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臨床執(zhí)業(yè)醫(yī)師考點(diǎn)：蛋白質(zhì)代謝
蛋白質(zhì)代謝指蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的代謝途徑。各種生物均含有水解蛋白質(zhì)的蛋白酶或肽酶，這些酶的專一性不同，但均能破壞肽鍵，使各種蛋白質(zhì)水解成其氨基酸成分的混合物。
第一節(jié) 概述
一、主要途徑
1. 蛋白質(zhì)代謝以氨基酸為核心，細(xì)胞內(nèi)外液中所有游離氨基酸稱為游離氨基酸庫(kù)，其含量不足氨基酸總量的1%，卻可反映機(jī)體氮代謝的概況。食物中的蛋白都要降解為氨基酸才能被機(jī)體利用，體內(nèi)蛋白也要先分解為氨基酸才能繼續(xù)氧化分解或轉(zhuǎn)化。
2. 游離氨基酸可合成自身蛋白，可氧化分解放出能量，可轉(zhuǎn)化為糖類或脂類，也可合成其他生物活性物質(zhì)。合成蛋白是主要用途，約占75%，而蛋白質(zhì)提供的能量約占人體所需總能量的10-15%。蛋白質(zhì)的代謝平衡稱氮平衡，一般每天排出5克氮，相當(dāng)于30克蛋白質(zhì)。
3. 氨基酸通過(guò)特殊代謝可合成體內(nèi)重要的含氮化合物，如神經(jīng)遞質(zhì)、嘌呤、嘧啶、磷脂、卟啉、輔酶等。磷脂的合成需S-腺苷甲硫氨酸，氨基酸脫羧產(chǎn)生的胺類常有特殊作用，如5-羥色胺是神經(jīng)遞質(zhì)，缺少則易發(fā)生抑郁、自殺;組胺與過(guò)敏反應(yīng)有密切聯(lián)系。
二、消化
外源蛋白有抗原性，需降解為氨基酸才能被吸收利用。只有嬰兒可直接吸收乳汁中的抗體。
可分為以下兩步：
1. 胃中的消化：胃分泌的鹽酸可使蛋白變性，容易消化，還可激活胃蛋白酶，保持其最適pH，并能殺菌。胃蛋白酶可自催化激活，分解蛋白產(chǎn)生蛋白胨。胃的消化作用很重要，但不是必須的，胃全切除的人仍可消化蛋白。
2. 腸是消化的主要場(chǎng)所。腸分泌的碳酸氫根可中和胃酸，為胰蛋白酶、糜蛋白酶、彈性蛋白酶、羧肽酶、氨肽酶等提供合適環(huán)境。腸激酶激活胰蛋白酶，再激活其他酶，所以胰蛋白酶起核心作用，胰液中有抑制其活性的小肽，防止在細(xì)胞中或?qū)Ч苤羞^(guò)早激活。外源蛋白在腸道分解為氨基酸和小肽，經(jīng)特異的氨基酸、小肽轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)入腸上皮細(xì)胞，小肽再被氨肽酶、羧肽酶和二肽酶徹底水解，進(jìn)入血液。所以飯后門靜脈中只有氨基酸。
三、內(nèi)源蛋白的降解
1. 內(nèi)源蛋白降解速度不同，一般代謝中關(guān)鍵酶半衰期短，如多胺合成的限速酶-鳥(niǎo)氨酸脫羧酶半衰期只有11分鐘，而血漿蛋白約為10天，膠原為1000天。體重70千克的成人每天約有400克蛋白更新，進(jìn)入游離氨基酸庫(kù)。
2. 內(nèi)源蛋白主要在溶酶體降解，少量隨消化液進(jìn)入消化道降解，某些細(xì)胞器也有蛋白酶活性。內(nèi)源蛋白是選擇性降解，半衰期與其組成和結(jié)構(gòu)有關(guān)。有人認(rèn)為N-末端組成對(duì)半衰期有重要影響(N-末端規(guī)則)，也有人提出半衰期短的蛋白都含有一個(gè)富含脯氨酸、谷氨酸、絲氨酸和蘇氨酸的區(qū)域(PEST區(qū)域)。如研究清楚，就可能得到穩(wěn)定的蛋白質(zhì)產(chǎn)品。
四、氨基酸的吸收
食用蛋白質(zhì)后15分鐘就有氨基酸進(jìn)入血液，30到50分鐘達(dá)到最大。氨基酸的吸收與葡萄糖類似，有以下方式：
