第八章 氨基酸代谢

内容提要
氨基酸是蛋白质的基本组成单位。氨基酸的首要功能是作为蛋白质合成原料。
氨基酸代谢是蛋白质分解代谢的中心内容。包括：氨基酸脱氨基、氨和α-铜酸的进一步代谢；氨基酸转变为生理活性物质——激素、递质、胺类、多胺等。一碳单位的代谢。
第一节 蛋白质的营养作用
一、蛋白质营养的重要性（生理功用）
（一）蛋白质是生命的物质基础
维持细胞、组织的生长、更新与修补
（二）催化、运输、代谢调节作用
（三）能源物质（仅占总能量需求的20%）。
每克蛋白在体内氧化可生成17千焦耳（4千卡）。此可以由糖和脂肪代替。
人类必须不断从食物中获取足够量的蛋白质才能维持组织更新和保持健康，儿童则更需要优质和足量的蛋白质以维持其生长及发育。
二、蛋白质的需要量和营养价值
（一）氮平衡（实验）
测定食物中含氮量（摄入氮）与尿、粪中含氮量（排出氮），可以反映人体内蛋白质的代谢概况。
1、根据有三个方面：①蛋白质中氮的平均含量是16%；②食物中含氮物质绝大多数是蛋白质；③体内蛋白分解产生的含氮物质主要由尿、粪排出。
2、有三种氮平衡情况
（1）氮的总平衡（摄入氮＝排出氮）：见于正常成人。反映氮“收支平衡”。蛋白质摄入量达到营养要求。
（2）氮的正平衡（摄入氮＞排出氮）：见于儿童、孕妇、恢复期病人。部分摄入的氮用于合成机体蛋白质。
（2）氮的负平衡（摄入氮＜排出氮）：常见于膳食中蛋白质的质欠佳或量的不足,或体内蛋白质长期大量耗损，如饥饿、营养不良、消耗性疾病、大面积烧伤及大量失血等情况。
蛋白质摄入量不足。
（二）生理需要量
1、根据氮平衡实验计算得知：在不进食蛋白质时成人每日最低分解约20克蛋白质。
由于食物蛋白质与人体蛋白质组成的差异，不可能全部利用，为长期保持总氮平衡，仍然需要增量才能满足要求。所以成人每日最低需要30~50克蛋白质。
2、中国营养学会推荐：成人每日蛋白质的需要量为80克。
（三）蛋白质的营养价值
1、蛋白质的营养价值：氮的保留量占氮的吸收量的百分数。
即N保留量／N吸收量×100。若吸收的氮全部保留于体内，则营养价值为100％。
当不考虑其它条件时：假设体内某类蛋白质100克含赖氨酸、亮氨酸和色氨酸各为1克；而食入某蛋白质100克所含赖氨酸及亮氨酸亦各为1克，但色氨酸仅含0.5克；从色氨酸含量看，食入的蛋白质仅有50％可被用于体内该种蛋白质的合成。
2、决定蛋白质营养价值的因素：
蛋白质的营养价值取决于蛋白质所含氨基酸的种类、数量与其比例，尤其是必需氨基酸。
某种食物蛋白所含必需氨基酸的量和比例愈接近人体蛋白，其营养价值就愈高。
一般来说，动物蛋白质所含必需氨基酸的种类和数量和人体需要相近，易为人体利用。
实际上蛋白质的营养价值取决于食物蛋白质含量、消化率、必需氨基酸含量及其比例等各因素。
3、营养必需氨基酸
体内蛋白质种类繁多，而它们的基本结构单位氨基酸只有20种。根据这20种氨基酸分别对动物的营养缺乏实验及对人体短期氮平衡实验，可将其分为两大类：必需氨基酸（essential amino acid）和非必需氨基酸（nonessential amino acid） 。
①必需氨基酸：人体不能自身合成而必须由食物蛋白供给的氨基酸。
组成人体蛋白质的20种氨基酸中有8种是必需氨基酸：
苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸
赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸。
②非必需氨基酸：是蛋白质合成所必需、但人体可以合成的氨基酸。
③特殊氨基酸：体内酪氨酸（Tyr）和半胱氨酸（Cys）可以分别由苯丙氨酸和蛋氨酸转变而来，所以食物中酪氨酸、半胱氨酸可以节约苯丙氨酸（Phe）与蛋氨酸（Met）的量，称它们为半必需氨基酸。儿童期，组氨酸（His）和精氨酸（Arg）常不能满足营养需要量，成负氮平衡。有人也将其划为必需氨基酸。
人体对必需氨基酸的需要量及其适宜的必需氨基酸比例见下表。

适宜需要量是最低需要量的2倍。
不同蛋白质中必需氨基酸含量及其比例见下表。

4、提高蛋白质营养价值的方法
（1）食物蛋白质的互补作用（complementary effect）
将营养价值低的蛋白质混合食用，则必需氨基酸互相补充而提高营养价值。
例如：谷类蛋白质（赖氨酸少、色氨酸多）；豆类蛋白质（赖氨酸多、色氨酸少）。二者混合食用，必需氨基酸得到互补，可以提高营养价值。
（2）提高蛋白质的消化率和利用率
蛋白质的消化率直接影响利用率，对营养价值有影响。有时用加工或烹调方法可以使蛋白质消化率提高而提高其营养价值。
例如：大豆蛋白质消化率为60％，而磨成豆腐后，其消化率可达90％，其利用率必然提高，
相应蛋白质的营养价值也得到提高。
5、蛋白质的更新量
用同位素15N标记氨基酸进行示踪实验表明：60kg体重的成人每天更新蛋白质约140~300g。其中更新量的大约三分之一需由食物蛋白质补充，其余2 ／3 则来自氨基酸代谢库。

