甲基代謝的生理功能

王 磊，王 良，趙 芹

（山東祥維斯生物科技股份有限公司，山東 濰坊 261205）

很多氨基酸在體內(nèi)不僅參與蛋白質(zhì)合成，而且還參與重要的代謝反應。其中那些未參與蛋白質(zhì)合成的氨基酸還占據(jù)了體內(nèi)氨基酸池相當大的比例。全面考慮必需氨基酸的不同代謝途徑對于確定體內(nèi)必需氨基酸的需要量具有重要意義。不同代謝通路的加強或減弱直接關系著這些氨基酸需求量的多少。例如蛋氨酸既可以作為必需氨基酸參與半胱氨酸和牛磺酸的合成，也可提供甲基參與甲基化反應。甲基在體內(nèi)參與肌酸、磷脂酰膽堿、肉堿合成以及通過胞嘧啶調(diào)控基因表達和組蛋白甲基化。甲基團重甲基化可生成內(nèi)源性蛋氨酸，甲基團可來源于甲基供體如膽堿、甜菜堿以及再生甲基（通過葉酸）。對成年人來說，甲基最主要的食物來源是蛋氨酸、膽堿、甜菜堿以及通過葉酸再生甲基（5～10mmol甲基/d）[1-2]。葉酸、膽堿和蛋氨酸都是必需營養(yǎng)物質(zhì)，飲食中葉酸、膽堿和甜菜堿的有效含量可顯著影響體內(nèi)蛋氨酸的需要量。此外，飲食中添加甲基化物質(zhì)如肌酸、肉堿和磷脂酰膽堿可以減少甲基團的需要量，從而進一步節(jié)省蛋氨酸的需要量。對于生長期動物這種代謝平衡更為復雜，因其生長需要更多的氨基酸用于體蛋白的沉積，也需要更多甲基參與體內(nèi)的關鍵生化代謝反應。

甲基團的缺乏對機體的甲基化反應產(chǎn)生復雜的不良影響。如果日糧中葉酸、甜菜堿、膽堿不足，勢必需要更多的蛋氨酸參與體內(nèi)重要的甲基化反應，而使用于合成體蛋白質(zhì)和生長的蛋氨酸比例降低。相反地，如果體內(nèi)的葉酸、甜菜堿等甲基供體過量，會節(jié)省一部分參與甲基代謝的蛋氨酸，從而有利于生長。就DNA甲基化而言，甲基供體會對基因表達產(chǎn)生永久性影響，甚至會導致成年期慢性疾病。

1 蛋氨酸代謝

體內(nèi)含硫氨基酸的代謝通路見附圖，簡要的說就是轉(zhuǎn)甲基代謝（蛋氨酸到高半胱氨酸）、轉(zhuǎn)硫代謝（高半胱氨酸到半胱氨酸）和重甲基化反應（高半胱氨酸到蛋氨酸）。蛋氨酸轉(zhuǎn)化為S-腺苷蛋氨酸（SAM），SAM作為甲基供體參與體內(nèi)超過50種不同的生化反應，包括DNA甲基化、肌酸和磷脂酰膽堿等的合成。SAM供甲基后轉(zhuǎn)化為S-腺苷高半胱氨酸（SAH），SAH又進一步轉(zhuǎn)化為高半胱氨酸。高半胱氨酸要么通過轉(zhuǎn)硫代謝途徑不可逆地轉(zhuǎn)化為半胱氨酸，要么重甲基化生成蛋氨酸。

附圖 體內(nèi)蛋氨酸循環(huán)示意圖

2 重甲基化反應

高半胱氨酸到蛋氨酸的重甲基化反應可以通過兩條代謝途徑實現(xiàn)：通過鈷胺素依賴型蛋氨酸合成酶和葉酸途徑；通過甜菜堿（膽堿的氧化產(chǎn)物）提供甲基，甜菜堿-高半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（BHMT）催化的途徑（見附圖）。當體內(nèi)膽堿或甜菜堿不足時，需要更多的葉酸參與重甲基化反應，因此增加了葉酸的需要量。相反地，當體內(nèi)葉酸不足時就需要更多甜菜堿參與重甲基化反應，因此需要補充更多甜菜堿和膽堿。甜菜堿在BHMT催化下脫甲基生產(chǎn)二甲基甘氨酸（DMG），哺乳動物體內(nèi)DMG的來源只有甜菜堿脫甲基一條途徑，因此體內(nèi)DMG的存在是甜菜堿提供甲基使高半胱氨酸重甲基化生產(chǎn)蛋氨酸的結(jié)果。DMG通過黃素蛋白二甲基甘氨酸脫氫酶進一步脫甲基生成肌氨酸，甲基團轉(zhuǎn)移給5,10-亞甲基四氫葉酸[3]。肌氨酸在線粒體肌氨酸脫氫酶的作用下脫甲基轉(zhuǎn)化為甘氨酸。由于肌氨酸還可以通過甘氨酸-N-甲基轉(zhuǎn)移酶（GNMT）途徑生成，因此不能作為DMG脫甲基的明確標記。

