蛋白质是机体内重要的营养要素之一，在人体内并不能直接被利用，而是在胃肠道中经过多种消化酶的作用，将高分子蛋白质分解为低分子的多肽或氨基酸后，在小肠内被吸收，沿着肝门静脉进入肝脏。一部分氨基酸在肝脏内进行分解或合成蛋白质；另一部分氨基酸继续随血液分布到各个组织器官，任其选用，合成各种特异性的组织蛋白质。在正常情况下，氨基酸入血与输出速度几乎相等，所以正常人血液中氨基酸含量相对恒定。氨基酸种类多，根据是否参与蛋白质合成，可分为非编码氨基酸和编码氨基酸，非编码氨基酸不参与蛋白质合成，但参与许多代谢进程并具有重要活性。编码氨基酸为20种 L-α-氨基酸，从营养学角度可以分为必需氨基酸和非必需氨基酸。必需氨基酸有8种，包括苏氨酸、蛋氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸，它们在体内不能合成，必须由食物蛋白质提供。另外12种氨基酸为非必需氨基酸，这些氨基酸在营养和代谢上与必需氨基酸同等重要。人从食物外源性获得的蛋白质和组织细胞内内源性蛋白质被多种消化道蛋白酶水解生成氨基酸混合分布于细胞内液和细胞外液等各种体液中，构成了氨基酸的代谢库。氨基酸的代谢部位主要位于肝脏，代谢途径主要包括以下三个方面：

氨基酸通过脱氨基后生成α-酮酸和氨。脱氨基的方式包括氧化脱氨基、转氨基、联合脱氨基等。其中联合脱氨基作用最为重要，该过程是可逆的。α-酮酸在体内的代谢途径有三条：经脱氨基反应逆过程生成非必需氨基酸；转变为糖酵解途径或三羧酸循环的中间产物生成葡萄糖和糖原；转变为乙酰辅酶A或乙酰乙酰辅酶A而生成脂肪酸和酮体；经过三羧酸循环氧化成二氧化碳和水，并释放出能量。同时，氨基酸经脱氨基生成的氨是体内氨的主要来源，氨是有毒的物质，人体必须及时将氨转变成无毒或毒性小的物质，然后排出体外。主要去路是在肝脏与肠道吸收入肝脏的氨一起通过鸟氨酸循环合成尿素、随尿排出；一部分氨与谷氨酸在谷氨酰胺合成酶的催化下生成谷氨酰胺，也可合成其他非必需氨基酸，并由血液运输至肝或肾；少量的氨可直接经尿排出体外。

有些氨基酸还可以通过脱羧基作用生成相应的胺类并释放出二氧化碳。这些胺类具有重要的生理作用，如γ-氨基丁酸、组胺、5-羟色胺、儿茶酚胺、多胺等。同时体内有胺氧化酶，能将胺氧化为醛和氨，这里产生的氨是体内氨的次要来源，可以和上述脱氨基产生的氨一起进行氨代谢。

某些氨基酸可以通过特殊代谢途径转变成其他含氮物质如嘌呤、嘧啶、卟啉、某些激素、色素、生物碱等。体内某些氨基酸在代谢过程中还可以相互转变（图4-3-1）。

异常的代谢变化是恶性肿瘤的重要特征，包括能量代谢、糖代谢、脂肪代谢、蛋白质和氨基酸代谢等，在肿瘤的发生、发展过程中发挥非常重要的作用。肿瘤患者蛋白质代谢异常主要表现为整体蛋白周转加快，同时引起肝脏蛋白质合成增加和肌肉蛋白质分解加强。

有研究表明，用 ¹⁵N-甘氨酸标记示踪测定法对比伴有营养不良的肿瘤患者和饥饿患者，发现伴有营养不良的恶性肿瘤患者蛋白质更新率要比良性肿瘤患者和饥饿患者分别高32%和35%，蛋白质合成率分别高35%和54%。Shaw等 ^［1］的研究显示体重明显下降患者比体重无明显下降患者和正常人的蛋白质分解率显著升高。进入肿瘤晚期，特别是并发恶液质时，患者不仅丢失脂肪，还大量丢失肌肉组织。

恶液质患者肌肉蛋白大量降解的机制目前仍不十分明确。Wigmore等 ^［2］报道，恶液质患者尿中可检测到蛋白分解诱导因子（proteolysis induced factor，PIF），PIF可由肿瘤细胞产生，是加速肌肉蛋白消耗和减少肌肉蛋白合成的关键因子。另外，有学者认为肿瘤细胞或肿瘤患者正常细胞可产生某些代谢介质，这些介质可激活骨骼肌细胞内ATP-泛素化蛋白质降解途径，加速了蛋白降解。

