氨基酸的分解代谢

二、氨基酸的分解代谢

氨基酸的分解代谢是蛋白质降解的继续，可分为氨基酸的一般代谢和个别氨基酸的代谢。

（一）氨基酸的一般代谢

氨基酸的一般分解代谢包括氨基酸的脱羧基和脱氨基作用。其反应主要是指α-羧基和α-氨基的分解。

1.氨基酸的脱羧基作用

氨基酸的脱羧基作用（decarboxylation）是在氨基酸脱羧酶（decarboxylase）的催化下进行的。氨基酸脱羧酶的辅酶是磷酸吡哆醛。体内只有少量的氨基酸经过脱羧基作用代谢。脱下的α-羧基生成CO2和相应的胺类物质。氨基酸脱羧反应的通式如下：

2.氨基酸的脱氨基作用

在各种脱氨酶和转氨酶的催化作用下，从氨基酸分子上脱掉α-氨基，生成氨和相应的α-酮酸称为氨基酸的脱氨基作用（deamination）。根据脱氨基反应的特点，分为氧化脱氨基、非氧化脱氨基、转氨基和联合脱氨基3种不同的方式。

（1）氧化脱氨基　氨基酸在各种氧化脱氨酶，即氨基酸脱氢酶（amino asid dehydrogenase）的催化下，脱掉氨基，生成相应的α-酮酸的过程称为氧化脱氨基（oxidative deamination）。在动物体内以L-谷氨酸脱氢酶活性为最高，其辅酶是NAD+（图5-9）。

（2）非氧化脱氨基作用　非氧化脱氨基作用（nonoxidative deamination）包括还原脱氨基、脱水脱氨基、脱硫化氢脱氨基和水解脱氨基4种不同方式。

①还原脱氨基　在某些微生物中的氢化酶催化下，使氨基酸还原生成相应的脂肪酸和氨（图5-10）。

②脱水脱氨基　L-丝氨酸脱水酶催化此反应，生成丙酮酸和氨（图5-11）。

③脱硫化氢脱氨基　在脱硫化氢酶的催化下，半胱氨酸发生与上述丝氨酸的脱水脱氨基作用类似的反应，生成丙酮酸和氨（图5-12）。

④水解脱氨基　在氨基酸水解酶的催化作用下，氨基酸发生水解脱氨基作用，生成羟基酸和氨（图5-13）。

（3）转氨基作用　生物体内存在有各种各样的转氨酶，亦称氨基移换酶（transaminase），它们可以催化α-氨基酸与α-酮酸之间的氨基移换反应，使原有α-氨基酸将α-氨基转移变成相应的α-酮酸，而原有的α-酮酸接受氨基后，转变生成相应的α-氨基酸，这类反应称为转氨基作用（transamination）（图5-14）。转氨酶的辅酶都是磷酸吡哆醛，参与氨基的传递过程。

（4）联合脱氨基　在动物体内，氨基酸脱氨基主要以联合脱氨基（combined deamination）的形式进行。因为体内存在各种转氨酶，并且L-谷氨酸脱氢酶的活性又比较高，所以首先将氨基酸上的氨基以转氨基的形式转移给α-酮戊二酸，形成L-谷氨酸，然后再以L-谷氨酸脱氢酶催化，进行氧化脱氨基，最终实现氨基酸的脱氨基。这种将转氨基与氧化脱氨基联合起来进行的脱氨基作用，称为联合脱氨基作用（图5-15）。

体内除上述联合脱氨基形式以外，还有近50%的脱氨基作用是通过嘌呤核苷酸循环（purin nucleotide cycle）的形式进行，是一个将转氨基作用同腺苷酸的脱氨基作用联合起来的联合脱氨基作用（图5-16）。此过程将氨基酸上的氨基经转氨基作用转移给草酰乙酸生成天冬氨酸，再将其转移给次黄嘌呤核苷酸（IMP）生成腺嘌呤核苷酸（AMP），然后以腺苷酸脱氢酶催化其脱氨。

