干貨分享丨蛋白質氨基酸與健康
蛋白質氨基酸的分類和代謝
氨基酸是生物體蛋白質的最基本組成部分，是構成生物體蛋白質的基本單位，在生物體的生命活動中發(fā)揮不可或缺的作用，其中組成蛋白質的氨基酸共約20種。通常情況下，健康個體的氨基酸在體內的分布處于一個平衡狀態(tài)，氨基酸狀態(tài)的失衡是眾多疾病的誘因或表現(xiàn)形式。20種蛋白質氨基酸在營養(yǎng)學上可分為必需氨基酸、條件必需氨基酸和非必需氨基酸，其中8種為必需氨基酸，在結構上可根據(jù)側鏈基團R的不同分為：非極性氨基酸（疏水氨基酸）和極性氨基酸（親水氨基酸），或根據(jù)化學結構不同分為：脂肪族、芳香族、雜環(huán)族。下圖為20種氨基酸的分類（Compound Interest, 2014）
圖1：20種蛋白質氨基酸
蛋白質氨基酸除了合成各種組織蛋白外還參與體內多條代謝途徑。（王鏡巖，生物化學；Blanco et al, 2017）
1.氨基酸脫氨基作用：脫氨基方式主要有氧化脫氨基、非氧化脫氨基、轉氨基和聯(lián)合脫氨基作用，其中聯(lián)合脫氨基作用是體內最主要的脫氨基方式，氨基酸脫氨后生成α-酮酸再進一步代謝：1）氨基化生成氨基酸2）經(jīng)糖異生途徑生成葡萄糖或轉變?yōu)橹?）進入三羧酸循環(huán)氧化分解供能。
2.氨基酸的脫羧基作用：由氨基酸脫羧酶催化，如L-谷氨酸脫羧生成γ-氨基丁酸，是一種重要的神經(jīng)遞質；色氨酸經(jīng)色氨酸羥化酶再經(jīng)脫羧酶可生成5-羥色胺（色氨酸→5羥色氨酸→5-羥色胺），5-羥色胺是一種重要的神經(jīng)遞質；組氨酸脫羧生成組胺，是強烈的血管舒張劑，可促進平滑肌收縮，促進胃酸分泌。
3.一碳單位的代謝：一碳單位主要來源于絲氨酸、甘氨酸、組氨酸及色氨酸的代謝，體內重要的一碳單位有：甲基（-CH3）、甲烯基（-CH2）、甲炔基（-CH=）、甲�；�-CHO）、亞甲氨基（-CH=NH）等，一碳單位是合成嘌呤及嘧啶的原料。
4.支鏈氨基酸代謝：包括亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸，均為必需氨基酸，這三種氨基酸分別是生糖氨基酸、生酮氨基酸及生糖兼生酮氨基酸。支鏈氨基酸的分解代謝主要在骨骼肌中進行，這對肌肉蛋白質的合成與分解具有特殊重要作用。
5.芳香族氨基酸代謝：苯丙氨酸經(jīng)羥化生成酪氨酸，酪氨酸代謝生成兒茶酚胺（多巴胺、去甲腎上腺素和腎上腺素），苯丙氨酸羥化酶的遺傳性缺陷可致苯丙酮酸尿癥。
圖2：氨基酸參與的多條代謝途徑
蛋白質氨基酸與疾病
氨基酸不僅在人體內提供了合成蛋白質的重要原料，而且還參與正常代謝，對促進生長、維持健康起著重要的作用。氨基酸代謝異常與先天性代謝缺陷、營養(yǎng)缺乏、代謝紊亂等相關。
多種疾病受氨基酸的影響，氨基酸可作為生物標志物以此來了解疾病狀況。蛋白質氨基酸是某些代謝紊亂的潛在生物標志物，如新生兒遺傳代謝病、糖尿病、心血管疾病、神經(jīng)性疾病等多個方面。
圖3：氨基酸與疾病
新生兒遺傳代謝病
