（中职）生物化学基础第十一章教学课件高教版

生物化学基础第十一章第十一章氨基酸的代谢氨基酸是组成蛋白质的基本单位。蛋白质在体内首先分解成氨基酸，然后再进一步代谢，所以氨基酸代谢是蛋白质分解代谢的核心内容，也是蛋白质与糖、脂类及核苷酸代谢相互联系的重要环节。知识小课堂1.掌握氮平衡的意义，必需氨基酸的概念及种类，氨基酸的脱氨基方式，氨的来源、转运及去路，一碳单位的代谢。2.熟悉蛋白质的营养价值和腐败作用、氨基酸的代谢概况、α-酮酸的代谢、鸟氨酸的循环过程。3.了解芳香族氨基酸的代谢。学习目标11.1蛋白质的营养作用11.1.1氮平衡与蛋白质的生理需要量蛋白质是组织细胞的主要成分，在维持组织细胞的生长、更新和修复中起重要作用。蛋白质是生命活动的物质基础，如酶、肽类激素、抗体、凝血因子、血红蛋白、肌动蛋白和肌球蛋白等参与了几乎所有的生命活动，如催化、代谢调节、免疫、血液凝固、运输、协调运动等。1.氮平衡氮平衡试验是一种测定摄入氮量与排出氮量，间接反映体内蛋白质代谢状况的试验。由于各种蛋白质的含氮量平均为16%，因此测定人体每天摄入蛋白质的含氮量与经尿液、大便排出的氮量即可得出机体的氮平衡状况。氮平衡有以下3种类型：（1）氮的总平衡。摄入氮等于排出氮称为氮的总平衡，反映体内蛋白质的合成与分解处于动态平衡，即氮的“收支”平衡，见于正常成人。（2）氮的正平衡。摄入氮大于排出氮称为氮的正平衡，反映体内蛋白质合成大于分解，常见于儿童、孕妇、哺乳期妇女及病后恢复期患者。（3）氮的负平衡。摄入氮小于排出氮称为氮的负平衡，反映体内蛋白质合成小于分解，常见于饥饿、营养不良、消耗性疾病、大面积烧伤及大量失血等情况。2.蛋白质的生理需要量根据氮平衡试验计算，在不摄入蛋白质的条件下，成人每日最低分解约20g蛋白质。食物中的蛋白质与人体蛋白质的组成有一定的差异，不可能全部被利用，故成人每日最少需要50g蛋白质。为了使机体保持最佳功能状态，中国营养学会推荐的成人每日蛋白质需要量为80g。1.蛋白质的消化食物蛋白质是体内氨基酸的根本来源。蛋白质经过消化，一方面其种属特异或免疫原性被消除；另一方面水解为氨基酸，有利于机体吸收和利用。如异体蛋白质直接进入人体，则会引起过敏现象，产生毒性反应。蛋白质的消化是在胃肠道多种蛋白酶和肽酶的协同作用下完成的。11.1.3蛋白质的消化吸收和腐败作用蛋白质的营养价值不仅取决于膳食中蛋白质的数量，还取决于蛋白质的质量。各种蛋白质所含氨基酸的种类和数量不同，它们的营养价值也不同。有的蛋白质含有人体所需要的各种氨基酸，且含量充足，则其营养价值高。11.1.2蛋白质的营养价值1.必需氨基酸组成人体蛋白质的20种氨基酸中有8种不能自行合成。这些人体需要但又不能自行合成的，必须由食物供给的氨基酸称为必需氨基酸。它们是赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸、缬氨酸、异亮氨酸和亮氨酸。一般来说，含有种类齐全和数量充足的必需氨基酸的蛋白质营养价值高；反之，则营养价值低。动物性蛋白质所含必需氨基酸的种类和比例与人体需要氨基酸的组成及比例接近，故营养价值高。2.蛋白质的互补作用将不同种类营养价值较低的蛋白质混合食用，则必需氨基酸可以互相补充，从而提高蛋白质的营养价值，这称为食物蛋白质的互补作用。例如，谷类蛋白质中赖氨酸较少而色氨酸较多，大豆蛋白质中赖氨酸和色氨酸的含量与之相反。