甲基代谢的生理功能

王 磊，王 良，赵 芹

（山东祥维斯生物科技股份有限公司，山东 潍坊 261205）

很多氨基酸在体内不仅参与蛋白质合成，而且还参与重要的代谢反应。其中那些未参与蛋白质合成的氨基酸还占据了体内氨基酸池相当大的比例。全面考虑必需氨基酸的不同代谢途径对于确定体内必需氨基酸的需要量具有重要意义。不同代谢通路的加强或减弱直接关系着这些氨基酸需求量的多少。例如蛋氨酸既可以作为必需氨基酸参与半胱氨酸和牛磺酸的合成，也可提供甲基参与甲基化反应。甲基在体内参与肌酸、磷脂酰胆碱、肉碱合成以及通过胞嘧啶调控基因表达和组蛋白甲基化。甲基团重甲基化可生成内源性蛋氨酸，甲基团可来源于甲基供体如胆碱、甜菜碱以及再生甲基（通过叶酸）。对成年人来说，甲基最主要的食物来源是蛋氨酸、胆碱、甜菜碱以及通过叶酸再生甲基（5～10mmol甲基/d）[1-2]。叶酸、胆碱和蛋氨酸都是必需营养物质，饮食中叶酸、胆碱和甜菜碱的有效含量可显著影响体内蛋氨酸的需要量。此外，饮食中添加甲基化物质如肌酸、肉碱和磷脂酰胆碱可以减少甲基团的需要量，从而进一步节省蛋氨酸的需要量。对于生长期动物这种代谢平衡更为复杂，因其生长需要更多的氨基酸用于体蛋白的沉积，也需要更多甲基参与体内的关键生化代谢反应。

甲基团的缺乏对机体的甲基化反应产生复杂的不良影响。如果日粮中叶酸、甜菜碱、胆碱不足，势必需要更多的蛋氨酸参与体内重要的甲基化反应，而使用于合成体蛋白质和生长的蛋氨酸比例降低。相反地，如果体内的叶酸、甜菜碱等甲基供体过量，会节省一部分参与甲基代谢的蛋氨酸，从而有利于生长。就DNA甲基化而言，甲基供体会对基因表达产生永久性影响，甚至会导致成年期慢性疾病。

1 蛋氨酸代谢

体内含硫氨基酸的代谢通路见附图，简要的说就是转甲基代谢（蛋氨酸到高半胱氨酸）、转硫代谢（高半胱氨酸到半胱氨酸）和重甲基化反应（高半胱氨酸到蛋氨酸）。蛋氨酸转化为S-腺苷蛋氨酸（SAM），SAM作为甲基供体参与体内超过50种不同的生化反应，包括DNA甲基化、肌酸和磷脂酰胆碱等的合成。SAM供甲基后转化为S-腺苷高半胱氨酸（SAH），SAH又进一步转化为高半胱氨酸。高半胱氨酸要么通过转硫代谢途径不可逆地转化为半胱氨酸，要么重甲基化生成蛋氨酸。

附图 体内蛋氨酸循环示意图

2 重甲基化反应

高半胱氨酸到蛋氨酸的重甲基化反应可以通过两条代谢途径实现：通过钴胺素依赖型蛋氨酸合成酶和叶酸途径；通过甜菜碱（胆碱的氧化产物）提供甲基，甜菜碱-高半胱氨酸甲基转移酶（BHMT）催化的途径（见附图）。当体内胆碱或甜菜碱不足时，需要更多的叶酸参与重甲基化反应，因此增加了叶酸的需要量。相反地，当体内叶酸不足时就需要更多甜菜碱参与重甲基化反应，因此需要补充更多甜菜碱和胆碱。甜菜碱在BHMT催化下脱甲基生产二甲基甘氨酸（DMG），哺乳动物体内DMG的来源只有甜菜碱脱甲基一条途径，因此体内DMG的存在是甜菜碱提供甲基使高半胱氨酸重甲基化生产蛋氨酸的结果。DMG通过黄素蛋白二甲基甘氨酸脱氢酶进一步脱甲基生成肌氨酸，甲基团转移给5,10-亚甲基四氢叶酸[3]。肌氨酸在线粒体肌氨酸脱氢酶的作用下脱甲基转化为甘氨酸。由于肌氨酸还可以通过甘氨酸-N-甲基转移酶（GNMT）途径生成，因此不能作为DMG脱甲基的明确标记。

