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1、氨 基 酸 代 谢,第 7 章,Metabolism of Amino Acids,蛋白质的营养作用Nutritional Function of Protein,第一节,一、体内蛋白质具有多方面的重要功能,（一）蛋白质维持细胞组织的生长、更新和修补,（二）蛋白质参与体内多种重要的生理活动,催化（酶）、免疫（抗原及抗体）、运动（肌肉）、物质转运（载体）、凝血（凝血系统）等。,每克蛋白质在体内氧化分解可释放17.19kJ(4.1 kcal)的能量，人体每日18%能量由蛋白质提供。,（三）蛋白质可作为能源物质氧化供能,二、体内蛋白质的代谢状况可用氮平衡描述,氮平衡(nitrogen balance
2、)摄入食物的含氮量与排泄物（尿与粪）中含氮量之间的关系。,氮总平衡：摄入氮=排出氮（正常成人）,氮正平衡：摄入氮 排出氮（儿童、孕妇等）,氮负平衡：摄入氮 排出氮（饥饿、消耗性疾病患者）,蛋白质的生理需要量成人每日蛋白质最低生理需要量为30g50g，我国营养学会推荐成人每日蛋白质需要量为80g。,氮平衡的意义可以反映体内蛋白质代谢的概况。,其余12种氨基酸体内可以合成，称为营养非必需 氨基酸。精氨酸，组氨酸称半必需氨基酸。,三、营养必需氨基酸决定蛋白质的营养价值,蛋白质的营养价值(nutrition value),蛋白质的营养价值是指食物蛋白质在体内的利用率，取决于必需氨基酸的数量、种类、量质
3、比，与人越接近的营养价值越高。,蛋白质的互补作用,指营养价值较低的蛋白质混合食用，其必需氨基酸可以互相补充而提高营养价值。,第二节 蛋白质的消化、吸收和腐败,Digestion,Absorption and Putrefaction of Proteins,一、外源性蛋白质消化成氨基酸和寡肽后被吸收,蛋白质消化的生理意义,由大分子转变为小分子，便于吸收。消除种属特异性和抗原性，防止过敏、毒性反应。,（一）在胃和肠道蛋白质被消化成氨基酸和寡肽,1、蛋白质在胃中被水解成多肽和氨基酸,胃蛋白酶的最适pH为1.52.5，对蛋白质肽键的作用特异性较差，主要水解由芳香族氨基酸、蛋氨酸和亮氨酸所形成的肽键，
4、产物主要为多肽及少量氨基酸。,2、蛋白质在小肠被水解成小肽和氨基酸 小肠是蛋白质消化的主要部位。,内肽酶(endopeptidase)水解蛋白质肽链内部的一些肽键，如胰蛋白酶、糜蛋白酶、弹性蛋白酶。,外肽酶(exopeptidase)自肽链的末段开始，每次水解一个氨基酸残基，如羧基肽酶(A、B)、氨基肽酶。,蛋白水解酶作用示意图,肠液中酶原的激活,胰蛋白酶(trypsin),肠激酶(enterokinase),胰蛋白酶原,弹性蛋白酶(elastase),弹性蛋白酶原,糜蛋白酶(chymotrypsin),糜蛋白酶原,羧基肽酶(A或B)(carboxypeptidase),羧基肽酶原(A或B),
5、小肠粘膜细胞对蛋白质的消化作用,主要是寡肽酶(oligopeptidase)的作用，例如氨基肽酶(aminopeptidase)及二肽酶(dipeptidase)等,最终产物为氨基酸。,可保护胰组织免受蛋白酶的自身消化作用。保证酶在其特定的部位和环境发挥催化作用。酶原还可视为酶的贮存形式。,酶原激活的意义,（二）氨基酸通过主动转运过程被吸收,吸收部位：主要在小肠 吸收形式：氨基酸、寡肽、二肽 吸收机制：耗能的主动吸收过程,氨基酸吸收载体,载体蛋白与氨基酸、Na+组成三联体，由ATP供能将氨基酸、Na+转入细胞内，Na+再由钠泵排出细胞。,七种转运蛋白(transporter),中性氨基酸转运蛋
