第二节　蛋白质

学习目标

1.本节重点掌握蛋白质合成和分解代谢途径以及生理功能。

2.熟悉营养不良及其他消耗性疾病状况下人体对蛋白质的特殊需求；熟悉不同人群对蛋白质每日需要量。

节前导言

本节内容主要介绍蛋白质的合成与分解代谢途径，以及对人体生理活动的影响。通过对蛋白质分类、功能以及消耗性疾病状况下的作用等方面的介绍和讨论，掌握蛋白质的各项生理功能和需要量，合理选择食物和营养制剂，提供社区人群或患者对蛋白质营养支持的需求。

一、蛋白质组成和分类

蛋白质（proteins）参与组织的合成，也是头发、皮肤、指甲、肌腱、骨骼、韧带和重要器官的主要成分，其中在数量上最重要的是肌肉组织。蛋白质的构成原料（氨基酸）也是神经递质（如儿茶酚胺）的前体物质。蛋白质还构成了抗体、酶、血液运输载体（运铁蛋白、血红蛋白），酸碱缓冲体以及肌肉收缩蛋白（肌动蛋白、肌球蛋白）。蛋白质具有一定结构才能实现其生命功能。与糖类和脂肪一样，蛋白质含有碳、氢、氧原子，还含有一定的氮原子，这也是蛋白质的构成原料氨基酸（amino acids）的名称由来。构成人体蛋白质的氨基酸各不相同，有20种氨基酸按照人体需要分为非必需氨基酸、条件必需氨基酸和必需氨基酸，见表3-5。在某些病理条件下，机体对特定氨基酸需要量增加时成为必需氨基酸，因而属于条件必需氨基酸，如谷氨酰胺。

过量摄入蛋白质和氨基酸可导致尿素和其他化合物的生成量超出肝脏和肾脏的清除能力，并不能增加肌肉数量、力量、爆发力和耐力，但很多教练、训练员和运动员都误认为有上述作用。由于抗阻力和耐力运动后蛋白质的合成量大于分解量，建议运动员增加蛋白质和氨基酸的摄入量。即使如此，如果运动员增加普通膳食的摄入，宏量营养素的摄入量也会随之增加，从而满足了机体对蛋白质需要量的增加。

蛋白质的推荐摄入量为0.8～1.0g/（kg·d），这是根据长期的氮平衡研究得出的结果，并考虑到以下三个方面。

1.维持氮平衡的优质蛋白平均需要量。

2.安全系数，能够满足群体中95%健康个体的需要。

3.日常膳食中优质蛋白所占的比例。

通过用某种营养素来治疗或预防特异的营养缺乏症（如维生素C与坏血病）可以确定人体对这种营养素的需要量，但蛋白质的缺乏一般都没有特异性的症状，所以一般用测定氮平衡的方法来确定人体的需要量。首先，测量人体通过尿液、粪便、皮肤以及其他途径（汗液、分泌液等）流失的氮，将摄入氮减去以上各种途径排出的氮就可以计算出氮平衡的状况。为了确定蛋白质的需要量，这种氮平衡的测定要在蛋白质从缺乏到过剩几种不同的摄入水平下进行。通过以上的试验可以发现，如果每天摄入1g/kg（标准体重）的蛋白质，尿液中的氮大约为0.85g/kg（标准体重），粪便中的氮0.1g/kg（标准体重），皮肤和其他途径排出的氮为0.03g/kg（标准体重）。尿中排出的氮会随着摄入氮的变化而变化，但粪排出氮和皮肤排出氮就相对比较稳定。膳食纤维会影响粪排出氮，因为膳食纤维会增加肠道菌群从而增加粪便中微生物产生的氮，另外消化率较低的食物蛋白也会使粪便中排出的氮增加。生物价较低的食物蛋白还会增加尿中排出氮。

维持氮平衡的蛋白质需要量有两个主要的影响因素：必需氨基酸和必需氮。必需氮指的是可以在体内通过转氨作用进入胺的代谢进而合成氨基酸的氮。对于成年健康个体来说，摄入的蛋白质中必需氨基酸要占10%以上，而儿童则要占40%以上。

