高半胱氨酸（英語：Homocysteine，HCY），有機化合物，分子式為C4H9NO2S，分子量135.185，別稱為同型半胱氨酸，不是構成蛋白質的氨基酸，而是由甲硫氨酸去甲基化代謝形成的含硫醇氨基酸中間體。高半胱氨酸可溶于水，溶解度為148mg/ml。高半胱氨酸濃度變化與心血管疾病發生風險相關，被作為疾病生物標記物。高同型半胱氨酸血癥的表現為血漿中高半胱氨酸濃度不規則升高，與五種疾病相關，包括神經管畸形、兒童認知受損、黃斑變性、原發性中風和老年人認知障礙。
發現歷史
1932年美國生物化學家du Vigneaud認為胰島素中硫的含量不完全來自胱氨酸，于是他測試了甲硫氨酸等其他硫化合物的化學反應性。他用濃酸處理蛋氨酸，產生了同型半胱氨酸。之后，du Vigneaud開始了一系列關于蛋氨酸、半胱氨酸和同型半胱氨酸的營養學研究，并發表文章描述了甲基化是蛋氨酸轉化為高半胱氨酸的必要反應。
1936-1937年，brand及其同事將蛋氨酸轉化為高半胱氨酸的途徑概念化；1939年tarver和schmidt通過小鼠實驗證明了蛋氨酸的硫與半胱氨酸中的硫同源；1941年du Vigneaud的實驗研究了高半胱氨酸合成半胱氨酸的過程；在確定甲硫氨酸是高半胱氨酸的代謝前體后， 1948年bennett證明了高半胱氨酸中加入葉酸和維生素B后可以取代生物體蛋氨酸，完善了整個硫轉移過程；1955年du Vigneaud第一次發表了高半胱氨酸的體外合成。
1980年代中期，高壓液相色譜的技術進步相對快速地檢測到了血漿中的同型半胱氨酸濃度。
化學結構
高半胱氨酸作為蛋氨酸轉化為半胱氨酸生化過程的代謝中間體氨基酸具有氨基酸的標志性氨基和羧基，通過半胱氨酸甲基化，在原亞甲基和巰基間插入了一個亞甲基。位于氨基酸側鏈末端基團極容易被氧化并和其他的巰基化合物連接形成二硫鍵。因此高半胱氨酸在血漿中以3種主要形式存在：只有1%是自由還原態，主要組分是高半胱氨酸和其他二硫化物的結合態，高半胱氨酸的氧化形式通常占人血漿中總血漿高半胱氨酸的98-99%，其中80-90%是蛋白質結合的，剩余部分可能與自身結合形成二聚體或其他的硫醇。
生理機制
代謝過程
高半胱氨酸是甲硫氨酸轉化為半胱氨酸的轉硫途徑中的一個中間物，由蛋氨酸去甲基化獲得，因此高半胱氨酸的最終來源是飲食中的蛋氨酸。高半胱氨酸的生物合成過程包括3個步驟：（1）蛋氨酸被認為是通用的甲基供體，首先添加腺苷基團激活成為腺苷甲硫氨酸（SAM）；（2）通過甲基化反應，產物為S-腺高半胱氨酸（S-腺苷高半胱氨酸）；（3）SAH可以被分解為腺苷和高半胱氨酸。此時的高半胱氨酸一部分被重新甲基化形成蛋氨酸，一部分通過胱硫醚合成進行分解代謝，裂解成丁酸和半胱氨酸，完成蛋氨酸以高半管苷酸為中間產物轉化為半胱氨酸的代謝全過程。
影響因素
人體內高半胱氨酸含量變化由機體攝入甲硫氨酸含量控制。當飲食中攝入蛋白質后，體內蛋氨酸供應量充足，細胞內SAM水平上升，高濃度的SAM刺激高半胱氨酸的分解，限制高半胱氨酸的再甲基化循環；當飲食中沒有蛋氨酸攝入或在空腹條件下，胞內腺苷甲硫氨酸水平下降，促進高半胱氨酸甲基化，合成蛋氨酸，以維持細胞氨基酸水平。氧化應激是調控高半胱氨酸合成的另一方面，促進高半胱氨酸轉化為半胱氨酸。此外，體內激素變化也會直接或間接地影響高半胱氨酸代謝，男性的血漿高半胱氨酸濃度高于女性，血液中高半胱氨酸的正常范圍為男性6-17μmol/L，女性5-14μmol/L，絕經后女性的高半胱氨酸濃度可能會增加或保持不變。
病理機制