通過蛋氨酸合成酶依賴葉酸的重甲基化反應所需要的甲基團主要來源于甘氨酸裂解系統(tǒng)和絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶（SHMT），兩者都需要VB6作為輔酶來產(chǎn)生5,10-亞甲基四氫葉酸[4]。然而需要注意的是5,10-亞甲基四氫葉酸也可以來源于DMG和肌氨酸的分解代謝。

體內(nèi)蛋氨酸代謝的調(diào)節(jié)是復雜的。體內(nèi)半胱氨酸含量不足時，轉(zhuǎn)甲基化反應和轉(zhuǎn)硫反應加強，蛋氨酸氧化分解合成半胱氨酸。同樣的當?shù)鞍彼徇^量時，轉(zhuǎn)甲基化反應和轉(zhuǎn)硫反應也會加強以消除過多蛋氨酸帶來的毒副作用。當轉(zhuǎn)甲基化反應加強時，過量的甲基通過GNMT途徑消除。實際上體內(nèi)蛋氨酸含量升高，導致GNMT的含量也會升高，GNMT分解過量的SAM生成高半胱氨酸，而高半胱氨酸可以進行重甲基化反應。當?shù)鞍彼峁蛔銜r，轉(zhuǎn)硫反應受到抑制，重甲基化反應加強用以重新合成蛋氨酸。轉(zhuǎn)甲基代謝、轉(zhuǎn)硫代謝和重甲基化反應的限速酶主要是受SAM調(diào)節(jié)的[5]。對在不同條件下轉(zhuǎn)甲基代謝、轉(zhuǎn)硫代謝和重甲基化反應所占的比重已經(jīng)進行了大量體外試驗研究和少量體內(nèi)試驗研究，但是對轉(zhuǎn)甲基代謝途徑中不同來源甲基團所占的比重尚沒有進行廣泛研究。因此，當甲基不足時，哪一個甲基化反應占優(yōu)先主導地位尚不明確。

3 體內(nèi)甲基需要量

體內(nèi)蛋氨酸除用于蛋白質(zhì)合成外，還有一部分參與轉(zhuǎn)甲基化反應。當體內(nèi)半胱氨酸充足時，就會使得更多的高半胱氨酸甲基化生成蛋氨酸。體內(nèi)有超過50種甲基化反應，其中最重要的酶是磷脂酰乙醇胺甲基轉(zhuǎn)移酶（PEMT），其催化合成大約1/3的內(nèi)源性磷脂酰膽堿；胍基乙酸甲基轉(zhuǎn)移酶（GAMT）催化合成肌酸；甘氨酸-N-甲基轉(zhuǎn)移酶（GNMT）在蛋氨酸過量分解后發(fā)揮作用[6]。GAMT需要大量的甲基供應，特別是新生兒肌肉組織快速沉積，肌酸池迅速擴大。實際上，哺乳仔豬體內(nèi)肌酸的含量是從母乳中獲得肌酸含量的300%。這些內(nèi)源性肌酸的合成將會消耗掉日糧中1/3的蛋氨酸[7]。考慮到母乳中只含有微量的甜菜堿，因此僅肌酸合成一項需要消耗大量的蛋氨酸或者膽堿。精確地講，哺乳仔豬僅肌酸合成所需要的甲基就達到 0.64 mmol·kg-1·d-1體重[7]。斷奶仔豬各種轉(zhuǎn)甲基化反應需要的甲基總量約為0.85 mmol·kg-1·d-1體重，而成年人是 0.17 mmol·kg-1·d-1體重[8-9]。此外通過PEMT途徑（每合成1個磷脂酰膽堿需要3個甲基）合成磷脂酰膽堿所需要的甲基數(shù)量甚至多于肌酸合成所需要的甲基數(shù)量，特別是新生兒對磷脂酰膽堿的需求量極大[10]。如果嬰兒喂養(yǎng)牛奶或者豆類食品，那么膽堿和肌酸的量都是不足的。雖然DNA甲基化對甲基的需求量尚未評估，但由于其對機體發(fā)育具有重要作用，考慮到其對機體健康的長期影響，DNA甲基化反應也許是各種甲基化反應中最重要的。

