氨基酸的一般代谢

动物体内的游离氨基酸来自食物蛋白质者称 “外源氨基酸”，而来自体内蛋白质的降分解代谢者称“内源氨基酸”。上述外源和内源氨基酸总是不断汇合而构成体内的游离氨基酸，或氨基酸代谢池，以供体内合成蛋白质及肽类，以及合成生理上重要的非蛋白含氮物质，例如激素、卟啉、肌酸、生物碱等，这是糖和脂肪所不能完全代替的生理功能。食物蛋白质须经消化吸收才能进入体内，这是人体氨基酸的主要来源。但是食物内动、植物蛋白质的氨基酸组成在质和量上不尽恰好符合人体需要，可能有某种氨基酸有所不足或完全缺少，就需要进行氨基酸的合成，而加以补充； 也可能有某种氨基酸在量上有多余，而体内又无长期储存的机构，于是进入分解代谢而加以处理。现将氨基酸在体内代谢的动态平衡列于图1。

图1 氨基酸代谢的动态平衡

a 实验证明构成蛋白质的20种氨基酸中，仅有11种可以在体内由其他物质生成，这些氨基酸不一定从食物中获得，就能维持人体的氮平衡或生长，所以在营养上称作“非必需氨基酸”； 而其余9种不能在人体内由别的物质合成，需要时则由食物供给，可维持人体的氮平衡或生长，在营养上称作“必需氨基酸”。现将必需和非必需氨基酸列于表1。
非必需氨基酸中实际上只有一部分是在人体内全新合成，另一部分则是由别的氨基酸转变产生。在转变过程中充作前体的氨基酸有两种情况：
❶前体氨基酸本身为非必需氨基酸，如脯氨酸及精氨酸均是依赖由谷氨酸转变而生成(见“脯氨酸及其代谢”、“精氨酸及其代谢”条);
❷前体氨基酸为必需氨基酸，如半胱氨酸及酪氨酸分别要由蛋氨酸及苯丙氨酸转变而产生(见“半胱氨酸及其代谢”和“酪氨酸及其代谢”条)，如果蛋氨酸及苯丙氨酸由食物供给不足时，则半胱氨酸及酪氨酸就不能合成。
a 首先由糖代谢提供相应的碳链结构，即α酮酸，继之通过转氨基作用生成需要的氨基酸。转氨基作用，是由转氨酶促成。大多数的转氨酶的平衡常数近于1，所以转氨反应都可逆行。转氨酶以磷酸吡哆醛为辅酶，不仅可使氨基酸脱去氨基而形成α酮酸，还可使另一α酮酸转变成氨基酸。这实际是休内合成非必需氨基酸的重要途径。

图2 氨基酸转氨酶的作用

表1 人体必需和非必需氨基酸

必需氨基酸	非必需氨基酸
苯丙氨酸 蛋氨酸 丝氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 赖氨酸 缬氨酸 色氨酸 组氨酸*	酪氨酸 半胱氨酸 天冬氨酸 天冬酰胺 谷氨酸 谷氨酰胺 丙氨酸 丝氨酸 甘氨酸 精氨酸** 脯氨酸

