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氨基酸的转氨、联合脱氨与脱酰胺作用

2019-12-19  lcy1971

转氨基作用(transamination)指氨基酸和α-酮酸之间的氨基转移作用。氨基酸的α-氨基转移到酮酸的羰基上,自身生成酮酸,原来的酮酸形成相应的氨基酸。转氨作用普遍存在,除甘氨酸、赖氨酸、苏氨酸和脯氨酸外都参与转氨,对其分解与合成均有重要作用。

催化转氨反应的酶称为转氨酶(aminotransferase或transaminase),种类很多,一般都需要谷氨酸,对另一个氨基酸要求不严格,以活力最大的命名。转氨反应是可逆的,由浓度控制。

转氨反应。引自themedicalbiochemistrypage

最重要的氨基转移酶有两种,天冬氨酸氨基转移酶(aspartate aminotransferase,AST)和丙氨酸氨基转移酶(alanine aminotransferase,ALT)。AST以前称为谷氨酸:草酰乙酸转氨酶(谷草转氨酶,GOT),ALT以前称为谷氨酸:丙酮酸转氨酶(谷丙转氨酶,GPT)。

AST有AST1和AST2两种同工酶,前者位于细胞质,后者在线粒体。ALT是胞质酶,也有两种同工酶,ALT1和ALT2。它们广泛分布在人体组织中,在肝、心肌、骨骼肌和肾脏中特别活跃。肝细胞损伤时二者被释放到血液中,所以临床上经常用这两种酶的血清活性作为评估肝损伤的指标。

转氨酶都含磷酸吡哆醛辅基,催化机制为乒乓机制,由两个半反应组成。以AST为例,首先是酶的磷酸吡哆醛(PLP)辅基与L-Asp反应生成磷酸吡哆胺(PMP)和草酰乙酸。然后酶-PMP再与α-酮戊二酸发生逆向的另一个半反应,即可再生酶-PLP并放出L-Glu。半反应的具体机制如图。

AST的天冬氨酸半反应机制。引自Arch Biochem Biophys. 2014

转氨酶在氨基酸代谢中很重要,通常既是氨基酸分解代谢的起始步骤,也是合成代谢的最终一步。而多数氨基酸的脱氨也主要是依靠转氨反应构成的联合脱氨实现的。

联合脱氨是指脱氨与转氨联合,主要有两种方式。一种是先转氨生成谷氨酸,再由谷氨酸脱氢酶脱去氨基。这种方式普遍存在。

谷氨酸脱氢酶参与的联合脱氨。引自百度图片

另一种称为腺苷酸循环,是将氨基通过谷氨酸转到天冬氨酸,后者与次黄嘌呤核苷一磷酸(IMP)生成腺苷酸代琥珀酸,再裂解成腺苷酸和延胡索酸。腺苷酸水解放出氨,同时IMP得到再生;延胡索酸则通过水化、氧化再生草酰乙酸。这个过程还与嘌呤核苷酸代谢相关。

腺苷酸循环。引自百度图片

此途径主要存在于肌肉和脑。有报道先天性腺苷琥珀酸裂合酶(ADSL)缺乏可导致进行性神经退行性病变,包括新生儿癫痫和进行性脑萎缩等(J Magn Reson Imaging. 2013)。

谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶可催化脱酰胺作用,生成相应的氨基酸。这两个酶都与肿瘤有关。大多数细胞可以自己合成生长所需的天冬酰胺,但白血病细胞需要从血浆中获得外源天冬酰胺。所以使用天冬酰胺酶将血清天冬酰胺水解为天冬氨酸,可以剥夺肿瘤细胞快速生长所必需的天冬酰胺。

谷氨酰胺酶与肿瘤的关系更加密切。因为谷氨酰胺是常用的氨基供体,参与多种生物合成过程,参与核酸合成、蛋白质糖基化、氧化还原调节、表观遗传调控等。同时谷氨酰胺也是重要信号分子,调控多种信号通路和重要分子,如PI3K、PKB/ AKT、KRAS、mTOR、Myc、HIFs、PKM2和类固醇受体结合蛋白等。例如,Gln过剩是诱导肿瘤增殖的信号,已证明高水平的Gln可促进mTOR蛋白活性。

谷氨酰胺调节肿瘤生长。引自Semin Cell Dev Biol. 2020

在快速分裂的细胞中,例如小肠肠上皮细胞、淋巴细胞,尤其是癌细胞中,谷氨酰胺被迅速消耗并用于产生能量,并作为合成生物质的碳和氮的来源。血浆中维持的高水平谷氨酰胺提供了容易获得的碳和氮源,可以支持癌细胞的代谢需求。所以大多数癌细胞对这种必需氮底物具有强烈的依赖性。

谷氨酰胺酶控制着谷氨酰胺的代谢,是谷氨酰胺利用的第一步,其表达与肿瘤的恶性相关。人类表达两种类型的谷氨酰胺酶同工酶,GLS和GLS2。有趣的是,这两种同工酶在肿瘤的生长和扩散中起着截然相反的作用:GLS具有致癌性,而GLS2却是肿瘤抑制因子。尽管机理并不十分清楚,但很多研究表明,GLS的表达与肿瘤增殖率相关,而GLS2的表达与分化和静止的细胞状态有关(Semin Cell Dev Biol. 2020)。一些相关研究进程如下图所示。

谷氨酰胺酶研究时间表。引自Semin Cell Dev Biol. 2020

此外,谷氨酰胺酶与谷氨酸脱氢酶等共同调控谷氨酸浓度,维持细胞的氮稳态。这对神经系统尤其重要,因为谷氨酸是重要神经递质,与大脑功能密切相关。

谷氨酸与大脑氮稳态。引自Biomolecules. 2016

参考文献:

  1. Michael D Toney. Aspartate aminotransferase: an old dog teaches new tricks. Arch Biochem Biophys. 2014 Feb 15;544:119-27.

  2. Maria Zulfiqar, et al. Novel proton MR spectroscopy findings in adenylosuccinate lyase deficiency. J Magn Reson Imaging. 2013 Apr;37(4):974-80.

  3. José M Matés, et al. Therapeutic targeting of glutaminolysis as an essential strategy to combat cancer.
    Semin Cell Dev Biol. 2020 Feb;98:34-43.

  4. Arthur J L Cooper, et al. Central Role of Glutamate Metabolism in the Maintenance of Nitrogen Homeostasis in Normal and Hyperammonemic Brain. Biomolecules. 2016 Mar 26;6(2):16.

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