临床执业医师考点：蛋白质代谢
蛋白质代谢指蛋白质在细胞内的代谢途径。各种生物均含有水解蛋白质的蛋白酶或肽酶，这些酶的专一性不同，但均能破坏肽键，使各种蛋白质水解成其氨基酸成分的混合物。
第一节 概述
一、主要途径
1. 蛋白质代谢以氨基酸为核心，细胞内外液中所有游离氨基酸称为游离氨基酸库，其含量不足氨基酸总量的1%，却可反映机体氮代谢的概况。食物中的蛋白都要降解为氨基酸才能被机体利用，体内蛋白也要先分解为氨基酸才能继续氧化分解或转化。
2. 游离氨基酸可合成自身蛋白，可氧化分解放出能量，可转化为糖类或脂类，也可合成其他生物活性物质。合成蛋白是主要用途，约占75%，而蛋白质提供的能量约占人体所需总能量的10-15%。蛋白质的代谢平衡称氮平衡，一般每天排出5克氮，相当于30克蛋白质。
3. 氨基酸通过特殊代谢可合成体内重要的含氮化合物，如神经递质、嘌呤、嘧啶、磷脂、卟啉、辅酶等。磷脂的合成需S-腺苷甲硫氨酸，氨基酸脱羧产生的胺类常有特殊作用，如5-羟色胺是神经递质，缺少则易发生抑郁、自杀;组胺与过敏反应有密切联系。
二、消化
外源蛋白有抗原性，需降解为氨基酸才能被吸收利用。只有婴儿可直接吸收乳汁中的抗体。
可分为以下两步：
1. 胃中的消化：胃分泌的盐酸可使蛋白变性，容易消化，还可激活胃蛋白酶，保持其最适pH，并能杀菌。胃蛋白酶可自催化激活，分解蛋白产生蛋白胨。胃的消化作用很重要，但不是必须的，胃全切除的人仍可消化蛋白。
2. 肠是消化的主要场所。肠分泌的碳酸氢根可中和胃酸，为胰蛋白酶、糜蛋白酶、弹性蛋白酶、羧肽酶、氨肽酶等提供合适环境。肠激酶激活胰蛋白酶，再激活其他酶，所以胰蛋白酶起核心作用，胰液中有抑制其活性的小肽，防止在细胞中或导管中过早激活。外源蛋白在肠道分解为氨基酸和小肽，经特异的氨基酸、小肽转运系统进入肠上皮细胞，小肽再被氨肽酶、羧肽酶和二肽酶彻底水解，进入血液。所以饭后门静脉中只有氨基酸。
三、内源蛋白的降解
1. 内源蛋白降解速度不同，一般代谢中关键酶半衰期短，如多胺合成的限速酶-鸟氨酸脱羧酶半衰期只有11分钟，而血浆蛋白约为10天，胶原为1000天。体重70千克的成人每天约有400克蛋白更新，进入游离氨基酸库。
2. 内源蛋白主要在溶酶体降解，少量随消化液进入消化道降解，某些细胞器也有蛋白酶活性。内源蛋白是选择性降解，半衰期与其组成和结构有关。有人认为N-末端组成对半衰期有重要影响(N-末端规则)，也有人提出半衰期短的蛋白都含有一个富含脯氨酸、谷氨酸、丝氨酸和苏氨酸的区域(PEST区域)。如研究清楚，就可能得到稳定的蛋白质产品。
四、氨基酸的吸收
食用蛋白质后15分钟就有氨基酸进入血液，30到50分钟达到最大。氨基酸的吸收与葡萄糖类似，有以下方式：
1. 需要载体的主动转运，需要钠，消耗离子梯度的势能。已发现6种载体，运载不同侧链种类的氨基酸。
2. 基团转运，需要谷胱甘肽，每转运一个氨基酸消耗3个ATP，而用载体转运只需三分之一个。此途径为备用的旁路，一般无用。
第二节 脱氨和脱羧
