氢原子百科 
亮氨酸（Leucine，缩写Leu），是人体必需氨基酸之一，[1]从成年人体营养需求来说，是指成年人体生理所必需，体内无法合成而必须由食物提供。[3]分子式为C6H13NO2，外观为白色结晶或结晶性粉末，无臭。密度为1.293g/cm3（18°C时），溶解度为21.5g/L（25°C时），在水中略溶，不溶于氯仿和甲醇，乙醇中微溶。[2]亮氨酸有L、D两种构型，用投影式书写时，羧基在上，R基团在下，-NH2在左边的属L-氨基酸，而-NH2在右边的为D-氨基酸。[3]
L-亮氨酸存在于蛋白质中，并且在玉米麸质及动物血粉中含量最为丰富，[4][5]也可以在牛奶、麦芽、鸡蛋、奶酪、猪肉和糙米、豆类、坚果和大豆粉等富含亮氨酸的食物中获取，平时可以通过以上食物补充亮氨酸。[6]亮氨酸主要的生理作用为增加和保护肌肉，并为肌肉提供代谢能量的工作，组成神经肽以及神经递质，可以产生镇定和减痛的效果，还可以促进肠道生长发育及功能的完善，其还是支链氨基酸中最强的胰岛素促分泌剂之一。[6][7][8]
亮氨酸主要应用于医药、食品、农业和化妆品领域。[9][10]在医药领域，亮氨酸及其衍生物在医药上可用作营养剂、代谢改良剂及搭配特殊膳食；[11][6]食品工业中亮氨酸可做骨关节补充剂；[12]在农业领域中，水产动物饲料中协同添加亮氨酸可能产生更高的应用价值，如促进鱼的生长、提高鱼体免疫力等，[13]若对农作物使用含有L-亮氨酸的氨基酸肥料，可以增加产量，改善品质；[11]在化妆品应用中使用L-亮氨酸及其衍生物可以达到延缓皮肤衰老，嫩化肌肤的作用。[11]
发现历史
19世纪到20世纪中叶是发现和研究各种营养素的鼎盛时期，人类发现了蛋白质、脂肪、碳水化物、矿物质、维生素等营养素及其生理作用。这时期营养学研究出现了飞跃。[14]
1820年，布拉康诺特（Braconnot）在明胶、羊毛和肌肉的水解物中发现亮氨酸。20世纪中期，根据人体实验的结果，亮氨酸、缬氨酸等8种必需氨基酸被确认。[15][16]
亮氨酸曾因是白色结晶被称为白氨酸，其是最先从奶酪中分离得到的一种支链氨基酸。[1][17]
食物来源
膳食建议
美国国家科学院（National Academy of Sciences） 对支链氨基酸建立了每日最低需求量如下：婴儿所需亮氨酸135mg/kg；10~12岁的儿童所需亮氨酸42mg/kg；成年人所需亮氨酸16mg/kg，70kg体重的成年男性每日所需亮氨酸1042mg。[6]
支链氨基酸每日最低的需求量，约占必需氨基酸的40%。据美国威斯康星大学（University of Wisconsin）的哈珀（Harper）等的研究，这些支链氨基酸在每日摄取的必需氨基酸数量中要占50%以上。[6]
维持机体健康
在组织中，亮氨酸在组成机体蛋白质氨基酸含量中高达8%。在肌肉中亮氨酸是第四位高浓度的氨基酸，主要会在肌肉中被用，承担着增加和保护肌肉，并为肌肉提供代谢能量的工作。当身体出现严重压力和应激状况时，支链氨基酸成为肌肉中能量的重要来源和制造者，是合成代谢反应中的主要能量来源，可以帮助合成复杂的合成物、刺激蛋白质合成、提高氨基酸的重组利用和减少压力引起的蛋白质降解。此外，亮氨酸是禁食状态下唯一可以代替葡萄糖的氨基酸，是身体热量和能量的重要来源。[6]
在大脑中支链氨基酸的作用是组成神经肽以及神经递质，可以产生镇定和减痛的效果。[6]
亮氨酸可以促进肠道生长发育及功能的完善，可以延缓衰老和治疗肝脏纤维化，阻碍细胞周期，保障胎儿正常发育，促进泌乳量，提高乳品质，还可以在疾病情况下，提高骨骼肌合成、延缓骨骼肌群流失及缓解体重下降等生物学功能。[8]
参与胰岛素分泌
亮氨酸是支链氨基酸中最强的胰岛素促分泌剂之一，急性亮氨酸作用可促进胰岛β细胞胰岛素分泌。无论在啮齿类动物还是人体内，急性亮氨酸作用均可提高胰岛素分泌水平。[7]
急性亮氨酸刺激胰岛素分泌涉及两个方面：其一，亮氨酸可通过代谢作用而促进胰岛素分泌。其二，亮氨酸可别构激活谷氨酸脱氢酶（Glutamate Dehydrogenase，GDH）而促进线粒体代谢。[7][19]
