生物化學(xué)與分子生物學(xué):第二節(jié)　個別氨基酸代謝

一、一碳單位代謝

某些氨基酸在代謝過程中能生成含一個碳原子的基團(tuán)，經(jīng)過轉(zhuǎn)移參與生物合成過程。這些含一個碳原子的基團(tuán)稱為一碳單位(C1unit或one carbon unit)。有關(guān)一碳單位生成和轉(zhuǎn)移的代謝稱為一碳單位代謝。

體內(nèi)的一碳單位有：甲基(－CH3，methyl)、甲烯基(－CH2��,methylene)，甲炔基(－CH＝,methenyl)、甲酰基(-CHO,formyl)及亞氨甲基(-CH＝NH,formimino)等。它們可分別來自甘氨酸、組氨酸、絲氨酸、色氨酸、蛋氨酸等(圖7-12)。

圖7-12　一碳單位的來源

(一)一碳單位代酸的輔酶

一碳單位不能游離存在，通常與四氫葉酸(Tetrahydrofolic acid,FH4)結(jié)合而轉(zhuǎn)運(yùn)或參加生物代謝，F(xiàn)H4是一碳單位代謝的輔酶。

四氫葉酸由葉酸(folicacid)衍生而來。葉酸需經(jīng)二次還原方可轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚暂o酶形式－FH4(圖7-13)。兩次還原均由二氫葉酸還原酶(dihyclrofolatereductase)所催化。

圖7-13　四氫葉酸的生成

一碳單位共價連接于FH4分子的N5、N10位或N5和N10位上。

(二)一碳單位的來源及轉(zhuǎn)換

一碳單位主要來源于絲氨酸，在絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶催化為甘氨酸過程中產(chǎn)生的N5，N10�布紫┆睩H4；甘氨酸在甘氨酸合成酶(glycine synthase)催化下可分解為CO2，NH+4和N5，N10桟H2桭H4。此外，蘇氨酸和絲氨酸都可經(jīng)相應(yīng)酶催化轉(zhuǎn)變?yōu)榻z氨酸。因此亦可產(chǎn)生N5、N10桟H2桭H4。

在組氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)?a class="channel_keylink" href="http://bhskgw.cn/pharm/2009/20090107120602_48130.shtml" target="_blank">谷氨酸過程中由亞胺甲基谷氨酸提供了N5桟H＝NH�睩H4。

色氨酸分解代謝能產(chǎn)生甲酸，甲酸可與FH4結(jié)合產(chǎn)生N10桟HO桭H4。

體內(nèi)一碳單位分別處于甲酸、甲醛不同的氧化水平，在相應(yīng)的酶促氧化還原反應(yīng)下可相互轉(zhuǎn)換(圖7-14)。這些反應(yīng)中，N5-CH3-FH4的生成基本是不可逆的。N5-CH3桭H4可將甲基轉(zhuǎn)移給同型半胱氨酸生成蛋氨酸和FH4。催化此反應(yīng)的酶是N5-CH3FH4同型半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶，輔酶為甲基B12。此反應(yīng)不可逆bhskgw.cn/yishi/，故N5-CH3FH4不能自蛋氨酸生成。

圖7-14　一碳單位的相互轉(zhuǎn)化

蛋氨酸分子中的甲基也是一碳單位。在ATP的參與下蛋氨酸轉(zhuǎn)變生成S－腺苷蛋氨酸(Sadenosylmethionine,又稱活性蛋氨酸)。S�蚕佘盏鞍彼崾腔顫姷募谆�供體。因此四氫葉酸并不是一碳單位的唯一載體。

(三)一碳單位的功能

1.一碳單位是合成嘌呤和嘧啶的原料，在核酸生物合成中有重要作用。如N5－N10－CH＝FH4直接提供甲基用子脫氧核苷酸dUMP向dTMP的轉(zhuǎn)化。N10-CHO-FH4和N5N10-CH=FH4分別參與嘌呤堿中C2，C3原子的生成。

2.SAM提供甲基可參與體內(nèi)多種物質(zhì)合成。例如腎上腺素、膽堿、膽酸等。

一碳單位代謝將氨基酸代謝與核苷酸及一些重要物質(zhì)的生物合成聯(lián)系起來。一碳單位代謝的障礙可造成某些病理情況，如巨幼紅細(xì)胞貧血等�；前匪幖澳晨拱┧�(氨甲喋呤等)正是分別通過干擾細(xì)菌及瘤細(xì)胞的葉酸、四氫葉酸合成，進(jìn)而影響核酸合成而發(fā)揮藥理作用的。

