蛋白质降解及氨基酸代谢

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1、第十章 蛋白质的酶促降解及氨基酸代谢,本章重点： 蛋白质在机体内的降解 氨基酸的分解 氨和碳架的去向 尿素的合成 一碳单位及作用 氨基酸合成中的碳架和氮的来源。,蛋白质是生命的物质基础，由于生物体内的蛋白质不断更新，因此需要经常供给蛋白质，以维持组织细胞生长、更新和修复。此外，酶、生物活性肽、激素及抗体等都是体内具有特殊功能的蛋白质。,蛋白质的营养作用,蛋白质不能直接被生物体吸收，必须经过消化降解成氨基酸后才能被生物体吸收和利用。 人体所吸收的氨基酸主要是作为合成新蛋白质的原料。实验发现，20种基本氨基酸中，有8种氨基酸在人体内不能自行合成。如果食物中缺少这些氨基酸，将对人体蛋白质合成产生不利

2、影响。,蛋白质营养价值的高低，决定于所含必需氨基酸的种类、含量及其比例是非与人体的需要相近。愈接近的营养价值愈高，相差愈大的则营养价值愈低。动物性蛋白质所含的必需氨基酸在组成和比例方面比较接近人体的需要，所以营养价值比较高。而植物性蛋白质的营养价值相对来说要低一些。,第一节 蛋白质的酶促降解及N平衡,一、 蛋白质消化吸收 哺乳动物的胃、小肠中含有胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、羧肽酶、氨肽酶、弹性蛋白酶。经上述酶的作用，蛋白质水解成游离氨基酸，在小肠被吸收。 被吸收的氨基酸（与糖、脂一样）一般不能直接排出体外，需经历各种代谢途径。 肠粘膜细胞还可吸收二肽或三肽，吸收作用在小肠的近端较强，因此

3、肽的吸收先于游离氨基酸。,消化道内几种蛋白酶的专一性,二、蛋白质的降解,二人及动物体内蛋白质处于不断降解和合成的动态平衡。成人每天有1%2%的蛋白被降解、更新。 不同蛋白的半寿期差异很大，人血浆蛋白质的约10天，肝脏的约18天，结缔组织蛋白的约180天，许多关键性的调节酶的半寿期均很短。,真核细胞中蛋白质的降解有两条途径：,一条是不依赖ATP的途径，在溶酶体中进行，主要降解外源蛋白、膜蛋白及长寿命的细胞内蛋白。 另一条是依赖ATP和泛素的途径，在胞质中进行，主要降解异常蛋白和短寿命蛋白。此途径在不含溶酶体的红细胞中尤为重要。 泛素（Ubiquitin）一种8.5KD（76氨基酸残基）的小分子蛋

4、白质，普遍存在于真核细胞内。一级结构高度保守，酵母与人只相差3个氨基酸残基，它能与被降解的蛋白质共价结合，使后者带上标记，然后被蛋白酶降解。,蛋白质降解的泛肽途径,E1-SH,E1-SH,E2-SH,E2-SH,ATP AMP+PPi,E3,多泛肽化蛋白,ATP,26S蛋白酶体,20S蛋白酶体,ATP,19S调节亚基,去折叠,水解,E1：泛肽激活酶 E2：泛肽载体蛋白 E3：泛肽-蛋白质连接酶,（ubiquitin）,降解的蛋白碎片,三、氨基酸代谢库,食物蛋白中，经消化而被吸收的氨基酸（外源性氨基酸）与体内组织产生的氨基酸（内源性氨基酸）混在一起，分布于体内各处，参与代谢，称为氨基酸代谢库。