1. 需要載體的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，需要鈉，消耗離子梯度的勢(shì)能。已發(fā)現(xiàn)6種載體，運(yùn)載不同側(cè)鏈種類的氨基酸。
2. 基團(tuán)轉(zhuǎn)運(yùn)，需要谷胱甘肽，每轉(zhuǎn)運(yùn)一個(gè)氨基酸消耗3個(gè)ATP，而用載體轉(zhuǎn)運(yùn)只需三分之一個(gè)。此途徑為備用的旁路，一般無(wú)用。
第二節(jié) 脫氨和脫羧
氨基酸失去氨基稱為脫氨，是機(jī)體氨基酸分解代謝的第一步。絕大多數(shù)氨基酸先脫氨生成a-酮酸，再氧化或轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)。有氧化脫氨和非氧化脫氨兩類，前者普遍存在，后者存在于某些微生物。
一、氧化脫氨
(一)過(guò)程：氨基酸在氨基酸氧化酶催化下脫氫生成亞氨基酸，再水解生成酮酸和氨。脫下的氫由黃素蛋白傳遞給氧，生成過(guò)氧化氫，再分解為水和氧�？偡磻�(yīng)如下：
2氨基酸+O2=2酮酸+2NH3
過(guò)氧化氫也可氧化酮酸生成脂肪酸和二氧化碳。
(二)有關(guān)酶
1. L-氨基酸氧化酶：可催化多數(shù)氨基酸，但甘氨酸、側(cè)鏈含羥基、羧基、氨基的氨基酸無(wú)效，需專門的酶。以FAD或FMN為輔基，人的酶以FMN為輔基。
2. D-氨基酸氧化酶：存在于肝、腎，以FAD為輔基。
3. 氧化專一氨基酸的酶：如甘氨酸氧化酶、D-天冬氨酸氧化酶、L-谷氨酸脫氫酶等。后者重要，分布廣泛，活力高，受別構(gòu)調(diào)節(jié)，能量不足時(shí)激活，加快氧化。以NAD或NADP為輔酶，不需氧，通過(guò)呼吸鏈再生。在體外可用于合成味精。
二、非氧化脫氨
1. 還原脫氨：嚴(yán)格無(wú)氧時(shí)氫化酶催化生成羧酸和氨。
2. 水解脫氨：水解酶催化，生成a-羥酸和氨。
3. 脫水脫氨：絲氨酸和蘇氨酸在脫水酶催化下生成烯，重排成亞氨基酸，自發(fā)水解生成酮酸和氨。脫水酶以磷酸吡哆醛為輔基。
4. 脫巰基脫氨：半胱氨酸在脫硫氫基酶催化下脫去硫化氫，重排、水解，生成丙酮酸和氨。
5. 氧化-還原脫氨：兩個(gè)氨基酸一個(gè)氧化，一個(gè)還原，脫去兩個(gè)氨，生成酮酸和脂肪酸。
三、脫酰胺作用
谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶可催化脫酰胺，生成相應(yīng)的氨基酸。此酶分布廣泛，專一性強(qiáng)。
四、轉(zhuǎn)氨基作用
1. 定義：指a-氨基酸和酮酸之間氨基的轉(zhuǎn)移作用。氨基酸的a-氨基轉(zhuǎn)移到酮酸的酮基上，生成酮酸，原來(lái)的酮酸形成相應(yīng)的氨基酸。轉(zhuǎn)氨作用普遍存在，除甘氨酸、賴氨酸、蘇氨酸和脯氨酸外都參與轉(zhuǎn)氨，對(duì)其分解及合成有重要作用。
2. 轉(zhuǎn)氨酶：種類很多，多需要谷氨酸，對(duì)另一個(gè)氨基酸要求不嚴(yán)，以活力最大的命名。其反應(yīng)是可逆的，由濃度控制。都含磷酸吡哆醛，乒乓機(jī)制。吡哆醛還參與脫羧、脫水、脫硫化氫及消旋等反應(yīng)。
五、聯(lián)合脫氨
指脫氨與轉(zhuǎn)氨聯(lián)合，是氨基酸降解的主要方式，有兩種方式：
1. 氨基酸先轉(zhuǎn)氨生成谷氨酸，再由谷氨酸脫氫酶脫去氨基。普遍存在。
2. 腺苷酸循環(huán)：氨基轉(zhuǎn)給谷氨酸，再生成天冬氨酸，與次黃嘌呤核苷一磷酸生成腺苷酸代琥珀酸，再裂解成腺苷酸和延胡索酸。腺苷酸水解成次黃嘌呤核苷酸，放出氨;延胡索酸水化、氧化再生草酰乙酸。此途徑主要存在于肌肉和腦，其腺苷酸脫氨酶活性較高。肝臟谷氨酸脫氫酶活力高，但90%轉(zhuǎn)化為天冬氨酸。