二、含硫氨基酸的代謝

含硫氨基酸共有蛋氨酸、半胱氨酸和胱氨酸三種，蛋氨酸可轉(zhuǎn)變?yōu)榘腚装彼岷碗装彼�，后兩者也可以互變，但后者不能變成蛋氨酸，所以蛋氨酸是必需氨基酸�?/p>

(一)蛋氨酸代謝

1.轉(zhuǎn)甲基作用與蛋氨酸循環(huán)　蛋氨酸中含有S甲基，可參與多種轉(zhuǎn)甲基的反應(yīng)生成多種含甲基的生理活性物質(zhì)。在腺苷轉(zhuǎn)移酶催化下與ATP反應(yīng)生成S-腺苷蛋氨酸(S-adenosglmethiomine,SAM)。SAM中的甲基是高度活化的，稱活性甲基，SAM稱為活性蛋氨酸。

SAM可在不同甲基轉(zhuǎn)移酶(methyl transferase)的催化下，將甲基轉(zhuǎn)移給各種甲接受體而形成許多甲基化合物，如腎上腺素、膽堿、甜菜堿、肉毒堿、肌酸等都是從SAM中獲得甲基的。SAM是體內(nèi)最主要的甲基供體。

SAM轉(zhuǎn)出甲基后形成S�蚕佘胀�型半胱氨酸S�瞐denosylhomocystine，SAH)，SAH水解釋出腺苷變?yōu)橥�型半胱氨�?homocystine,hCys)。同型半胱氨酸可以接受N5桟H3桯F4提供的甲基再生成蛋氨酸，形成一個循環(huán)過程，稱為蛋氨酸循環(huán)(methionine cycle)。此循環(huán)的生理意義在于蛋氨酸分子中甲基可間接通過N5桟H3桭H4由其它非必需氨基酸提供，以防蛋氨酸的大量消耗(圖7－15)。

圖7-15　S-腺苷蛋氨酸循環(huán)

N5－CH3FH4同型半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶的輔酶是甲基B12。維生素B12缺乏會引起蛋氨酸循環(huán)受阻。臨床上可以見到維生素B12缺乏引起的巨幼細(xì)胞性貧血。1962年Noronha與Silverman首先提出了甲基陷阱學(xué)說(methyl－trap hypothesis)，后來Herbert與Zaulsky又作了修改。這個學(xué)說認(rèn)為：由于維生素B12缺乏，引起甲基B12缺乏，使甲基轉(zhuǎn)移酶活性低下，甲基轉(zhuǎn)移反應(yīng)受阻導(dǎo)致葉酸以N5－CH3FH4形式在體內(nèi)堆積。這樣，其它形式的葉酸大量消耗，以這些葉酸作輔酶的酶活力降低，影響了嘌呤堿和胸腺嘧啶的合成，因而影響核酸的合成，引起巨幼細(xì)胞性貧血。也就是說，維生素B12對核酸合成的影響是間接地通過影響葉酸代謝而實(shí)現(xiàn)的。

雖蛋氨酸循環(huán)可生成蛋氨酸，但體內(nèi)不能合成同型半胱氨酸，只能由蛋氨酸轉(zhuǎn)變而來，所以體內(nèi)實(shí)際上不能合成蛋氨酸，必須由食物供給。

同型半胱氨酸還可在胱硫醚合成酶(cystathiorinesynthase)催化下與絲氨酸縮合生成胱硫醚(cystathionine)，再經(jīng)胱硫醚酶催化水解生成半胱氨酸，α-酮丁酸和氨。α-酮丁酸轉(zhuǎn)變?yōu)?a class="channel_keylink" href="http://bhskgw.cn/pharm/2009/20090113060139_95542.shtml" target="_blank">琥珀酸單酰CoA，通過三羧酸循環(huán)，可以生成葡萄糖、所以蛋氨酸為生糖氨基酸。

