支链氨基酸

支链氨基酸亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸是具有独特代谢途径的必需氨基酸。与其他氨基酸不同，BCAA 分解代谢始于肌肉而不是肝脏，它们在蛋白质合成、胰岛素分泌和能量代谢中具有重要的调节功能。

结构和本质

缬氨酸具有异丙基侧链，亮氨酸具有异丁基侧链，异亮氨酸具有含有手性中心的仲丁基侧链。这三种物质对于人类都是必需的，并且必须从膳食蛋白质中获取。它们在肌肉组织、乳制品、鸡蛋和豆类中含量特别丰富，约占膳食蛋白质摄入量的 20%。

分解代谢

BCAA 分解代谢始于由支链转氨酶催化的常见第一步。该酶将氨基转移至 α-酮戊二酸，产生谷氨酸和相应的支链 α-酮酸。 BCAT以两种形式存在：胞质形式广泛存在，而线粒体形式在骨骼肌、大脑和胎盘中高度表达。与其他氨基酸转氨作用不同，最初的支链氨基酸分解代谢主要发生在肝外组织，特别是骨骼肌。

第二步是支链α-酮酸通过支链α-酮酸脱氢酶复合物进行氧化脱羧，该复合物在结构上与丙酮酸脱氢酶相似。这一不可逆的关键步骤产生支链酰基辅酶A衍生物，并通过不同的途径进一步代谢。 BCKAD 受磷酸化调节，BCKAD 激酶使复合物失活，BCKAD 磷酸酶将其激活。肌肉中的低 BCKAD 活性使得 BCAA 衍生的氨基可用于丙氨酸和谷氨酰胺的合成。

亮氨酸代谢

亮氨酸具有生酮作用，产生乙酰乙酸和乙酰辅酶A。经过转氨和脱羧后，异戊酰辅酶A经历脱氢和羧化形成β-甲基巴豆酰辅酶A，其被HMG-CoA裂解酶转化为β-羟基-β-甲基戊二酰辅酶A。 HMG-CoA 裂解为乙酰乙酸和乙酰-CoA，进入柠檬酸循环或用于酮体合成。

异亮氨酸代谢

异亮氨酸既具有生糖作用，又具有生酮作用。其分解代谢产生乙酰辅酶A、丙酰辅酶A和乙酰乙酸。丙酰辅酶 A 通过需要生物素和维生素 B12 的途径转化为琥珀酰辅酶 A（一种生糖中间体）。这种双重命运使异亮氨酸既具有生糖作用又具有生酮作用。

缬氨酸代谢

缬氨酸纯粹是生糖的。其分解代谢产生丙酰辅酶A，丙酰辅酶A转化为琥珀酰辅酶A以进行糖异生。丙酰辅酶A途径需要生物素依赖性羧化和维生素B12依赖性重排，使得缬氨酸代谢对这些维生素的缺乏敏感。

蛋白质合成的调节

亮氨酸是通过 mTOR 信号通路促进蛋白质合成的有效激活剂。亮氨酸与 sestrin2 结合，释放 GATOR2 复合物的抑制作用，进而激活 mTORC1。 mTORC1 磷酸化 p70 S6 激酶和 4E-BP1，促进翻译起始和核糖体生物合成。这种合成代谢信号对于维持肌肉质量特别重要，这也是支链氨基酸补充剂在运动员中受欢迎的原因。

亮氨酸还通过降低自噬和泛素蛋白酶体活性来抑制蛋白水解。蛋白质合成增加和降解减少相结合，使支链氨基酸代谢成为肌肉蛋白质平衡的关键决定因素。亮氨酸还刺激胰腺β细胞分泌胰岛素，增强肌肉对葡萄糖的吸收并促进净蛋白质合成代谢。

枫糖浆尿病

枫糖浆尿病是由于支链α-酮酸脱氢酶缺乏，导致支链氨基酸及其相应的α-酮酸在血液和尿液中积聚所致。这种疾病因尿液和耳垢中特有的甜味而得名。未经治疗的 MSUD 会导致婴儿期神经功能恶化、癫痫发作、昏迷和死亡。治疗包括限制支链氨基酸的饮食和仔细的代谢监测。全球范围内，该病的发病率约为 185,000 分之一，但在某些人群中发病率较高，例如门诺派社区，该社区普遍存在 BCKAD 基因的创始人突变。