人類營養學基礎/氨基酸
氨基酸是蛋白質的單體，是人體生長、發育和健康的必需部分。總共有 20 種氨基酸，其中天冬醯胺是 1806 年發現的第一種氨基酸。所有氨基酸都由羧基、氨基和與同一個碳原子（α-碳）相連的氫原子組成（基本結構，2003 年）。它們的不同之處在於它們的側鏈或與 α-碳相連的 R 基團。不同氨基酸的 R 基團在大小和結構上可能有所不同，以及電荷（酸性或鹼性），這影響著氨基酸在水中的溶解度（Nelson 和 Cox，2013 年）。
在蛋白質中通常發現 20 種氨基酸，它們是：甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、脯氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、絲氨酸、半胱氨酸、蘇氨酸、天冬醯胺、谷氨醯胺、天冬氨酸、穀氨酸、組氨酸、賴氨酸和精氨酸。蛋白質透過水解反應分解，在水解反應中，水分子被新增到蛋白質中，這導致形成單個氨基酸。蛋白質透過脫水反應（縮合反應）合成，在脫水反應中，去除一個水分子，並在氨基酸之間形成肽鍵。當兩個氨基酸連線在一起時，所得的分子稱為二肽。當三個連線在一起時，該分子稱為三肽（Whitney 和 Rolfes，2015 年）。當許多氨基酸的鍊形成並增長時，該鏈稱為多肽。
人體需要並利用不同的氨基酸來製造蛋白質，幫助人體：1) 代謝食物，2) 修復撕裂或受損的身體組織，3) 生長，以及 4) 執行其他重要的身體功能（氨基酸，2013 年）。
這 20 種氨基酸分為三組：1) 必需氨基酸，2) 非必需氨基酸，以及 3) 條件氨基酸。必需氨基酸是人體無法自行合成或無法以足夠量合成的氨基酸。相反，它必須從飲食中獲得的食品中獲取這些氨基酸。總共有九種必需氨基酸。它們是：纈氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、蘇氨酸、組氨酸、賴氨酸、苯丙氨酸和色氨酸。非必需氨基酸是人體可以自行合成並以足夠數量合成的氨基酸。有 11 種非必需氨基酸，它們可以透過飲食中的食物提供，但這不是必需的。只要有氮供應來生成氨基酸的氨基，以及脂肪或碳水化合物的碎片來形成其餘的結構，就可以產生非必需氨基酸。條件氨基酸是通常是非必需的但會在壓力、疾病或其他特殊情況下變得必需的氨基酸。一種這樣的疾病是苯丙酮尿症，這是一種遺傳性疾病，其中非必需氨基酸酪氨酸變得必需，因為人體無法將苯丙氨酸轉化為酪氨酸（Whitney 和 Rolfes，2015 年）。
人們應該吃一些食物來獲得所有必需氨基酸。這些食物包括：豆類、雞肉、瘦肉、魚、堅果和種子、花生醬、豆腐、扁豆等等（飲食中的蛋白質，2013 年）。
參考文獻：1) 氨基酸：MedlinePlus 醫學百科全書。（2013 年 2 月 18 日）。2015 年 10 月 4 日檢索。2) Whitney，E. 和 Rolfes，S.（2015 年）。蛋白質。在《理解營養》（第 14 版，第 6 章）。3) 蛋白質、肽和氨基酸。（2013 年 5 月 5 日）。2015 年 10 月 4 日檢索。4) Nelson，D. 和 Cox，M.（2013 年）。氨基酸、肽和蛋白質。在《萊寧格生物化學原理》（第 6 版，第 76-77 頁）。紐約：W.H. Freeman and Company。5) 飲食中的蛋白質：MedlinePlus 醫學百科全書。（2013 年 4 月 30 日）。2015 年 10 月 4 日檢索。6) 氨基酸的基本結構。（2003 年 8 月 25 日）。2015 年 10 月 4 日檢索。
根據 Merriam-Webster 詞典，氨基酸被定義為“含有氨基 NH2 的兩性有機酸”。簡單來說，氨基酸是蛋白質的組成部分。所有氨基酸都由氨基（NH2）、酸基（COOH）、氫原子、中心碳原子和側基組成。側基是區分所有不同氨基酸的特徵。
