生物化學與分子生物學/氨基酸的脫氨基作用

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生物化學與分子生物學

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谷氨酸脫氫酶催化的氧化脫氫反應

圖7－2　谷氨酸脫氫酶催化的氧化脫氫反應

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。這是氨基酸在體內分解的主要方式。參與人體蛋白質合成的氨基酸共有20種，它們的結構不同，脫氨基的方式也不同，主要有氧化脫氨、轉氨、聯合脫氨和非氧化脫氨等，以聯合脫氨基最為重要。

(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。氧化反應通過谷氨酸Cα脫氫轉給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酶。GDP和ADP為變構激活劑，ATP和GTP為變構抑制劑。

在體內，谷氨酸脫氫酶催化可逆反應。一般情況下偏向于谷氨酸的合成(△G°′≈30kJ.mal1)，因為高濃度氨對機體有害，此反應平衡點有助于保持較低的氨濃度。但當谷氨酸濃度高而NH3濃度低時，則有利于脫氨和α酮戊二酸的生成。

(二)轉氨基作用

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

體內絕大多數氨基酸通過轉氨基作用脫氨。參與蛋白質合成的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氨基作用，其余均可由特異的轉氨酶催化參加轉氨基作用。轉氨基作用最重要的氨基受體是α酮戊二酸，產生谷氨酸作為新生成氨基酸：

進一步將谷氨酸中的氨基轉給草酰乙酸，生成α酮戊二酸和天冬氨酸：

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

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

轉氨基作用是可逆的，該反應中△G°′≈0，所以平衡常數約為1。反應的方向取絕于四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。

2.轉氨基作用機理：

轉氨基作用過程可分為兩個階段：

(1)一個氨基酸的氨基轉到酶分子上，產生相應的酮酸和氨基化酶：

(2)NH2轉給另一種酮酸，(如α酮戊二酸)生成氨基酸，并釋放出酶分子：

為傳送NH2基因，轉氨酶需其含醛基的輔酶－磷酸吡哆醛（pyridoxal－5′－phosphate，PLP)的參與。在轉氨基過程中，輔酶PLP轉變為磷酸吡哆胺(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堿而共價結合子酶分子中。

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

PLP 依賴的酶促轉氨基反應機理

圖7-3　PLP依賴的酶促轉氨基反應機理

第一階段：氨基酸轉變為酮酸

(1)氨基酸的親核性NH2基團作用于酶PLp Schiff堿C原子，通過轉亞氨基反應(transimination ortransSchiffigation)形成一種氨基酸PLp Schiff堿，同時使酶分子中賴氨酸的NH2基團復原。

(2)通過酶活性位點賴氨酸催化去除氨基酸α氫，并通過一共振穩定的中間產物在PLP第4位C原子上加質子，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-酮酸轉變為氨基酸

為完成轉氨反應循環，輔酶必需由PMP形式轉變為E-PLp-Schiff形式，此過程亦包括三步，為上述反應的逆過程。

(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堿變為氨基酸-PLP-Schiff堿。

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

轉氨基反應中，輔酶在PLP和PMP間轉換，在反應中起著氨基載體的作用，氨基在α-酮酸和α-氨基酸之間轉移。可見在轉氨基反應中并無凈NH3的生成。

3.轉氨基作用的生理意義

轉氨基作用起著十分重要的作用。通過轉氨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，勾通了機體的糖代謝、脂代謝和氨基酸代謝的互相聯系。

(三)聯合脫氨基作用

聯合脫氨基作用是體內主要的脫氨方式。主要有兩種反應途徑：

1.由L-谷氨酸脫氫酶和轉氨酶聯合催化的聯合脫氨基作用：先在轉氨酶催化下，將某種氨基酸的α-氨基轉移到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-酮戊二酸再繼續參加轉氨基作用。

L-谷氨酸脫氫酶主要分布于肝、腎、腦等組織中，而α-酮戊二酸參加的轉氨基作用普遍存在于各組織中，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，因此也可稱為聯合加氨。

2.嘌呤核苷酸循環(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合脫氨反應脫氨。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)。

一種氨基酸經過兩次轉氨作用可將α-氨基轉移至草酰乙酸生成門冬氨酸。門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)。其脫氨過程可用圖7－4表示。

腺嘌呤核苷酸循環

圖7-4　腺嘌呤核苷酸循環

目前認為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。John lowenstein證明此嘌呤核苷酸循環在肌肉組織代謝中具有重要作用。肌肉活動增加時需要三羧酸循環增強以供能。而此過程需三羧酸循環中間產物增加，肌肉組織中缺乏能催化這種補償反應的酶。肌肉組織則依賴此嘌呤核苷酸循環補充中間產物－草酰乙酸。研究表明肌肉組織中催化嘌呤核苷酸循環反應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，而且運運后常出現痛性痙攣。

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、脂代謝聯系起來，而且也把氨基酸代謝與核苷酸代謝聯系起來。

(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。