第二节 蛋白质的消化、吸收、腐败
食物蛋白质的消化吸收是人体氨基酸的主要来源。
一、蛋白质的消化：
食物蛋白质在酶作用下水解为氨基酸和小肽。未消化的蛋白质不吸收，直接进入人体还可以产生过敏（抗原）或毒性（毒素）反应。消化部位自胃中开始，主要在小肠。
（一）胃中消化
蛋白质在胃中的消化由胃蛋白酶作用。胃蛋白酶以酶原的形式由胃粘膜主细胞分泌，胃蛋白酶原被盐酸激活后有自身激活作用。
此酶特异性差，水解不完全，最适pH为1.5～2.5，pH 6时失活，水解位点是芳香族氨基酸、蛋氨酸以及亮氨酸羧基形成的肽键。产物是多肽和少量氨基酸。
胃蛋白酶对乳中的酪蛋白有凝乳作用，可以延长乳液在胃中停留时间而加强消化。
胃蛋白酶的作用见下图

（二）小肠中消化（主要部位）
消化的酶有胰液、小肠液（细胞膜）中的多种蛋白酶及肽酶。
1、胰液中的蛋白酶——最适pH7.0，产物是氨基酸和寡肽。
（1）内肽酶——从内部水解特定的肽键。
它包括胰蛋白酶(trypsin)、胰凝乳蛋白酶（又称糜蛋白酶，chymotrypsin）、弹性蛋白酶（elastase）。这些蛋白酶由胰腺细胞分泌时，均为无活性的酶原，进入十二指肠后才被激活，然后从多肽链内部水解特定的肽键。
①胰蛋白酶主要水解由碱性氨基酸羧基构成的肽键，②胰凝乳蛋白酶主要水解由芳香族氨基酸羧基构成的肽键，③弹性蛋白酶主要水解由脂肪族氨基酸羧基构成的肽键。
产物主要为寡肽及少量氨基酸。
三种内肽酶的作用如下：

（2）外肽酶——从羧基末端每次水解1个肽键。
要求是下列氨基酸的羧基形成的肽键：

水解位点后面的氨基酸既是其产物。
2、肠液中的肠激酶——激活各种胰酶原。
肠激酶（enterokinase）分布在肠黏膜细胞表面，被胆汁酸激活后使胰蛋白酶原激活为胰蛋白酶，然后胰蛋白酶又激活胰凝乳蛋白酶原、弹性蛋白酶原、羧基肽酶原。
胰蛋白酶还具有自身催化作用，可激活胰蛋白酶原，但体内这种作用较弱 。

3、小肠粘膜细胞（刷状缘及胞液）——2种寡肽酶（氨基肽酶、二肽酶），产物是氨基酸。
寡肽酶（oligopeptidase）：两种寡肽酶存在于小肠粘膜细胞刷状缘和胞液。
①氨基肽酶（aminopeptidase）从氨基末端逐步水解寡肽，最后生成二肽。
②二肽酶（dipeptidase）水解任何二肽最终产生氨基酸。

说明
食物中的蛋白质经胃蛋白酶和胰蛋白酶消化后有1/3是氨基酸、2/3是肽。
寡肽的水解主要在小肠粘膜细胞内进行。最后由氨基肽酶和二肽酶作用水解成氨基酸。
各种酶协同作用使蛋白质的消化效率极高，正常成人，食物蛋白的95%可以水解完全。
但是，一些纤维蛋白只能部分水解。

附表：蛋白酶的特异性

X：表示任何的氨基酸。
二、氨基酸的吸收
食物中的蛋白质经消化后的氨基酸主要在小肠中吸收，吸收机制不完全清楚。
一般认为：氨基酸吸收是消耗能量的主动吸收过程，同时需要载体，另外是通过γ-谷氨酰基循环，转运1分子氨基酸消耗3ATP。γ-谷氨酰基循环不转运脯氨酸。
（一）氨基酸载体
1、实验证明：肠粘膜上的氨基酸载体蛋白，能与氨基酸和Na+形成三联体，将氨基酸和Na+转运进入细胞；Na+则借助于钠泵排出细胞外，同时消耗ATP。
2、至少有4种载体参与氨基酸的主动吸收：
①中性氨基酸载体（主要载体）：芳香族、脂肪族、含硫氨基酸、组氨酸、谷氨酰胺的载体。
②酸性氨基酸载体。
③碱性氨基酸载体。
④亚氨酸及甘氨酸载体（效率低）。
共用载体的氨基酸之间有竞争作用。
氨基酸的运载体及转运效率
（二）γ-谷氨酰基循环
Meister提出：氨基酸向细胞内的转运是由谷胱甘肽（glutathione）起作用而完成的，称为γ－谷氨酰循环（γ－glutamyl cycle）,也叫Meister循环。
在此循环中，氨基酸首先与谷胱甘肽在细胞膜上形成γ－谷氨酰氨基酸进入胞液中。反应由γ－谷氨酰转肽酶（γ-glutamyl transpeptidase）催化，γ－谷氨酰氨基酸在γ－谷氨酸环化转移酶的催化下转变成5－氧脯氨酸及氨基酸，这就完成了氨基酸转入细胞内的过程。
反应中生成的谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸再合成谷胱甘肽，周而复始地运输氨基酸进入细胞。