通过蛋氨酸合成酶依赖叶酸的重甲基化反应所需要的甲基团主要来源于甘氨酸裂解系统和丝氨酸羟甲基转移酶（SHMT），两者都需要VB6作为辅酶来产生5,10-亚甲基四氢叶酸[4]。然而需要注意的是5,10-亚甲基四氢叶酸也可以来源于DMG和肌氨酸的分解代谢。

体内蛋氨酸代谢的调节是复杂的。体内半胱氨酸含量不足时，转甲基化反应和转硫反应加强，蛋氨酸氧化分解合成半胱氨酸。同样的当蛋氨酸过量时，转甲基化反应和转硫反应也会加强以消除过多蛋氨酸带来的毒副作用。当转甲基化反应加强时，过量的甲基通过GNMT途径消除。实际上体内蛋氨酸含量升高，导致GNMT的含量也会升高，GNMT分解过量的SAM生成高半胱氨酸，而高半胱氨酸可以进行重甲基化反应。当蛋氨酸供应不足时，转硫反应受到抑制，重甲基化反应加强用以重新合成蛋氨酸。转甲基代谢、转硫代谢和重甲基化反应的限速酶主要是受SAM调节的[5]。对在不同条件下转甲基代谢、转硫代谢和重甲基化反应所占的比重已经进行了大量体外试验研究和少量体内试验研究，但是对转甲基代谢途径中不同来源甲基团所占的比重尚没有进行广泛研究。因此，当甲基不足时，哪一个甲基化反应占优先主导地位尚不明确。

3 体内甲基需要量

体内蛋氨酸除用于蛋白质合成外，还有一部分参与转甲基化反应。当体内半胱氨酸充足时，就会使得更多的高半胱氨酸甲基化生成蛋氨酸。体内有超过50种甲基化反应，其中最重要的酶是磷脂酰乙醇胺甲基转移酶（PEMT），其催化合成大约1/3的内源性磷脂酰胆碱；胍基乙酸甲基转移酶（GAMT）催化合成肌酸；甘氨酸-N-甲基转移酶（GNMT）在蛋氨酸过量分解后发挥作用[6]。GAMT需要大量的甲基供应，特别是新生儿肌肉组织快速沉积，肌酸池迅速扩大。实际上，哺乳仔猪体内肌酸的含量是从母乳中获得肌酸含量的300%。这些内源性肌酸的合成将会消耗掉日粮中1/3的蛋氨酸[7]。考虑到母乳中只含有微量的甜菜碱，因此仅肌酸合成一项需要消耗大量的蛋氨酸或者胆碱。精确地讲，哺乳仔猪仅肌酸合成所需要的甲基就达到 0.64 mmol·kg-1·d-1体重[7]。断奶仔猪各种转甲基化反应需要的甲基总量约为0.85 mmol·kg-1·d-1体重，而成年人是 0.17 mmol·kg-1·d-1体重[8-9]。此外通过PEMT途径（每合成1个磷脂酰胆碱需要3个甲基）合成磷脂酰胆碱所需要的甲基数量甚至多于肌酸合成所需要的甲基数量，特别是新生儿对磷脂酰胆碱的需求量极大[10]。如果婴儿喂养牛奶或者豆类食品，那么胆碱和肌酸的量都是不足的。虽然DNA甲基化对甲基的需求量尚未评估，但由于其对机体发育具有重要作用，考虑到其对机体健康的长期影响，DNA甲基化反应也许是各种甲基化反应中最重要的。