注： *组氨酸现在也有认为是营养上必需氨基酸：
❶至今对其在人和动物体内的合成机理仍甚少了解；
❷已在狗和大白鼠证明其属于必需氨基酸；
❸当初在人进行的限制组氨酸的营养实验的时间过短。
　**精氨酸虽然在人体内能合成，但所合成的多被分解为尿素，故需由食物提供一些，以保证儿童的正常生长。
糖代谢提供丙酮酸、草酰乙酸及α酮戊二酸分别作为丙氨酸、天门冬氨酸及谷氨酸合成的原料，而丙氨酸、天门冬氨酸及谷氨酸又可脱去氨基而转变成为相应的α酮酸，经糖异生作用，以生成糖，所以它们在代谢上都是特别活跃的氨基酸。它们的脱氨基及氨基化等作用都在谷丙转氨酶及谷草转氨酶作用下进行。
谷氨酰氨及天门冬氨酸也是构成蛋白质的氨基酸，因二者分别可在谷氨酰胺合成酶及天冬酰胺合成酶催化下合成。在合成中，除需由ATP提供能量外，前者直接需要游离NH₃，后者则间接由谷氨酰胺提供NH₃ (见“谷氨酰胺及其代谢”和“天门冬酰胺及其代谢”条)。
糖酵解还提供丝氨酸的前体3磷酸甘油酸。3磷酸甘油酸先经脱氢酶作用生成3磷酸丙酮酸，然后在转氨酶的催化下由谷氨酸获得氨基而成为3磷酸丝氨酸，再经磷酸酶脱磷酸而生成丝氨酸。
人及动物的必需氨基酸因体内不能提供相应的α酮酸所以不能进行合成。但是，如果给体内提供相应的α 酮酸，在转氨酶作用下，仍能合成必需氨基酸。例如给人或动物人工合成的苯丙酮酸、α酮异戊酸或α酮异己酸，就能相应合成苯丙氨酸、缬氨酸或亮氨酸，这样，就不必从食物蛋白质供应了。

甘氨酸是分子最小的构成蛋白质的氨基酸，既可进行全新合成，也可由其它氨基酸代谢而产生(见“甘氨酸及其代谢”条)。
氨基酸与非蛋白含氮物质的生物合成 除了一系列氨基酸本身的合成代谢外，由于不同的氨基酸既是体内主要的氮来源，又各具有特殊的碳链结构，所以导致氨基酸不仅是合成机体蛋白质及活性肽类的组分，而且是合成重要非蛋白含氮物质的前体。由甘氨酸合成嘌呤碱及卟啉(见“甘氨酸及其代谢”条)，由天门冬氨酸合成嘧啶碱(见“天门冬氨酸及其代谢”条)，由色氨酸合成尼克酸(见“色氨酸及其代谢”条)，由精氨酸、甘氨酸和蛋氨酸合成肌酸(见“精氨酸及其代谢”条)等皆是典型的实例。此外，氨基酸还能不依赖核蛋白体合成有重要生理意义的二肽及三肽，例如肌肽(β丙氨酰组氨酸)及谷胱甘肽(γ谷氨酰半胱氨酰甘氨酸)。
氨基酸分解代谢 脱氨基作用显然是氨基酸分解代谢的主要途径。但是，脱羧基作用亦可看作氨基酸分解的另一途径，产生一些生理上重要活性物质。
氨基酸脱羧作用 氨基酸的脱羧基作用是在脱羧酶催化下脱去羧基，产生CO2，生成具有生理活性的胺，如由组氨酸生成的组胺，由色氨酸生成的5羟色胺，由丝氨酸生成的乙醇胺，由鸟氨酸生成的腐胺等。
氨基酸脱氨基作用 氨基酸分解代谢，首先是脱去氨基，产生氨及相应的α酮酸，然后各自分别进入其代谢途径。氨大部分主要在肝内进行尿素循环，与CO2合成尿素，随尿液排出体外，而遗留体内的少量氨分布于血液与各组织内，可直接充作合成非蛋白含氮物质 (例如嘌呤碱，谷氨酸) 的前体，也有氨直接与谷氨酸合成谷氨酰胺(例如在肝、脑、肌肉)。
氨基酸脱去氨基后的α酮酸一般仅部分直接转变成乙酰CoA，进入三羧酸循环，彻底被氧化供能，很少部分用于合成脂酸或酮体，而主要部分则进入糖异生途径生成糖，以维持体内对葡萄糖的需要。
体内脱氨基作用是以下述方式实现的：
(1) 联合脱氨基作用：是首要的一种脱氨基作用。即先经相应的氨基酸转氨酶将该氨基酸的氨基转移到α酮戊二酸上而成为谷氨酸，然后在谷氨酸脱氢酶的作用下，脱去氨基而又成为α酮戊二酸并放出氨。氨虽然是从谷氨酸脱下，但从联合脱氨基的全过程看，其根本来源乃是过程开始时转氨基作用将氨基酸的氨基转移到α酮戊二酸上的那个氨基(见图3)。这是体内脱氨的主要途径。

