人类营养学基础/氨基酸
氨基酸是蛋白质的单体，是人体生长、发育和健康的必需部分。总共有 20 种氨基酸，其中天冬酰胺是 1806 年发现的第一种氨基酸。所有氨基酸都由羧基、氨基和与同一个碳原子（α-碳）相连的氢原子组成（基本结构，2003 年）。它们的不同之处在于它们的侧链或与 α-碳相连的 R 基团。不同氨基酸的 R 基团在大小和结构上可能有所不同，以及电荷（酸性或碱性），这影响着氨基酸在水中的溶解度（Nelson 和 Cox，2013 年）。
在蛋白质中通常发现 20 种氨基酸，它们是：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、脯氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、苏氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、天冬氨酸、谷氨酸、组氨酸、赖氨酸和精氨酸。蛋白质通过水解反应分解，在水解反应中，水分子被添加到蛋白质中，这导致形成单个氨基酸。蛋白质通过脱水反应（缩合反应）合成，在脱水反应中，去除一个水分子，并在氨基酸之间形成肽键。当两个氨基酸连接在一起时，所得的分子称为二肽。当三个连接在一起时，该分子称为三肽（Whitney 和 Rolfes，2015 年）。当许多氨基酸的链形成并增长时，该链称为多肽。
人体需要并利用不同的氨基酸来制造蛋白质，帮助人体：1) 代谢食物，2) 修复撕裂或受损的身体组织，3) 生长，以及 4) 执行其他重要的身体功能（氨基酸，2013 年）。
这 20 种氨基酸分为三组：1) 必需氨基酸，2) 非必需氨基酸，以及 3) 条件氨基酸。必需氨基酸是人体无法自行合成或无法以足够量合成的氨基酸。相反，它必须从饮食中获得的食品中获取这些氨基酸。总共有九种必需氨基酸。它们是：缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苏氨酸、组氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸和色氨酸。非必需氨基酸是人体可以自行合成并以足够数量合成的氨基酸。有 11 种非必需氨基酸，它们可以通过饮食中的食物提供，但这不是必需的。只要有氮供应来生成氨基酸的氨基，以及脂肪或碳水化合物的碎片来形成其余的结构，就可以产生非必需氨基酸。条件氨基酸是通常是非必需的但会在压力、疾病或其他特殊情况下变得必需的氨基酸。一种这样的疾病是苯丙酮尿症，这是一种遗传性疾病，其中非必需氨基酸酪氨酸变得必需，因为人体无法将苯丙氨酸转化为酪氨酸（Whitney 和 Rolfes，2015 年）。
人们应该吃一些食物来获得所有必需氨基酸。这些食物包括：豆类、鸡肉、瘦肉、鱼、坚果和种子、花生酱、豆腐、扁豆等等（饮食中的蛋白质，2013 年）。
参考文献：1) 氨基酸：MedlinePlus 医学百科全书。（2013 年 2 月 18 日）。2015 年 10 月 4 日检索。2) Whitney，E. 和 Rolfes，S.（2015 年）。蛋白质。在《理解营养》（第 14 版，第 6 章）。3) 蛋白质、肽和氨基酸。（2013 年 5 月 5 日）。2015 年 10 月 4 日检索。4) Nelson，D. 和 Cox，M.（2013 年）。氨基酸、肽和蛋白质。在《莱宁格生物化学原理》（第 6 版，第 76-77 页）。纽约：W.H. Freeman and Company。5) 饮食中的蛋白质：MedlinePlus 医学百科全书。（2013 年 4 月 30 日）。2015 年 10 月 4 日检索。6) 氨基酸的基本结构。（2003 年 8 月 25 日）。2015 年 10 月 4 日检索。
根据 Merriam-Webster 词典，氨基酸被定义为“含有氨基 NH2 的两性有机酸”。简单来说，氨基酸是蛋白质的组成部分。所有氨基酸都由氨基（NH2）、酸基（COOH）、氢原子、中心碳原子和侧基组成。侧基是区分所有不同氨基酸的特征。