有 20 種氨基酸。在 20 種氨基酸中，有 11 種是非必需的，這意味著它們可以由人體產生和合成。其餘 9 種是必需的，這意味著它們必須從食物中獲得。必需氨基酸要麼根本不被身體產生，要麼產生的量不足。一些氨基酸是條件必需的，這意味著它們通常是非必需的，但在特殊情況下必須從飲食中獲得（Whitney 和 Rolfes，2015 年）。
為了在代謝途徑中使用，氨基酸必須進行脫氨。脫氨意味著它們失去含氮氨基，剩下的只是碳骨架。經過這個過程，它們就能進入三羧酸迴圈（Whitney 和 Rolfes，2015 年）。
參考文獻：Whitney，Ellie 和 Rolfes，Sharon R.（2015 年）。《理解營養》（第 14 版）。加拿大：Cengage Learning。
基本氨基酸的結構由一箇中心碳 (C)、一個氨基 (NH2)、一個氫原子 (H) 和一個酸基 (CHO2) 組成。與碳水化合物或脂類不同，氨基酸具有不同的側基或 R 基團，它佔據碳上的剩餘鍵，並將 20 種氨基酸彼此區分開來。這個 R 基團可以很簡單，在氨基酸甘氨酸上是一個氫原子，也可以很複雜，如在苯丙氨酸上，苯丙氨酸具有一個多碳氫 R 基團 (Whitney/Rolfes, 2013)。
總的來說，就人類營養而言，氨基酸有兩種型別：必需氨基酸和非必需氨基酸。非必需氨基酸是人體可以使用體內氮和多餘的碳水化合物和脂類來自身產生的，用於氨基酸的剩餘碳、氫和氧部分。有 11 種非必需氨基酸，包括丙氨酸、精氨酸、天冬醯胺、天冬氨酸、半胱氨酸、穀氨酸、谷氨醯胺、甘氨酸、脯氨酸、絲氨酸和酪氨酸。大多數蛋白質通常含有非必需氨基酸，但這不是我們飲食的必需條件。另一方面，必需氨基酸是我們飲食中必需的，因為它們無法由人體合成。有九種必需氨基酸，包括組氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、賴氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、色氨酸和纈氨酸。不一定需要在每餐中都食用必需和非必需蛋白質，但重要的是要平衡一天的攝入量（美國國立醫學圖書館，2015 年）。但也有一些特殊情況，必須出於某些原因將非必需氨基酸納入飲食，使其成為條件必需氨基酸。例如，對於患有苯丙酮尿症的人，他們必須將非必需氨基酸酪氨酸納入飲食，因為酪氨酸是由苯丙氨酸製成的，如果在吸收苯丙氨酸時出現併發症，那麼酪氨酸對那個人來說就變成了條件必需氨基酸 (Whitney/ Rolfes, 2013)。剛出生的嬰兒，只有五種非必需氨基酸實際上是非必需的，而其餘的則為條件必需的，直到身體發育得足以以有效的方式產生剩餘的非必需氨基酸。
蛋白質是由氨基酸在縮合反應中連線在一起形成二肽、三肽或多肽而製成的。氨基酸的型別及其排列順序至關重要，因為這直接決定了所得蛋白質的形狀和功能（澳大利亞營養參考值，2014 年）。氨基酸鏈中氨基酸的一般序列決定了所謂的初級結構。然後，多肽中的弱電荷決定了鏈的一部分與另一部分相互作用的方式，從而建立了它的二級結構。每個氨基酸上獨特的側基以及該側基與周圍區域的相互作用方式決定了多肽的三級結構。然後，如果這種多肽的功能需要它與一個或多個其他多肽結合，那麼就會產生多個多肽結構，或稱為四級結構。
參考文獻：1) 營養參考值。(未註明日期)。2015年12月12日從 https://www.nrv.gov.au/nutrients/protein 檢索。2) 氨基酸：MedlinePlus 醫學百科全書。(未註明日期)。2015年12月12日從 https://www.nlm.nih.gov/medlineplus/ency/article/002222.htm 檢索。3) Whitney, E. & Rolfes, S. (2015)。蛋白質。在《營養學入門》（第14版，第 6 章）。