（三）肽的吸收
肠粘膜细胞上有二肽和三肽的转运体系，此种转运也是耗能的主动吸收过程，小肠近端作用较强。所以肽的吸收可以早于氨基酸的吸收。不同的二肽的吸收有相互竞争作用。
三、蛋白质的腐败作用(putrefaction)
腐败作用是指肠道细菌（主要是大肠杆菌）对未消化的蛋白质或消化但未吸收的消化产物作用，产生一系列产物的过程。
①腐败作用的部位主要是在大肠的下段。②肠腐败的实质是细菌本身的代谢。③腐败的产物多数对人体有害（胺、氨、吲哚、酚、硫化氢等），少数对人体有益（少量脂肪酸和维生素K）。
（一）胺类(amines)的生成
肠道细菌的蛋白酶使蛋白质水解，再经氨基酸脱羧基作用产生胺类。

其中假神经递质与儿茶酚胺结构相似，能够取代正常神经递质使后者不能传递神经冲动，大脑发生异常抑制，与肝昏迷的症状有关。

（二）氨的生成
肠道氨的2个来源：①肠细菌对氨基酸的还原性脱氨（主要）；②血液尿素扩散入肠腔受肠道细菌脲酶的分解产生氨。肠腔pH降低可减少氨吸收，反之加强。

肠道氨的生成与肝昏迷有关。吸收入体内的氨在肝合成尿素然后排出，由肠道吸收的氨所合成的尿素相当于正常人每天排出尿素总量的1／4。严重肝功能障碍的病人，因不能及时处理吸收入体内的氨及其他毒性腐败产物，常可引起肝性昏迷。
故对这类患者应采取措施，如控制蛋白质摄入量，抑制肠菌生长以减少肠道氨的产生和吸收。
（三）其它有害物质
1、酪氨酸脱羧产生的酪胺氧化脱氨：对甲酚、苯酚。

2、色氨酸分解：甲基吲哚、吲哚（粪便臭味来源）。

3、半胱氨酸分解：硫醇、硫化氢、甲烷。
第三节 氨基酸的一般代谢
人体蛋白质不断处于降解与合成的动态平衡中。正常成人每日约有整体总蛋白质量的1%~2％更新，主要为肌肉蛋白质的分解，其降解（degradation）释放的氨基酸约有75%—80％被再用于新的蛋白质合成。
1、半寿期t1/2（half-life）：代表蛋白质寿命的长短，即蛋白质降低其原浓度一半时所需要的时间。
成人每天降解的蛋白量为1%~2%，不同的蛋白质寿命差异很大，从数秒到数月。
①一些代谢关键酶的t1/2极短（糖代谢的关键酶）②肝脏中大部分蛋白质的t1/2（在1~8天）③血浆蛋白t1/2（10天）④结缔组织蛋白t1/2很长（180天）。
2、蛋白降解酶类——蛋白酶、肽酶
真核细胞中蛋白降解有两条途径
（1）不依赖ATP的的过程，在溶酶体进行。降解的对象为胞外来源蛋白、膜蛋白、长寿命的胞内蛋白。
（2）依赖ATP与泛素的过程，在细胞液进行。降解对象为异常蛋白、短寿命蛋白。对于无溶酶体的RBC很重要。
泛素是一种耐热的小分子肽：大小为8.5kD（76个氨基酸残基）。作用是与予降解蛋白连接，形成大复合体（分子量超过106）而激活予降解蛋白。
3、氨基酸的代谢库
内源性与外源性氨基酸混合在一起分布于体内各处参与代谢构成氨基酸代谢库。氨基酸代谢库以游离氨基酸总量计。
①外源性氨基酸：食物蛋白质消化吸收的蛋白质。
②内源性氨基酸：体内蛋白质降解产生与合成的氨基酸。
4、氨基酸的分布
氨基酸不能自由通过细胞膜，所以氨基酸在体内分布不均匀。
①肌肉50%：支链氨基酸的分解代谢主要在骨骼肌进行。②肝脏10%、肾4%：由于体积小，其游离氨基酸浓度实际上非常高。消化吸收的氨基酸（丙氨酸、芳香氨基酸等）主要在肝脏进行分解代谢。③血浆1~6%：是体内各组织之间氨基酸转运的主要形式。更新迅速（平均t1/2为15分钟）。
肌肉和肝在维持血浆氨基酸浓度方面起重要作用。
5、组织细胞对氨基酸的摄取——逆浓度的主动转运（继发性协同转运）
细胞对氨基酸的摄取需要细胞膜上的蛋白质载体并且需要Na+的同向协同转运，此过程需要钠泵（Na+-K+-ATP酶）。