有 20 种氨基酸。在 20 种氨基酸中，有 11 种是非必需的，这意味着它们可以由人体产生和合成。其余 9 种是必需的，这意味着它们必须从食物中获得。必需氨基酸要么根本不被身体产生，要么产生的量不足。一些氨基酸是条件必需的，这意味着它们通常是非必需的，但在特殊情况下必须从饮食中获得（Whitney 和 Rolfes，2015 年）。
为了在代谢途径中使用，氨基酸必须进行脱氨。脱氨意味着它们失去含氮氨基，剩下的只是碳骨架。经过这个过程，它们就能进入三羧酸循环（Whitney 和 Rolfes，2015 年）。
参考文献：Whitney，Ellie 和 Rolfes，Sharon R.（2015 年）。《理解营养》（第 14 版）。加拿大：Cengage Learning。
基本氨基酸的结构由一个中心碳 (C)、一个氨基 (NH2)、一个氢原子 (H) 和一个酸基 (CHO2) 组成。与碳水化合物或脂类不同，氨基酸具有不同的侧基或 R 基团，它占据碳上的剩余键，并将 20 种氨基酸彼此区分开来。这个 R 基团可以很简单，在氨基酸甘氨酸上是一个氢原子，也可以很复杂，如在苯丙氨酸上，苯丙氨酸具有一个多碳氢 R 基团 (Whitney/Rolfes, 2013)。
总的来说，就人类营养而言，氨基酸有两种类型：必需氨基酸和非必需氨基酸。非必需氨基酸是人体可以使用体内氮和多余的碳水化合物和脂类来自身产生的，用于氨基酸的剩余碳、氢和氧部分。有 11 种非必需氨基酸，包括丙氨酸、精氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、半胱氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、脯氨酸、丝氨酸和酪氨酸。大多数蛋白质通常含有非必需氨基酸，但这不是我们饮食的必需条件。另一方面，必需氨基酸是我们饮食中必需的，因为它们无法由人体合成。有九种必需氨基酸，包括组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸。不一定需要在每餐中都食用必需和非必需蛋白质，但重要的是要平衡一天的摄入量（美国国立医学图书馆，2015 年）。但也有一些特殊情况，必须出于某些原因将非必需氨基酸纳入饮食，使其成为条件必需氨基酸。例如，对于患有苯丙酮尿症的人，他们必须将非必需氨基酸酪氨酸纳入饮食，因为酪氨酸是由苯丙氨酸制成的，如果在吸收苯丙氨酸时出现并发症，那么酪氨酸对那个人来说就变成了条件必需氨基酸 (Whitney/ Rolfes, 2013)。刚出生的婴儿，只有五种非必需氨基酸实际上是非必需的，而其余的则为条件必需的，直到身体发育得足以以有效的方式产生剩余的非必需氨基酸。
蛋白质是由氨基酸在缩合反应中连接在一起形成二肽、三肽或多肽而制成的。氨基酸的类型及其排列顺序至关重要，因为这直接决定了所得蛋白质的形状和功能（澳大利亚营养参考值，2014 年）。氨基酸链中氨基酸的一般序列决定了所谓的初级结构。然后，多肽中的弱电荷决定了链的一部分与另一部分相互作用的方式，从而创建了它的二级结构。每个氨基酸上独特的侧基以及该侧基与周围区域的相互作用方式决定了多肽的三级结构。然后，如果这种多肽的功能需要它与一个或多个其他多肽结合，那么就会产生多个多肽结构，或称为四级结构。
参考文献：1) 营养参考值。(未注明日期)。2015年12月12日从 https://www.nrv.gov.au/nutrients/protein 检索。2) 氨基酸：MedlinePlus 医学百科全书。(未注明日期)。2015年12月12日从 https://www.nlm.nih.gov/medlineplus/ency/article/002222.htm 检索。3) Whitney, E. & Rolfes, S. (2015)。蛋白质。在《营养学入门》（第14版，第 6 章）。
