生物化學(xué)與分子生物學(xué)/氨基酸的脫氨基作用

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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

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圖7－2　谷氨酸脫氫酶催化的氧化脫氫反應(yīng)

脫氨基作用是指氨基酸在酶的催化下脫去氨基生成α酮酸的過程。這是氨基酸在體內(nèi)分解的主要方式。參與人體蛋白質(zhì)合成的氨基酸共有20種，它們的結(jié)構(gòu)不同，脫氨基的方式也不同，主要有氧化脫氨、轉(zhuǎn)氨、聯(lián)合脫氨和非氧化脫氨等，以聯(lián)合脫氨基最為重要。

(一)氧化脫氨基作用(Oxidative Deamination)

氧化脫氨基作用是指在酶的催化下氨基酸在氧化脫氫的同時(shí)脫去氨基的過程。

不需氧脫氫酶催化的氧化脫氨基作用

谷氨酸在線粒體中由谷氨酸脫氫酶(glutamatedehydrogonase)催化氧化脫氨。谷氨酸脫氫酶系不需氧脫氫酶，以NAD+或NADP+作為輔酶。氧化反應(yīng)通過谷氨酸Cα脫氫轉(zhuǎn)給NAD(P)+形成α亞氨基戊二酸，再水解生成α酮戊二酸和氨(圖7－2)。

谷氨酸脫氫酶為變構(gòu)酶。GDP和ADP為變構(gòu)激活劑，ATP和GTP為變構(gòu)抑制劑。

在體內(nèi)，谷氨酸脫氫酶催化可逆反應(yīng)。一般情況下偏向于谷氨酸的合成(△G°′≈30kJ.mal1)，因?yàn)楦邼舛劝睂C(jī)體有害，此反應(yīng)平衡點(diǎn)有助于保持較低的氨濃度。但當(dāng)谷氨酸濃度高而NH3濃度低時(shí)，則有利于脫氨和α酮戊二酸的生成。

(二)轉(zhuǎn)氨基作用

轉(zhuǎn)氨基作用(Transamination)指在轉(zhuǎn)氨酶催化下將α-氨基酸的氨基轉(zhuǎn)給另一個α-是酮酸，生成相應(yīng)的α酮酸和一種新的α-氨基酸的過程。

體內(nèi)絕大多數(shù)氨基酸通過轉(zhuǎn)氨基作用脫氨。參與蛋白質(zhì)合成的20種α-氨基酸中，除甘氨酸、賴氨酸、蘇氨酸和脯氨酸不參加轉(zhuǎn)氨基作用，其余均可由特異的轉(zhuǎn)氨酶催化參加轉(zhuǎn)氨基作用。轉(zhuǎn)氨基作用最重要的氨基受體是α酮戊二酸，產(chǎn)生谷氨酸作為新生成氨基酸：

進(jìn)一步將谷氨酸中的氨基轉(zhuǎn)給草酰乙酸，生成α酮戊二酸和天冬氨酸：

或轉(zhuǎn)給丙酮酸。生成α酮戊二酸和丙氨酸，通過第二次轉(zhuǎn)氨反應(yīng)，再生出α酮戊二酸。

因而體內(nèi)有較強(qiáng)的谷草轉(zhuǎn)氨酸(glutamicpyruvic transaminase,GPT)和谷丙轉(zhuǎn)氨酸(glutamic oxaloacetictrans aminase，GOT)活性。

轉(zhuǎn)氨基作用是可逆的，該反應(yīng)中△G°′≈0，所以平衡常數(shù)約為1。反應(yīng)的方向取絕于四種反應(yīng)物的相對濃度。因而，轉(zhuǎn)氨基作用也是體內(nèi)某些氨基酸(非必需氨基酸)合成的重要途徑。

2.轉(zhuǎn)氨基作用機(jī)理：

轉(zhuǎn)氨基作用過程可分為兩個階段：

(1)一個氨基酸的氨基轉(zhuǎn)到酶分子上，產(chǎn)生相應(yīng)的酮酸和氨基化酶：

(2)NH2轉(zhuǎn)給另一種酮酸，(如α酮戊二酸)生成氨基酸，并釋放出酶分子：

為傳送NH2基因，轉(zhuǎn)氨酶需其含醛基的輔酶－磷酸吡哆醛（pyridoxal－5′－phosphate，PLP)的參與。在轉(zhuǎn)氨基過程中，輔酶PLP轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="/w/%E7%A3%B7%E9%85%B8" title="磷酸">磷酸吡哆胺(pyridoxamine5′phosphate,PMP)。PLP通過其醛基與酶分子中賴氨酸ω氨基縮合形成Schiff堿而共價(jià)結(jié)合子酶分子中。

Esmond Snell,Alexande Branstein和David Metgler等揭示轉(zhuǎn)氨作用是一種兵乓機(jī)制，二階段各分步進(jìn)行(圖7-3)。

圖7-3　PLP依賴的酶促轉(zhuǎn)氨基反應(yīng)機(jī)理

第一階段：氨基酸轉(zhuǎn)變?yōu)橥?/p>

(1)氨基酸的親核性NH2基團(tuán)作用于酶PLp Schiff堿C原子，通過轉(zhuǎn)亞氨基反應(yīng)(transimination ortransSchiffigation)形成一種氨基酸PLp Schiff堿，同時(shí)使酶分子中賴氨酸的NH2基團(tuán)復(fù)原。

(2)通過酶活性位點(diǎn)賴氨酸催化去除氨基酸α氫，并通過一共振穩(wěn)定的中間產(chǎn)物在PLP第4位C原子上加質(zhì)子，將氨基酸桺Lp Schiff堿分子重排為一個α酮酸PMP schiff堿。

