26. 氨基酸的代谢途径

精氨酸
瓜氨酸
鸟氨酸
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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。
谷氨酰胺 丙氨酸
氨甲酰磷酸
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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。
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转氨酶的临床意义
天冬氨酸氨基转移酶(AST)又称谷草转氨酶(GOT) 谷氨酸 + 草酰乙酸 GOT -酮戊二酸 +天冬氨酸
临床意义：心肌梗塞患者血清AST升高
丙氨酸氨基转移酶(ALT)，又称谷丙转氨酶(GPT)
谷氨酸 + 丙酮酸
ALT
-酮戊二酸 + 丙氨酸
临床意义：急性肝炎患者血清ALT升高
食品生物化学
第二十六课：氨基酸的代谢
糖类的 分解代谢 糖酵解 三羧酸循环 氧化磷酸化 糖原分解 磷酸戊糖途径
糖类的 合成代谢 糖异生 糖原合成
脂类的 分解代谢 β-氧化 酮体生成
脂类的 合成代谢 脂肪酸合成 三酰甘油合成 磷脂合成 胆固醇合成
蛋白质的分解代谢
蛋白质的合成代谢
蛋白质 消化
氨基酸 碳骨架 NH3 NH3 氨基酸
DNA
转录
脱氨基 碳骨架
RNA 翻译
蛋白质
CO2 + H2O
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。
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尿素
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。
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ห้องสมุดไป่ตู้
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。
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谷氨酰胺
• 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。
His: 从5磷酸核糖焦磷酸PRPP和ATP合成
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氨基酸合成途径的分类
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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。
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Tyr的代谢缺陷
• 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。
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氧化脱氨基：Glu脱氢酶
• 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。
• 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。
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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。
• 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。
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。
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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。
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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。
• 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。
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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。
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• 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。
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尿素循环
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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。
• TCA循环是三 者互变的枢纽 。
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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。
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氨基酸的分解代谢示意图
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 ② ③ ④ 转氨作用 氧化脱氨基 联合脱氨基 非氧化脱氨基
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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-酮基的位臵上。
谷氨酸
α-酮酸
α-氨基酸 α-酮戊二酸
• 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。
氨基酸代谢库
• 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。
尿素 食物蛋白质 氨基酸 代谢库 NH3 酮体
组织蛋白质
脱氨基
α-酮酸
糖
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)
CO2
胺类
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氨基酸代谢库
尿黑酸 氧化酶
• 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。
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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。
• 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。
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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。
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。
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
• 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。
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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。
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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。
α-酮戊二酸类 Glu, Gln, Pro, Arg, Lys
天冬氨酸类
丙酮酸类 3-磷酸甘油酸类 PEP和赤藓糖4P类
Asp, Asn, Met, Thr, Ile, Lys
Ala, Val, Leu Ser, Gly, Cys Phe, Tyr, Trp
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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。
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氨基酸碳骨架的降解途径
• 蛋白质、糖和 脂肪之间可以 相互转变。
• 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。
• 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。
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葡萄糖-丙氨酸循环
• 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。