B12 Biochemistry Notes Vol. 6 PDF

生化共筆 Vol. 6 生化共筆 Vol. 6  生化共筆 Vol. 6 共筆製作群 寫手： 組長： 共筆長： 吳語陞、王文燦 郭耀駿...

生化共筆 Vol. 6 生化共筆 Vol. 6  生化共筆 Vol. 6 共筆製作群 寫手： 組長： 共筆長： 吳語陞、王文燦 郭耀駿 周文瑋、 郭容希、王穎婕 張子毅 重要公布事項： 寫手想跟你／妳各位說： 組長想跟你／妳各位說： 欸不是，好不容易考完生化心態已經崩了，結果還要在當天晚上審完初稿，我懷疑共筆 長在壓榨勞工。總而言之，今天終於考完生化了，相信大家都是炸魚局，那我乖乖當隻 魚好了，好，我要去睡覺了晚安＠＠ 共筆長想跟你／妳各位說： 無。 -----------------------------------------------我是另外一位共筆長------------------------------------------ 哎怎麼又是共筆局 啊聽說考試前一天醫圖自習室聚集了許多生化仔通宵學習喔 太偉大了 自習室超冷 反正我是躺平局啦 生化共筆 Vol. 6 生物化學共同筆記 Vol. 6 目錄 § 氮元素......................................................................................................... 2 一、 生命中的氮..................................................................................................................... 2 二、 氮循環（nitrogen cycle）.............................................................................................. 3 三、 氮平衡（nitrogen balance）.......................................................................................... 4 § 靜水壓（hydrostatic pressure）與膠體滲透壓（oncotic pressure）.. 5 一、血管與組織間的體液平衡.............................................................................................. 5 二、 膠體滲透壓的成因......................................................................................................... 8 § 胺基酸的分解代謝（Catabolism of amino acid）............................... 10 一、肝臟中胺基酸的氮分解概覽........................................................................................ 10 二、 胺基酸的四種來源....................................................................................................... 11 § 從胺基酸到尿素的三個主要步驟........................................................... 18 一、 Transamination.............................................................................................................. 18 二、 Ammonium Release...................................................................................................... 22 三、 Urea （ornithine） cycle.............................................................................................. 23 § Aspartate-Argininosuccinate Shunt...................................................... 26 一、 功能............................................................................................................................... 26 二、 機制............................................................................................................................... 26 § 尿素循環的調控....................................................................................... 27 一、 長期調控....................................................................................................................... 27 二、 短期調控....................................................................................................................... 27 § 尿素循環相關的遺傳疾病....................................................................... 