綜合上述過程,可將尿素合成的總反應歸結為
CO2+NH3+3ATP+天冬氨酸+2H2O尿素+延胡索酸+2ADP+AMP+PPi+2Pi
可見這是一個消耗能量的過程,每生成1分子尿素,需水解3分子ATP中的4個高能磷酸鍵,其中2分子ATP用於氨甲酰磷酸的生成;1分子ATP用於精氨酸代琥珀酸的生成,反應中產生AMP和焦磷酸,後者可進一步水解成2分子磷酸,消耗1個高能磷酸鍵。
②尿酸的生成
家禽體內氨的去路和哺乳動物有共同之處,也有不同之處。氨在家禽體內也可以合成穀氨酰胺以及用於其他一些氨基酸和含氮物質的合成,但不能合成尿素,而是把體內大部分的氨通過合成尿酸排出體外。其過程是首先利用氨基酸提供的氨基合成嘌呤,再由嘌呤分解產生出尿酸。尿酸在水溶液中溶解度很低,以白色粉狀的尿酸鹽從尿中析出。
③穀氨酰胺的生成
在組織中穀氨酰胺合成酶的催化下,並有ATP和Mg2+參與,氨和穀氨酸結合成穀氨酰胺。通過穀氨酰胺,可以從腦、肌肉等組織向肝或腎轉運氨。穀氨酰胺沒有毒性,是體內迅速解除氨毒的一種方式,也是氨的儲藏及運輸形式。例如運至肝中的穀氨酰胺將氨釋出以合成尿素;運至腎中將氨釋出,直接隨尿排出,以及在各種組織中把氨用於合成氨基酸和嘌呤、嘧啶等含氮物質。穀氨酰胺由穀氨酰胺酶催化水解生成穀氨酸和氨。穀氨酰胺的合成與分解是分別由不同酶催化的不可逆反應。
已知當體內酸過多時,腎小管上皮細胞中穀氨酰胺酶活性增高,穀氨酰胺分解加快,氨的生成與排出增多。排出的NH3可與尿液中的H+中和生成NH+4,以降低尿中的H+濃度,使H+不斷從腎小管細胞排出,從而有利於維持動物機體的酸堿平衡。
2.α-酮酸的代謝轉變
氨基酸經脫氨基作用之後,大部分生成相應的α酮酸。這些α酮酸的具體代謝途徑雖然各不相同,但都有以下4種去路。
(1)氨基化再一次生成氨基酸
α酮酸經轉氨基作用和聯合加氨反應可生成相應的氨基酸。
(2)經糖異生合成葡萄糖
在動物體內,α酮酸可以轉變成糖和脂類。這是通過利用不同的氨基酸飼養人工誘發糖尿病的動物所得出的結論。絕大多數氨基酸可以使受試實驗動物尿中排出的葡萄糖增加,少數使尿中葡萄糖和酮體都增加,隻有亮氨酸和賴氨酸僅使尿中的酮體排出量增加。由此,把在動物體內可以轉變成葡萄糖的氨基酸稱為生糖氨基酸,有丙氨酸、半胱氨酸、甘氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、蛋氨酸、纈氨酸、精氨酸、穀氨酸、穀氨酰胺、脯氨酸和組氨酸。能轉變成酮體的稱為生酮氨基酸,有亮氨酸和賴氨酸。尿中二者都能生成的稱為生糖兼生酮氨基酸,有色氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸等芳香族氨基酸和異亮氨酸。
(3)合成脂肪
在動物體內,糖是可以轉變成脂肪的,因此生糖氨基酸也必然能轉變為脂肪。這是α酮酸的重要去路之一。
3.重要胺類物質及代謝
氨基酸在脫羧酶的作用下,脫去羧基產生CO2和相應的胺,其中產生的胺類主要有組胺、5羥色胺、多胺等物質。
(1)組胺
由組氨酸脫羧生成。組胺主要由肥大細胞產生並儲存,在乳腺、肺、肝、肌肉及胃黏膜中含量較高。組胺是一種強烈的血管舒張劑,並能增加毛細血管的通透性,可引起血壓下降和局部水腫。組胺的釋放與過敏反應症狀密切相關。組胺還具有刺激胃蛋白酶和胃酸分泌的功能。
(2)5羥色胺
色氨酸在腦中首先由色氨酸羥化酶催化生成5羥色氨酸,再經脫羧酶作用生成5羥色胺。
5羥色胺在神經組織中具有重要的功能,目前已肯定中樞神經係統有5羥色胺神經元。
5羥色胺可使大部分交感神經節前神經元興奮,而使副交感節前神經元抑製。5羥色胺具有強烈的血管收縮作用。
(3)多胺
鳥氨酸在鳥氨酸脫羧酶催化下可生成腐胺,S腺苷蛋氨酸在其脫羧酶催化下脫羧生成S腺苷3甲硫丙胺。在精脒合成酶催化下將S腺苷3甲硫丙胺的丙基轉移到腐胺分子上合成精脒,再在精胺合成酶催化下,將另一分子S腺苷3甲硫丙胺的丙基轉移到精脒分子上合成精胺。腐胺、精脒、精胺總稱為多胺。
多胺存在於精液和細胞核糖體中,是調節細胞生長的重要物質,多胺分子帶有較多正電荷,能與負電荷餓DNA和RNA結合,穩定其結構,促進核酸和蛋白質合成。在生長旺盛的組織如胚胎、再生肝、癌組織中,多胺含量升高,因此,血液或尿中多氨含量可作為腫瘤診斷的輔助指標。
九、其他重要氨基酸的代謝
