26. 氨基酸的代谢途径

食品生物化学第二十六课：氨基酸的代谢糖类的分解代谢糖类的合成代谢糖酵解三羧酸循环氧化磷酸化糖异生糖原分解磷酸戊糖途径糖原合成脂类的分解代谢脂类的合成代谢β-氧化脂肪酸合成酮体生成胆固醇合成三酰甘油合成磷脂合成蛋白质的分解代谢蛋白质的合成代谢蛋白质氨基酸碳骨架NH3CO2+H2ODNARNA氨基酸蛋白质消化脱氨基碳骨架NH3转录翻译蛋白质和氨基酸的分解代谢•在正常的成人中，接近90%的能量需求是由糖类和脂类的氧化来满足的，余下的来自氨基酸碳骨架的氧化。氨基酸主要的生理目的是用来合成蛋白质。•当糖类的摄入不足时，或者身体不能正常代谢糖类时（如糖尿病人），体内的蛋白质成为代谢能的重要来源。•生物体内的蛋白质处于持续的动态更新之中，必须不断地获得蛋白质、分解、并产生自身的蛋白质。蛋白质和氮平衡•食物中的含N物质主要是蛋白质，正常成年人蛋白质的合成与分解量大致相等，所以每日摄入N元素和排出N元素的量大致相同，称为氮的平衡。•成长期的儿童、孕妇、病后恢复的患者，摄入N大于排泄N，称为N的正平衡。•长期饥饿和患消耗性疾病的患者，排出N大于摄入N，称为N的负平衡。为长期保持N的总平衡，正常成人每日需要蛋白质约80g。人类的必需氨基酸•人类只能合成20种氨基酸中的10种，另外10种必需从食物中获得，称为必需氨基酸。能自身合成的则称非必需氨基酸。6必需氨基酸Arg,His,Ile,Leu,Lys,Met,Phe,Thr,Trp,Val非必需氨基酸Ala,Asn,Asp,Cys,Glu,Gln,Gly,Pro,Ser,Tyr•Arg和His对于未成年人是必需，对成年不是必需的。Tyr能够从必需氨基酸Phe形成，所以算作非必需氨基酸。蛋白质的营养价值•食物中蛋白质所含各种氨基酸的比例与人体蛋白质存在差异，总有一部分氨基酸不被用来合成机体的蛋白质，被彻底分解。•如食物蛋白质所含必需氨基酸的种类和量与人体蛋白质相近则易于被利用，营养价值也高。•决定蛋白质营养价值高低的因素：必需氨基酸的含量、种类和比例。氨基酸代谢库8•外源性氨基酸：食物蛋白质经消化吸收进入血液。•内源性氨基酸：体内组织蛋白质降解生成以及由其它物质转变而来的氨基酸。氨基酸代谢库食物蛋白质组织蛋白质由其它物质合成氨基酸（非必需氨基酸）其它含N化合物(嘌呤、嘧啶等)胺类α-酮酸酮体糖尿素NH3CO2脱氨基氨基酸代谢库9•血液中的氨基酸浓度取决于蛋白质的分解和各组织利用之间的平衡。人体每天更新总蛋白的1-2%，主要是肌肉蛋白质。•氨基酸的分解代谢主要在肝脏中进行，可以将脱掉的NH3生成尿素以排泄。•组织蛋白质分解生成的游离氨基酸中约85%可被重新利用合成蛋白质，过多的氨基酸可被转变为糖和脂肪贮存。氨基酸的分解代谢示意图10脱氨基作用•氨基酸分解代谢的基本反应是脱氨基作用。•四种脱氨基酸作用：①转氨作用②氧化脱氨基③联合脱氨基④非氧化脱氨基转氨反应•转氨反应：把一个氨基酸的α-氨基转移到一个α-酮酸的α-酮基的位置上。11•原来的氨基酸变成α-酮酸，原来的α-酮酸变成相应的氨基酸。反应可逆，由转氨酶催化，谷氨酸是转氨反应中最主要的氨基供体。