（1）胃内消化。胃黏膜细胞分泌的胃蛋白酶原在胃内经胃酸或胃蛋白酶本身激活为胃蛋白酶。胃蛋白酶的最适pH为1.5~2.5，pH≥6时失活。它主要水解由芳香族氨基酸的羧基与相邻氨基酸的氨基所形成的肽键，产物为多肽。（2）小肠内消化。小肠是蛋白质消化的主要场所。来自胰腺的各种蛋白酶原在十二指肠迅速被肠激酶激活而发挥消化作用。这些酶的最适pH为7.0左右，分为内肽酶与外肽酶。内肽酶包括胰蛋白酶、糜蛋白酶及弹性蛋白酶，其中以胰蛋白酶为主，特异性较强，能催化蛋白质肽链内的肽键水解，产物为小分子肽类。2.氨基酸的吸收蛋白质在小肠内水解成各种氨基酸后几乎全部被小肠黏膜细胞吸收。迄今为止，已知主要通过以下两种方式进行：（1）氨基酸的载体吸收。现已经从小肠黏膜上皮细胞刷状缘鉴定出几种氨基酸载体，主要有中性氨基酸载体、酸性氨基酸载体及碱性氨基酸载体。此外，氨基酸在肠腔内的浓度较高时，还可依浓度梯度的不同扩散到小肠细胞内而被吸收。（2）γ-谷氨酰基循环。小肠黏膜、肾小管上皮细胞膜上存在γ-谷氨酰基转肽酶，能催化谷胱甘肽和氨基酸形成γ-谷氨酰氨基酸。3.氨基酸在肠内的腐败作用肠内少量未消化的蛋白质（约占食物蛋白质的5%）及未吸收的氨基酸在大肠下段被细菌群分解的过程称为腐败作用。腐败作用主要是细菌无氧分解过程。腐败作用的大多数产物对人体有害，如胺类、氨、吲哚、甲基吲哚、甲烷及H2S等，但也生成少量脂肪酸、维生素K、泛酸、生物素等可被人体利用的物质。氨基酸静脉营养是指通过静脉输入的方式为机体提供生理上所需要的氨基酸，其目的是通过静脉营养的方式使机体如同肠道吸收一样获得氨基酸，供机体合成蛋白质。据报道，10%～30%住院患者的直接或主要死亡原因是营养不良。因此，静脉营养可使许多患者转危为安，是提高临床疗效的重要方法，逐渐受到医务工作者的重视。11.1.4氨基酸静脉营养与临床应用氨基酸制剂氨基酸制剂的种类包括水解蛋白质注射液和结晶氨基酸混合液。水解蛋白质注射液是天然蛋白质水解后获得的混合氨基酸溶液，受原料的局限，目前已不常使用。结晶氨基酸混合液是以各种氨基酸为原料，人为地按特定含量和比例配制而成的氨基酸混合液，其优点在于纯净、组成灵活、不含肽类等。结晶氨基酸混合液的种类有很多，如纯氨基酸营养液、营养血浆和复合营养液等。临床在选择氨基酸制剂时应有针对性。知识链接11.2.1氨基酸代谢概况食物蛋白质经消化吸收后生成的氨基酸、组织中蛋白质分解产生的氨基酸及机体合成的非必需氨基酸混为一体，在各种体液中参与代谢，共同构成氨基酸代谢库。在正常情况下，体内氨基酸的来源和去路处于动态平衡，如图11-1所示。11.2氨基酸的一般代谢图11-1氨基酸的来源与去路11.2.2氨基酸的脱氨基作用氨基酸在酶的催化下脱去氨基生成α-酮酸的过程称为脱氨基作用。脱氨基作用是体内氨基酸分解代谢的主要途径，包括氧化脱氨基作用、转氨基作用、联合脱氨基作用和嘌呤核苷酸循环等方式，其中以联合脱氨基作用最为重要。1.氧化脱氨基作用氧化脱氨基作用是指在酶的催化作用下，氨基酸脱去氨基伴随脱氢氧化的过程。它催化L-谷氨酸脱氢生成亚谷氨酸，再水解生成α-酮戊二酸和氨，其反应为：L-谷氨酸脱氢酶催化的反应是可逆的，α-酮戊二酸还原加氨可生成谷氨酸。虽然此酶的特异性强，只能催化L-谷氨酸氧化脱氨，不能承担体内其他氨基酸的脱氨基作用。2.