這些甲基化反應都需要共同的基團甲基的參與。在生長和發(fā)育過程中所有的甲基化反應都發(fā)揮著重要作用，不僅用于維持機體的基本功能，而且不斷累積以滿足生長的需要。甲基供應不足時，各甲基化反應之間就會展開競爭。當在15～18日齡仔豬日糧中添加胍基乙酸（GAA）時，就會消耗肝臟甲基團而促進肌酸的合成。添加胍基乙酸于合成肌酸甲基的消耗量提高1倍，而用于合成磷脂酰膽堿的甲基的數(shù)量減少85%，蛋白質(zhì)合成減少40%。這表明用于合成磷脂酰膽堿的甲基受限，一部分本來要用于蛋白質(zhì)合成的蛋氨酸被用于提供甲基。添加GAA不會影響DNA的甲基化反應。蛋氨酸提供甲基和參與蛋白質(zhì)合成兩方面的比例對于確定新生兒氨基酸的需要量具有重要指導作用。另外，新生兒體內(nèi)甲基的供應受限，這會導致各甲基化反應所需要的甲基團重新分配。日糧組成也會影響各甲基代謝通路的分配比例，特別是在生命的早期。飼喂無肌酸日糧（大豆型日糧或純素食）時，生物在體內(nèi)合成用以維持生命和生長所需要的全部肌酸。牛奶和大豆日糧配方中膽堿的含量與母乳相比要少得多，而且以牛奶和大豆日糧配方的新生兒血漿膽堿水平只有母乳喂養(yǎng)的50%[11]。另外，母體膽堿水平影響著母乳中膽堿的含量，最終影響嬰兒體內(nèi)膽堿的含量。日糧中膽堿含量低時將激活PEMT活性。酪蛋白型日糧與乳清型日糧和母乳相比，含有更多的蛋氨酸和少量的半胱氨酸。本質(zhì)上來說，這些甲基代謝通路的動用取決于甲基供應，包括來自于日糧中的甲基和體內(nèi)合成的甲基兩部分。膽堿、甜菜堿、蛋氨酸和葉酸是體內(nèi)甲基的主要來源，其在體內(nèi)甲基供應方面的關系需要進一步研究。如果其中一種或兩種甲基供體不足時，那么必須促使其他甲基供體提供更多的甲基用以滿足機體的需要。體內(nèi)蛋氨酸需要量的確定不僅要考慮其合成蛋白質(zhì)和半胱氨酸的需求，還要考慮其參與轉(zhuǎn)甲基代謝的需求，以及全面考慮體內(nèi)重甲基化生成的蛋氨酸數(shù)量。

當前對于甲基供體及其對于蛋氨酸需要量影響的研究較少。實際上對于確定成年人蛋氨酸的需要量，當前主要是關注甲基化的前體物質(zhì)（例如B族維生素和膽堿），而很少考慮日糧中的甲基化物質(zhì)（例如肌酸）。以前的研究總是使用非蛋白晶體氨基酸型日糧，這些日糧中肌酸含量很低，使得蛋氨酸的需要量大幅增加。Ball等確定了最小的必需蛋氨酸需求，這些蛋氨酸的量不能被半胱氨酸替代，也不能被添加的其他甲基供體、代謝產(chǎn)物等替代[12]。因此，如果日糧中添加肌酸可以節(jié)約蛋氨酸的話，那么當前使用無肌酸日糧來評估蛋氨酸的需要量，就可能使得評估出的蛋氨酸需要量比實際需要量要多。

