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1、第九章 蛋白质分解和氨基酸代谢第九章 蛋白质分解和氨基酸代谢生物体内的各种蛋白质经常处于动态更新之中，蛋白质的更新包括蛋白质的分解代谢和蛋白质的合成代谢；前者是指蛋白质分解为氨基酸及氨基酸继续分解为含氮的代谢产物、二氧化碳和水并释放出能量的过程。构成蛋白质的氨基酸共有20种，其共同点是均含氨基和羧基，不同点是它们的碳骨架各不相同，因此，脱去氨基后各个氨基酸的碳骨架的分解途径有所不同，这就是个别氨基酸的代谢，也可称之为氨基酸的特殊代谢。以上这些内容均属蛋白质分解代谢的范畴，并且由于这一过程是以氨基酸代谢为中心，故称为蛋白质分解和氨基酸代谢。这是本章的中心内容。此外，蛋白质的营养问题与饮食卫生和临
2、床实践关系密切，亦在本章讨论。第一节 蛋白质的生理功能和营养问题一、蛋白质和氨基酸的主要生理功能维持组织的生长、更新和修补，此功能为蛋白质所特有，不能由糖或脂类代替。产生一些生理活性物质，包括胺类、神经递质、激素、嘌呤、嘧啶等。某些蛋白质具有特殊的生理功能，如血红蛋白运输氧，血浆中多种凝血因子参加血液凝固，肌肉中的肌动球蛋白与肌肉收缩有关。此外，酶、抗体、受体都是蛋白质。供给能量，每克蛋白质在体内氧化分解产生1719kJ(41千卡)的能量，蛋白质的这种生理功能可由糖及脂类代替。一般情况下，蛋白质供给的能量占食物总供热量的1015。二、氮平衡（nitrogen balance） XE 氮平衡（n
3、itrogen balance） 和蛋白质的需要量氮平衡是一种人体实验。体内蛋白质的代谢情况可以根据该实验来评价。蛋白质中氮的平均含量为16%, 食物中的含氮物质主要是蛋白质。故通过测定食物中氮的含量可以推算出其中的蛋白质含量。蛋白质在体内代谢后产生的含氮物质主要经尿、粪、汗排出。因此，测定人体每天从食物摄入的氮含量和每天排泄物(包括尿、粪、汗等)中的氮含量，可评价蛋白质在体内的代谢情况。氮的总平衡：摄入氮 = 排出氮，见于正常成人。氮的正平衡：摄入氮 排出氮，表示体内蛋白质的合成大于蛋白质的分解，见于儿童、孕妇及病后恢复期。氮的负平衡：摄入氮 排出氮，常见于蛋白质摄入量不能满足需要时，如长期
4、饥饿、消耗性疾病等。我国营养学会推荐的蛋白质营养标准成年人为70gd，相当于每天11.2gkg体重。婴幼儿与儿童因生长发育需要，应增至每天24gkg体重。三、必需氨基酸(essential amino acids) XE 必需氨基酸(essential amino acids) 与蛋白质的生理价值必需氨基酸是指体内需要，但人体本身不能合成或合成速度不足以满足需要，必须由食物蛋白质提供的氨基酸，共有8种：赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、甲硫(蛋)氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸。此外，组氨酸和精氨酸在婴幼儿和儿童时期因其体内合成量常不能满足生长发育的需要，也必须由食物提供，可称为半必需氨基酸。非
5、必需氨基酸(non-essential amino acids) XE 非必需氨基酸(non-essential amino acids) 是指体内需要，而人体本身可以合成，不必由食物供给的氨基酸，除上述8种必需氨基酸以外的其它组成蛋白质的氨基酸均为非必需氨基酸。摄入细胞内的氨基酸不可能全部用于合成蛋白质，这是因为食物蛋白质中所含的各种氨基酸在其含量的比例方面与机体本身的蛋白质存在着差异。因此，总有一部分氨基酸不被用来合成机体蛋白质，最后在体内分解。这样，不同的食物蛋白质的利用率就存在差别。利用率愈高的蛋白质对人体的营养价值愈高。衡量某种蛋白质的营养价值的高低，或者说在体内的利用率的高低，最常