转氨基作用转氨基作用是指α-氨基酸的氨基在氨基酸转移酶即转氨酶的催化下转移至α-酮酸的酮基上，生成相应的α-氨基酸，而原来的α-氨基酸则转变成相应的α-酮酸，其通式为：转氨酶所催化的反应是可逆的。反应没有使氨基真正脱下，只是发生转移而已。α-酮酸可通过此酶的作用接受氨基酸转来的氨基而合成相应的氨基酸，故这是合成非必需氨基酸的重要途径。转氨酶的辅酶是含维生素B6的磷酸吡哆醛或磷酸吡哆胺，它起着传递氨基的作用（见图11-2），磷酸吡哆醛从氨基酸分子上接受氨基生成磷酸吡哆胺。图11-2磷酸吡哆醛及磷酸吡哆胺传递氨基的作用人体内的转氨酶种类多、分布广，其中以丙氨酸氨基转移酶（ALT）、天冬氨酸氨基转移酶（AST）最重要，其催化的反应如下：ALT、AST在体内分布广泛，但在各组织中含量不同，以肝、肾、心肌、骨骼肌含量丰富，如表11-1所示。从表11-1中可知，ALT在肝细胞中的含量最高，AST在心肌细胞中的含量较高。转氨酶主要分布在细胞内，正常情况下血清中的含量很低，当某种原因使细胞膜通透性增高，或因组织坏死，细胞破裂后，可有大量的转氨酶释放入血，导致血中转氨酶的活性升高。3.联合脱氨基作用联合脱氨基作用是指转氨基作用与氧化脱氨基作用相偶联，使氨基酸的α-氨基脱去并产生游离氨的过程，如图11-3所示。图11-3转氨酶与谷氨酸脱氢酶的联合脱氨基作用经联合脱氨基作用，某氨基酸即可脱去氨基而生成NH3和相应的α-酮酸。由于α-酮戊二酸参加的转氨基作用在体内普遍进行，L-谷氨酸脱氢酶在体内分布广泛，所以联合脱氨基作用是脱氨基作用的主要方式，其逆过程是合成非必需氨基酸的主要途径。4.嘌呤核苷酸循环在骨骼肌和心肌等组织中，由于L-谷氨酸脱氢酶的活性很低，因而氨基酸难以进行上述方式的脱氨基作用，而是通过嘌呤核苷酸循环脱去氨基，如图11-4所示。氨基酸脱去氨基生成的α-酮酸和NH3可分别沿不同的途径进一步代谢。图11-4嘌呤核苷酸循环注：①为转氨酶；②为天冬氨酸氨基转移酶；③为腺苷酸代琥珀酸裂解酶；④为延胡索酸酶；⑤为苹果酸脱氢酶。体内氨基酸分解代谢产生的氨及由肠道吸收的氨进入血液形成血氨。氨是机体正常代谢的产物。正常人的血氨浓度很低，一般不超过0.06mmol/L，这是因为体内有解除氨毒的代谢途径，使血氨的来源和去路（见图11-5）保持动态平衡。图11-5血氨的来源和去路11.2.3氨的代谢1.甘油磷脂的合成（1）合成部位。体内各组织细胞内质网上均有合成甘油磷脂的酶系，因此均可合成甘油磷脂，以肝、肾等组织最活跃。（2）合成原料。甘油磷脂的合成需要脂肪酸、甘油、磷酸盐、胆碱、丝氨酸、肌醇等，还需要ATP和CTP，CTP是合成活化中间产物的载体。（3）合成过程。不同种类甘油磷脂的合成途径不同。①磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺。二者主要由活化的CDP-胆碱和CDP-乙醇胺分别与甘油二酯在转移酶的催化下缩合生成。9.2.2甘油磷脂的代谢1.体内氨的来源（1）氨基酸脱氨基作用。这是人体内氨的主要来源。（2）肠道吸收。经肠道吸收的氨主要有两个来源：一是食物蛋白质经肠道腐败作用产生的氨，二是血中尿素扩散入肠道后经细菌尿素酶作用水解生成的氨。NH3比NH+4（胺盐）更易透过肠黏膜细胞而被吸收。（3）肾小管上皮细胞分泌。血液中的谷氨酰胺流经肾时，可被肾小管上皮细胞中的谷氨酰胺酶催化，水解生成谷氨酸和NH3，NH3可被吸收入血成为血氨的又一来源。