第二节　蛋白质

蛋白质（protein）是生命活动的最主要的载体，更是功能执行者。因此，蛋白质是生物体内最重要的生物大分子之一。生命体结构越复杂，其蛋白质种类和功能也越繁多。具有复杂空间结构的蛋白质，不仅是生物体的重要结构物质之一，而且承担着各种生物学功能，是生物体的重要组成成分和生命活动的基本物质基础，也是生物体含量最丰富的生物大分子（biomacromolecule）。蛋白质元素组成相似，主要有碳、氢、氧、氮和硫。有些蛋白质还含有少量磷或者金属元素等。各种蛋白质含氮量很接近，平均16%。可以通过测定生物样品的含氮量推算蛋白质大致含量。

一、蛋白质的定义

人体内所有蛋白质都是以20种氨基酸（amino acid，AA）为原料合成的多聚体，因此氨基酸是组成蛋白质的基本单位。蛋白质是由许多氨基酸残基组成、折叠成特定的空间结构、并具有特定生物学功能的多肽。一般而言，由10个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽（oligopeptide），50个氨基酸残基以下称为多肽（polypeptide），而把氨基酸残基数50个以上的多肽称为蛋白质。

二、氨基酸的定义及分类

氨基酸是指含有氨基的羧基，是组成蛋白质的基本单位，由蛋白质受酸、碱或蛋白酶作用水解后得到。构成蛋白质的20种氨基酸其结构有一个共同点，即在链接羧基的α碳原子上还有1个氨基，故称为α-氨基酸。

（一）必需氨基酸与非必需氨基酸

氨基酸可以分为必需氨基酸（essential amino acids，EAA）和非必需氨基酸（nonessential amino acids，NEAA）两类。EAA是指体内需要而又不能自身合成，必须由食物供应的氨基酸。20种氨基酸中共有8种EAA，这8种氨基酸为：异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸。这些氨基酸只能从食物蛋白质中获取。其余12种氨基酸均可以在人体内合成，称为营养非必需氨基酸（nutritionally nonessential amino acid）。非必需氨基酸中的一些氨基酸在体内的合成率很低，当机体需要量增加时则需体外补充，称为条件必需氨基酸。如组氨酸和精氨酸虽能在体内合成，但合成量不多，需从食物中补充；酪氨酸对于早产儿以及足月儿都是必需的；在患肝病时，半胱氨酸也是一种条件必需氨基酸。

（二）支链氨基酸

支链氨基酸（branched-chain amino acids，BCAA）是指α-碳上含有分支脂肪烃链的中性氨基酸，包括亮氨酸、异亮氨酸及缬氨酸三种，均属于必需氨基酸范围。不同组织对各种氨基酸代谢的差别很大。一般说来，肝是体内分解及转变各种氨基酸最强的器官，几乎大多数氨基酸都要在肝中进行氧化分解。而支链氨基酸是唯一不被肝吸收的氨基酸，外周组织是支链氨基酸代谢的主要场所。支链氨基酸主要通过骨骼肌氧化，支链氨基酸的氧化给骨骼肌葡萄糖-丙氨酸循环和肌肉谷氨酰胺合成提供能源和氮源。支链氨基酸可以与芳香氨基酸竞争通过血-脑脊液屏障，在肝性脑病时有利于脑内氨基酸谱失衡的纠正。机体在应激状态下，支链氨基酸成为肌肉的能源物质，补充支链氨基酸将有利于代谢。

（三）芳香族氨基酸

凡含有芳香环的氨基酸都属于芳香族氨基酸（aromatic amino acids，AAA），包括苯丙氨酸（phenylalanine）、酪氨酸（tyrosine）和色氨酸（tryptophan）。

三、蛋白质的消化吸收

食物中蛋白质的消化是从胃内开始的，主要消化过程在小肠。食物可刺激胃黏膜分泌促胃液素，促胃液素则促进胃黏膜壁细胞分泌盐酸、主细胞分泌胃蛋白酶原。胃蛋白酶原在盐酸或胃蛋白酶的自身催化下，生成有活性的胃蛋白酶。胃蛋白酶只能将蛋白部分降解，主要产物是多肽。蛋白质经消化分解为氨基酸后，几乎全部被小肠吸收。胰和肠黏膜细胞分泌的各种蛋白酶和胰酶在小肠内将蛋白质进一步水解成氨基酸和寡肽。胰腺细胞所产生的各种蛋白酶和胰酶都是以无活性的酶原形式分泌，这些酶原进入十二指肠后被肠激酶激活，而十二指肠黏膜细胞分泌的肠激酶则被胆汁激活。食物蛋白经胃液和胰液中蛋白酶的消化后，所得到的产物仅有1/3是氨基酸，其余2/3是寡肽。氨基酸和寡肽在小肠通过主动转运机制被吸收。小肠黏膜上皮细胞存在吸收二肽或三肽的寡肽转运蛋白。肽的转运系统吸收效率可能比氨基酸更高，肽吸收入细胞甚至先于游离氨基酸。肠道黏膜对寡肽的吸收在蛋白质的吸收中占有重要或可能是主要的地位。