氨基酸在體內除了上述的一般代謝途徑外,某些氨基酸有其特殊的代謝途徑。有些氨基酸還參與重要物質的生成,有些氨基酸與臨床有重要關係。
1.一碳基團的代謝
某些氨基酸在分解代謝過程中可以產生含有一個碳原子的基團,稱為一碳單位。
(1)一碳單位與四氫葉酸
四氫葉酸是一碳單位的運載體,實際上可以認為,四氫葉酸就是一碳單位代謝的輔酶。哺乳類動物體內,四氫葉酸可由葉酸經二氫葉酸還原酶的催化,通過兩步還原反應而生成。
一碳單位通常結合在FH4分子的N5、N10位上。
(2)一碳單位與氨基酸代謝
一碳單位主要來源於絲氨酸、甘氨酸、組氨酸、色氨酸及蛋氨酸等的代謝。
(3)一碳單位的相互轉變
各種不同形式的一碳單位中碳原子的氧化狀態不同。在適當條件下,它們可以通過氧化還原反應而彼此轉變。但是,在這些反應中,N5甲基四氫葉酸的生成基本是不可逆的。
(4)一碳單位具有重要的生理功能
①一碳單位是合成嘌呤和嘧啶的原料
在核酸生物合成中有重要作用,如N5,N10CH—FH4可直接提供甲基用於脫氧核苷酸dUMP向dTMP的轉化。N10—CHO—FH4和N5,N10—CHFH4分別參與嘌呤堿中C2,C3原子的生成。
②甲硫氨酸(SAM)提供甲基可參與體內多種物質合成
SAM提供甲基可參與體內多種物質合成,例如腎上腺素、膽堿、膽酸等。一碳單位代謝將氨基酸與核苷酸代謝及一些重要物質的生物合成聯係起來。一碳單位代謝的障礙可造成某些病理情況,如巨幼紅細胞貧血等。磺胺類藥物及某抗癌藥物(氨甲蝶呤等)正是分別通過幹擾細菌及腫瘤細胞的葉酸、四氫葉酸合成,進而影響核酸合成而發揮藥理作用的。
2.含硫氨基酸代謝
含硫氨基酸共有甲硫(蛋)氨酸、半胱氨酸和胱氨酸三種,蛋氨酸可轉變為半胱氨酸和胱氨酸,後兩者也可以互變,但後者不能變成蛋氨酸,所以蛋氨酸是必需氨基酸。
(1)甲硫氨酸的轉甲基作用
甲硫氨酸分子中含有S甲基,通過各種轉甲基作用可以生成多種含甲基的重要生理活性物質,如腎上腺素、肌酸、肉毒堿等。但是,甲硫氨酸在轉甲基之前,首先必須與ATP作用,生成S腺苷甲硫氨酸(SAM)。此反應由甲硫氨酸腺苷轉移酶催化。SAM中的甲基是高度活化的,稱活性甲基,SAM稱為活性甲硫氨酸。
活性甲硫氨酸在甲基轉移酶的作用下,可將甲基轉移至另一種物質,使其甲基化,而活性甲硫氨酸即變成S腺苷同型半胱氨酸,後者進一步脫去腺苷,生成同型半胱氨酸。
據統計,體內約有50多種物質需要SAM提供甲基,生成甲基化合物。甲基化作用是重要的代謝反應,具有廣泛的生理意義(包括DNA與RNA的甲基化),而SAM則是體內最重要的甲基直接供給體。
式中RH代表接受甲基的物質
(2)半胱氨酸和胱氨酸的代謝
半胱氨酸含巰基(—SH),胱氨酸含有二硫鍵(—S—S—),二者可通過氧化還原而互變。胱氨酸不參與蛋白質的合成,蛋白質中的胱氨酸由半胱氨酸殘基氧化脫氫而來。在蛋白質分子中兩個半胱氨酸殘基間所形成的二硫鍵對維持蛋白質分子構象起重要作用,而蛋白質分子中半胱氨酸的巰基是許多蛋白質或酶的活性基團。
半胱氨酸在體內的分解代謝主要通過兩條途徑降解為丙酮酸。一是加雙氧酶催化的直接氧化途徑,或稱半胱亞磺酸途徑;另一個是通過轉氨的3巰基丙酮酸途徑。
半胱氨酸巰基可經半胱亞磺酸途徑氧化生成硫酸。其中一部分以無機鹽形式從尿中排出,一部分經活化生成3′磷酸腺苷5′磷酸硫酸(PAPS),即活性硫酸根。
PAPS的性質活潑,在肝髒的生物轉化中有重要作用。例如類固醇激素可與PAPS結合成硫酸酯而被滅活,一些外源性酚類亦可形成硫酸酯而增加其溶解性以利於從尿中排出。此外,PAPS也可參與硫酸角質素及硫酸軟骨素等分子中硫酸化氨基多糖的合成。
(3)穀胱甘肽的生成
穀胱甘肽是由穀氨酸、半胱氨酸和甘氨酸所組成的三肽,它的生物合成不需要編碼的RNA,已證明與一個稱之為“γ穀氨酰基循環”的氨基酸轉運係統相聯係。
穀胱甘肽分子上的活性基團是半胱氨酸的巰基。它有氧化態與還原態兩種形式,由穀胱甘肽還原酶催化其互相轉變,輔酶是NADPH。
2GSH2H+2H還原型穀胱甘肽GSSG氧化型穀胱甘肽
還原型的穀胱甘肽在細胞中的濃度遠高於氧化型(約100∶1)。其主要功能是保護含有功能巰基的酶和使蛋白質不易被氧化,保持紅細胞膜的完整性,防止亞鐵血紅蛋白(可攜帶O2)氧化成高鐵血紅蛋白(不能攜帶O2),還可以結合藥物、毒物,促進它們的生物轉化,消除過氧化物和自由基對細胞的損害作用。