（4）其他来源。其他含氮物，如胺类、嘌呤、嘧啶等分解时亦可产生少量氨。2.体内氨的转运氨在体内需以无毒的形式运输。现已明确，氨在血液中的运输形式是谷氨酰胺和丙氨酸。（1）谷氨酰胺转运氨。在脑、肌肉等组织中，氨与谷氨酸在谷氨酰胺合成酶的催化下消耗ATP合成谷氨酰胺，后者经血液运送至肝或肾。（2）丙氨酸-葡萄糖循环。肌肉中的氨基酸经转氨基作用将氨基转给丙酮酸生成丙氨酸，然后经血液运到肝。这个过程是通过丙氨酸-葡萄糖循环实现的，如图11-6所示。图11-6丙氨酸-葡萄糖循环3.体内氨的去路（1）合成尿素。在正常情况下，体内氨的主要去路是在肝内合成无毒的尿素，由肾脏排出。肝脏是合成尿素的主要器官，肾脏与脑的合成量甚微。体内80%～90%的氨在肝脏经鸟氨酸循环合成无毒的尿素，经肾脏排出体外。鸟氨酸循环的详细过程可分为4步，如图11-7所示。图11-7鸟氨酸循环3.体内氨的去路①氨基甲酰磷酸的合成。NH3与CO2首先在肝细胞线粒体内由氨基甲酰磷酸合成酶Ⅰ（CPS-Ⅰ）催化合成氨基甲酰磷酸。其辅助因子有Mg2+、ATP及N-乙酰谷氨酸。②瓜氨酸的合成。在鸟氨酸氨基甲酰转移酶的催化下，氨基甲酰磷酸将氨基甲酰基转到鸟氨酸上生成瓜氨酸。此反应不可逆，在肝线粒体中进行。③精氨酸的合成。在胞液中，瓜氨酸与天冬氨酸在精氨酸代琥珀酸合成酶的催化下，由ATP供能合成精氨酸代琥珀酸，再经精氨酸代琥珀酸裂解酶催化，裂解为精氨酸和延胡索酸。④精氨酸水解生成尿素。在胞液中，精氨酸在精氨酸酶的催化下水解生成尿素和鸟氨酸。鸟氨酸通过载体再进入线粒体，重复上述反应，构成鸟氨酸循环。综上所述，尿素的合成是在肝细胞的线粒体和胞液两部分内进行的。尿素分子中的两个氮原子都直接或间接来自氨基酸，一个来自氨基酸脱氨基作用生成的NH3，另一个由天冬氨酸提供，而天冬氨酸又可由其他氨基酸转氨基而来。（2）谷氨酰胺的合成。在脑、肌肉等组织中，有毒的氨与谷氨酸合成无毒的谷氨酰胺。所以谷氨酰胺的生成不仅参与蛋白质的生物合成，还是体内储氨、运氨及解除氨毒的重要方式。（3）其他。氨可使α-酮戊二酸氨基化生成谷氨酸，再与其他α-酮酸经转氨基作用的逆过程合成非必需氨基酸。氨还提供氮源参与嘌呤、嘧啶等含氮化合物的合成。4.高氨血症与肝性脑病在正常情况下，血氨的来源与去路保持动态平衡，血氨浓度处于较低水平。肝是合成尿素和解氨毒的重要器官，鸟氨酸循环是维持低血氨浓度的关键。当肝功能严重受损时，尿素合成受阻，血氨浓度升高，导致高氨血症。一般认为，氨进入脑组织与α-酮戊二酸结合，生成谷氨酸及谷氨酰胺以解除氨的毒性。氨使大脑中α-酮戊二酸减少而导致三羧酸循环减慢，ATP生成减少，致使大脑供能不足，引起大脑功能障碍，严重时发生昏迷，称为肝性脑病（或肝昏迷）。氨基酸经脱氨基作用生成的α-酮酸有以下3条途径：1.合成非必需氨基酸α-酮酸经转氨基作用或联合脱氨基作用的逆反应合成相应的非必需氨基酸。2.转变成糖或脂肪体内多数氨基酸脱去氨基后生成的α-酮酸经糖异生途径转变为糖。这些氨基酸称为生糖氨基酸。赖氨酸、亮氨酸可转变为酮体，称为生酮氨基酸。生酮氨基酸经脂肪酸合成途径可转变为脂肪酸。氨基酸生糖及生酮性质的分类如表11-2所示。11.2.4α-酮酸的代谢3.氧化供能α-酮酸在体内可经三羧酸循环彻底氧化生成H2O和CO2，同时释放能量供机体利用。11.3个别氨基酸的代谢除一般代谢途径外，有些氨基酸还有特殊的代谢途径，生成某些具有重要生理意义的物质。