氨基酸的一般分解代谢

第三节　氨基酸的一般分解代谢

一、体内氨基酸的代谢概况

人体体内蛋白质不断处于降解与合成的动态平衡中。正常成人每日有占整体总蛋白质含量1%～2%的部分在更新，主要为肌肉蛋白质的分解。蛋白质降解释放的氨基酸有75%～80%可被再用于新的蛋白质合成。食物蛋白质经消化吸收进人体体内的氨基酸（外源性氨基酸）与体内各组织蛋白质分解以及组织合成的非必需氨基酸（内源性氨基酸）混合后，分布于细胞内外且参与代谢，称为氨基酸代谢库。氨基酸代谢库通常以游离氨基酸总量计算。由于氨基酸不能自由通过细胞膜，所以各种组织中氨基酸的含量并不相同。例如，肌肉中氨基酸占其代谢库的50%以上，肝约占10%，肾约占4%，血浆占1%～6%。肝、肾体积较小，但实际上它们所含游离氨基酸的浓度很高，氨基酸代谢也很旺盛。在人体中大多数氨基酸（如丙氨酸、芳香族氨基酸等）在肝中分解代谢，支链氨基酸的分解代谢主要在骨骼肌中进行。肌肉和肝在维持血浆氨基酸浓度的相对稳定中起着重要作用。血浆氨基酸是体内各组织之间氨基酸转运的主要形式，虽然正常人血浆氨基酸浓度并不高，但其更新却很迅速。

各种氨基酸有共同的化学结构特点，都具有α－氨基和α－羧基，因此它们有共同的代谢途径。但由于R－基团的结构差异，它们也各有其个别的代谢方式。本节先介绍氨基酸的一般代谢途径。体内氨基酸的代谢概况如图9－2所示。

二、氨基酸的脱氨基作用

α－氨基酸脱去氨基生成α－酮酸和氨的过程，称为氨基酸的脱氨基作用。氨基酸的脱氨基作用是氨基酸分解代谢的主要途径，可以在大多数组织中进行，其方式有转氨基作用、氧化脱氨基作用、联合脱氨基作用和嘌呤核苷酸循环等，其中以联合脱氨基作用最为重要。

（一）转氨基作用

在转氨酶的作用下，一种α－氨基酸脱掉氨基生成相应的α－酮酸，而另一种α－酮酸得到此氨基生成相应的氨基酸的过程，称为转氨基作用。反应通式为：

图9－2　体内氨基酸的代谢概况

此反应可逆，只有氨基的转移，没有氨的生成，只改变氨基酸种类；接受氨基的α－酮酸包括α－酮戊二酸、草酰乙酸、丙酮酸等。大多数氨基酸可参与转氨基作用，但甘氨酸、赖氨酸、苏氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸除外。催化转氨基作用的酶统称为转氨酶。转氨酶种类多，分布广，专一性强。如最为重要的丙氨酸氨基转移酶（ALT）和天冬氨酸氨基转移酶（AST），其转氨基作用见图9－3。

图9－3　丙氨酸氨基转移酶和天冬氨酸氨基转移酶转氨基作用

转氨基作用是体内多数氨基酸分解代谢的重要方式，也是机体合成非必需氨基酸的重要途径。转氨酶为胞内酶，血清中转氨酶活性很低，如表9－1所示。当病理改变引起细胞膜通透性增高、组织坏死或细胞破裂时，转氨酶大量释放，血清转氨酶活性明显增高。例如，正常时ALT主要在肝细胞内，血清中活性很低，在患肝脏疾病时，可引起血清中ALT活性明显升高；正常时AST主要在心肌细胞内，心肌受损时，血清中AST活性明显升高。因此，临床上常以此作为急性肝炎、心肌梗死等相关疾病诊断的参考指标之一，也可作为观察疗效和预后的重要指标。

表9－1　正常成人各组织中ALT与AST活性单位：克湿组织

（二）氧化脱氨基作用

氨基酸在酶的催化下脱氢生成亚氨基酸，后者再水解为相应的α－酮酸和氨的过程，称为氧化脱氨基作用。反应式如下：

在催化氨基酸氧化脱氨的酶中，以L－谷氨酸脱氢酶的作用最为重要，此酶活性高，特异性强，分布广泛，在肝脏中含量最丰富。其次是肾、脑、心、肺等，骨骼肌中最少。L－谷氨酸脱氢酶催化的反应是可逆的。反应式如下：