4、氨基酸代谢概况

氨基酸有共同的结构与代谢途径。

一、氨基酸脱氨基
从量上而言，氨基酸脱氨基作用是氨基酸分解代谢的主要反应。
氨基酸脱氨基可以在大多数组织进行。
氨基酸脱氨基的方式有：①氧化脱氨基②非氧化脱氨基③转氨基④联合脱氨基（最为重要）。
（一）氧化脱氨基（oxidative deamination）
有2种酶催化氧化脱氨基：
1、氨基酸氧化酶（FMN或FAD）

①L-氨基酸氧化酶（FMN）：分布差（限于肝、肾）、活性低，作用小。
②D-氨基酸氧化酶（FAD）：体内无作用底物而无意义。
2、L-谷氨酸脱氢酶（NAD+或NADP+）
分布广（肌肉除外）、活性强，十分重要。尤其是和转氨基联合作用。

此酶是变构酶，它含有六个相同的亚基，其活性可受变构剂的调节。
已知GTP和ATP是此酶的变构抑制剂；而GDP和ADP则是变构激动剂。
当体内GTP和ATP不足时，即能促进谷氨酸加速氧化。这对于氨基酸氧化供能起重要的调节作用。
（二）转氨基作用（transamination）
氨基转移酶（aminotransferase）或称转氨酶（transaminase）在体内各组织中都存在。转氨酶催化一种氨基酸的α-氨基转移到另外一种α-酮酸的酮基上生成相应的氨基酸，原来的氨基酸转变成α-酮酸，反应并无氨的真正脱出。
转氨酶催化的反应可逆（平衡常数近于1），不仅可促使氨基酸转移出氨基，而且a－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，反应方向取决于4种反应物的浓度，是体内合成非必需氨基酸的重要途径。

注意：脯氨酸（羟脯氨酸）和赖氨酸不参与转氨。
1、转氨酶
体内有多种转氨酶，具有特异性：不同氨基酸与转氨酶之间的转氨基只能由专一的转氨酶催化。α-酮戊二酸、丙酮酸、草酰乙酸作为氨基受体的转氨酶体系常见，谷氨酸与α-酮酸的转氨酶最为重要。如：谷丙转氨酶（GPT或ALT）和谷草转氨酶（GOT或AST）。
转氨酶需要维生素B6的磷酸酯。
2、转氨基作用机制
辅酶（磷酸吡哆醛）传递氨基（省略了与酶蛋白结合、分子重排和水解等过程）。

3、转氨的意义
转氨作用可以使剩余的氨基酸移去氨基得以分解，又可以使不足的非必需氨基酸得以合成。
此过程只有氨基的转移，而没有自由氨的生成。转氨对于体内非必需氨基酸的合成有调济作用。部分氨基酸可以直接或间接以α-酮戊二酸为受氨体生成谷氨酸再氧化脱氨释放自由氨。
（三）联合脱氨基
最重要的脱氨基方式。联合脱氨基有2条反应途径：
①转氨偶联谷氨酸氧化脱氨（肝、肾活跃）

②嘌呤核苷酸循环（主要在骨骼肌）
在骨骼肌和心肌中L－谷氨酸脱氢酶的活性低，这些组织的氨基酸难于借上述方式脱氨基，
而是通过嘌呤核苷酸循环（purine nucleotide cycle）脱氨基。
其具体步骤：在肌肉等组织中氨基酸通过转氨基作用，使草酰乙酸生成天冬氨酸；天冬氨酸与IMP反应生成腺苷酸代琥珀酸，后者裂解出延胡索酸生成AMP；AMP又在腺苷酸脱氨酶催化下脱去氨基，最终完成了氨基酸的脱氨基 。

通过此2种途径可以满足20种氨基酸脱氨基并释放氨的需要。
（四）其它脱氨基方式
1、丝氨酸脱水成亚氨酸，再加水脱氨基成丙酮酸，脱水酶催化。
2、天冬氨酸直接脱氨基成延胡索酸，天冬氨酸酶催化。
3、半胱氨酸脱硫化氢后水解脱氨，脱硫化氢酶催化，产物是丙酮酸和氨。
二、α-酮酸的代谢
（一）氨基化生成非必需氨基酸
（二）转变成糖和脂类
组成人体蛋白质的20种氨基酸脱去氨基后生成的α－酮酸经转变，形成七种主要代谢中间物质：丙酮酸、乙酰CoA、乙酰乙酰CoA 、α－酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸和草酰乙酸。
1、生酮氨基酸（ketogenic amino acids）：能降解生成乙酰CoA或乙酰乙酰CoA的氨基酸，能生成酮体和脂肪酸称为生酮氨基酸。有亮氨酸、赖氨酸两种氨基酸。
2、生糖兼生酮氨基酸(glucogenic and ketogenic amino acids)：异亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、苏氨酸。
3、生糖（glucogenic amino acids）：能转变为三羧酸循环的中间产物和丙酮酸的氨基酸可经糖异生途径转变为糖，称为生糖氨基酸。上述两种以外的氨基酸都能生成糖。
由此可以看出，氨基酸、糖和脂肪的代谢是密切联系的。氨基酸既可转变成糖也能转变成脂肪；糖可以转变成脂肪及多数非必需氨基酸的碳架部分；脂肪酸既不能转变成糖，也不能转变为氨基酸（脂肪的甘油部分可以转变为糖）。氨基酸和糖、脂肪的代谢关系是通过三羧酸循环中间代谢物互相联系并完全氧化的。
氨基酸、糖、脂肪代谢的联系见下图。