α-酮酸α-酮戊二酸谷氨酸α-氨基酸12天冬氨酸氨基转移酶(AST)又称谷草转氨酶(GOT)临床意义：心肌梗塞患者血清AST升高GOT谷氨酸+草酰乙酸-酮戊二酸+天冬氨酸丙氨酸氨基转移酶(ALT)，又称谷丙转氨酶(GPT)临床意义：急性肝炎患者血清ALT升高ALT谷氨酸+丙酮酸-酮戊二酸+丙氨酸转氨酶的临床意义•谷氨酸脱氢酶催化谷氨酸脱氢、脱氨生成α-酮戊二酸，反应可逆，一般情况下偏向于谷氨酸的合成。13氧化脱氨基：Glu脱氢酶•谷氨酸脱氢酶受ATP、GTP别构抑制，ADP、GDP别构激活，当能量水平低时，氨基酸分解增强。联合脱氨基•肝脏内绝大多数氨基酸的脱氨基作用是上述两种方式联合作用的结果：①转氨酶把其它氨基酸的NH3转移到α-酮戊二酸上面，形成谷氨酸；②谷氨酸脱氢酶催化谷氨酸的氧化脱氨。•肌肉中缺乏谷氨酸脱氢酶，采取另外一种联合脱氨基途径：嘌呤核苷酸循环。14氨基酸降解产生7种共同的中间物•氨基酸脱氨基生成的α-酮酸可以转变成TCA的中间产物，进而彻底氧化供能；也可以转化为糖或脂肪。•20种氨基酸的降解产生7种共同的代谢中间物：琥珀酰CoA，丙酮酸，α-酮戊二酸，延胡索酸，草酰乙酸，乙酰CoA和乙酰乙酸。•因为琥珀酰CoA，丙酮酸，α-酮戊二酸，延胡索酸，草酰乙酸能够作为生成葡萄糖的前体，所以能够产生这些中间物的氨基酸称为生糖氨基酸。15氨基酸降解产生7种共同的中间物•那些产生乙酰CoA和乙酰乙酸的氨基酸称为生酮氨基酸，因为它们可以生成脂肪酸或酮体。有些氨基酸既能生酮也能生糖。•只生酮氨基酸：Leu,Lys•既生酮又生糖：Trp，Phe，Tyr，Ile，Thr。16氨基酸碳骨架的降解途径17•蛋白质、糖和脂肪之间可以相互转变。•TCA循环是三者互变的枢纽。氨的代谢•氨对于生物体有毒，对细胞、尤其是中枢神经系统来说是有害物质，血中1%的氨就会引起中枢神经中毒。•血中氨的浓度一般不超过60μmol/L。大部分氨需被转送到肝脏，在肝脏中合成尿素后随尿排出。•食用普通膳食的正常人每天排出尿素约20g，严重肝脏疾病患者因处理血氨的能力下降，血氨浓度升高，常会引起肝性脑昏迷。18氨的运输•各个组织中产生的氨是以谷氨酰胺和丙氨酸两种无毒的形式经血液运输至肝脏的。•在脑和肌肉中谷氨酰胺合成酶催化谷氨酸γ羧基的酰氨化，消耗1个ATP，生成谷氨酰胺。19谷氨酰胺20•谷氨酰胺由血液运送至肝脏或肾脏，再被谷氨酰胺酶催化水解，释放出氨，产生谷氨酸。氨在肝脏中合成尿素，在肾脏中生成铵盐。•谷氨酰胺的酰胺N是合成许多含氮化合物如嘌呤、嘧啶和一些氨基酸的N元素供体，在各组织中可被直接利用。•所以谷氨酰胺是氨的暂时贮存和运输形式，正常情况下其在血液中的浓度远高于其它氨基酸。葡萄糖-丙氨酸循环21•肌肉中的氨还可以和丙酮酸反应生成丙氨酸，通过血液运输至肝脏，经联合脱氨基释放氨。•生成的丙酮酸则经糖异生途径再生成葡萄糖，运回肌肉。•丙氨酸是糖异生中的关键性氨基酸，其合成葡萄糖的速率远远超过其它氨基酸。不同生物的氨排泄方式•氨基酸代谢释放的过量的N在动物中有3种不同的排泄方式，与环境中水的可得性有关：①排氨生物：NH4+转变成酰胺（Gln），运到排泄部位后再分解成NH4+排泄出去--水生动物。②以尿酸排出：将NH4+转变为嘌呤，再分解成溶解度较小的尿酸排出。