第三节　氨基酸的一般代谢

一、氨基酸的代谢概况

食物蛋白质经过消化吸收进入体内的氨基酸为外源性氨基酸。体内各组织蛋白质分解以及组织合成的非必需氨基酸为内源性氨基酸。它们在体内混为一体，分布在各体液中参与代谢，称为氨基酸代谢库（metabolic pool）。

体内氨基酸的主要功用是合成蛋白质和多肽。有一部分可转变成其他含氮化合物如嘌呤、嘧啶、肾上腺素、甲状腺素等。此外，还能进行分解代谢。氨基酸代谢概况见图8－1。

图11－1　氨基酸代谢概况

三、氨的代谢

氨是毒性物质，脑组织对氨的毒性非常敏感。体内每天有大量的氨进入血液，但在正常生理情况下，血氨水平在47～65μmol/L。这是因为体内有一系列清除氨的机制，使氨的来源与去路之间保持动态平衡。

（一）体内氨的来源

1.氨基酸脱氨　这是体内氨的主要来源，其他内源性氨还可来自胺类的氧化分解、嘌呤及嘧啶代谢产生的氨。

2.肠道吸收　肠道吸收的氨有两个来源：一是肠道细菌腐败产氨；二是血中的尿素渗入肠道，经肠道细菌脲酶水解产生氨。肠道产氨量每天约4g。当肠内腐败作用加强时，氨的生成增多。NH₃比NH₄⁺更易透过细胞膜而被吸收。当肠道pH值较低时（pH值＜6.0），NH₃与H⁺结合成NH₄⁺，而减少氨的吸收。肠道pH值较高时，NH₄⁺转变为NH₃，氨的吸收增多。临床上对高血氨病人采用弱酸性透析液进行结肠透析就是为了减少氨的吸收，促进氨的排泄，而禁用碱性肥皂水灌肠。

议一议：

如何从减少氨的来源方面降低或排出体内的氨？

3.肾脏产氨　肾小管上皮细胞分泌的氨主要来自谷氨酰胺。谷氨酰胺在谷氨酰胺酶的作用下水解生成谷氨酸和氨。氨被分泌到肾小管腔中与H⁺结合生成NH₄⁺，以铵盐的形式随尿排出。当尿液呈酸性时有利于肾小管上皮细胞氨的分泌，减少氨的吸收，这对维持机体酸碱平衡起到重要作用。反之，碱性尿则可影响肾小管细胞中氨的分泌，而被吸收入血。因此，临床上对肝硬化腹水的病人不宜使用碱性利尿药，以防止血氨升高。

（二）体内氨的转运

1.丙氨酸－葡萄糖循环　氨基酸脱下的氨基与丙酮酸结合生成丙氨酸，丙氨酸经血液运到肝脏，在肝脏丙氨酸经联合脱氨基作用释出氨用于尿素合成，而生成的丙酮酸沿糖异生途径合成葡萄糖。葡萄糖再由血液输送到肌肉组织，沿糖分解途径生成丙酮酸。后者再接受氨基生成丙氨酸。丙氨酸与葡萄糖反复地在肌肉组织与肝脏之间进行氨的转运，称为丙氨酸－葡萄糖循环。它既及时把氨运出肌肉，供应肝脏合成尿素的原料，又为肝脏提供糖异生的原料，保证了肌肉组织所需葡萄糖以便供给充足的能源（图8－4）。

图11－4　丙氨酸－葡萄糖循环

2.谷氨酰胺的运氨作用　氨与谷氨酸在ATP供能和谷氨酰胺合成酶催化下合成谷氨酰胺，经血液输送到肝或肾，经谷氨酰胺酶水解为谷氨酸及氨，在肝可合成尿素，在肾则以铵盐形式由尿排出。谷氨酰胺生成的意义：①肝外组织解除氨毒；②是从脑、肌肉等组织向肝或肾运输氨的主要形式；③氨的储存形式，为某些含氮化合物的合成提供原料，如嘌呤及嘧啶的合成。临床上对肝性脑病患者可服用或输入谷氨酸盐以降低血氨浓度。