氨基酸失去氨基称为脱氨，是机体氨基酸分解代谢的第一步。绝大多数氨基酸先脱氨生成a-酮酸，再氧化或转化为其他物质。有氧化脱氨和非氧化脱氨两类，前者普遍存在，后者存在于某些微生物。
一、氧化脱氨
(一)过程：氨基酸在氨基酸氧化酶催化下脱氢生成亚氨基酸，再水解生成酮酸和氨。脱下的氢由黄素蛋白传递给氧，生成过氧化氢，再分解为水和氧。总反应如下：
2氨基酸+O2=2酮酸+2NH3
过氧化氢也可氧化酮酸生成脂肪酸和二氧化碳。
(二)有关酶
1. L-氨基酸氧化酶：可催化多数氨基酸，但甘氨酸、侧链含羟基、羧基、氨基的氨基酸无效，需专门的酶。以FAD或FMN为辅基，人的酶以FMN为辅基。
2. D-氨基酸氧化酶：存在于肝、肾，以FAD为辅基。
3. 氧化专一氨基酸的酶：如甘氨酸氧化酶、D-天冬氨酸氧化酶、L-谷氨酸脱氢酶等。后者重要，分布广泛，活力高，受别构调节，能量不足时激活，加快氧化。以NAD或NADP为辅酶，不需氧，通过呼吸链再生。在体外可用于合成味精。
二、非氧化脱氨
1. 还原脱氨：严格无氧时氢化酶催化生成羧酸和氨。
2. 水解脱氨：水解酶催化，生成a-羟酸和氨。
3. 脱水脱氨：丝氨酸和苏氨酸在脱水酶催化下生成烯，重排成亚氨基酸，自发水解生成酮酸和氨。脱水酶以磷酸吡哆醛为辅基。
4. 脱巯基脱氨：半胱氨酸在脱硫氢基酶催化下脱去硫化氢，重排、水解，生成丙酮酸和氨。
5. 氧化-还原脱氨：两个氨基酸一个氧化，一个还原，脱去两个氨，生成酮酸和脂肪酸。
三、脱酰胺作用
谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶可催化脱酰胺，生成相应的氨基酸。此酶分布广泛，专一性强。
四、转氨基作用
1. 定义：指a-氨基酸和酮酸之间氨基的转移作用。氨基酸的a-氨基转移到酮酸的'酮基上，生成酮酸，原来的酮酸形成相应的氨基酸。转氨作用普遍存在，除甘氨酸、赖氨酸、苏氨酸和脯氨酸外都参与转氨，对其分解及合成有重要作用。
2. 转氨酶：种类很多，多需要谷氨酸，对另一个氨基酸要求不严，以活力最大的命名。其反应是可逆的，由浓度控制。都含磷酸吡哆醛，乒乓机制。吡哆醛还参与脱羧、脱水、脱硫化氢及消旋等反应。
五、联合脱氨
指脱氨与转氨联合，是氨基酸降解的主要方式，有两种方式：
1. 氨基酸先转氨生成谷氨酸，再由谷氨酸脱氢酶脱去氨基。普遍存在。
2. 腺苷酸循环：氨基转给谷氨酸，再生成天冬氨酸，与次黄嘌呤核苷一磷酸生成腺苷酸代琥珀酸，再裂解成腺苷酸和延胡索酸。腺苷酸水解成次黄嘌呤核苷酸，放出氨;延胡索酸水化、氧化再生草酰乙酸。此途径主要存在于肌肉和脑，其腺苷酸脱氨酶活性较高。肝脏谷氨酸脱氢酶活力高，但90%转化为天冬氨酸。
六、脱羧
少数氨基酸先脱羧生成一级胺。此反应由脱羧酶催化，含磷酸吡哆醛，专一性强，每种酶只催化一种L-氨基酸。此酶在各种组织中普遍存在，生成的胺有重要生理作用，如脑中谷氨酸脱羧生成的g-氨基丁酸是神经递质。
第三节 氮的排泄
氨对机体有毒，特别是对脑。血液中1%的氨即可使神经中毒。水生动物可直接排氨，陆生动物排溶解度较小的尿素，卵生动物排不溶的尿酸。
一、氨的转运