通过消耗大量能量而保存体内水分—鸟类和爬行类③以尿素排出：经肝脏的尿素循环将NH4+转变为尿素而排出—大部分陆生脊椎动物包括人。22尿素循环•尿素循环又称鸟氨酸循环，只发生在肝脏中。鸟氨酸、瓜氨酸和精氨酸都参与了该循环。23鸟氨酸瓜氨酸精氨酸24尿素循环•尿素循环共四步反应，分别发生在线粒体内核细胞质中。•第一步：氨甲酰磷酸的合成，线粒体中的氨甲酰磷酸合成酶I催化氨与CO2合成氨甲酰磷酸，消耗2ATP。氨甲酰磷酸谷氨酰胺丙氨酸25尿素循环•第二步：瓜氨酸的合成，在线粒体内氨甲酰磷酸将氨甲酰基转移至鸟氨酸而生成瓜氨酸，瓜氨酸进入细胞质。•第三步：瓜氨酸在细胞质中与天冬氨酸结合生成精氨酸代琥珀酸，再裂解为精氨酸和延胡索酸。多种氨基酸的氨基可通过天冬氨酸参与尿素合成。•第四步：精氨酸受精氨酸酶催化水解生成尿素和鸟氨酸，鸟氨酸再进入线粒体合成瓜氨酸。尿素循环2627尿素循环的特点•循环中不消耗鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸。•尿素分子的两个N原子分别来自游离的氨和天冬氨酸。•形成1分子尿素可清除2分子的氨和1分子CO2，同时消耗4分子ATP。•延胡索酸使尿素循环和TCA循环紧密联系在一起。尿素28氨基酸与其它衍生物质•丝氨酸、甘氨酸、甲硫氨酸、色氨酸和组氨酸的分解会产生一碳单位：甲基、甲烯基、甲炔基、甲酰基和亚氨甲基。•一碳单位常参与一些重要物质如嘌呤、嘧啶、肌酸、胆碱等的合成，在氨基酸和核苷酸代谢方面起重要的连接作用。•氨基酸还可以通过脱羧作用产生具有重要生理作用的胺类：γ-氨基丁酸、组胺等。氨基酸的合成代谢•有机体合成20种常见氨基酸的能力大不相同，植物能够以无机N如NH4+和NO3-来合成含氮有机物，包括全部氨基酸。•在这些生物中，所有氨基酸的α-氨基都来自于谷氨酸，通常是通过与相应的α-酮酸进行转氨反应完成的。•所以，在许多情况下氨基酸的合成就是关于合成相应的α-酮酸，然后再与谷氨酸进行转氨反应生成相应的氨基酸。•谷氨酸则来自于谷氨酸脱氢酶催化的α-酮戊二酸的还原氨基化。29氨基酸合成途径的分类•根据合成各氨基酸的前体分子的不同，可以把氨基酸合成途径分为几类。30α-酮戊二酸类Glu,Gln,Pro,Arg,Lys天冬氨酸类Asp,Asn,Met,Thr,Ile,Lys丙酮酸类Ala,Val,Leu3-磷酸甘油酸类Ser,Gly,CysPEP和赤藓糖4P类Phe,Tyr,TrpHis:从5磷酸核糖焦磷酸PRPP和ATP合成31氨基酸合成途径的分类苯丙氨酸的代谢缺陷•Phe经苯丙氨酸羟化酶催化生成Tyr，如此酶缺失，Phe转氨生成苯丙酮酸。•苯丙酮酸尿症：血液中苯丙酮酸增多并从尿中排出；苯丙酮酸的积累导致严重的呆滞。32Tyr的代谢缺陷33尿黑酸氧化酶•尿黑酸症：尿黑酸氧化酶缺乏导致尿黑酸不能进一步代谢，排入尿中，遇空气氧化变黑。病人在后来容易得关节炎。•Tyr还可转变成多巴胺、去甲肾上腺素和肾上腺素，也可合成黑色素。若Tyr酶缺乏会导致白化病。大脑生成多巴胺的功能退化会导致帕金森氏症。氨基酸合成的抑制剂可以作为除草剂•与动物不同，植物可以合成全部20种氨基酸，所以，能够特异地抑制植物中这些‘动物必需氨基酸’合成途径中的酶类的抑制剂可当作除草剂使用。34