图3 联合脱氨基作用

(2)嘌呤核苷酸循环： 也是脱氨基的一种方式。一定的氨基酸经转氨基作用生成谷氨酸，先经“天冬氨酸循环”再经“嘌呤核苷酸循环”最后通过腺苷酸脱氨酶(AMP脱氨酶)释放出NH₃，如以下反应式所示：其中嘌呤核苷酸循环是通过 “腺苷酸代琥珀酸合成酶”，“腺苷酸代琥珀酸酶”及“AMP脱氨酶”而实现，由于AMP脱氨酶是胞浆中的酶，特别在心及肌肉组织内活性比较高，而谷氨酸脱氢酶的活性在这些组织内最弱，所以认为嘌呤核苷酸循环是心及肌肉组织内的主要脱氨基方式。
上述两种脱氨基途径中均有转氨基作用，但是转氨基作用并不能将氨基酸的氨基脱下转变成氨，因此也许不将其看作是脱氨基的一种单独方式，更为恰当一些。
(3) 氧化脱氨基： 由D及L氨基酸氧化酶所催化。二者均为黄酶，已由肝、肾提出，其生理上的重要性尚不甚明确。L氨基酸氧化酶虽作用于大多数L氨基酸，但其活性甚弱； D氨基酸氧化酶以D氨基酸为作用物，但D氨基酸在动物体内并不存在，除非是由细菌引进者。D氨基酸氧化酶还可作用于甘氨酸、D乳酸及L脯氨酸。这样看来，D氨基酸氧化酶的特异性并不强。氨基
酸氧化酶是需氧脱氢酶，其反应如下式所示：
某些氨基酸，如丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸及天门冬氨酸，在各自的特异酶作用下，脱去氨基，可称作直接作用。

氨的代谢 氨是有毒的，其主要来源是氨基酸分解代谢的脱氨基作用及由肠道吸收进入肝脏的。氨基酸的脱氨基作用，上已述及，而吸收来的氨则是肠道中遗留的氨基酸及蛋白质，由细菌的腐败作用所产生，随消化液进入肠道的尿素也可为细菌分解成CO₂及NH₃，经门静脉而进入肝脏。不论是来自脱氨基作用的、还是从肠吸收来的氨的90～95%皆在肝内通过尿素循环与CO₂结合生成无毒的尿素，并由尿液排出体外。另外，氨也可与谷氨酸合成谷氨酰胺，还可通过联合脱氨基的逆行，以氨基化α酮酸。这样就将血氨维持在最低水平 (正常情况下人血内氨浓度低于150g/L)以解除其毒害作用。

图4 尿素循环

尿素循环 体内合成尿素的机构主要为肝，称作“尿素循环”或“鸟氨酸循环”。循环中的反应也在肾、皮肤、脑及血细胞中存在，但其在这些器官组织中的功用主要是合成精氨酸。在循环中，首先由鸟氨酸合成为瓜氨酸，然后再由瓜氨酸合成为精氨酸，最后精氨酸被肝中大量存在的精氨酸酶水解成尿素及鸟氨酸，而鸟氨酸又进入再一次循环，以合成尿素。这只是循环的简单过程，其实与其他代谢途径亦有一定相连接。尿素分子中的两个氨基，一个来自氨基酸的联合脱氨作用，而另一个则由天冬氨酸提供(图4)追根到底，皆来自氨基酸的分解代谢。
促进尿素循环中各反应的酶分布于细胞内的不同部位，氨甲酰磷酸合成酶及鸟氨酸氨甲酰转移酶分布在线粒体内，而精氨酸代琥珀酸合成酶，精氨酸代琥珀酸酶及精氨酸酶皆存在于胞浆内。从这些酶可以看出尿素循环与天门冬氨酸及氨基酸联合脱氨基作用的联系(图5)。

