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組氨酸的代謝、生理功能及其作用機制
1 代謝
1. 1 體內合成
在生物體內,組氨酸可以通過一些普通中間物質轉化合成,合成過程簡單,中間主要涉及HMP等。
組氨酸生物合成途徑是由HMP途徑的中間產物D-核酮糖經磷酸戊糖異構酶生成D-核糖,再在磷酸核糖焦磷酸激酶作用下生成磷酸核糖焦磷酸(PRPP),然后進入組氨酸合成途徑。PRPP不僅是組氨酸的前體物,也是嘌吟、嘧啶的前體物,因此PRPP的合成不僅受到組氨酸的反饋調節,也受到嘌呤、嘧啶的反饋調節。
1. 2 體內降解
組氨酸降解主要有三個通路:脫氨反應、轉氨反應和脫羧反應。其中脫氨生成尿刊酸,最終轉化為亞氨甲基谷氨酸為主要通路。
組氨酸脫氨酶主要存在于肝臟和皮膚角質層中,其可以被胰高血糖素、糖皮質激素激活,加快組氨酸分解。雌激素能加強脫氨酶活性,有研究表明,卵巢切除雌性小鼠肝臟酶活性被抑制,注射17-β雌二醇后可恢復,加快了組氨酸的分解。尿刊酸是組氨酸脫氨代謝的一個中間產物,其能促進皮膚對紫外線的吸收,維持皮膚的正常功能。
組氨酸轉氨酶主要在肝臟中,通常與丙酮酸相連,生成丙酮酸和咪唑丙酮酸。在組氨酸酶缺乏的患者血液中組氨酸水平明顯高于正常值,尿液中也含有大量組氨酸,有研究表明,組氨酸轉氨酶是組氨酸降解的限速酶。
組氨酸在組氨酸脫羧酶的作用下轉化為重要的神經胺-組胺,組胺廣泛存在于動物體,在動物的胃、肝、肺、肌肉等都有存在,其具有強烈舒血管作用,同時又是一種神經遞質,可參與神經系統調節,刺激胃酸和胃蛋白酶的分泌??梢?,組氨酸在生物體內去路主要有合成蛋白質、肌肽、轉化為咪唑乳酸、組胺等。
2 組氨酸的生理功能及其作用機制
組氨酸作為生物體的組成部分,在動物體內具有重要作用,主要包括參與合成蛋白質、調節神經系統、維持細胞pH穩定、維護機體健康等。
2.1 參與機體蛋白質組成
組氨酸為構成蛋白質的23種氨基酸之一,參與機體蛋白質組成,是動物體血紅蛋白等的重要組成部分,在血紅蛋白中,與血紅素接觸的殘基都位于血紅素周圍,當該部位發生殘基置換時,就會產生各種異常血紅蛋白,而異常血紅蛋白幾乎都能產生臨床疾?。ㄏ忍煨郧嘧希?。它們絕大多數由于絡氨酸殘基取代了近連和遠連組氨酸殘基。由于絡氨酸殘基所形成的負離子與Fe3+結合,使血紅素固定在高鐵狀態,從而失去結合O2能力,造成先天性青紫。
2.2 參與神經系統的調節
組氨酸主要通過組胺作用參與神經系統的調節,其在組氨酸脫羧酶作用下合成組胺。研究表明,哺乳動物組胺能神經元集中分布于下丘腦后部的結節乳頭核(TMN),其神經纖維投射至全腦,在覺醒期TMN內的組胺神經元保持緊張性活動。組胺神經元主要有4種受體(H1~H4),均屬于G-蛋白受體視紫紅質樣家族。組胺系統與中樞神經系統的多種功能均有關,如覺醒、焦慮、交感神經激活、壓力相關垂體激素的釋放、保水、抑制攝食等。研究發現,中樞組胺的釋放與覺醒呈正相關,覺醒期的釋放量是睡眠期的4倍;前列腺素E2和神經肽阿立新(orexin)能激活TMN組胺能神經元,增加組胺釋放,促進覺醒;前列腺素D2和腺苷能抑制組胺能神經元活性,誘導睡眠。