胺基酸的碳架氧化與生糖和生酮胺基酸

通過乙醯輔酶A進入三羧酸循環的胺基酸有10個，具體又分為兩組。丙氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、甘氨酸、半胱氨酸通過丙酮酸生成乙醯輔酶A，苯丙氨酸、酪氨酸、亮氨酸、賴氨酸和色氨酸通過乙醯乙醯輔酶A生成乙醯輔酶A。

屬於丙酮酸途徑的是5個結構簡單的胺基酸，所以反應也相對簡單。丙氨酸通過轉氨即可生成丙酮酸。蘇氨酸的主要降解途徑是琥珀醯輔酶A途徑，次要途徑是被蘇氨酸醛縮酶（threonine aldolase）裂解成甘氨酸和乙醛，乙醛可氧化成乙酸再生成乙醯輔酶A。

蘇氨酸醛縮酶反應。引自BRENDA

絲氨酸可以脫水脫氨生成丙酮酸，由脫水酶催化。不過人類的絲氨酸/蘇氨酸脫水酶缺乏此活性，所以主要靠絲氨酸羥甲基轉移酶（SHMT）催化，轉變為甘氨酸和亞甲基四氫葉酸。此反應也是甘氨酸的主要合成途徑，並且是可逆的。

絲氨酸與甘氨酸的相互轉化。引自themedicalbiochemistrypage

所以甘氨酸雖小，卻成為一個代謝節點。它的代謝有多種方向，除轉變為絲氨酸外，其降解途徑也不唯一。主要途徑是作為一碳單位供體，由甘氨酸裂解酶複合物（glycine cleavage complex，GCC）催化脫羧，生成亞甲基四氫葉酸和二氧化碳及氨。所以GCC也稱為甘氨酸脫羧酶。

甘氨酸的裂解。引自themedicalbiochemistrypage

甘氨酸降解的次要途徑是氧化脫氨生成乙醛酸，再氧化成甲酸或草酸。甘氨酸是個多能分子，可參與穀胱甘肽、肌酸、膽鹼、嘌呤、卟啉的合成，還可作為抑制性神經遞質。其受體GlyR是一種配體門控氯離子通道。

半胱氨酸代謝需要脫硫，具體有兩種機制。一種是由半胱氨酸脫硫酶（cysteine desulfurase）催化脫硫反應，直接生成丙氨酸。此酶由NFS1基因編碼，硫的受體是一些具有鐵硫簇的酶。

半胱氨酸脫硫反應。引自BRENDA

另一種機制是由半胱氨酸雙加氧酶（CDO）催化，氧化成半胱氨酸亞磺酸。後者是牛磺酸（Taurine，Tau）前體，牛磺酸不僅參與消化，還是重要的抗氧化劑，參與多種生理功能，從發育到細胞保護和多種疾病。

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

現在有很多能量飲料和保健品添加牛磺酸，但牛磺酸攝入並非多多益善。有研究指出，現有證據不能支持有關提高心理或身體機能的營銷宣傳，長期攝入高劑量可能會給青少年帶來不適，比如認知能力下降，酒精損害增加等（Birth Defects Res. 2017 Dec 1; 109(20): 1640–1648.）。

半胱氨酸代謝與牛磺酸合成。引自themedicalbiochemistrypage

半胱氨酸亞磺酸過量時可以氧化分解，經轉氨、脫去亞硫酸氫根形成丙酮酸。亞硫酸氫鹽被亞硫酸鹽氧化酶（SUOX）氧化成硫酸。硫酸可作為PAPS原料參與腦硫脂合成（見《糖鞘脂的代謝與發育過程和不對稱分裂》），多餘的硫酸由尿排出。

PAPS的合成。引自themedicalbiochemistrypage

通過乙醯乙醯輔酶A生成乙醯輔酶A的5個胺基酸都是分子較大的胺基酸，反應也比較複雜。苯丙氨酸由苯丙氨酸羥化酶（PAH）催化生成酪氨酸，這也是酪氨酸的合成途徑，所以酪氨酸是非必需胺基酸。

苯丙氨酸羥化反應。引自themedicalbiochemistrypage

酪氨酸轉氨生成4-羥苯丙酮酸，被4-羥苯基丙酮酸雙加氧酶（HPD）催化脫羧，生成尿黑酸。尿黑酸本身無色，但在空氣中氧化會生成類似黑色素的聚合物，導致尿液變黑，所以稱為尿黑酸（alkapton或homogentisate）。

酪氨酸代謝。引自themedicalbiochemistrypage

正常人的尿黑酸被尿黑酸氧化酶（HGD）繼續氧化分解，所以尿液並不會變黑。但HDG先天缺陷會導致尿液中含有尿黑酸，在空氣中放置後會變黑，稱為尿黑酸症（Alkaptonuria，AKU）。遺傳代謝病研究之父加羅德（Archibald Garrod）首次對其進行系統研究，所以也稱為加羅德症候群。

尿黑酸症病人的尿液放置24小時後變黑。引自Saudi Med J. 2015 Dec; 36(12): 1486–1489.

