【健康探理】含硫氨基酸
2019/4/16 11:15:52 健康探理
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导读：本篇文章《含硫氨基酸》约3700字。
含硫氨基酸
高同型半胱氨酸和含硫氨基酸
在慢性病的风险因素中，高同型半胱氨酸血症越来越引起人们的关注。心血管疾病、中风、老年痴呆、精神分裂、老年骨质、慢性疼痛、衰老等等，都或多或少与高同型半胱氨酸有关联。
同型半胱氨酸是半胱氨酸的同系物，它的发现可以追溯到1932年，当时有科学家正在对硫脲胰岛素进行测试，他发现强酸处理蛋氨酸可以产生同型半胱氨酸。随后的研究表明，给动物喂同型半胱氨酸可以产生半胱氨酸，而摄入蛋氨酸以后也可以产生同型半胱氨酸。蛋氨酸是不能由动物从头开始合成产生的，只能从饮食中吸收而来，因此是一种饮食里的必需氨基酸。而半胱氨酸却不是必需氨基酸，因为它可能很容易从蛋氨酸中产生。
牛磺酸是某些物种在发育过程中必需的营养物质。牛磺酸是在1824年被发现的，由于它最初是从牛的胆汁中分离出来的，所以牛磺酸这个名字反映了它的牛起源(Bos taurus)。
蛋氨酸、半胱氨酸、牛磺酸、苯丙氨酸等等必须氨基酸都含有硫元素，为含硫氨基酸。这些化合物为什么它们含有硫，或者说硫酸对这些氨基酸的功能有哪些基本性质的影响？
蛋氨酸和半胱氨酸被接纳进入蛋白质分子结构中，也发挥着重要的代谢作用。然而，我们认为它们在蛋白质中的作用是它们的主要和关键的作用，而它们的代谢作用很可能是随后进化而来的，代谢作用主要是产生能量，含硫氨基酸并不提高能量产生的效率。
硫属于元素周期表的VIA基团。这一组还包括氧和硒。通过科学家的考虑，认识了这些氨基酸在蛋白质中的作用，以及如果硫原子被氧原子取代，这些氨基酸作用将会受到怎样的影响，由此揭示了硫的化学对这些氨基酸的功能的重要性。
半胱氨酸在蛋白质中最独特的作用就在于它能够与另一个半胱氨酸的残基形成二硫键，从而在体内提供一个很容易可逆的共价键。细胞外的蛋白尤其富含这种二硫共价键，这种二硫键可能是链内的，也可能是链间的，在决定蛋白质的稳定性方面起着基础性的作用。事实上，最早的生物工程例子之一就包括了半胱氨酸。1906年，卡尔·内斯勒(Karl Nessler)发明了一种神奇的机器，这种机器通过减少角蛋白中的二硫键来卷曲女性的头发，如果把头发缠绕在一系列的杆状物上，允许头发角蛋白的二硫键发生变化，头发就会卷曲。他最初的设计不太令人满意，他把他的妻子的头发搞掉了很多，以期的科学家都喜欢拿自己的妻子做科学实验，找外人不会意思而且成本还高。最终卷发设计还是得到了很大的改进，每个女人都可以负担得起托尼(“Toni”)的永久发型，现在的卷发技术仍然遵循这种减少角蛋白中的二硫键的技术。
丝氨酸是半胱氨酸的结构类似物，其中的硫原子被氧取代了，成了H2O结构，，所以丝氨酸就没有半胱氨酸中H2S的二硫化键的结构。这种重要的差异可能是由于H2O和H2S的酸解结果，因为丝氨酸和半胱氨酸完全可以被认为是H2O和H2S这两种化合物各自的酸性衍生物。H2S硫化氢是一种强酸，PH只有7.04; 而H2O的PH高达15.74, 所以，含H2S的半胱氨酸的PH是8.3，而不含硫的丝氨酸的PH是13。PH值不同，会直接影响蛋白质的疏水性。
s -腺苷蛋氨酸(SAM)是另一种非常通用的含硫辅因子，有人说，在参与生物化学反应的数量上，它仅次于ATP分子。基因组和代谢组的研究表明，SAM是所有已经被研究的生物体都必需的。因此，它可能被认为是生命的基本分子之一。SAM是20世纪50年代初发现的，它主要以作为甲基的供体而闻名，是许多甲基化反应所需要的活性甲基供体。目前已鉴定出来不少于60种不同的甲基转移酶，但这个数字可能还要高得多。对包括人类基因组在内的7个完全测序基因组的分析表明，一类SAM依赖的甲基转移酶占开放阅读框的0.6%至1.6%。在哺乳动物中，这个比例表明大约有300个1类甲基转移酶中必须添加数量未知的2类和3类酶。据了解，我们预计在未来几年里还会发现许多新的甲基转移酶。
SAM作为甲基供体作用的关键在于磺胺离子，特别是，靠近硫原子的碳原子的亲电性质使它们能够抽离电子，并促进它们转移到合适的亲核受体上。在甲基转移酶的帮助下，甲基基团被转移，产生甲基化产物和s -腺苷基同型半胱氨酸。
甲基化在胎儿发育、激素和神经细胞脑细胞的磷脂合成、蛋白质修复、解毒和基因表达调控等多种事件中发挥着重要作用。
