氨基酸碳架(氨基酸的碳架氧化（二）)

通过乙酰辅酶A进入三羧酸循环的氨基酸有10个，具体又分为两组。丙氨酸、丝氨酸、苏氨酸、甘氨酸、半胱氨酸通过丙酮酸生成乙酰辅酶A，苯丙氨酸、酪氨酸、亮氨酸、赖氨酸和色氨酸通过乙酰乙酰辅酶A生成乙酰辅酶A。

属于丙酮酸途径的是5个结构简单的氨基酸，所以反应也相对简单。丙氨酸通过转氨即可生成丙酮酸。苏氨酸的主要降解途径是琥珀酰辅酶A途径，次要途径是被苏氨酸醛缩酶（threonine aldolase）裂解成甘氨酸和乙醛，乙醛可氧化成乙酸再生成乙酰辅酶A。

苏氨酸醛缩酶反应。引自BRENDA

丝氨酸可以脱水脱氨生成丙酮酸，由脱水酶催化。不过人类的丝氨酸/苏氨酸脱水酶缺乏此活性，所以主要靠丝氨酸羟甲基转移酶（SHMT）催化，转变为甘氨酸和亚甲基四氢叶酸。此反应也是甘氨酸的主要合成途径，并且是可逆的。

丝氨酸与甘氨酸的相互转化。引自themedicalbiochemistrypage

所以甘氨酸虽小，却成为一个代谢节点。它的代谢有多种方向，除转变为丝氨酸外，其降解途径也不唯一。主要途径是作为一碳单位供体，由甘氨酸裂解酶复合物（glycine cleavage complex，GCC）催化脱羧，生成亚甲基四氢叶酸和二氧化碳及氨。所以GCC也称为甘氨酸脱羧酶。

甘氨酸的裂解。引自themedicalbiochemistrypage

甘氨酸降解的次要途径是氧化脱氨生成乙醛酸，再氧化成甲酸或草酸。甘氨酸是个多能分子，可参与谷胱甘肽、肌酸、胆碱、嘌呤、卟啉的合成，还可作为抑制性神经递质。其受体GlyR是一种配体门控氯离子通道。

半胱氨酸代谢需要脱硫，具体有两种机制。一种是由半胱氨酸脱硫酶（cysteine desulfurase）催化脱硫反应，直接生成丙酮酸。此酶由NFS1基因编码，硫的受体是一些具有铁硫簇的酶。

半胱氨酸脱硫反应。引自BRENDA

另一种机制是由半胱氨酸双加氧酶（CDO）催化，氧化成半胱氨酸亚磺酸。后者是牛磺酸（Taurine，Tau）前体，牛磺酸不仅参与消化，还是重要的抗氧化剂，参与多种生理功能，从发育到细胞保护和多种疾病。

牛磺酸在骨骼肌中的作用。引自J Transl Med. 2015 Jul 25;13:243.

现在有很多能量饮料和保健品添加牛磺酸，但牛磺酸摄入并非多多益善。有研究指出，现有证据不能支持有关提高心理或身体机能的营销宣传，长期摄入高剂量可能会给青少年带来不适，比如认知能力下降，酒精损害增加等（Birth Defects Res. 2017 Dec 1; 109(20): 1640–1648.）。

半胱氨酸代谢与牛磺酸合成。引自themedicalbiochemistrypage

半胱氨酸亚磺酸过量时可以氧化分解，经转氨、脱去亚硫酸氢根形成丙酮酸。亚硫酸氢盐被亚硫酸盐氧化酶（SUOX）氧化成硫酸。硫酸可作为PAPS原料参与脑硫脂合成（见《糖鞘脂的代谢与发育过程和不对称分裂》），多余的硫酸由尿排出。

PAPS的合成。引自themedicalbiochemistrypage

通过乙酰乙酰辅酶A生成乙酰辅酶A的5个氨基酸都是分子较大的氨基酸，反应也比较复杂。苯丙氨酸由苯丙氨酸羟化酶（PAH）催化生成酪氨酸，这也是酪氨酸的合成途径，所以酪氨酸是非必需氨基酸。

苯丙氨酸羟化反应。引自themedicalbiochemistrypage

酪氨酸转氨生成4-羟苯丙酮酸，被4-羟苯基丙酮酸双加氧酶（HPD）催化脱羧，生成尿黑酸。尿黑酸本身无色，但在空气中氧化会生成类似黑色素的聚合物，导致尿液变黑，所以称为尿黑酸（alkapton或homogentisate）。

酪氨酸代谢。引自themedicalbiochemistrypage

正常人的尿黑酸被尿黑酸氧化酶（HGD）继续氧化分解，所以尿液并不会变黑。但HDG先天缺陷会导致尿液中含有尿黑酸，在空气中放置后会变黑，称为尿黑酸症（Alkaptonuria，AKU）。遗传代谢病研究之父加罗德（Archibald Garrod）首次对其进行系统研究，所以也称为加罗德综合征。

尿黑酸症病人的尿液放置24小时后变黑。引自Saudi Med J. 2015 Dec; 36(12): 1486–1489.

