一文了解氨基酸的分类、代谢和应用

氨基酸（Amino acids）是在分子中含有氨基和羧基的一类化合物。氨基酸是生命的基石，人类所有的疾病与健康状况都与氨基酸有直接或间接的关系。氨基酸失衡可引起肝硬化、神经系统感染性疾病、糖尿病、免疫性疾病、心血管疾病、肾病、肿瘤等各类疾病。目前氨基酸代谢障碍所引起的疾病已超过400多种。氨基酸的检测已经成为健康诊断和疾病筛查的重要手段。伯远医学建立了一种基于LC-MS/MS平台的同位素内标的氨基酸分析方法，绝对定量检测23种氨基酸。

01 什么是氨基酸

氨基酸是含有碱性氨基(-NH2)、酸性羧基(-COOH)和有机侧链（也称为R基团）的有机化合物，它们的分子中至少含有一个碳原子和一个氮原子。氨基（-NH2）是一个带有两个氢原子和一个氮原子的碱性基团，赋予氨基酸一定的碱性性质。羧基（-COOH）是一个含有一个碳原子、两个氧原子和一个氢原子的酸性基团，使氨基酸具有酸性特性。R基团是一个包含不同元素和官能团的烃链或环状结构，其决定了常见氨基酸之间的区别，并影响其在生物体内的功能和相互作用。氨基酸的一般结构式可以表示为：H2N−CHR−COOH。

图1 氨基酸结构示意图（图片来源于Dreamstime）。

02 氨基酸的分类

1、根据化学结构和性质

按照R基团的极性或pH下与水相互作用的趋势等性质，氨基酸可以分为非极性氨基酸、极性不带电荷氨基酸、极性带正电荷氨基酸和极性带负电荷氨基酸四类。非极性氨基酸又称疏水氨基酸，侧链不含电荷，缺乏极性官能团，不溶于水，倾向于聚集在蛋白质内部形成疏水核心，如丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸等。极性不带电氨基酸侧链含有极性基团但总体电荷为零，在蛋白质中既可位于内部也可位于表面，如丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸等。极性带正电荷氨基酸又称碱性氨基酸，侧链带正电，呈碱性，通常位于蛋白质表面与环境相互作用，如赖氨酸、精氨酸、组氨酸等。极性带负电荷氨基酸又称酸性氨基酸，侧链带负电，呈酸性，同样分布在蛋白质表面与环境相互作用，如天冬氨酸、谷氨酸等。

2、根据营养学

氨基酸按照营养学可分为三类：必需氨基酸、半必需氨基酸和非必需氨基酸。必需氨基酸是指人体或其它脊椎动物不能合成或合成速度远不能适应机体需要，必须由食物蛋白质供给的氨基酸。必需氨基酸包括：赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸、组氨酸（幼儿必需氨基酸）。半必需氨基酸又称为条件必需氨基酸，是指那些正常状态下能内源性合成足够的量，但在特殊状况（如患病、创伤）时，必须靠饮食中补充，以满足需要的氨基酸。半必需氨基酸包括：胱氨酸、酪氨酸、精氨酸等。非必需氨基酸人体内能由前体物质合成，不需要从食物中获取的氨基酸。非必需氨基酸包括甘氨酸、丙氨酸、脯氨酸、酪氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、天冬氨酸、谷氨酸。

03 氨基酸的代谢

氨基酸根据核心结构官能团的位置可分为α-、β-、γ-、δ-氨基酸，其中大部分参与蛋白质合成的是α-氨基酸。人体可以通过食物的消化吸收、组织分解和体内合成三种途径获得氨基酸。进入氨基酸代谢池中的氨基酸可通过脱羧反应产生氨基和二氧化碳，或参与嘌呤、嘧啶等含氮化合物的合成，也可通过脱氨生成α-酮酸和NH₃。根据不同的酶和代谢途径，α-酮酸可进一步产生酮体，或参与氧化供能、糖和脂质的合成，NH₃则进入尿素循环。细胞或细胞器对氨基酸的摄取需要氨基酸转运蛋白（AAT）的参与。不同的氨基酸依赖于特定的AAT，但氨基酸和转运蛋白并不是一一匹配的。多个AAT可以转运一个氨基酸，同一个转运蛋白也可以转运多个底物。

图2 氨基酸代谢（Ling et al., 2023）。

04 氨基酸的应用方向

1、代谢性疾病的诊断

氨基酸代谢的异常与许多疾病的发生和发展密切相关，包括肥胖症、心血管疾病、脂肪肝等。临床上，可以通过检测血液或尿液中氨基酸的水平来诊断这些疾病。在新生儿期进行氨基酸检测筛查，能够为这些疾病的及时干预和治疗争取宝贵时间，避免严重的神经系统损伤和智力发育障碍。