高半胱氨酸對神經元和血管壁產生毒性，從而導致神經退行性疾病和心血管疾病，如阿爾茨海默氏病（AD）、帕金森病（PD）和血管性癡呆癥等。
高同型半胱氨酸血癥
高半胱氨酸水平升至15μmol/L 或更高被定義為高同型半胱氨酸血癥。水平在16-30μmol/L之間為輕度高同型半胱氨酸血癥，31-100μmol/L被認為是中度，高于100μmol/L的值被認為是重度。高同型半胱氨酸血癥根據含量上升原因可分為兩種類型：罕見但嚴重的是由于高半胱氨酸代謝相關的酶基因突變，更常見的形式是由遺傳和環境因素導致的高半胱氨酸水平異常升高。
遺傳因素
人體內高半胱氨酸水平上升是由于參與代謝的酶的基因編碼區發生點突變或純合子缺失等遺傳上的缺陷，包括四氫葉酸還原酶、甲硫氨酸合酶、半胱硫醚β-合成酶等。
環境因素
維生素B族和葉酸作為輔酶主導了高半胱氨酸甲基循環中再甲基化形成蛋氨酸的過程，營養缺乏會導致血液中葉酸、維生素 B12 或維生素 B6 濃度降低等營養成分的降低，阻礙了高半胱氨酸的代謝，增加患高同型半胱氨酸血癥的風險。清除血漿中高半胱氨酸的主要器官是腎臟，慢性腎病患者血漿中的高半胱氨酸濃度升高，這會導致血管并發癥發生率上升。血漿中高半胱氨酸濃度隨著年齡的增長而逐漸增加，男性的血漿高半胱氨酸濃度高于女性，熬夜、酗酒、吸煙、惡劣環境、高壓力等非正常生活習慣會導致血漿高半胱氨酸濃度升高。
高半胱氨酸血癥與腦部疾病
高半胱氨酸血癥與認知障礙、癡呆、抑郁癥、精神分裂癥等多種神經變性疾病和精神疾病的發病密切相關。流行病學和臨床研究表明，血漿高半胱氨酸水平升高是神經退行性疾病的高危因素。高半胱氨酸的主要作用途徑包括細胞凋亡，氧化應激，和神經毒性等。
細胞凋亡
高濃度高半胱氨酸通過促進能量消耗和脫氧核糖核酸鏈損傷來介導神經細胞凋亡，葉酸缺乏癥和高濃度高半胱氨酸可以減少DNA的甲基化，進而干擾基因轉錄和DNA復制，損害DNA修復，從而導致基因突變和神經細胞凋亡。
氧化應激
高半胱氨酸還可以誘導神經細胞中的氧化應激，從而產生活性氧和氮的物質，導致細胞凋亡。高濃度高半胱氨酸通過抑制S-腺苷同型半胱氨酸（S-腺苷高半胱氨酸）的分解，增加大腦中的SAH水平，減緩了腦組織甲基化過程，進而導致腦神經元的損傷和凋亡。
神經毒性
高濃度高半胱氨酸本身對神經元細胞沒有直接毒性，但它增加了帕金森病患者神經元對有毒物質敏感性。在正常甘氨酸水平和正常生理條件下，低濃度高半胱氨酸不會引起毒性。然而，在頭部創傷或中風的情況下，甘氨酸水平升高，高半胱氨酸的神經毒性作用超過神經保護的拮抗作用，通過鈣離子內流或生成自由基導致神經元損傷。
高半胱氨酸血癥與心血管疾病
高同型半胱氨酸血癥和與心血管疾病之間存在聯系，是各種心血管疾病的獨立危險因素，例如動脈粥樣硬化，高血壓，血管鈣化和動脈瘤等。總高半胱氨酸濃度變化能夠反映冠狀動脈疾病的發病風險，高半胱氨酸濃度在10-15μmol/L之間時發病風險較高。致病機制主要有：
內皮細胞損傷
高半胱氨酸對血管駐留細胞和循環性免疫細胞均有致病作用。研究表明，口服甲硫氨酸或高半胱氨酸會引起的血漿高半胱氨酸濃度增加，高半胱氨酸產生活性氧物質引起血管內皮細胞損傷，導致平滑肌細胞增生、血管狹窄，還會造成血管舒張功能障礙，影響凝血功能，加重炎癥反應。高半胱氨酸能激活基質金屬蛋白酶，影響膠原蛋白與彈力蛋白比值，促進心肌纖維化，降低肌肉靈活性，進一步影響心臟功能。
氧化應激
由于活性氧物質積累導致的氧化應激是高半胱氨酸引發血管損傷的主要機制。當與金屬離子共存時能產生高濃度的過氧化氫，進而產生具有高細胞毒性的羥基自由基，造成神經的氧化性損傷、細胞凋亡和功能喪失。此外，高半胱氨酸的活性硫醇基團作為還原基團，破壞肽鏈中的二硫鍵，從而影響機體凝血功能，形成血栓。