3.氨的代谢去路

机体内氨基酸经脱氨基作用所生成的氨进入氨的总代谢池，进一步进行代谢，包括谷氨酰胺的生成、尿素的合成、核苷酸的合成、氨基酸的再合成等代谢去路。氨在机体内的代谢主要是以铵离子的形式进行的：

（1）谷氨酰胺的生成　NH3在动物体内具有毒性，谷氨酰胺没有毒性，是NH3在体内贮存和运输的形式。谷氨酰胺的合成需要消耗ATP，反应由谷氨酰胺合成酶催化，该酶需要Mg2+。当机体需要利用氨时，则在谷氨酰胺酶的催化下使其分解（图5-17）。谷氨酰胺的这一代谢对维持机体的酸碱平衡也具有一定作用。

（2）尿素的生成　氨基酸脱氨基生成的氨在机体内主要是合成尿素而排出体外。尿素的合成由线粒体与胞液内的特殊酶系催化，鸟氨酸是中间产物，最终合成尿素，形成一个循环反应。H.Crebs和K.Henseleit于1932年首次提出鸟氨酸循环（ornithine cycle），此过程又称尿素循环（urea cycle）。尿素循环包括以下5步酶促反应。

①氨基甲酰磷酸的生成　肝细胞线粒体中的氨基甲酰磷酸合成酶Ⅰ（aminomethylphosphate synthetaseⅠ）催化此反应。底物包括氨、CO2、H2O和ATP。除氨基甲酰磷酸外，还生成ADP和无机磷酸。该反应是一个耗能反应，分解2分子ATP，消耗2个高能磷酸键。

氨基甲酰磷酸合成酶Ⅰ是尿素合成的重要调节酶。N-乙酰谷氨酸（N-AGA）是它的变构激活剂，由谷氨酸和乙酰CoA合成。当氨基酸分解旺盛时，由于转氨基作用产生大量的谷氨酸，促进N-乙酰谷氨酸的生成，进一步激活此酶，从而促进尿素的合成。

②氨基甲酰磷酸与鸟氨酸合成瓜氨酸　在线粒体内鸟氨酸转氨基甲酰酶（ornithine transcarbamylase）的催化下，氨基甲酰磷酸与鸟氨酸（ornithine, Orn）反应，生成瓜氨酸（citrulline, Cit）（图5-18）。

③精氨琥珀酸的生成　瓜氨酸生成后，穿过线粒体内膜，进入细胞液，在细胞液中的精氨琥珀酸合成酶（argininosuccinate synthetase）催化下，天冬氨酸参加反应，生成精氨琥珀酸。该反应需要消耗ATP，水解2个高能磷酸键（图5-19）。

④精氨酸的生成　精氨琥珀酸在精氨琥珀酸裂解酶（argininosuccinate lyase）的催化下，裂解生成精氨酸和延胡索酸（图5-20）。

⑤尿素的生成　精氨酸在精氨酸酶（arginase）的催化下，水解生成尿素和鸟氨酸（图5-21）。

尿素循环的总反应过程如图5-22所示。

尿素循环中，氨基甲酰磷酸提供了尿素分子中的一个碳原子和一个氮原子，而另一个氮原子则来源于天冬氨酸的α-氨基。天冬氨酸失去α-氨基后生成的延胡索酸还需要经过一个“小循环”，从氨基酸获得氨基，再生成天冬氨酸，重新参加新一轮尿素循环。归根结底，氨基酸提供氨基，与CO2合成了尿素，最终以尿素的形式排出体外。

