(1)氧化脫氨基作用
氧化脫氨基作用是指α氨基酸在酶的催化下,脫去氨基生成α酮酸和氨,同時伴有脫氫氧化的過程。催化氨基酸氧化脫氨基的酶主要有:L氨基酸氧化酶、D氨基酸氧化酶(輔酶是FMN或FAD)及L穀氨酸脫氫酶(輔酶是NAD+或NADP+)等。L氨基酸氧化酶在體內分布不廣,活性不高,D氨基酸氧化酶在體內雖普遍存在,但量極少。因此,這兩種酶在氨基酸分解代謝中的作用不大。L穀氨酸脫氫酶在肝、腎、腦等組織中普遍存在,活性也較強,但隻能催化L穀氨酸氧化脫氨基作用,生成α酮戊二酸和氨。穀氨酸在線粒體中由穀氨酸脫氫酶催化氧化脫氨基。
在體內,穀氨酸脫氫酶催化可逆反應。一般情況下偏向於穀氨酸的合成,因為高濃度氨對機體有害,此反應平衡點有助於保持較低的氨濃度。但當穀氨酸濃度高而NH3濃度低時,則有利於脫氨和α酮戊二酸的生成。穀氨酸脫氫酶是一種變構酶,由6個相同的亞基聚合而成,每個亞基的相對分子質量為56000。已知GDP和ADP為此酶的變構激活劑,ATP和GTP為變構抑製劑。因此當體內ATP和GTP不足時穀氨酸加快氧化脫氨基,這對於氨基酸氧化供能起著重要的調節作用。
(2)轉氨基作用
轉氨基作用是指在轉氨酶催化下將一個α氨基酸的氨基轉移到另一個α酮酸的酮基位置上,生成相應的α酮酸和另一個新的α氨基酸的過程。
體內絕大多數氨基酸通過轉氨基作用外脫氨基。參與蛋白質合成的20種α氨基酸中,除甘氨酸、賴氨酸、脯氨酸和羥脯氨酸不參加轉氨基作用外,其餘均可由特異的轉氨酶催化參加轉氨基作用。轉氨基作用的α酮酸主要有α酮戊二酸、草酰乙酸和丙酮酸,其中最重要的氨基受體是α酮戊二酸,產生穀氨酸作為新生成的氨基酸。其通式如下:
CHNH2COOHRα氨基酸+COCOOH(CH2)2COOHα酮戊二酸轉氨酶COCOOHRα酮酸+CHNH2COOH(CH2)2COOH穀氨酸
動物體內參與轉氨基作用的轉氨酶有多種,但以催化L穀氨酸與α酮酸的轉氨酶最為重要。例如穀草轉氨酶(GOT)和穀丙轉氨酶(GPT)。它們分別催化以下反應:
α酮戊二酸+天冬氨酸GOT穀氨酸+草酰乙酸
α酮戊二酸+丙氨酸GTP穀氨酸+丙酮酸
轉氨基作用是可逆的,反應的方向取決於4種反應物的相對濃度。因而,轉氨基作用也是體內某些氨基酸(非必需氨基酸)合成的重要途徑。在正常情況下,轉氨酶主要分布在細胞內,血清中的活性很低,在各種組織中又以心髒和肝髒的活性最高。當某種原因造成細胞膜通透性增高,或因組織壞死,細胞破裂後可有大量轉氨酶釋放入血,引起血中轉氨酶活性增高。例如,急性肝炎時血清中的GPT活性明顯升高;心肌梗死時血清中GOT活性明顯升高。此種檢查在臨床上可作為協助疾病診斷和預後判斷的指標之一。轉氨酶的輔酶是磷酸吡哆醛。
轉氨基起著十分重要的作用。通過轉氨基作用可以調節體內非必需氨基酸的種類和數量,以滿足體內蛋白質合成時對非必需氨基酸的需求。轉氨基作用還是聯合脫氨基作用的重要組成部分,從而加速了體內氨的轉變和運輸,溝通了機體的糖代謝、脂代謝和氨基酸代謝的相互聯係。
(3)聯合脫氨基作用