本节重点介绍一碳单位、含硫氨基酸和芳香族氨基酸的代谢。1.一碳单位的概念一碳单位又称一碳基团，是体内某些氨基酸分解代谢过程中产生的只含有一个碳原子的基团。2.一碳单位的种类一碳单位主要来自甘氨酸、丝氨酸、组氨酸、色氨酸的分解代谢。FH4由叶酸还原而来，反应式如下：FH4分子上的N5和N10是结合一碳单位的位置，如N5，N10-亚甲基四氢叶酸可简写为N5，N10—CH2—FH4，其化学结构如下：11.3.1一碳单位的代谢3.一碳单位的来源、互变及生理功能（1）一碳单位的来源与互变。体内一切重要的一碳单位分别来自不同的氨基酸，因此一碳单位的生成与一些氨基酸的特殊代谢关系密切，如图11-8所示。图11-8一碳单位的来源与互变（2）一碳单位的生理功能。一碳单位的生理功能主要包括以下3个方面：①参与嘌呤、嘧啶的生物合成。嘌呤核苷酸从头合成中，N10—CHO—FH4提供嘌呤环的C2，N5，N10—CH2—FH4提供C8，N5，N10—CH2—FH4是脱氧胸苷酸合成时甲基的来源。②S-腺苷甲硫氨酸提供的一碳单位是体内甲基化反应的供体，用于肾上腺素、肌酸及胆碱的合成。③FH4是一碳单位代谢的辅酶，凡影响FH4生成的因素都能影响一碳单位的代谢。叶酸分子中含有对氨基苯甲酸（PABA）。叶酸是合成核酸和蛋白质的必需物质，也是细菌生长繁殖的必要条件之一。磺胺类药物的结构与PABA相似，可竞争性抑制叶酸合成酶，从而阻止叶酸的合成；甲氧苄啶（TMP）能强烈抑制细胞二氢叶酸还原酶的活性，阻止FH4生成。人体不能合成叶酸，需从外界食物中获取，故磺胺类药物对人体FH4的生成影响不大（毒性小），但TMP对人体二氢叶酸还原酶的抑制作用较强。含硫氨基酸包括甲硫氨酸（蛋氨酸）和半胱氨酸。甲硫氨酸可以转变成半胱氨酸，但半胱氨酸不能转变成甲硫氨酸。1.甲硫氨酸代谢甲硫氨酸在甲硫氨酸腺苷转移酶的催化下接受ATP提供的腺苷生成S-腺苷甲硫氨酸（SAM）。后者在转甲基酶的催化下接受N5—CH3—FH4的甲基，再次合成甲硫氨酸，构成甲硫氨酸循环，如图11-9所示。11.3.2含硫氨基酸的代谢图11-9甲硫氨酸循环甲硫氨酸是必需氨基酸。甲硫氨酸循环的意义在于其他氨基酸代谢产生的一碳单位可通过N5—CH3—FH4供给甲基合成甲硫氨酸，再由SAM提供甲基生成重要的生物活性物质，在保障甲基化反应不断进行的同时不减少甲硫氨酸的量。2.半胱氨酸代谢（1）生成谷胱甘肽。半胱氨酸与谷氨酸和甘氨酸结合生成谷胱甘肽，由于它含有一个巯基（—SH），故常以GSH代表其还原型，2分子GSH脱去1对氢原子生成的GSSG为氧化型。谷胱甘肽是人体内重要的还原剂，可保护酶和蛋白质的—SH不被氧化。（2）合成牛磺酸。半胱氨酸的—SH经连续氧化形成磺酸基（—SO3H），然后脱羧生成牛磺酸。牛磺酸主要用于在肝内合成结合型胆汁酸。（3）合成活性硫酸根。半胱氨酸经非氧化脱氨基作用可分解生成H2S、NH3和丙酮酸。其中，H2S经氧化生成硫酸（根），再经ATP活化生成3′-磷酸腺苷-5′-磷酰硫酸（PAPS），即活性硫酸。它既是肝内进行生物转化的一种结合物质，也是使软骨等组织的多糖形成硫酸酯的重要物质。芳香族氨基酸包括苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。酪氨酸可由苯丙氨酸羟化生成。苯丙氨酸和色氨酸为营养必需氨基酸。1.苯丙氨酸