处于成长期个体对蛋白质的需要主要取决于其组织生长所需要的必需氨基酸构成比例，而成年个体则取决于去脂组织中蛋白质的更新、体内重要物质如激素等的合成，以及伤口的愈合或应激等需要。对于患者来说，需要的氨基酸模式与健康人有所不同，他们需要更多的脯氨酸来合成胶原蛋白、芳香族氨基酸来合成抗体及谷氨酰胺，使细胞分化加速。在机体合成蛋白能力受限的情况下，一些非必需氨基酸变成了条件必需氨基酸，比如肝脏功能损坏的患者，蛋氨酸合成为半胱氨酸的过程受到限制，因此，这些患者的含硫氨基酸来源仅仅依靠蛋氨酸是不够的。

健康人与患者维持氮平衡所需要的氨基酸的结构及数量都不相同。处于急性期的患者氮平衡的目标是恢复和保持机体的生理功能，阻止身体瘦组织的继续丢失。恢复期患者氮平衡的目标是恢复生理功能和身体瘦组织。氮平衡只是评价机体蛋白质丢失或增加的一个指标，不是最终目的。

二、蛋白质的生理功能

（一）生长和新陈代谢

新生组织蛋白质的合成需要氨基酸的持续供应。新组织可位于胚胎中，正在发育的婴幼儿中，伤口愈合的修复组织中，严重创伤或者烧伤术后输注的血液制品之中。我们每个人每时每刻新陈代谢过程中蛋白质都发挥了重要的生理作用。例如，红细胞的寿命只有3～4个月，到一定时间就会被骨髓产生的新细胞所代替。消化道壁的细胞只能存活3天，他们不停地脱落和更新。活细胞中自身的蛋白质也在不断地被合成和分解。食物中的氨基酸可以支持所有的生长和组织构件维护更新的过程。

（二）合成酶、激素和其他化合物

酶是活细胞中重要的蛋白质之一，单个细胞中就有成千上万的酶，每一个都是一种催化剂，可使某个特定的化学反应顺利进行。激素（hormone）是体内的信号分子，其中一些来自于氨基酸。多种腺体根据体内环境的变化分泌相应的激素，然后激素诱导必要的反应使得其所处环境恢复正常。甲状腺激素是由氨基酸构成的重要激素，用于调节机体的代谢。胰岛素和胰高血糖素是一对作用相反的激素，用于维持血液中葡萄糖的水平。体内还有其他氨基酸类的激素参与调节机体各种生理活动。除了合成蛋白质以外，氨基酸本身在体内也有作用。例如，酪氨酸是肾上腺素和去肾上腺素化学信使的组成部分，传递全身各处的神经信号；同时，也可以合成黑色素，为皮肤、头发和眼睛颜色的来源。

抗体（antibodies）是最具有蛋白质生物特异性的物质。抗体能够识别属于自身蛋白质和侵入人体的外源微粒（通常也是蛋白质），并且只作用于外源性微粒。这些外源微粒可能是细菌、病毒或者毒素的组成部分，也有可能是食物中引起过敏的某种成分。机体识别出这些入侵的蛋白质，产生专门用于抑制这些蛋白质的抗体。虽然每种抗体只摧毁一种特定的入侵者，对其他种类的入侵者无效；但是，一旦机体产生了某种特定的抗体，就会对此产生记忆，下一次同样入侵者来犯时就能更为迅速地进行防御抵抗。这样，人体就对该入侵者产生了免疫力。

（三）体液电解质和酸碱平衡

蛋白质可以通过调节体内各部分的体液量来帮助机体维持体液和电解质的平衡。细胞中必须保持一定量的液体，过多的液体可以使得细胞水肿膨胀，甚至破裂，过少则会使细胞丧失生物学功能。蛋白质不能自由地进出细胞，同时又具有亲水性，因此细胞可以通过保持细胞内蛋白质和其他一些矿物质的储存量来维持所需要的液体。细胞还可以通过分泌出的蛋白质和矿物质来维持细胞间相对恒定的液体体积。这套系统一旦失衡，细胞外间隙就会积累大量体液，造成水肿。除此以外，细胞膜上的运输蛋白不断地将各种物质运出或运入细胞，来维持体液的组成，比如维持细胞内外钠、钾的浓度平衡等。