六、脫羧
少數(shù)氨基酸先脫羧生成一級(jí)胺。此反應(yīng)由脫羧酶催化，含磷酸吡哆醛，專一性強(qiáng)，每種酶只催化一種L-氨基酸。此酶在各種組織中普遍存在，生成的胺有重要生理作用，如腦中谷氨酸脫羧生成的g-氨基丁酸是神經(jīng)遞質(zhì)。
第三節(jié) 氮的排泄
氨對(duì)機(jī)體有毒，特別是對(duì)腦。血液中1%的氨即可使神經(jīng)中毒。水生動(dòng)物可直接排氨，陸生動(dòng)物排溶解度較小的尿素，卵生動(dòng)物排不溶的尿酸。
一、氨的轉(zhuǎn)運(yùn)
(一)谷氨酰胺合成酶將氨與谷氨酸合成谷氨酰胺，消耗一個(gè)ATP。谷氨酰胺中性無(wú)毒，容易通過(guò)細(xì)胞膜，進(jìn)入血液運(yùn)到肝臟后被谷氨酰胺酶分解，放出氨。
(二)肌肉通過(guò)葡萄糖-丙氨酸循環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)氨。氨經(jīng)谷氨酸轉(zhuǎn)給丙氨酸，運(yùn)到肝后再轉(zhuǎn)氨生成谷氨酸。丙酮酸異生為葡萄糖返回肌肉。這樣肌肉活動(dòng)產(chǎn)生的丙酮酸和氨都得到處理，一舉兩得。
二、尿素的生成
1. 在線粒體中氨甲酰磷酸合成酶I將氨和CO2合成氨甲酰磷酸，消耗2個(gè)ATP。N-乙酰谷氨酸是此酶的正調(diào)節(jié)物。酶II在細(xì)胞質(zhì)，與核苷酸的合成有關(guān)。
2. 氨甲酰磷酸與鳥(niǎo)氨酸形成瓜氨酸和磷酸，由鳥(niǎo)氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶催化，需鎂離子。
3. 瓜氨酸出線粒體，進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，與天冬氨酸生成精氨琥珀酸。精氨琥珀酸合成酶需鎂離子，消耗1個(gè)ATP的兩個(gè)高能鍵。
4. 精氨琥珀酸裂解酶催化其裂解，生成精氨酸和延胡索酸。
5. 精氨酸酶催化水解生成鳥(niǎo)氨酸和尿素。
6. 總反應(yīng)為：
NH4++CO2+3ATP+Asp+2H2O=尿素+延胡索酸+2ADP+2Pi+AMP+Ppi
共除去2分子氨和1分子CO2，消耗4個(gè)高能鍵。前兩步在線粒體中進(jìn)行，可避免氨進(jìn)入血液引起神經(jīng)中毒。此途徑稱為尿素循環(huán)或鳥(niǎo)氨酸循環(huán)，缺乏有關(guān)酶會(huì)中毒死亡。
三、其他途徑
爬蟲和鳥(niǎo)排泄不溶的尿酸，可保持水，但耗能高。具體見(jiàn)核酸代謝。此外，蜘蛛排鳥(niǎo)嘌呤，某些魚排氧化三甲胺，高等植物合成谷氨酰胺和天冬酰胺，儲(chǔ)存體內(nèi)。
第四節(jié) 碳架氧化
20種氨基酸分別以5種物質(zhì)進(jìn)入三羧酸循環(huán)：丙氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、甘氨酸、半胱氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、亮氨酸、賴氨酸和色氨酸生成乙酰輔酶A，精氨酸、組氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸和谷氨酸生成a-酮戊二酸，甲硫氨酸、異亮氨酸、纈氨酸生成琥珀酰輔酶A;苯丙氨酸和酪氨酸還生成延胡索酸;天冬氨酸和天冬酰胺生成草酰乙酸。分解主要在肝和腎進(jìn)行，某些中間物可轉(zhuǎn)化為糖、酮體及生物活性物質(zhì)，見(jiàn)下節(jié)。氨基酸脫羧形成胺后不能進(jìn)入三羧酸循環(huán)。