肿瘤患者氨基酸代谢也呈现明显异常，由蛋白质分解产生的氨基酸增加，同时氨基酸异生葡萄糖显著增加。由于血浆氨基酸仅占人体总氨基酸的1%～6%，而且更新很快，因此研究肿瘤组织的氨基酸代谢，更能反映出氨基酸代谢的紊乱，为肿瘤患者的营养支持和氨基酸治疗提供相应的临床依据。有研究表明，胃癌组织中游离牛磺酸、苏氨酸、丝氨酸、脯氨酸、甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、酪氨酸和赖氨酸等多种氨基酸的含量较正常组织显著升高，并且进展期肿瘤与早期肿瘤相比，脯氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸和苯丙氨酸显著升高 ^［3］。这反映肿瘤组织需要大量的氨基酸支持其旺盛的蛋白质、核酸合成和能量代谢。随着肿瘤的进展，肿瘤细胞的代谢活动也发生变化，对某些氨基酸有特殊需求。王亮等 ^［4］的研究显示胃癌组织游离谷氨酰胺、精氨酸和蛋氨酸的含量较正常胃黏膜显著升高，并且与肿瘤体积呈现正相关。洪淑芳等 ^［5］通过观察 ³H-蛋氨酸/ ³H缬氨酸空肠喂饲在荷瘤大鼠体内的分布，发现肿瘤组织对蛋氨酸和缬氨酸的摄取率高，提示这两种氨基酸是肿瘤组织代谢的重要基质。另外，有研究表明，胰腺癌细胞的培养基中谷氨酰胺、半胱氨酸和丝氨酸浓度降低，而脯氨酸、甘氨酸和谷氨酸浓度则升高 ^［6］。肿瘤细胞的体外培养基中氨基酸的变化反映了肿瘤对某些氨基酸的特殊需要。

上述肿瘤氨基酸异常代谢反映了肿瘤组织需要大量的氨基酸进行新的蛋白质合成，同时肿瘤组织对某些氨基酸有特殊的需求。主要原因包括以下几个方面：①肿瘤组织对糖的需求率增加，宿主通过蛋白质分解来提供大量的氨基酸，进而经糖异生来满足此目的，因此，脯氨酸、丝氨酸、甘氨酸这些生糖氨基酸在肿瘤组织中含量增加；②丝氨酸、甘氨酸和组氨酸均为一碳单位，是合成嘌呤和嘧啶的前体，所以这些氨基酸在肿瘤组织中被大量摄取，在肿瘤组织中明显增高，从而满足肿瘤细胞活跃的核酸代谢；③蛋氨酸含有S-甲基，在体内通过甲基转移酶作用使DNA、RNA、蛋白质等多种生化物质甲基化，而代谢旺盛的肿瘤组织在分化过程中需要大量的蛋氨酸；④支链氨基酸包括缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸，缬氨酸也是肿瘤细胞需求旺盛的氨基酸，季峰等 ^［7］通过动物实验和肿瘤细胞体外培养发现输注无缬氨酸的氨基酸溶液可以抑制大鼠胃癌细胞蛋白合成，进而抑制其增殖，输注缺乏缬氨酸的营养液也可以抑制肿瘤的生长。但对正常组织蛋白质合成影响不大，而且不影响宿主全身营养和免疫功能。亮氨酸有促进机体蛋白质合成并抑制分解的作用，异亮氨酸是生酮氨基酸，经过分解可生成乙酰辅酶A和琥珀酸单酰辅酶A，是三羧酸循环中的重要物质，因此肿瘤组织中支链氨基酸水平升高。肿瘤组织对于氨基酸的需求不同。根据不同肿瘤对于氨基酸不同的需求特点，可为以后治疗提供相应依据。

谷氨酰胺分解，是通过一系列的生化反应过程，主要通过三羧酸循环完成，谷氨酰胺可通过谷氨酰胺酶水解为谷氨酸和氨，谷氨酸继续转变为α-酮戊二酸、天冬氨酸、丙酮酸、乳酸、丙氨酸和柠檬酸等（图4-3-2）。