聯合脫氨基作用是體內主要的脫氨方式。所謂聯合脫氨基作用是指:α氨基酸首先與α酮戊二酸在轉氨酶的催化下生成α酮酸和穀氨酸,然後穀氨酸再經L穀氨酸脫氫酶作用脫去氨基而生成α酮戊二酸和氨。至此完成了α氨基酸脫去氨基生成了α酮酸和氨的過程。由轉氨酶和L穀氨酸脫氫酶聯合起來催化,所以稱為聯合脫氨基作用。聯合脫氨基作用主要有兩種反應途徑。
聯合脫氨基作用L穀氨酸脫氫酶主要分布於肝、腎、腦等組織中,而α酮戊二酸參加的轉氨基作用普遍存在於各組織中,所以此種聯合脫氨主要在肝、腎、腦等組織中進行。聯合脫氨反應是可逆的,因此也可稱為聯合脫氨基作用。
骨骼肌和心肌組織中L穀氨酸脫氫酶的活性很低,因而不能通過上述形式的聯合脫氨基反應脫氨。但骨骼肌和心肌中含豐富的腺苷酸脫氨酶,能催化腺苷酸加水、脫氨生成次黃嘌呤核苷酸(IMP)。
一種氨基酸經過兩次轉氨作用可將α氨基轉移至草酰乙酸生成天冬氨酸。天冬氨酸又可將此氨基轉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)。
目前,認為腺嘌呤核苷酸循環是骨骼肌和心肌中氨基酸脫氨的主要方式。這種形式的聯合脫氨是不可逆的,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、脂代謝聯係起來,而且也把氨基酸代謝與核苷酸代謝聯係起來。
2.脫羧基作用
氨基酸在脫羧酶的催化下,脫去羧基產生CO2和相應的胺。這一過程稱為氨基酸的脫羧基作用。在畜禽體內隻有很少量的氨基酸首先通過脫羧基作用進行代謝,因此氨基酸的脫羧基作用在其分解代謝中不是主要的途徑。
各種氨基酸的脫羧基作用在其各自特異的脫羧酶催化下進行,在肝、腎、腦和腸的細胞中都有這類酶。磷酸吡哆醛是各種氨基酸脫羧酶的輔酶。氨基酸脫羧作用的一般反應如下:
CCOOHRHNH2氨基酸氨基酸脫羧酶磷酸吡哆醛RCH2NH2+CO2胺
經脫羧基作用產生的胺一部分可生成一些具有重要生理活性的胺類物質,而蛋白質在腸道的腐敗作用下會產生一些毒性胺類物質。體內胺積蓄過多,會引起神經係統及心腦血管係統的功能紊亂。機體廣泛地存在有胺氧化酶,可以使胺相繼氧化成醛和氨,醛再進一步氧化成酸,最後徹底分解成CO2和H2O。
RCH2NH2胺+O2+H2O胺氧化酶RCHO+H2O2+NH3醛R—CHO醛+12O2醛氧化酶R—COOH酸
八、氨基酸分解產物的代謝
1.氨的代謝轉變
(1)氨的來源
在畜禽體內氨的主要來源是氨基酸的脫氨基作用,此外嘌呤、嘧啶的分解也生成氨。在肌肉和中樞神經組織中,有相當量的氨是腺苷酸脫氨產生的;另外還有從消化道吸收的一些氨,其中有的是在消化道細菌作用下,由未被吸收的氨基酸脫氨基作用產生的;有的來源於飼料,如氨化秸稈和尿素(可被消化道中細菌脲酶分解後釋放出氨)。尤其在腸道pH偏大時,氨的吸收加強。
(2)氨的去路