(一)谷氨酰胺合成酶将氨与谷氨酸合成谷氨酰胺，消耗一个ATP。谷氨酰胺中性无毒，容易通过细胞膜，进入血液运到肝脏后被谷氨酰胺酶分解，放出氨。
(二)肌肉通过葡萄糖-丙氨酸循环转运氨。氨经谷氨酸转给丙氨酸，运到肝后再转氨生成谷氨酸。丙酮酸异生为葡萄糖返回肌肉。这样肌肉活动产生的丙酮酸和氨都得到处理，一举两得。
二、尿素的生成
1. 在线粒体中氨甲酰磷酸合成酶I将氨和CO2合成氨甲酰磷酸，消耗2个ATP。N-乙酰谷氨酸是此酶的正调节物。酶II在细胞质，与核苷酸的合成有关。
2. 氨甲酰磷酸与鸟氨酸形成瓜氨酸和磷酸，由鸟氨酸转氨甲酰酶催化，需镁离子。
3. 瓜氨酸出线粒体，进入细胞质，与天冬氨酸生成精氨琥珀酸。精氨琥珀酸合成酶需镁离子，消耗1个ATP的两个高能键。
4. 精氨琥珀酸裂解酶催化其裂解，生成精氨酸和延胡索酸。
5. 精氨酸酶催化水解生成鸟氨酸和尿素。
6. 总反应为：
NH4++CO2+3ATP+Asp+2H2O=尿素+延胡索酸+2ADP+2Pi+AMP+Ppi
共除去2分子氨和1分子CO2，消耗4个高能键。前两步在线粒体中进行，可避免氨进入血液引起神经中毒。此途径称为尿素循环或鸟氨酸循环，缺乏有关酶会中毒死亡。
三、其他途径
爬虫和鸟排泄不溶的尿酸，可保持水，但耗能高。具体见核酸代谢。此外，蜘蛛排鸟嘌呤，某些鱼排氧化三甲胺，高等植物合成谷氨酰胺和天冬酰胺，储存体内。
第四节 碳架氧化
20种氨基酸分别以5种物质进入三羧酸循环：丙氨酸、丝氨酸、苏氨酸、甘氨酸、半胱氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、亮氨酸、赖氨酸和色氨酸生成乙酰辅酶A，精氨酸、组氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸和谷氨酸生成a-酮戊二酸，甲硫氨酸、异亮氨酸、缬氨酸生成琥珀酰辅酶A;苯丙氨酸和酪氨酸还生成延胡索酸;天冬氨酸和天冬酰胺生成草酰乙酸。分解主要在肝和肾进行，某些中间物可转化为糖、酮体及生物活性物质，见下节。氨基酸脱羧形成胺后不能进入三羧酸循环。
一、乙酰辅酶A途径
(一)由丙酮酸生成乙酰辅酶A
1. 丙氨酸：由谷丙转氨酶转氨生成丙酮酸
2. 丝氨酸：脱水脱氨生成丙酮酸，由丝氨酸脱水酶催化，含磷酸吡哆醛。
3. 甘氨酸：可接受羟甲基，转变成丝氨酸。由丝氨酸转羟甲基酶催化，以磷酸吡哆醛为辅基，甲烯基四氢叶酸为供体，需锰。此途径主要作为丝氨酸的合成途径，甘氨酸的分解主要是作为一碳单位供体，由甘氨酸裂解酶裂解生成甲烯基四氢叶酸和二氧化碳及氨，次要途径是氧化脱氨生成乙醛酸，再氧化成甲酸或草酸。甘氨酸与谷胱甘肽、肌酸、胆碱、嘌呤、卟啉的合成都有关系。
4. 苏氨酸：由苏氨酸醛缩酶裂解成甘氨酸和乙醛，乙醛可氧化成乙酸再生成乙酰辅酶A。也可脱水生成a-酮丁酸，或脱去脱羧形成氨基丙酮。
5. 半胱氨酸：可转氨生成b-巯基丙酮酸，再由转硫酶脱去硫化氢生成丙酮酸。也可先氧化成半胱氨酸亚磺酸，再转氨、脱去亚硫酸形成丙酮酸。产生的硫化氢要氧化成亚硫酸，再氧化成硫酸，由尿排出。