这些甲基化反应都需要共同的基团甲基的参与。在生长和发育过程中所有的甲基化反应都发挥着重要作用，不仅用于维持机体的基本功能，而且不断累积以满足生长的需要。甲基供应不足时，各甲基化反应之间就会展开竞争。当在15～18日龄仔猪日粮中添加胍基乙酸（GAA）时，就会消耗肝脏甲基团而促进肌酸的合成。添加胍基乙酸于合成肌酸甲基的消耗量提高1倍，而用于合成磷脂酰胆碱的甲基的数量减少85%，蛋白质合成减少40%。这表明用于合成磷脂酰胆碱的甲基受限，一部分本来要用于蛋白质合成的蛋氨酸被用于提供甲基。添加GAA不会影响DNA的甲基化反应。蛋氨酸提供甲基和参与蛋白质合成两方面的比例对于确定新生儿氨基酸的需要量具有重要指导作用。另外，新生儿体内甲基的供应受限，这会导致各甲基化反应所需要的甲基团重新分配。日粮组成也会影响各甲基代谢通路的分配比例，特别是在生命的早期。饲喂无肌酸日粮（大豆型日粮或纯素食）时，生物在体内合成用以维持生命和生长所需要的全部肌酸。牛奶和大豆日粮配方中胆碱的含量与母乳相比要少得多，而且以牛奶和大豆日粮配方的新生儿血浆胆碱水平只有母乳喂养的50%[11]。另外，母体胆碱水平影响着母乳中胆碱的含量，最终影响婴儿体内胆碱的含量。日粮中胆碱含量低时将激活PEMT活性。酪蛋白型日粮与乳清型日粮和母乳相比，含有更多的蛋氨酸和少量的半胱氨酸。本质上来说，这些甲基代谢通路的动用取决于甲基供应，包括来自于日粮中的甲基和体内合成的甲基两部分。胆碱、甜菜碱、蛋氨酸和叶酸是体内甲基的主要来源，其在体内甲基供应方面的关系需要进一步研究。如果其中一种或两种甲基供体不足时，那么必须促使其他甲基供体提供更多的甲基用以满足机体的需要。体内蛋氨酸需要量的确定不仅要考虑其合成蛋白质和半胱氨酸的需求，还要考虑其参与转甲基代谢的需求，以及全面考虑体内重甲基化生成的蛋氨酸数量。

当前对于甲基供体及其对于蛋氨酸需要量影响的研究较少。实际上对于确定成年人蛋氨酸的需要量，当前主要是关注甲基化的前体物质（例如B族维生素和胆碱），而很少考虑日粮中的甲基化物质（例如肌酸）。以前的研究总是使用非蛋白晶体氨基酸型日粮，这些日粮中肌酸含量很低，使得蛋氨酸的需要量大幅增加。Ball等确定了最小的必需蛋氨酸需求，这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体、代谢产物等替代[12]。因此，如果日粮中添加肌酸可以节约蛋氨酸的话，那么当前使用无肌酸日粮来评估蛋氨酸的需要量，就可能使得评估出的蛋氨酸需要量比实际需要量要多。