6、白酸性氨基酸转运蛋白碱性氨基酸转运蛋白亚氨基酸转运蛋白氨基酸转运蛋白二肽转运蛋白三肽转运蛋白,-谷氨酰基循环对氨基酸的转运作用,-谷氨酰基循环(-glutamyl cycle)过程：,谷胱甘肽对氨基酸的转运谷胱甘肽再合成,利用肠粘膜细胞上的二肽或三肽转运体系此种转运也是耗能的主动吸收过程吸收作用在小肠近端较强,肽的吸收,二、蛋白质在肠道发生腐败作用,肠道细菌对未被消化的蛋白质及其消化产物所起的作用。,腐败作用的产物大多有害，如胺、氨、苯酚、吲哚等；也可产生少量的脂肪酸及维生素等可被机体利用的物质。,蛋白质的腐败作用(putrefaction),（一）肠道细菌通过脱羧基作用产生胺类,假神经递质(
7、false neurotransmitter),某些物质结构(如苯乙醇胺，-羟酪胺）与神经递质（如儿茶酚胺）结构相似，可取代正常神经递质从而影响脑功能，称假神经递质。,（二）肠道细菌通过脱氨基或尿素酶的作用产生氨,降低肠道pH，NH3转变为NH4+以铵盐形式排出，可减少氨的吸收，这是酸性灌肠的依据。,（三）腐败作用产生其它有害物质,正常情况下，上述有害物质大部分随粪便排出，只有小部分被吸收，经肝的代谢转变而解毒，故不会发生中毒现象。,第三节氨基酸的一般代谢,General Metabolism of Amino Acids,一、体内蛋白质分解生成氨基酸,成人体内的蛋白质每天约有1%2%被降解，
8、主要是肌肉蛋白质。蛋白质降解产生的氨基酸，大约70%80%被重新利用合成新的蛋白质。,蛋白质的半寿期(half-life),蛋白质降低其原浓度一半所需要的时间，用t1/2表示。,（一）蛋白质以不同的速率进行降解,不同的蛋白质降解速率不同，降解速率随生理需要而变化。,不依赖ATP和泛素；利用溶酶体中的组织蛋白酶(cathepsin)降解外源性蛋白、膜蛋白和长寿蛋白质。,1、蛋白质在溶酶体通过ATP-非依赖途径被降解,（二）真核细胞内蛋白质的降解有两条重要途径,2、蛋白质在蛋白酶体通过ATP-依赖途径被降解,依赖ATP和泛素 降解异常蛋白和短寿蛋白质,泛素(ubiquitin),76个氨基酸组成的
9、多肽(8.5kD)普遍存在于真核生物而得名 一级结构高度保守,二、外源性氨基酸与内源性氨基酸组成氨基酸代谢库,食物蛋白质经消化吸收的氨基酸（外源性氨基酸）与体内组织蛋白质降解产生的氨基酸及体内合成的非必需氨基酸（内源性氨基酸）混在一起，分布于体内各处参与代谢，称为氨基酸代谢库(metabolic pool)。,氨基酸代谢概况：,三、联合脱氨基作用是体内主要的脱氨基途径,脱氨基作用指氨基酸脱去-氨基生成相应-酮酸的过程。,（一）氨基酸通过转氨基作用脱去氨基,转氨基作用(transamination),在转氨酶(transaminase)的作用下，某一氨基酸去掉-氨基生成相应的-酮酸，而另一种-酮