【知识链接】

天冬酰胺酶与白血病

天冬酰胺酶能将血清中的天冬酰胺水解为天冬氨酸和氨，而天冬酰胺是细胞合成蛋白质及增殖生长所必需的氨基酸。正常的细胞能够合成足够的天冬酰胺，但是白血病细胞不能合成或能合成极少量的天冬氨酰胺，因此临床上应用天冬酰胺酶水解天冬酰胺，使天冬酰胺急剧缺失，肿瘤细胞既不能从血中取得足够天冬酰胺，亦不能自身合成，使其蛋白质合成受障碍，增殖受抑制，细胞大量破坏而不能生长、存活，达到治疗白血病的目的。

（三）体内氨的去路

正常情况下体内的氨主要在肝中合成无毒的尿素。尿素经血液循环运送到肾随尿排出体外，占机体排氮总量的80%～90%。一部分氨被用于合成非必需氨基酸及某些含氮物质，还有一些氨生成谷氨酰胺，经血液输送到肾，以铵盐形式随尿液排出。

想一想：

尿素是在哪个器官合成的？

1.肝脏是合成的尿素主要器官　实验证明，将动物（犬）的肝切除，可观察到血液及尿中尿素含量明显降低。若给此动物输入或饲喂氨基酸，会加快血氨增高而中毒死亡。此外，临床上可见急性肝坏死患者血及尿中几乎不含尿素而氨含量增多。这些实验与临床观察充分证明，肝是合成尿素的最主要器官。其他器官如肾及脑等也能合成少量尿素。

2.尿素合成的鸟氨酸循环学说　早在1932年，德国学者Hans Krebs等根据一系列实验，首次提出了尿素生成的鸟氨酸循环（ornithine cycle）学说，又称尿素循环（urea cy－cle）。Krebs一生中提出了两个循环学说（还有三羧酸循环），为生物化学的发展作出了重大贡献。实验根据如下：将大鼠肝的薄切片放在有氧条件下加氨盐保温数小时后，铵盐的含量减少，而同时尿素增多。在此切片中，分别加入各种化合物，并观察它们对尿素生成速度的影响。发现鸟氨酸、瓜氨酸或精氨酸能够大大加速尿素的合成。根据这三种氨基酸的结构推断，它们彼此相关，即鸟氨酸可能是瓜氨酸的前体，而瓜氨酸又是精氨酸的前体（结构式见后）。当大量鸟氨酸与肝切片及NH₄⁺保温时，确有瓜氨酸的积存。此外，早已证实肝含有精氨酸酶，此酶催化精氨酸水解生成鸟氨酸及尿素。基于以上事实，Krebs和Henseleit提出了一个循环机制，即首先鸟氨酸与氨及CO₂结合生成瓜氨酸，瓜氨酸再接受1分子氨而生成精氨酸，精氨酸水解产生尿素，并重新生成鸟氨酸。形成鸟氨酸循环（图8－5）。尿素是中性、无毒、水溶性很强的物质，由血液运输至肾，从尿中排出。

图11－5　鸟氨酸循环

其后，用同位素标记的¹⁵NH₄Cl或含¹⁵N的氨基酸饲养犬，随尿排出的尿素含有¹⁵N，进一步证实了尿素可由氨及CO₂合成。

3.鸟氨酸循环的详细过程　研究表明，鸟氨酸循环的具体过程远比上述的复杂，详细过程可分为以下四步：

（1）氨基甲酰磷酸的合成：在Mg²⁺、ATP及N－乙酰谷氨酸（AGA）存在下，氨与CO₂可在氨基甲酰磷酸合成酶I（carbamoyl phosphate synthetase I，CPS－I）的催化下，合成氨基甲酰磷酸。此反应不可逆，消耗2分子ATP。合成部位在线粒体。CPS－I是一种变构酶，AGA是此酶的变构激活剂。

（2）瓜氨酸的合成：在鸟氨酸氨基甲酰转移酶催化下，氨基甲酰磷酸与鸟氨酸缩合成瓜氨酸，并释放出磷酸。反应部位在线粒体。

（3）合成精氨酸：瓜氨酸在线粒体内合成后，即被转运到线粒体外，在胞液中ATP与Mg²⁺的存在下，通过精氨酸代琥珀酸合成酶的催化与天冬氨酸反应缩合为精氨琥珀酸，同时产生AMP及焦磷酸。

