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2020-04-01

蛋氨酸大讲堂-3 蛋氨酸在单胃动物中的代谢通路

杨宇翔 博士 

D-蛋氨酸与D,L-羟基蛋氨酸(D,L-HMTBA)都需在体内转化为L-蛋氨酸才能被动物利用来合成蛋白。上一期我们讲到了D,L-HMTBA与D,L-蛋氨酸在消化道内的水解、吸收与转运的过程,本期将介绍各种L-蛋氨酸前体物在体内是如何转化为L-蛋氨酸的。

不同蛋氨酸源的代谢通路


蛋氨酸的前体物转化为L-蛋氨酸的第一步是将其转化为一种常见的中间体——α-酮-甲硫基丁酸(KMB)。不同的蛋氨酸前体物拥有相对应的代谢酶,如D-氨基酸氧化酶(D-AAOX)可以将D-蛋氨酸转化为KMB,L-2-羟基酸氧化酶(L-HAOX)负责把L-HMTBA代谢成KMB,D-HMTBA对应的代谢酶则是D-羟基酸脱氢酶(D-HADH)。在三种前体物转化为KMB后,非特异性的转氨酶可以把一个氨基(NH3)转移到KMB上,从而形成L-蛋氨酸,随后用于合成蛋白质或其他功能。其代谢通路如下图所示:


三种不同的蛋氨酸代谢酶D-AAOX、L-HAOX和D-HADH主要存在于肝、肾、肠黏膜、肌肉等组织中,可以保证不同蛋氨酸源的完全转化。下图展示了三种代谢酶分别在体内的表达情况。可以看出,补充D,L-HMTBA可以正向调节D-HADH和L-HAOX的基因表达,改善将D,L-HMTBA代谢为KMB的效率,从而在D,L-HMTBA被吸收后立即提高L-蛋氨酸的水平和有效性。此外,该结果还印证了我们上一期提到的结论,即固体蛋氨酸主要在空肠和回肠被吸收,而液体蛋氨酸主要在十二指肠被吸收。这些结论均证实,D,L-HMTBA的代谢转化并不会限制L-蛋氨酸参与蛋白质合成的效率。



不同蛋氨酸源的代谢成本



D-蛋氨酸

D-蛋氨酸在D-AAOX的作用下氧化生成KMB,同时生成H2O2。H2O2在体内具有很强的氧化性,是体内活性氧(ROS)的一种,其可在谷胱甘肽过氧化物酶的作用下被还原,同时生成氧化型谷胱甘肽(GSSG)。而GSSG在谷胱甘肽还原酶的作用下生成还原型谷胱甘肽(GSH)需要消耗一分子的NADPH(还原性辅酶II),相当于2.5分子的ATP。与此同时,D-蛋氨酸转化为KMB过程中释放的氨基(NH3)会和谷氨酸形成谷氨酰胺(消耗1ATP),谷氨酰胺作为氨基供体在转氨酶的作用下再将氨基还给KMB,从而形成L-蛋氨酸。至此,D-蛋氨酸完成了向L-蛋氨酸的转化,一共需要消耗3.5ATP。由于D,L-蛋氨酸含有50%的D-蛋氨酸,所以D,L-蛋氨酸转化为L-蛋氨酸一共需要消耗1.75ATP。


D-HMTBA


D-HMTBA在D-HADH的作用下生成KMB,同时生成NADH(还原型辅酶I),相当于生成了2.5ATP。KMB需要其他氨基酸脱下的NH3来形成L-蛋氨酸。对于D-蛋氨酸来说,其先脱下一个NH3,再转一个NH3上去,使用的仍然是原来的NH3,只是构型发生了改变。而对于HMTBA,其利用的是体内多余的NH3,这部分NH3本来是需要形成尿素排出体外的,所以HMTBA转化为L-蛋氨酸的过程中节省了一个NH3,从而达到减排的目的。由于NH3形成尿素需要消耗2ATP,KMB每利用一分子的NH3用于合成L-蛋氨酸,就相当于节省了2ATP。所以,从D-HMTBA转化为L-蛋氨酸,反倒可以提供4.5ATP。


L-HMTBA


L-HMTBA在L-HAOX的作用下生成KMB。与D-蛋氨酸类似,L-HAOX氧化L-HMTBA的过程中也生成了H2O2,继而在谷胱甘肽过氧化物酶和谷胱甘肽还原酶的作用下,消耗2.5ATP。KMB向L-蛋氨酸的转化过程则同D-HMTBA一样,节约了一分子的NH3,即节约2ATP。所以,从L-HMTBA转化为L-蛋氨酸,需要消耗0.5ATP。由于D,L-HMTBA含有50% D-HMTBA和50% L-HMTBA,最终D,L-HMTBA转化为L-蛋氨酸可以节省2ATP。


综上所述,各种蛋氨酸前体物都可以在相应酶的作用下转化为L-蛋氨酸。各种酶的表达均受到相应蛋氨酸源的正向调控,它们的代谢转化并不会限制L-蛋氨酸参与蛋白质合成的效率。D,L-蛋氨酸转化为L-蛋氨酸需要消耗1.75ATP,而D,L-羟基蛋氨酸(液体蛋氨酸)由于不含有氨基,其转化为L-蛋氨酸可以节约2ATP。结合近两期的内容,我们可以知道D,L-HMTBA在消化、吸收和代谢上与D,L-蛋氨酸没有差异,其在代谢为L-蛋氨酸的过程中既节能又减排。下一讲我们将列举一些实验数据来证实D,L-HMTBA在实际生产中能够发挥与D,L-蛋氨酸同样的作用。


* 本文中相关的数据可能会因不同的使用环境和条件有所变化。