一、乙酰輔酶A途徑
(一)由丙酮酸生成乙酰輔酶A
1. 丙氨酸：由谷丙轉(zhuǎn)氨酶轉(zhuǎn)氨生成丙酮酸
2. 絲氨酸：脫水脫氨生成丙酮酸，由絲氨酸脫水酶催化，含磷酸吡哆醛。
3. 甘氨酸：可接受羥甲基，轉(zhuǎn)變成絲氨酸。由絲氨酸轉(zhuǎn)羥甲基酶催化，以磷酸吡哆醛為輔基，甲烯基四氫葉酸為供體，需錳。此途徑主要作為絲氨酸的合成途徑，甘氨酸的分解主要是作為一碳單位供體，由甘氨酸裂解酶裂解生成甲烯基四氫葉酸和二氧化碳及氨，次要途徑是氧化脫氨生成乙醛酸，再氧化成甲酸或草酸。甘氨酸與谷胱甘肽、肌酸、膽堿、嘌呤、卟啉的合成都有關(guān)系。
4. 蘇氨酸：由蘇氨酸醛縮酶裂解成甘氨酸和乙醛，乙醛可氧化成乙酸再生成乙酰輔酶A。也可脫水生成a-酮丁酸，或脫去脫羧形成氨基丙酮。
5. 半胱氨酸：可轉(zhuǎn)氨生成b-巰基丙酮酸，再由轉(zhuǎn)硫酶脫去硫化氫生成丙酮酸。也可先氧化成半胱氨酸亞磺酸，再轉(zhuǎn)氨、脫去亞硫酸形成丙酮酸。產(chǎn)生的硫化氫要氧化成亞硫酸，再氧化成硫酸，由尿排出。
(二)由乙酰乙酰輔酶A生成乙酰輔酶A
1. 苯丙氨酸：由苯丙氨酸-4-單加氧酶催化生成酪氨酸，消耗一個(gè)NADPH。
2. 酪氨酸：先轉(zhuǎn)氨生成4-羥苯丙酮酸，再氧化、脫羧、開(kāi)環(huán)，裂解成延胡索酸和乙酰乙酸。延胡索酸進(jìn)入三羧酸循環(huán)，乙酰乙酸由琥珀酰輔酶A活化生成乙酰乙酰輔酶A，硫解形成兩個(gè)乙酰輔酶A。
3. 亮氨酸：先轉(zhuǎn)氨、脫羧生成異戊酰輔酶A，再脫氫、末端羧化、加水生成羥甲基戊二酰輔酶A(HMG CoA)，裂解成乙酰乙酸和乙酰輔酶A。
4. 賴氨酸：先由兩條途徑生成L-a-氨基己二酸半醛，其一是與a-酮戊二酸縮合成酵母氨酸，再放出谷氨酸;其二是先脫去a氨基再環(huán)化、開(kāi)環(huán)，將氨基轉(zhuǎn)移到a位。生成半醛后氧化成酸，轉(zhuǎn)氨生成a-酮己二酸，脫羧生成戊二酰輔酶A，脫氫、脫羧形成巴豆酰輔酶A，最后水化、脫氫成乙酰乙酰輔酶A。
5. 色氨酸：較復(fù)雜，先氧化，依次脫去甲醛、丙氨酸，最后形成a-酮己二酸，生成乙酰乙酰輔酶A。其11個(gè)碳原子共生成一個(gè)乙酰乙酰輔酶A，一個(gè)，4個(gè)二氧化碳和一個(gè)甲酸。
二、a-酮戊二酸途徑
由精氨酸、組氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸和谷氨酸5種。
1. 精氨酸：由精氨酸酶水解成鳥(niǎo)氨酸和尿素，再轉(zhuǎn)氨生成谷氨酸g半醛，由脫氫酶氧化成谷氨酸，轉(zhuǎn)氨或脫氨形成。a-酮戊二酸。
2. 組氨酸：組氨酸分解酶脫去氨基形成尿刊酸，再水合、開(kāi)環(huán)生成N-甲亞氨基谷氨酸，谷氨酸轉(zhuǎn)甲亞氨酶催化轉(zhuǎn)給四氫葉酸，形成谷氨酸。
3. 谷氨酰胺：可由谷氨酰胺酶水解;可將酰胺轉(zhuǎn)給a-酮戊二酸，生成兩個(gè)谷氨酸;也可轉(zhuǎn)到a-酮戊二酸的g-羧基上，形成的g-酮谷酰胺酸可水解生成a-酮戊二酸。
4. 脯氨酸：先由脯氨酸氧化酶形成雙鍵，再加水開(kāi)環(huán)形成谷氨酸g半醛，用NAD氧化成谷氨酸。
三、琥珀酰輔酶A途徑
有甲硫氨酸、異亮氨酸和纈氨酸。
1. 甲硫氨酸：與ATP生成S-腺苷甲硫氨酸，轉(zhuǎn)甲基后水解，生成高半胱氨酸，在胱硫醚-b-合成酶催化下與絲氨酸合成胱硫醚，胱硫醚-g-分解酶催化脫去半胱氨酸和氨基，生成a-酮丁酸，脫羧成丙酰輔酶A，丙酰輔酶A羧化酶催化生成D-甲基丙二酰輔酶A，消旋酶生成L-型，變位生成琥珀酰輔酶A。
2. 異亮氨酸：轉(zhuǎn)氨，脫羧生成a-甲基丁酰輔酶A，經(jīng)b-氧化生成乙酰輔酶A和丙酰輔酶A，最后生成琥珀酰輔酶A。
