氨基酸的催化转化
氨基酸的代谢物
氨基酸除了构成蛋白和氧化分解之外,还可用来合成多种生物活性分子,如一碳单位、激素、神经递质等。
一碳单位(one-carbon unit)是含一个碳原子的基团,甲烷和二氧化碳例外。主要有甲基、亚甲基(甲叉基、甲烯基)、次甲基(甲川基、甲炔基)、羟甲基、亚氨甲基和甲酰基。
作为一种基团,一碳单位不能独立存在,只能连接在载体上。主要的载体是四氢叶酸(FH4),一碳单位连接在其5位和10位氮上。
除甲基外,其它一碳单位之间可以互相转化。在一碳单位转化和利用的过程中还会涉及到维生素B2、B6和B12。
一碳单位是甲基供体,与肾上腺素、肌酸、胆碱、嘌呤、嘧啶等的生物合成有关。快速增殖的细胞对此需求较高,所以对相关物质的缺乏更为敏感。比如抑制叶酸代谢可用来抗菌,人体缺乏叶酸容易贫血,孕期要补充叶酸等等。
一碳单位的主要来源是氨基酸的碳架氧化,特别是甘氨酸。甘氨酸裂解可生成亚甲基四氢叶酸;氧化脱氨生成的乙醛酸可产生次甲基四氢叶酸,乙醛酸氧化生成的甲酸可生成甲酰基四氢叶酸。
苏氨酸和丝氨酸都可转化为甘氨酸,从而产生一碳单位。丝氨酸转化时还产生亚甲基四氢叶酸。
组氨酸分解时产生亚氨甲基四氢叶酸,脱氨后产生次甲基四氢叶酸。甲硫氨酸生成的S-腺苷甲硫氨酸(SAM)可为多种反应提供甲基,产生的高半胱氨酸可从四氢叶酸接受甲基,再生甲硫氨酸,构成一个循环,称为甲硫氨酸循环。
氨基酸脱羧会形成胺类化合物,包括多种生物活性物质,比如激素、神经递质、组胺、多胺等。
酪氨酸被酪氨酸羟化酶(TH)催化,生成二羟苯丙氨酸,即多巴(dopa)。多巴脱羧酶(DDC)催化形成多巴胺(dopamine),多巴胺β-羟化酶(DBH)催化形成去甲肾上腺素,再被苯乙醇胺N-甲基转移酶(PNMT)催化,接受SAM的甲基形成肾上腺素。后三种激素统称儿茶酚胺类激素,对心血管和神经系统有重要作用。
多巴的另一个去向是氧化成多巴醌,再自发聚合形成黑色素。此途径的问题可引起白化病。
色氨酸羟化酶(TPH)催化色氨酸形成5-羟色氨酸(5-HTP),然后被DDC催化脱羧,形成5-羟色胺(5-HT)。5-羟色胺也称血清素(serotonin),是一种神经递质,与神经兴奋、小动脉和支气管平滑肌收缩、胃肠道肽类激素的释放有关。
血清素给人带来愉悦感和幸福感,缺乏则易导致焦躁、抑郁等。5-羟色胺从神经元释放后,大多数会迅速被一种再摄取机制重新转运回去。这种机制由5-羟色胺再摄取转运蛋白(SERT,SLC6A4)控制。
选择性5-羟色胺再摄取抑制剂(SSRIs)可抑制这种过程,使5-羟色胺在突触间隙中的存在时间延长,起到抗抑郁作用。但过量5-羟色胺也会导致毒性,即5-羟色胺综合症(SS),包括神经肌肉异常,自主神经过度活跃和精神状态改变。
在松果体和视网膜中,5-羟色胺被进一步乙酰化和甲基化,生成褪黑激素(melatonin)。褪黑激素合成后储存在松果体内,支配松果体的交感神经兴奋会促进其合成与释放。
交感神经分泌的去甲肾上腺素激活β-肾上腺素受体,导致cAMP水平升高,PKA磷酸化并激活芳烷基胺N-乙酰基转移酶(AA-NAT)。后者是褪黑激素合成的限速酶。
褪黑素通过抑制其他神经递质(如多巴胺和GABA)的合成和分泌发挥作用,例如促进睡眠等。褪黑激素的合成和分泌受人体内源性昼夜节律和光照控制,在白天保持较低水平,在夜晚和黑暗中增加。內源节律由下丘脑视交叉上核(SCN)的昼夜节律系统驱动,例如Clock基因的表达以大约24小时的昼夜节律振荡。光照调节则通过视网膜下丘脑束和SCN起作用(Int J Mol Sci. 2019 Jul; 20(14): 3533.)。
在老年人中,褪黑激素浓度降低,其节律的幅度也随着年龄的增长而降低,从而导致睡眠呈分散模式(Endotext [Internet]. South Dartmouth (MA): MDText.com, Inc.; 2000-.)。
褪黑激素可以调节昼夜节律,所以可用于改善睡眠、调整时差等。另外,褪黑激素也有调节个体发育、性腺功能以及能量代谢等作用,也有报道其抗氧化、抗肿瘤作用。但不要盲目使用,因为其作用与昼夜节律有关,所以不仅其剂量需要单独调整,因人而异,而且服用时间也很重要。滥用容易导致节律紊乱,甚至性腺功能异常等。
谷氨酸脱羧生成γ-氨基丁酸(GABA),是有抑制作用的神经递质。分泌GABA的神经元称为GABA能神经元。GABA是中枢神经系统的主要抑制性神经递质,与谷氨酸的兴奋作用相对。
如果抑制和兴奋之间的平衡被破坏,会导致多种问题。GABA不足可能导致过度兴奋,例如癫痫,痉挛等。所以GABA激动剂有抗癫痫作用。
氨基酸衍生物代谢(一),氨基酸的代谢物