10、酸得到此氨基生成相应的氨基酸的过程。,反应式,大多数氨基酸可参与转氨基作用，但赖氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸除外。,谷草转氨酶（GOT）,丙氨酸,天冬氨酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,丙酮酸,谷丙转氨酶（GPT）,谷氨酸,两种重要的转氨酶催化的反应,正常人各组织中GPT及GOT 活性(单位/克湿组织),血清转氨酶活性，临床上可作为疾病诊断和预后的指标之一。,各种转氨酶都具有相同的辅酶和作用机制,转氨酶的辅酶是磷酸吡哆醛,转氨基作用不仅是体内多数氨基酸脱氨基的重要方式，也是机体合成非必需氨基酸的重要途径。,通过此种方式并未产生游离的氨。,转氨基作用的生理意义,（二）L-谷氨酸通过L-谷氨酸脱氢酶催化脱去氨基
11、,存在于肝、脑、肾中 辅酶为 NAD+或NADP+GTP、ATP为其抑制剂 GDP、ADP为其激活剂,催化酶：L-谷氨酸脱氢酶,L-谷氨酸,NH3,-酮戊二酸,NAD(P)+,NAD(P)H+H+,H2O,（三）联合脱氨基作用,两种脱氨基方式的联合作用，使氨基酸脱下-氨基生成-酮酸的过程。,定义,1.转氨基偶联氧化脱氨基作用,H2O+NAD+,转氨酶,此种方式既是氨基酸脱氨基的主要方式，也是体内合成非必需氨基酸的主要方式。主要在肝、肾和脑组织进行。,苹果酸,腺苷酸代琥珀酸,次黄嘌呤 核苷酸(IMP),腺苷酸代琥珀酸合成酶,2.氨基酸通过嘌呤核苷酸循环脱去氨基:肌肉组织,四、氨基酸碳链骨架可进行
12、转换或分解,氨基酸脱氨基后生成的-酮酸(-keto acid）主要有三条代谢去路。,（一）-酮酸可彻底氧化分解并提供能量,（二）-酮酸经氨基化生成营养非必需氨基酸,（三）-酮酸可转变成糖及脂类化合物,琥珀酰CoA,延胡索酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,柠檬酸,乙酰CoA,丙酮酸,PEP,磷酸丙糖,葡萄糖或糖原,糖,-磷酸甘油,脂肪酸,脂肪,甘油三酯,乙酰乙酰CoA,酮体,CO2,CO2,氨基酸、糖及脂肪代谢的联系,T A C,第四节氨的代谢,Metabolism of Ammonia,一、体内有毒性的氨有三个重要来源,（一）氨基酸脱氨基作用和胺类分解均可产生氨,氨基酸脱氨基作用产生的氨是体内氨的主要
13、来源。,（三）肾小管上皮细胞分泌的氨主要来自谷氨酰胺,（二）肠道细菌腐败作用产生氨,二、氨在血液中以丙氨酸及谷氨酰胺的形式转运,（一）通过丙氨酸-葡萄糖循环氨从肌肉运往肝,生理意义,肌肉中氨以无毒的丙氨酸形式运输到肝。肝为肌肉提供葡萄糖。,丙氨酸,葡萄糖,肌肉蛋白质,氨基酸,NH3,谷氨酸,-酮戊 二酸,丙酮酸,糖酵解途径,肌肉,丙氨酸,血液,丙氨酸,葡萄糖,-酮戊二酸,谷氨酸,丙酮酸,NH3,尿素,尿素循环,糖异生,肝,丙氨酸-葡萄糖循环,葡萄糖,（二）通过谷氨酰胺氨从脑和肌肉等组织运往肝或肾,反应过程,谷氨酰胺是氨的解毒产物，也是氨的储存及运输形式。,生理意义,三、氨在肝合成尿素是氨的主要
14、去路,体内氨的去路有：,在肝内合成尿素，这是最主要的去路；,肾小管泌氨,分泌的NH3在酸性条件下生成NH4+，随尿排出。,合成非必需氨基酸及其它含氮化合物；,合成谷氨酰胺。,（一）Krebs提出尿素是通过鸟氨酸循环合成的学说,尿素生成的过程由Hans Krebs 和Kurt Henseleit 提出，称为鸟氨酸循环(orinithine cycle)，又称尿素循环(urea cycle)或Krebs-Henseleit循环。,1、NH3、CO2和ATP缩合生成氨基甲酰磷酸,反应在线粒体中进行,（二）肝中鸟氨酸循环合成尿素的详细步骤,反应由氨基甲酰磷酸合成酶(carbamoyl phosphat