5、氨基酸代谢库以游离氨基酸总量计算。 肌肉中氨基酸占代谢库的50以上。 肝脏中氨基酸占代谢库的10。 肾中氨基酸占代谢库的4。 血浆中氨基酸占代谢库的16。,氨基酸代谢库,氮平衡,食物中的含氮物质，大部分是蛋白质,非蛋白质的含氮物质含量较少。 氮平衡：机体摄入的氮量和排出的氮量，在正常情况下处于平衡状态。摄入氮排出氮。 氮正平衡：摄入氮排出氮。部分摄入的氮用于合成体内蛋白质，儿童、孕妇。,氮负平衡：摄入氮排出氮。饥锇、疾病。,第二节 氨基酸的分解与转化,一、氨基酸代谢概况,三、氨基酸的脱羧基作用,二、氨基酸的脱氨基作用,氨基酸的分解代谢一般是先脱去氨基，生成的碳架可以被氧化成CO2和H2O，产生

6、ATP 。碳架也可以为糖、脂肪酸的合成提供原料,一、氨基酸代谢概况,食物蛋白质,氨基酸,特殊途径,-酮酸,糖及其代谢中间产物,脂肪及其代谢中间产物,TCA,鸟氨酸循环,NH4+,NH4+,NH3,CO2,H2O,体蛋白,尿素,尿酸,激素,卟啉,尼克酰氨衍生物,肌酸胺,嘧啶,嘌呤,（次生物质代谢）,CO2,胺,二、氨基酸的脱氨基作用,4、非氧化脱氨基作用,1、氧化脱氨基作用,2、转氨基作用,3、联合脱氨基作用,1、氧化脱氨基作用,氨基酸在酶的催化下脱去氨基生成相应的-酮酸的过程称为氧化脱氨基作用。主要有以下两种类型：,-氨基酸,氨基酸氧化酶,-酮酸,R-CH-COO- NH+3,|,R-C-CO

7、O-+NH3 O,|,H2O+O2,H2O2,L-谷氨酸脱氢酶,+ H2O,+ NH3,辅酶：FAD,真核细胞的Glu脱氢酶，大部分存在于线粒体基质中，是一种不需O2的脱氢酶。 此酶是能使氨基酸直接脱去氨基的活力最强的酶，是一个结构复杂的别构酶。在动、植、微生物体内都有。 抑制剂：ATP、GTP、NADH。 激活剂：ADP、GDP及某些氨基酸。 因此，当ATP、GTP不足时，Glu的氧化脱氨会加速进行，有利于氨基酸分解供能（动物体内有10%的能量来自氨基酸氧化）。,真核生物中，真正起作用的主要是谷氨酸脱氢酶，而不是L-氨基酸氧化酶。,脱氨基作用主要在肝脏中进行。第一步，脱氢，生成亚胺。第二步，

8、水解。,2、转氨基作用,转氨酶 （辅酶：磷酸吡哆醛）,在转氨酶的催化下， -氨基酸的氨基转移到-酮酸的酮基碳原子上，结果原来的-氨基酸生成相应的-酮酸，而原来的-酮酸则形成了相应的-氨基酸，这种作用称为转氨基作用或氨基移换作用。,-氨基酸,磷酸吡哆醛,醛亚胺,酮亚胺,磷酸吡哆胺,磷酸吡哆醛的作用机理,-酮酸,互变异构,谷丙转氨酶和谷草转氨酶,谷丙转氨酶（GPT）,谷草转氨酶(GOT),3、联合脱氨基作用,（1）概念,（2）类型,a、转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶作用相偶联,b、转氨基作用与嘌呤核苷酸循环相偶联,转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶作用相偶联,转氨酶,L-谷氨酸脱氢酶,H20+NAD+,NH3+N

9、ADH,-酮酸,-氨基酸,-酮戊二酸,L-谷氨酸,转氨基作用与氧化脱氨基作用相偶联,转氨基作用与嘌呤核苷酸循环相偶联,（1）还原脱氨基作用（严格无氧条件下）,2、氨基酸的非氧化脱氨基作用,（2）水解脱氨基作用,R,（3）脱水脱氨基,（4）氧化-还原脱氨基作用,两个氨基酸互相发生氧化还原反应，生成有机酸、酮酸、氨。,R,+,R,酶,HC-NH3,COOH,R,+,HC-NH3,COOH,H2O,C=O,COOH,R,C=O,COOH,+,+2NH3,氨基酸 氨基酸 酮酸 有机酸,（5）脱硫氢基脱氨基作用,半胱氨酸脱去H2S生成丙酮酸和氨。,SH CH2 HC-NH2 COOH,L-半胱氨酸,CH