2、肿瘤的治疗

越来越多的研究表明氨基酸在癌症代谢中具有重要的作用。通过氨基酸检测，了解肿瘤细胞中氨基酸的代谢特点，可以设计针对肿瘤细胞代谢的药物，从而实现对肿瘤的治疗。

图3 肿瘤中的氨基酸的代谢（Chen et al., 2024）。

3、营养支持

在慢性疾病、外科手术等情况下，患者的营养需求往往较高。氨基酸通过三羧酸循环而为机体提供能量，通过氨基酸检测可以评估患者的氨基酸需求，指导合理的营养支持治疗，并减少并发症的发生。

05 文献案例

2022年9月13日，哈尔滨医科大学附属第一医院姚丽芬教授团队在Brain Behavior and Immunity（IF：8.8）上发表了题为“Role of gut microbiota-derived branched-chain amino acids in the pathogenesis of Parkinson's disease: An animal study”的研究性论文。

1、研究背景

帕金森病（PD）是一种慢性进行性神经退行性疾病。至今，对于PD的治疗主要通过提高左旋多巴的含量，诱导大脑残存的多巴胺能神经元末梢多合成多巴胺，来改善运动功能。研究表明肠道菌群及其代谢产物紊乱与帕金森病（PD）相关。因此，本研究进一步探究了PD新的致病机制。

2、研究结果

（1）鱼藤酮对PD小鼠肠道和运动功能及α-syn病理学的影响

研究者通过观察一小时内粪便的排泄量、小鼠行为学测试及免疫荧光实验，发现鱼藤酮诱导3周的小鼠主要显示肠功能障碍，鱼藤酮诱导4周的小鼠表现肠道功能障碍和运动功能障碍。

图4 鱼藤酮破坏小鼠的肠道和运动功能（Yan et al., 2022）。

（2）鱼藤酮影响小鼠肠道微生物群的组成、多样性和动态变化

小鼠服用鱼藤酮后，分析了0周、3周和4周的微生物群落，发现与0周组相比，3周组厚壁菌含量及拟杆菌增加。与3周组相比，4周组的厚壁菌含量及拟杆菌下降。α-多样性和β-多样性进行微生物群落结构分析，发现三组之间的细菌组成存在明显差异。主成分分析进一步揭示，鱼藤酮处理导致了微生物群落构成的改变。通过聚类热图分析，确定了鱼藤酮处理0周、3周和4周组中微生物类群的变化，发现鱼藤酮与特定的细菌富集。

图5 鱼藤酮处理小鼠肠道微生物多样性的变化（Yan et al., 2022）。

（3）肠道细菌标志物与鱼藤酮的相关性

干预时间根据RF机器学习算法，分别建立0周与4周、0周与3周、3周与4周组的预测模型，在模型中0周与4周组、3周与4周组肠道微生物群变异较大，而0周与3周组之间的差异很小。

（4）鱼藤酮处理小鼠血清氨基酸产生的变化

对19种氨基酸进行定性定量分析，OPLS-DA模型显示0周组和4周组之间分离度较好。VIP得分大于1的的有8种氨基酸，包括亮氨酸、异亮氨酸、丝氨酸、缬氨酸、色氨酸、天冬酰胺和L-4-羟脯氨酸。S-t检验发现与0周组相比，4周组差异代谢物含量显著降低，且缬氨酸含量也下降，但两组间没有显著差异。MetaboAnalyst 5.0分析发现4周组富集到缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解途径。

图6 鱼藤酮治疗0周和4周小鼠的氨基酸代谢模式（Yan et al., 2022）。

（5）高支链氨基酸饮食减轻了鱼藤酮诱导小鼠的行为、病理特征、炎症反应

高支链氨基酸（BCAAs）饮食显著改善了口服鱼藤酮引起的肠道功能障碍、运动缺陷和多巴胺能神经元的损伤。ELISA分析，表明高BCAAs饮食能够降低TNF-α、IL-1β和IL-6三种促炎细胞因子的水平。

3、研究结论

本项研究以肠道微生物群及其代谢产物为研究对象，运用气相色谱-质谱技术、免疫学、靶向代谢组学分析、16S rRNA基因测序等技术，揭示了肠道菌群及其代谢产物失衡在PD发病机制中的关键作用，并提示高剂量的BCAAs补充可能是治疗PD的新方向。

06 小医叨叨

氨基酸是生命的基石，它们在生物体内发挥着重要的作用，包括构成蛋白质、提供能量、调节生理功能和保护身体健康等。了解氨基酸的性质、作用、在生物体中的含量，对于我们理解生命的本质，提高生活质量，疾病诊断与治疗等都有着重要的意义。我司建立了一种基于LC-MS/MS平台的同位素内标的氨基酸分析方法，可以为从事氨基酸研究的科研工作者提供相关服务。

07 我司优势

1、定量精准：使用同位素内标绝对定量，标准曲线R≥0.99；

2、灵敏度高：使用TSQ Altis （Plus）LC-MS/MS，灵敏度可达ng/mL级。

3、稳定性好：QC样品TIC重叠谱图好，且QC样本的RSD≤15%。

4、实验周期短：10～15个工作日交付项目结果。

08 样本要求

参考文献

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.