讨论:氨基酸分解代谢
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总论
- 肉食性动物刚进食后，可有90%的能量从氨基酸获得。
- 草食性动物从氨基酸获得的能量较少。
- 植物一般不从氨基酸获得能量，但它们仍需代谢氨基酸，目的是为其它通路提供原料。（植物一般只用光合作用作为唯一能量来源）
- 氨基酸不能在动物体内储存，进食后多余的会立即被分解。
- 其它被分解的氨基酸来源：细胞中蛋白质降解、饥饿和糖尿病时（葡萄糖不能作为能源时）动用细胞内蛋白质作能源。
- 脊椎动物中，氨基酸分解主要发生于肝。
蛋白质的消化
- 将食物中的蛋白质分解为氨基酸发生于胃和小肠。
- 食物进入胃中，刺激胃分泌促胃液素（Gastrin）。
- 促胃液素刺激胃壁细胞（Parietal Cell）分泌盐酸、胃领细胞（Chief Cell）分泌胃蛋白酶原（Pepsinogen）。
- 对于食物，胃液有杀菌、使蛋白变性（易于切割）的功能。
- 胃蛋白酶原在pH较低时发生自我剪切，成为有活性的胃蛋白酶。
- 消化液进入小肠时，刺激小肠向血液分泌促胰液素（Secretin）。
- 促胰液素刺激胰腺通过胰管向小肠分泌碳酸氢根，将消化液pH调节至7。
- 消化液到达十二指肠，刺激小肠向血液分泌胆囊收缩素（Cholecystokinin）。
- 胆囊收缩素刺激胰腺通过胰管向小肠分泌多种消化酶：肠激酶、胰蛋白酶原（Trypsinogen）、糜蛋白酶原（Chymotrypsinogen）、羧肽酶原（A和B型）（Procarboxypeptidase A,B）。
- 肠激酶激活胰蛋白酶原，胰蛋白酶原则可激活其它胰蛋白酶原、糜蛋白酶原、羧肽酶原。
- 胰腺自身分泌胰腺胰蛋白酶抑制剂（Pancreatic Trypsin Inhibitor），防止胰蛋白酶原在胰腺内被激活。
- 胃蛋白酶切割亮、苯、色、酪
氨酸的N端肽键。
- 胰蛋白酶切割赖、精氨酸的C端肽键。
- 糜蛋白酶切割苯、色、酪氨酸的C端肽键。
- 羧肽酶从C端逐个切下氨基酸。A型羧肽酶倾向于结合含亮、异、缬、苯、色、酪氨酸的蛋白质；B型羧肽酶倾向于结合含赖、精氨酸的蛋白质。
- 氨基酸通过与钠离子的同向运输体被小肠上皮细胞吸收，随后通过血液被运输到肝进行分解。
- 其它组织产生的铵根离子，会通过谷氨酰胺合成酶和谷氨酸结合成谷氨酰胺，消耗1个ATP。谷氨酰胺随后被运输到肝，进行分解。
- 使用谷氨酰胺的好处是它一次可以运输两个铵根离子。
- 肌肉产生的铵根离子，先用于形成谷氨酸。然后谷氨酸通过丙氨酸转氨酶把氨基给丙酮酸，形成丙氨酸和α-酮戊二酸。
- 丙氨酸通过血液运输到肝，这里它再通过丙氨酸转氨酶把氨基还给α-酮戊二酸，形成谷氨酸和丙酮酸。
- 丙酮酸在肝通过糖异生作用变成葡萄糖，再通过血液运输到肌肉，这里它通过糖酵解变成丙酮酸。
- 上述涉及葡萄糖、丙酮酸、铵根的循环被称为Cori循环（Cori Cycle）。
氨基酸分解的一般流程
- 见右图1，氨基酸分解代谢的一般流程是：氨基酸先被分成铵根离子和碳骨架两部分。铵根离子被用于合成其它物质，或通过尿素循环排出体外。碳骨架则被进一步分解为三羧酸循环的中间物。
- 氨基酸通过转氨酶失去氨基，成为α-酮酸，而α-酮戊二酸得到氨基，成为谷氨酸。
- 各种转氨酶都需要磷酸吡哆醛（维生素B6）作为辅酶。
- 磷酸吡哆醛通过共价键与转氨酶的一个赖氨酸残基的ε碳原子相连。
- 磷酸吡哆醛的催化机制见图2。
尿素循环
- 尿素循环用于生成尿素，发生于肝的线粒体和细胞质。
- 尿素循环图解见图3。
- 进入肝细胞的谷氨酸和谷氨酰胺，会先进入线粒体。
- 谷氨酰胺通过谷氨酰胺酶分解为谷氨酸和铵根离子。
- 谷氨酸通过谷氨酸脱氢酶分解为铵根离子和α-酮戊二酸。
- 谷氨酸也可通过天冬氨酸转氨酶把氨基给草酰乙酸，生成α-酮戊二酸和天冬氨酸。