10、3 CNH2 COOH,亚氨基丙酸,脱硫氢基酶,自发水解,由解氨酶催化的脱氨基作用(PAL),三、氨基酸的脱羧基作用,1、概念,氨基酸在脱羧酶的作用下脱掉羧基生成相应的一级胺类化合物的作用。脱羧酶的辅酶为磷酸吡哆醛。,氨基酸脱羧酶专一性很强，每一种氨基酸都有一种脱羧酶，辅酶都是磷酸吡哆醛。,氨基酸脱羧反应广泛存在于动、植物和微生物中，有些产物具有重要生理功能。如脑组织中L-Glu脱羧生成r-氨基丁酸，是重要的神经递质。His脱羧生成组胺（又称组织胺），有降低血压的作用。Tyr脱羧生成酪胺，有升高血压的作用。 但大多数胺类对动物有毒，体内的胺氧化酶能将胺氧化为醛和氨。,脱羧反应机理,(1) Gl

11、u脱羧:谷氨酸 r-氨基丁酸 + CO2 （Glu脱羧E） r-氨基丁酸，抑制神经传递,抗虫作用。,1）.直接脱羧作用,（2） Trp的脱羧,(3)Ser 、Lys、Arg脱羧,2）羟化脱羧基作用,在酪氨酸酶的作用下Tyr发生羟化生成多巴,氧化成黑色素。多巴脱羧生成多巴胺,在植物体内可以由这二个化合物转变成生物碱、吗啡、秋水仙碱(植物加倍,抑制细胞的有丝分裂等)。,氨对生物机体有毒，特别是高等动物的脑对氨极敏感，血中1%的氨会引起中枢神经中毒，因此，脱去的氨必须排出体外。 氨中毒的机理：脑细胞的线粒体可将氨与-酮戊二酸作用生成Glu，大量消耗-酮戊二酸，影响TCA，同时大量消耗NADPH，产生

12、肝昏迷。,氨的代谢转变,氨的去向,1、重新利用：生成氨基酸、核苷酸,2、氨贮存：谷氨酰胺和天冬酰氨的生成,3、排出体外：水生、海洋动物，以氨的形式排出。鸟类、爬虫类，以尿酸形式排出。排尿动物，以尿素形式排出。,4、合成其他含N物质,谷氨酸的重新生成,在大脑中发生上述反应，大量消耗了-酮戊二 酸和NADPH，引起中毒症状。 在肌肉中，可利用这一反应生成的谷氨酸的转氨基作用，生成丙氨酸，将氨转运到肝脏中去。,谷氨酰胺的生成和利用,Gln中性无毒，易透过细胞膜，是氨的主要运输形式。,Gln经血液进入肝中，经Gln酶分解，生成Glu和NH3。,生成酰胺的生理意义,贮氨 生成新的氨基酸 解除氨毒,3、尿

13、 素 的 生 成,（1）概念,（2）总反应和过程,1932年，Krebs发现，向悬浮有肝切片的缓冲液中，加入鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸中的任何一种，都可促使尿素的合成。尿素循环途径（鸟氨酸循环） 合成步骤如下：,（1）氨甲酰磷酸的生成（氨甲酰磷酸合成酶I） 肝细胞液中的氨基酸经转氨作用，与-酮戊二酸生成Glu，Glu进入线粒体基质，经Glu脱氢酶作用脱下氨基，游离的氨（NH4+）与TCA循环产生的CO2反应生成氨甲酰磷酸。,氨甲酰磷酸是高能化合物，可作为氨甲酰基的供体。 氨甲酰磷酸合成酶I：存在于线粒体中，参与尿素的合成。 氨甲酰磷酸合成酶II：存在于胞质中，参与尿嘧啶的合成。 反应要消耗2ATP