3. 纈氨酸：轉(zhuǎn)氨，脫羧形成異丁酰輔酶A，脫氫、水化后再水解，生成b-羥異丁酸，脫氫生成甲基丙二酸半醛，氧化為甲基丙二酰輔酶A，再變位生成琥珀酰輔酶A。
四、延胡索酸途徑
苯丙氨酸和酪氨酸的部分碳鏈形成延胡索酸，另一部分為乙酰乙酸。
五、草酰乙酸途徑
天冬酰胺酶催化生成天冬氨酸，再轉(zhuǎn)氨生成草酰乙酸，進(jìn)入三羧酸循環(huán)。天冬酰胺酶可控制白血病。
六、生糖氨基酸和生酮氨基酸
生成乙酰乙酰輔酶A的苯丙氨酸、酪氨酸、亮氨酸、賴氨酸和色氨酸稱為生酮氨基酸;其他氨基酸稱為生糖氨基酸。苯丙氨酸和酪氨酸既生糖又生酮。因?yàn)楸峥缮梢阴］o酶A，再生酮，所以二者的界限并不是非常嚴(yán)格的。
第五節(jié) 氨基酸衍生物
一、一碳單位
(一)定義：含一個(gè)碳原子的基團(tuán)稱為一碳單位，甲烷和二氧化碳例外。主要有亞氨甲基、甲�；�、羥甲基、亞甲基(甲叉基、甲烯基)次甲基(甲川基、甲炔基)和甲基。
一碳單位是甲基供體，與腎上腺素、肌酸、膽堿、嘌呤、嘧啶等的合成有關(guān)。其載體是四氫葉酸，連接在5位和10位氮上。
(二)來(lái)源
1. 甘氨酸裂解酶裂解甘氨酸，生成甲烯基四氫葉酸和二氧化碳及氨。甘氨酸脫氨生成的乙醛酸可產(chǎn)生次甲基四氫葉酸，乙醛酸氧化生成的甲酸可生成甲�；臍淙~酸。
2. 蘇氨酸可分解產(chǎn)生甘氨酸，形成一碳單位。
3. 絲氨酸的b-碳可轉(zhuǎn)移到四氫葉酸上，生成亞甲基四氫葉酸和甘氨酸。
4. 組氨酸分解時(shí)產(chǎn)生亞氨甲酰谷氨酸，生成亞氨甲酰四氫葉酸。脫氨后產(chǎn)生次甲基四氫葉酸。
5. 甲硫氨酸生成的S-腺苷甲硫氨酸可提供甲基，產(chǎn)生的高半胱氨酸可從四氫葉酸接受甲基形成甲硫氨酸。可供給50種受體。
二、生物活性物質(zhì)
1. 酪氨酸與黑色素：酪氨酸酶先催化羥化，形成二羥苯丙氨酸，即多巴，再將多巴氧化成多巴醌，多巴醌可自發(fā)聚合形成黑色素。缺乏酪氨酸酶引起白化病。
2. 兒茶酚胺類激素：酪氨酸由酪氨酸羥化酶催化生成多巴，脫羧形成多巴胺，b-羥化形成去甲腎上腺素，再?gòu)腟-腺苷甲硫氨酸接受甲基形成腎上腺素。此三種激素稱為兒茶酚胺類激素，對(duì)心血管和神經(jīng)系統(tǒng)有重要作用。
3. 色氨酸羥化、脫羧形成5-羥色胺，是神經(jīng)遞質(zhì)，與神經(jīng)興奮、小動(dòng)脈和支氣管平滑肌收縮、胃腸道肽類激素的釋放有關(guān)。色氨酸脫氨脫羧可形成吲哚乙酸，是植物生長(zhǎng)激素。色氨酸分解的中間物可轉(zhuǎn)變?yōu)槟峥怂�，但合成率很低�?/p>
4. 肌酸合成：先由精氨酸和甘氨酸合成胍基乙酸，再由S-腺苷甲硫氨酸轉(zhuǎn)甲基，生成肌酸�？闪姿峄鳛閮�(chǔ)備能源，稱為磷酸原。
5. 組氨酸脫羧形成組胺，可使平滑肌舒張、微血管擴(kuò)張、胃酸分泌，引起支氣管哮喘、丘疹等過(guò)敏反應(yīng)。臨床用抗組胺藥物治療過(guò)敏。組胺還是感覺(jué)神經(jīng)遞質(zhì)。
6. 多胺合成：是堿性小分子，含多個(gè)氨基的長(zhǎng)鏈脂肪族化合物，如精胺、亞精胺、尸胺、腐胺等。鳥(niǎo)氨酸脫羧形成腐胺，再與S-腺苷甲硫氨酸生成亞精胺，再反應(yīng)則生成精胺。精胺有退熱降壓作用。多胺常與核酸并存，可能在轉(zhuǎn)錄和細(xì)胞分裂的調(diào)節(jié)中起作用。
7. 谷氨酸脫羧生成g-氨基丁酸，是有抑制作用的神經(jīng)遞質(zhì)，在生物體中廣泛存在。
8. 半胱氨酸氧化成磺基丙氨酸，脫羧形成牛磺酸�？尚纬膳；悄懰�，參與脂類吸收。
三、氨基酸代謝缺陷癥