▲生酮氨基酸、○生糖兼生酮氨基酸、未标记为生糖氨基酸。
（三）氧化供能
以三羧酸循环为枢纽彻底氧化为H₂O、CO₂。
第四节 氨的代谢
血氨：机体代谢产生的氨及其消化道吸收来的氨进入血液形成血氨。正常血氨＜0.1mg/dl（0.6μmol/L）。氨有毒性，尤其是大脑。氨主要在肝脏合成尿素而解毒。严重肝病患者尿素合成降低导致血氨升高。
一、体内氨的来源
体内的氨有如下几个来源：①组织器官中氨基酸的脱氨基（主要来源）；②胺的分解产生的氨： RCH₂NH₂ → RCHO+NH₃（胺氧化酶）③嘌呤与嘧啶的降解；④肠道吸收的氨：
肠内氨基酸在细菌作用下产氨（肠腐败作用）和肠道尿素在细菌脲酶作用下水解产氨；⑤肾小管上皮细胞分泌的氨：Gln+H₂O → Glu+NH₃（谷氨酰胺酶）。
二、氨的转运
在正常生理pH时，血氨98．5％以毒性低的NH4+形式存在。氨的毒性很强，当家兔血氨浓度高达3mmol／L时，就会引起动物中毒死亡。正常人血氨含量很低，一般低于60μmol／L。各组织产生的氨，以Gln和Ala两种形式运至肝合成尿素或运至肾脏以铵盐的形式排出。
（一）谷氨酰胺的运氨作用
1、谷氨酰胺从脑和肌肉向肝和肾转运氨，谷氨酰胺既是氨的解毒产物，又是氨的储存和运输形式。谷氨酰胺是血液中含量最高的氨基酸（8.3毫克/dl）。对氨中毒病人可以用谷氨酸盐降低氨浓度。
2、氨与谷氨酸在谷氨酰胺合成酶（ glutamine synthetase ）催化下形成谷氨酰胺。此酶广泛存在于各组织中。谷氨酰胺的合成是一耗能过程，需有ATP参与，因而也是不可逆的过程。
谷氨酰胺的分解是由另外的酶——谷氨酰胺酶所催化，此酶主要分布在肾脏、肝及小肠等组织中 。

（二）丙氨酸-葡萄糖循环(alanine-glucose cycle)
1、此循环为丙氨酸在体内的运氨作用，主要发生在肌肉组织。
肌肉蛋白质在分解代谢过程中，特别在饥饿等蛋白质分解代谢加强时，氨基酸经脱氨基而产氨增加。氨可通过与α－酮戊二酸结合生成谷氨酸，再经转氨基作用将氨基转给丙酮酸使生成丙氨酸。丙酮酸主要来自葡萄糖的酵解途径。
丙氨酸在肌肉组织生成后经过血液运送至肝，在肝内丙氨酸经联合脱氨基作用脱去氨基生成丙酮酸。
丙酮酸经葡糖异生途径而生成葡萄糖，葡萄糖再经血液输入肌肉，形成丙氨酸—葡萄糖循环。

该循环将肌肉氨基酸脱氨基产生的氨运到肝生成尿素，同时为肝提供糖异生的原料，对防止血氨升高有重要意义。
2、天冬酰胺酶治疗白血病——减少血液天冬酰胺而抑制白血病细胞蛋白质的合成
体内还可在天冬酰胺合成酶催化下，由谷氨酰胺提供酰胺基，转移到天冬氨酸生成天冬酰胺。
该反应也需有ATP参加，但其作用机制与谷氨酰胺合成酶不完全相同。它的中间产物是酶与β-天冬酰基腺苷酸的复合物，而不是与酰基磷酸的复合物。
天冬酰胺是细胞蛋白质合成所需的氨基酸，一般细胞可自身合成，不必依靠外源供应。
但细胞分裂异常迅速的白血病细胞，则要依赖外源供应，自身合成的天冬酰胺不能满足需要，所以天冬酰胺酶可以抑制白血病细胞蛋白质的合成而治疗白血病。
天冬酰胺的合成与分解见下图。