14、 尿素循环的限速步反应：氨甲酰磷酸合成酶I受N-乙酰-谷氨酸变构激活。,要点：,（2）合成瓜氨酸（鸟氨酸转氨甲酰酶） 鸟氨酸接受氨甲酰磷酸提供的氨甲酰基，生成瓜氨酸。瓜氨酸生成后就离开线粒体，进入细胞质。,（3）合成精氨琥珀酸,（4）精氨琥珀酸裂解成精氨酸和延胡索素酸,Asp的氨基转移到Arg上， 延胡索素酸可以经苹果酸、草酰乙酸再生为天冬氨酸，,（5） 精氨酸水解生成鸟氨酸和尿素 尿素生成后，由血液运到肾脏随尿排除。,尿素循环总反应： NH4+ + CO2 + 3ATP + Asp + 2H2O 尿素 + 2ADP + 2Pi + AMP + PPi + 延胡索酸 生成1分子尿素可清除2分子

15、氨及1分子CO2 ，消耗4个高能磷酸键。 2分子氨及1分子CO2 的来源： 联合脱-NH2合成尿素是解决-NH2去向的主要途径。,尿素循环,氨基酸,谷氨酸,谷氨酸,氨甲酰磷酸,鸟氨酸,瓜氨酸,瓜氨酸,精氨琥珀酸,鸟氨酸,精氨酸,延胡索酸,草酰乙酸,氨基酸,谷氨酸,-酮戊二酸,天冬氨酸,2ADP+Pi,2ATP+CO2+NH3+H2O,1,细胞溶液,线粒体,尿素,-酮戊二酸,-酮戊二酸,2,3,4,5,形成氨甲酰磷酸（酶定位在线粒体内） 形成瓜氨酸（经转氨甲酰酶催化） 形成精氨基琥珀酸（酶定位在胞液） 形成精氨酸（精氨基琥珀酸裂解酶） 形成尿素（精aa在精aa酶作用下水解生成瓜氨酸和尿素，酶定位

16、在胞液）,尿素循环反应过程,二、氨基酸碳骨架的转化途径,1、再氨基化生成氨基酸,2、转变成糖或脂肪,生糖氨基酸 生酮氨基酸,3、氧化供能生成CO2和H2O,20种氨基酸的碳架可转化成7种物质： 丙酮酸、乙酰CoA、乙酰乙酰CoA、-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸。 它们最后集中为5种物质进入TCA： 乙酰CoA、-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸。,氨基酸碳骨架进入三羧酸循环的途径,草酰乙酸,磷酸烯醇式酸,-酮戊二酸,天冬氨酸天冬酰氨,丙酮酸,延胡索酸,琥珀酰CoA,乙酰CoA,乙酰乙酰CoA,苯丙氨酸 酪氨酸 亮氨酸 赖氨酸 色氨酸,丙氨酸 苏氨酸 甘氨酸 丝氨酸 半胱

17、氨酸,谷氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 组氨酸 脯氨酸,异亮氨酸 亮氨酸 缬氨酸,苯丙氨酸 酪氨酸 天冬氨酸,异亮氨酸 甲硫氨酸 缬氨酸,葡萄糖,柠檬酸,2转成糖和脂类:,许多的氨基酸在代谢过程中生成丙酮酸和TCA循环的有机酸,以后可以通过糖异生作用转化为糖,故称为生糖AA。Gly、Ala、Ser、Thr、Val、His、Glu、Asp、Arg、Cys、Met、Pro、羟脯aa。另一些AA的代谢终产物为乙酰CoA或乙酰乙酰CoA在饥饿、糖尿病等在动物体内可转变为酮体(乙酰乙酸、-羟丁酸、丙酮)。这些AA称生酮AA。Phe、Tyr、Trp、Leu、Lys等。,一碳基团,在代谢过程中，某些化合物（如氨基酸

