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一文了解氨基酸的分類、代謝和應(yīng)用

來(lái)源:泰然健康網(wǎng) 時(shí)間:2025年07月26日 21:08

氨基酸(Amino acids)是在分子中含有氨基和羧基的一類化合物。氨基酸是生命的基石,人類所有的疾病與健康狀況都與氨基酸有直接或間接的關(guān)系。氨基酸失衡可引起肝硬化、神經(jīng)系統(tǒng)感染性疾病、糖尿病、免疫性疾病、心血管疾病、腎病、腫瘤等各類疾病。目前氨基酸代謝障礙所引起的疾病已超過(guò)400多種。氨基酸的檢測(cè)已經(jīng)成為健康診斷和疾病篩查的重要手段。伯遠(yuǎn)醫(yī)學(xué)建立了一種基于LC-MS/MS平臺(tái)的同位素內(nèi)標(biāo)的氨基酸分析方法,絕對(duì)定量檢測(cè)23種氨基酸。

01什么是氨基酸

氨基酸是含有堿性氨基(-NH2)、酸性羧基(-COOH)和有機(jī)側(cè)鏈(也稱為R基團(tuán))的有機(jī)化合物,它們的分子中至少含有一個(gè)碳原子和一個(gè)氮原子。氨基(-NH2)是一個(gè)帶有兩個(gè)氫原子和一個(gè)氮原子的堿性基團(tuán),賦予氨基酸一定的堿性性質(zhì)。羧基(-COOH)是一個(gè)含有一個(gè)碳原子、兩個(gè)氧原子和一個(gè)氫原子的酸性基團(tuán),使氨基酸具有酸性特性。R基團(tuán)是一個(gè)包含不同元素和官能團(tuán)的烴鏈或環(huán)狀結(jié)構(gòu),其決定了常見(jiàn)氨基酸之間的區(qū)別,并影響其在生物體內(nèi)的功能和相互作用。氨基酸的一般結(jié)構(gòu)式可以表示為:H2N?CHR?COOH。

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氨基酸的分類

1、根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

按照R基團(tuán)的極性或pH下與水相互作用的趨勢(shì)等性質(zhì),氨基酸可以分為非極性氨基酸、極性不帶電荷氨基酸、極性帶正電荷氨基酸和極性帶負(fù)電荷氨基酸四類。非極性氨基酸又稱疏水氨基酸,側(cè)鏈不含電荷,缺乏極性官能團(tuán),不溶于水,傾向于聚集在蛋白質(zhì)內(nèi)部形成疏水核心,如丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸等。極性不帶電氨基酸側(cè)鏈含有極性基團(tuán)但總體電荷為零,在蛋白質(zhì)中既可位于內(nèi)部也可位于表面,如絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸等。極性帶正電荷氨基酸又稱堿性氨基酸,側(cè)鏈帶正電,呈堿性,通常位于蛋白質(zhì)表面與環(huán)境相互作用,如賴氨酸、精氨酸、組氨酸等。極性帶負(fù)電荷氨基酸又稱酸性氨基酸,側(cè)鏈帶負(fù)電,呈酸性,同樣分布在蛋白質(zhì)表面與環(huán)境相互作用,如天冬氨酸、谷氨酸等。

2、根據(jù)營(yíng)養(yǎng)學(xué)

氨基酸按照營(yíng)養(yǎng)學(xué)可分為三類:必需氨基酸、半必需氨基酸和非必需氨基酸。必需氨基酸是指人體或其它脊椎動(dòng)物不能合成或合成速度遠(yuǎn)不能適應(yīng)機(jī)體需要,必須由食物蛋白質(zhì)供給的氨基酸。必需氨基酸包括:賴氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸、組氨酸(幼兒必需氨基酸)。半必需氨基酸又稱為條件必需氨基酸,是指那些正常狀態(tài)下能內(nèi)源性合成足夠的量,但在特殊狀況(如患病、創(chuàng)傷)時(shí),必須靠飲食中補(bǔ)充,以滿足需要的氨基酸。半必需氨基酸包括:胱氨酸、酪氨酸、精氨酸等。非必需氨基酸人體內(nèi)能由前體物質(zhì)合成,不需要從食物中獲取的氨基酸。非必需氨基酸包括甘氨酸、丙氨酸、脯氨酸、酪氨酸、絲氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、天冬氨酸、谷氨酸。