正常情况下，身体不断地会产生出酸和碱，必须通过血液运送到其他器官进行代谢。血液中的蛋白质能够作为保持血液正常pH的缓冲物质来收集过多的氢离子（酸），并且在氢离子过少时将其释放出去。其重要的机制在于氨基酸侧链带负电，在必要的时候能够容纳一个带正电的氢离子。

（四）提供能量

蛋白质是人体重要的能量物质之一。当氨基酸被分解产生能量时，氨基将被除去用于别的生理途径或被肝脏吸收转化为尿素，运送到肾脏以尿液的形式排出。剩下的部分与糖和脂肪一样，都由碳、氢和氧组成，可用于合成糖和脂肪，或者进行代谢。氨基酸不仅能够提供能量，而且很多氨基酸还可以转化成葡萄糖，因此，在必要的条件下，蛋白质能够维持稳定的血糖水平，满足大脑对葡萄糖的需求。因而，三大能量物质，糖提供能量，脂肪提供高能量，而蛋白质则在需要的情况下提供能量和氮。当糖和脂肪提供的能量足以满足细胞的需要时，氨基酸才都会用于蛋白质的合成。蛋白质只能以组织的结构成分和功能分子的形式进行能量储存。当情况紧急时，人体才不得不分解组织蛋白以获得氨基酸，从而获取能量。

三、食物蛋白质营养学评价

营养学上主要从食物蛋白质的“量”和“质”两个方面来进行评估。即一方面要从“量”的角度考量食物中蛋白质含量的多少，另一方面则要从“质”的角度考察其必需氨基酸的含量及模式，以及机体对该食物蛋白质的消化、利用程度。一般而言，动物蛋白质的营养价值优于植物蛋白质。

（一）食物中蛋白质的含量

食物蛋白质含量是评价蛋白质营养价值的一个重要方面。蛋白质的含量是蛋白质发挥其营养价值的物质基础，食物蛋白质含量的多少尽管不能决定一种食物蛋白质营养价值的高低，但是没有一定的数量，再好的蛋白质其营养价值也有限。

食物蛋白质含量的测定通常用微量凯氏定氮法（Kjeldahl method）测定其含氮量，然后再换算成蛋白质含量。食物蛋白质的含氮量取决于其氨基酸的组成以及非蛋白含氮物质的多少，可在15%～18%变动。食物蛋白质平均含氮量为16%，故常以含氮量乘以系数6.25测得其粗蛋白含量。

（二）蛋白质的消化率和利用率

蛋白质的消化率（digestibility）则是指食物蛋白质被消化酶分解、吸收的程度。消化率愈高，被机体利用的可能性就愈大。食物蛋白质的消化率以该蛋白质中被消化、吸收的氮量与其蛋白质含氮总量的比值表示。通常动物性蛋白质的消化率比植物性的高。如鸡蛋和牛奶蛋白质的消化率分别为97%和95%，而玉米和大米蛋白质的消化率分别为85%和88%，这是因为植物蛋白质被纤维素包围不易被消化酶作用。经过加工烹调后，包裹植物蛋白质的纤维素可被去除、破坏或软化，可以提高其蛋白质的消化率，例如食用整粒大豆时，其蛋白质消化率仅约60%，若将其加工成豆腐，则可提高到90%。

蛋白质的利用率是指食物蛋白质（氨基酸）被消化、吸收后在体内被利用的程度，包括了多个方面。蛋白质的生物学价值（biological value，BV）简称生物价，是机体的氮潴留量与氮吸收量之比。某种蛋白质生物价的值越高，表明其被机体利用的程度越高，最大值为100。生物价对指导蛋白质互补以及制定肝、肾疾病患者的膳食很有意义。对肝、肾疾病患者来讲，生物价高，表明食物蛋白质中氨基酸主要用来合成人体蛋白，很难有过多的氨基酸经肝、肾代谢而释放能量或由尿排出多余的氮，从而大大减少肝肾的负担，有利其恢复。常见食物的蛋白质生物价如表3-6。