遺傳代謝病是造成出生缺陷、新生兒死亡的重要原因，目前臨床采用串聯(lián)質譜技術檢測新生兒氨基酸水平，篩查多種遺傳代謝病已廣泛應用于新生兒出生缺陷的防治。
苯丙酮尿癥（PKU）是由于缺乏苯丙氨酸羥化酶而引起的苯丙氨酸代謝缺陷。苯丙氨酸羥化酶直接影響苯丙氨酸Phe向酪氨酸Tyr的轉化，因此用Phe濃度的增加量除以Tyr的減少量的更適用于反映PKU，苯丙氨酸與苯丙酮尿癥之間的代謝關系如下圖（Chace and Kalas et al, 2005）。
圖4：苯丙氨酸代謝與PKU
楓糖漿尿�。∕SUD）是一種支鏈氨基酸(BCAA)分解代謝疾病，MSUD可在新生兒篩查中檢測到，患有MSUD的新生兒血漿中纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸以及l(fā)-異亮氨酸（是MSUD的特征性標志物）顯著升高。支鏈氨基酸的分解代謝與楓糖漿尿病的關系如下圖（Aliu et al, 2018）。
圖5：支鏈氨基酸分解代謝與MSUD（斜體為酶，綠色為線粒體膜）
含硫氨基酸（蛋氨酸和半胱氨酸）紊亂相關的疾病，蛋氨酸是必需氨基酸，血漿蛋氨酸升高會引起I型酪氨酸血癥、檸檬酸缺乏癥（尿素循環(huán)障礙）、高半胱氨酸尿癥和高半胱氨酸合成障礙（Aliu et al, 2018）。
圖6：含硫氨基酸代謝與多種先天性代謝疾病（CBS，胱硫氨酸-合成酶；HCY，高胱氨酸尿；MeCbl甲基鈷胺素；MAT，甲硫氨酸s -腺苷轉移酶；SAM，S-腺苷甲硫氨酸；SAH，S-腺苷高半胱氨酸；SAHH，S-腺苷高半胱氨酸水解酶；MTHFR，亞甲基四氫葉酸還原酶；THF，四氫葉酸；SUOX，亞硫酸鹽氧化酶）
娠相關疾病（妊娠糖尿病GDM、妊娠高血壓HP）
丙氨酸在丙氨酸氨基轉移酶的作用下將其氨基轉移到α-酮戊二酸上，形成丙酮酸和谷氨酸，再生的丙酮酸通過糖異生作用形成葡萄糖。丙氨酸、谷氨酸、丙酮酸的升高可表明糖異生過程的增強。氨基酸（特別是支鏈氨基酸）一直與胰島素抵抗和胰島β細胞功能紊亂有關，支鏈氨基酸參與胰島素抵抗的多種途徑，包括脂肪酸氧化、mTOR、JNK和IRS1途徑。研究表明，GDM患者的支鏈氨基酸增加，而芳香族氨基酸沒有顯著變化。（Hou,2018）。
GDM的主要生理機制是胰島素抵抗增加和胰島素分泌減少，在GDM發(fā)病前幾年便可發(fā)現(xiàn)氨基酸、有機酸等的代謝異常。研究表明HP女性中觀察到焦谷氨酸、谷氨酸、γ-氨基丁酸、甘氨酸、乳清酸、α-酮戊二酸和琥珀酸水平升高，盡管關于這些物質如何在HP的發(fā)病機制中發(fā)揮作用的研究很少，但已有研究表明它們是在由氧化應激上調的谷胱甘肽的代謝中發(fā)揮作用。GDM和HP均表現(xiàn)出葡萄糖和脂質代謝異常，可能是通過改變谷胱甘肽代謝和不飽和脂肪酸的生物合成，進而引發(fā)氧化應激（Kong et al, 2022）。
肥胖癥
必需氨基酸及其衍生物血液濃度的變化，特別是支鏈氨基酸、含硫氨基酸、酪氨酸和苯丙氨酸，被認為在臨床尚未確診2型糖尿病之前，與肥胖和胰島素抵抗有關（Adamset al, 2011）。