2.肌酸的合成　肌酸(creatine)和磷酸肌酸(creatinephosphate)在能量儲存及利用中起重要作用。二者互變使體內(nèi)ATP供應(yīng)具有后備潛力。肌酸在肝和腎中合成，廣泛分布于骨骼肌、心肌、大腦等組織中。肌酸以甘氨酸為骨架，精氨酸提供脒基、SAM供給甲基、在脒基轉(zhuǎn)移酶和甲基轉(zhuǎn)移酶的催化下合成。在肌酸激酶(creatinephosphohinase,CPK)催化下將ATP中桺轉(zhuǎn)移到肌酸分子中形成磷酸肌酸(CP)儲備起來(圖7－16)。

圖7-16　肌酸的代謝

CPK由兩種亞基組成；即M亞基(肌型)與B亞基(腦型)。有三種同工酶；即MM型(在骨骼肌中)BB型在腦中)和MB型(在心肌中)。心肌梗塞時，血中MB型CPK活性增高，可作輔助診斷的指標(biāo)之一。

肌酸和磷酸肌酸代謝的終產(chǎn)物是肌酸酐(creatinine)簡稱肌酐。正常成人，每日尿中肌酐量恒定。腎功能障礙時，檢查血或尿中肌酐含量以幫助診斷。

(二)半胱氨酸和胱氨酸的代謝

1.半胱氨酸和胱氨酸的互變　半胱氨酸含巰基(-SH)，胱氨酸含有二硫鍵（S-S-)，二者可通過氧化還原而互變。胱氨酸不參與蛋白質(zhì)的合成，蛋白質(zhì)中的胱氨酸由半胱氨酸殘基氧化脫氫而來。在蛋白質(zhì)分子中兩個半胱氨酸殘基間所形成的二硫鍵對維持蛋白質(zhì)分子構(gòu)象起重要作用。而蛋白分子中半胱氨酸的巰基是許多蛋白質(zhì)或酶的活性基團(tuán)。

2.半胱氨酸分解代謝　人體中半胱氨酸主要通過兩條途徑降解為丙酮酸。一是加雙氧酶催化的直接氧化途徑，或稱半胱亞bhskgw.cn/yaoshi/磺酸途徑，另一是通過轉(zhuǎn)氨的3-巰基丙酮酸途徑。

3.活性硫酸根代謝　含硫氨基酸經(jīng)分解代謝可生成H2S，H2S氧化成為硫酸。半胱氨酸巰基亦可先氧化生成亞磺基，然后再生成硫酸。其中一部分以無機(jī)鹽形式從尿中排出，一部分經(jīng)活化生成3′磷酸腺苷-5"-磷酸硫酸(3"-phosphoadenosine��5"-phosphosulfate,PAPS)，即活性硫酸根。

PAPS的性質(zhì)活潑，在肝臟的生物轉(zhuǎn)化中有重要作用。例如類固醇激素可與PAPS結(jié)合成硫酸酯而被滅活，一些外源性酚類亦可形成硫酸酯而增加其溶解性以利于從尿于排出。此外，PAPS也可參與硫酸角質(zhì)素及硫酸軟骨素等分子中硫酸化氨基多糖的合成。

4.谷胱甘肽的合成　谷胱甘肽(glutathiose,r�瞘lutamylcysteinglglycine,GSH)是一種�ず�γ－酰胺鍵的三肽，由谷氨酸、半胱氨酸及甘氨酸組成。GSH的合成通過γ－谷氨�；�循環(huán)(γ－glutamyl cycle)，由Meister提出，又稱為Meister循環(huán)(圖7-17)。γ-谷氨�；�循環(huán)有雙重作用，一是GSH的再合成，二是通過GSH的合成與分解將外源氨基酸主動轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)。

圖7-17　γ-谷氨�；�循環(huán)

GSH的合成由γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(γ-glutamylcysteinsynthetase)和GSH合成酶(GSHsynthetase)所催化。由ATP水解供能。GSH的分解中γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶(γ-glutamyl transpeptidase)、γ-谷氨酰環(huán)轉(zhuǎn)移酶(γ-gltamyl cyclotransforase)和5氧脯氨酸酶(5oxoprolinase)及一個細(xì)胞內(nèi)肽酶(protease)所催化。

GSH在人體解毒、氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)及代謝中均有重要作用。GSH的活性基團(tuán)是其半胱氨酸殘基上的巰基，GSH有氧化型和還原型兩種形式，可以互變。