氨基酸可以根据必需性、极性、疏水性和在体内被消耗后的命运进行分类。具体来说，氨基酸可以根据脱氨后碳片段的命运分为两组。如果碳片段后来成为葡萄糖的组成部分，那么它所属的氨基酸被称为糖原性氨基酸 (Whitney, 2002, p. 183)。具体来说，如果氨基酸在三羧酸循环中成为丙酮酸或丙酮酸相关分子，则被认为是糖原性。糖原性氨基酸通过一个称为糖异生作用的过程（与三羧酸循环密切相关）在肝脏中产生葡萄糖。在这个两步过程的第一步中，糖原性氨基酸被转化为α-酮酸。在第二步中，α-酮酸转化为葡萄糖 (Schutz, 2011)。人体中已知有十三种糖原性氨基酸。人类中一些糖原性氨基酸的例子包括甘氨酸（用于某些药物和金属表面处理）、丝氨酸（在嘌呤和嘧啶的生物合成中很重要）、缬氨酸和组氨酸（组胺和肌肽合成的前体）。还有一些氨基酸既可以被认为是糖原性，也可以被认为是生酮性，包括酪氨酸（在光合作用和信号转导过程中起重要作用）、色氨酸（蛋白质生物合成中重要的必需氨基酸）和苯丙氨酸（用于去甲肾上腺素和肾上腺素合成）。
参考文献：1. Whitney, E. & Rolfes, S. (2002)。《营养学入门》（第 9 版，第 183 页）。加利福尼亚州贝尔蒙特：沃兹沃思。2. Schutz, Y. (2011 年 3 月 1 日)。蛋白质周转、尿素生成和糖异生作用。2015 年 12 月 3 日从 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22139560 检索。
糖原性氨基酸是可以转化为丙酮酸并提供葡萄糖的氨基酸。因此，当碳水化合物不可用时，蛋白质是葡萄糖的良好来源。根据 King (2015) 的说法，“除了赖氨酸和亮氨酸之外，所有氨基酸至少部分是糖原性的。”转化为葡萄糖的氨基酸会经历一个被称为糖异生作用的过程。糖异生作用主要发生在肝脏，但在某些情况下，例如饥饿状态，也会发生在肾脏。当氨基酸不用于制造葡萄糖时，它们会被用作其他体细胞的能量来源 (Walker & Rolfes, 2015)。
参考文献：1. King, Michael W. (2015)。氨基酸和蛋白质：氨基酸代谢简介。医学生物化学页面。从 http://themedicalbiochemistrypage.org/amino-acid-metabolism.php 检索。2. Whitney, Ellie & Rolfes, Sharon R. (2015)。《营养学入门》（第 14 版）。加拿大：Cengage 学习。
如果氨基酸内的碳片段后来成为酮体、脂肪或固醇的组成部分，而不是像糖原性氨基酸那样成为葡萄糖，那么该氨基酸就是生酮性。然而，也有一些生酮性氨基酸可以根据其碳片段的命运被认为是糖原性（如酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸）。根据定义，生酮性氨基酸是可以直接降解为乙酰辅酶 A 的氨基酸，乙酰辅酶 A 是酮体的先驱物 (Noguchi, 2010)。人体中只有两种已知的氨基酸是纯粹的生酮性：亮氨酸和赖氨酸。亮氨酸用于肌肉和脂肪组织中固醇的形成，而赖氨酸与血清素功能密切相关。人体中已知有五种氨基酸既是生酮性又是糖原性，包括异亮氨酸（参与糖异生作用和乙酰辅酶 A）、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸和苏氨酸（甘氨酸的前体）。虽然没有与任何生酮性氨基酸相关的疾病，但有一些证据表明，生酮性必需氨基酸替代饮食可以减少小鼠肝脏脂肪变性（一种被称为肝脏脂肪变性的肝脏疾病）的影响 (Xu, 2013)。
参考文献：Noguchi, Y. & Nishikata, N. (2010 年 8 月 1 日)。生酮性必需氨基酸调节脂类合成途径并预防小鼠肝脏脂肪变性。2015 年 12 月 3 日从 http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0012057 检索。
生酮性氨基酸是制造乙酰辅酶 A 但不能制造葡萄糖的氨基酸。King (2015) 指出，“赖氨酸和亮氨酸是唯一纯粹的生酮性氨基酸。”生酮性氨基酸被转化为酮体。酮体是酸性化合物，当碳水化合物不可用且脂肪不能完全分解时，由肝脏产生。酮体通常以足够小的量产生和使用，为脑细胞提供燃料。酮酸是含有羰基的化合物。当体内酮酸过多时，血液 pH 值下降，表明体内化学物质不平衡。这被称为酮症。酮症还会导致食欲下降，这在食物不可用时可能是有益的。一旦一个人能够再次进食，食欲就会恢复，身体就会退出酮症 (Whitney & Rolfes, 2015)。
