第二章同型半胱氨酸的代谢与相关物质解析

第一节与同型半胱氨酸代谢相关的物质一、含硫氨基酸1.氛基酸的分类人体有20种氨基酸可分为营养必需氨基酸和非必需氨基酸。有8种氨基酸不能在人体内合成，包括甲硫氨酸(蛋氨酸)、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、赖氨酸、色氨酸和苯丙氨酸，这些必须由食物供应，体内需要而又不能自身合成的氨基酸称为营养必需氨基酸。其余12种氨基酸包括半胱氨酸、甘氨酸、丙氨酸、脯氨酸、丝氨酸、酪氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸、精氨酸、组氨酸，体内可以合成，在营养上称为非必需氨基酸。组氨酸和精氨酸虽能在人体内合成，但合成量不多.若长期缺乏也可造成负氮平衡，因此有人将这两种氨基酸也归为营养必需氨基酸。体内的含硫氨基酸有三种，即甲硫氨酸(蛋氨酸)、半胱氨酸和胱氨酸。这三种氨基酸的代谢是相互联系的，甲硫氨酸可以转变为半胱氨酸和胱氨酸，胱氨酸是由两个半胱氨酸脱氢后结合而成的，蛋白质中的半胱氨酸有不少是以胱氨酸的形式存在的。可见，半胱氨酸和胱氨酸也可互变，但它们不能变为甲硫氨酸，所以，甲硫氨酸是必需氨基酸。2.甲硫氨酸代谢(1)甲硫氨酸代谢与转甲基作用：甲硫氨酸含有S-甲基，体内多种含甲基的重要物质，如肾上腺索、5-羟色胺、肌酸、多巴氨、胆碱等依赖于甲硫氨酸的代谢，由转甲基作用生成。在甲硫氨酸酰苷转移酶催化下甲硫氨酸与ATP反应，生成S腺苷甲硫氨酸（SAM).S一腺苷甲硫氨酸中的甲基是高度活化的，称为活性甲基。S一腺苷甲硫氨酸基.又称为活性甲硫氨酸。活性甲硫氨酸性质活泼.在不同甲基转移酶的催化下.可将甲基转移给各种甲基接受体，使其甲基化.而形成许多甲基化合物。转出甲基后，活性甲硫氨酸即变成S一腺苷同型半胱氨酸(SAH)，后者水解释出腺苷，生成同型半胱氨酸。（2)甲硫氨酸循环:如上所述，在体内甲硫氨酸最主要的代谢途径是通过各种转甲基作用提供甲基，并形成s一腺苷同型半胱氨酸（SAH)进一步转变成为同型半胱氨酸。同型半胱氨酸在甲硫氨酸合成酶（MS)催化下，接受N'一甲基四氢叶酸(N5-CH3-FH4)提件的甲基，再重新生成甲硫氨酸，结果形成一个循环过程，称为甲硫氨酸循环（图2-1)。图2-1甲硫氨酸循环可见，甲硫氮酸的主要功能是通过甲硫氨酸循环，提供活性甲基，参与各种甲基化反应。活性甲硫氨酸是体内最主要的甲基直接供给体，而N5-甲基四氢叶酸则是体内甲基的间接供体。据统计，体内约有50多种生物活性物质需要活性甲硫氨酸提供甲基，生成甲基化合物，其中包括DNA、RNA的甲基化和单胺类神经递质的合成等。可见，甲基化反应是重要的生物代谢反应，具有广泛的生理意义。尽管上述循环可以生成甲硫氨酸，但体内不能净合成甲硫氨酸，甲硫氨酸必须由食物供给，所以，甲硫氨酸属于必需氨基酸。体内也不能合成同型半胱氨酸，它是甲硫氨酸代谢的中间产物，只能由甲硫氨酸转变而来。