生物化學(xué)與分子生物學(xué)/氨的代謝

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生物化學(xué)與分子生物學(xué)

氨基酸代謝
- 氨基酸的一般代謝
  - 氨基酸的脫氨基作用
  - 氨的代謝
  - α-酮酸的代謝
  - 脫羧基作用

(一)氨的來(lái)源

1.組織中氨基酸分解生成的氨　組織中的氨基酸經(jīng)過(guò)聯(lián)合脫氨作用脫氨或經(jīng)其它方式脫氨，這是組織中氨的主要來(lái)源。組織中氨基酸經(jīng)脫羧基反應(yīng)生成胺，再經(jīng)單胺氧化酶或二胺氧化酶作用生成游離氨和相應(yīng)的醛，這是組織中氨的次要來(lái)源，組織中氨基酸分解生成的氨是體內(nèi)氨的主要來(lái)源。膳食中蛋白質(zhì)過(guò)多時(shí)，這一部分氨的生成量也增多。

2.腎臟來(lái)源的氨　血液中的谷氨酰胺流經(jīng)腎臟時(shí)，可被腎小管上皮細(xì)胞中的谷氨酰胺酶(glutaminase)分解生成谷氨酸和NH3。

這一部分NH3約占腎臟產(chǎn)氨量的60%。其它各種氨基酸在腎小管上皮細(xì)胞中分解也產(chǎn)生氨，約占腎臟產(chǎn)氨量的40%。

腎小管上皮細(xì)胞中的氨有兩條去路：排入原尿中，隨尿液排出體外；或者被重吸收入血成為血氨。氨容易透過(guò)生物膜，而NH+4不易透過(guò)生物膜。所以腎臟產(chǎn)氨的去路決定于血液與原尿的相對(duì)pH值。血液的pH值是恒定的，因此實(shí)際上決定于原尿的pH值。原尿pH值偏酸時(shí)，排入原尿中的NH3與H+結(jié)合成為NH+4,隨尿排出體外。若原尿的pH值較高，則NH3易被重吸收入血。臨床上血氨增高的病人使用利尿劑時(shí)，應(yīng)注意這一點(diǎn)。

3.腸道來(lái)源的氨　這是血氨的主要來(lái)源。正常情況下肝臟合成的尿素有15?0%經(jīng)腸粘膜分泌入腸腔。腸道細(xì)菌有尿素酶，可將尿素水解成為CO2和NH3，這一部分氨約占腸道產(chǎn)氨總量的90%(成人每日約為4克)。腸道中的氨可被吸收入血，其中3/4的吸收部位在結(jié)腸，其余部分在空腸和回腸。氨入血后可經(jīng)門(mén)脈入肝，重新合成尿素。這個(gè)過(guò)程稱為尿素的腸肝循環(huán)(enterohepatin circulation of urea)。

腸道中的一小部分氨來(lái)自腐敗作用(putrescence)。這是指未被消化吸收的食物蛋白質(zhì)或其水解產(chǎn)物氨基酸在腸道細(xì)菌作用下分解的過(guò)程。腐敗作用的產(chǎn)物有胺、氨、酚、吲哚、H2S等對(duì)人體有害的物質(zhì)，也能產(chǎn)生對(duì)人體有益的物質(zhì)，如脂肪酸、維生素K、生物素等。

腸道中NH3重吸收入血的程度決定于腸道內(nèi)容物的pH值，腸道內(nèi)pH值低于6時(shí)，腸道內(nèi)氨生成NH+4，隨糞便排出體外；腸道內(nèi)pH值高于6時(shí)，腸道內(nèi)氨吸收入血。臨床上給高血氨病人作灌腸治療時(shí)，禁忌使用肥皂水等，以免加重病情。

(二)氨的去路

氨是有毒的物質(zhì)，人體必須及時(shí)將氨轉(zhuǎn)變成無(wú)毒或毒性小的物質(zhì)，然后排出體外。主要去路是在肝臟合成尿素、隨尿排出；一部分氨可以合成谷氨酰胺和門(mén)冬酰胺，也可合成其它非必需氨基酸；少量的氨可直接經(jīng)尿排出體外。尿中排氨有利于排酸。

氨的來(lái)源和去路

圖7-5　氨的來(lái)源和去路

(三)氨的轉(zhuǎn)運(yùn)

1.葡萄糖－丙氨酸循環(huán)：肌肉組織中以丙酮酸作為轉(zhuǎn)移的氨基受體，生成丙酸經(jīng)血液運(yùn)輸?shù)礁闻K。在肝臟中，經(jīng)轉(zhuǎn)氨基作用生成丙酮酸，可經(jīng)糖異生作用生成葡萄糖，葡萄糖由血液運(yùn)輸?shù)郊∪饨M織中，分解代謝再產(chǎn)生丙酮酸，后者再接受氨基生成丙氨酸。這一循環(huán)途徑稱為“丙氨酸椘咸煙茄貳?alanineglucose cycle)。通過(guò)此途徑，肌肉氨基酸的NH2基，運(yùn)輸?shù)脚K臟以NH3或天冬氨酸合成尿素。(圖7-6)