三、氨的代谢去路
主要是合成尿素（占总排氮量的80~90%）。
（一）尿素合成的部位：肝脏为主（其它如肾和脑合成量极少）。
肝脏是尿素合成部位的实验证据：
①切除动物（犬）的肝脏保留肾脏，则血液和尿中尿素含量都降低。给此动物人工饲喂或输入氨基酸，则氨基酸大部分积存于血液、少部分尿出，同时血氨增高（氨基酸脱氨基）。
②切除动物（犬）的肾脏保留肝脏，则血液中尿素含量明显增高。
③切除动物（犬）的肝脏和肾脏，则血尿素很低、血氨显著增高。
④临床观察支持肝是尿素合成的器官：急性肝坏死患者的血液和尿液中几乎没有尿素，但氨基酸量增加。
（二）尿素合成的过程——鸟氨酸循环（尿素循环），又称为Krebs—Henseleit cycle。
1、循环机制：
（1）鸟氨酸 + 氨 +二氧化碳 → 瓜氨酸
（2）瓜氨酸 + 氨 → 精氨酸
（3）精氨酸 + 水→ 鸟氨酸 + 尿素
总结果（不包括ATP的水解） ：2NH₃ + CO₂ → H₂N-CO-NH₂+H₂O
尿素是无毒、中性、水溶性很强的物质。
2、鸟氨酸循环的实验依据
（1）大鼠肝薄切片 + 铵盐 → 有氧条件保温数小时
结果：铵盐减少、尿素增加（肝脏消耗铵盐产生尿素）。
（2）大鼠肝薄切片 + 铵盐 + 鸟氨酸、瓜氨酸或精氨酸→ 有氧条件保温数小时
结果：尿素生成加速（证明循环体系的组成及其顺序）。
（3）大鼠肝薄切片 + 铵盐 + 大量鸟氨酸 → 同样条件保温数小时
结果：瓜氨酸积存（鸟氨酸→瓜氨酸→精氨酸）
（4）精氨酸 + 肝精氨酸酶 → 鸟氨酸 + 尿素
（5）用同位素标记铵盐（¹⁵NH₄Cl）或氨基酸（含有¹⁵N）饲养犬
结果：尿出的尿素含有¹⁵N、鸟氨酸中不含有¹⁵N（提示：尿素中的N来自氨或氨基酸，而不是鸟氨酸并且也不进入鸟氨酸）。
（6）用同位素¹⁴C标记的NaH¹⁴CO₃饲养犬
结果：尿出的尿素中含有¹⁴C，证明尿素可以由CO₂（HCO₃—）合成。
3、尿素循环步骤
（1）氨基甲酰磷酸的合成（线粒体）
1）催化此反应的酶：氨基甲酰磷酸合成酶Ⅰ（CPS-Ⅰ）。
此酶受N-乙酰谷氨酸（AGA，谷氨酸的氨基N上连接乙酰基）的变构激活。
酶变构后暴露酶分子上的某些巯基，使其与ATP的亲和力增加。
2）反应不可逆，消耗2ATP，需要Mg²⁺参加。
3）氨基甲酰磷酸是高能化合物，性质活泼，易于和鸟氨酸结合生成瓜氨酸。
氨基甲酰磷酸合成反应如下：

（2）瓜氨酸的合成（线粒体）
1）催化此反应的酶：鸟氨酸氨基甲酰转移酶（OCT），通常在线粒体与CPS-I结合成酶的复合体。
2）此反应不可逆，能量来自氨基甲酰磷酸的高能键的裂解。
瓜氨酸的合成反应

（3）精氨酸的合成（细胞液）——分2步进行：精氨酸代琥珀酸的合成与裂解。
1）精氨酸代琥珀酸合成酶（ASS）：瓜氨酸出线粒体，在胞液中与Asp生成精氨酸代琥珀酸，反应由ATP供能（利用ATP的β-磷酸酯键）。
2）精氨酸代琥珀酸裂解酶（ASL）：催化精氨酸代琥珀酸裂解为精氨酸和延胡索酸。
精氨酸代琥珀酸的合成

说明：在上述反应中，Asp起供给氨基的作用。
精氨酸代琥珀酸的裂解

（4）精氨酸水解成尿素和鸟氨酸
在胞液中形成的精氨酸受精氨酸酶（arginase）的水解作用而生成尿素和鸟氨酸。
鸟氨酸再进入线粒体参加瓜氨酸的合成，瓜氨酸又经上述变化最后生成尿素(urea)及鸟氨酸，如此周而复始地循环促进尿素的生成。

（三）尿素合成总结
尿素作为代谢的终产物排出体外。
尿素合成的总反应：2NH₃ + CO₂ +2H₂O + 3ATP→2ADP + AMP + 2Pi + PPi + NH₂-CO-NH₂
或者2NH₃ + CO₂ + 3H₂O + 3ATP→2ADP + AMP + 4Pi +NH₂-CO-NH₂
（1）尿素中的2个N原子，1个来自氨、另一个来自氨基酸（直接或间接）。鸟氨酸在循环中起催化剂作用，并不消耗。精氨酸代琥珀酸合成酶（ASS）的活性是循环中所有酶里面最低的，是尿素合成的限速酶，调节尿素合成的速度。尿素的合成是消耗能量的，每生成1分子尿素，共计消耗3分子ATP，相当于4个~P。
（2）CPS-Ⅰ是尿素合成的关键性调节酶。此酶是变构酶，N-乙酰谷氨酸（AGA）是其变构激活剂。其同工酶CPS-II存在于细胞液，以Gln的酰胺基作氮源合成的氨基甲酰磷酸用于嘧啶的合成。两种酶是性质不同的酶，其产物相同，但底物和分布的部位不同，生理意义有区别：
1）CPS-I参与尿素合成是肝细胞特有的功能，是细胞高度分化的结果。其活性是肝细胞分化程度的指标。
2）CPS-II参与嘧啶的从头合成进而参与核酸的合成，其活性是细胞增殖程度的指标。
（3）实验证明：肝细胞再生时线粒体中鸟氨酸氨基甲酰转移酶活性降低，胞液中天冬氨酸氨基甲酰转移酶活性提高，所以尿素合成减少、嘧啶合成增加；肝细胞再生结束时相反。此2种酶活性对尿素合成与核酸合成其重要的调节作用。
（5）尿素合成全过程及其细胞定位