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氨基酸的代謝

氨基酸根據(jù)核心結(jié)構(gòu)官能團(tuán)的位置可分為α-、β-、γ-、δ-氨基酸,其中大部分參與蛋白質(zhì)合成的是α-氨基酸。人體可以通過(guò)食物的消化吸收、組織分解和體內(nèi)合成三種途徑獲得氨基酸。進(jìn)入氨基酸代謝池中的氨基酸可通過(guò)脫羧反應(yīng)產(chǎn)生氨基和二氧化碳,或參與嘌呤、嘧啶等含氮化合物的合成,也可通過(guò)脫氨生成α-酮酸和NH?。根據(jù)不同的酶和代謝途徑,α-酮酸可進(jìn)一步產(chǎn)生酮體,或參與氧化供能、糖和脂質(zhì)的合成,NH?則進(jìn)入尿素循環(huán)。細(xì)胞或細(xì)胞器對(duì)氨基酸的攝取需要氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(AAT)的參與。不同的氨基酸依賴于特定的AAT,但氨基酸和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白并不是一一匹配的。多個(gè)AAT可以轉(zhuǎn)運(yùn)一個(gè)氨基酸,同一個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白也可以轉(zhuǎn)運(yùn)多個(gè)底物。

圖2 氨基酸代謝(Ling et al., 2023)。

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氨基酸的應(yīng)用方向

1、代謝性疾病的診斷

氨基酸代謝的異常與許多疾病的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān),包括肥胖癥、心血管疾病、脂肪肝等。臨床上,可以通過(guò)檢測(cè)血液或尿液中氨基酸的水平來(lái)診斷這些疾病。在新生兒期進(jìn)行氨基酸檢測(cè)篩查,能夠?yàn)檫@些疾病的及時(shí)干預(yù)和治療爭(zhēng)取寶貴時(shí)間,避免嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)損傷和智力發(fā)育障礙。

2、腫瘤的治療

越來(lái)越多的研究表明氨基酸在癌癥代謝中具有重要的作用。通過(guò)氨基酸檢測(cè),了解腫瘤細(xì)胞中氨基酸的代謝特點(diǎn),可以設(shè)計(jì)針對(duì)腫瘤細(xì)胞代謝的藥物,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的治療。

圖3 腫瘤中的氨基酸的代謝(Chen et al., 2024)。

3、營(yíng)養(yǎng)支持

在慢性疾病、外科手術(shù)等情況下,患者的營(yíng)養(yǎng)需求往往較高。氨基酸通過(guò)三羧酸循環(huán)而為機(jī)體提供能量,通過(guò)氨基酸檢測(cè)可以評(píng)估患者的氨基酸需求,指導(dǎo)合理的營(yíng)養(yǎng)支持治療,并減少并發(fā)癥的發(fā)生。

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文獻(xiàn)案例

2022年9月13日,哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院姚麗芬教授團(tuán)隊(duì)在Brain Behavior and Immunity(IF:8.8)上發(fā)表了題為“Role of gut microbiota-derived branched-chain amino acids in the pathogenesis of Parkinson's disease: An animal study”的研究性論文。

1、研究背景

帕金森?。≒D)是一種慢性進(jìn)行性神經(jīng)退行性疾病。至今,對(duì)于PD的治療主要通過(guò)提高左旋多巴的含量,誘導(dǎo)大腦殘存的多巴胺能神經(jīng)元末梢多合成多巴胺,來(lái)改善運(yùn)動(dòng)功能。研究表明腸道菌群及其代謝產(chǎn)物紊亂與帕金森?。≒D)相關(guān)。因此,本研究進(jìn)一步探究了PD新的致病機(jī)制。

2、研究結(jié)果

(1)魚(yú)藤酮對(duì)PD小鼠腸道和運(yùn)動(dòng)功能及α-syn病理學(xué)的影響

研究者通過(guò)觀察一小時(shí)內(nèi)糞便的排泄量、小鼠行為學(xué)測(cè)試及免疫熒光實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)魚(yú)藤酮誘導(dǎo)3周的小鼠主要顯示腸功能障礙,魚(yú)藤酮誘導(dǎo)4周的小鼠表現(xiàn)腸道功能障礙和運(yùn)動(dòng)功能障礙。

圖4 魚(yú)藤酮破壞小鼠的腸道和運(yùn)動(dòng)功能(Yan et al., 2022)。

(2)魚(yú)藤酮影響小鼠腸道微生物群的組成、多樣性和動(dòng)態(tài)變化

小鼠服用魚(yú)藤酮后,分析了0周、3周和4周的微生物群落,發(fā)現(xiàn)與0周組相比,3周組厚壁菌含量及擬桿菌增加。與3周組相比,4周組的厚壁菌含量及擬桿菌下降。α-多樣性和β-多樣性進(jìn)行微生物群落結(jié)構(gòu)分析,發(fā)現(xiàn)三組之間的細(xì)菌組成存在明顯差異。主成分分析進(jìn)一步揭示,魚(yú)藤酮處理導(dǎo)致了微生物群落構(gòu)成的改變。通過(guò)聚類熱圖分析,確定了魚(yú)藤酮處理0周、3周和4周組中微生物類群的變化,發(fā)現(xiàn)魚(yú)藤酮與特定的細(xì)菌富集。