四、蛋白质的代谢

体内的任何一种蛋白质都不会长期存在而不被降解，只是不同蛋白质的降解速率不同，因而细胞内有长寿蛋白质和短寿蛋白质。在人体生命活动中，蛋白质被不断地降解和重新合成。因此，机体氨基酸代谢库包含由蛋白质降解所产生的氨基酸。

细胞内存在着一些酶与肠道消化食物蛋白质的酶相似，如内肽酶、氨基肽酶和羧基肽酶。这些酶不能任意水解细胞内的蛋白质。机体内由两条蛋白质降解途径：一条是溶酶体蛋白水解酶的降解途径，即细胞内的自噬系统；另一条是胞质内依赖ATP和泛素的蛋白酶体降解途径。近年来发现细胞内的自噬由分子伴侣介导。分子伴侣介导的自噬是指胞质内的蛋白先被特定的分子伴侣识别和结合，然后被转运到溶酶体中，被溶酶体酶消化。此种自噬方式可通过分子伴侣和自噬底物蛋白的特异性识别而实现一定的选择性。细胞内异常和短寿蛋白质主要由泛素-蛋白酶体系统（UPS）负责。蛋白质的泛素化是真核生物的一种重要的蛋白质翻译后修饰方式，其最主要的生物学功能为蛋白质降解的标签。泛素化的蛋白可被26S蛋白酶体识别而降解，蛋白质的泛素化过程由一系列酶促反应（E1→E2→E3）精细调节，其主要过程是将泛素通过异肽键连接到底物的赖氨酸残基上，然后泛素E1活化酶借助ATP供能，将泛素的C端活化，接着活化的泛素被转移至E2转移酶上，E3连接酶负责将活化的泛素转移至目标蛋白，使需要被降解的蛋白泛素化，继而被蛋白酶体识别而降解。

五、氨基酸的分解代谢

（一）氨基酸的肠内代谢

小肠吸收的食物氨基酸并不能全部进入门脉循环供肠外组织利用，饮食中约30%～50%不能进入门静脉循环。在机体首过代谢中，它们会不同程度地被PDV组织（胃、小肠、结肠、胰和脾等实体组织的总称）截留，而截留的大部分必需氨基酸被肠道组织在细胞内通过不同途径代谢。他们不仅是肠黏膜的能量物质，而且还是肠道组织合成蛋白质、氨基酸、谷胱甘肽和多胺等含氮物质的底物，所以小肠氨基酸代谢对于维持肠黏膜细胞数量、吸收能力和防御功能，以及细菌屏障和免疫反应是必需的。

（二）氨基酸的肠外代谢

体内氨基酸的分解主要是通过脱氨基作用，生成氨及相应的α-酮酸，开始分解过程。α-酮酸在体内的代谢主要由3条途径。

1.经转氨基作用的逆反应再合成氨基酸　在氨基转移酶的催化下，α-氨基酸的氨基首先转移至α-酮戊二酸，生成L-谷氨酸。在L-谷氨酸脱氢酶的催化下，L-谷氨酸进行氧化脱氨作用，生成氨和α-酮戊二酸。由于该过程可逆，因此也是体内合成营养非必需氨基酸的重要途径。

2.转变为糖类或脂类　可能转变成糖的氨基酸称为生糖氨基酸；可能转变成酮体的氨基酸称为生酮氨基酸；既可以转变成糖又能转变成酮体的氨基酸称为生糖兼生酮氨基酸。

3.通过三羧酸循环氧化生成二氧化碳与水并提供能量。

六、氮平衡

氨基酸的摄入和消耗的状态可用氮平衡（nitrogen balance）来描述。正常人每天所进食物中的蛋白质含氮量和排出的氮量往往是相等的，这种收支相等的情况称为氮平衡。食物中的含氮物质绝大部分是蛋白质，即氨基酸。机体通过尿与粪中的含氮量（排出量）及摄入食物的含氮量（摄入量）可以反映体内氨基酸的代谢状况。氮的总平衡，即机体摄入氮=排除氮。氮的收支平衡是正常成人的氨基酸代谢状态。在正常口服饮食情况下，氮排出量=尿素氮+4g。4g代表经皮肤（约0.5g）、粪便的丢失（1～1.5g）和氮等尿中未测定的蛋白质分解终产物（约2g）。肠外营养治疗疗法时，可简单地应用下列公式计算：氮平衡（g/d）=氮摄入量-[尿素氮（g/d）+3]。