尿素循环与三羧酸循环的联系——Krebs自行车（Krebs bicycle）

（四）尿素合成的调节——多种因素可以调节尿素的合成
1、食物蛋白的影响
高蛋白的膳食促进尿素合成；低蛋白膳食抑制尿素合成。
2、CPS-I的调节
精氨酸激活AGA合成酶使AGA增加、对CPS-I的激活作用加强，尿素合成加速。进食蛋白也可以促进AGA的合成。
3、尿素合成酶系的调节
精氨酸代琥珀酸合成酶是尿素合成的限速酶。
4、其它参加鸟氨酸循环的物质的量影响尿素合成。
（五）高氨血症和氨中毒
1、高氨血症：肝功能受损伤时尿素合成障碍导致的血氨浓度的升高。
尿素合成酶的遗传性缺陷液可以导致高氨血症。
2、肝昏迷氨中毒学说：
氨进入脑组织与α-酮戊二酸结合成谷氨酸，导致α-酮戊二酸减少，三羧酸循环减弱，使脑组织中ATP生成减少引起脑功能能障碍，严重时可以发生肝昏迷。
第五节 个别氨基酸的代谢
一、氨基酸的脱羧基作用
氨基酸脱羧基生成胺类，胺类可以进一步氧化成醛、羧酸。
催化脱羧反应的酶：氨基酸脱羧酶（辅酶是磷酸吡哆醛）
脱羧反应如下：

氨基酸脱羧生成的胺类通常具有较强生理作用，正常情况下，体内胺含量较低，胺类在体内积存会引起神经和心血管系统的功能失调。
体内存在胺氧化酶（amine oxidase）催化胺类氧化。此酶属于黄素蛋白酶，能催化胺类氧化生成相应的醛、氨和H₂O₂，醛类还可继续氧化成羧酸，羧酸再氧化成CO₂和水或随尿排出，从而避免胺类的蓄积。
（一）γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）
GABA由谷氨酸脱羧生成。催化此反应的酶为谷氨酸脱羧酶，此酶在脑及肾组织中活性强，因而g－氨基丁酸在脑中的浓度较高。

γ－氨基丁酸的作用是抑制性的神经递质，抑制突触传导。γ－氨基丁酸可以进一步代谢，与α－酮戊二酸进行转氨基作用，生成琥珀酸半醛，后者再氧化成琥珀酸进入三羧酸循环而被代谢。
（二）牛磺酸
半胱氨酸经磺酸丙氨酸脱羧生成。活性硫酸根也可以产生牛磺酸，后者是是结合胆汁酸的组成成分。化学反应如下：

（三）组胺
组胺（histamine）由组氨酸经组氨酸脱羧酶催化脱羧生成。
组胺分布广泛，主要在乳腺、肺、肝、肌肉、胃粘膜，存在于肥大细胞。体内许多组织的肥大细胞及嗜碱性细胞在过敏反应、创伤等情况下产生组胺。

组胺的作用：①血管舒张剂，可引起血管扩张，毛细血管通透性增加，造成血压下降，甚至休克。②组胺可使平滑肌收缩，引起支气管痉挛而发生哮喘。③还可以刺激胃蛋白酶和胃酸分泌。故可用于研究胃分泌功能。
组胺可经氧化或甲基化而灭活。
（四）5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）
色氨酸在脑组织中经色氨酸羟化酶催化生成5－羟色氨酸，再受5－羟色氨酸脱羧酶的催化生成5－羟色胺（5-HT），又名血清素。
5－羟色胺在脑的视丘下部，大脑皮层以及神经细胞的突触小泡内含量很高，它是一种神经递质，直接影响神经传导。也存在于小肠、血小板、乳腺细胞中5－羟色胺具有强烈的血管收缩作用。
5－羟色胺经单胺氧化酶的催化作用，生成5－羟色醛以及5－羟吲哚乙酸等产物随尿排泄。

（五）多胺（polyamine）
有些氨基酸在体内经脱羧作用可产生多胺。多胺包括腐胺（putrescine）、亚精胺（spermidine）、精胺（spermine）。
精氨酸水解生成的鸟氨酸经脱羧作用生成腐胺，它是亚精胺及精胺的前体。
多胺的生成过程：首先由鸟氨酸脱羧酶催化鸟氨酸脱羧，生成腐胺；然后由脱羧SAM转移丙胺基形成精脒和精胺。鸟氨酸脱羧酶是多胺合成的限速酶。

1．多胺的作用：亚精胺、精胺是调节细胞生长、促进细胞增殖的重要物质。
其可能的机制是稳定细胞结构、与核酸结合、增强核酸与蛋白质的合成。
2．生长旺盛组织（胚胎、再生肝、生长激素作用细胞、癌瘤），鸟氨酸脱羧酶的活性好，多胺的含量高。目前临床上通过测定癌瘤病人血液和尿液中多胺含量作为观察病情的指标。
多胺及SAM的结构如下图。

