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1、氨 基 酸 代 谢,第 7 章,Metabolism of Amino Acids,蛋白质的营养作用 Nutritional Function 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）蛋白质可作为能源物质氧化供能,（四）转变为糖或脂类,二、体内蛋白质的代谢状况可用氮平衡描述,氮平衡(ni
2、trogen balance) 摄入食物的含氮量与排泄物（尿与粪）中含氮量之间的关系。,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、孕妇等）,氮负平衡：摄入氮 排出氮（饥饿、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30g50g，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。His、Arg为半必需氨基酸。,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
3、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。,如：谷类色氨酸多，赖氨酸少 豆类色氨酸少，赖氨酸多,混合食用可以提高蛋白质的营养价值,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
4、pH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。 凝乳作用,胃蛋白酶（pepsin） 胃蛋白酶原 胃蛋白酶 + 6肽,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(enterokinase),胰蛋白酶原
5、,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, 蛋白质经胃液和胰液中各种酶的水解，所得产物1/3是氨基酸，2/3是寡肽。,氨基酸 +,蛋白水解酶作用示意图,
6、消化过程,胃蛋白酶,PH1.52.5,胰蛋白酶、糜蛋白酶,弹性蛋白酶（内肽酶）,食物蛋白质,多肽 +,少量氨基酸,短肽+游离氨基酸,羧肽酶A、B(外肽酶),氨肽酶、二肽酶,游离氨基酸,胃中消化,小肠中消化,（二）氨基酸通过主动转运过程被吸收,吸收部位：主要在小肠 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。,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
7、蛋白,ADP+Pi,ATP,AA,Na+,K+,小肠粘膜细胞,肠腔,门静脉,吸收机制：,刷状缘,细胞内膜,-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,谷胱 甘肽,半胱氨酰甘氨酸,-谷氨酸 环化酶,5-氧脯 氨酸,谷胱甘肽 合成酶,-谷氨酰 半胱氨酸 合成酶,5-氧脯 氨酸酶,细胞膜,细胞内,细 胞 外,-谷氨酰基循环,氨 基 酸,-谷氨酰 氨基酸,ADP+Pi,利用肠粘膜细胞上的二肽或三肽转运体系 此种转运也是耗能的主动吸收过程 吸收作用在小肠近端较强,肽的吸收,二、蛋白质在肠道发生腐败作用,肠道细菌对未被消
8、化的蛋白质及其消化产物所起的以无氧分解为主的分解代谢作用。,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),去路：大部分随粪便排出；少量被吸收，经肝的代谢转变而解毒。,（一）肠道细菌通过脱羧基作用产生胺类,苯丙氨酸,苯乙胺,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或尿素酶的作用产生氨,降低肠道pH，NH3转变为NH4+以胺盐形式排出，可
9、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，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
10、。,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,二、外源性
11、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 库,氨基酸代谢概况,三、联合脱氨基作用是体内主要的脱氨基途径,脱氨基作用 指氨基酸脱去-氨基生成相应-酮酸的过程。,脱氨基方式,转氨基作用 氧化脱氨基 联合脱氨基 非氧化脱氨基,（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
12、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。,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、苏氨酸除外。,反应可逆，平衡常数接近于1，逆反应是某些非必需氨基酸的合成途径,反应实质：只有氨基的转移，没有氨基的脱落,氨基的接受体:-酮戊二酸 、草酰乙酸、丙酮酸,正常人各组织中GPT及GOT 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。,血清ALT：肝炎、药物性肝坏死、肝癌、肝硬化等 血清AST ：心肌梗死、心肌炎等,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
