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【背景及概述】[1] [2]
亮氨酸（又称白氨酸）是Proust 在1819 年首先从奶酪中分离出来的，之后Braconnot从肌肉与羊毛的酸水解物中得到其结晶，并定名为亮氨酸。L- 亮氨酸的化学名为氨基异己酸，分子式C6H13O2N。在蛋白不足的日粮中添加过量亮氨酸会导致生长抑制，降低血液和器官代谢库中的异亮氨酸和缬氨酸水平，同时还降低相应的酮酸水平，如：KMV和KIV。亮氨酸进入胃10~30 min 后可观察到谢池异亮氨酸和缬氨酸水平随亮氨酸质量浓度的变化情况。在过量亮氨酸日粮中添加异亮氨酸和缬氨酸可以部分改善生长抑制，进添加苯丙氨酸、色氨酸和苏氨酸可以恢复到正常生长水平，表明低蛋白日粮添加过量亮氨酸提高异亮氨酸、缬氨酸及其他氨基酸的需要。上述试验过程中动物出现采食量的下降，生长抑制70 % 由采食量的下降造成，口服亮氨酸1~3 h 后采食量并不下降。
亮氨酸引发的抑制现象发生次序为：
1）体内代谢池总游离亮氨酸及其酮酸和KIC 升高；
2）体内代谢池总游离异亮氨酸及KMV，缬氨酸及KIC降低；
3）采食量和生长性能抑制亮氨酸的颉颃效应存在特异性，在高蛋白日粮中不发生，提高异亮氨酸和缬氨酸的水平并不能提高血液亮氨酸的质量浓度。很多生物都可以发生亮氨酸引发的颉颃现象，包括老鼠、禽类、猪、火鸡和人类。近年来，大量研究表明，亮氨酸可以调节哺乳动物骨骼肌蛋白质的代谢。此外，已有的研究结果也表明，亮氨酸可以加速体内脂肪氧化分解，并已开始作为一种膳食补充剂辅助减肥在临床上进行推广应用。
【理化性质及结构】[3]
亮氨酸称白氨酸、2-氨基- 4-甲基戊酸、α- 氨基-γ-甲基戊酸、α-氨基异己酸。 1819年首次离析得到。有3种旋光异构体，即l-、d-、dl- 体，天然品为l-体，以蛋白质形式存在于动植物组织中，常见者为l-体。l-体从乙醇水溶液中结晶者为白色有光泽的六面体片状晶体，或结晶性粉末。无嗅。有苦味。相对分子质量 131.18。相对密度1.293(18℃)。熔点293～295℃ (分解)。145～148℃升华。比旋光度+15.0° (c=2，5mol/lHCl，25℃)。不溶于乙醚，微溶于乙醇，溶于水、冰醋酸及稀无机酸、碱。水中的溶解度(g/l)22.7(0℃)、24.26(25℃)、28.87 (50℃)、38.23(75℃)、56.38(100℃)，醋酸10.9(常温)。d-体从乙醇水溶液中结晶者为白色片状晶体，熔点293℃(分解)，比旋光度+10.34。dl- 体从水中结晶者为叶片状晶体，有甜味，熔点 332℃(分解)，可升华，溶于水(g/l)7.92(0℃)、9.91 (25℃)、14.06(50℃)、22.76(75℃)、42.06(100℃)。
【代谢】[3]
亮氨酸是支链氨基酸（BCAA）之一， BCAA 包括亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸，哺乳动物自身不能合成，必须由日粮提供。BCAA 是目前日粮必需氨基酸中数量最大的氨基酸，包括了大约35 % 肌肉蛋白的必需氨基酸和大约40 % 哺乳动物的必需氨基酸。亮氨酸的从头合成限于植物和微生物中，在哺乳动物体内不能从头合成。而哺乳动物体内亮氨酸的分解过程如下：起始步骤是转氨，即亮氨酸在BCAA 转氨酶催化下，生成α- 酮异己酸，是一种支链酮酸，该反应为可逆反应；然后，α- 酮异己酸在BCAA 脱氢酶催化下发生不可逆的氧化脱羧反应，生成少1 个碳原子的酮酸与乙酰辅酶A（CoA）衍生物；最终，分解生成乙酰乙酸和乙酰CoA 进入柠檬酸循环，因此，亮氨酸是一种生酮氨基酸。