二、一碳单位的代谢
（一）一碳单位（one carbin unit）
体内某些氨基酸在分解代谢过程中可以产生含有一个碳原子的有机基团称为一碳基团或一碳单位（CO₂除外）。

一碳单位不能游离单独存在，必需和载体结合。
（二）一碳单位的载体
5，6，7，8-四氢叶酸（FH4）是一碳单位的载体，结合位点通常是在FH4的N5和N10位点。
注：甲基的第二载体是SAM，它是甲基的直接供体。FH4也可以看作是一碳单位代谢的辅酶。
四氢叶酸的生成及其与一碳单位的连接见下图。
哺乳类动物的四氢叶酸由叶酸经2步还原生成：

还原反应由二氢叶酸还原酶催化，供氢体是NADPH+H+。

（三）一碳单位来源、生成及互变
一碳单位主要来源于Ser、Gly、His、Trp的代谢。

（四）一碳单位的生理功用
一碳单位的主要生理功用是作为合成嘧啶与嘌呤的原料，参与核酸的合成。一碳单位是氨基酸与核酸联系的桥梁。
同时生成SAM作为甲基的供体，参加体内各种物质的甲基化反应。

三、含硫氨基酸的代谢
含硫氨基酸包括半胱氨酸、（胱氨酸）、甲硫氨酸。三种氨基酸中甲硫氨酸是必需氨基酸。
（一）甲硫氨酸代谢
甲硫氨酸在转甲基之前必须首先与ATP作用生成活性甲硫氨酸（SAM），其中的甲基称为活性甲基。此反应由甲硫氨酸腺苷转移酶（转腺苷酶）催化。
体内50多种物质需要甲基化：
①去甲肾上腺素→肾上腺素；②胍乙酸→肌酸③GABA→肉毒碱；④脑磷脂→卵磷脂；⑤尼克酰胺、DNA、RNA、蛋白质的甲基化。
1、SAM的结构与生成

2、SAM的转甲基作用

3、甲硫氨酸循环
甲硫氨酸循环的意义：由N⁵-CH₃-FH₄提供甲基合成甲硫氨酸，再通过SAM提供甲基进行体内广泛存在的甲基化反应。
N⁵-CH₃-FH₄是体内甲基的间接供体，此循环是体内利用N⁵-CH₃-FH₄的唯一反应。

4、肌酸的合成
肌酸的合成是以甘氨酸为骨架、精氨酸提供脒基、SAM提供甲基合成的。

（二）半胱氨酸与胱氨酸代谢
1、二者互变
由NADH+H+（NAD⁺）做供（受）氢体，或G-SH（GSSG）做供（受）氢体。
胱氨酸还原酶催化。

2、生成牛磺酸
氧化、脱羧基（见氨基酸脱羧基）
3、活性硫酸根（PAPS）的生成
3′-磷酸腺苷-5 ′ -磷酰硫酸（PAPS）是体内硫酸的供体，称活性硫酸根。

PAPS性质活泼，可使某些物质形成硫酸酯。如：类固醇激素的灭活等。
转硫酸基作用由硫酸转移酶催化。
四、芳香族氨基酸的代谢
芳香族氨基酸包括：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸，其中苯丙氨酸可以转化为酪氨酸。
（一）苯丙氨酸和酪氨酸的代谢
1、苯丙氨酸的羟化反应
正常情况下，苯丙氨酸的羟化生成酪氨酸是其主要代谢，苯丙氨酸的羟化由苯丙氨酸羟化酶催化，该酶是以四氢蝶呤为辅酶的加单氧酶。此反应不可逆，所以Tyr不能生成Phe。

2、儿茶酚胺的生成

酪氨酸羟化酶是儿茶酚胺合成的限速酶，受产物的反馈抑制。
3、黑色素（melanin）的生成
在黑色素细胞中酪氨酸的代谢途径.

黑色素的结构。

4、酪氨酸的分解代谢

5、苯丙酮酸尿症（PKU）
苯丙氨酸羟化酶先天缺乏，苯丙氨酸不能转变为酪氨酸而蓄积，苯丙氨酸转氨基生成苯丙酮酸，苯丙酮酸转变成苯乙酸等衍生物。
尿中出现大量苯丙酮酸及其代谢产物称为苯丙酮酸尿症。
苯丙酮酸对中枢神经系统有毒性导致患儿智力发育障碍。
甲状腺素是甲状腺球蛋白中酪氨酸残基碘化的产物。

（二）色氨酸代谢
色氨酸的代谢产物有：5-羟色胺、一碳单位、丙酮酸和乙酰乙酰辅酶A、尼克酸。
色氨酸代谢如下图。

五、支链氨基酸代谢
支链氨基酸包括：亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸，都属于必需氨基酸。
分解代谢主要在骨骼肌。其分解产物有：琥珀酸单酰辅酶A（缬氨酸）、乙酰辅酶A、乙酰乙酰辅酶A（亮氨酸）、乙酰辅酶A、琥珀酸单酰辅酶A（异亮氨酸）。
支链氨基酸代谢