蛋白质营养价值的高低也可根据其必需氨基酸的含量以及它们之间的相互关系来评价。食物蛋白质氨基酸模式与人体蛋白质构成模式越接近，其营养价值就越高。氨基酸评分则能评价其接近程度，是一种广为采用的食物蛋白质营养价值评价方法。对于消费者和营养师而言，蛋白质消化率校正氨基酸评分（protein digestibility corrected amino acid score，PDCAAS）是一种实用的蛋白质质量评价指标，通过衡量蛋白质的消化率以及其是否能够满足人体氨基酸需求而对不同的蛋白质进行评分。该评分体系为0～100，100分代表最容易被消化且最能均衡满足人体需要的蛋白质来源。鸡蛋白、牛肉松、鸡肉制品、脱脂牛奶和金枪鱼都是100分，大豆蛋白质紧随其后为94分，大多数豆类在50～70分之间，而面包制作过程中形成的谷物蛋白为25分。

（三）蛋白质的互补作用

不同食物蛋白质中氨基酸的含量和比例关系不同，其营养价值不一，若将两种或两种以上的食物适当混合食用，使它们之间相对不足的氨基酸互相补偿，从而接近人体所需的氨基酸模式，提高蛋白质的营养价值，称为蛋白质的互补作用。例如豆腐和面筋蛋白质在单独进食时，其生物价（BV）分别为65和67，而当两者以42∶58的比例混合进食时，其BV可提高至77。这是因为面筋蛋白质中缺乏赖氨酸，蛋氨酸却较多，而大豆蛋白质赖氨酸含量较多，可是蛋氨酸不足。两种蛋白质混合食用则互相补充，从而提高其营养价值。这种提高食物营养价值的方法实际上早已被人们在生活中采用，并且在后来的实验中得到验证。

为充分发挥食物蛋白质的互补作用，在调配膳食时，应遵循3个原则。

1.食物的生物学种属愈远愈好，如动物性和植物性食物之间的混合比单纯植物性食物之间的混合要好。

2.搭配的种类愈多愈好。

3.食用时间愈近愈好。因为单个氨基酸在血液的停留时间约4小时，然后到达组织器官，再合成组织器官的蛋白质。而合成组织器官蛋白质的氨基酸必须同时到达才能发挥互补作用。

四、蛋白质营养不良及营养状况评价

（一）蛋白质平衡

从摄入到吸收的过程中，蛋白质分解加快而合成基本上保持不变，蛋白质的分解随着蛋白质摄入量的增高而增加。当机体长期完全不摄入蛋白质时，健康个体每天排出氮为0.4～1g/（kg·d），这是机体在蛋白质摄入不足时的自身适应，这种适应过程是由于脂肪酸氧化以及氨基酸（包括必需氨基酸）在肝中的分解下调所引起的。在短暂的饥饿状态时，蛋白质分解代谢后产生的必需氨基酸大约60%被重新利用，如果长期饥饿，机体对必需氨基酸的利用率会增高到80%。对于重症患者，如果完全不摄入蛋白质，氮排出可达到1～2g/（kg·d），这会使患者肌肉组织中的蛋白质流失，这些重症患者（或其他患者）流失氮比正常人多的原因主要是由于疾病所造成的代谢紊乱。最后，蛋白质大量流失会严重影响机体的肌肉、肠道、皮肤、免疫细胞、肝脏等很多器官和组织的功能，但根据现有的知识还不能准确区别蛋白质缺乏，或能量缺乏，或别的营养素缺乏所引起的功能紊乱。根据现有资料可以看出，在各系统功能紊乱中免疫系统受到的影响较小，这提示机体在饥饿过程中各器官功能的逐渐丧失受到某种调节机制的调控，而且这种适应机制可能在疾病状态时有所减弱。

在体重增加的过程中，营养状况不佳但身体健康的个体增加的蛋白质摄入中有75%留在体内，婴儿的情况也相近，这说明机体蛋白质合成瘦体重的效率在不同生理阶段是相似的。我们现在对这种过程的机理还不十分清楚，但血浆中持续的高浓度氨基酸和胰岛素可能起到关键作用，这种合成也是一种需要能量的过程。