6、用的一个指标是“生理价值”。可用正在生长期的幼小动物做实验，测定其体内氮的保留量和吸收量以求得某食物蛋白质的生理价值。 蛋白质的生理价值 = (氮的吸收量 = 食入氮 - 粪中氮， 氮的保留量 = 食入氮 - 粪中氮 - 尿中氮)从食物蛋白质的氨基酸组成来讲，若所含必需氨基酸的种类和数量与人体蛋白质相接近，则易于被机体利用，也就是说氮的保留量高，因此其生理价值亦高。一般讲，动物蛋白质的生理价值较植物蛋白质高，表92列出了常用食物中蛋白质的生理价值。四、蛋白质的互补作用若将几种生理价值较低的蛋白质混合食用，可使其所含必需氨基酸成分相互补充，于是生理价值得以提高。这对增进膳食中蛋白质的营养效果是一
7、个很好的措施。五、临床上静脉补液用的氨基酸制剂临床上在治疗因各种原因如烧伤、摄食困难、严重腹泻或外科手术等引起的低蛋白质血症时，常可经静脉补充氨基酸制剂。例如14氨基酸-800，其含有8种必需氨基酸及组、精、甘、丙、丝、脯等共14种氨基酸，总量为8.0g100ml，其中芳香族氨基酸含量极低，适用于肝硬化等；6氨基酸-520含较高浓度的支链氨基酸(亮、异亮、缬)和鸟氨酸循环(尿素合成)中的氨基酸包括鸟、谷、天冬等共6种，总量5.2g100m1，适用于重症肝炎等。第二节 蛋白质的消化、吸收与腐败一、消化蛋白质的消化部位是胃和小肠(主要在小肠)，受多种蛋白水解酶的催化而水解成氨基酸和少量小肽，然后再
8、吸收(图9-1)。胃蛋白酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶和弹性蛋白酶都是内肽酶，亦即水解肽链内部的肽键；而羧基肽酶A、B和氨基肽酶是外肽酶，其作用是从肽链的最外端开始，前者从C端开始，后者从N端开始(图9-2)。胃蛋白酶的最适pH在1525，适于胃内环境，其活性中心含天冬氨酸，属天冬氨酸蛋白酶类。胰蛋白酶、糜蛋白酶和弹性蛋白酶的最适pH在70左右，适于小肠环境，其活性中心含丝氨酸，属丝氨酸蛋白酶类。各种蛋白酶对肽键两旁的氨基酸种类均有一定的要求，亦即各有其特异性(表9-3)。二、吸收蛋白质消化的终产物为氨基酸和小肽(主要为二肽、三肽)，可被小肠粘膜所吸收。但小肽吸收进入小肠粘膜细胞后，即被胞质中的肽酶(
9、二肽酶、三肽酶)水解成游离氨基酸，然后离开细胞进入血循环，因此门静脉血中几乎找不到小肽。氨基酸的吸收机制：1通过耗能需Na+的主动转运吸收 肠黏膜上皮细胞的黏膜面的细胞膜上有若干种特殊的运载蛋白(载体)，能与某些氨基酸和Na+在不同位置上同时结合，结合后可使运载蛋白的构象发生改变，从而把膜外(肠腔内)氨基酸和Na+都转运入肠黏膜上皮细胞内。Na+则被钠泵打出至胞外，造成黏膜面内外的Na+梯度，有利于肠腔中的Na+继续通过运载蛋白进入细胞内，同时带动氨基酸进入。因此肠黏膜上氨基酸的吸收是间接消耗ATP，而直接的推动力是肠腔和肠黏膜细胞内Na+梯度的电位势。氨基酸的不断进入使得小肠黏膜上皮细胞内的
10、氨基酸浓度高于毛细血管内，于是氨基酸通过浆膜面其相应的载体而转运至毛细血管血液内。黏膜面的氨基酸载体是Na+依赖的，而浆膜面的氨基酸载体则不依赖Na+。现已证实前者至少有6种，各对某些氨基酸起转运作用：中性氨基酸，短侧链或极性侧链(丝、苏、丙) 载体。中性氨基酸，芳香族或疏水侧链(苯丙、酪、甲硫、缬、亮、异亮) 载体。亚氨基酸(脯、羟脯) 载体。(-氨基酸(-丙氨酸、牛磺酸) 载体。碱性氨基酸和胱氨酸(赖、精、胱) 载体。酸性氨基酸(天、谷) 载体。(图9-3、9-4)。肾小管对氨基酸的重吸收也是通过上述机制进行的。2通过(-谷氨酰基循环吸收 1969年Meister发现；小肠黏膜和肾小管还可