4 甲基供體節(jié)約蛋氨酸效應

有很多試驗研究了成年期和生長期體內(nèi)蛋氨酸和半胱氨酸的相關性。如果日糧中不含有半胱氨酸，那么蛋氨酸的需要量加倍。也就是說，日糧中添加半胱氨酸可以節(jié)省約50%的蛋氨酸需求。如果半胱氨酸添加過量，那么蛋氨酸的添加量只需滿足蛋白質(zhì)合成和甲基化反應就可以了。當前對甜菜堿、膽堿、葉酸等甲基供體節(jié)約蛋氨酸的作用進行了大量研究。因為葉酸、甜菜堿和膽堿可以使高半胱氨酸重甲基化生成蛋氨酸，從而有效降低人體血漿高半胱氨酸水平，因此這些營養(yǎng)物質(zhì)很可能具有節(jié)約蛋氨酸的作用。Wilson等采用同位素示蹤法試驗發(fā)現(xiàn)，在蛋氨酸缺乏日糧中葉酸和膽堿可以使重甲基化生成蛋氨酸的數(shù)量加倍[13]。需要注意的是，添加葉酸以及VB6、VB12本身并不提供甲基，而是在重甲基化反應中起輔酶的作用。這些維生素的量必須得到滿足，但是超量添加維生素并沒有節(jié)約蛋氨酸的作用。此外，近期研究表明，雖然葉酸具有降低同型半胱氨酸水平的功效，但是看起來葉酸并不像甜菜堿那樣具有減少心腦血管疾病發(fā)生率的作用[14]。無論如何，利用同位素技術(shù)評估重甲基化作用、轉(zhuǎn)硫作用和轉(zhuǎn)甲基化作用時也需謹慎。維生素在甲基代謝方面有待研究。這些輔酶是否具有節(jié)約蛋氨酸的潛力。除了補充B族維生素之外，膽堿、甜菜堿以及其它的一碳單位供體如DMG、肌氨酸、絲氨酸或甘氨酸等，也應當予以考慮。大多數(shù)食物中含有膽堿和甜菜堿，在均衡飲食中機體需要的絕大多數(shù)甜菜堿可以通過膽堿氧化得到滿足[3]。然而，大多數(shù)人飲食中膽堿含量不足，平均攝入量只有不到推薦量的40%[15]。此外，根據(jù)成年人從食物中獲取的甜菜堿和膽堿的量可以預測空腹和攝入蛋氨酸以后體內(nèi)高半胱氨酸含量，特別是體內(nèi)低葉酸和鈷胺素的個體[16]。很多試驗已經(jīng)證實補充甜菜堿和膽堿可以降低人體血漿高半胱氨酸含量。甲基供應不足可能是發(fā)生高半胱氨酸血癥的關鍵因素。

但是依然存在的問題是甲基供體是否可以有效的減少蛋氨酸的需要量。在畜牧養(yǎng)殖行業(yè)，動物營養(yǎng)專家感興趣的是如何用低成本的甲基供體如甜菜堿和膽堿來減少蛋氨酸的添加量。很多實驗已經(jīng)證實甜菜堿和膽堿可以減少肉雞和仔豬飼料中蛋氨酸的需要量，因為蛋氨酸不僅參與蛋白質(zhì)的合成，還參與肌酸和肉堿的合成[17-18]。添加甲基供體節(jié)約蛋氨酸的試驗結(jié)果表明機體需要大量的甲基團參與甲基代謝。飲食中膽堿和甜菜堿的含量將會影響蛋氨酸的需求量。

甜菜堿在代謝過程中提供的甲基參與兩條重甲基化代謝通路。甜菜堿在BHMT催化下脫掉1個甲基轉(zhuǎn)化為DMG，DMG繼續(xù)脫甲基轉(zhuǎn)化成肌氨酸，然后轉(zhuǎn)化為甘氨酸（見附圖）。DMG和肌氨酸可以被用來合成亞甲基四氫葉酸，從而提供1個甲基團通過蛋氨酸合成酶途徑重新生成蛋氨酸[3]。以上3個甲基前體物質(zhì)在甲基生成中所占的比重尚需要進一步研究。DMG已經(jīng)被批準作為飼料添加劑使用，用以提高家禽和豬的飼料消化利用率[19]。DMG參與甲基代謝的作用尚沒有研究，但是鑒于DMG能抑制大家鼠BHMT活性，添加DMG必將會對甲基代謝產(chǎn)生重大影響。在雞上的研究表明，添加甜菜堿和膽堿增強了依賴葉酸的重甲基化代謝途徑，而不是BHMT重甲基化途徑，表明DMG在蛋氨酸合成酶催化的重甲基化代謝過程中發(fā)揮重要作用。作為兩條重甲基化代謝通路前體物質(zhì)的甜菜堿的作用還需要進一步研究。

5 小結(jié)

從機體生長發(fā)育和健康的角度出發(fā)，不僅要弄清楚甲基供體對于生長的作用，還需要詳細探究甲基供體對于健康的作用。例如，用于DNA甲基化的甲基團不足時，必將對成年人某些慢性疾病的發(fā)生、發(fā)展產(chǎn)生不良后果。另外，新生兒尤其是非完全母乳喂養(yǎng)的新生兒，由于喂食的食物不同，急需弄清楚蛋氨酸、膽堿、甜菜堿和肌酸過量和不足對新生兒的影響。此外，需要深入研究蛋氨酸供給受限時，機體是如何分配蛋氨酸參與不同的代謝途徑的。維持必需的甲基化反應，哪一個甲基化反應是最為重要。新生兒生長發(fā)育時期，蛋氨酸參與甲基化反應是非常關鍵的，不僅需要確定嬰兒的甲基需要量，而且需要弄清楚甲基代謝與成人疾病起源、發(fā)展之間的聯(lián)系。