氨基酸可以根據必需性、極性、疏水性和在體內被消耗後的命運進行分類。具體來說，氨基酸可以根據脫氨後碳片段的命運分為兩組。如果碳片段後來成為葡萄糖的組成部分，那麼它所屬的氨基酸被稱為糖原性氨基酸 (Whitney, 2002, p. 183)。具體來說，如果氨基酸在三羧酸迴圈中成為丙酮酸或丙酮酸相關分子，則被認為是糖原性。糖原性氨基酸透過一個稱為糖異生作用的過程（與三羧酸迴圈密切相關）在肝臟中產生葡萄糖。在這個兩步過程的第一步中，糖原性氨基酸被轉化為α-酮酸。在第二步中，α-酮酸轉化為葡萄糖 (Schutz, 2011)。人體中已知有十三種糖原性氨基酸。人類中一些糖原性氨基酸的例子包括甘氨酸（用於某些藥物和金屬表面處理）、絲氨酸（在嘌呤和嘧啶的生物合成中很重要）、纈氨酸和組氨酸（組胺和肌肽合成的前體）。還有一些氨基酸既可以被認為是糖原性，也可以被認為是生酮性，包括酪氨酸（在光合作用和訊號轉導過程中起重要作用）、色氨酸（蛋白質生物合成中重要的必需氨基酸）和苯丙氨酸（用於去甲腎上腺素和腎上腺素合成）。
參考文獻：1. Whitney, E. & Rolfes, S. (2002)。《營養學入門》（第 9 版，第 183 頁）。加利福尼亞州貝爾蒙特：沃茲沃思。2. Schutz, Y. (2011 年 3 月 1 日)。蛋白質週轉、尿素生成和糖異生作用。2015 年 12 月 3 日從 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22139560 檢索。
糖原性氨基酸是可以轉化為丙酮酸並提供葡萄糖的氨基酸。因此，當碳水化合物不可用時，蛋白質是葡萄糖的良好來源。根據 King (2015) 的說法，“除了賴氨酸和亮氨酸之外，所有氨基酸至少部分是糖原性的。”轉化為葡萄糖的氨基酸會經歷一個被稱為糖異生作用的過程。糖異生作用主要發生在肝臟，但在某些情況下，例如飢餓狀態，也會發生在腎臟。當氨基酸不用於製造葡萄糖時，它們會被用作其他體細胞的能量來源 (Walker & Rolfes, 2015)。
參考文獻：1. King, Michael W. (2015)。氨基酸和蛋白質：氨基酸代謝簡介。醫學生物化學頁面。從 http://themedicalbiochemistrypage.org/amino-acid-metabolism.php 檢索。2. Whitney, Ellie & Rolfes, Sharon R. (2015)。《營養學入門》（第 14 版）。加拿大：Cengage 學習。
如果氨基酸內的碳片段後來成為酮體、脂肪或固醇的組成部分，而不是像糖原性氨基酸那樣成為葡萄糖，那麼該氨基酸就是生酮性。然而，也有一些生酮性氨基酸可以根據其碳片段的命運被認為是糖原性（如酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸）。根據定義，生酮性氨基酸是可以直接降解為乙醯輔酶 A 的氨基酸，乙醯輔酶 A 是酮體的先驅物 (Noguchi, 2010)。人體中只有兩種已知的氨基酸是純粹的生酮性：亮氨酸和賴氨酸。亮氨酸用於肌肉和脂肪組織中固醇的形成，而賴氨酸與血清素功能密切相關。人體中已知有五種氨基酸既是生酮性又是糖原性，包括異亮氨酸（參與糖異生作用和乙醯輔酶 A）、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸和蘇氨酸（甘氨酸的前體）。雖然沒有與任何生酮性氨基酸相關的疾病，但有一些證據表明，生酮性必需氨基酸替代飲食可以減少小鼠肝臟脂肪變性（一種被稱為肝臟脂肪變性的肝臟疾病）的影響 (Xu, 2013)。
參考文獻：Noguchi, Y. & Nishikata, N. (2010 年 8 月 1 日)。生酮性必需氨基酸調節脂類合成途徑並預防小鼠肝臟脂肪變性。2015 年 12 月 3 日從 http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0012057 檢索。
生酮性氨基酸是製造乙醯輔酶 A 但不能製造葡萄糖的氨基酸。King (2015) 指出，“賴氨酸和亮氨酸是唯一純粹的生酮性氨基酸。”生酮性氨基酸被轉化為酮體。酮體是酸性化合物，當碳水化合物不可用且脂肪不能完全分解時，由肝臟產生。酮體通常以足夠小的量產生和使用，為腦細胞提供燃料。酮酸是含有羰基的化合物。當體內酮酸過多時，血液 pH 值下降，表明體內化學物質不平衡。這被稱為酮症。酮症還會導致食慾下降，這在食物不可用時可能是有益的。一旦一個人能夠再次進食，食慾就會恢復，身體就會退出酮症 (Whitney & Rolfes, 2015)。