圖5 魚(yú)藤酮處理小鼠腸道微生物多樣性的變化(Yan et al., 2022)。

(3)腸道細(xì)菌標(biāo)志物與魚(yú)藤酮的相關(guān)性

干預(yù)時(shí)間根據(jù)RF機(jī)器學(xué)習(xí)算法,分別建立0周與4周、0周與3周、3周與4周組的預(yù)測(cè)模型,在模型中0周與4周組、3周與4周組腸道微生物群變異較大,而0周與3周組之間的差異很小。

(4)魚(yú)藤酮處理小鼠血清氨基酸產(chǎn)生的變化

對(duì)19種氨基酸進(jìn)行定性定量分析,OPLS-DA模型顯示0周組和4周組之間分離度較好。VIP得分大于1的的有8種氨基酸,包括亮氨酸、異亮氨酸、絲氨酸、纈氨酸、色氨酸、天冬酰胺和L-4-羥脯氨酸。S-t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與0周組相比,4周組差異代謝物含量顯著降低,且纈氨酸含量也下降,但兩組間沒(méi)有顯著差異。MetaboAnalyst 5.0分析發(fā)現(xiàn)4周組富集到纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸降解途徑。

圖6 魚(yú)藤酮治療0周和4周小鼠的氨基酸代謝模式(Yan et al., 2022)。

(5)高支鏈氨基酸飲食減輕了魚(yú)藤酮誘導(dǎo)小鼠的行為、病理特征、炎癥反應(yīng)

高支鏈氨基酸(BCAAs)飲食顯著改善了口服魚(yú)藤酮引起的腸道功能障礙、運(yùn)動(dòng)缺陷和多巴胺能神經(jīng)元的損傷。ELISA分析,表明高BCAAs飲食能夠降低TNF-α、IL-1β和IL-6三種促炎細(xì)胞因子的水平。

3、研究結(jié)論

本項(xiàng)研究以腸道微生物群及其代謝產(chǎn)物為研究對(duì)象,運(yùn)用氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)、免疫學(xué)、靶向代謝組學(xué)分析、16S rRNA基因測(cè)序等技術(shù),揭示了腸道菌群及其代謝產(chǎn)物失衡在PD發(fā)病機(jī)制中的關(guān)鍵作用,并提示高劑量的BCAAs補(bǔ)充可能是治療PD的新方向。

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小醫(yī)叨叨

氨基酸是生命的基石,它們?cè)谏矬w內(nèi)發(fā)揮著重要的作用,包括構(gòu)成蛋白質(zhì)、提供能量、調(diào)節(jié)生理功能和保護(hù)身體健康等。了解氨基酸的性質(zhì)、作用、在生物體中的含量,對(duì)于我們理解生命的本質(zhì),提高生活質(zhì)量,疾病診斷與治療等都有著重要的意義。我司建立了一種基于LC-MS/MS平臺(tái)的同位素內(nèi)標(biāo)的氨基酸分析方法,可以為從事氨基酸研究的科研工作者提供相關(guān)服務(wù)。

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我司優(yōu)勢(shì)

1、定量精準(zhǔn):使用同位素內(nèi)標(biāo)絕對(duì)定量,標(biāo)準(zhǔn)曲線R≥0.99;

2、靈敏度高:使用TSQ Altis (Plus)LC-MS/MS,靈敏度可達(dá)ng/mL級(jí)。

3、穩(wěn)定性好:QC樣品TIC重疊譜圖好,且QC樣本的RSD≤15%。

4、實(shí)驗(yàn)周期短:10~15個(gè)工作日交付項(xiàng)目結(jié)果。

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樣本要求

參考文獻(xiàn)

1.Zhenan L, Yifan J, Jun-Nan R, et al. Amino acid metabolism in health and disease[J]. Signal Transduction and Targeted Therapy, 2023, 8 : 345.

2.Jie C, Likun C, Shaoteng L, et al. Amino acid metabolism in tumor biology and therap[J]. Cell Death & Disease, 2024, 15 : 42.

3.Zhenzhen Y, Fan Y, Linlin S, et al. Role of gut microbiota-derived branched-chain amino acids in the pathogenesis of Parkinson's disease: An animal study[J]. Brain Behavior and Immunity, 2022, 106 : 307–321.

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