虽然L－谷氨酸脱氢酶的专一性高，但只能催化L－谷氨酸氧化脱氨基，由于此酶可与转氨酶联合作用，因此它在氨基酸的分解和非必需氨基酸的合成中均起着重要作用。

（三）联合脱氨基作用

转氨基作用虽然普遍存在，但只能发生氨基转移，而不能真正脱去氨基。氧化脱氨基作用事实上仅限于L－谷氨酸。研究发现，体内氨基酸脱氨基主要是上述两种方式的偶联，即在转氨酶和L－谷氨酸脱氢酶的协同作用下，先转氨基后氧化脱氨基生成α－酮戊二酸和氨的过程，称为联合脱氨基作用。这是体内主要的脱氨基方式，全过程是可逆的，所以也是体内合成新的非必需氨基酸的主要途径。具体过程如下：在转氨酶的作用下，α－酮戊二酸接受某种氨基酸的α－氨基生成谷氨酸，谷氨酸再经L－谷氨酸脱氢酶作用氧化脱氨生成α－酮戊二酸和氨，α－酮戊二酸再继续参加转氨基作用，见图9－4。

图9－4　联合脱氨基作用

L－谷氨酸脱氢酶主要分布于肝、肾、脑等组织中，其活性高、专一性强，只有α－酮戊二酸作为氨基受体，才能生成谷氨酸，所以此种联合脱氨基作用主要在肝、肾、脑等大多数组织中进行。

（四）嘌呤核苷酸循环

由于骨骼肌和心肌中L－谷氨酸脱氢酶活性较低，在这些组织中，氨基酸可通过转氨基作用与嘌呤核苷酸循环联合脱去氨基，其基本过程见图9－5。在转氨酶的作用下，α－酮戊二酸接受某种氨基酸的α－氨基生成L－谷氨酸，L－谷氨酸再经AST催化将其氨基转移给草酰乙酸生成天冬氨酸，天冬氨酸在腺苷酸代琥珀酸合成酶的作用下，可与次黄嘌呤核苷酸（IMP）缩合生成腺苷酸代琥珀酸，后者经酶催化裂解生成腺苷一磷酸（AMP）和延胡索酸。肌组织中富含的腺苷酸脱氨酶可催化水解AMP脱下氨基，生成IMP和游离的氨，IMP可再继续循环；延胡索酸加水生成苹果酸，苹果酸脱氢氧化为草酰乙酸后可再参与转氨基作用。由此可见，此过程实际上也是另一种形式的联合脱氨基作用。

三、α－酮酸的代谢

氨基酸脱氨基后生成的α－酮酸主要有以下三个方面的代谢途径。

（一）合成非必需氨基酸

α－酮酸可经转氨基作用或联合脱氨基作用的逆反应即氨基化作用生成相应的氨基酸，这是机体合成非必需氨基酸的重要途径。例如，丙酮酸、草酰乙酸、α－酮戊二酸可以分别转变成丙氨酸、天冬氨酸和L－谷氨酸，α－酮酸也可来自糖代谢和三羧酸循环的中间产物。

图9－5　嘌呤核苷酸循环

（二）转变成糖和脂类

相关研究已确定糖、脂肪和蛋白质中的碳可以相互转换。各种氨基酸脱氨基后产生的α－酮酸因结构差异而有不同的代谢途径。在体内可转变为糖的氨基酸称为生糖氨基酸；可转变为酮体的氨基酸称为生酮氨基酸；既能生糖又能生酮体的氨基酸称为生糖兼生酮氨基酸（表9－2）。例如，丙氨酸脱去氨基生成丙酮酸，丙酮酸可经糖异生途径转变成葡萄糖，所以丙氨酸是生糖氨基酸；亮氨酸经过一系列代谢转变为乙酰CoA或乙酰乙酰CoA，它们可以进一步转变为酮体或脂肪酸，所以亮氨酸是生酮氨基酸；苯丙氨酸与酪氨酸经代谢转变既可生成延胡索酸，又可生成乙酰乙酸，所以这两种氨基酸是生糖兼生酮氨基酸。

表9－2　氨基酸生糖及生酮性质分类

（三）氧化供能

各种氨基酸脱氨基后产生的α－酮酸可以转变为丙酮酸、乙酰CoA和三羧酸循环的中间产物（如琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸和α－酮戊二酸等）。这些物质在体内可以通过三羧酸循环与生物氧化体系彻底氧化生成CO₂和H₂O，同时释放能量供生理活动需要。