參考文獻：1. King, Michael W. (2015)。氨基酸和蛋白質：氨基酸代謝簡介。醫學生物化學頁面。從 http://themedicalbiochemistrypage.org/amino-acid-metabolism.php 檢索。2. Whitney, Ellie & Rolfes, Sharon R. (2015)。《營養學入門》（第 14 版）。加拿大：Cengage 學習。
飲食中的蛋白質可以透過多種過程在肝臟或肌肉中分解。這些蛋白質被分解成氨基酸，這些氨基酸必須進一步處理其氨基。這個過程可以透過轉氨基作用發生，轉氨基作用是去除氨基。這使得氨基酸的剩餘部分可以被用來產生能量。然而，這些氨基酸必須從體內去除，因為氨基的積累對身體來說可能是潛在的毒素。即使是少量氨基也可能對個體造成致命的影響。本質上，尿素是在蛋白質分解時產生的。安全地從體內去除尿素的過程被稱為尿素迴圈（也稱為鳥氨酸迴圈。尿素迴圈發生在肝臟，是去除體內多餘氮的主要方法。此外，尿素迴圈與檸檬酸迴圈協同工作。這是透過交換每個反應所需的不同的中間體和物質來實現的。尿素通常透過血液從體內去除。尿素透過血液從肝臟到腎臟。在那裡，腎臟從血液中過濾出尿素，並透過尿液排出體外。但是，可以進行一些測試來檢視血尿素氮 (化學)。這項測試對於檢視個體的肝臟和腎臟是否健康和正常運作非常重要。如果一個人的血氮水平高於正常水平，可能意味著肝臟或腎臟功能不佳 (Webmd)。醫生可以透過這些測試判斷個人是否患有腎臟疾病。這些疾病可能是急性腎衰竭或終末期腎病 (Webmd)。尿素是氮代謝的主要終產物。尿素於 1828 年由德國化學家弗里德里希·維勒在試圖用氰化銀和氯化銨製備氰酸銨時首次發現。然而，他錯誤地製造了尿素。在有機化學中，尿素是一種碳醯胺，由兩個透過羰基連線的氨基組成 (Boswick)。尿素的主要特點是無味、無色、易溶於水。尿素可溶的原因是在水中它可以分解成銨離子和碳酸氫根離子。尿素的溶解性是它透過尿液排洩的原因，因為它是最有效的過程。尿素也在體外被利用。例如，尿素是肥料的主要成分之一。此外，尿素可以被合成用於塑膠、膠水、洗滌劑甚至殺蟲劑 (Boswick)。這表明尿素除了在體內使用之外，還有很多潛在的用途。
氨是一種對人類高度有毒的物質。如果不能從體內排出，氨的積累會導致肝損傷，甚至死亡 (Ophardt, 2003)。氨透過尿素從體內清除。尿素在肝臟中製造，並作為尿液從腎臟中排出。尿素是未利用氮的主要排洩方法。一個人攝入的蛋白質越多，產生的尿素就越多。為了使尿素保持溶液狀態，也必須攝入水。因此，攝入大量蛋白質的人也必須多喝水。這將有助於稀釋和排洩尿素。如果一個高蛋白飲食者喝水不足，他們可能會脫水。如果沒有額外的水分，身體會利用其儲存的水分來排出尿素。這就是為什麼在那些攝入大量蛋白質的人群中經常看到水分流失。水分流失使高蛋白飲食看起來很有效，但實際上對減掉身體脂肪毫無價值 (Whitney & Rolfes, 2015)。
參考文獻
- "血尿素氮"。Web Md。N.p.，n.d. 網路。2015 年 12 月 2 日。<http://www.webmd.com/a-guides/blood-urea-nitrogen>。
- Boswick, Heleigh 和 Lucy Oppenheimer。“什麼是尿素”。Wisegeeks。N.p.，n.d. 網路。2015 年 12 月 2 日。<http://www.wisegeek.com/whatis-urea.htm>。
- Ophardt, Charles E. (2003)。尿素迴圈。虛擬化學書。從 http://chemistry.elmhurst.edu/vchembook/633ureacycle.html 檢索。
- Whitney, Ellie & Rolfes, Sharon R. (2015)。《營養學入門》（第 14 版）。加拿大：Cengage 學習。