谷胱甘胱還原酶催化上面反應(yīng)，輔酶為NADPH，細(xì)胞中GSH與GSSG的比例為100：1。GSH可保護(hù)某些蛋白質(zhì)及酶分子的巰基不被氧化，從而維持其生物活性。如紅細(xì)胞中含有較多GSH，對保護(hù)紅細(xì)胞膜完整性及促使高鐵血紅蛋白還原為血紅蛋白均有重要作用。此外，體內(nèi)產(chǎn)生的過氧化物及自由基，亦可通過含硒的GSH過氧化酶而被清除，如：

三、芳香族氨基酸的代謝

芳香族氨基酸包括苯丙氨酸，酪氨酸和色氨酸，苯丙氨酸和酪氨酸結(jié)構(gòu)相似，在體內(nèi)苯丙氨酸可轉(zhuǎn)變成酪氨酶，所以合并在一起討論。

(一)苯丙氨酸和酪氨酸

1.苯丙氨酸在體內(nèi)一般先轉(zhuǎn)變?yōu)槔野彼帷Ｓ杀奖�氨酸羥化酶(phenylalamine hyolroxylase)催化引入羥基完成，其輔酶為四氫生物嘌呤。反應(yīng)生成的二氫生物喋呤，由二氫葉酸還原酶催化，借助NADPH+H還原為四氫化合物(圖7-18)。

圖7-18　酪氨酸的生成

苯丙氨酸羥化酶所催化反應(yīng)不可逆，體內(nèi)酷氨酸不能轉(zhuǎn)變?yōu)楸奖�氨酸�?/p>

2.兒茶酚胺與黑色素的合成　酪氨酸經(jīng)酪氨酸羥化酶(tyrosine hydroxylase)催化生成3，4二羥苯丙氨酸(3,4dihydroxyphenylalanineL－DOPA)(多巴)。此酶也是以四氫生物喋呤為輔酶的加單氧酶，多巴經(jīng)多巴脫羧酶催化生成多巴胺(dopamine)。多巴胺在多巴胺β－氧化酶(dopamine β�瞣xidase)催化下使β碳原子羥化，生成去甲腎上腺素(norepinephrine)。而后由SAM提供甲基使去甲腎上腺素甲基化生成腎上腺素(epinephrine)。多巴胺、去甲腎上腺素、腎上腺素統(tǒng)稱為兒茶酚胺(catecholamine)。酪氨酸羥化酶是兒茶酚胺合成的限速酶，受終產(chǎn)物的反饋調(diào)節(jié)(圖7-19)。

圖7-19　兒茶酚胺的合成

在黑色素細(xì)胞中，酪氨酸在酪氨酸酶催化下羥化生成多巴，多巴再經(jīng)氧化生成多巴醌而進(jìn)入合成黑色素的途徑。所形成的多巴醌進(jìn)一步環(huán)化和脫羧生成吲哚醌。黑色素即是吲哚醌的聚合物。人體若缺乏酪氨酸酶，黑色素合成障礙，皮膚、毛發(fā)發(fā)“白”，稱為白化病(albinism)(圖7-20)。

圖7-20　黑色素的生成

3.酪氨酸是生糖兼生酮氨基酸　酪氨酸經(jīng)轉(zhuǎn)氨基作用生成對羥基苯丙酮酸，進(jìn)一步分解則生成乙酰乙酸和延胡索酸，所以是生糖兼生酮氨基酸。

4.代謝障礙　已知在苯丙氨酸和酪氨酸代謝中，有許多代謝性疾患。最重要的是苯丙酮酸尿癥(phenylketonuria,PKV)，因缺乏苯丙氨酸羥化酶所致。苯丙氨酸不能正常地轉(zhuǎn)變?yōu)槔野彼幔�體內(nèi)苯丙氨酸蓄積，并由轉(zhuǎn)氨基作用生成苯丙酮酸(一部分還原為苯乙酸)并從尿液中排出。苯丙酮酸的堆積對中樞神經(jīng)系統(tǒng)有毒性，故本病伴發(fā)智力發(fā)育障礙。早期發(fā)現(xiàn)時可控制飲食中苯丙氨酸含量，有利于智力發(fā)育。