28 一、 高氨血症第一型（hyperammonemia type 1）........................................................... 29 二、 高氨血症第二型（hyperammonemia type 2）........................................................... 29 三、 Hyperammonemia/NAGS deficiency............................................................................ 29 四、 HHH （Hyperornithinemia, Hyperammonemia, Homocitrullinuria） syndrome........ 29 五、 瓜胺酸血症（citrullinemia）....................................................................................... 29 六、 精胺丁二酸酵素缺乏症（argininosuccinicaciduria）................................................ 29 七、 高精胺酸血症（hyperargininemia）........................................................................... 29 § 尿素循環相關遺傳疾病的治療............................................................... 30 一、 概覽............................................................................................................................... 30  生化共筆 Vol. 6 二、 作用機制....................................................................................................................... 30 三、 藥物............................................................................................................................... 30 生化共筆 Vol. 6 課程主題 Nitrogen Metabolism 上課時間 2024/10/09 第 4 節 授課教師 余明俊 製作者 吳語陞、王文燦 審查者 郭耀駿 課程簡介 講解氮在生命中的重要性、氮循環、氮平衡及體液的平衡。 課程大綱 § 氮元素 一、 生命中的氮 二、 氮循環（nitrogen cycle） 三、 氮平衡（nitrogen balance） § 靜水壓（hydrostatic pressure）與膠體滲透壓（oncotic pressure） 一、血管與組織間的體液平衡 二、 膠體滲透壓的成因 1  生化共筆 Vol. 6 § 氮元素 一、 生命中的氮 (一) 氮是生物體中第四豐富的元素。（排在 C、H、O 之後） (二) 大部分生物體中的氮存在於核苷酸（Nucleotide）及胺基酸（Amino acid）中，作 為 DNA、RNA、蛋白質的材料。 (三) DNA 儲存遺傳密碼，RNA 攜帶遺傳密碼，蛋白質表現遺傳密碼。 (四) N2 三鍵的鍵能極高（942 kJ/mol），所以 N2 + 3 H2 → 2 NH3 之活化能也很高，需 要細菌透過固氮作用（Nitrogen fixation）將此反應的活化能降低。 ※ （113 補充）反應在厭氧環境進行。 2 生化共筆 Vol. 6 二、 氮循環（Nitrogen cycle） (一) 大自然中的氮取得不易 (二) Ammonium 為 NH4+（離子，生物體可利用的形式），而 Ammonia 則是指 NH3 （氣體） （註：-ium 字尾常用在金屬元素及帶正電的離子，如 Sodium、Hydronium） (三) 固氮作用 1. 豆科植物與根瘤菌為互利共生的關係。 (1) 豆科植物：提供豆科血紅素（Leghemoglobin）來吸收氧氣，使周遭氧氣濃度 低至能使固氮酶作用，並確保氧氣濃度足夠讓細菌進行細菌型有氧呼吸。此 外，還會提供其他無機鹽與有機養分給細菌。 (2) 根瘤菌：提供固氮作用產物 NH4+給植物。 (3) 右圖 (a) 為豆科植物（莢果，Legume）的根 瘤；圖 (b) 中間區域為莢果細胞核，旁邊顆粒 為共生的根瘤菌。 2. 固氮作用的過程 (1) 右下圖為固氮作用所使用的固氮酶複合體 （Nitrogenase complex），將 4 個 Pyruvate 氧化成 4 個 Acetyl-CoA。產生的 8 個電子，經由一連串酵素反應轉移給 N2，形成 2 個 NH4+。 (2) 電子從 Pyruvate 轉移至鐵氧還蛋白（Ferredoxin）或黃素氧還蛋白 （Flavodoxin）上，再接連傳到固氮 酶還原酶（Dinitrogenase reductase）、固氮酶（Dinitrogenase） 上。 (3) 其中固氮酶、固氮酶還原酶皆為厭氧 性（Oxygen-phobic）酵素。豆科血紅 素（Leghemoglobin）可吸收 O2，製 造低氧環境。 3  生化共筆 Vol. 6 三、 氮平衡（Nitrogen balance） (一) 在正常的成年人中，氮的量維持動態平衡（攝入 = 排出）。 (二) 氮平衡的種類： 1. 正氮平衡（Positive nitrogen balance） (1) 時機：當攝入量大於排出量時。 (2) 例子：小孩子成長期、懷孕期或從生病中恢復時。 2. 負氮平衡（Negative nitrogen balance） (1) 時機：當攝入量小於排出量時 (2) 例子：手術切除組織、癌症（癌細胞會搶走身體細胞的氮）、Kwashiorkor disorder（飲食中醣類佔比過高、蛋白質不足）、Marasmus disorder（飲食缺乏 熱量及一些特定的胺基酸）。 (三) 非必需胺基酸與必需胺基酸（Nutriotionally） 1. 非必需胺基酸：體內有酵素可以合成的胺基酸。 2. 必需胺基酸：體內無酵素可以合成，須靠進食來取得。 3. 條件式必需（Conditionally essential）胺基酸：身體可以合成這些胺基酸，但合 成的步驟及所需的酵素較繁複，快速成長時不一定能合成足夠的量，所以有時 需要從外界攝取。 ※ （106 補充）例子：Arg、Cys、Gln、Tyr、Gly、Pro、Ser、Ornithine（一種不參與蛋白 質合成，但參與尿素循環的胺基酸）。 4. 缺乏必需胺基酸會造成失調（Disorder），而缺少的胺基酸會成為蛋白質合成 中的速率決定因子。 (四) 成人需攝取蛋白質的原因 1. 補充被消耗掉的細胞及酵素，如：消化道的酵素、胃腸道的細胞、皮膚細胞、 紅血球、抗體。 2. 體內蛋白質的替換率（Turn over）很高，大約每天生成 500 克，但一天攝取的 量只有大約 100 克，代表約有 80 %是經由原來身體組織的蛋白質降解後又合成 而來的。 4 生化共筆 Vol. 6 (五) Kwashiorkor disorder 1. 成因：兒童斷奶後，飲食攝取的醣類過高，但蛋白質攝取不足。 2. 症狀： (1) 早期症狀：疲勞、躁動、易疲倦。 (2) 若持續攝取不足，將造成成長遲緩、肌肉量減少、 全身水腫（Edema）、腹部脹大（水腫容易發生在 鬆軟組織）、免疫力下降（缺乏胺基酸以用來製造 抗體）。 3. 發生地區：常發生在乾旱、飢荒國家的小孩身上。 如：馬拉威的食物有 90 %是玉米（缺乏 Trp 和 Lys）、麵粉、水，及 10 %的蔬菜，缺乏蛋白質的攝 取。 4. 水腫原因：蛋白質攝取不足 → 無法合成足夠的白蛋 白（提供血液滲透壓）→ 液體留在組織間 → 產生水腫 § 靜水壓（Hydrostatic pressure）與膠體滲透壓（Oncotic pressure） 一、 血管與組織間的體液平衡 (一) 人體內的組織間液（Interstitial fluid）須不斷更換。藉由血管可將組織間液送到特 定器官（如肺臟、腎臟）進行物質的交換，故組織及血液間的分子及水需有適當 的平衡才可在體內循環，維持體內恆定。 (二) 水移動的方向藉組織與血管間的壓力差調控。 1. 靜水壓（Hydrostatic pressure, P）：把水擠出血管。 (1) 因心臟持續跳動，血管中有一壓力（Pc）使水傾向往組織移動。 (2) 組織間沒有心臟給予的壓力，Pi 幾乎為 0。 2. 膠體滲透壓（Oncotic pressure, π）：把水吸進血管。 (1) 血液中富含電荷的大分子白蛋白（Albumin）使滲透壓變高、造成 πc，水從組 織間跑到血管中。 (2) 組織間沒有這種大分子，故 πi 幾乎為 0。 5  生化共筆 Vol. 6 3. 因組織間的 Pi 和 πi 趨近於 0，故水的移動主要取決於血管中的 Pc 和 πc。 (1) Pc 由心臟提供，故動脈端較靜脈端高。 (2) πc 由白蛋白造成，其在血管中的濃度沒有太大的變化，故可以看成一定值。 (3) 在動脈端時 Pc > πc，水會從血管跑到組織間；隨著血液在血管中流動，Pc 逐漸 變小；當 Pc < πc 時，水會從組織間跑到血管中。此機制使水在體內產生循 環。 4. 淋巴（Lymph）系統可將水重新送回血管中，以調節組織液的量。 (三) 不同狀況下血管的壓力： 1. 正常情況：水離開血管的量 = 水進入血管的量 → 達到平衡 2. 高血壓：動脈端的靜水壓上升 → 水離開血管的量 > 水進入血管的量 → 產生水 腫 6 生化共筆 Vol. 6 3. 充血性心力衰竭（Congestive heart failure）： (1) 心臟力量不夠導致心輸出量下降，血液無法從靜脈被拉回心臟以致血液堆積 在靜脈端，使靜脈的 Pc 上升；動脈端因動脈具有彈性，尚能維持原本的 Pc。 (2) 水離開血管的量 > 水進入血管的量 → 產生水腫 4. 心房纖維顫動（Atrial fibrillation）： (1) 心房顫動，無法正常將血液擠到心室，導致心輸出量下降。壓力變化的情形 類似充血性心力衰竭。 (2) 水離開血管的量 > 進入血管的量 → 產生水腫 ※ （107 補充）心房顫動為一種常見的心律不整，因電脈衝由心房不同地方發出，使心臟 產生節律訊號的功能異常，導致心跳不規則且經常過快。 5. Kwashiorkor disorder： (1) 血液中缺乏白蛋白，πc 下降（整條 Oncotic pressure 線下移）。 (2) 水離開血管的量 > 進入血管的量 → 產生水腫 ※ (113 補充)因白蛋白是由肝臟製造，因此肝生病也會有水腫現象 7  生化共筆 Vol. 6 二、 膠體滲透壓的成因 (一) 右圖中有溶液 1 和 2，其中以半透膜分 隔，加壓以固定體積。Na+與 Cl-可自 由通透，但蛋白質（Pr5-）無法穿透。 溶液 1 為 6 mOsm，溶液 2 為 20 mOsm，水會傾向從溶液 1 滲透至溶液 2。但因有加壓固定體積，故兩溶液中 水的量不會改變，只能靠 Na+與 Cl-的 移動來平衡滲透度。 (二) 如下圖中 A、B、C 所示，一個 Na+從 溶液 2 移動到溶液 1 時，會帶動一個 Cl-跟著從溶液 2 移動到溶液 1（以保 持電中性），使兩邊的濃度梯度差變 小。 (三) 到下圖中 D 的狀況時，溶液 1 的 [Na+] 已高於溶液 2，但溶液 1 的 [Cl-] 仍低於溶液 2，此時 Na+從溶液 2 到溶液 1 的 Uphill potential 為 8/7，而 Cl-從溶液 2 到溶液 1 的 Downhill potential 為 7/3，Downhill potential > Uphill potential，故 Na+與 Cl-仍會從 溶液 2 移至溶液 1。 (四) 到下圖中 E 的狀況時，Na+的 Uphill potential 為 9/6，Cl-的 Downhill potential 為 6/4，Uphill potential = Downhill potential，此時達到平衡。平衡時，溶液 1 為 14 mOsm，溶液 2 為 12 mOsm，水變成傾向從溶液 2 滲透至溶液 1。 [𝑁𝑎+ ]2 [𝑁𝑎+ ]2 Nernst equation：∆𝐺2→1 = −𝑅𝑇 ln = −60 𝑚𝑉 × log [𝑁𝑎+ ]1 [𝑁𝑎+ ]1 (五) 因多電價性巨分子的存在而使兩邊滲透壓（Osmotic pressure）產生變化，即為膠 體滲透。如下圖中，因蛋白質的存在，水移動的趨勢從 A 的 1 → 2 變成 E 的 2 → 1。因為膠體滲透壓的緣故，水份能留在血液中而不會滲出造成水腫。 ※ （113 補充）膜電位就是把算出來的 Na+濃度代入 Nernst equation 即可算出 8 生化共筆 Vol. 6 課程主題 Amino acid: Degradation 上課時間 2024/10/11 第 2 節 授課教師 余明俊 製作者 郭容希、王穎婕 審查者 郭耀駿 課程簡介 胺基酸的四種來源、以及胺基酸代謝成尿素的三個步驟 課程大綱 § 胺基酸的分解代謝（Catabolism of amino acid） 一、肝臟中胺基酸的氮分解概覽 二、 胺基酸的四種來源 § 從胺基酸到尿素的三個主要步驟 一、 Transamination 二、 Ammonium Release 三、 Urea （ornithine） cycle § Aspartate-Argininosuccinate Shunt 一、 功能 二、 機制 § 尿素循環的調控 一、 長期調控 二、 短期調控 § 尿素循環相關的遺傳疾病 一、高氨血症第一型（Hyperammonemia type 1） 二、高氨血症第二型（Hyperammonemia type 2） 三、Hyperammonemia/NAGS deficiency 四、 HHH （Hyperornithinemia, Hyperammonemia, Homocitrullinuria） syndrome 五、瓜胺酸血症（Citrullinemia） 六、精胺丁二酸酵素缺乏症（Argininosuccinicaciduria） 七、高精胺酸血症（Hyperargininemia） § 尿素循環相關遺傳疾病的治療 一、 概覽 二、 作用機制 三、 藥物 9  生化共筆 Vol. 6 § 胺基酸的分解代謝（Catabolism of amino acid） 總架構 胺基酸來源 兩部分 肝臟代謝步驟 目標 1. Transamination 1. 攝食 氮分解 轉換成尿素 2. Deamination 2. 細胞 （銨離子） Urea 胺基酸的 3. Urea synthesis 3. 肌肉 Ala 異化代謝 4. 肌肉和其他 轉換成 碳分解 詳見本週共筆 組織 Gln Keto bodies （碳骨架） 胺基酸碳分解 或糖 一、 肝臟中胺基酸的氮分解概覽 (一) 所有胺基酸（含氮廢物）都會送到肝臟處理，含四種來源、三個降解步驟。 1. NH4+在血液中以 Ala 和 Gln 的形式運輸。 （註：Ala = Pyruvate + NH4+；Gln = Glu + NH4+） (二) 四個來源（紅色含框數字 1234） 1. 由食物中攝取進來的胺基酸（蛋白質消化）。 2. 由細胞中降解而來的胺基酸。 3. 肌肉代謝胺基酸產生的 Ala。 4. 肌肉和其他細胞代謝產生的 Gln。 10 生化共筆 Vol. 6 (三) 三步降解（橘色無框數字 123） 1. Transamination：將胺基酸的胺基轉移到 α-Ketoglutarate 形成 Glu。 2. Deamination：去掉 Glu 的-NH3+ 或去掉 Gln 的-NH2 並釋出 NH4+，同時失去胺 基的 Glu 變回 α-Ketoglutarate，可以重新接收胺基。 （α-Ketoglutarate 也可以進入檸檬酸循環） 3. Urea synthesis：NH4+進入尿素循環。 (四) Glutamine 的醯胺基降解 (五) 到目前為止，我們處理的都是 α 碳上所連接的含氮基團，然而 Gln 具有兩個 N， 故其側鏈上的醯胺基會透過 Glutaminase 把 NH4+丟出來，使 Gln 形成 Glu 後再繼續 代謝。 二、 胺基酸的四種來源 (一) 食物蛋白質的消化分解 1. 胃（Stomach） (1) 在物理（食物進入對胃壁產生的壓力）與化學刺激（胺基酸）之下，胃黏膜 （Gastric mucosa）會分泌胃泌素（Gastrin）。 ※ （113 補充）食物進入胃造成胃膨脹，進而產生壓力。 (2) 受到胃泌素刺激，主細胞（Chief cell）會分泌不具活性的胃蛋白酶原 （Pepsinogen）、壁細胞（Parietal cell）會分泌 HCl。 (3) 不具活性的胃蛋白酶原在酸性環境下被切割成為具活性的胃蛋白酶 （Pepsin）。（註：酶原（Zymogen）通常以-ogen 結尾，是沒有酵素活性的前 驅物，分泌後不會傷害組織，經過切割後才具有活性） (4) 胃蛋白酶原尾部會抑制本身的催化部位（圖中較粗的部分）而保持無活性， 當 H+出現使蛋白質構形改變，就會進行 Autolytic activation 自行切除尾部，形 成活化態。而活化的胃蛋白酶又會幫助下一個胃蛋白酶原切割，形成越來越 多的胃蛋白酶消化蛋白質，此為正回饋的例子（自催化反應）。 11  生化共筆 Vol. 6 2. 腸（Intestine） (1) 當脂肪酸和胺基酸進入十二指腸後，會刺激十二指腸（Duodenum）的腸內分 泌細胞（Enteroendocrine cell）分泌膽囊收縮素（Cholecystokinin, CCK），其 為一種多肽激素（Peptide hormone），能促進胰臟分泌消化酵素、膽囊收縮釋 出膽汁。 (2) 胰臟則分泌胰蛋白酶原（Trypsinogen）胰凝乳蛋白酶原（Chymotrypsinogen） 羧肽酶原 A（Procarboxypeptidase A）羧肽酶原 B（ProcarboxypeptidaseB） ※ （104 補充）胰臟分泌酵素之活化： Trypsinogen 被 Enteropeptidase 切割後成為活化的 Trypsin。