13、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。,转氨基作用的生理意义,（二）氧化脱氨基作用,1.定义: 氨基酸通过脱氢、水解产生-酮酸和氨的过程,称为氧化脱氨基作用。 2.反应过程: 3.酶类: 氨基酸氧化酶:是一种需氧脱氢酶，以FAD或FMN为辅基，脱下的氢原子交给O2，生成H2O2。该酶活性不高，种类少,存在的部位局限，故意义不大。, 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,
14、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,类型, 转氨基偶联氧化脱氨基作用, 转氨基偶联嘌呤核苷酸循环, 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。,苹果酸,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, 氨基酸通过嘌呤核苷酸循环脱去氨基（心肌、骨骼肌）,三、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
15、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,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,第四节 氨的代谢,Metabolism of Ammonia,氨是机体正常代谢产物，具有毒性,可以诱发肝性脑病。 体内的氨主要在肝合成尿素(urea)而解毒。 正常人血氨浓度一般在20- 60mol/L。,一、体内氨的重要来源和去路,氨基酸脱氨基作用和胺类分解均可产生氨
16、,氨基酸脱氨基作用产生的氨是体内氨的主要来源。,（一）氨的来源,肾小管上皮细胞分泌的氨主要来自谷氨酰胺,肠道细菌腐败作用产生氨,故临床对高氨血症病人禁用碱性肥皂水灌肠，可用弱酸性透析液作结肠透析，以减少氨的吸收。,（二） 血氨的去路, 在肝内合成尿素。（这是最主要的去路）, 合成非必需氨基酸及其它含氮化合物, 合成谷氨酰胺, 肾小管泌氨,分泌的NH3在酸性条件下生成NH4+，随尿排出。,故临床对肝硬化腹水病人应用酸性利尿药，以促进氨的排出。,氨的来源去路总结,胺类分解,肾小管泌氨,二、氨在血液中以丙氨酸及谷氨酰胺的形式转运,（一）通过丙氨酸-葡萄糖循环氨从肌肉运往肝,生理意义,肌肉中氨以无毒的
17、丙氨酸形式运输到肝。 肝为肌肉提供葡萄糖。,反应过程,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）通过谷氨酰胺氨从脑和肌肉等组织运往肝或肾,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,脑，肌肉,肝，肾,（一）Krebs提出尿素是通过鸟氨酸循环合成的学说,尿素生成的过程由Hans Krebs 和Kurt Henseleit 提出，称为鸟氨酸循环(orinithine cycle)，又称尿
18、素循环(urea cycle)或Krebs- Henseleit循环。,三、氨在肝合成尿素是氨的主要去路,1、 NH3、CO2和ATP缩合生成氨基甲酰磷酸,反应在线粒体中进行,（二）肝中鸟氨酸循环合成尿素的详细步骤,反应由氨基甲酰磷酸合成酶(carbamoyl phosphate synthetase, CPS-)催化。 N-乙酰谷氨酸为其激活剂，反应消耗2分子ATP。,N-乙酰谷氨酸(AGA),2、氨基甲酰磷酸与鸟氨酸反应生成瓜氨酸,鸟氨酸氨基甲酰转移酶,H3PO4,+,氨基甲酰磷酸,反应由鸟氨酸氨基甲酰转移酶(ornithine carbamoyl transferase, OCT)催化，
19、OCT常与CPS-构成复合体。 反应在线粒体中进行，瓜氨酸生成后进入胞液。,3、瓜氨酸与天冬氨酸反应生成精氨酸代琥珀酸,反应在胞液中进行。,+,天冬氨酸,精氨酸代琥珀酸,精氨酸,延胡索酸,精氨酸代琥珀酸裂解酶,精氨酸代琥珀酸,4、精氨酸代琥珀酸裂解生成精氨酸和延胡索酸,反应在胞液中进行。,5、精氨酸水解释放尿素并再生成鸟氨酸,反应在胞液中进行。,鸟氨酸循环,反应小结：,主要合成器官：肝脏 尿素中氨的来源：2 分子氨，一个来自于游离氨，另一个来自天冬氨酸。 过程：鸟氨酸循环（反应部位：线粒体和胞液） 耗能：4 个高能磷酸键。 关键酶：氨基甲酰磷酸合成酶1，精氨酸代琥珀酸合成酶。 意义：解毒,1、
20、高蛋白质膳食促进尿素合成 2、AGA激活 CPS-启动尿素合成 3、精氨酸代琥珀酸合成酶活性促进尿素合成,（三）尿素合成受膳食蛋白质和两种限速酶活性的调节,血氨浓度升高称高血氨症(hyperammonemia),高血氨症时可引起脑功能障碍，称氨中毒(ammonia poisoning)。,（四）尿素合成障碍可引起高血氨症与氨中毒,常见于肝功能严重损伤或尿素合成相关酶的遗传缺陷。,TAC ,脑供能不足,脑内-酮戊二酸,氨中毒的可能机制,肝功能血氨,高氨血症的处理：,1、限制蛋白质的摄入 2、抑制肠道细菌 3、酸性透析液灌肠 4、酸性利尿药利尿 5、静注谷氨酸盐和精氨酸盐,第五节 个别氨基酸的代谢