調節睡眠的作用機制可能是組胺能與新皮層、海馬、杏仁核等腦區的H1受體結合引起神經元興奮,促進動物覺醒。同時作為腦部神經遞質,組胺與多種中樞神經系統疾病有關。研究表明,癲癇易感小鼠腦中組胺含量遠低于癲癇耐受性小鼠。電刺激小鼠單側杏仁核引起癲癇發作的試驗中發現,組胺水平下降是癲癇易感性增加的重要原因。鑒于組胺的以上特性,可以開發組氨酸相關藥物分別用于治療嗜睡病、失眠癥、癲癇等。小鼠懷孕期注射組氨酸可影響后代大腦皮質和海馬體能量平衡,引起腦部氧化壓力增大,腦部能量代謝和氧化壓力改變會影響神經系統功能,具體機制有待進一步研究。
2.3 機體保護作用
細胞內pH穩定是細胞維持一切生命活動的基礎。組氨酸含有一個咪唑雜環,在pH=7附近有明顯的緩沖能力(pK’1(-COOH)為1.82,pK’2(-NH3)為9.17,pK’R(咪唑基)為6.00。細胞內pH穩定主要靠蛋白質中組氨酸咪唑殘基及組氨酸相關物質維持。不同物種、部位和肌纖維類型,緩沖能力不同。研究魚類肌肉中組氨酸相關物質緩沖能力發現,槍魚白肌的緩沖能力是蛙魚白肌緩沖能力的二倍。緩沖能力不同可能是因為組氨酸及其相關物質在不同動物肌肉中含量不同,槍魚白肌比蛙魚白肌含更多的組氨酸及其相關物質。組氨酸具有心臟保護作用,其可恢復心肌異常,防止心肌損傷,阻止由阿霉素誘導的生物化學反應。心肌保護作用可能是通過降低游離自由基毒害作用,抑制活性氧和保留高能磷酸阻止離體心臟缺血再充盈損傷,以及由于心肌缺血時細胞糖酵解作用增強,組氨酸及其相關物質可維持細胞pH穩定,從而維護心肌的正常功能。同時腦外傷的神經保護也與組胺有關,研究表明腦外傷后自身神經修復是非常有限的,組胺在腦發育和神經再生中具有重要作用,其作用機理主要是通過激活組胺能神經系統,進而激活神經干細胞上的H1受體,促進受傷神經纖維的再生。組氨酸具有抗炎、抗氧化作用,其主要通過NF-κB和PPARγ兩條路徑實現,C-反應蛋白、白介素-6和細胞腫瘤壞死因子α等均能促進炎癥反應,NF-κB是炎癥反應基因的重要轉錄因子,可促進以上因子的合成,脂聯素為脂肪組織分泌的一種蛋白質,具有減輕炎癥作用,組氨酸可通過抑制NF-κB激活和下調促炎因子的生成而發揮抗炎作用,同時也可通過激活PPARγ增加脂聯素分泌而發揮抗炎作用??梢娊M氨酸可通過不同途徑實現抗炎和抗氧化。在急性肝衰竭患者體內,由于酶代謝異常,不能及時清除谷氨酸代謝產物氨,導致人顱內氧化壓力升高,腦水腫等癥狀。組氨酸可減輕氧化壓力,其機制也可能是組氨酸及其相關物質與代謝產物,抑制了細胞液pH上升,從而維持細胞液穩態,因此其可作為急性肝衰竭引起腦水腫的一種治療手段。作為肌肽合成前體物質,組氨酸可通過肌肽作用減輕腎臟細胞免受高水平葡萄糖毒害,降低糖尿病小鼠心臟中甘油三酯水平及心肌線粒體損傷。減輕細胞受到高水平毒害作用可能是通過降低腎臟細胞中葡萄糖水平實現,研究表明肌肽具有降低葡萄糖水平的作用,當攝入組氨酸時,動物體內肌肽合成增加,降低了葡萄糖水平。組氨酸可抑制糖尿病小鼠模型中糖尿病并發癥,降低肝和肺的損傷??梢?,組氨酸作為一種半必需氨基酸,在保護機體方面發揮了重要作用。
2.4 其他作用組
氨酸通過肌肽作用,在神經性疾?。ɡ夏臧V呆、帕金森疾病等)方面也具有積極作用。
本文來源《中國飼料》,作者胡孟等。