1. 支链氨基酸转氨酶（BCAT）
BCAT 广泛存在于哺乳动物器官，如：线粒体（BCATm）、胞液（BCATc）及细胞器。心脏、肌肉、胃、胰和肾的BCAT 主要存在于BCATm，而大脑、卵巢和胎盘中的主要存在于胞质体。器官中BCATm 的活性在不同物种和器官中变化较大。如：老鼠的胰、胃、心和骨骼肌都有很高的BCAT 活性，而肝中的BCAT 活性基本上可以忽略。人类器官中的转氨酶活性较为一致。哺乳动物器官中已发现3 种不同结构的转氨酶。BCAA 都可以作为酶Ⅰ的底物，在多数器官BCATm 和BCATc 中存在，酶Ⅱ以亮氨酸作为特异性底物，在老鼠肝的BCATc 中存在，酶Ⅲ多存在于心脏和大脑中。在老鼠肝中发现有亮氨酸和BCATm 特异性转氨酶。目前对BCAT 活性的调控机制仍不清楚。转氨反应的速度取决于底物和酶的质量浓度。与BCAA代谢中的支链氨基酸脱氢酶（BCDH）相比，BCAA的BCAT 有较高的米氏常数（K m）值。缬氨酸的BCAT 活性的K m 高于异亮氨酸和亮氨酸，这也可以解释为何多数生物中血液缬氨酸质量浓度高于亮氨酸和异亮氨酸。
2. BCDH
BCDH 催化是BCAA 代谢中的限速步骤，该反应脱掉碳骨架上的第1 个碳原子。BCDH 复合物与丙酮酸脱氢酶复合物和α- 酮酸脱氢酶复合物相似， 都位于BCATm 膜的内部。BCDH 复合物由3 个催化组成，即由2α 和2β 亚基组成的BCAAα- 酮酸脱氢酶（E1）、二氢硫辛酸转乙酰基酶（E2）和二氢硫辛酸脱氢酶（E3）。3 个部分与硫胺焦磷酸酯、核黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）和CoA 联合催化，并由支链氨基酸酮酸（BCKA）产生支链氨基酸酰CoA、CO2 和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸脱氢酸（NADH）。
BCKA 降解由BCDH 复合物催化并调控，BCDH分为活性和非活性2 种形式，通过特异激酶（BCDH激酶）和磷酸化酶（BCDH 磷酸化酶）催化脱磷反应调控其磷酸化来转化。磷酸化后为非活性形式，去磷酸化后转变为活性形式。老鼠骨骼肌中BCDH 多为非活性形式，人类骨骼肌多为活性形式，大多数器官，如：肝、心脏和肾的酶都是活性形式，BCDH 的活性随不同的生物和器官变化。BCDH 复合物活性可由日粮蛋白质、能量、BCAA 质量浓度、运动、胰岛素和雄性性激素调控，主要通过改变BCDH 激酶活性来调控。低蛋白日粮或采食低能量时，BCDH活性为正调控，BCDH 复合物主要处于非活性状态，有利于利用BCAA 进行蛋白质合成。提高亮氨酸和异亮氨酸质量浓度可以激活BCDH 复合物活性。酮戊己酸（KIC）可以作为BCDH 激酶的蛋白抑制剂来激活BCDH 的活性，但异戊酸酮（KIV）和甲基戊酸酮（KMV）并没有此效果，表明亮氨酸和KIC 在BCDH 复合物的调控中起重要作用。
【生理功能及应用】[3]
1.氧化供能
