干货分享丨蛋白质氨基酸与健康
蛋白质氨基酸的分类和代谢
氨基酸是生物体蛋白质的最基本组成部分，是构成生物体蛋白质的基本单位，在生物体的生命活动中发挥不可或缺的作用，其中组成蛋白质的氨基酸共约20种。通常情况下，健康个体的氨基酸在体内的分布处于一个平衡状态，氨基酸状态的失衡是众多疾病的诱因或表现形式。20种蛋白质氨基酸在营养学上可分为必需氨基酸、条件必需氨基酸和非必需氨基酸，其中8种为必需氨基酸，在结构上可根据侧链基团R的不同分为：非极性氨基酸（疏水氨基酸）和极性氨基酸（亲水氨基酸），或根据化学结构不同分为：脂肪族、芳香族、杂环族。下图为20种氨基酸的分类（Compound Interest, 2014）
图1：20种蛋白质氨基酸
蛋白质氨基酸除了合成各种组织蛋白外还参与体内多条代谢途径。（王镜岩，生物化学；Blanco et al, 2017）
1.氨基酸脱氨基作用：脱氨基方式主要有氧化脱氨基、非氧化脱氨基、转氨基和联合脱氨基作用，其中联合脱氨基作用是体内最主要的脱氨基方式，氨基酸脱氨后生成α-酮酸再进一步代谢：1）氨基化生成氨基酸2）经糖异生途径生成葡萄糖或转变为脂类3）进入三羧酸循环氧化分解供能。
2.氨基酸的脱羧基作用：由氨基酸脱羧酶催化，如L-谷氨酸脱羧生成γ-氨基丁酸，是一种重要的神经递质；色氨酸经色氨酸羟化酶再经脱羧酶可生成5-羟色胺（色氨酸→5羟色氨酸→5-羟色胺），5-羟色胺是一种重要的神经递质；组氨酸脱羧生成组胺，是强烈的血管舒张剂，可促进平滑肌收缩，促进胃酸分泌。
3.一碳单位的代谢：一碳单位主要来源于丝氨酸、甘氨酸、组氨酸及色氨酸的代谢，体内重要的一碳单位有：甲基（-CH3）、甲烯基（-CH2）、甲炔基（-CH=）、甲酰基（-CHO）、亚甲氨基（-CH=NH）等，一碳单位是合成嘌呤及嘧啶的原料。
4.支链氨基酸代谢：包括亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸，均为必需氨基酸，这三种氨基酸分别是生糖氨基酸、生酮氨基酸及生糖兼生酮氨基酸。支链氨基酸的分解代谢主要在骨骼肌中进行，这对肌肉蛋白质的合成与分解具有特殊重要作用。
5.芳香族氨基酸代谢：苯丙氨酸经羟化生成酪氨酸，酪氨酸代谢生成儿茶酚胺（多巴胺、去甲肾上腺素和肾上腺素），苯丙氨酸羟化酶的遗传性缺陷可致苯丙酮酸尿症。
图2：氨基酸参与的多条代谢途径
蛋白质氨基酸与疾病
氨基酸不仅在人体内提供了合成蛋白质的重要原料，而且还参与正常代谢，对促进生长、维持健康起着重要的作用。氨基酸代谢异常与先天性代谢缺陷、营养缺乏、代谢紊乱等相关。
多种疾病受氨基酸的影响，氨基酸可作为生物标志物以此来了解疾病状况。蛋白质氨基酸是某些代谢紊乱的潜在生物标志物，如新生儿遗传代谢病、糖尿病、心血管疾病、神经性疾病等多个方面。
图3：氨基酸与疾病
新生儿遗传代谢病
遗传代谢病是造成出生缺陷、新生儿死亡的重要原因，目前临床采用串联质谱技术检测新生儿氨基酸水平，筛查多种遗传代谢病已广泛应用于新生儿出生缺陷的防治。
苯丙酮尿症（PKU）是由于缺乏苯丙氨酸羟化酶而引起的苯丙氨酸代谢缺陷。苯丙氨酸羟化酶直接影响苯丙氨酸Phe向酪氨酸Tyr的转化，因此用Phe浓度的增加量除以Tyr的减少量的更适用于反映PKU，苯丙氨酸与苯丙酮尿症之间的代谢关系如下图（Chace and Kalas et al, 2005）。
图4：苯丙氨酸代谢与PKU
枫糖浆尿病（MSUD）是一种支链氨基酸(BCAA)分解代谢疾病，MSUD可在新生儿筛查中检测到，患有MSUD的新生儿血浆中缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸以及l-异亮氨酸（是MSUD的特征性标志物）显著升高。支链氨基酸的分解代谢与枫糖浆尿病的关系如下图（Aliu et al, 2018）。
图5：支链氨基酸分解代谢与MSUD（斜体为酶，绿色为线粒体膜）
含硫氨基酸（蛋氨酸和半胱氨酸）紊乱相关的疾病，蛋氨酸是必需氨基酸，血浆蛋氨酸升高会引起I型酪氨酸血症、柠檬酸缺乏症（尿素循环障碍）、高半胱氨酸尿症和高半胱氨酸合成障碍（Aliu et al, 2018）。
图6：含硫氨基酸代谢与多种先天性代谢疾病（CBS，胱硫氨酸-合成酶；HCY，高胱氨酸尿；MeCbl甲基钴胺素；MAT，甲硫氨酸s -腺苷转移酶；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，亚甲基四氢叶酸还原酶；THF，四氢叶酸；SUOX，亚硫酸盐氧化酶）
