氨基酸的脫氨與氨基酸氧化酶

氨基酸失去氨基稱為脫氨，是機體氨基酸分解代謝的第一步。絕大多數氨基酸先脫氨生成α-酮酸，再氧化分解或轉化為其他物質。脫氨可分為氧化脫氨和非氧化脫氨兩類，前者普遍存在，後者主要存在于某些微生物。

氧化脫氨是指氨基酸在氨基酸氧化酶催化下脫氫生成亞氨基酸，再水解生成酮酸和氨。脫下的氫由黃素蛋白傳遞給氧，生成過氧化氫。此類酶多以分子氧為電子受體，所以命名為氧化酶。氨基酸氧化酶大緻分為三類：L-氨基酸氧化酶、D-氨基酸氧化酶和專一性氨基酸氧化酶。

L-氨基酸氧化酶作用機制。引自J Venom Anim Toxins Incl Trop Dis. 2014

L-氨基酸氧化酶（L-amino-acid oxidase，LAAO，EC1.4.3.2）可以催化多數L-氨基酸脫氨，但不催化甘氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、賴氨酸等。幾乎所有的LAAO都是二聚體結構的黃素蛋白，每個亞基都含有黃素單核苷酸（FMN）或黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）輔因子。人的LAAO以FMN為輔因子。

通常在蛇毒中含有大量L-氨基酸氧化酶，稱為SV-LAAO。LAAO中的黃素是許多蛇毒的特征性黃色，其産生的過氧化氫造成的氧化應激是其毒性的重要原因。

SV-LAAO具有凋亡誘導、細胞毒性、誘導和/或抑制血小闆聚集、出血、溶血、水腫、以及抗菌、抗寄生蟲和抗HIV活性。目前SV-LAAO的抗腫瘤活性也有很多報道，如抑制腫瘤細胞增殖，誘導腫瘤細胞凋亡等。有研究者認為sv-LAAO對癌細胞具有優先的細胞毒性作用，是潛在的基于ROS的抗癌藥物（Toxicon. 2018 Mar 15;144:7-13.）。

眼鏡王蛇LAAO誘導腫瘤細胞凋亡。引自Int J Med Sci. 2014

D-氨基酸氧化酶（DAAO，EC1.4.3.3）用于D-氨基酸的氧化代謝。DAAO也屬于黃素酶類，人體的DAAO以FAD為輔因子。在工業上，DAAO可以用來拆分外消旋氨基酸，催化抗生素合成等。

DAAO催化D-氨基酸氧化。引自Front Mol Biosci. 2018

D-氨基酸雖然不能構成蛋白質，但也有重要生理功能。例如，D-絲氨酸可以激活N-甲基D-天冬氨酸受體（N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR），從而調節大腦功能，如學習、記憶等。

D-絲氨酸通過NMDAR調控大腦功能。引自Biol Psychiatry. 2017

饒毅課題組曾經報道過果蠅腸道上皮細胞可以産生D-絲氨酸，通過NMDA受體促進睡眠。緻幻劑苯環利定（PCP，又稱天使之塵）就是一種NMDAR的非競争性拮抗劑，會誘發精神分裂。

在中樞神經系統中，D-絲氨酸的分解代謝主要由DAAO負責。有研究認為DAAO水平與D-絲氨酸水平及認知缺陷的嚴重程度相關。

專一性氨基酸氧化酶用于氧化特定氨基酸，如甘氨酸氧化酶、L-賴氨酸氧化酶L-谷氨酸脫氫酶等。L-賴氨酸氧化酶（L-Lysine oxidase，EC 1.4.3.14）在賴氨酸的降解過程中起作用，催化哌可酸支路的第一步反應，在腦的賴氨酸代謝中起重要作用。

賴氨酸氧化酶催化的反應。

谷氨酸脫氫酶（GDH）分布廣泛，活力高，在氨基酸脫氨過程中起着非常重要的作用。很多氨基酸的脫氨其實是通過轉氨作用轉移給α-酮戊二酸生成谷氨酸，最終由GDH完成的，稱為聯合脫氨。

谷氨酸脫氫酶催化的反應。引自themedicalbiochemistrypage

GDH是同六聚體，以NAD或NADP為輔酶（所以稱為脫氫酶）。一般低等生物的GDH對NAD 或NADP具有嚴格的特異性，NAD依賴性GDH主要起分解作用，而NADP特異性酶參與生物合成，編号分别為EC1.2.1.2和EC1.2.1.4。

谷氨酸脫氫酶結構。引自Biology (Basel). 2017

哺乳動物GDH具有雙輔酶特異性（EC1.2.1.3），并具有複雜的活性調節機制，比如受到GTP别構抑制，被ADP和亮氨酸激活。複雜的調控機制說明它在代謝途徑中處于關鍵位置。

這個反應連接着三羧酸循環，與糖、脂代謝密切相關。在分解方向上，GDH可以氧化谷氨酸，進入三羧酸循環，可提供能量，也可轉變為乳酸或脂肪酸；在合成方向上，GDH可以合成谷氨酸，并進一步形成谷氨酰胺，同時還能減少氨對細胞的毒性。

谷氨酸脫氫酶與三羧酸循環。引自Biology (Basel). 2017

與能量代謝相關的酶一般都受細胞能荷調節。ATP和GTP對谷氨酸合成起正變構調節作用，而對氧化分解方向起負調節作用。除别構調節外，GDH也受到共價修飾調節，比如磷酸化、乙酰化和ADP-核糖化等。

谷氨酸脫氫酶的共價修飾調節。引自Biology (Basel). 2016

靈長類有兩種GDH，稱為GDH1和GDH2，分别由GLUD1和GLUD2基因編碼。人類的GLUD1位于10号染色體上，有18個外顯子。而GLUD2位于X染色體，沒有内含子，被認為是逆轉座的結果。現在認為GDH2的出現對人類是有利的，因為它具有不同的組織分布和調控方式，可以更靈活地應對環境變化，特别是在神經組織中。

GDH1廣泛分布，而GDH2主要在神經組織、腎和類固醇合成器官（如睾丸）中表達。GDH2不受GTP抑制，所以星形膠質細胞GDH2在強烈的興奮性神經傳遞條件下繼續起作用，從而可以承受更高的谷氨酸負荷。

谷氨酸在神經傳遞過程中的作用。引自J Neurochem. 2016

谷氨酸是興奮性神經遞質，在很多神經變性疾病中會出現GDH活性降低，導緻谷氨酸濃度升高，由于興奮性毒性而導緻腦損傷。而GDH活性過高也會損傷大腦。GDH過表達會導緻一些基因上調，包括與氧化應激、炎症、細胞損傷有關的基因，以及與帕金森症（PD）發生有關的α-突觸核蛋白基因等。有趣的是，GDH2受到雌激素抑制，所以女性PD患者對GDH過度活躍有抵抗作用，可能導緻對PD的早期保護。

非氧化脫氨包括還原脫氨、水解脫氨、脫水脫氨等多種。還原脫氨是在嚴格無氧時由氫化酶催化生成羧酸和氨。水解脫氨由水解酶催化，生成α-羟酸和氨。

絲氨酸和蘇氨酸可以在脫水酶催化下産生雙鍵，重排成亞氨基酸後自發水解生成酮酸和氨。脫水酶以磷酸吡哆醛為輔基。半胱氨酸在脫硫氫基酶催化下脫去硫化氫，重排、水解後生成丙酮酸和氨，稱為脫巯基脫氨。還有一種氧化-還原脫氨，是兩個氨基酸一個氧化，一個還原，脫去兩個氨，生成酮酸和脂肪酸。

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