氨基酸分解代谢

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。

图1：氨基酸分解的一般流程

图2：磷酸吡哆醛的催化机制

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。

图3：尿素循环图解

图4：各氨基酸的碳骨架的代谢

图5：通往丙酮酸的碳骨架代谢

图6：通往乙酰-CoA的碳骨架代谢

图7：通往α-酮戊二酸的碳骨架代谢

图8：通往琥珀酰-CoA的碳骨架代谢

图9：通往草酰乙酸的碳骨架代谢

图10：脊椎动物排泄氮的方式

图11：合成酮体的过程

图12：利用酮体的过程

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

氨基酸代谢疾病

氨基酸代谢疾病

氨基酸代谢疾病

来源

《Lehninger Principles of Biochemistry》第5版第18章

《Harrison's Principles of Internal Medicine》第18版第364章