(3)水解生成PMP和α-酮酸。

第二階段：α-酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)榘被?/p>

為完成轉(zhuǎn)氨反應(yīng)循環(huán)，輔酶必需由PMP形式轉(zhuǎn)變?yōu)镋-PLp-Schiff形式，此過程亦包括三步，為上述反應(yīng)的逆過程。

(1)PMP與一個α-酮酸作用形成α-酮酸-Schiff堿。

(2)分子重排，α-酮酸-PMp-Schiff堿變?yōu)榘被?PLP-Schiff堿。

(3)酶活性位點(diǎn)賴氨酸ω-NH2基團(tuán)攻擊氨基酸-PLp-Schiff堿，通過轉(zhuǎn)亞氨基生成有活性的酶-PLP Schiff堿，并釋放出形成的新氨基酸。

轉(zhuǎn)氨基反應(yīng)中，輔酶在PLP和PMP間轉(zhuǎn)換，在反應(yīng)中起著氨基載體的作用，氨基在α-酮酸和α-氨基酸之間轉(zhuǎn)移?？梢娫谵D(zhuǎn)氨基反應(yīng)中并無凈NH3的生成。

3.轉(zhuǎn)氨基作用的生理意義

轉(zhuǎn)氨基作用起著十分重要的作用。通過轉(zhuǎn)氨作用可以調(diào)節(jié)體內(nèi)非必需氨基酸的種類和數(shù)量，以滿足體內(nèi)蛋白質(zhì)合成時(shí)對非必需氨基酸的需求。

轉(zhuǎn)氨基作用還是聯(lián)合脫氨基作用的重要組成部分，從而加速了體內(nèi)氨的轉(zhuǎn)變和運(yùn)輸，勾通了機(jī)體的糖代謝、脂代謝和氨基酸代謝的互相聯(lián)系。

(三)聯(lián)合脫氨基作用

聯(lián)合脫氨基作用是體內(nèi)主要的脫氨方式。主要有兩種反應(yīng)途徑：

1.由L-谷氨酸脫氫酶和轉(zhuǎn)氨酶聯(lián)合催化的聯(lián)合脫氨基作用：先在轉(zhuǎn)氨酶催化下，將某種氨基酸的α-氨基轉(zhuǎn)移到α-酮戊二酸上生成谷氨酸，然后，在L-谷氨酸脫氫酶作用下將谷氨酸氧化脫氨生成α-酮戊二酸，而α-酮戊二酸再繼續(xù)參加轉(zhuǎn)氨基作用。

L-谷氨酸脫氫酶主要分布于肝、腎、腦等組織中，而α-酮戊二酸參加的轉(zhuǎn)氨基作用普遍存在于各組織中，所以此種聯(lián)合脫氨主要在肝、腎、腦等組織中進(jìn)行。聯(lián)合脫氨反應(yīng)是可逆的，因此也可稱為聯(lián)合加氨。

2.嘌呤核苷酸循環(huán)(purine nucleotide cycle)：骨骼肌和心肌組織中L谷氨酸脫氫酶的活性很低，因而不能通過上述形式的聯(lián)合脫氨反應(yīng)脫氨。但骨骼肌和心肌中含豐富的腺苷酸脫氨酶(adenylatedeaminase)，能催化腺苷酸加水、脫氨生成次黃嘌呤核苷酸(IMP)。

一種氨基酸經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)氨作用可將α-氨基轉(zhuǎn)移至草酰乙酸生成門冬氨酸。門冬氨酸又可將此氨基轉(zhuǎn)移到次黃嘌呤核苷酸上生成腺嘌呤核苷酸(通過中間化合物腺苷酸代琥珀酸)。其脫氨過程可用圖7－4表示。

圖7-4　腺嘌呤核苷酸循環(huán)

目前認(rèn)為嘌呤核苷酸循環(huán)是骨骼肌和心肌中氨基酸脫氨的主要方式。John lowenstein證明此嘌呤核苷酸循環(huán)在肌肉組織代謝中具有重要作用。肌肉活動增加時(shí)需要三羧酸循環(huán)增強(qiáng)以供能。而此過程需三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物增加，肌肉組織中缺乏能催化這種補(bǔ)償反應(yīng)的酶。肌肉組織則依賴此嘌呤核苷酸循環(huán)補(bǔ)充中間產(chǎn)物－草酰乙酸。研究表明肌肉組織中催化嘌呤核苷酸循環(huán)反應(yīng)的三種酶的活性均比其它組織中高幾倍。AMP脫氨酶遺傳缺陷患者（肌腺嘌呤脫氨酶缺乏癥）易疲勞，而且運(yùn)運(yùn)后常出現(xiàn)痛性痙攣。

這種形式的聯(lián)合脫氨是不可逆的，因而不能通過其逆過程合成非必需氨基酸。這一代謝途徑不僅把氨基酸代謝與糖代謝、脂代謝聯(lián)系起來，而且也把氨基酸代謝與核苷酸代謝聯(lián)系起來。

(四)非氧化脫氨基作用(nonoxidativedeamination)

某些氨基酸還可以通過非氧化脫氨基作用將氨基脫掉。

1.脫水脫氨基　如絲氨酸可在絲氨酸脫水酶的催化下生成氨和丙酮酸。

蘇氨酸在蘇氨酸脫水酶的作用下，生成α-酮丁酸，再經(jīng)丙酰輔酶A，琥珀酰AoC參加代謝，如下圖所示。

這是蘇氨酸在體內(nèi)分解的途徑之一。

2.脫硫化氫脫氨基　半胱氨酸可在脫硫化氫酶的催化下生成丙酮酸和氨。

3.直接脫氨基　天冬氨酸可在天冬氨酸酶作用下直接脫氨生成延胡索酸和氨。

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