同型半胱氨酸在胱硫醚-β一合成酶(CBS)的催化下，以维生素B6为辅酶，同型半胱氨酸与丝氨酸缩合生成胱硫醚，后者进一步生成半胱氨酸和a-酮丁酸。a-酮丁酸转变成琥珀酸单酰辅酶A，后者通过三羧酸循环，可以生成葡萄糖，所以甲硫氨酸是生糖氨基酸。值得注意的是，由N5一甲基四氢叶酸提供甲基，使同型半胱氨酸转变成甲硫氨酸的反应是目前已知体内能利用N5一甲基四氢叶酸的惟一反应。催化此反应的N5一甲基四氢叶酸转甲基酶，又称甲硫氨酸合成酶，其辅酶是维生素B12，它参与甲基的转移。维生素B12缺乏时，N5一甲基四氢叶酸上的甲基转移受阻，这不仅使甲硫氨酸的生成减少，导致高同型半胱氨酸血症，同时四氢叶酸的再生也受到影响，使组织中游离的四氢叶酸含量减少，四氢叶酸转运其他一碳单位的能力下降，造成核酸合成障碍，最终影响细胞分裂。因此，维生素B12不足时可以产生高同型半胱氨酸血症和巨幼红细胞性贫血。3.半胱氨酸和胱氨酸(1)半胱氨酸和胱氨酸互变:半胱氨酸含有巯基(-SH),胱氨酸含有二硫键(-S-S-)，二者可以通过氧化还原反应互变。在蛋白质分子中，两个半胱氨酸残基形成二硫键以胱氮酸的形式存在，对维持蛋白质的结构很重要。胱氨酸不参与蛋白质的合成，蛋白质中的胱氨酸是半胱氨酸残基氧化脱氢而来。半胱氨酸的巯基是许多蛋白质或酶的活性基团。体内许多重要酶的活性均与其分子中半胱氨酸残基上的巯基有直接关系，故有巯基酶之称。(2)半胱氨酸分解代谢:人体中半胱氨酸主要通过两条途径降解为丙酮酸。一是加双氧酶催化的直接氧化途径，或称半胱亚磺酸途径，另一是通过转氨的3-巯基丙酮酸途径。4.谷胱甘肽（GSH)谷胱甘肽是由谷氨酸、半胱氨酸及甘氨酸组成的三肽。谷胱甘肽分子中含γ-酰胺键。谷胱甘肽的活性基团是其半胱氨酸残基上的巯基，谷胱甘肽有氧化型和还原型两种形式，可以互变。两种形式互变由谷胱甘胱还原酶催化，辅酶为NADPH。(1)谷胱甘肽的代谢:谷胱甘肽是通过γ一谷氨酰基循环合成的。由γ一谷氨酰半胱氨酸合成酶和谷胱甘肽合成酶（GSHsyn-thetase)所催化，由ATP水解供能。谷胱甘肤的分解由γ一谷氨酰转肽酶、γ一谷氨酰环转移酶和5-氧脯氨酸酶及一个细胞内肽酶所催化。γ一谷氨酰基循环有双重作用，一是谷胱甘肽的再合成，二是通过谷胱甘肽的合成与分解将外源性氨基酸主动转运到细胞内。（2）谷胱甘肽的作用:谷胱甘肽在人体解毒、氨基酸转运及代谢中均有重要作用。谷胱甘肽是一种重要的抗氧化剂，它能防止很多细胞组分的氧化或其他损害，谷胱甘肽能维持维生素E的还原状态。谷胱甘肽保护某些蛋白质及酶分子的巯基不被氧化，从而维持其生物活性。另外，谷胱甘肽与一氧化氮相互作用，保护血管功能。同型半胱氨酸能够干扰谷胱甘肽的合成，抑制谷胱甘肽对机体的保护作用而致病。二、叶酸叶酸是广泛存在于绿色蔬菜中的一种水溶性B族维生素，由于它最早从植物叶子中提取而得，故命名为叶酸。化学名称为喋酰谷氨酸，由喋酸（pteridine）、对氨基苯甲酸与1个或多个谷氨酸结合而成。人体不能合成对氨基苯甲酸，也不能将谷氨酸与喋酸结合，因此，人体需要从食物中获取叶酸。