尿黑酸繼續代謝，會氧化開環，最後裂解成延胡索酸和乙醯乙酸。延胡索酸進入三羧酸循環，乙醯乙酸進入酮體代謝，由琥珀醯輔酶A活化生成乙醯乙醯輔酶A，硫解產生兩個乙醯輔酶A。

亮氨酸代謝也屬於支鏈胺基酸代謝途徑，經BCAT和BCKD催化轉氨、脫羧生成異戊醯輔酶A。因為β-碳上有分支，所以無法像異亮氨酸那樣通過β-氧化降解，只能進行末端羧化，最後生成羥甲基戊二醯輔酶A(HMG CoA)，裂解成乙醯乙酸和乙醯輔酶A。

支鏈胺基酸代謝。引自themedicalbiochemistrypage

亮氨酸可以激活mTOR途徑，促進蛋白質合成。所以健身人士經常補充亮氨酸，或含支鏈胺基酸較多的乳清蛋白。需要注意的是，過量補充亮氨酸可能導致mTOR途徑過度激活，引起胰島素抵抗，增加糖尿病風險，也會促進阿爾茨海默氏病的發展（Biosci Rep. 2018 Aug 31; 38(4): BSR20180127.）。

亮氨酸通過激活mTOR途徑促進蛋白質合成。引自Biosci Rep. 2016 Jun; 36(3): e00346.

賴氨酸代謝也不通過正常的轉氨反應，而是先脫去側鏈氨基，生成α-氨基己二酸半醛（AASA）。這一過程有酵母氨酸和哌可酸兩條分支途徑，多數組織主要通過酵母氨酸途徑降解賴氨酸，但腦組織中哌可酸途徑比較活躍。

酵母氨酸途徑由α-氨基己二酸半醛合成酶（AASS）催化，與α-酮戊二酸縮合成酵母氨酸，隨後放出穀氨酸。此過程也可看作一種兩步的轉氨反應，但酶的催化機制不同，也不含磷酸吡哆醛輔基。

酵母氨酸途徑。引自MetaCyc

哌可酸途徑先由L-賴氨酸氧化酶催化，進行氧化脫氨，產生的α-酮酸與側鏈氨基環化後再開環，結果是將側鏈氨基轉移到α-位，生成AASA。AASA轉氨生成α-酮己二酸，再脫羧生成戊二醯輔酶A，脫氫、脫羧形成巴豆醯輔酶A，最後水化、脫氫成乙醯乙醯輔酶A。

賴氨酸的另一個重要作用是合成肉鹼，參與脂肪酸轉運。首先是某些蛋白質中的賴氨酸被賴氨酸甲基轉移酶（KMT）催化，形成三甲基賴氨酸（TML）。然後蛋白降解，放出TML，經過四步反應生成肉鹼。

肉鹼的合成。引自themedicalbiochemistrypage

色氨酸代謝複雜，有不同支路，生成多種活性物質。大致是先氧化開環，然後依次脫去甲醛、丙氨酸，最後經α-酮己二酸生成乙醯乙醯輔酶A。其11個碳原子共生成一個乙醯乙醯輔酶A，一個乙醯輔酶A，4個二氧化碳和一個甲酸。

色氨酸代謝途徑。引自themedicalbiochemistrypage

色氨酸代謝可以產生不同的活性產物，如犬尿酸和喹啉酸等。喹啉酸是合成煙酸的前體，犬尿酸是NMDA（N-甲基-D-天冬氨酸）受體的非競爭性拮抗劑，與精神分裂症等病理生理過程有關。

胺基酸按照能否作為糖異生的前體，分為生糖胺基酸與生酮胺基酸。因為乙醯乙醯輔酶A不能異生為糖，所以此途徑的苯丙氨酸、酪氨酸、亮氨酸、賴氨酸和色氨酸被稱為生酮胺基酸；其他胺基酸稱為生糖胺基酸。嚴格來說，苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸都有部分碳架可以生糖，所以稱為生糖生酮胺基酸。嚴格生酮的胺基酸只有亮氨酸和賴氨酸。