Trypsin 再活化 Chymotrypsinogen 及 Procarboxypeptidase。 ※ （113 補充）Pro-是尚未的意思 (3) （113 未提）切割多肽的蛋白酶（Protease）： (a) Carboxypeptidase：切割 C-terminus。 (b) Aminopeptidase：切割 N-terminus。 (c) Enteropeptidase（腸激酶）：切割肽鏈中間。 (4) 胺基酸經過小腸消化吸收後，隨著肝門靜脈運送到肝臟。 (二) 細胞內的蛋白質降解 1. 機制簡說：細胞內蛋白質降解主要透過蛋白酶體（Proteasome）和溶體 （Lysosome）完成，一般藉泛素（Ubiquitin）作水解標籤，再引導進入降解胞 器由酵素分解，而將蛋白標記泛素的步驟包括： (1) 活化：泛素活化酶 E1 接收泛素並將其激活。 (2) 結合：E1 將活化後的泛素轉送至泛素結合酶 E2。 (3) 辨識與接合：泛素連接酶 E3 將 E2 的泛素轉移到目標蛋白上。E3 可辨識受質 且會和 E2 作用，故可將 E2 上的泛素轉移至蛋白質，連接泛素的羧基至目標 的 Lys 上形成肽鍵。 (4) 比喻：Ubiquitin 像膠帶（黏到目標蛋白的標籤），E1 像膠帶台（膠帶剛開始 的結合位置），E2 像拿膠帶的手（轉黏到手上），E3 是決定膠帶貼在哪的腦 袋（辨識並黏上去）。 ※ （113 補充）E3 為主要調控者，決定泛素結合方式與位置 12 生化共筆 Vol. 6 2. 漫畫解析 (1) E3 決定要將 Ubiquitin 接到哪一個蛋白質上。 (2) Mincer 的本意是絞碎機，在漫畫中借代為 Ubiquitin-dependent 26S proteasome。 (3) Ubiquitin（Ub，約 8kDa）標籤欲分解的蛋白 ： (a) E1 藉 ATP 活化 Ub，並將 Ub 轉移到 E2。 (b) E3 可辨認需要摧毀的目標蛋白質。由於 E2-Ub complex 和 E3 的結合位置非 常接近目標蛋白質，使得 Ub 可被轉移到目標蛋白上。 (c) E3 酵素釋放出具有 Ub 的蛋白質。重複 (a)、(b) 數次，使得目標蛋白質上具 有由 Ub 構成的短鏈。 (d) 這個 Ub 短鏈經 Ubiquitin-dependent 26S proteasome 辨識後，Ub tag 會脫落， 而蛋白質則被切成碎片。 13  生化共筆 Vol. 6 3. Ubiquitination 調控失常的例子：Liddle syndrome 有框與高血壓有關、無框與低血壓有關 (1) Liddle Syndrome：一種體染色體顯性遺傳疾病，由於基因突變造成上皮鈉離子 通道（ENaC）結構改變，無法再經泛素化（Ubiquitination）正確分解，因此 ENaC 數量過多讓大量 Na+和水分流入，造成高血壓。 (2) 體內有 60 %是水分：40 %的水存在於細胞內，20 %的水存在於細胞外（其中 16 %在組織間液、4 %在血液），用以運輸養分及廢物。循環為封閉系統，體 內過多的水分由腎臟排出，若排出過程有錯誤，如吸收過多 NaCl，則會留住 過多的水在封閉系統中，導致高血壓。 (3) 上皮鈉離子通道（ENaC, Epithelial Sodium Channel）： (a) ENaC 負責遠曲小管鈉離子的再吸收。 (b) 透過控制 ENaC 的數量以控制水分進出，過多的 ENaC 使得再吸收的 Na+過 多，Cl-為維持電中性會跟著進入，水分因此進入血液，導致高血壓。 14 生化共筆 Vol. 6 (4) Nedd4-2 是一個 E3 protein，可以標記 ENaC 以移除之。正常的 ENaC 與 Nedd4-2 作用有兩種機轉：當 ENaC 產生突變使得 E3 無法以 Ubiquitin 標記 之，兩個機轉都會失效，無法將 ENaC 從細胞膜上移除，最終因 ENaC 過多而 導致過多水份被再吸收回腎小管進而造成高血壓，即 Liddle Syndrome。 (a) Monoubiquitination（Ub 接在不同的胺基酸上）： 送至溶體（Lysosome）降解。 (b) Polyubiquitination（Ub 接在同一個胺基酸上）： 送至蛋白酶體（Proteasome）降解。 15  生化共筆 Vol. 6 (三) Ala 將 NH4+從骨骼肌運送到肝臟（Glucose-alanine cycle） 1. 骨骼肌 (1) 蛋白質分解成胺基酸。 (2) Transamination 1：胺基轉移至 α-Ketoglutarate 形成 Glu。 (3) Transamination 2：Glu 把胺基給 Pyruvate 形成 Ala。 (4) Ala 帶著胺基經血液運到肝臟。 2. 肝臟 (1) Ala 把胺基轉移至 α-Ketoglutarate，自己變回 Pyruvate（可進行糖質新生）， α-Ketoglutarate 則變成 Glu。 ※ （113 補充）因為 Pyruvate 能階較高，可繼續進行糖質新生。 (2) Glu 脫去胺基（Oxidative deamination）變回 α-Ketoglutarate，得以繼續接收其 他胺基。 (3) 上一步脫掉的胺基最後會被代謝成尿素。 3. 將骨骼肌中胺基酸之胺基轉移到 Ala 的機制（Transamination）： (1) 胺基酸與 α-Ketoglutarate 反應生成 α-Keto acid 與 L-Glutamate。此反應由 Aminotransferase 催化，PLP 作為輔酶（其功能之後會提及）。 (2) L-Glutamate 與骨骼肌中的 Pyruvate 反應生成 α-Ketoglutarate 與 Ala，此反應由 Alanine aminotransferase 催化。 4. Ala 的工作 (1) 運輸 Pyruvate（高能量的三碳化合物）到肝臟成為新的能量來源。 (2) 把氮的廢棄物從肌肉轉到肝臟形成尿素排出體外。 16 生化共筆 Vol. 6 (四) Gln 為血液中 NH4+的載體 1. 在許多組織中，胺基酸或核苷酸分解產生的 NH4+對於細胞毒性很大，因此會與 Glu 結合形成 Gln，再經由血液送到肝臟中，把氮進一步代謝形成尿素。