18、）可以分解产生具有一个碳原子的基团（不包括CO2），称为一碳基团，一碳基团的转移除了和许多氨基酸的代谢直接有关外，还参与嘌呤和胸腺嘧啶及磷脂的生物合成。, 一碳基团的转移由相应的一碳基团转移酶催化， 其辅酶为FH4 一碳基团和氨基酸代谢,-CH=NH 亚氨甲基 H-CO- 甲酰基 -CH2OH 甲醇基 -CH= 次甲基 -CH2- 亚甲基 -CH3 甲基,叶酸和 四氢叶酸（FH4或THFA）,叶酸,N5，N10-CH2-FH4,一碳基团的来源与转变,S-腺苷蛋氨酸,N5-CH3-FH4,N5 ，N10 - CH2-FH4,N5， N10 = CH-FH4,N10 -CHO-FH4,N5 ， N

19、10 -CH2-FH4还原酶,N5 ， N10 -CH2-FH4脱氢酶,环水化酶,丝氨酸,组氨酸甘氨酸,参与 甲基化反应,为胸腺嘧啶合成提供甲基,参与嘌呤合成,FH4,FH4,FH4,HCOOH,H2O,NAD+,NDAH+H+,NAD+,NDAH+H+,H+,参与嘌呤合成,四、氨基酸与生物活性物质,酪氨酸代谢与黑色素的形成 色氨酸代谢与5-羟色胺与吲哚乙酸 谷氨酸与-氨基丁酸 组氨酸与组胺 半胱氨酸和牛磺酸,酪氨酸代谢与黑色素的形成,组氨酸脱氨生成组胺,第 四节 氨的同化及氨基酸的生物合成,合成AA必需要有碳架和氨基,前者主要来自有机酸,后者是来自大气(空气中的N:79%)无机及有机N化合物

20、,在AA合成中所用的氨主要来自生物固N及通过硝酸还原酶催化产生的NH4+。,自然界的氮素循环,硝酸盐,亚硝酸,NH3,生物固氮,工业固氮,固氮生物,动植物,硝酸盐还原,大气固氮,大气氮素,岩浆源的固定氮,火成岩,反硝化作用,氧化亚氮,蛋白质,入地下水,动植物废物死的有机体,植物、微生物从环境中吸收氨、铵盐、亚硝酸盐、硝酸盐等无机氮，合成氨基酸、蛋白质及其它含氮化合物（植物生理学）。 人和动物消化吸收动、植物蛋白质，得到氨基酸，合成蛋白质及含氮化合物（下一节）。 有些微生物能把空气中的N2转变成氨态氮，合成氨基酸（生物固氮）。,一、生物固氮,生物固N:指某些微生物,在常温常压下将N转变成NH3的

21、过程。 N2 + 3H2 2NH3 植物根系从土址中吸收的硝酸态N,经硝酸还原酶和亚硝酸还原酶将硝态N还原成NH+4。 这种途径生成的氨以后便被同化转变成含N的有机化合物。,生物固N的化学本质,e-,e-,e-,e-,固 N 酶, ATP酶活性：能催化ATP分解，从中获取能量推动电子向还原底物上转移。,（2）作用机理：,（3）特点：是一种多功能酶, 氧化还原酶：不仅能催化N2还原，还可 催化N2O化合物等还原。,（1）结构组成,二聚体、含Fe和S 形成Fe4S4簇,四聚体（22） 含Mo、Fe和S,固氮机理,固N酶复合体的固N反应按下述反应顺序进行：,第一：还原态铁氧还蛋白作为电子供体，把自己