肿瘤细胞为了满足细胞不断增殖所需要的能量和合成代谢，增加葡萄糖消耗并加强糖酵解，糖酵解中间产物大量用于合成代谢，降低乙酰CoA转化和TCA循环，从而减少能量供给。而葡萄糖和谷氨酰胺是肿瘤细胞消耗的主要原料，为了补偿异常代谢导致的能量不足，在许多肿瘤细胞中谷氨酰胺消耗和谷氨酰胺分解代谢是加强的。Robert等 ^［8］很早就发现部分肿瘤存在异常的谷氨酰胺代谢，这些肿瘤不依赖葡萄糖的摄取，却表现出谷氨酰胺依赖性生长，这种现象称为“谷氨酰胺成瘾”。同样，也有研究表明，在Hela细胞中的培养介质中用果糖或半乳糖置换葡萄糖之后，由谷氨酰胺分解产生的ATP占细胞能量的99.9%。因此多种肿瘤细胞系在低葡萄糖水平时也能进行增殖。

谷氨酰胺分解首先需要促进谷氨酰胺分解的酶高表达或谷氨酰胺合成酶失活。体外试验发现，肿瘤谷氨酰胺酶的活力与肿瘤体积呈线性相关关系，而肝癌的生长与肿瘤内的谷氨酰胺水平呈负相关。研究表明，在癌基因 c-Myc的调控下，谷氨酰胺代谢的关键酶谷氨酰胺酶和谷氨酰胺脱氢酶在多种肿瘤中高表达，并且与肿瘤的分级及预后密切相关，而通过降低谷氨酰胺酶和谷氨酰胺脱氢酶的表达，可以抑制合成或者引起细胞内氧化还原压力，引起肿瘤细胞的凋亡 ^［9-13］。最新的研究显示，在肿瘤进展过程中，周围环境变化引起的氧化压力是抑制肿瘤细胞远处转移的重要因素，而谷氨酰胺代谢的中间产物延胡索酸可以通过激活谷胱甘肽过氧化物酶来降低肿瘤细胞内部的活性氧化物（reactive oxygen species，ROS）水平，维持氧化还原平衡，进而可能促进了肿瘤的转移 ^［14-16］。另外，研究发现 ras同源致癌基因（ras homologus oncogenes，RH）GTP酶信号通路与肿瘤细胞代谢密切相关，高度激活该通路可以显著激活线粒体谷氨酰胺酶的基础活性 ^［10］。而这个结果可能是通过激活转录因子核因子kappa B（nuclear factor kappa B，NF-κB）实现的。关于谷氨酰胺代谢在肿瘤中的作用和具体机制，还有待进一步研究来证实 ^［11］ 。

支链氨基酸（branched chain amino acid，BCAA）包括缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸这三种必需氨基酸。其中缬氨酸为生糖氨基酸，亮氨酸为生酮氨基酸，异亮氨酸为生糖兼生酮氨基酸。BCAA氧化分解代谢主要在肌肉中进行，分解代谢通路有两个分解关键酶，包括支链氨基酸氨基转移酶（branched-chain amino acid transaminase，BCAAT）和支链氨基酸α酮酸脱氢酶（branched chain amino acid α-keto acid dehydrogenase，BCKDH）。首先，BCAA在BCAAT催化下进行可逆的转氨基作用，生成相应的α酮酸，再经BCKDH催化进行不可逆氧化脱羧，形成相应的脂酰CoA，然后在脂酰CoA的α、β碳原子间脱氢形成双键，在双键间加水，形成β-羟酰基CoA，缬氨酸降解为琥珀酰CoA，亮氨酸降解为乙酰CoA，异亮氨酸降解为乙酰CoA和琥珀酰CoA，分别进入生糖或生酮代谢（图4-3-3）。

荷瘤状态下BCAA代谢特征主要表现为BCAA获取的改变，包括BCAA摄入减少，BCAA氧化和糖异生增加。同时伴有骨骼肌蛋白质降解增强和蛋白质合成增多，最终导致肌肉组织不断消耗，因此整个机体BCAA是缺乏的。肿瘤细胞为自身代谢、增殖和侵袭不断摄取氨基酸并利用氨基酸。不同肿瘤与正常组织摄取和代谢BCAA是不同的。梁晓宇等 ^［17］研究显示，与正常胃黏膜组织相比，胃癌组织中游离缬氨酸含量增高，且进展期胃癌与早期胃癌相比，肿瘤组织中游离缬氨酸也增高。有研究发现，鼠淋巴瘤中超极化 ¹³C亮氨酸信号是周围组织的7倍。还有研究显示，脑肿瘤摄取缬氨酸是正常脑皮质的22倍，对于亮氨酸的摄取高于其他氨基酸。