精氨琥珀酸通过精氨琥珀酸裂解酶的催化形成精氨酸和延胡索酸。延胡索酸经三羧酸循环变为草酰乙酸。草酰乙酸与谷氨酸进行转氨作用又可变回天冬氨酸。

上述反应天冬氨酸作为氨基的供体，不是直接来自NH3。天冬氨酸可由草酰乙酸与谷氨酸经转氨基作用而生成，谷氨酸的氨基又可来自体内多种氨基酸。由此可见，多种氨基酸的氨基可通过天冬氨酸的形式参加尿素合成。

（4）生成尿素：精氨酸在胞液中精氨酸酶的催化下水解产生尿素和鸟氨酸。鸟氨酸再进入线粒体，参与循环过程。尿素作为代谢终产物排出体外。

综上所述，可将尿素合成的总反应归结为：

议一议：

尿素合成的过程和意义。

由此可见，尿素分子中的2个氮原子，l个来自氨，另1个则来自天冬氨酸，而天冬氨酸又可由其他氨基酸通过转氨基作用而生成。由此，尿素分子中2个氮原子的来源虽然不同，但都直接或间接来自各种氨基酸。另外，还可看到，尿素合成是一个耗能的过程，合成1分子尿素需要消耗4个高能磷酸键（图8－6）。

4.尿素合成的调节

（1）食物：高蛋白质膳食时尿素合成加快，反之，低蛋白质膳食时尿素的合成速度减慢。

（2）氨基甲酰磷酸合成酶I：N－乙酰谷氨酸（AGA）是此酶的变构激活剂，精氨酸促进AGA的合成，因此精氨酸浓度高时，尿素合成加速。

（3）尿素合成酶系的调节：所有参与反应的酶中，精氨酸代琥珀酸合成酶活性最低，是尿素合成的限速酶。

5.氨的其他去路

（1）与谷氨酸反应生成谷氨酰胺。

（2）通过还原性加氨的方式固定在α－酮戊二酸上而生成谷氨酸。

议一议：

高血氨导致肝昏迷的机制。

（3）谷氨酸又可通过转氨基作用，转移给其他α－酮酸，生成某些非必需氨基酸。

6.高氨血症和氨中毒　正常生理情况下，血氨处于较低水平。尿素循环是维持血氨低浓度的关键。当肝功能严重损伤时，尿素循环发生障碍，血氨浓度升高，称为高氨血症。氨进入脑组织，可与α－酮戊二酸合成谷氨酸，谷氨酸又与氨进一步结合生成谷氨酰胺，从而使α－酮戊二酸和谷氨酸减少，导致三羧酸循环减弱，从而使脑组织中ATP生成减少。谷氨酸本身为神经递质，且是另一种神经递质γ－氨基丁酸（γ－aminobutyrate，GABA）的前体，其减少亦会影响大脑的正常生理功能，严重时可出现昏迷。

图11－6　尿素合成的中间步骤

当肝功能严重损伤时，尿素合成障碍，导致血氨浓度升高，称高血氨症，严重者可导致肝昏迷。

四、α－酮酸的代谢

氨基酸脱氨基后生成的α－酮酸在体内的代谢途径有3条：

1.生成非必需氨基酸　α－酮酸经联合加氨反应可生成相应的氨基酸。8种必需氨基酸中，除赖氨酸和苏氨酸外其余6种亦可由相应的α－酮酸加氨生成。但和必需氨基酸相对应的α－酮酸不能在体内合成，所以必需氨基酸依赖于食物供应。

想一想：

α－酮酸的去路有哪几条？

2.转变成糖或脂肪　体内可转变为糖的氨基酸称为生糖氨基酸；能转变为酮体的氨基酸称为生酮氨基酸；既能生糖又能生酮的氨基酸称为生糖兼生酮氨基酸。亮氨酸为生酮氨基酸，赖氨酸、异亮氨酸、色氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸为生糖兼生酮氨基酸，其余氨基酸均为生糖氨基酸（表8－2）。

表11－2　生糖及生酮氨基酸的分类

3.氧化供能　α－酮酸在体内可通过三羧酸循环和氧化磷酸化彻底氧化成CO₂、H₂O，并释放能量，供生命活动的需要。