缺乏代謝中的某種酶，可引起代謝缺陷癥，多為先天遺傳，已發(fā)現(xiàn)30多種。如缺乏苯丙氨酸-4-單加氧酶引起的苯丙酮尿癥，苯丙氨酸轉(zhuǎn)氨生成苯丙酮，聚集在血液中，由尿排出。在兒童時(shí)期限制攝入苯丙氨酸可防止智力遲鈍。缺乏尿黑酸氧化酶則酪氨酸生成尿黑酸，氧化成黑色物質(zhì)，稱為尿黑酸癥。缺乏a-酮異戊酸脫氫酶引起支鏈氨基酸代謝障礙，血和尿中支鏈氨基酸及其酮酸增多，稱為楓糖尿癥。
第六節(jié) 氨基酸的合成代謝
一、概述
20種基本氨基酸的生物合成途徑已基本闡明，其中人類不能合成的10種氨基酸，即苯丙氨酸、甲硫氨酸、蘇氨酸、色氨酸、賴氨酸、精氨酸、組氨酸、纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸稱為必須氨基酸。
氨基酸的合成途徑主要有以下5類：
1. 谷氨酸類型，由a-酮戊二酸衍生而來(lái)，有谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸和精氨酸，蕈類和眼蟲還可合成賴氨酸。
2. 天冬氨酸類型，由草酰乙酸合成，包括天冬氨酸、天冬酰胺、甲硫氨酸、蘇氨酸和異亮氨酸，細(xì)菌和植物還合成賴氨酸。
3. 丙酮酸衍生類型，包括丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸，為異亮氨酸和賴氨酸提供部分碳原子。
4. 絲氨酸類型，由3-磷酸甘油酸合成，包括絲氨酸、甘氨酸和半胱氨酸。
5. 其他，包括苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和組氨酸。
二、脂肪族氨基酸的合成
(一)谷氨酸類型
1. 谷氨酸：由a-酮戊二酸與氨經(jīng)谷氨酸脫氫酶催化合成，消耗NADPH，而脫氨時(shí)則生成NADH。
2. 谷氨酰胺：谷氨酰胺合成酶可催化谷氨酸與氨形成谷氨酰胺，消耗一個(gè)ATP，是氨合成含氮有機(jī)物的主要方式。此酶受8種含氮物質(zhì)反饋抑制，如丙氨酸、甘氨酸等，因?yàn)槠浒被鶃?lái)自谷氨酰胺。
谷氨酰胺可在谷氨酸合成酶催化下與a-酮戊二酸形成2個(gè)谷氨酸，這也是合成谷氨酸的途徑，比較耗費(fèi)能量，但谷氨酰胺合成酶Km小，可在較低的氨濃度下反應(yīng)，所以常用。
3. 脯氨酸：谷氨酸先還原成谷氨酸g-半醛，自發(fā)環(huán)化，再還原生成脯氨酸�？煽醋鞣纸獾哪孓D(zhuǎn)，但酶不同，如生成半醛時(shí)需ATP活化。
4. 精氨酸：谷氨酸先N-乙�；�，在還原成半醛，以防止環(huán)化。半醛轉(zhuǎn)氨后將乙�；D(zhuǎn)給另一個(gè)谷氨酸，生成鳥(niǎo)氨酸，然后與尿素循環(huán)相同，生成精氨酸。
5. 賴氨酸：蕈類和眼蟲以a-酮戊二酸合成賴氨酸，先與乙酰輔酶A縮合成高檸檬酸，異構(gòu)、脫氫、脫羧生成a-酮己二酸，轉(zhuǎn)氨，末端羧基還原成半醛，經(jīng)酵母氨酸轉(zhuǎn)氨生成賴氨酸。
(二)天冬氨酸類型
1. 天冬氨酸：由谷草轉(zhuǎn)氨酶催化合成。
2. 天冬酰胺：由天冬酰胺合成酶催化，谷氨酰胺提供氨基，消耗一個(gè)ATP的兩個(gè)高能鍵。細(xì)菌可利用游離氨。也消耗兩個(gè)。
3. 賴氨酸：細(xì)菌和植物先將天冬氨酸還原成半醛，再與丙酮酸縮合成環(huán)，還原后開(kāi)環(huán)并N-琥珀�；�，末端羧基轉(zhuǎn)氨后脫去琥珀酸，異構(gòu)，脫羧，形成賴氨酸。
4. 甲硫氨酸：先合成半醛，還原成高絲氨酸，再將羥基�；�。然后可由兩個(gè)途徑生成高半胱氨酸，一是在硫解酶催化下與硫化氫生成高半胱氨酸，二是與半胱氨酸合成胱硫醚，再裂解放出高半胱氨酸和丙酮酸。最后由5甲基四氫葉酸提供甲基，生成甲硫氨酸。胱硫醚途徑與分解時(shí)不同，合成時(shí)有琥珀酰基，分解時(shí)放出丙酮酸。