11、通过(-谷氨酰基循环吸收氨基酸。谷胱甘肽在这一循环中起着重要作用(图9-5)。这也是一个主动运送氨基酸通过细胞膜的过程，氨基酸在进入细胞之前先在细胞膜上转肽酶的催化下，与细胞内的谷胱甘肽作用生成(-谷氨酰氨基酸并进入细胞浆内，然后再经其它酶催化将氨基酸释放出来，同时使谷氨酸重新合成谷胱甘肽，进行下一次转运氨基酸的过程，因为氨基酸不能自由通透过细胞质膜。三、腐败未被吸收的氨基酸和小肽及未被消化的蛋白质，在大肠下部受大肠杆菌的作用，发生一些化学变化的过程称腐败。未被消化的蛋白质先被肠菌中的蛋白酶水解为氨基酸，然后再继续受肠菌中的其它酶类的催化。腐败作用主要的化学反应有脱羧基作用和还原脱氨基作用。(
12、一) 脱羧基生成胺 (二) 还原脱氨基及生成其它有毒物质肠道中氨的除上述腐败作用产生外，尚有另一个来源，即血液中的尿素约有25可渗透进入肠道，受大肠杆菌的尿素酶的作用水解生成氨，被重吸收进入体内，再到达肝脏合成尿素，这就是尿素的肠肝循环。平均每天约有7g尿素渗入肠道，而粪便中几乎不含尿素，这是由于渗入肠道的尿素全部被大肠杆菌分解成氨而吸收，这部分氨的量约为4g。自肠道吸收入体内的氨，是体内血氨的重要来源之一，正常人可将氨在肝脏合成尿素后排出，食用普通膳食的正常人每天排尿素约20g。严重肝脏疾病患者因其处理血氨的能力下降，常可引起肝昏迷，因此，临床上常给予肠道抑菌药物以减少肠道中氨的产生。腐败作
13、用产生的有毒物质除了胺和氨以外、还包括苯酚、吲哚、甲烷、CO2、有机酸和硫化氢等，这些物质大部分随粪便排出，小部分可被肠道吸收，进入肝脏予以处理。第三节 氨基酸的一般代谢食物蛋白质经消化吸收，以氨基酸形式进入血液循环及全身各组织，组织蛋白质又经常降解为氨基酸，这两种来源的氨基酸(外源性和内源性)混合在一起，存在于细胞内液、血液和其它体液中，总称为氨基酸代谢库(图96)。血浆中氨基酸的浓度取决于内源性蛋白质的分解释放与各种组织利用之间的稳态平衡人体每天更新机体总蛋白质的1-2，其中主要是肌肉蛋白质，其释放的游离氨基酸占体内氨基酸库中氨基酸总量的一半以上。氨基酸的分解代谢过程主要在肝脏进行，肝脏在
14、处理氨基酸代谢过程中生成的氨起着至关重要的作用，这是由于肝脏中存在合成尿素的酶，因此肌肉和肝脏对维持血液循环中氨基酸水平起重要的作用。氨基酸的主要功能是构成体内各种蛋白质和其它某些生物分子，与糖或脂肪不同，氨基酸的供给量若超过所需时，过多部分并不能储存或排出体外，而是作为燃料或转变为糖或脂肪。此时它的(-氨基必须先脱去(脱氨基作用)，剩下的碳骨架则转变为代谢中间产物如乙酰辅酶A、乙酰乙酰辅酶A、丙酮酸或三羧酸循环中的某个中间产物。人体每天更新机体总蛋白的1-2，一般讲，组织蛋白质分解生成的内源性氨基酸中约85可被再利用以合成组织蛋白质。氨基酸的脱氨基作用(deamination) XE 脱氨基
15、作用(deamination) （一）L-谷氨酸氧化脱氨基作用(oxidative deamination of L-glutamate) XE L-谷氨酸氧化脱氨基作用(oxidative deamination of L-glutamate) 线粒体基质中存在L-谷氨酸脱氢酶，该酶催化L-谷氨酸氧化脱氨生成(-酮戊二酸，反应可逆。L-谷氨酸脱氢酶属不需氧脱氢酶，辅酶是NAD+或NADP+，特异性强，分布广泛，肝脏中含量最为丰富，其次是肾、脑，心、肺等，骨骼肌中最少。L-谷氨酸脱氢酶是别构酶；由六个相同的亚基组成，分子质量为330,000。ATP、GTP是其别构抑制剂，而ADP、GDP是别构激活剂。一般情况下，反应偏向于谷氨酸的合成，但当谷氨酸浓度高，氨浓度低时，则有利于(-酮戊二酸的生成，即催化L-谷氨酸氧化脱氨。(二) 转氨基作用（transamination） XE 转氨基作用（transamination） 转氨基作用是在转氨酶的催化下，(-氨基酸的氨基转移到(-酮酸的酮基上，生成相应的氨基酸，原来的氨基酸则转变为(-酮酸。转氨酶分布广泛，除赖、苏、脯、羟脯氨酸外（例如，由于相应于赖氨酸的(-酮酸不稳定，所以赖氨酸不能通过转氨作用生成），体内大多数氨基酸都可以经转氨基作用生成。转氨基作用的平衡常数接近1.0，为可逆反应，因此也是体内合成非必需氨基酸的重要