對某些必需氨基酸來說，胰島素作用受損、游離脂肪酸增加以及線粒體氧化還原狀態(tài)的變化，會削弱某些分解代謝途徑，進而影響支鏈氨基酸、含硫氨基酸、酪氨酸、苯丙氨酸和相關衍生物的濃度（Adamset al, 2011）。
圖7：氨基酸代謝與胰島素抵抗和2型糖尿病
長期攝入BCAA與非BCAA氨基酸比例失衡會引發(fā)食欲失調/暴食癥。BCAA與肥胖的關系：（1）肥胖和胰島素抵抗會改變BCAAs的分解代謝；（2）脂肪組織中BCAAs分解代謝障礙；（3）腸道菌群會增加BCAA水平；（4）進而引起B(yǎng)CAA積累；（5）BCAA過度激活mTORC1信號和蛋白質合成，抑制脂肪的分解；（6）骨骼肌中脂肪酸氧化受損和甘氨酸耗竭。（Cuomo et al, 2022）
圖8：支鏈氨基酸與肥胖
蛋白質氨基酸檢測分析應用不止于此，已有研究表明蛋白質氨基酸還與阿爾茲海默癥、心血管疾病等密切相關。蛋白質氨基酸在機體內發(fā)揮著舉足輕重的作用，可作為先天性代謝疾病、營養(yǎng)缺乏、代謝紊亂等相關疾病的生物標志物，如何實現(xiàn)氨基酸準確且快速的分析至關重要。
氨基酸檢測可作為健康診斷和疾病篩查的重要手段，可為疾病的提早預防、個體的營養(yǎng)代謝和健康狀況提供參考標準。因此在氨基酸研究中實現(xiàn)準確、精密、可重現(xiàn)的分析至關重要。
目前市面上常見的分析方法有高效液相色譜法、氣相色譜法、電化學法、分光光度法、毛細管電泳法等，但都存在諸多限制，如這些方法普遍存在檢出限高、定性準確度有限、結果重現(xiàn)性差等缺點。液相色譜串聯(lián)質譜法是小分子代謝物檢測的金標準，液相色譜提供了高效的分離效率，尤其是超高壓液相色譜既能滿足高效的分離要求，又能最大程度縮短檢測時間。質譜在小分子定性準確性上有絕對優(yōu)勢，加上寬達5-6個數(shù)量級的線性范圍，在實際操作過程中可以滿足臨床樣本中代謝物的動態(tài)范圍，此外，三重四級桿fmol甚至amol級別的檢出限可以實現(xiàn)某些痕量代謝物例如神經(jīng)遞質的檢測。對應方法的建立可以助力臨床上許多疾病的診斷，例如以氨基酸和肉堿方法為代表的色譜質譜試劑盒已經(jīng)應用于新生兒代謝異常的篩查。氨基酸類的小分子普遍特點是親水性強，在反相色譜上保留弱，直接檢測難以得到良好的色譜分離和較好的靈敏度。因此，衍生化通常是不錯的選擇，以5-氨基異喹啉基-N-羥基琥珀酰亞胺基氨基甲酸酯（5-AIQC）為代表的衍生化試劑，可以在堿性條件下快速的對氨基代謝物上的氨基進行特異性取代，可以達到亞飛摩爾的定量限，同時結合特異性的巰基保護方法，還能使在許多方法中難以定量的半胱氨酸實現(xiàn)準確定量。（Jin Wang et al,2017）
總結
蛋白質氨基酸作為蛋白質和多肽的組成基石，參與調控與細胞的穩(wěn)定、生長、復制和免疫相關等多個代謝路徑。體內濃度的異常會引起身體穩(wěn)態(tài)失調、影響生長發(fā)育、甚至導致死亡等。對于蛋白質氨基酸的檢測，目前液相色譜串聯(lián)質譜方法是最可靠和全面的分析工具，這些方法的開發(fā)對于科研探索和未來的臨床檢測都有很高的應用價值。