蛋白质是由氨基酸链（肽）折叠形成的三维结构，通常由氨基酸中的半胱氨酸之间的二硫键桥连。这种三维结构对蛋白质的功能十分重要。有些蛋白质是结构蛋白，组成细胞结构（如胶原蛋白、肌动蛋白、肌球蛋白）。有些蛋白质在生化反应（如酶）和转运（如血红蛋白）中起着重要作用。有些蛋白质在翻译过程中发挥作用（如核糖体蛋白）。蛋白质不断地以特定速率产生和分解。

（二）蛋白质的合成

一段DNA解链后，合成互补mRNA（这一过程称为转录）。然后在核蛋白体上，mRNA中的核苷酸序列被翻译成氨基酸序列（这一过程称翻译），此过程需tRNA（转运RNA）的参与。从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必须经过复杂的翻译后加工才能转变为天然构象的功能蛋白，主要包括：

1.蛋白质多肽链选择性降解。

2.蛋白质多肽链折叠和二硫键形成。

3.蛋白质氨基酸的修饰，如羟化、磷酸化、甲基化、糖基化等。

4.蛋白质高级结构修饰，即亚基聚合和辅基结合等。

（三）蛋白质的分解

在细胞内蛋白质的降解受到高度调控，体内存在着几种降解体系，分别行使不同的功能。

1.溶酶体的降解

细胞外的蛋白质经内吞作用进入溶酶体内被完全降解。

2.泛素-蛋白酶体途径

大部分蛋白经泛素-蛋白酶体途径被降解。在该途径中，首先蛋白质通过结合小的蛋白质辅因子-泛素作为需降解的标记。接着经过一系列的反应，蛋白质在蛋白水解酶复合体即蛋白酶体中分解为小肽。在禁食、肾衰竭、脓毒症和糖尿病等状态中已发现，通过泛素-蛋白酶体途径可以使肌肉蛋白的降解增加。

（四）测定评价机体内总蛋白质的合成和分解

许多直接或间接方法已被应用于人体来评价蛋白质新陈代谢的各方面，包括肌尿酐分泌试验、尿3-甲基组氨酸的测定、氨基酸平衡试验和使用带同位素的氨基酸注入人体以估计蛋白质的新陈代谢等。随着同位素测定方法的开展，我们对蛋白质合成和分解的速率有了更多的了解。全蛋白分解常以同位素氨基酸作为指示剂（如亮氨酸、苯丙氨酸），在稳定条件下，采用持续等量输注的实验方法进行测定（图3-3）。机体内总蛋白质合成和分解的测定很简单，只需要将氨基酸示踪剂注入并抽取动脉血或动脉化血，因而在任何医院或研究中心均可进行。

（五）测量评价器官蛋白质的合成和分解

对人类来说，侵入性的诊断技术对于测定器官内的变化是必要的。最易检测的器官就是肌肉。抽取手臂或腿部动脉或静脉血，并测定血流和氨基酸示踪剂对于器官蛋白质合成和分解的测定是必须的。其他可测定的器官包括：

内脏部位（肝静脉采样）

脑（颈静脉采样）

心脏（冠状动脉采样）

肾（肾静脉采样）

因器官平衡方法的侵入性特点，蛋白质合成和分解的测量通常只在专门的研究中心进行。

（六）影响了机体总蛋白质的合成和/或分解的因素

蛋白质的更新在代谢中是一个持续的动态变化过程，由此可见，蛋白质在不断地被分解和合成。蛋白质的更新在不同种类（如白蛋白、胶原蛋白）之间是不同的，因而在多器官之间，蛋白质的更新也有所不同。此外，器官中蛋白质的更新速率受到疾病状态的影响，胰岛素水平起着重要作用。例如，炎症会增加肝脏中蛋白质的合成，以用于合成急性期蛋白质；还会增加肌肉中蛋白质的分解，用来提供肝脏中蛋白质合成所需要的氨基酸。在此疾病状态下，所有蛋白质的合成和分解都会增加。蛋白质合成和分解的速率通常也存在小的差异，这决定了蛋白质是增加还是丢失。

不同研究结果之间在作比较时，很重要的一点是数据应以速率/每千克瘦组织而不是速率/每千克体重来表述，因为脂肪组织在体内总蛋白动力学中只起很小的作用。多种状态下机体总蛋白质合成和分解的情况都已经被检测过了，结果差异很大。对此有几个原因，除了已提到的因素外，氨基酸示踪剂（亮氨酸、苯丙氨酸）的选择和所采用的计算模型会影响结果。不同条件和疾病状态下，测量机体内总蛋白质合成和分解的几个例子见表3-7。