一氧化碳抑制
一氧化氮是一種血管擴張劑，高半胱氨酸已被證明是一氧化氮合成的抑制劑，可以抑制血管擴張。其誘導的血管損傷會導致腎血管功能障礙并導致慢性腎臟疾病。
高半胱氨酸尿癥
高半胱氨酸尿癥是一種先天性的代謝疾病。由于高濃度高半胱氨酸的積累，導致高半胱氨酸尿癥患者早期并發嚴重的心血管疾病。高半胱氨酸尿癥是高半胱氨酸代謝的單基因缺陷疾病，由胱硫醚β合成酶（CBS）、亞甲基四氫葉酸還原酶（MTHFR）和蛋氨酸合成酶（MS）的遺傳缺陷引起，通過常染色體隱性機制有遺傳能力。高半胱氨酸尿癥的臨床特征包括智力低下、骨骼異常、晶狀體異位和早發性動脈粥樣硬化疾病，這些人排泄的尿液中有大量的高半胱氨酸，血漿中的總高半胱氨酸濃度為50-500 μmol/L，遠高于健康成人的血漿中總高半胱氨酸濃度5-15 μmol/L的范圍。
理化性質
高半胱氨酸常溫下為白色粉末， 結晶形狀呈不規則六邊形，分子量為135.19，可溶于水，溶解度148mg/ml，在過量的酸或堿中都會溶解，在pH5.5-7.0之間不溶。密度為1.3g/cm3，熔點233℃，沸點299.7℃。高半胱氨酸在空氣中性質穩定，但與強氧化劑不可共存，作為Br?nsted酸堿質子理論中的供氫體，當與有機氨基化合物反應可作為Br?nsted堿成為質子受體。高半胱氨酸側鏈末端游離的巰基極容易被氧化并和其他的巰基化合物連接形成二硫鍵。在人體的脂肪組織、腦、成纖維細胞、腸、腎、肝、神經元、胰腺、胎盤、血漿、骨骼肌中存在。
制備方法
化學合成法
以甲硫氨酸為原料，通過濃硫酸加熱溶解可以合成高胱氨酸，產率約為30%，然后用金屬鋅或錫在鹽酸環境下還原得到高半胱氨酸。反應原理如下圖。該方法主要原料廉價易得，但收率不高，生產過程受ph升高影響，形成沉淀，降低產率，反應過程中危險性大、操作復雜，得到副產物多，產品分離較為困難，產品純度低。并且會產生大量廢氣和含重金屬的廢水，造成了嚴重的環境污染，此外，金屬還原劑的使用增大了生產成本。
不對稱變換法
不對稱變換法是光學活性化合物制備的重要方法，通過噻-4-羧酸水合物（THA）重復鈍化，水楊醛催化劑作用下不對稱轉化后乙酸洗滌獲得光學純度100%的高半胱氨酸，產率超過90%。該方法條件溫和，相對于經典的化學拆分及酶法拆分具有拆分效率高、光學純度高、不需專門消旋步驟、能充分利用原料等顯著的優點，但由于水楊醛的催化，導致異構體溶解度增大，分解效率降低，且產物難以分離。
檢測方法
高效液相色譜法
高效液相色譜法是一種最為普遍的測定巰基化合物的色譜分析方法，它具有效率高、速度塊、靈敏度高、適用范圍廣、流動相選擇范圍寬等優點。高半胱氨酸在血液中以幾種主要形式存在，包括：與蛋白質結合、混合型二硫化物、自由還原態和游離態，血液檢測結果是這些形態的總和。因此，檢測的第一步需要打破二硫化鍵，將所有的分子統一還原為自由還原態，再進入儀器進行測試。高半胱氨酸的分析血液樣本需要被收集在含有抗凝劑的試管中，保持低溫存放，并最好在抽血后4小時內通過離心將血漿與血細胞分離，防止細胞內高半胱氨酸的過度釋放。一旦完成分離，血漿中的高半胱氨酸的濃度在冷凍保存情況下可以維持長時間的穩定。
循環酶法
循環酶法測定血清高半胱氨酸基于小分子捕獲技術，利用酶促反應及還原型輔酶1的變化來表征高半胱氨酸的濃度變化。在 TCEP試劑作用下，氧化型高半胱氨酸轉化為游離型，與共價底物 S-腺苷甲硫氨酸（SAM）經催化反應形成甲硫氨酸與 S-腺苷高半胱氨酸（SAH）。SAH被 SAH 水解酶水解成腺苷和高半胱氨酸。形成的高半胱氨酸可以循環進入反應體系，放大檢測信號。腺苷被水解為次黃嘌呤和氨，氨在谷氨酸脫氫酶的作用下,使 NADH 轉化為 NAD，樣本中高半胱氨酸濃度與 NADH的變化成正比。