亮氨酸在体内可用于蛋白合成，但在特殊生理时期（饥饿、泌乳、应激和运动等）能作为能量来源。仔猪饥饿时其脑与肌肉中亮氨酸氧化量增加。瘤胃原虫也可以利用BCAA 作为能源。BCAA 能以较快的速率转氨基和完全氧化，氧化产生三磷酸腺苷（ATP）的效率高于其他氨基酸，每分子亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸完全氧化分别产生42、43 和32分子ATP。其主要代谢场所在肌肉中，在转氨酶作用下，BCAA 将氨基转移给酮戊二酸生成谷氨酸，谷氨酸将氨基转移给丙酮酸生成丙氨酸。特殊状态下2 种糖异生氨基酸的利用率增加，肝糖异生的能量转换加快，使血清丙氨酸和谷氨酸质量浓度降低，补充BCAA 可以节约肌糖原。
2. 调节蛋白质代谢
BCAA 可以促进氮储留和蛋白质合成。亮氨酸可以调节蛋白质代谢，异亮氨酸和缬氨酸对蛋白质的合成和降解无显著影响。亮氨酸是骨骼肌与心肌唯一可调节蛋白质周转的氨基酸，可以促进骨骼肌蛋白质的合成，对骨骼肌蛋白质的降解并没有影响。亮氨酸增加蛋白质合成高达50 %，抑制分解仅25 %。亮氨酸的代谢产物α- 酮戊己酸（α-KIC）和β- 羟基-β- 甲基丁酸（HMB）具有调节蛋白质代谢的作用。亮氨酸抑制分解主要通过α-KIC促进胰岛素的分泌，抑制胰高血糖素分泌，从而抑制糖原异生，减缓肌肉蛋白的分解。饲喂阉牛瘤胃保护性α-KIC 的钙盐，日增质量增加14 %，饲料转化率提高8 %，对胴体品质未产生不良影响。羔羊腹膜内注射α-KIC 的钠盐或饲喂瘤胃保护性或不保护性α-KIC，可以提高日增质量、饲料转化率和肌肉生长，降低脂肪沉积。HMB 也可以调节蛋白质代谢，用离体的大鼠及仔鸡的跖长伸肌、大鼠比目鱼肌及胫骨前肌与HMB 共同培养，发现HMB可促进大鼠的跖长伸肌和比目鱼肌及鸡的跖长伸肌和胫骨前肌的蛋白质合成（白质合成分别增加7 %，4 % 和8 %，5 %），抑制蛋白降解（蛋白质降解分别减少31 %，6 % 和15 %，22 %）。
3. 调节机体免疫功能
亮氨酸缺乏导致动物胸腺和脾萎缩，淋巴组织受损，并使免疫球蛋白、补体C3 和铁转运蛋白水平降低，断奶仔猪缺乏BCAA 会导致合成特异性抗体的能力下降。添加瘤胃保护性α-KIC（0.05 %）可增强羔羊抗猪红细胞的抗体反应与淋巴细胞增殖反应，添加0.05 % 的亮氨酸则抑制其抗猪红细胞的抗体生成；绵羊饲养中添加亮氨酸与α-KIC，可调节其T- 淋巴细胞亚群的免疫功能。肉鸡补饲0.6 % 的α-KIC，未增强其抗新城疫病毒的抗体反应。亮氨酸及其转氨基作用产物对动物免疫反应的作用效果受添加形式、数量与动物的种类等因素的影响。
【合成】[3]
方法1：从动植物中提取(如角蛋白、干酪等)，将蛋白质水解，然后用碱中和，使亮氨酸析出，再用铜盐精制，以β-萘磺酸沉淀，可制得亮氨酸的结晶。
方法2：以葡萄糖及糊精为原料，采用乳糖发酵，用短杆菌、粘质赛氏杆菌、海洋节杆菌等菌株发酵。
方法3：以α-酮己酸和甲酸铵为原料，经固定化的耐热l-亮氨酸脱氢酶、氢氧化钠和甲酸脱氢酶作用，可连续生产亮氨酸。
方法4：α-溴代异己酸与氨反应，可制得亮氨酸。
方法5：以乙酰基乙酰胺为原料，与异丁基溴反应，生成2-乙酰基异己酰胺，再在次溴酸钾作用下，生成2-溴-2-乙酰基异己酰胺，再与氨反应，生成2-氨基-2-乙酰基异己酰胺，再在氢氧化钾溶液中脱乙酰基，生成2-氨基异己酰胺，最后在盐酸溶液中水解，可制得亮氨酸。
【主要参考资料】
[1] 王彬, 李奇. 亮氨酸的代谢及营养生理作用研究进展[J]. 饲料研究, 2012 (1): 14-16.
[2] 陈浩, 毛湘冰, 陈代文, 等. 亮氨酸调节哺乳动物脂肪代谢的研究进展[J]. 动物营养学报, 2014, 26(7): 1723-1727.
[3] 实用精细化工辞典