参考文献：1. King, Michael W. (2015)。氨基酸和蛋白质：氨基酸代谢简介。医学生物化学页面。从 http://themedicalbiochemistrypage.org/amino-acid-metabolism.php 检索。2. Whitney, Ellie & Rolfes, Sharon R. (2015)。《营养学入门》（第 14 版）。加拿大：Cengage 学习。
饮食中的蛋白质可以通过多种过程在肝脏或肌肉中分解。这些蛋白质被分解成氨基酸，这些氨基酸必须进一步处理其氨基。这个过程可以通过转氨基作用发生，转氨基作用是去除氨基。这使得氨基酸的剩余部分可以被用来产生能量。然而，这些氨基酸必须从体内去除，因为氨基的积累对身体来说可能是潜在的毒素。即使是少量氨基也可能对个体造成致命的影响。本质上，尿素是在蛋白质分解时产生的。安全地从体内去除尿素的过程被称为尿素循环（也称为鸟氨酸循环。尿素循环发生在肝脏，是去除体内多余氮的主要方法。此外，尿素循环与柠檬酸循环协同工作。这是通过交换每个反应所需的不同的中间体和物质来实现的。尿素通常通过血液从体内去除。尿素通过血液从肝脏到肾脏。在那里，肾脏从血液中过滤出尿素，并通过尿液排出体外。但是，可以进行一些测试来查看血尿素氮 (化学)。这项测试对于查看个体的肝脏和肾脏是否健康和正常运作非常重要。如果一个人的血氮水平高于正常水平，可能意味着肝脏或肾脏功能不佳 (Webmd)。医生可以通过这些测试判断个人是否患有肾脏疾病。这些疾病可能是急性肾衰竭或终末期肾病 (Webmd)。尿素是氮代谢的主要终产物。尿素于 1828 年由德国化学家弗里德里希·维勒在试图用氰化银和氯化铵制备氰酸铵时首次发现。然而，他错误地制造了尿素。在有机化学中，尿素是一种碳酰胺，由两个通过羰基连接的氨基组成 (Boswick)。尿素的主要特点是无味、无色、易溶于水。尿素可溶的原因是在水中它可以分解成铵离子和碳酸氢根离子。尿素的溶解性是它通过尿液排泄的原因，因为它是最有效的过程。尿素也在体外被利用。例如，尿素是肥料的主要成分之一。此外，尿素可以被合成用于塑料、胶水、洗涤剂甚至杀虫剂 (Boswick)。这表明尿素除了在体内使用之外，还有很多潜在的用途。
氨是一种对人类高度有毒的物质。如果不能从体内排出，氨的积累会导致肝损伤，甚至死亡 (Ophardt, 2003)。氨通过尿素从体内清除。尿素在肝脏中制造，并作为尿液从肾脏中排出。尿素是未利用氮的主要排泄方法。一个人摄入的蛋白质越多，产生的尿素就越多。为了使尿素保持溶液状态，也必须摄入水。因此，摄入大量蛋白质的人也必须多喝水。这将有助于稀释和排泄尿素。如果一个高蛋白饮食者喝水不足，他们可能会脱水。如果没有额外的水分，身体会利用其储存的水分来排出尿素。这就是为什么在那些摄入大量蛋白质的人群中经常看到水分流失。水分流失使高蛋白饮食看起来很有效，但实际上对减掉身体脂肪毫无价值 (Whitney & Rolfes, 2015)。
参考文献
- "血尿素氮"。Web Md。N.p.，n.d. 网络。2015 年 12 月 2 日。<http://www.webmd.com/a-guides/blood-urea-nitrogen>。
- Boswick, Heleigh 和 Lucy Oppenheimer。“什么是尿素”。Wisegeeks。N.p.，n.d. 网络。2015 年 12 月 2 日。<http://www.wisegeek.com/whatis-urea.htm>。
- Ophardt, Charles E. (2003)。尿素循环。虚拟化学书。从 http://chemistry.elmhurst.edu/vchembook/633ureacycle.html 检索。
- Whitney, Ellie & Rolfes, Sharon R. (2015)。《营养学入门》（第 14 版）。加拿大：Cengage 学习。