,二、氨在血液中以丙氨酸
16、及谷氨酰胺的形式转运,（一）氨通过丙氨酸-葡萄糖循环从骨骼肌运往肝,生理意义,肌肉中氨以无毒的丙氨酸形式运输到肝。 肝为肌肉提供葡萄糖。,丙 氨 酸,葡 萄 糖,肌肉 蛋白质,氨基酸,NH3,谷氨酸,-酮戊 二酸,丙酮酸,糖酵解途径,肌肉,丙氨酸,血液,丙氨酸,葡萄糖,-酮戊二酸,谷氨酸,丙酮酸,NH3,尿素,尿素循环,糖异生,肝,丙氨酸-葡萄糖循环,葡萄糖,（二）氨通过谷氨酰胺从脑和骨骼肌等组织运往肝或肾,反应过程,谷氨酰胺是氨的解毒产物，也是氨的储存及运输形式。,生理意义,天冬酰胺酶（asparaginase）治疗白血病机理：减少血中天冬酰胺,Protein,三、氨在肝合成尿素是氨的主要去路,体内氨的去路有：,在肝内合成尿素，这是最主要的去路,肾小管泌氨,分泌的NH3在酸性条件下生成NH4+，随尿排出。,合成非必需氨基酸及其它含氮化合物,合成谷氨酰胺,（一）Krebs提出尿素是通过鸟氨酸循环合成的