(二)由乙酰乙酰辅酶A生成乙酰辅酶A
1. 苯丙氨酸：由苯丙氨酸-4-单加氧酶催化生成酪氨酸，消耗一个NADPH。
2. 酪氨酸：先转氨生成4-羟苯丙酮酸，再氧化、脱羧、开环，裂解成延胡索酸和乙酰乙酸。延胡索酸进入三羧酸循环，乙酰乙酸由琥珀酰辅酶A活化生成乙酰乙酰辅酶A，硫解形成两个乙酰辅酶A。
3. 亮氨酸：先转氨、脱羧生成异戊酰辅酶A，再脱氢、末端羧化、加水生成羟甲基戊二酰辅酶A(HMG CoA)，裂解成乙酰乙酸和乙酰辅酶A。
4. 赖氨酸：先由两条途径生成L-a-氨基己二酸半醛，其一是与a-酮戊二酸缩合成酵母氨酸，再放出谷氨酸;其二是先脱去a氨基再环化、开环，将氨基转移到a位。生成半醛后氧化成酸，转氨生成a-酮己二酸，脱羧生成戊二酰辅酶A，脱氢、脱羧形成巴豆酰辅酶A，最后水化、脱氢成乙酰乙酰辅酶A。
5. 色氨酸：较复杂，先氧化，依次脱去甲醛、丙氨酸，最后形成a-酮己二酸，生成乙酰乙酰辅酶A。其11个碳原子共生成一个乙酰乙酰辅酶A，一个，4个二氧化碳和一个甲酸。
二、a-酮戊二酸途径
由精氨酸、组氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸和谷氨酸5种。
1. 精氨酸：由精氨酸酶水解成鸟氨酸和尿素，再转氨生成谷氨酸g半醛，由脱氢酶氧化成谷氨酸，转氨或脱氨形成。a-酮戊二酸。
2. 组氨酸：组氨酸分解酶脱去氨基形成尿刊酸，再水合、开环生成N-甲亚氨基谷氨酸，谷氨酸转甲亚氨酶催化转给四氢叶酸，形成谷氨酸。
3. 谷氨酰胺：可由谷氨酰胺酶水解;可将酰胺转给a-酮戊二酸，生成两个谷氨酸;也可转到a-酮戊二酸的g-羧基上，形成的g-酮谷酰胺酸可水解生成a-酮戊二酸。
4. 脯氨酸：先由脯氨酸氧化酶形成双键，再加水开环形成谷氨酸g半醛，用NAD氧化成谷氨酸。
三、琥珀酰辅酶A途径
有甲硫氨酸、异亮氨酸和缬氨酸。
1. 甲硫氨酸：与ATP生成S-腺苷甲硫氨酸，转甲基后水解，生成高半胱氨酸，在胱硫醚-b-合成酶催化下与丝氨酸合成胱硫醚，胱硫醚-g-分解酶催化脱去半胱氨酸和氨基，生成a-酮丁酸，脱羧成丙酰辅酶A，丙酰辅酶A羧化酶催化生成D-甲基丙二酰辅酶A，消旋酶生成L-型，变位生成琥珀酰辅酶A。
2. 异亮氨酸：转氨，脱羧生成a-甲基丁酰辅酶A，经b-氧化生成乙酰辅酶A和丙酰辅酶A，最后生成琥珀酰辅酶A。
3. 缬氨酸：转氨，脱羧形成异丁酰辅酶A，脱氢、水化后再水解，生成b-羟异丁酸，脱氢生成甲基丙二酸半醛，氧化为甲基丙二酰辅酶A，再变位生成琥珀酰辅酶A。
四、延胡索酸途径
苯丙氨酸和酪氨酸的部分碳链形成延胡索酸，另一部分为乙酰乙酸。
五、草酰乙酸途径
天冬酰胺酶催化生成天冬氨酸，再转氨生成草酰乙酸，进入三羧酸循环。天冬酰胺酶可控制白血病。
六、生糖氨基酸和生酮氨基酸
生成乙酰乙酰辅酶A的苯丙氨酸、酪氨酸、亮氨酸、赖氨酸和色氨酸称为生酮氨基酸;其他氨基酸称为生糖氨基酸。苯丙氨酸和酪氨酸既生糖又生酮。因为丙酮酸可生成乙酰辅酶A，再生酮，所以二者的界限并不是非常严格的。
第五节 氨基酸衍生物