影响肿瘤利用氨基酸的因素主要与肿瘤类型、肿瘤大小、合成速率和增长速度有关。其中肿瘤蛋白质合成速率是肿瘤组织利用BCAA的主要因素。目前肿瘤支链氨基酸异常代谢具体机制尚不清楚。目前认为，肿瘤组织BCAA氧化与其关键酶BCAAT和BCKDH以及BCAA转运载体密切相关。有研究表明，在一些肿瘤中BCAAT和BCKDH是高表达的。另外，有研究报道，在多种肿瘤细胞系内发现利用BCAA的L-型氨基酸转运载体（LAT）表达也不同。神经胶质瘤细胞C6主要表达LAT1，而正常星型胶质细胞主要表达LAT2，因此，肿瘤组织与正常组织摄取BCAA是不同的。

精氨酸是正常人体内非必需氨基酸，但在代谢应激状态下由于自身合成不能满足机体需要，需外源性提供，因此被称为半必需氨基酸。精氨酸的一个重要功能是参与生物体内的尿素循环。细胞通过尿素循环降低体内氨的水平，该酶促反应主要由2个关键酶来调节，即精氨酸琥珀酸合成酶（argininosuccinate synthase，ASS）及精氨基琥珀酸裂解酶（argininosuccinatelyase，ASL），前者可催化瓜氨酸和天冬氨酸形成精氨酸琥珀酸，后者使精氨酸琥珀酸裂解为精氨酸及延胡索酸，从而为机体提供内源性的精氨酸。精氨酸代谢在体内有3条途径，一是精氨酸在一氧化氮合酶催化下代谢产生NO，并生成瓜氨酸；二是在精氨酸分解酶作用下，精氨酸生成鸟氨酸和尿素，也可通过甘氨酸转脒基酶催化分解为鸟氨酸和肌酐酸；三是由鸟氨酸生成多胺，多胺是腐胺、亚精胺和精胺的统称，对于调控细胞生长和发育具有重要作用。精氨酸降解主要在小肠完成。精氨酸分解代谢产物通过参与淋巴细胞内的代谢过程发挥细胞免疫作用，在免疫防御和免疫调节、维持和保护肠道黏膜功能及肿瘤特异性免疫方面发挥重要作用，但对体液免疫无显著影响（图4-3-4）。

Feun等 ^［18］研究发现，部分恶性肿瘤细胞缺乏尿素循环中的关键限速酶精氨酸琥珀酸合成酶1（arginosuccinatesyntheteasl，ASS1），因此肿瘤细胞不能通过尿素循环来合成精氨酸，必须利用体外供给精氨酸才能满足生长、增殖的需求，这种依赖外源性精氨酸生长的肿瘤被称为精氨酸营养缺陷型肿瘤。目前发现的这类肿瘤种类很多，包括黑色素瘤、胰腺癌、前列腺癌、间皮瘤、肝细胞癌及淋巴瘤等。已有研究证实，ASS1失活是由于肿瘤细胞内 ASS1基因启动子甲基化，导致ASS1转录受阻所致 ^［19］。针对ASS1缺乏的精氨酸营养缺陷型肿瘤，研究者能够通过重组精氨酸降解酶来破坏血液中精氨酸，限制肿瘤细胞从血液中摄取足够氨基酸，直接抑制肿瘤细胞蛋白质的合成，从而抑制肿瘤细胞的生长 ^{［20，21］}。也可能通过影响细胞内谷氨酰胺代谢及胸腺嘧啶核苷的合成，导致肿瘤细胞凋亡 ^［22］。肿瘤细胞的ASS1低表达是临床上预测精氨酸剥夺治疗有效性的主要指标。

肿瘤可引起肿瘤患者蛋白质和氨基酸代谢的变化，总的表现为机体蛋白质分解增加超过合成增加，负氮平衡和氨基酸代谢异常。其中，肿瘤组织的蛋白质合成及分解代谢都增强，但合成代谢超过分解代谢，甚至可夺取正常组织的蛋白质分解产物，合成肿瘤本身所需要的蛋白质，结果可使机体处于严重消耗的恶液质状态。肿瘤的分解代谢表现为蛋白质分解为氨基酸的过程增强，而氨基酸的分解代谢则减弱，可使氨基酸重新用于蛋白质合成。这可能与肿瘤生长旺盛有关。不同肿瘤对于不同氨基酸的需求不同，可为后续肿瘤治疗中更好地合理利用氨基酸提供相应依据。但是对于不同肿瘤应该如何补充氨基酸，同一肿瘤患者的不同营养消耗状态到底应该如何补充氨基酸以及哪些氨基酸可作为肿瘤患者监测评价指标等客观问题，有待进一步的机制研究和循证医学证据来证实。

1. Shaw JH, Wolfe RR. Whole body protein kinetics in patients with early and advanced gastrointestinal cancer:the response to glucose infusion and total parenteral nutrition. Surgery, 1988, 103 (2): 148-155.