另一代謝疾患為尿黑酸尿癥(alkaptonuria)。酪氨酸在分解代謝中生成中間產(chǎn)物尿黑酸，如尿黑酸氧化酶缺乏，則尿黑酸裂環(huán)降解受阻，大量尿黑酸排入尿中，經(jīng)空氣氧化為相應(yīng)的對醌，后者可聚合為黑的色素。此種代謝性疾患一般無嚴(yán)重后果。

此外，巴金森病(Parkinson′sdisease)是由于腦生成多巴胺的功能退化所致的一種嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)疾病。臨床常用L�捕喟椭委�，L-多巴本身不能通過血�材X屏障無直接療效，但在相應(yīng)組織中脫羧可生成多巴胺達(dá)到治療作用。目前，采用將大腦中植移腎上腺髓質(zhì)，借此生成多巴胺以彌補(bǔ)腦中多巴胺不足，取得較好療效。

(二)色氨酸的代謝

色氨酸是必需氨基酸。大多數(shù)蛋白質(zhì)中含量均較少，機(jī)體對其攝取少，分解亦少。除參加蛋白質(zhì)合成外，還可經(jīng)氧化脫羧生成5�擦u色胺(前述)。并可降解產(chǎn)生生糖，生酮成分，此過程中產(chǎn)生一碳單位及尼克酸等。

1.色氨酸分解首先在色氨酸-2，3-加雙氧酶(tryptophan-2,3-dioxygenase)作用下將吡酪環(huán)打開，生成N-甲酰犬尿氨酸(N-Formylkynurenine)。此酶輔基為鐵卟啉，Vit C有保護(hù)輔基中Fe2+不被氧化的作用，亦可說Vit C是此酶的激活劑。在甲�；�酶(formamidase)的作用下，甲酰犬尿氨酸脫甲�；�生成甲酸和犬尿氨酸，甲酸可參加一碳單位代謝。而犬尿氨酸則有三個不同代謝方向。

(1)犬尿氨酸主要由犬尿氨酸羥化酶(Rynurenine-3-monoxygenase)催化生成3�擦u犬尿氨酸(3-hydroxykynurenine)，而后由犬尿氨酸酶(kynureninase)(以PLP為輔酶)催化水解裂出丙氨酸，并生成了3-羥鄰氨苯甲酸(3-hydroxyanthranilate)，丙氨酸可經(jīng)轉(zhuǎn)氨生成丙酮酸，而3-羥鄰苯甲酸經(jīng)氧化裂環(huán)，脫羧等反應(yīng)生成α�餐�乙酸，進(jìn)而生成乙酰乙酸。因此，色氨酸為生糖兼生酮氨基酸。

(2)少量犬尿氨酸經(jīng)轉(zhuǎn)氨作用并縮合生成犬尿酸。

(3)少量裂解出丙氨酸后生成鄰氨苯甲酸。

2.尼克酸的生成　色氨酸分解代謝中的3－羥鄰氨苯甲酸經(jīng)3－羥鄰氨苯丙酸－3，4，－加雙氧酶(3-hydroxyanthranilate-3,4-dioxygenase)催化裂環(huán)，可生成尼克酸，是構(gòu)成NAD(P)+的關(guān)鍵成分。這是體內(nèi)合成維生素的一個特例。

四、支鏈氨基酸的代謝

支鏈氨基酸(branched�瞐mino acid,BCAA)包括亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸。三者均為必需氨基酸。分解代謝主要在肌肉組織中進(jìn)行。它們分屬于三類，亮氨酸為生酮氨基酸，纈氨酸為生糖氨基酸，異亮氨酸為生糖兼生酮氨基酸。

三種支鏈氨基酸分解代謝過程均較復(fù)雜，一般可分為二階段。第一階段，三種氨基酸前三步反應(yīng)性質(zhì)相同，產(chǎn)物類似。均為CoA的衍生物，可稱為共同反應(yīng)階段。第二階段則反應(yīng)各異，經(jīng)若干步反應(yīng)，亮氨酸產(chǎn)生乙酰CoA及乙酰乙酰CoA，纈氨酸產(chǎn)生琥珀酸單酰CoA，異亮氨酸產(chǎn)生乙酰CoA及琥珀酸單酰CoA分別納入生糖或生酮的代謝(圖7-21)。

圖7-21　支鏈氨基酸的分解代謝