步驟如 下： (1) 加上一個磷酸根使 Glu 活化：Glu 經由 Glutamine synthetase 消耗 1 個 ATP 磷 酸化為 γ-Glutamyl phosphate。 (2) γ-Glutamyl phosphate 與組織中的 NH4+經 Glutamine synthetase 作用，使 γ-Glutamyl phosphate 脫去磷酸根，接上 NH4+，產生 Gln。 (3) L-Glutamine 經血液運送至肝臟。 2. 肝臟負責含氮廢物的代謝，肌肉所產生的代謝負擔都交給了肝臟，所以才說： 「肝若毋好，身體就毋好！」 17  生化共筆 Vol. 6 § 從胺基酸到尿素的三個主要步驟 Glutamate dehydrogenase 一、 Transamination (一) 所有胺基酸都會經過 Transamination 形成 L-Glutamate 以代謝胺基。 (二) 將胺基酸以及 α-Ketoglutarate 經由 Aminotransferase 和 PLP 作用產生 α-Keto acid 與 L-Glutamate。 （註：Step 1 Transamination + Step 2 Oxidative deamination = Transdeamination） (三) PLP（Pyridoxal phosphate，為 Vitamin B6 的活性形式）為所有 Aminotransferase 的 輔因子，因其 C=O 易接上胺基變為亞胺（Imine），能夠作為 α 胺基的中間載體， 是以共價鍵連接的輔因子。 (四) PLP 與 Aminotransferase 的 Lys 殘基以 Schiff base linkage（含有 Imine）相連接。 Schiff base linkage 不穩定，容易在有鹼的環境下斷開後和其他物質形成新的 Schiff base linkage。 18 生化共筆 Vol. 6 (五) PLP 作為輔酶的反應機制 1. PLP 與胺基酸上的 α 胺基結合，形成新的 Schiff base。Schiff base 很不穩定，易 發生逆反應，再與其他類似物形成新的 Schiff base。藉由 PLP 的這個特性來進 行 Transamination。 2. PLP 上的醛基像棒球手套，可以接一個胺基（球），然後把它傳出去。 3. Transaminase 上的胺基酸殘基扮演鹼，將碳上的 H 拔掉，接著在另外一個位置 接上 H，如此一來 C=N 便換了位置。 （註：碳上的氫原本不能隨便拔掉，但是 PLP 提供了強大的共振結構，分散碳 上的負電） (1) C=N 換位前，原本 PLP 作為酮（Ketone 和 Imine 可視為同義）、胺基酸作為 胺基提供者所形成的 Imine。 (2) C=N 換位後，變成 PLP 作為胺基提供者、胺基酸作為酮所形成的 Imine。將此 Imine 水解後，胺基便成功轉移到 PLP 上。 4. 經由一連串的電子轉移後，胺基酸形成 α-Keto acid 離開，PLP 則形成 Pyridoxamine phosphate。 5. 之後 α-Ketoglutarate 會與 Pyridoxamine phosphate 反應，接受 α 胺基，形成 Glu。此即為前述反應的逆反應，只是原先的產物 α-Keto acid 替換成另一種 α-Keto acid（即 α-Ketoglutarate），倒過來反應一次。 19  生化共筆 Vol. 6 (六) Ping-pong reaction 1. 酵素利用共價鍵保留第一個反應受質的一部份，在接上第二個受質前，先釋放 第一個反應的產物。可表示為： E + S1 ↔ ES1 ↔ E’P1 ↔ P1 + E’ E’ + S2 ↔ E’S2 → E + P2 2. PLP 的反應機制可視為一 Ping-pong reaction： (1) PLP 先與胺基酸反應產生 α-Keto acid 與 Pyridoxamine phosphate (2) α-Keto acid 離開 (3) α-Ketoglutarate 加入，再與 Pyridoxamine Phosphate 反應產生 L-Glutamate。 3. 因為以上步驟幾乎都是平衡反應，整個反應可視為先向右反應後，釋放產物 1，接上受質 2，再向左反應。 (七) GOT、GPT 是肝臟裡的酵素，若肝臟細胞受傷、破損的話，GOT、GPT 在血液中 濃度會上升，為肝臟受損的指標。 ※ （107 補充）Alanine aminotransferase（ALT 或 GPT）可以作為肝臟發炎的指標之一；而 Aspartate aminotransferase（AST 或 GOT）除了作為肝臟發炎的指標外，亦可能是心肌 梗塞、骨骼肌發炎的病徵。 (八) （112 補充）PLP 除了 Transamination 的功能以外，還有兩個功能： 1. PLP-mediated Racemization：在 Transamination 的反應機制中，在將 Schiff base intermediate 轉換成 quinonoid intermediate 的步驟中，被鹼拔掉氫離子的碳形成 了一個 sp2 的 Prochiral center，而在進行逆反應時，H 可以從兩側接回碳上，從 而產生 L-form 或 D-form 的產物。 20 生化共筆 Vol. 6 2. PLP-mediated decarboxylation：PLP 也可以用類似的原理進行 Decarboxylation， 在反應由 Schiff base intermediate 轉換到 Quinonoid intermediate 的時候，不外加 鹼去拔走碳上的 H，而是脫去 COO-基，再進行逆反應就可以達成 Decarboxylation。 21  生化共筆 Vol. 6 二、 Ammonium Release (一) 分為 Oxidative deamination 和 Deamination。因為 α 碳上的胺基較穩定，所以需要 靠 Glutamate dehydrogenase 將胺基形成較不穩定的 Imino group，再用親核基 （H2O）使其脫去。而醯胺基上的 N 因相比之下較不穩定，所以只需要 Glutaminase 水解掉醯胺鍵就可以脫去。 