2. WigmoreSJ, Todorov PT, Barber MD, et al. Characteristics of patients with pancreatic cancer expressing a novel cancer cachectic factor. Br J Surg, 2000, 87 (1): 53-58.

3.梁晓宇，王鹏志，朱理玮等.胃癌组织中游离氨基酸变化与肿瘤进展程度的关系.肠外与肠内营养，2001， 8（1）： 1-3.

4.王亮，李庆瑞.胃癌组织氨基酸与肿瘤体积相关性研究.肠外与肠内营养，2000，7（1）：41-44.

5.洪淑芳，周亚魁，黎文，等.3H-蛋氨酸/3H-缬氨酸空肠喂饲在荷瘤大鼠体内的分布.中国临床营养杂志， 2002， 10（1）： 36-39.

6. Wang F, Permert J. Specific amino acid profile in culture media conditioned by human pancreatic cancer cell lines. Pancreatology, 2002, 2 (4): 402-406.

7.季峰，朱秋红，王群燕，等.L-缬氨酸缺乏对大鼠胃癌生长及免疫状态的影响.肠外与肠内营养，2000， 7（1）： 45-47.

8. Smith JR. Glutamine metabolism and its physiologic importance. JPEN J Parenteral Nutr, 1990, 14 (4 Suppl): 40S-44S.

9. Gao P, Tchernyshyov I, Chang TC, et al. c-Myc suppression of miR-23a/b enhances mitochondrial glutaminase expression and glutamine metabolism. Nature, 2009, 458 (7329): 762-765.

10. Vega FM, Ridley AJ. RhoGTPase in cancer cell biology. FEBS Lett, 2008, 582 (14): 2093-2101.

11. Wang JB, Erickson JW, Fuji R, et al. Targeting mitochondrial glutaminase activity inhibites oncogenic transformation. Cancer Cell, 2010, 18 (3): 207-219.

12. JinL, LiD, AlesiGN, et al. Glutamate dehydrogenase1 signals through antioxidant glutathione peroxidase 1 to regulate redox homeostasis and tumor growth. Cancer Cell, 2015: 27 (2): 257-270.

13. Seltzer MJ, BennettBD, Joshi AD, et al. Inhibition of glutaminase preferentially slows growth of glioma cells with mutant IDH1. Cancer Res, 2010: 70 (22): 8981-8987.

14. Piskounova E, Agathocleous M, Murphymm, et al. Oxidative stress inhibites distant metastasis by human melanoma cells. Nature, 2015, 527 (7577): 186-191.

15. Kristell Le Gal, Mohamed X. Ibrahim, Clotilde Wiel, et al. Antioxidants can increase melanoma metastasis in mice. SciTransl Med, 2015, 7 (308): 308re8.

16. Sayin VI, IbrahimMX, Larsson E, et al. Antioxidants accelerate lung cancer progression in mice. Sci Trans Med, 2014, 6 (221): 221ra15.

17. Karlsson M, Jensen PR, in’t Zandt R, et al. Imaging of branched chain amino acid metabolism in tumors with hyperpolarized 13C ketoisocaprote. Int J Cancer, 2010, 127 (3): 729-736.

18. FeunL, You M, Wu CJ, et al. Arginine deprivation as a targeted therapy for cancer. Curr Pharm Des, 2008, 14 (11): 1049-1057.

19. Huang HY, Wu WR, Wang YH, et al. ASS1 as a novel tumor suppressor gene in myxofibrosarcomas: aberrant loss via epigenetic DNA methylation confers aggressive phenotypes, negative prognostic impact, and therapeutic relevance. Clin Cancer Res, 2013, 19 (11): 2861-2872.

20. Stasyk OV, Boretsky YR. Gonchar MV, et al. Recombinant arginine-degrading enzymes in metabolic anticancer therapy and bioanalytics. Cell BiolInt, 2015, 39 (3): 246-252.

21. Phillips MM, Sheaff MT, Szlosarek PW. Targeting arginine-dependent cancers with arginine-degrading enzymes: opportunities and challenges. Cancer Res Treat, 2013, 45 (4): 251-262.

22. Pavlyk I, Rzhepetskyy Y, Jagielski AK, et al. Arginine deprivation affects glioblastoma cell adhesion, invasiveness and actin cytoskeleton organization by impairment of β -actin arginylation. Amino Acids, 2015, 47 (1): 199-212.