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，氨基酸狀態的失衡是眾多疾病的誘因或表現形式。20種蛋白質氨基酸在營養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），或根據化學結構不同分為：脂肪族、芳香族、雜環族。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、轉氨基和聯合脫氨基作用，其中聯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）經糖異生途徑生成葡萄糖或轉變為脂類3）進入三羧酸循環氧化分解供能。
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，是一種重要的神經遞質；色氨酸經色氨酸羥化酶再經脫羧酶可生成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=）、甲酰基（-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
楓糖漿尿病（MSUD）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-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發病前幾年便可發現氨基酸、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的發病機制中發揮作用的研究很少，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揮作用。GDM和HP均表現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BCAA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揮著舉足輕重的作用，可作為先天性代謝疾病、營養缺乏、代謝紊亂等相關疾病的生物標志物，如何實現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、個體的營養代謝和健康狀況提供參考標準。因此在氨基酸研究中實現準確、精密、可重現的分析至關重要。
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、結果重現性差等缺點。液相色譜串聯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勢，加上寬達5-6個數量級的線性范圍，在實際操作過程中可以滿足臨床樣本中代謝物的動態范圍，此外，三重四級桿fmol甚至amol級別的檢出限可以實現某些痕量代謝物例如神經遞質的檢測。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態失調、影響生長發育、甚至導致死亡等。對于蛋白質氨基酸的檢測，目前液相色譜串聯質譜方法是最可靠和全面的分析工具，這些方法的開發對于科研探索和未來的臨床檢測都有很高的應用價值。