4.α-酮酸的代谢去路

氨基酸经过各种脱氨基作用脱掉氨基后剩下的碳骨架，就是各种α-酮酸。α-酮酸都可以经过三羧酸循环彻底氧化分解，生成CO2和水，同时产生能量。氨基酸脱氨基生成的α-酮酸的彻底氧化代谢过程见图5-23；在蛋白质的组成氨基酸中绝大多数氨基酸都可以转变为糖代谢的某些中间产物，经糖异生途径而生成葡萄糖，这就是氨基酸的生糖作用（glucogenesis）。有些氨基酸经脱氨基生成的α-酮酸，经过上述途径能够生成葡萄糖，这些氨基酸就称为生糖氨基酸（glucogenic amino acid）。生糖氨基酸有15种。氨基酸异生成葡萄糖的过程，主要是通过糖代谢的一些中间产物进行转变。有些氨基酸经脱氨基后所生成的α-酮酸经过进一步的代谢只能转化为乙酰辅酶A，而乙酰CoA的进一步代谢除彻底氧化外只能用于合成酮体等脂类物质，这个过程叫作生酮作用（ketogenesis），这类氨基酸称为生酮氨基酸（ketogenic amino acid）。属于生酮氨基酸的包括亮氨酸和赖氨酸两种。还有一些氨基酸既可以生成葡萄糖，也可以生成酮体等脂类物质，如色氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸和异亮氨酸，它们称为生糖兼生酮氨基酸（glucogenic and ketogenic amino acid）。

（二）个别氨基酸的代谢

氨基酸的脱氨基和脱羧基作用是氨基酸的一般代谢情况，但每个氨基酸都有它们比较复杂的具体代谢途径。

1.甘氨酸、丝氨酸及一碳单位的代谢

甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸等氨基酸的分解代谢不仅联系密切，而且都与一碳单位（single carbon unit）的代谢有关。一碳单位是由氨基酸代谢所产生的含有一个碳原子的基团，它们可以被转移，从而参加其他物质的合成。属于一碳单位的原子基团有：甲基（—CH3），甲烯基（—CH2—，又叫甲叉基），甲炔基（—CH═，又叫甲撑基），甲酰基（—CHO），羟甲基（—CH2OH），氨基甲基（—CH2NH2）、亚氨甲基（—CH═NH）等。一碳单位的代谢和转移大多与四氢叶酸（5，6，7，11-tetrahydrofolic acid, FH4）有关。四氢叶酸是一碳单位转移酶的辅酶，是维生素B11的衍生物。四氢叶酸转移一碳单位时，通过其分子上的N5，N10与之连接。有关氨基酸涉及的一碳单位的代谢见图5-24。

在一碳单位的代谢中，N10-甲酰四氢叶酸，N5，N10-甲炔四氢叶酸和N5，N10-甲烯四氢叶酸参与嘌呤和嘧啶的合成，从而使氨基酸的代谢同核苷酸的代谢相互联系。

S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosyl metheonine, SAM），又叫活性甲基，可将其分子中的甲基转移给其他物质。例如，脑磷脂可以接受由S-腺苷甲硫氨酸转移的甲基生成卵磷脂。

2.芳香族氨基酸的分解代谢

芳香族氨基酸中苯丙氨酸与酪氨酸的代谢有密切联系，苯丙氨酸与酪氨酸的代谢反应过程见图5-25。

3.含硫氨基酸的分解代谢

半胱氨酸与甲硫氨酸分子中都含有硫原子，统称为含硫氨基酸。它们的代谢除了彻底氧化分解和转化为葡萄糖外，还可以转化为具有一些特殊生理功能的活性物质。

（1）半胱氨酸的代谢　在蛋白质合成后的加工过程中，两个半胱氨酸残基可被氧化生成胱氨酸（cystine），对稳定蛋白质的高级结构起重要作用。半胱氨酸还能同谷氨酸、甘氨酸经过γ-谷氨酰胺循环（γ-glutamyl cycle）合成谷胱甘肽（glutathione, GSH）。谷胱甘肽在谷胱甘肽还原酶（glutayhione reductase）的催化下，在其还原型与氧化型之间转变，从而防止氧化性物质和药物对以巯基为活性基团的蛋白质的氧化作用，保持红细胞膜的完整性，并与药物、毒物结合，促进它们的生物转化，消除氧化物和自由基对细胞的损害，从而起到保护机体的作用。

（2）甲硫氨酸的代谢　甲硫氨酸含有硫原子并有一个同硫原子相连的甲基，因此它在代谢反应中是甲基供体。当甲硫氨酸在腺苷转移酶（adenyly ltransferase）的催化下同ATP反应时，可生成S-腺苷甲硫氨酸。