瓜氨酸
瓜氨酸（Citrulline）
1. 概览
瓜氨酸是一种非蛋白编码的α-氨基酸，因其最初从西瓜中发现而得名。它是尿素循环和一氧化氮合成途径中的关键中间代谢物。在哺乳动物体内，瓜氨酸主要在小肠和肝脏中合成，并作为精氨酸的前体，在氮代谢、血管舒张、免疫调节和细胞能量供应中扮演着重要的桥梁作用。其独特的代谢特性使其在临床营养、运动医学和心血管健康领域受到广泛关注。
2. 化学与结构特性
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 系统命名 | 2-氨基-5-(氨基甲酰氨基)戊酸 |
| 化学式 | C₆H₁₃N₃O₃ |
| 分子量 | 175.19 g/mol |
| CAS号 | 372-75-8 (L-型) |
| 等电点 | 5.92 |
| 结构特征 | 侧链为脲基，是尿素的衍生物。 |
| 溶解性 | 易溶于水，微溶于乙醇。 |
3. 生物合成途径
瓜氨酸在体内的合成有两条主要途径，分别位于线粒体和胞质。
| 合成途径 | 关键反应/酶 | 主要发生部位 | 生理意义 |
|---|---|---|---|
| 尿素循环途径 | 鸟氨酸 + 氨甲酰磷酸 → 瓜氨酸 鸟氨酸氨甲酰转移酶 | 肝脏线粒体 | 是尿素循环的第一步，将有毒的氨转化为无毒的尿素。此途径产生的瓜氨酸主要用于尿素合成，而非全身循环。 |
| 肠道-肾脏轴途径 | 谷氨酰胺/谷氨酸/脯氨酸 → 鸟氨酸 → 瓜氨酸 涉及脯氨酸/谷氨酸代谢和OTC等酶。 | 小肠上皮细胞（主要合成场所） | 全身瓜氨酸的主要来源。小肠利用谷氨酰胺等合成瓜氨酸释放入血，供肾脏和其他组织利用。 |
| 一氧化氮合酶途径 | 精氨酸 + O₂ + NADPH → 瓜氨酸 + NO 一氧化氮合酶 | 血管内皮细胞、巨噬细胞、神经元等。 | 生成NO的同时等摩尔生成瓜氨酸。这是细胞信号转导的一部分，瓜氨酸可被回收再合成精氨酸。 |
4. 代谢与转化
瓜氨酸的核心代谢去向是转化为精氨酸，这一过程主要发生在肾脏。
| 转化途径 | 关键反应/酶 | 发生部位 | 生理意义 |
|---|---|---|---|
| 精氨琥珀酸合成 | 瓜氨酸 + 天冬氨酸 + ATP → 精氨琥珀酸 + AMP + PPi 精氨琥珀酸合成酶 | 肾脏近端小管细胞胞质（主要）、其他组织。 | 是全身精氨酸稳态维持的关键步骤。肾脏高效摄取血浆瓜氨酸并将其转化为精氨酸，释放入血供全身使用。 |
| 后续步骤 | 精氨琥珀酸 → 精氨酸 + 延胡索酸 精氨琥珀酸裂解酶 | 同上 | 生成精氨酸，并产生延胡索酸进入TCA循环。 |
| 瓜氨酸-NO循环 | 内皮细胞等释放的NO同时生成瓜氨酸，瓜氨酸被运回细胞内，经精氨琥珀酸合成酶/裂解酶途径重新合成精氨酸，用于下一轮NO合成。 | 血管内皮等NO生成细胞。 | 精氨酸的局部再生循环，有助于维持细胞内精氨酸池和持续的NO产生，尤其在精氨酸供应受限时。 |
5. 主要生理功能
瓜氨酸通过其代谢产物（主要是精氨酸和NO）间接发挥广泛作用。
| 功能 | 作用机制 | 生理与病理意义 |
|---|---|---|
| 精氨酸前体与NO供体 | 作为精氨酸的稳定前体，提升血浆和内源性精氨酸水平，从而支持NO合成。 | 改善内皮功能、降低血压、抗动脉粥样硬化、改善勃起功能。 |