循環酶法測量血清中高半胱氨酸具有較高的精密度和特異性， 值得臨床推廣， 該方法采用全自動分析儀檢測技術先進，操作方法簡捷、方便、檢測結果迅速。
熒光偏振免疫法
熒光偏振免疫法（Fluorescence Polarization I mmunoassay，FPIA） 主要原理是將血漿標本在含二硫蘇糖醇（DTT） 中預處理，高半胱氨酸、混合的二硫化物及蛋白結合態等均被還原成游離的高半胱氨酸形式，即總高半胱氨酸 ；將預處理液在S-腺苷-L-同型半胱氨酸（S-腺苷高半胱氨酸）水解酶和過量腺苷作用下轉換成SAH；最后稀釋后的的SAH 混合物、抗-SAH 單克隆抗體及標記的熒光S-腺苷-L-半胱氨酸示蹤物混合，儀器自動檢測溶液偏振光變化。根據校準曲線即可測定出樣本總高半胱氨酸水平。該方法精密度高、無需特殊儀器設備、操作簡單、自動化程度高，但試劑昂貴，適用于臨床常規實驗室應用。檢測過程中需要考慮樣本收集、運輸與儲存條件和及時的預處理操作，保證結果可靠性。
應用領域
在疾病預防與臨床角度來看，高半胱氨酸是一種預后生物標志物，但更重要的是作為預防疾病的潛在靶標，可用于臨床疾病的預防、風險評估、監測、診斷、預后。高半胱氨酸對擴張型心肌病患者的預后具有一定的預測價值，可以為臨床診斷和治療提供參考。與其他危險因素相比，心血管患者中高半胱氨酸的敏感性、特異性和準確性非常高。此外，高半胱氨酸也能作為高血壓和腦部疾病發展的標志物。
妊娠高血壓
高半胱氨酸被認為是可靠的妊娠高血壓的預測標志物。內皮細胞激化是先兆子癇發病機制的核心，完整的內皮具有抗凝血特性，通過釋放一氧化氮來減弱血管平滑肌對藥物的反應，而受損或激化的內皮細胞分泌促進凝血的物質并增加對藥物的敏感性。高同型半胱氨酸血癥通過直接的毒性和氧化應激機制引起內皮功能障礙，并導致血管松弛和凝血遲鈍。因此高半胱氨酸水平與妊娠期高血壓的嚴重程度以及先兆子癇和子癇并發癥相關。通過簡單、快速的檢測高半胱氨酸，可以可靠地預防先兆子癇及其并發癥并及時處理，可作為妊娠高血壓的預測標志物。
高血壓
與非高血壓人群相比，高血壓患者的平均高半胱氨酸濃度更高，并表明高半胱氨酸水平升高與高血壓風險增加存在合理關聯，因此高半胱氨酸可預測高血壓患者的血管靶器官損傷，作為一線降壓治療的指導。高半胱氨酸與非杓型高血壓有關，這是評估高血壓患者心血管死亡率和發病率的有效預測指標，高半胱氨酸水平不僅可以作為代表動脈高血壓相關靶器官損傷的有用標志物，而且還可能指導選擇最合適的腎素血管緊張素-醛固酮系統（RAAS）拮抗劑降壓方案。
認知障礙
輕度認知障礙（MCI）是介于正常老化與阿爾茲海默癥（AD）之間的一種過渡狀態，研究發現高半胱氨酸水平變化是MCI患者向AD轉化的機制，MCI 轉化為 AD 患者的血漿中高半胱氨酸含量高于未發生轉化的患者，該過程依賴于高半胱氨酸的沉積。應用高半胱氨酸作為生物學標志，并結合標準的認知功能測定、病史問詢、臨床檢查和影像學技術，是MCI臨床判定的有效手段。
安全事宜
根據CLP標準高半胱氨酸被列為第四類急性毒素， GHS危害聲明：高半胱氨酸口服具有急性毒性，若不慎吞咽，立即漱口并求醫療幫助。日常應盡量減少直接接觸和暴露。在使用過程中不可進食、飲水或吸煙，使用后應徹底洗手，將內容物和容器進行規范性處置。
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