娠相关疾病（妊娠糖尿病GDM、妊娠高血压HP）
丙氨酸在丙氨酸氨基转移酶的作用下将其氨基转移到α-酮戊二酸上，形成丙酮酸和谷氨酸，再生的丙酮酸通过糖异生作用形成葡萄糖。丙氨酸、谷氨酸、丙酮酸的升高可表明糖异生过程的增强。氨基酸（特别是支链氨基酸）一直与胰岛素抵抗和胰岛β细胞功能紊乱有关，支链氨基酸参与胰岛素抵抗的多种途径，包括脂肪酸氧化、mTOR、JNK和IRS1途径。研究表明，GDM患者的支链氨基酸增加，而芳香族氨基酸没有显著变化。（Hou,2018）。
GDM的主要生理机制是胰岛素抵抗增加和胰岛素分泌减少，在GDM发病前几年便可发现氨基酸、有机酸等的代谢异常。研究表明HP女性中观察到焦谷氨酸、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，尽管关于这些物质如何在HP的发病机制中发挥作用的研究很少，但已有研究表明它们是在由氧化应激上调的谷胱甘肽的代谢中发挥作用。GDM和HP均表现出葡萄糖和脂质代谢异常，可能是通过改变谷胱甘肽代谢和不饱和脂肪酸的生物合成，进而引发氧化应激（Kong et al, 2022）。
肥胖症
必需氨基酸及其衍生物血液浓度的变化，特别是支链氨基酸、含硫氨基酸、酪氨酸和苯丙氨酸，被认为在临床尚未确诊2型糖尿病之前，与肥胖和胰岛素抵抗有关（Adamset al, 2011）。
对某些必需氨基酸来说，胰岛素作用受损、游离脂肪酸增加以及线粒体氧化还原状态的变化，会削弱某些分解代谢途径，进而影响支链氨基酸、含硫氨基酸、酪氨酸、苯丙氨酸和相关衍生物的浓度（Adamset al, 2011）。
图7：氨基酸代谢与胰岛素抵抗和2型糖尿病
长期摄入BCAA与非BCAA氨基酸比例失衡会引发食欲失调/暴食症。BCAA与肥胖的关系：（1）肥胖和胰岛素抵抗会改变BCAAs的分解代谢；（2）脂肪组织中BCAAs分解代谢障碍；（3）肠道菌群会增加BCAA水平；（4）进而引起BCAA积累；（5）BCAA过度激活mTORC1信号和蛋白质合成，抑制脂肪的分解；（6）骨骼肌中脂肪酸氧化受损和甘氨酸耗竭。（Cuomo et al, 2022）
图8：支链氨基酸与肥胖
蛋白质氨基酸检测分析应用不止于此，已有研究表明蛋白质氨基酸还与阿尔兹海默症、心血管疾病等密切相关。蛋白质氨基酸在机体内发挥着举足轻重的作用，可作为先天性代谢疾病、营养缺乏、代谢紊乱等相关疾病的生物标志物，如何实现氨基酸准确且快速的分析至关重要。
氨基酸检测可作为健康诊断和疾病筛查的重要手段，可为疾病的提早预防、个体的营养代谢和健康状况提供参考标准。因此在氨基酸研究中实现准确、精密、可重现的分析至关重要。
目前市面上常见的分析方法有高效液相色谱法、气相色谱法、电化学法、分光光度法、毛细管电泳法等，但都存在诸多限制，如这些方法普遍存在检出限高、定性准确度有限、结果重现性差等缺点。液相色谱串联质谱法是小分子代谢物检测的金标准，液相色谱提供了高效的分离效率，尤其是超高压液相色谱既能满足高效的分离要求，又能最大程度缩短检测时间。质谱在小分子定性准确性上有绝对优势，加上宽达5-6个数量级的线性范围，在实际操作过程中可以满足临床样本中代谢物的动态范围，此外，三重四级杆fmol甚至amol级别的检出限可以实现某些痕量代谢物例如神经递质的检测。对应方法的建立可以助力临床上许多疾病的诊断，例如以氨基酸和肉碱方法为代表的色谱质谱试剂盒已经应用于新生儿代谢异常的筛查。氨基酸类的小分子普遍特点是亲水性强，在反相色谱上保留弱，直接检测难以得到良好的色谱分离和较好的灵敏度。因此，衍生化通常是不错的选择，以5-氨基异喹啉基-N-羟基琥珀酰亚胺基氨基甲酸酯（5-AIQC）为代表的衍生化试剂，可以在碱性条件下快速的对氨基代谢物上的氨基进行特异性取代，可以达到亚飞摩尔的定量限，同时结合特异性的巯基保护方法，还能使在许多方法中难以定量的半胱氨酸实现准确定量。（Jin Wang et al,2017）
总结
蛋白质氨基酸作为蛋白质和多肽的组成基石，参与调控与细胞的稳定、生长、复制和免疫相关等多个代谢路径。体内浓度的异常会引起身体稳态失调、影响生长发育、甚至导致死亡等。对于蛋白质氨基酸的检测，目前液相色谱串联质谱方法是最可靠和全面的分析工具，这些方法的开发对于科研探索和未来的临床检测都有很高的应用价值。