1. Oxidative deamination（α 胺基上的胺）： (1) Glutamate dehydrogenase 催化 Glu 的胺基形成亞胺（Imino group），並使 1 個 NAD(P)+ 還原成為 NAD(P)H。 (2) 因為亞胺在有水的環境下極不穩定，中間產物遇水並脫去 NH4+，產生 α-Ketoglutarate。 2. Deamination（醯胺中的胺）：L-Glutamine 直接經由 Glutaminase 加水並脫去 NH4+，產生 L-Glutamate。 Nitrogen in α-amine (二) 銨（NH4+）對大多數動物有毒性 1. 造成腦部水分增加，嚴重可能造成腦部水腫（Brain edema）（腦細胞內或細胞 間質有過多液體），傷害腦部功能。 2. 造成 Glu（NH4+ + α-Ketoglutarate）或 Gln（NH4+ + Glu）濃度上升，進而造成 滲透壓上升。若兩者生成在腦部，會影響腦部滲透壓，造成腦水腫。 3. 造成神經傳遞物質 γ-Aminobutyrate（GABA）的前驅物 Glu 被消耗，使腦部運 作受損。 （雖然 Glu 濃度可能增加，但因為 NH4+過多，Glu 會被拿去製造 Gln） 22 生化共筆 Vol. 6 (三) 不同動物處理銨類化合物的方法 1. Ammonotelic：硬骨魚生活在水份充足環境，可以直接排出 NH4+。（1 克的氮 需要約 0.5 公升的水） 2. Ureotelic：大多數陸生動物和軟骨魚排放尿素於尿液中（需水）。 3. Uricotelic：鳥類和爬蟲類排放固態的尿酸（Uric acid）於固態排泄物中（不需 水）。 三、 Urea（Ornithine）cycle (一) 總覽 1. NH4+經尿素循環的五個步驟，在肝細胞的胞質液中形成尿素。步驟一、二在肝 細胞的粒線體進行，步驟三到五在肝細胞的胞質液中進行。 2. 總反應是將兩個胺基（一個為 NH4+ 形式，另一個為 Asp 的胺基），與一個 HCO3-，合成一分子的尿素。 3. （113 未提）產生一分子尿素，反應共需四個高能磷酸鍵： (1) 2 個用來產生 Carbamoyl phosphate。 （2 ATP → 2 ADP + Pi，另一個 Pi 形成 Carbamoyl phosphate） (2) 2 個用來產生 Argininosuccinate。（ATP → AMP + PPi） (3) 然而，產生的 Fumarate 可在檸檬酸循環中產生一分子的 NADH，相當於 2.5 個 ATP，故生成尿素並沒有那麼耗能。 23  生化共筆 Vol. 6 24 生化共筆 Vol. 6 (二) 步驟 1. 生成 Carbamoyl phosphate (1) 反應：NH4+ + HCO− 3 + 2 ATP → Carbamoyl phosphate + 2 ADP + Pi (2) 酵素：Carbamoyl phosphate synthetase 1 2. 生成 Citrulline (1) 反應：Carbamoyl phosphate + Ornithine → Citrulline (2) 酵素：Ornithine transcarbamoylase (3) Ornithine 作為親核基攻擊 C=O，使磷酸根離去。 3. 生成 Argininosuccinate (1) 前置作業：Glu 把胺基丟給 Oxaloacetate 產生 Asp，Glu 則變成 α-Ketoglutarate。 (2) 反應步驟 (a) Citrulline 被 1 個 ATP 活化後，釋出 PPi 和 Citrullyl-AMP。 (b) Asp 再與 Citrullyl-AMP 反應，產生 Argininosuccinate。此步驟形成亞胺， Asp 作為一級胺，Citrullyl-AMP 作為被活化的酮。 (3) 酵素：Argininosuccinate synthetase (4) 此步驟中，用掉一分子 Asp，形成一分子 Argininosuccinate。 (5) Asp 與 Citrulline 合成 Argininosuccinate，其組成可以看成是 Arg 和 Succinate 組成的結構。不要被 Arginino-的字首誤導，以為反應物是 Arg。 (6) 循環中加入了第二個 N（來自 Asp），至此尿素的兩個 N 湊齊，接著就要開 始進行分解。 4. Argininosuccinate 的分解 (1) 反應：Argininosuccinate → Arginine + Fumarate (2) 酵素：Argininosuccinase (3) 可視為脫除反應（Elimination），在 Fumarate 上產生雙鍵，Arg 為離去基。 (4) Fumarate 可轉換成 Malate，可送回檸檬酸循環再生成 Oxaloacetate。 Oxaloacetate 可再從 Glu 上搶走一個胺基（Transamination）生成 Asp，因此尿 素循環可以一直進行。此過程稱作 Aspartate-Argininosuccinate Shunt，連結尿 素循環與檸檬酸循環。 5. Arg 釋放尿素 (1) 反應：Arg 水解產生尿素與 Ornithine。 (2) 酵素：Arginase (3) Arg 側鏈與尿素結構相近，脫除尿素後剩餘部分即 Ornithine。可視為亞胺的水 解，尿素作為酮，Ornithine 作為一級胺。 25  生化共筆 Vol. 6 § Aspartate-Argininosuccinate Shunt 一、 功能 (一) 進行一輪尿素循環會消耗一個 Asp，產生一個 Fumarate。若 Asp 未經補充，則尿 素循環便無法持續進行。Aspartate-Argininosuccinate Shunt 可協助補充 Asp，消耗 一個 Fumarate 產出一個 Asp，使尿素循環能繼續進行。 二、 機制 (一) 尿素循環中 Asp 和 Citrulline 合成 Argininosuccinate，再分解為 Fumarate 與 Arg。 Arg 繼續進行尿素循環，而 Fumarate 則進入 Aspartate-Argininosuccinate Shunt，其 步驟如下： 1. 細胞質中，Fumarate 被代謝成 Malate。 2. Malate 進入粒線體，參與檸檬酸循環（第八步驟）轉換成 Oxaloacetate。 