1.营养

人的进食会增加净蛋白质合成。蛋白质的类型会影响净蛋白质的增加（如非优质蛋白和优质蛋白）。通常在进食后机体内总蛋白质的降解速率下降，而合成速率保持不变。研究进食中蛋白质动力学是相当复杂的，因为吸收后的氨基酸首次经过时，肠和肝脏会摄取不同的量。

2.严重和长期饥饿

当停止摄取食物时，机体开始消耗内源性的底物（碳水化合物、脂肪、蛋白质）。在起初的24小时内，碳水化合物主要来源于肝脏和肌肉中的糖原的分解。然后，机体主要消耗脂肪而蛋白质的降解下降。当脂肪储存耗竭后，机体蛋白质再次被动用。机体对于长期禁食的反应是机体总蛋白质合成和分解的速率的下降并导致净蛋白质分解。蛋白质合成下降程度最大的是肝脏和肌肉。净蛋白质降解在大多数其他器官中相当明显。

3.衰老

在衰老过程中，肌肉中某些特定蛋白质的合成下降，然而用瘦体质作校正之后，机体内总蛋白质的合成和分解在青年和老年的健康个体之间无差别。

4.运动

运动可分两种类型，这两类运动对肌肉质量有不同的影响，一类是能使肌肉质量提高的阻力训练（健美运动员），另一类则是不能使肌肉质量提高却能引起肌肉组成改变的耐力训练（马拉松运动员）。在运动中可以观察到体内总体蛋白质合成和分解的增加。为刺激净蛋白质合成，在能量足够补充的前提下，运动后补充蛋白质能明显促进蛋白质合成。

5.急性病

急性病期间，测量蛋白质动力学的主要问题在于，它通常伴随着饥饿和半饥饿以致我们所观察到的是两者混合作用后的结果。尽管饥饿时，蛋白质的合成和分解下降，但在创伤时机体内总蛋白质的合成和分解通常都增加，这妨碍了机体对饥饿的正常适应性反应。患严重急性病时，净蛋白质分解代谢明显增加，因为体内总蛋白质合成的增加不足以抵消蛋白质分解的增加，从而导致了体内蛋白质的量快速下降。最近的研究表明，在受伤的最初几天内，伴随着某些蛋白质的分解，肠道和肝脏中的蛋白质合成增加了。在此期之后，肌肉中蛋白质的分解继续超过合成直到恢复期，此期机体能够转换为蛋白质净合成代谢。在脓毒症期间，蛋白质的合成与分解中也会发生类似的变化。

6.慢性病

有报道，在慢性阻塞性肺疾病、肝硬化和人类免疫缺陷病毒的感染（HIV）等慢性病中，机体内总蛋白质的合成和分解速率增加。这些疾病中的大多数都是以慢性炎性条件下机体细胞因子产生的增加为特征的。急性期蛋白合成的增加可能解释了所观察到的蛋白质更新的增加，并表明了蛋白质更新的增加与炎症有关。患疾病时体重的下降和炎症的存在决定了对蛋白质动力学的作用。

五、蛋白质的参考摄入量及食物来源

健康成人，不论性别和体质指数，蛋白质的每日最低推荐摄入量为0.8g/kg。美国、德国、瑞典和意大利的蛋白质实际摄入量占能量的百分比分别为12%、11%、12%和13%。中国营养学会也已经建立了相应的蛋白质参考摄入量和标准，《中国居民膳食营养素参考摄入量（2013版）》明确规定了蛋白质、碳水化合物、脂肪和脂肪酸的参考摄入量。

肉类、禽类、鱼、干豆类、鸡蛋、坚果、牛奶、酸奶和奶酪这些食物都含有丰富的高质量的蛋白质。其他食物，即蔬菜和谷物之类的蛋白质含量较低，但由于食用的量也较大，在膳食中也占有很大的比例。下表是常见食物的蛋白质、脂肪和碳水化合物含量，以供参考（表3-8）。