1.体内过程食物物中的喋酰多谷氨酸被小肠黏膜上皮细胞分泌的喋酰-1-谷氨酸羧基肽酶水解，生成喋酰单谷氨酸及谷氨酸。叶酸易在小肠上段被吸收，食物中叶酸的吸收率为50%~70%。在十二指肠及空肠粘膜上皮细胞含有叶酸还原酶，在其辅酶NADPH参与下可以把叶酸变成活性型四氢叶酸，反应式如下:叶酸（F）+NADPH(H+)→5，6-二氢叶酸（FH2）+NADP+FH2+NADPH(H+)→5，6，7，8-四氢叶酸（FH4）+NADP+2.生理功能叶酸在二氢叶酸还原酶的催化下，通过两步还原反应生成四氢叶酸。后者是叶酸的活性形式。四氢叶酸是一碳单位转移酶的辅酶,是一碳单位的载体，其分子中的N5、N10两个氮原子可以携带一碳单位。一碳单位在体内参加多种物质的合成代谢，如蛋氨酸、同型半胱氨酸、嘌呤、胸腺嘧啶核苷酸等。叶酸是影响同型半胱氨酸水平的最主要因素，同型半胱氨酸代谢依赖于叶酸及维生素B12，如果体内叶酸、维生素B12缺乏，则同型半胱氨酸代谢障碍，导致血浆同型半胱氨酸水平升高。当叶酸缺乏时，DNA合成受影响，骨髓幼稚红细胞DNA合成减少，细胞分裂速度减慢，使细胞体积变大，导致巨幼红细胞贫血。3.缺乏症叶酸食物来源较多，肠道内细菌也能合成，所以一般不发生叶酸缺乏症。由于叶酸很容易溶于热水，烹调会大大减少其含量，如果偏食，不爱吃蔬菜，这样更会使叶酸的摄人减少。大量饮酒会干扰人体对叶酸的吸收。叶酸缺乏，会引起血液中同型半胱氨酸大量蓄积，而后者会引起动脉粥样硬化、心脑血管病等疾病。孕妇细胞分裂速度增快，缺乏叶酸会引起胎儿神经管畸形，应注意适当补充叶酸。婴儿也要有足够的叶酸才能有良好的发育，如果母乳喂养，就更需要供给母亲充足的叶酸，每天给予400μg的补充量，可满足其每日需要量。抗白血病药甲氨蝶呤的结构与叶酸类似，能抑制二氢叶酸还原酶的活性使四氢叶酸合成减少，进而抑制胸腺嘧啶核苷酸的合成，而起抗癌作用。口服避孕药物或抗癫痫药能干扰叶酸的吸收及代谢，如长期服用此类药物也应适量补充叶酸。4.药理作用最旱期的运用是从菠菜的叶子里提炼出叶酸用来治疗巨细胞贫血，可以说叶酸是防治巨幼细胞贫血的重要药物之一。叶酸也是高同型半胱氨酸血症治疗的主要药物。5.食物来源叶酸存在于所有的绿叶蔬菜中，也存在于动物的肝脏、肾脏和鸡蛋中。柑橘、番茄、菜花、西瓜、酵母、菌类、牛肉等也富含叶酸。三、维生素B6维生素B6又称吡哆素，是包括吡哆醇、吡哆醛及吡哆胺的一种B族维生素，1936年定名为维生素B6。维生素B6为无色晶体，无臭，味酸苦，易溶于水及乙醇，在酸性环境中稳定，在碱性环境中易破坏，吡哆醇耐热，吡哆醛和吡哆胺不耐高温。维生素B6在体内以磷酸酯的形式存在。磷酸吡多醛和磷酸吡多胺可以互相转换，均为活性型。1.生理功能维生素B6是机体内许多重要酶系统的辅酶，参与多种代谢反应，尤其是和氨基酸代谢有密切关系，参与含硫氨基酸的代谢、氨基酸的脱羧、色氨酸及γ-氨基丁酸的合成，参与不饱和脂肪酸的代谢，也影响激素的代谢等生理过程，是人体正常发育所必需的营养物质。