4 甲基供体节约蛋氨酸效应

有很多试验研究了成年期和生长期体内蛋氨酸和半胱氨酸的相关性。如果日粮中不含有半胱氨酸，那么蛋氨酸的需要量加倍。也就是说，日粮中添加半胱氨酸可以节省约50%的蛋氨酸需求。如果半胱氨酸添加过量，那么蛋氨酸的添加量只需满足蛋白质合成和甲基化反应就可以了。当前对甜菜碱、胆碱、叶酸等甲基供体节约蛋氨酸的作用进行了大量研究。因为叶酸、甜菜碱和胆碱可以使高半胱氨酸重甲基化生成蛋氨酸，从而有效降低人体血浆高半胱氨酸水平，因此这些营养物质很可能具有节约蛋氨酸的作用。Wilson等采用同位素示踪法试验发现，在蛋氨酸缺乏日粮中叶酸和胆碱可以使重甲基化生成蛋氨酸的数量加倍[13]。需要注意的是，添加叶酸以及VB6、VB12本身并不提供甲基，而是在重甲基化反应中起辅酶的作用。这些维生素的量必须得到满足，但是超量添加维生素并没有节约蛋氨酸的作用。此外，近期研究表明，虽然叶酸具有降低同型半胱氨酸水平的功效，但是看起来叶酸并不像甜菜碱那样具有减少心脑血管疾病发生率的作用[14]。无论如何，利用同位素技术评估重甲基化作用、转硫作用和转甲基化作用时也需谨慎。维生素在甲基代谢方面有待研究。这些辅酶是否具有节约蛋氨酸的潜力。除了补充B族维生素之外，胆碱、甜菜碱以及其它的一碳单位供体如DMG、肌氨酸、丝氨酸或甘氨酸等，也应当予以考虑。大多数食物中含有胆碱和甜菜碱，在均衡饮食中机体需要的绝大多数甜菜碱可以通过胆碱氧化得到满足[3]。然而，大多数人饮食中胆碱含量不足，平均摄入量只有不到推荐量的40%[15]。此外，根据成年人从食物中获取的甜菜碱和胆碱的量可以预测空腹和摄入蛋氨酸以后体内高半胱氨酸含量，特别是体内低叶酸和钴胺素的个体[16]。很多试验已经证实补充甜菜碱和胆碱可以降低人体血浆高半胱氨酸含量。甲基供应不足可能是发生高半胱氨酸血症的关键因素。

但是依然存在的问题是甲基供体是否可以有效的减少蛋氨酸的需要量。在畜牧养殖行业，动物营养专家感兴趣的是如何用低成本的甲基供体如甜菜碱和胆碱来减少蛋氨酸的添加量。很多实验已经证实甜菜碱和胆碱可以减少肉鸡和仔猪饲料中蛋氨酸的需要量，因为蛋氨酸不仅参与蛋白质的合成，还参与肌酸和肉碱的合成[17-18]。添加甲基供体节约蛋氨酸的试验结果表明机体需要大量的甲基团参与甲基代谢。饮食中胆碱和甜菜碱的含量将会影响蛋氨酸的需求量。

甜菜碱在代谢过程中提供的甲基参与两条重甲基化代谢通路。甜菜碱在BHMT催化下脱掉1个甲基转化为DMG，DMG继续脱甲基转化成肌氨酸，然后转化为甘氨酸（见附图）。DMG和肌氨酸可以被用来合成亚甲基四氢叶酸，从而提供1个甲基团通过蛋氨酸合成酶途径重新生成蛋氨酸[3]。以上3个甲基前体物质在甲基生成中所占的比重尚需要进一步研究。DMG已经被批准作为饲料添加剂使用，用以提高家禽和猪的饲料消化利用率[19]。DMG参与甲基代谢的作用尚没有研究，但是鉴于DMG能抑制大家鼠BHMT活性，添加DMG必将会对甲基代谢产生重大影响。在鸡上的研究表明，添加甜菜碱和胆碱增强了依赖叶酸的重甲基化代谢途径，而不是BHMT重甲基化途径，表明DMG在蛋氨酸合成酶催化的重甲基化代谢过程中发挥重要作用。作为两条重甲基化代谢通路前体物质的甜菜碱的作用还需要进一步研究。

5 小结

从机体生长发育和健康的角度出发，不仅要弄清楚甲基供体对于生长的作用，还需要详细探究甲基供体对于健康的作用。例如，用于DNA甲基化的甲基团不足时，必将对成年人某些慢性疾病的发生、发展产生不良后果。另外，新生儿尤其是非完全母乳喂养的新生儿，由于喂食的食物不同，急需弄清楚蛋氨酸、胆碱、甜菜碱和肌酸过量和不足对新生儿的影响。此外，需要深入研究蛋氨酸供给受限时，机体是如何分配蛋氨酸参与不同的代谢途径的。维持必需的甲基化反应，哪一个甲基化反应是最为重要。新生儿生长发育时期，蛋氨酸参与甲基化反应是非常关键的，不仅需要确定婴儿的甲基需要量，而且需要弄清楚甲基代谢与成人疾病起源、发展之间的联系。