图5 尿素循环与天冬氨酸及联合脱氨基的关系

尿素合成是一个耗能过程，每循环一周合成一分子尿素，相应消耗3分子ATP，每日由尿液排出的尿素量是衡量体内氨基酸分解代谢的尺度，摄取的食物蛋白质越多，则每日排出的尿素量越高，体重60kg的健康成人一般情况下每日约排出25g尿素，但是高蛋白食物，可以使尿素的排出量升高到三倍，说明尿素合成的潜力很大。
谷氨酰胺的合成 氨与谷氨酸化合成谷氨酰胺，也是氨的解毒、储存及运输的一种方式。在谷氨酰胺合成酶的催化下，谷氨酰胺得以合成。当需用氨时，又可在谷氨酰胺酶的催化下，再从谷氨酰胺分离氨而加以利用。例如谷氨酰胺在肾脏即用于产生氨以中和酸。在肝脏谷氨酰胺也能直接提供氨用于合成非蛋白含氮物质，例如嘌呤及嘧啶核苷酸等。谷氨酰胺也是氨的运输形式。例如在肌肉组织内，由于不断进行支链氨基酸的分解代谢，通过嘌呤核苷酸循环产生的大量氨，以其合成为谷氨酰胺而释放于循环的血液内，给其他器官组织提供所需要的氨。另外，肌肉组织内的氨还可通过丙氨酸循环运送到肝脏，并合成为尿素而加以清除。
氨基酸碳骨架的代谢 氨基酸一般各具不同碳骨架，其结构完全相同者(如谷氨酸和谷氨酰胺，酪氨酸和苯丙氨酸)甚少，因而在分解代谢上各表现特殊的代谢。在生理意义上，主要在于糖的异生以确保体内特别是脑组织及红细胞对葡萄糖的需要，而甚少用于合成酮体或脂肪酸，此外，氨基酸的骨架结构也较少直接以乙酰CoA形式进入三羧酸循环彻底被氧化，以提供体内需要的能量。
当核素追踪法尚未使用之前，曾利用经典方法使糖尿病患者或根皮苷处理的动物 （狗） 摄入一定量食物蛋白质，然后分析从尿排出的额外葡萄糖或酮体，结果将氨基酸区分为生糖氨基酸、生酮氨基酸及生酮兼生糖氨基酸等三类(见表2)。后来用核素示踪技术研究也证实以前所得的结果是正确的。

表2 普通氨基酸碳骨架在代谢中的命运

生糖氨基酸	生酮氨基酸	生糖生酮氨基酸
甘氨酸 丙氨酸 丝氨酸 半胱氨酸 苏氨酸 天冬氨酸 天冬酰胺 谷氨酸 谷氨酰胺 蛋氨酸 脯氨酸 组氨酸 精氨酸 缬氨酸	亮氨酸	异亮氨酸 苯丙氨酸 酪氨酸 色氨酸 赖氨酸

图6 普通氨基酸碳骨架的代谢命运

普通氨基酸碳骨架的命运从图6可看出其转变的简略途径。
氨基酸的糖异生作用主要在肝及肾中进行。糖异生作用的主要途径实质上是糖酵解的逆反应，这就说明当糖异生进行旺盛时，糖酵解在这些器官中就很弱。
因为有的氨基酸碳骨架结构能全部转变成糖 （例如丙氨酸），而有的氨基酸碳骨架结构仅能部分转变成糖 （例如生糖兼生酮氨基酸），所以各种氨基酸具有不同的糖异生能力。从蛋白质的糖异生能力而论，则决定于其含有生糖氨基酸的比例，生糖氨基酸占有的比例越大，生成葡萄糖的程度越高，常测定所谓的D:N比值(D代表动物摄取蛋白质后从尿液排出的总糖量，N代表随尿液排出的含氮量)以说明蛋白质在体内代谢中产生糖的数量。经过根皮苷处理的狗及糖尿病患者在摄取肉食后测得的D:N比值分别为3.68及3.63～3.73。