尿黑酸继续代谢，会氧化开环，最后裂解成延胡索酸和乙酰乙酸。延胡索酸进入三羧酸循环，乙酰乙酸进入酮体代谢，由琥珀酰辅酶A活化生成乙酰乙酰辅酶A，硫解产生两个乙酰辅酶A。

亮氨酸代谢也属于支链氨基酸代谢途径，经BCAT和BCKD催化转氨、脱羧生成异戊酰辅酶A。因为β-碳上有分支，所以无法像异亮氨酸那样通过β-氧化降解，只能进行末端羧化，最后生成羟甲基戊二酰辅酶A(HMG CoA)，裂解成乙酰乙酸和乙酰辅酶A。

支链氨基酸代谢。引自themedicalbiochemistrypage

亮氨酸可以激活mTOR途径，促进蛋白质合成。所以健身人士经常补充亮氨酸，或含支链氨基酸较多的乳清蛋白。需要注意的是，过量补充亮氨酸可能导致mTOR途径过度激活，引起胰岛素抵抗，增加糖尿病风险，也会促进阿尔茨海默氏病的发展（Biosci Rep. 2018 Aug 31; 38(4): BSR20180127.）。

亮氨酸通过激活mTOR途径促进蛋白质合成。引自Biosci Rep. 2016 Jun; 36(3): e00346.

赖氨酸代谢也不通过正常的转氨反应，而是先脱去侧链氨基，生成α-氨基己二酸半醛（AASA）。这一过程有酵母氨酸和哌可酸两条分支途径，多数组织主要通过酵母氨酸途径降解赖氨酸，但脑组织中哌可酸途径比较活跃。

酵母氨酸途径由α-氨基己二酸半醛合成酶（AASS）催化，与α-酮戊二酸缩合成酵母氨酸，随后放出谷氨酸。此过程也可看作一种两步的转氨反应，但酶的催化机制不同，也不含磷酸吡哆醛辅基。

酵母氨酸途径。引自MetaCyc

哌可酸途径先由L-赖氨酸氧化酶催化，进行氧化脱氨，产生的α-酮酸与侧链氨基环化后再开环，结果是将侧链氨基转移到α-位，生成AASA。AASA转氨生成α-酮己二酸，再脱羧生成戊二酰辅酶A，脱氢、脱羧形成巴豆酰辅酶A，最后水化、脱氢成乙酰乙酰辅酶A。

赖氨酸的另一个重要作用是合成肉碱，参与脂肪酸转运。首先是某些蛋白质中的赖氨酸被赖氨酸甲基转移酶（KMT）催化，形成三甲基赖氨酸（TML）。然后蛋白降解，放出TML，经过四步反应生成肉碱。

肉碱的合成。引自themedicalbiochemistrypage

色氨酸代谢复杂，有不同支路，生成多种活性物质。大致是先氧化开环，然后依次脱去甲醛、丙氨酸，最后经α-酮己二酸生成乙酰乙酰辅酶A。其11个碳原子共生成一个乙酰乙酰辅酶A，一个乙酰辅酶A，4个二氧化碳和一个甲酸。

色氨酸代谢途径。引自themedicalbiochemistrypage

色氨酸代谢可以产生不同的活性产物，如犬尿酸和喹啉酸等。喹啉酸是合成烟酸的前体，犬尿酸是NMDA（N-甲基-D-天冬氨酸）受体的非竞争性拮抗剂，与精神分裂症等病理生理过程有关。

氨基酸按照能否作为糖异生的前体，分为生糖氨基酸与生酮氨基酸。因为乙酰乙酰辅酶A不能异生为糖，所以此途径的苯丙氨酸、酪氨酸、亮氨酸、赖氨酸和色氨酸被称为生酮氨基酸；其他氨基酸称为生糖氨基酸。严格来说，苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸都有部分碳架可以生糖，所以称为生糖生酮氨基酸。严格生酮的氨基酸只有亮氨酸和赖氨酸。