葡萄糖丙氨酸循環(huán)

圖7-6　葡萄糖丙氨酸循環(huán)

饑餓時(shí)通過(guò)此循環(huán)將肌肉組織中氨基酸分解生成的氨及葡萄糖的不完全分解產(chǎn)物丙酮酸，以無(wú)毒性的丙氨酸形式轉(zhuǎn)運(yùn)到肝臟作為糖異生的原料。肝臟異性生成的葡萄糖可被肌肉或其它外周組織利用。

2.氨與谷氨酸在谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase)的催化下生成谷氨酰胺(glutamine)，并由血液運(yùn)輸至肝或腎，再經(jīng)谷氨酰酶(glutaminaes)水解成谷氨酸和氨。谷氨酰胺主要從腦、肌肉等組織向肝或腎運(yùn)氨。

(四)尿素合成

根據(jù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，人們很早就確定了肝臟是尿素合成的主要器官，腎臟是尿素排泄的主要器官。1932年Krebs等人利用大鼠肝切片作體外實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在供能的條件下，可由CO2和氨合成尿素。若在反應(yīng)體系中加入少量的精氨酸、鳥(niǎo)氨酸或瓜氨酸可加速尿素的合成，而這種氨基酸的含量并不減少。為此，Krebs等人提出了鳥(niǎo)氨酸循環(huán)(ornithine cyclc)學(xué)說(shuō)。其后由Ratner和Cohen詳細(xì)論述了其各步反應(yīng)。鳥(niǎo)氨酸循環(huán)可概括為：

尿素中的兩個(gè)N原子分別由氨和天冬氨酸提供，而C原子來(lái)自HCO-3，五步酶促反應(yīng)，二步在線粒體中，三步在胞液中進(jìn)行。其詳細(xì)過(guò)程可分為以下五步：

CPS

圖7-7　CPSⅠ　作用機(jī)理

1.氨基甲酰磷酸的合成

氨基甲酰磷酸(carbamylphosphate)是在Mg++、ATP及N乙酰谷氨酸(Nacetyl glutamic acid,AGA)存在的情況下，由氨基甲酰磷酸合成酶I(carbamyl phosphate synthetaseI, CPSI)催化NH3和HCO－3在肝細(xì)胞線粒體中合成。

真核細(xì)胞中有兩種CPS：(1)線粒體CPS-Ⅰ利用游離NH3為氮源合成氨基甲酰磷酸，參與尿素合成。(2)胞液CPS-Ⅱ，利用谷氨酰胺作N源，參與嘧啶的從頭合成。

CPS-Ⅰ催化的反應(yīng)包括下述三步(圖7-7)。

(1)ATP活化HCO-3生成ADP和羰基硫酸(carbonyl phosphate)

(2)NH2與羰基硫酸作用替代硫酸根，生成氨基甲酸(carbamate)和Pi。

(3)第2個(gè)ATP對(duì)氨甲酸磷酸化，生成氨基甲酰磷酸和ADP。

此反應(yīng)是不可逆的，消耗2分子ATP。CPS1是一種變構(gòu)酶，AGA是此酶變構(gòu)激活劑。由乙酰CoA和谷氨酸縮合而成。

肝細(xì)胞線粒體中谷氨酸脫氫酶和氨基甲酰磷酸合成酶I催化的反應(yīng)是緊密偶聯(lián)的。谷氨酸脫氫酶催化谷氨酸氧化脫氨，生成的產(chǎn)物有NH3和NADH+H+。NADH經(jīng)NADH氧化呼吸鏈傳遞氧化生成H2O，釋放出來(lái)的能量用于ADP磷酸化生成ATP。因此谷氨酸脫氫酶催化反應(yīng)不僅為氨基甲酰磷酸的合成提供了底物NH3，同時(shí)也提供了該反應(yīng)所需要的能量ATP。氨基甲酰磷酸合成酶I將有毒的氨轉(zhuǎn)變成氨基甲酰磷酸，反應(yīng)中生成的ADP又是谷氨酸脫氫酶的變構(gòu)激活劑，促進(jìn)谷氨酸進(jìn)一步氧化脫氨。這種緊密偶聯(lián)有利于迅速將氨固定在肝細(xì)胞線粒體內(nèi)，防止氨逸出線粒體進(jìn)入細(xì)胞漿，進(jìn)而透過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入血液，引起血氨升高。