5. 蘇氨酸：天冬氨酸依次還原成半醛和高絲氨酸，被ATP磷酸化后由蘇氨酸合成酶水解生成蘇氨酸。
6. 異亮氨酸：有4個(gè)碳來(lái)自天冬氨酸，2個(gè)來(lái)自丙酮酸，一般列入天冬氨酸類型，但其合成與纈氨酸類似，見(jiàn)下。
(三)丙酮酸衍生物類型
1. 丙氨酸：由谷丙轉(zhuǎn)氨酶合成，反應(yīng)可逆，無(wú)反饋抑制。
2. 纈氨酸：丙酮酸脫羧、氧化成乙酰TPP，與另一個(gè)丙酮酸縮合，形成α-乙酰乳酸，然后甲基移位，脫水形成α-酮異戊酸，轉(zhuǎn)氨生成纈氨酸。
3. 異亮氨酸：蘇氨酸脫水脫氨生成α-酮丁酸，然后與纈氨酸相同，與活性乙醛縮合，移位、脫水、轉(zhuǎn)氨，生成異亮氨酸。
4. 亮氨酸：開(kāi)始與纈氨酸相同，形成α-酮異戊酸后與乙酰輔酶A合成α-異丙基蘋果酸，異構(gòu)、脫氫、脫羧，形成α-酮異己酸，轉(zhuǎn)氨生成亮氨酸。
(四)絲氨酸類型
1. 絲氨酸：3-磷酸甘油酸脫氫生成3-磷酸羥基丙酮酸，轉(zhuǎn)氨生成3-磷酸絲氨酸，水解形成絲氨酸。
2. 甘氨酸：絲氨酸經(jīng)絲氨酸轉(zhuǎn)羥甲基酶催化，形成甲叉FH4和甘氨酸。
3. 半胱氨酸：某些植物和微生物由O-乙酰絲氨酸和H2S反應(yīng)生成，其H2S由硫酸還原而來(lái)。動(dòng)物則由高半胱氨酸與絲氨酸合成胱硫醚，再分解成半胱氨酸和α-酮丁酸，與甲硫氨酸的分解相同。
三、芳香族氨基酸的合成
(一)形成分枝酸：芳香族氨基酸由植物和微生物合成，分枝酸是其共同前體。赤蘚糖-4-磷酸與磷酸烯醇式丙酮酸縮合，生成莽草酸后與另一個(gè)PEP形成分枝酸，稱為莽草酸途徑。
(二)苯丙氨酸：分枝酸變位生成預(yù)苯酸，脫水脫羧形成苯丙酮酸，再轉(zhuǎn)氨生成苯丙氨酸。
(三)酪氨酸：分枝酸變位，氧化脫羧形成對(duì)羥苯丙酮酸，轉(zhuǎn)氨生成酪氨酸。也可由苯丙氨酸羥化形成。苯丙氨酸和酪氨酸的合成稱為預(yù)苯酸支路。
(四)色氨酸：分枝酸接受谷氨酰胺的氨基，生成鄰氨基苯甲酸，再與磷酸核糖焦磷酸(PRPP)縮合，核糖的C1與氨基相連，由焦磷酸水解驅(qū)動(dòng)。然后核糖部分重排，脫水脫羧，生成吲哚-3-甘油磷酸，甘油被絲氨酸取代即生成色氨酸，由色氨酸合成酶催化。色氨酸的C1、C6來(lái)自PEP，2、3、4、5位來(lái)自赤蘚糖，7、8位來(lái)自核糖，氮來(lái)自谷氨酰胺，吲哚以外來(lái)自絲氨酸。
四、組氨酸合成
首先PRPP的C1與ATP的N1相連，脫去焦磷酸后開(kāi)環(huán)，分解，放出5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸，用于合成嘌呤。留下的咪唑甘油磷酸經(jīng)氧化、轉(zhuǎn)氨、脫磷酸形成組氨醇，氧化生成組氨酸。
五、氨基酸合成的調(diào)節(jié)
(一)產(chǎn)物的反饋調(diào)節(jié)
1. 簡(jiǎn)單反饋抑制：如由蘇氨酸合成異亮氨酸，異亮氨酸抑制蘇氨酸脫氨酶。
2. 協(xié)同抑制：如谷氨酰胺合成酶受8種物質(zhì)抑制。
3. 多重抑制：催化PEP與赤蘚糖-4-磷酸縮合的醛縮酶由三種同工酶，分別受三種產(chǎn)物的抑制。
4. 連續(xù)反饋抑制：產(chǎn)物抑制某中間過(guò)程，使其底物積累，抑制前面的反應(yīng)。如半胱氨酸和甲硫氨酸等合成。
5. 其他：甘氨酸的合成受一碳單位和FH4的調(diào)節(jié)，丙氨酸、谷氨酸和天冬氨酸不受反饋抑制，與其酮酸保持可逆平衡。
(二)酶量調(diào)節(jié)：一些酶的合成受產(chǎn)物阻遏，如大腸桿菌的甲硫氨酸合成中的某些酶。阻遏調(diào)節(jié)速度較慢。
第七節(jié) 氨基酸衍生物的合成