機體代謝產生的氨和消化道中吸收來的氨進入血液,形成血氨。低水平血氨對動物是有用的物質,它可以通過脫氨基過程的逆反應與α酮酸再形成氨基酸,還參與嘌呤、嘧啶等重要含氮化合物的合成。但氨又具有毒性。腦組織對氨尤為敏感,血氨的升高,可能引起腦功能紊亂。有實驗證明,當兔的血氨達到5mg/100mL血液時,即會引起中毒死亡。因此,動物體內過多的氨必須及時清除,才能保證動物的健康。氨可以在動物體內形成無毒的穀氨酰胺,它既是合成蛋白質所需的氨基酸,又是體內運輸氨和儲存氨的方式。氨也可以直接排出或通過轉變成尿酸、尿素排出體外。比較發育生理學研究指出,動物以何種方式清除有毒性的氨與其係統發育過程中胚胎環境中水的豐富程度有關。例如,淡水魚和海洋脊椎動物可直接把氨排入環境的水中,使之很快稀釋;而卵生爬行動物和禽類胚胎環境中的水受到嚴格限製,因此形成難溶於水的尿酸作為排氨的方式(從禽類排泄物中可見到白色粉狀尿酸沉澱物);哺乳動物胚胎與母體相連,於是把氨轉變成可溶性的無毒的尿素作為排氨的主要方式。
①尿素的生成
在哺乳動物體內氨的主要去路是合成尿素排出體外。實驗證明,切除了肝髒的狗,其血液和尿中的尿素顯著減少,而血氨增高;如果將狗的腎切除但保留肝髒,發現血液中的尿素濃度明顯升高但不能排出;而如果將狗的肝和腎都切除,則其血液中隻有低水平的尿素而血氨顯著增加。可見,肝髒是哺乳動物合成尿素的主要器官。其他組織,如腎、腦等合成尿素的能力都很弱。氨轉變為尿素是一個循環反應過程。早在1932年,H.Krebs和K.Henseleit首次提出了鳥氨酸循環學說。鳥氨酸循環又稱尿素循環。這是除了三羧酸循環以外,Krebs等人對生物化學發展所作出的又一重大貢獻。
現將尿素生成的循環反應過程敘述如下:
a.氨甲酰磷酸的生成
氨、二氧化碳和ATP及N乙酰穀氨酸(AGA)存在的情況下,在氨甲酰磷酸合成酶的催化下,在肝細胞線粒體中合成氨甲酰磷酸。
b.瓜氨酸的生成
在鳥氨酸氨甲酰基轉移酶的催化下,氨甲酰基磷酸與鳥氨酸反應生成瓜氨酸。
鳥氨酸氨甲酰基轉移酶存在於線粒體中,通常與CPSⅠ形成酶的複合物催化氨甲酰基磷酸轉甲酰基給鳥氨酸生成瓜氨酸。此反應在線粒體內進行。
c.精氨酸代琥珀酸的合成
瓜氨酸穿過線粒體膜進入胞液中,在胞液中由精氨酸代琥珀酸合成酶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氮原子。此反應由ATP供能(消耗2個高能磷酸鍵)及Mg2+的參與,反應如下:
d.精氨酸的生成
精氨酸代琥珀酸裂解酶催化精氨酸代琥珀酸裂解成精氨酸和延胡索酸。
從上麵的兩步反應可見,天冬氨酸起到了氨基供體的作用。天冬氨酸可由草酰乙酸與穀氨酸經轉氨基作用生成,而穀氨酸又可通過其他的各種氨基酸把氨基轉移給α酮戊二酸生成。因此其他各種氨基酸脫下的氨基可以通過天冬氨酸用於合成尿素。上述反應的另一個產物延胡索酸可以經過三羧酸循環的中間步驟轉變成草酰乙酸,後者再可與穀氨酸進行轉氨基反應,重新生成天冬氨酸。由此尿素循環和三羧酸循環的有關反應可以密切聯係在一起。e.尿素的生成
精氨酸水解生成尿素和鳥氨酸。催化這個水解反應的精氨酸酶存在於哺乳動物體內,尤其在肝髒有很高的活性。尿素是無毒的,可以經過血液送至腎髒,再隨尿排出體外,鳥氨酸則可再進入線粒體與氨甲酰磷酸反應合成瓜氨酸,重複上述循環過程。