2.瓜氨酸(citrulline)的生成：

烏氨酸氨基甲酰轉(zhuǎn)移酶(ornithinetranscarbamoylase)存在于線粒體中，通常與CPS－I形成酶的復(fù)合物催化氨基甲酰磷酸轉(zhuǎn)甲 ?；?/a>給鳥(niǎo)氨酸生成瓜氨酸。(注意：鳥(niǎo)氨酸，瓜氨酸均非標(biāo)準(zhǔn)α-氨基酸，不出現(xiàn)在蛋白質(zhì)中)。此反應(yīng)在線粒體內(nèi)進(jìn)行，而鳥(niǎo)氨酸在胞液中生成，所以必需通過(guò)一特異的穿棱系統(tǒng)進(jìn)入線粒體內(nèi)。

3.精氨酸代琥珀酸(Argininosuccinate)的合成。

瓜氨酸穿過(guò)線粒體膜進(jìn)入胞漿中，在胞漿中由精氨酸代琥珀酸合成酶(Argininosuccinate Synthetase)催化瓜氨酸的脲基與天冬氨酸的氨基縮合生成精氨酸代琥珀酸，獲得尿素分子中的第二個(gè)氮原子。此反應(yīng)由ATP供能。

精氨酸代琥珀酸(Argininosuccinate)的合成

4.精氨酸(Arginine)的生成

精氨酸代琥珀酸裂解酶(Argininosuccinase)催化精氨酸代琥珀酸裂解成精氨酸和延胡索酸

精氨酸(Arginine)的生成

上述反應(yīng)中生成的延胡索酸可經(jīng)三羧酸循環(huán)的中間步驟生成草酰乙酸，再經(jīng)谷草轉(zhuǎn)氨酶催化轉(zhuǎn)氨作用重新生成天冬氨酸。由此，通過(guò)延胡索酸和天冬氨酸，使三羧酸循環(huán)與尿素循環(huán)聯(lián)系起來(lái)。

5.尿素的生成

尿素循環(huán)的最后一步反應(yīng)是由精氨酸酶(arginase)催化精氨酸水解生成尿素并再生鳥(niǎo)氨酸，鳥(niǎo)氨酸再進(jìn)入線粒體參與另一輪循環(huán)。

尿素的生成

尿素合成是一個(gè)耗能的過(guò)程，合成1分子尿素需要消耗4個(gè)高能磷酸鍵。(3個(gè)ATP水解生成2個(gè)ADP，2個(gè)Pi，1個(gè)AMP和PPi)。從尿素循環(huán)底物水平上，能量的消耗大于恢復(fù)。由L-谷氨酸脫氫酶催化脫氨和延胡索酸經(jīng)草酰乙酸再生成天冬氨酸反應(yīng)中均有NADH的生成。經(jīng)線粒體再氧化可生成6個(gè)ATP(圖7-8)。

尿素循環(huán)的能量代謝

圖7-8　尿素循環(huán)的能量代謝

6.尿素循環(huán)的調(diào)節(jié)

CPS－I是線粒體內(nèi)變構(gòu)酶，其變構(gòu)激活劑AGA由N乙酰谷氨酸合成酶催化生成，并由特異水解酶水解。肝臟生成尿素的速度與AGA濃度相關(guān)。當(dāng)氨基酸分解旺盛時(shí)，由轉(zhuǎn)氨作用引起谷氨酸濃度升高，增加AGA的合成，從而激活CPS-I，加速氨基甲酰磷酸合成，推動(dòng)尿素循環(huán)。精氨酸是AGA合成酶的激活劑，因此，臨床利用精氨酸治療高氨血癥。

(五)高氨血癥和氨中毒

正常生理情況下，血氨處于較低水平。尿素循環(huán)是維持血氨低濃度的關(guān)鍵。當(dāng)肝功能嚴(yán)重?fù)p傷時(shí)，尿素循環(huán)發(fā)生障礙，血氨濃度升高，稱為高氨血癥。氨中毒機(jī)制尚不清楚。一般認(rèn)為，氨進(jìn)入腦組織，可與α酮戊二酸結(jié)合成谷氨酸，谷氨酸又與氨進(jìn)一步結(jié)合生成谷氨酰胺，從而使α酮戊二酸和谷氨酸減少，導(dǎo)致三羧酸循環(huán)減弱，從而使腦組織中ATP生成減少。谷氨酸本身為神經(jīng)遞質(zhì)，且是另一種神經(jīng)遞質(zhì)γ-氨基丁酸(γ-aminobutyrate,GABA)的前體，其減少亦會(huì)影響大腦的正常生理功能，嚴(yán)重時(shí)可出現(xiàn)昏迷。