吸收代谢
亮氨酸的分解完全通过脂肪途径来完成。[6]亮氨酸进行分解代谢的主要部位，是在心肌和骨胳肌，因而进入体内的支链氨基酸很少被肝脏所摄取。亮氨酸脱去氨基酸的碳链，通过一系列的氧化过程，最后经醛醇裂解酶（存在于心线粒体内）的作用，将β羟β甲基戊二酰CoA分裂为乙酰乙酸和乙酸。[20]
缺乏亮氨酸
亮氨酸过量
亮氨酸是组成蛋白质中的必需氨基酸之一，为20种氨基酸中惟一的生酮氨基酸。有报道含亮氨酸高的食品易引起儿童低血糖，在胰岛素作用机制研究中发现胰岛素与其细胞受体接触作用时，受体两条α链分别与胰岛素2个位点接触，其中一个接触位点是胰岛素β链上第17位亮氨酸。增加亮氨酸能否提高胰岛素与受体间的敏感性，能否加速血糖的利用。机制原因不明。[22]
过量亮氨酸可能有利于抑制肿瘤生长，减少转移，延长白血病患儿生存期。[23]
医药工业
亮氨酸是临床选用的复合结晶氨基酸静脉注射液的原料，用于幼儿特发性高血糖的诊断和治疗以及糖代谢失调、伴有胆汁分泌减少的肝病、贫血、肌肉萎缩症等。[9][10]
亮氨酸及其衍生物在医药上可用作营养剂、代谢改良剂，具有抗溃疡、防辐射、抗菌、治癌、催眠、镇痛，为不能经口获得营养的病人配制特殊膳食的功效。[11]
临床应用：在应激和压力状态下亮氨酸，是合成代谢反应中的主要能量来源，可以帮助合成复杂的合成物、刺激蛋白质合成、提高氨基酸的重组利用和减少压力引起的蛋白质降解。此外，亮氨酸是禁食状态下唯一可以代替葡萄糖的氨基酸，是身体热量和能量的重要来源。可适用于手术、创伤、 肝硬化、感染等情况。[6]营养应用：补充支链氨基酸能够减轻心肌缺血对心肌造成的伤害，防止慢性肝病引起的过度消瘦和对神经系统的损伤。[11]
食品工业
以亮氨酸为主要成分复配得到的一款骨关节补充剂，能够修复关节炎大鼠的关节软骨损伤，在增加肌肉量与肌肉力量的同时强化肌肉与软骨的物理相互作用和内分泌相互串扰，达到比普通补充剂更好的修复软骨损伤作用。[12]
可为针对肌肉无力和肌肉失衡导致的关节磨损的相关产品的开发提供有价值的理论依据。[12]
饲料应用
以0.2%的水平在饲料（植物蛋白源替代部分鱼粉）中联合添加亮氨酸能够更有效地促进大菱鲆幼鱼的生长和肠道健康，并能够提高鱼体的免疫力。这是对植物蛋白源替代鱼粉后的鱼类饲料中添加亮氨酸的协同作用的首次评估，说明了水产动物饲料中协同添加特定氨基酸可能产生更高的应用价值。[13]
肥料应用
L-亮氨酸与稀土配合物是氨基酸肥料和农药的一种，不仅能增产、防止农作物病虫害，并且能被日光和微生物降解，是深受人们喜爱的“绿色农药”。这种农药的降解产物还可促进农作物对微量元素的吸收利用，增加产量，改善作物的品质。[11]
化妆品应用
结构
亮氨酸是非极性R基氨基酸，[4]分子式是C6H13NO2，结构式如下图。[1]像所有氨基酸一样，亮氨酸有两个官能团：一个胺基团(NH2)和一个羧基(COOH)，还有一个分支侧链CH2-CH(CH3)2。[24]
亮氨酸的α碳原子都是不对称碳原子，在此碳原子上连着四个互不相同的基团或原子（即—R、一NH一COOH和H）。这四个基团在空间排列的位置可以有两种形式，互为镜像，不能重叠，成为两个相对应的异构体，有L和D两种构型。[25]
其结晶为黄褐色，小球形或油滴状，有同心圆或密集辐射状条纹，折光性强，可溶于乙酸、盐酸及氢氧化钾。[26]
物理性质
亮氨酸为白色结晶或结晶性粉末，无臭，味微苦。密度为1.293g/cm3（18°C时），pH值为2.35，沸点为145-148℃。溶解性在25℃时达到21.5g/L，溶于水、乙酸、稀盐酸、碱性氢氧化物和碳酸盐，在乙醇中微溶。熔点很高，达到293℃。本品具旋光性，比旋度为＋14.5°至＋16.0°。[1][2][27]
化学性质
亮氨酸多在熔融时分解，能溶解在强酸强碱中，其形成的盐多能溶于水。亮氨酸也是典型的α-氨基酸，具有以下氨基酸化学反应特性。[4][17]