15、e synthetase,CPS-)催化。N-乙酰谷氨酸为其激活剂，反应消耗2分子ATP。,N-乙酰谷氨酸(AGA),2、氨基甲酰磷酸与鸟氨酸反应生成瓜氨酸,鸟氨酸氨基甲酰转移酶,H3PO4,+,氨基甲酰磷酸,反应由鸟氨酸氨基甲酰转移酶(ornithine carbamoyl transferase,OCT)催化，OCT常与CPS-构成复合体。反应在线粒体中进行，瓜氨酸生成后进入胞液。,3、瓜氨酸与天冬氨酸反应生成精氨酸代琥珀酸,反应在胞液中进行。,+,天冬氨酸,精氨酸代琥珀酸,精氨酸,延胡索酸,精氨酸代琥珀酸裂解酶,精氨酸代琥珀酸,4、精氨酸代琥珀酸裂解生成精氨酸和延胡索酸,反应在胞液中进行
16、。,5、精氨酸水解释放尿素并再生成鸟氨酸,反应在胞液中进行。,鸟氨酸循环,反应小结：,原料：2 分子氨，一个来自于游离氨，另一个来自天冬氨酸。过程：通过鸟氨酸循环，先在线粒体中进行，再在胞液中进行。耗能：3 个ATP，4 个高能磷酸键。,1、高蛋白质膳食促进尿素合成2、AGA激活 CPS-启动尿素合成3、精氨酸代琥珀酸合成酶活性促进尿素合成,（三）尿素合成受膳食蛋白质和两种限速酶活性的调节,血氨浓度升高称高血氨症(hyperammonemia),高血氨症时可引起脑功能障碍，称氨中毒(ammonia poisoning)及肝性脑病（肝昏迷）。,（四）尿素合成障碍可引起高血氨症与氨中毒,常见于肝功
17、能严重损伤或尿素合成相关酶的遗传缺陷。,TAC,（肝昏迷）脑供能不足,脑内-酮戊二酸,氨中毒的可能机制,第五节 个别氨基酸的代谢,Metabolism of Individual Amino Acids,一、氨基酸的脱羧基作用产生特殊的胺类化合物,脱羧基作用(decarboxylation),（一）谷氨酸经谷氨酸脱羧酶催化生成-氨基丁酸(-aminobutyric acid,GABA),GABA是抑制性神经递质，对中枢神经有抑制作用。,（二）组氨酸经组氨酸脱羧酶催化生成组胺(histamine),组胺是强烈的血管舒张剂，可增加毛细血管的通透性，还可刺激胃蛋白酶原及胃酸的分泌。,（三）色氨酸经5
18、-羟色胺酸生成5-羟色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT),5-HT在脑内作为神经递质起抑制作用；在外周组织有收缩血管的作用。,（四）某些氨基酸的脱羧基作用可产生多胺类(polyamines)物质,多胺是调节细胞生长的重要物质。,（5）鸟氨酸 多胺类,促进细胞增殖 肿瘤病人血、尿测定指标之一,（精脒、精胺）,二、某些氨基酸在分解代谢中产生一碳单位,一碳单位的定义,（一）四氢叶酸作为一碳单位的运载体参与一碳单位代谢,某些氨基酸在分解代谢过程中产生的含有一个碳原子的有机基团，称为一碳单位(one carbon unit)。,一碳单位的种类,甲基(methyl)-CH3甲烯基(me