一、谷胱甘肽
(一)功能：作為還原劑，保護(hù)紅細(xì)胞等不被氧化損傷。一般還原型與氧化型的比值為500。谷胱甘肽與過(guò)氧化物反應(yīng)可解毒。谷胱甘肽還參與氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)。
(二)合成：谷氨酸的γ-羧基與半胱氨酸生成肽鍵，再與甘氨酸反應(yīng)生成谷胱甘肽。共消耗2個(gè)ATP。
二、肌酸
需甘氨酸、精氨酸和甲硫氨酸，精氨酸提供胍基，甲硫氨酸提供甲基。
三、卟啉
(一)在線粒體中，甘氨酸與琥珀酰輔酶A縮合，生成5-氨基乙酰丙氨酸(ALA)，ALA合成酶含磷酸吡哆醛，是限速酶，受血紅素抑制。
(二)ALA從線粒體進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，2個(gè)縮合成一分子膽色素原，由ALA脫水酶催化。4分子膽色素原首尾相連，形成線性四吡咯，再環(huán)化，改變側(cè)鏈和飽和度，生成原卟啉IX，與Fe2+螯合，生成血紅素。如缺乏某些酶，可引起中間物積累，稱為卟啉癥。
(三)分解：?jiǎn)渭友趺甘寡t素?cái)嗔眩纬删�性的膽綠素，放出CO。膽綠素還原生成膽紅素，是青腫傷痕變色的原因。膽紅素在肝臟與2個(gè)葡萄糖醛酸結(jié)合，增加溶解度，從膽汁進(jìn)入腸道。血紅素中的鐵可再循環(huán)。
名詞解釋：
生物固氮作用(biological nitrogen fixatio)：大氣中的氮被原還為氨的過(guò)程。生物固氮只發(fā)生在少數(shù)的細(xì)菌和藻類中。
尿素循環(huán)(urea cycle)：是一個(gè)由4步酶促反應(yīng)組成的，可以將來(lái)自氨和天冬氨酸的氮轉(zhuǎn)化為尿素的循環(huán)。循環(huán)是發(fā)生在脊椎動(dòng)物的肝臟中的一個(gè)代謝循環(huán)。
脫氨(deamination)：在酶的催化下從生物分子(氨基酸或核苷酸)中除去氨基的過(guò)程。
氧化脫氨(oxidative deamination)：α-氨基酸在酶的催化下脫氨生成相應(yīng)的α-酮酸的過(guò)程。氧化脫氨實(shí)際上包括氧化和脫氨兩個(gè)步驟。(脫氨和水解)
轉(zhuǎn)氨(transamination)：一個(gè)α-氨基酸的α-氨基借助轉(zhuǎn)氨酶的催化作用轉(zhuǎn)移到一個(gè)α-酮酸的過(guò)程。
乒乓反應(yīng)(ping-pong reaction)：在該反應(yīng)中，酶結(jié)合一個(gè)底物并釋放一個(gè)產(chǎn)物，留下一個(gè)取代酶，然后該取代酶再結(jié)合第二個(gè)底物和釋放出第二個(gè)產(chǎn)物，最后酶恢復(fù)到它的起始狀態(tài)。
生糖氨基酸(glucongenic amino acid)：降解可生成能作為糖異生前體的分子，例如丙酮酸或檸檬酸循環(huán)中間代謝物的氨基酸。
生酮氨基酸(acetonegenic amino acid)：降解可生成乙酰CoA或酮體的氨侉酸。
苯酮尿癥(phenylketonuria)：是由于苯丙氨酸羥化酶缺乏引起苯丙酸堆積的代謝遺傳病。缺乏丙酮酸羥化酶，苯丙氨酸只能靠轉(zhuǎn)氨生成苯丙酮酸，病人尿中排出大量苯丙酮酸。苯丙酮酸堆積對(duì)神經(jīng)有毒害，使智力發(fā)肓出現(xiàn)障礙。
尿黑酸癥(alcaptonuria)：是酪氨酸代謝中缺乏尿黑酸酶引起的代謝遺傳病。這種病人的尿中含有尿黑酸，在堿性條件下暴露于氧氣中，氧化并聚合為類似于黑色素的物質(zhì)，從而使尿成黑色。
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