氨基酸的α-氨基和α-羧基都参与了反应，反应是氨基酸与一分子茚三酮在弱酸性溶液中共热、氨基酸氧化脱氨、脱羧生成还原型茚三酮，再与一分子茚三酮反应生成Ruhemann氏紫（鲁赫曼氏紫）。茚三酮反应可以用于对氨基酸进行定性检测或定量测定。[28]
Sanger反应最早由英国科学家Frederick Sanger（弗雷德里克·桑格）用于多肽和蛋白质的N-末端氨基酸的测定。[28]
在弱碱性条件下，氨基酸的α-氨基与2.4-二硝基氟苯发生反应，生成稳定的黄色物质2，4-二硝基苯基氨基酸，即DNP-氨基酸。[28]
Edman反应
反应在弱碱性（pH9.0）条件下进行，由苯异硫氰酸酯与氨基酸的α-氨基反应，生成苯氨基硫甲酰衍生物。PTC-氨基酸在硝基甲烷中与酸作用，迅速环化生成相应苯乙内酰硫脉衍生物，即PTH-氨基酸。[28]
该方法可以用于多肽及蛋白质N-末端氨基酸的鉴定，还可以用于多肽链的序列测定。[28]
合成和制备过程
生物合成途径
L-亮氨酸的生物合成途径从丙酮酸开始，丙酮酸在乙酰基酸合成酶的催化下，与来源于丙酮酸的活性乙醛基缩和形成α-乙醛乳酸，α-乙醛乳酸在二轻酸还原异构酶催化下发生甲基自动位移形成α，β二羟基异戊酸。该产物经二酸酸脱水酶催化脱水后形成α-酮基异戊酸。α-酮基异戊酸在α异丙基苹果酸合成酶的作用下，接受由乙酰CoA转来的酰基形成α-异丙基苹果酸。α-异丙基苹果酸在α-异丙基苹果酸异构酶作用下形成β-异丙基苹果酸，再经以NAD为辅助因子的β-异丙基苹果酸脱氢酶作用形成α-酮基异己酸。α-酮基异己酸由支链氨基酸转氨酶催化与谷氨酸转氢形成L-亮氨酸。[30][29]
发酵生产
亮氨酸合成的直接前体是缬氨酸的中间体---α-酮基异戊酸，其关键酶是α-乙酰乳酸合成酶和α-异丙基苹果酸合成酶，前者受到缬氨酸的反馈抑制和三种支链氨基酸的多价阻遏；后者受到亮氨酸的反馈抑制和阻遏。为了积累亮氨酸，就需要通过菌种选育来解除抑制和阻遏。[31]
微生物转化法
微生物转化法又称添加前体发酵法。利用葡萄糖为发碳源、能源，再添加目的氨基酸的前体物，经特定微生物的代谢转化作用将该前体物有效地转化为目的氨基酸。德国学者乌尔里希·格罗格（Ulrich Groeger）采用分批流加培养法，流加生物合成L-亮氨酸的前体物α-酮基异已酸32g/L，经谷氨酸棒杆菌ATCC13032发酵23h，产L-亮氨酸24g/L。[29]
微生物直接发酵法
利用微生物能自身合成L-亮氨酸的能力，通过对出发菌株的诱变处理，选育出营养缺陷型及氨基酸结构类似物抗性突变株，以解除代谢调节中的反馈抑制与阻遇，达到过量积累L-亮氨酸的目的。以微生物直接发酵法生产L-亮氨酸，已形成一定规模的工业生产能力。[29]
提取法
L-亮氨酸在蛋白质中含量较多，将干酪素、角蛋白、血色素在酸性条件下水解，用碱中和即有亮氨酸沉淀，用β-萘矾酸使沉淀结晶，用离交法、层析法分离。虽有由天然蛋白质水解液分离提取L-亮氨酸产品，但该方法工艺费时、收率低，不适合大规模工业化生产。[29]
化学合成法
参考资料 31
- 参考 1
- COMPOUND SUMMARY Leucine — Pubchem
- 参考 3
- 参考 4
- 参考 5
- 参考 6
- 参考 7
- 参考 8
- 参考 9
- 参考 10
- 参考 11
- 参考 12
- 参考 13
- 参考 14
- 参考 15
- 参考 16
- 参考 17
- 参考 18
- 参考 19
- 参考 20
- 参考 21
- 参考 22
- 参考 23
- www.futura-sciences.us — FUTURA-SCIENCES
- 参考 25
- 参考 26
- 参考 27
- 参考 28
- 参考 29
- 参考 30
- 参考 31
注释
- oz是符号ounce的缩写，中文称为“盎司”(香港译为安士)，是英制计量单位,作为重量单位时也称为英两。重量单位，1oz=28.35g(克）。
- lb是英国和美国的重量单位“磅”的简写，一千克等于2.20462262磅。