19、thylene,亚甲基)-CH2-甲炔基(methenyl,次甲基)-CH=甲酰基(formyl)-CHO亚胺甲基(formimino)-CH=NH,四氢叶酸的结构,FH4的生成,FH4携带一碳单位的形式,（一碳单位通常是结合在FH4分子的N5、N10位上）,一碳单位主要来源于丝氨酸、甘氨酸、组氨酸及色氨酸的分解代谢,（二）由氨基酸产生的一碳单位可相互转变,一碳单位的互相转变,N10CHOFH4,N5,N10=CHFH4,N5,N10CH2FH4,N5CH3FH4,N5CH=NHFH4,H+,H2O,NADPH+H+,NADP+,NADH+H+,NAD+,NH3,（三）一碳单位的主要功能是参与
20、嘌呤、嘧啶的合成,N10-CHO-FH4与N5,N10=CH-FH4分别为嘌呤合成提供C2与C8，N5,N10-CH2-FH4为胸腺嘧啶核苷酸合成提供甲基。把氨基酸代谢和核酸代谢联系起来。,三、含硫氨基酸的代谢是相互联系的,胱氨酸,甲硫氨酸,半胱氨酸,（一）甲硫氨酸参与甲基转移,1、甲硫氨酸转甲基作用与甲硫氨酸循环有关,腺苷转移酶,PPi+Pi,+,甲硫氨酸,ATP,S腺苷甲硫氨酸(SAM),甲基转移酶,RH,RCH3,腺苷,SAM,S腺苷同型半胱氨酸,同型半胱氨酸,SAM为体内甲基的直接供体,甲硫氨酸循环(methionine cycle),VitB12缺乏,巨幼红细胞贫血,机理：VitB1
21、2缺乏 游离FH4不足 不能转运一碳单位参与嘌呤和嘧啶核苷酸的合成，核酸不能合成 影响细胞分裂 巨幼红细胞贫血,磺胺类药物的作用机制,磺胺药 FH2合成酶 FH2还原酶对氨基苯甲酸等 FH2 FH4 不能转运一碳单位参与嘌呤和嘧啶核苷酸的合成，核酸不能合成 抑制细菌生长繁殖,抑制,2、甲硫氨酸为肌酸合成提供甲基,肌酸(creatine)和磷酸肌酸(creatine phosphate)是能量储存、利用的重要化合物。肝是合成肌酸的主要器官。肌酸以甘氨酸为骨架，由精氨酸提供脒基，SAM提供甲基而合成。肌酸在肌酸激酶的作用下，转变为磷酸肌酸。肌酸和磷酸肌酸代谢的终产物为肌酸酐(creatinine)
22、。,（三）半胱氨酸代谢可产生多种重要的生理活性物质,1、半胱氨酸与胱氨酸可以互变,2、半胱氨酸可转变成牛磺酸,牛磺酸是结合胆汁酸的组成成分之一。,3、半胱氨酸可生成活性硫酸根,PAPS为活性硫酸根，是体内硫酸基的供体。,四、芳香族氨基酸代谢可产生神经递质,1、苯丙氨酸羟化生成酪氨酸,此反应为苯丙氨酸的主要代谢途径。,（一）苯丙氨酸和酪氨酸代谢有联系又有区别,苯丙酮酸尿症(phenyl keronuria,PKU),体内苯丙氨酸羟化酶缺陷，苯丙氨酸不能正常转变为酪氨酸，苯丙氨酸经转氨基作用生成苯丙酮酸、苯乙酸等，并从尿中排出的一种遗传代谢病。,2、酪氨酸转变为儿茶酚胺和黑色素或彻底氧化分解,多巴醌,吲哚醌,黑色素,聚合,黑色素(melanin)的生成,儿茶酚胺(catecholamine)的生成,S-腺苷同型半胱氨酸,帕金森病(Parkinson disease)患者多巴胺生成减少。人体缺乏酪氨酸酶，黑色素合成障碍，皮肤、毛发等发白，称为白化病(albinism)。,酪氨酸的分解代谢,体内代谢尿黑酸的酶先天缺陷时，尿黑酸分解受阻，可出现尿黑酸尿症。,（二）色氨酸的分解代谢可产生丙酮酸和乙酰乙酰CoA,色氨酸,5-羟色胺,一碳单位,丙酮酸+乙酰乙酰CoA,维生素 PP,五、支链氨基酸的分解有相似的代谢过程,支链氨基酸的分解代谢,氨基酸的重要含氮衍生物,