- 铵根离子、碳酸氢根离子通过氨甲酰磷酸合成酶I合成氨甲酰磷酸，消耗2个ATP，生成2个ADP和1个无机磷酸。
- 氨甲酰磷酸和鸟氨酸通过鸟氨酸氨甲酰转移酶合成瓜氨酸。
- 瓜氨酸被移至细胞质。
- 瓜氨酸通过精氨琥珀酸合成酶和天冬氨酸合成精氨琥珀酸，消耗1个ATP，生成焦磷酸和AMP，相当于消耗2个ATP。
- 精氨琥珀酸通过精氨琥珀酸裂解酶分解成精氨酸和延胡索酸。
- 精氨酸通过精氨酸酶分解成鸟氨酸和尿素。
- 尿素循环和三羧酸循环都要经过草酰乙酸和延胡索酸这两步，但前者在细胞质后者在线粒体。
- 细胞质有延胡索酸脱氢酶，可把延胡索酸转化为苹果酸，再运入线粒体。
- 草酰乙酸也可从线粒体被运入细胞质，加入尿素循环。
- 上述两个过程被称为天冬氨酸-琥珀酸分流。
尿素循环的调控
- 长期调控：通过参与尿素循环的酶的量的调控。饥饿的和高蛋白饮食的动物的肝细胞内，这些酶浓度较高。
- 短期调控：氨甲酰磷酸合成酶I受N-乙酰谷氨酸的别构激活，而N-乙酰谷氨酸由乙酰-CoA和谷氨酸通过N-乙酰谷氨酸合成酶在线粒体合成，而N-乙酰谷氨酸合成酶又受精氨酸激活。
碳骨架的分解
- 碳骨架的分解发生于肝细胞线粒体中。
- 脯、谷（胺）、精、组氨酸生成α-酮戊二酸。（图7）
- 缬、异、甲、苏氨酸生成琥珀酰-CoA。（图8）
- 苯、酪氨酸生成延胡索酸。（图6）
- 天（胺）氨酸生成草酰乙酸。
- 甘、丙、色、丝、苏、胱氨酸生成丙酮酸。（图5）
- 亮、赖、苯、色、酪氨酸生成乙酰乙酰-CoA。（图6）
- 亮、异、色、苏氨酸生成乙酰-CoA。（图6）
- 甘氨酸有3条去路，依次生成丙酮酸、草酸、N5,N10-亚甲基四氢叶酸（同时释放铵根离子和二氧化碳），主要走第三条。
- 苏氨酸有2条去路，依次生成丙酮酸、琥珀酰-CoA，人体内主要走第二条，但某些哺乳动物体内主要走第一条。
- 色氨酸同时生成丙酮酸和乙酰乙酰-CoA。
- 亮氨酸同时生成乙酰乙酰-CoA和乙酰-CoA。
- 苯、酪氨酸同时生成乙酰乙酰-CoA和延胡索酸。
- 异氨酸同时生成乙酰-CoA和琥珀酰-CoA。
- 分解过程最复杂的氨基酸是色氨酸。
- 亮、异、缬氨酸主要不在肝中代谢，而在脑、肌肉、脂肪组织、肾中被用作能源。
- 亮、异、缬氨酸对应的α-酮酸脱氢酶复合体受磷酸化调控，摄入量低时被磷酸化，失去活性；摄入量高时去磷酸化，获得活性。
- 凡能生成乙酰-CoA以外的三羧酸循环中间物的氨基酸，称为生糖氨基酸（Glucogenic Amino Acid）。只有亮、赖氨酸不是生糖氨基酸。
- 凡能生成乙酰乙酰-CoA或乙酰-CoA的氨基酸，称为生酮氨基酸（Ketogenic Amino Acid）。只有亮、异、苯、色、苏、酪、赖氨酸是生酮氨基酸。
- 异、苯、色、苏、酪氨酸同时是生糖氨基酸和生酮氨基酸。
- 主要的生糖氨基酸是丙、谷胺、脯、甘氨酸。
- 主要的生酮氨基酸是亮氨酸。
氮的排泄（图10）
- 鱼类、两栖类、部分爬行类排氨气。
- 鸟类、部分爬行类排尿酸。
- 哺乳类、部分鱼类、部分两栖类排尿素。
酮体
- 肝细胞的线粒体可通过乙酰-CoA产生酮体。
- 酮体由三种物质组成：丙酮、乙酰乙酸、β-羟丁酸。
- 丙酮产量极少，会通过呼吸道排出体外。乙酰乙酸比β-羟丁酸多。
- 乙酰乙酸和β-羟丁酸通过血液运输到肝外的组织作为能源。
- 酮体主要给心肌、骨骼肌、肾上腺皮质供能。
- 饥饿时，脑也利用酮体。
- 饥饿或糖尿病时，酮体大量生成，使呼出的气体带有丙酮的气味，称为酮病（Ketosis）或酸血病（Acidosis）。
- 合成酮体的过程见图11。
- 利用酮体的过程见图12。
与氨基酸代谢有关的遗传病
来源
《Lehninger Principles of Biochemistry》第5版第18章
《Harrison's Principles of Internal Medicine》第18版第364章