21、,Metabolism of Individual Amino Acids,一、氨基酸的脱羧基作用产生特殊的胺类化合物,脱羧基作用(decarboxylation),（一）谷氨酸经谷氨酸脱羧酶催化生成-氨基丁酸(-aminobutyric acid, GABA),GABA是抑制性神经递质，对中枢神经有抑制作用。 VB6是该酶的辅酶，因此临床上用VB6神经性妊娠呕吐及小儿抽搐。,（二）组氨酸经组氨酸脱羧酶催化生成组胺 (histamine),组胺是强烈的血管舒张剂，可增加毛细血管的通透性，还可刺激胃蛋白酶原及胃酸的分泌。,（三）色氨酸经5-羟色胺酸生成5-羟色胺 (5-hydroxytrypta
22、mine, 5-HT),5-HT在脑内作为神经递质起，抑制作用；在外周组织有收缩血管的作用。,（四）某些氨基酸的脱羧基作用可产生多胺类(polyamines)物质,多胺是调节细胞生长的重要物质。,二、某些氨基酸在分解代谢中产生一碳单位,一碳单位的定义,（一）四氢叶酸作为一碳单位的运载体参与一碳单位代谢,某些氨基酸在分解代谢过程中产生的含有一个碳原子的基团，称为一碳单位(one carbon unit)。,一碳单位的种类,甲基 (methyl) -CH3 甲烯基 (methylene) -CH2- 甲炔基 (methenyl) -CH= 甲酰基 (formyl) -CHO 亚胺甲基 (formi
23、mino) -CH=NH,特点：不能游离存在，以FH4为载体参与反应。,FH4的生成,一碳单位的辅酶： FH4,FH4携带一碳单位的形式,（一碳单位通常是结合在FH4分子的N5、N10位上）,一碳单位主要来源于丝氨酸、甘氨酸、组氨酸及色胺酸的分解代谢,（二）由氨基酸产生的一碳单位可相互转变,一碳单位的互相转变,N10CHOFH4,N5, N10=CHFH4,N5, N10CH2FH4,N5CH3FH4,N5CH=NHFH4,H+,H2O,NADPH+H+,NADP+,NADH+H+,NAD+,NH3,（三）一碳单位的主要功能是参与嘌呤、嘧啶的合成,N10-CHO-FH4与N5,N10=CH-F
24、H4分别为嘌呤合成提供C2与C8，N5,N10-CH2-FH4为胸腺嘧啶核苷酸合成提供甲基。 把氨基酸代谢和核酸代谢联系起来。,三、含硫氨基酸的代谢是相互联系的,胱氨酸,甲硫氨酸,半胱氨酸,（一）甲硫氨酸参与甲基转移,1、甲硫氨酸转甲基作用与甲硫氨酸循环有关,腺苷转移酶,PPi+Pi,+,甲硫氨酸,ATP,S腺苷甲硫氨酸(SAM),甲基转移酶,RH,RCH3,腺苷,SAM,S腺苷同型半胱氨酸,同型半胱氨酸,SAM为体内甲基的直接供体,甲硫氨酸循环(methionine cycle),甲基直接供体,甲基间接供体,蛋氨酸循环总结 1.甲基的直接供体：SAM 2.甲基的间接供体：N5-CH3-FH4
25、 3.同型半胱氨酸转变为蛋氨酸是体内利用N5-CH3-FH4 的重要化学反应。需要维生素B12参加，维生素B12缺乏可以产生巨幼红细胞贫血。 4.蛋氨酸是生糖氨基酸和营养必需氨基酸。,2、甲硫氨酸为肌酸合成提供甲基,肌酸以甘氨酸为骨架，由精氨酸提供脒基， SAM提供甲基而合成。,肌酸(creatine)和磷酸肌酸(creatine phosphate)是能量储存、利用的重要化合物。 肝是合成肌酸的主要器官。 肌酸在肌酸激酶的作用下，转变为磷酸肌酸。 肌酸和磷酸肌酸代谢的终产物为肌酸酐(creatinine)。,（三）半胱氨酸代谢可产生多种重要的生理活性物质,1、半胱氨酸与胱氨酸可以互变,2、半
26、胱氨酸可转变成牛磺酸,牛磺酸是结合胆汁酸的组成成分之一。,3、半胱氨酸可生成活性硫酸根,PAPS为活性硫酸根，是体内硫酸基的供体。,四、芳香族氨基酸代谢可产生神经递质,1、苯丙氨酸羟化生成酪氨酸,此反应为苯丙氨酸的主要代谢途径。,（一）苯丙氨酸和酪氨酸代谢有联系又有区别,苯酮酸尿症(phenyl keronuria, PKU),体内苯丙氨酸羟化酶缺陷，苯丙氨酸不能正常转变为酪氨酸，苯丙氨酸经转氨基作用生成苯丙酮酸、苯乙酸等，并从尿中排出的一种遗传代谢病。,智力低下，60%患儿有脑电图异常，头发细黄，皮肤色淡和虹膜淡黄色，惊厥，尿有“发霉”臭味或鼠尿味。,苯丙氨酸羟化酶缺陷苯丙酮酸尿症,多巴醌,
27、吲哚醌,黑色素,聚合,黑色素(melanin) 的生成,2、酪氨酸转变为儿茶酚胺和黑色素或彻底氧化分解,皮肤乳白色，毛发淡黄或银白色，瞳孔淡红，虹膜淡灰或淡红，半透明视网膜缺乏色素。,酪氨酸酶缺陷白化病,儿茶酚胺(catecholamine) 的生成,S-腺苷同型半胱氨酸,帕金森病(Parkinson disease)患者多巴胺生成减少。,酪氨酸的分解代谢,体内代谢尿黑酸的酶先天缺陷时，尿黑酸分解受阻，可出现尿黑酸尿症。,酪氨酸代谢总结,（二）色氨酸的分解代谢可产生丙酮酸和乙酰乙酰CoA,色氨酸,5-羟色胺,一碳单位,丙酮酸 + 乙酰乙酰CoA,维生素 PP,五、支链氨基酸的分解有相似的代谢过程,支链氨基酸的分解代谢,三大营养素代谢小结：,1乙酰CoA的来源去路,2草酰乙酸来源去路,