| 调节氮代谢与排氨 | 参与尿素循环，是氨解毒的关键中间体。 | 维持氮平衡，在肝脏疾病、高氨血症中意义重大。 |
| 支持免疫功能 | 为免疫细胞（如巨噬细胞、淋巴细胞）提供精氨酸，用于合成NO（细胞毒性）和多胺（细胞增殖）。 | 增强免疫应答，在脓毒症、创伤等应激状态下可能有益。 |
| 抗氧化作用 | 直接清除羟自由基等活性氧。 | 提供细胞抗氧化防御。 |
| 能量代谢与运动表现 | • 通过NO改善肌肉血流和营养物质输送。 • 减少运动引起的氨积累（通过尿素循环）。 • 可能通过回补TCA循环（延胡索酸）提供能量。 | 减轻疲劳感、增强耐力、促进运动后恢复。 |
| 调节水盐平衡 | 作为精氨酸加压素释放的调节因子。 | 影响体液平衡。 |
6. 临床意义与应用
| 疾病/领域 | 应用与潜在益处 | 机制与证据水平 |
|---|---|---|
| 心血管疾病 | • 高血压：补充L-瓜氨酸可轻度但显著降低血压。 • 内皮功能障碍：改善血流介导的血管舒张。 • 镰状细胞病血管病变：改善血管功能，可能缓解疼痛危象。 | 通过增加精氨酸/NO改善内皮功能。多项随机对照试验支持。 |
| 运动营养 | • 提升有氧运动耐力（如自行车、跑步）。 • 减轻高强度运动后的肌肉酸痛。 • 增强力量训练的表现（证据不一）。 | 改善血流、清除氨、减少代谢压力。多数研究显示阳性结果。 |
| 勃起功能障碍 | 作为L-精氨酸的替代前体，改善轻度ED患者的症状。 | 提升NO水平，促进海绵体血管舒张。部分临床研究支持。 |
| 肠道功能不全/短肠综合征 | 条件必需营养素。小肠是主要合成场所，其功能丧失导致瓜氨酸缺乏，继而精氨酸缺乏。补充瓜氨酸可纠正。 | 监测血浆瓜氨酸水平可作为小肠吸收功能的生物标志物。 |
| 脓毒症与危重症 | 可能改善血流动力学和免疫功能，但证据复杂，需谨慎。 | 危重状态下精氨酸代谢紊乱，瓜氨酸转化为精氨酸的途径可能受损。 |
| 衰老与肌肉减少症 | 可能改善老年人的血管功能和肌肉血流，对抗年龄相关的NO生成下降。 | 临床研究正在进行中。 |
| 遗传代谢病 | 瓜氨酸血症：因ASS1或ASL基因缺陷导致瓜氨酸或精氨琥珀酸在血和尿中异常积聚，引起严重高氨血症和神经损伤。 | 需要严格饮食控制（低蛋白、补充精氨酸）和急性期降氨治疗。 |
7. 膳食来源与补充
天然来源：西瓜（尤其是皮和白色部分）、黄瓜、甜瓜、南瓜、豆类、肉类。
补充剂：主要为L-瓜氨酸和瓜氨酸苹果酸盐。
L-瓜氨酸：标准形式。
瓜氨酸苹果酸盐：瓜氨酸与苹果酸的盐。苹果酸参与TCA循环，理论上有助ATP生成，常被宣传为更有利于抗疲劳和提升运动表现，但直接比较证据有限。
安全性：通常被认为是安全的。高剂量可能引起胃肠道不适。肾功能严重不全者需慎用。
总结，瓜氨酸远不止是尿素循环的一个简单中间体。它作为连接肠道、肝脏和肾脏氮代谢的桥梁，以及精氨酸和NO的“缓释前体”，在维持全身代谢稳态、心血管健康和运动生理中扮演着独特而关键的角色。其绕过肝脏首过效应、优先被肾脏摄取转化为精氨酸的特性，使其成为比直接补充精氨酸在某些情况下更有效的策略。从治疗遗传代谢病到改善大众健康，对瓜氨酸代谢的深入理解和应用正在不断拓展。
参考文献
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