2.体内过程及药理作用维生素B6口服后经胃肠吸收，原型药与血浆蛋白几乎不结合，转化为活性产物磷酸吡哆醛可较完全的与血浆蛋白结合，血浆半衰期可长达15~20d。本品在肝内代谢，经肾排出。磷酸吡哆醛可通过胎盘，并经乳汁泌出。临床上应用维生素B6制剂防治高同型半胱氨酸血症、神经髓鞘脱失、妊娠呕吐和放射病呕吐等。3.维生素B6缺乏症单纯的维生素B6缺乏症在人类极少见。维生素B6长期缺乏会导致神经系统、心血管系统、皮肤和造血系统等的损害，如神经炎、高同型半胱氨酸、小儿惊厥、小细胞性贫血、脂溢性皮炎、舌炎等。4.食物来源富含维生素B6的食物有酵母菌、小麦麸、麦芽、糙米、燕麦、豆类、甘蓝菜、鱼、蛋、动物肝脏和肾脏及花生等。四、维生素B12维生素B12又称钴胺素(cobalamin),是水溶性维生素，是惟一含金属元素的维生素。是一类含钴(Co)元素、咕琳环、3一磷酸一5，6一二甲基苯并咪唑核苷酸及氨基丙醇的化合物。人体内根据它结合的基团不同，可以有数种存在形式，如氰钴胺素、羟钴胺素、甲钴胺素和5-脱氧腺苷钴胺素，后两种形式是维生素B12的活性型，也是血液中存在的主要形式。1.生理功能维生素B12在人体内起辅酶作用，它主要参与两个代谢反应:催化同型半胱氨酸转变为甲硫氨酸和L一甲基丙二酰辅酶A转变为琥玻酰4一磷酸泛酰巯基乙胺辅酶A(5’一脱氧腺苷钴胺素是L一甲基丙二酰辅酶A变构酶的辅酶)。若维生素B12缺乏，在前者使同型半胱氨酸、叶酸的代谢发生障碍，导致高同型半胱氨酸血症，并直接影响DNA的合成，从而使细胞核成熟受阻，出现细胞核发育落后于血浆内血红蛋白合成的速度，血红蛋白的含量增加，细胞体积增大，表现为巨幼细胞性贫血;在后者则使琥玻酰4-磷酸泛酰巯基乙胺辅酶A缺乏，并使L一甲基丙二酰辅酶A在体内蓄积，影响脂肪的正常合成，由于脂肪的合成异常而阻碍了神经髓鞘质的转换，结果髓鞘质变性退化，造成进行性脱髓鞘，使人体出现神经系统症状。2.维生素B12缺乏症素食、部分或全部切除胃手术等都有可能导致缺乏维生素B12的现象。如上所述，维生素B12缺乏可引起巨幼红细胞性贫血。值得注意的是，维生素B12是维持正常认知功能所必不可少的，缺乏时将导致智能障碍。由于维生素B12是蛋氨酸合成酶的辅酶，若维生素B12缺乏，使同型半胱氨酸再甲基化合成蛋氨酸发生障碍，导致高同型半胱氨酸血症，后者是认知功能障碍的独立危险因素，所以，分析维生素B12导致认知功能障碍与此有关。维生素B12缺乏者的脑和脊位均可见弥漫性、不均匀的白质变性、脱髓鞘，几乎没有胶质细胞增生。维生素B12缺乏引起的痴呆可在血液或骨髓病变前数月或数年发生，表现为反应迟钝、记忆障碍、计算力差、思维缓慢，可伴有抑郁、幻觉、妄想等。3.体内过程和药理作用正常人每日需维生素B121µg，主要由食物提供，肠道微生物也能合成少量。食物中的维生素B12必须与内因子（胃黏膜壁细胞分泌的一种不耐热的糖蛋白）结合，形成复合物后，方不易被肠液消化而可达到回肠远端。在Ca离子、Mg离子等