在此背景下，我们有兴趣来探讨一下硫的重要性。为什么硫适合这些生化反应呢?考虑到蛋氨酸的两种可能类似物的情况，答案就变得显而易见了。一种情况是用氧取代硫，另一种是用亚甲基取代硫。在后一种情况下，甲基转移反应中的分子本质上是惰性的，因为甲基碳是不亲电的。由于氧这个原子的电负性非常高，与硫离子相比较，类似的氧离子化合物反应会非常剧烈，不需要酶的辅助就能随意反应。理想的生物甲基化产物应该具有潜在的可控的生物化学反应性，但其本身的随机反应性不应该太高，因此它将显示出明显的依赖催化的甲基化反应速率。所以s -腺苷蛋氨酸与氧化物比较，随机的、不受控制的、不希望发生的甲基转移反应发生率是非常低的。这就给生物体的化学结构带来了最终的稳定性。也就是说，含硫的s -腺苷蛋氨酸不会像氧化物一样，自由自在的随意发生氧化反应，而是必须在酶的作用下，可控的、根据身体需要的发生甲基化反应。氨基酸甲基化有序、可控、可进行的基础，就是含有硫元素。
所以，含硫氨基酸对稳定生物化学反应是至关重要的，如果用氧替换硫，整个生命体将无序、自动、不受控制的发生氧化反应，后果是灾难性的。
最近的研究已经阐明了甲基在人体内转移的数量方面。稳定同位素方法的应用，可以估计出总甲基量，共识值是16.7至23.4mmol/每天每70公斤体重的年轻人，估计在老年受试者中估计减少了将近10%。科学家在定量描述主要甲基转移酶方面也取得了一些进展，主些是肌酸的合成方面，涉及到胍乙酸甲酯转移酶，磷脂酰胆碱的合成是通过磷脂酰乙醇胺甲基转移酶实现的，磷脂酰胆碱对神经细胞至关重要。总的来说，日常饮食中的肌酸占了总甲基转移反应的80%，这些饮食可能每天能够提供4 - 8mmol的肌酸。另外一个主要的定量甲基转移酶反应是甘氨酸n -甲基转移酶，特别是在高蛋氨酸摄入量的情况下。这三种甲基转移酶要么主要存在于肝脏中，要么只存在于肝脏中，这说明肝脏是哺乳动物SAM利用的主要部位。除了这些定量的主要反应以外，SAM还能将其甲基基团转移到多种亲核受体上，包括蛋白质中的氨基酸残基、DNA和RNA中的碱基、小分子，甚至金属氧化物亚砷酸盐。因此，甲基化在胎儿发育、激素和神经细胞脑细胞的磷脂合成、蛋白质修复、解毒和基因表达调控等多种事件中发挥着重要作用。
SAM之所以重要，只需要看看它在血红蛋白、B12的酶中存在着，同时，硫锌酸、谷胱甘肽这两个人体最重要的抗氧化剂的合成更是以SAM为原材料的。谷胱甘肽，更是被认为是细胞生命攸关的抗氧化物和解毒物质。一个人要年轻，就必须要有足够的胶原蛋白，胶原蛋白富含硫，所以也必须要有足够量的谷胱甘肽。细胞内的谷胱甘肽耗尽后会怎么样？细胞会死亡。所以，现在危重病人的抢救也输注谷胱甘肽，其实没有什么效果，因为谷胱甘肽分子量太大了，很难进入细胞，合理的办法是补充足够的半胱氨酸，有生命的细胞会根据需要自动合成谷胱甘肽。
牛磺酸:另一种重要的含硫氨基酸
在大多数哺乳动物体内，牛磺酸都是由半胱氨酸合成的，但其合成能力存在着显著的差异。虽然绝大多数啮齿动物有很大的能力来合成牛磺酸，猫却没有。因此，牛磺酸就是猫的基本营养物质，是猫的必须氨基酸。人呢？人可以合成牛磺酸，所以牛磺酸不是人的必须氨基酸。
不能合成所需的大量的牛磺酸是野猫可能不是一个很大的问题，因为它们是食肉动物，它们的食物供应链会含有丰富的牛磺酸。但是家猫宠物猫，有可能就望了喂含牛磺酸的饮食，尤其是那些素食猫粮，是绝对不含牛磺酸的。虽然大多数的狗确实也合成了足够的牛磺酸，但是在某些情况下，特别是对某些较大品种的狗，如纽芬兰狗，牛磺酸就可能会缺乏，因为食狗粮，结果会导致狗的扩张型心肌病。牛磺酸的合成活性也是非常低的，证据表明，牛磺酸的合成量低到可以认为它也是人体必需的营养物质，尤其是早产儿、长期接受肠外营养的患者、可能还有纯素食者这些特殊人群，因为水果、蔬菜、谷物、豆类和坚果这些粮食、素食并不含有可测量的牛磺酸，实际上这些植物类食物的赖氨酸、B12也是很低的，植物根本就不需要B12，因为植物既没有神经也没有血红蛋白。素食，对人类的影响不是进化，而是退化，大熊猫不吃肉、该吃了竹子，实际上退化了。
牛磺酸确实扮演了许多角色，而且还越来越多，科学家们一直在认可牛磺酸的不断增多的那些作用。绝大多数氨基酸都是结合在蛋白质结构中的，而牛磺酸却是动物组织中最丰富的游离的氨基酸。例如，代表着肌肉中50%以上的游离氨基酸，这意味着肌肉可以把牛磺酸异生成糖作为能量满足爆发力所需。据报道，牛磺酸也是一种抗氧化剂和膜稳定剂，能够稳定细胞膜、细胞核膜、线粒体膜、溶酶体膜。长期以来，牛磺酸就一直被认为是共轭胆汁酸和牛黄酚去氧胆酸的必要物质，是胆汁中最重要的成分，用于将胆固醇降解产物排泄到胆汁中去。大多数胆汁酸盐可以被重新吸收，因此这一途径通常并不代表牛磺酸会大量的流失，但囊性纤维化患者的牛磺酸再循环能力是明显下降的，要长期多补充。牛磺酸还能调节免疫、调节血脑屏障，降低高血压的作用可能是通过一种抗交感神经的作用。近年来，牛磺酸的一些新功能还在陆陆续续被提出。
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