3. 在粒線體中，經由 Oxaloacetate 和 Glu 的轉胺反應（Aspartate aminotransferase 催化）生成 Asp 和 α-Ketoglutarate。 4. Asp 被運送到細胞質中，作為 Argininosuccinate synthetase 所催化的尿素循環反 應之氮提供者。 26 生化共筆 Vol. 6 § 尿素循環的調控 一、 長期調控 (一) 在長期饑餓或高蛋白飲食的情況下，蛋白質會被分解作為能量來源。此時，尿素 循環中的五種酵素表現量都會增加，以幫助含氮廢物的排除。 (二) 尿素循環中的五種酵素 1. Carbamoyl phosphate synthetase I 2. Ornithine transcarbamoylase 3. Argininosuccinate synthetase 4. Argininosuccinase 5. Arginase 二、 短期調控 (一) 進行高蛋白質飲食時，體內的胺基酸濃度會上升。其中，胺基酸之一的 Glu 會在 N-Acetylglutamate synthase（NAGS）的催化下，與 Acetyl-CoA 反應形成 N-Acetylglutamate。此物質可活化 Carbamoyl phosphate synthetase I（尿素循環第一 個酵素），促進尿素的合成。 27  生化共筆 Vol. 6 § 尿素循環相關的遺傳疾病 配合尿素循環的流程圖看圖說故事。 （113 考法：要可以用圖片和疾病名推論出病因）（必考病因、配合題填酵素） 28 生化共筆 Vol. 6 一、 高氨血症第一型（Hyperammonemia type 1） (一) Hyper-：Super/over；-emia：Associated with blood (二) Carbamoyl phosphate synthetase I 缺乏或突變失去功能。 (三) 影響反應：NH4+ + - + 2 ATP → Carbamoyl phosphate + 2 ADP + Pi 二、 高氨血症第二型（Hyperammonemia type 2） (一) Ornithine transcarbamoylase 出問題，是 X 染色體隱性遺傳疾病。 (二) 影響反應：Carbamoyl phosphate + Ornithine → Citrulline 三、 Hyperammonemia/NAGS deficiency (一) 缺乏 N-Acetylglutamate synthase，造成 N-Acetylglutamate 合成量不足，使得尿素循 環的第一個酵素（Carbamoyl phosphate synthetase I）無法被活化。 四、 HHH （Hyperornithinemia, Hyperammonemia, Homocitrullinuria）syndrome (一) Ornithine permease 可以把在 Cytosol 製造的 Ornithine 送入粒線體，若 Ornithine permease 異常，Ornithine 便會累積（Hyperornithinemia），連帶使得 NH4+也會跟 著累積（Hyperammonemia）。 ※ （113 補充）-uria 為尿液的意思 (二) 此時，粒線體內就沒有 Ornithine 可跟 Carbamoyl phosphate 反應，Carbamoyl phosphate 便只能跟 Lys 反應，形成 Homocitrulline。正常情況下尿液中不含有此成 分，故當尿液中發現過多的 Homocitrulline 時（Homocitrullinuria），就能知道身體 可能出了一些狀況。 Lysine Homocitrulline 五、 瓜胺酸血症（Citrullinemia） (一) 缺乏 Argininosuccinate synthetase。患者的 Argininosuccinate synthetase 在細胞內少 到無法偵測，使得患者體內此酵素的 Km 值比正常人高了 25 倍，意味著在相同的 Citrulline 濃度下，Argininosuccinate 生成的速率會小很多。 ※ （113 補充）由疾病名可以看出和 Citrulline 有關，並可以推論出應該是後續作用出現問 題 六、 精胺丁二酸酵素缺乏症（Argininosuccinicaciduria） (一) 缺乏 Argininosuccinase，造成 Argininosuccinate 累積。 (二) 影響反應：Argininosuccinate → Arginine + Fumarate 七、 高精胺酸血症（Hyperargininemia） (一) 由於 Arginase 的量少，因此患者的 Arg 在細胞裡面比正 常人多，是一種體染色體隱性遺傳疾病。 (二) 影響反應：Arg 水解產生尿素與 Ornithine。 29  生化共筆 Vol. 6 § 尿素循環相關遺傳疾病的治療 一、 概覽 (一) 當患者尿素循環當中有酵素無法作用時，NH4+便難以排除。常用的療法是用 Benzoate 跟 Phenylbutyrate 當作藥物，分別讓 Gly 與 Gln 兩種胺基酸形成可以隨著 尿液排出的 Hippurate 或 Phenylacetylglutamine，提供 NH4+的排除途徑。 二、 作用機制 (一) 將 Gly 和 Gln 藉由 CoA-SH 的幫助接上藥物。這兩種經過修飾的胺基酸不會被腎小 管再吸收而隨尿液排出。回收胺基酸需要透過載體蛋白，而載體蛋白無法辨識修 飾後的胺基酸） ※ （113 補充）一般情況下，由於無法排除人體攝取非必需物質的可能性，腎臟會先排出 廢物，再將生命所需物質（如胺基酸）吸收回人體；此藥物的作用即透過修飾胺基酸， 使修飾後的胺基酸不被載體蛋白辨認，進而排出體外。 三、 藥物 (一) 苯甲酸鹽（Benzoate）： Benzoate 能先與 CoA-SH 形成 Benzoyl-CoA，再與 Gly 形成可自尿液中排出的 Hippurate。 (二) 苯基丁酸（Phenylbutyrate）： Phenylbutyrate 能先與 CoA-SH 形成 Phenylacetyl-CoA，再與 Gln 形成可自尿液排出 的 Phenylacetylglutamine。 30