22、的电子传递给复合物的还原酶组分。 第二：ATP再与还原酶相结合，通过改变构象把氧还原从-0.29V变为-0.40V，还原酶的还原能力由此得到加强，使它能把电子传递给固N酶的组分。 第三：电子从还原酶传递到固N酶，同时水解ATP，由此还原酶组分与固N酶组分相分离。 第四：结合在复合物的固N酶组分上的N2H4+。,固N酶催化固N反应需要的条件：,第一：需要供应充分的ATP 第二：需要很强的还原剂 第三：需要厌氧环境,硝酸还原作用,（2）硝酸还原酶,(3) 亚硝酸还原酶,（1）硝酸还原作用的化学本质,硝酸还原酶,a、铁氧还蛋白硝酸还原酶,b、NAD(P)H-硝酸还原酶,H2O,NO-3,+,2Fd还

23、原态,+,2H+,NO-2,+,2Fd氧化态,+,+,NAD(P)H,+,H+,NO-2,+,NAD(P)+,+,H2O,NO+3,亚硝酸还原酶,2H2O,a、铁氧还蛋白亚硝酸还原酶,NO-2,+,6Fd还原态,+,8H+,NH+4,+,6Fd氧化态,+,2H2O,b、NAD(P)H亚硝酸还原酶,NO-2,+,3NAD(P)H,+,NH+4,+,3NAD(P)+,+,5H+,硫酸的还原与Cys的合成 Cys有一个巯基，其中的硫是由硫酸还原而成的,与硝酸的还原类似,在细菌、藻类和高等植物中均存在硫酸还原过程,但在动物内则不存在。 植物由外界吸收的SO42-先经活化,然后被还原,活化分两步进行:

24、(1) 硫酸离子在ATP硫酸化酶催化下与ATP反应,生成腺苷酰硫酸(APS):,（2）APS在激酶催化下,在3位形成磷酸腺苷酰硫酸PAPS（ 3-P-PAS）,APS或PAPS将其磺酰基转移给一个含-SH的载体:,5磷酸硫酸3磷酸腺苷,二、氨的同化有两条途径:,这个途径是真菌同化氨的主要途径,在高等植物体内由Glu脱H酶催化的还原氨基反应不是由氨合成Glu的主要途径。因为该酶要求有较高浓度的氨,这个浓度对植物是毒害的程度,即导致光合磷酸化解偶联。,（1）Glu脱H酶途径,（2） Gln合成酶和Glu合成酶途径,目前认为Gln合成酶和Glu合成酶协同作用是植物体内合成Glu的主要途径:,在这个途

25、径中Glu起着传递氨基的作用: 总结果是: NH3+ATP+a-KgGlu+ADP+pi+H2O Glu的氨基可以转移到任何一种a-酮酸上,从而形成其它的任何AA。,2.氨甲酰磷酸的生成:(包括两个反应),氨甲酰激酶催化的反应: 氨甲酰磷酸合成酶催化的反应: 在动物肝细胞及大肠杆菌中,辅因子是N-乙酰Glu,在绿豆中已证明了有氨甲酰磷酸,但在植物体内中的氨甲酰磷酸的N来自Glu而不是氨。,三、氨基酸的生物合成,1、必需氨基酸 2、20种氨基酸的生物合成概况 3、氨基酸生物合成的调节,必需氨基酸的概念,Thr、Val、Leu、Ile、Met、Lys、Phe、Trp (His、 Arg),凡是机体

26、不能自己合成，必需来自外界的氨基酸，称为必需氨基酸。,人的必需氨基酸：,个别氨基酸合成,根据碳架来源分为五大族： Glu族(-酮戊二酸) Asp族(草酰乙酸) Ala族(pyr) Ser族 （ 3磷酸甘油） 芳香族 (PPP途径的E-4-P和EMP的G-3-P) His (PRPP),一碳单位： FH4 “S”的同化,二十种氨基酸的生物合成概况,谷氨酸族,天冬氨酸族,丙氨酸族,丝氨酸族,His 和芳香族,氨基酸生物合成的分族情况,（1）丙氨酸族 丙酮酸 Ala、Val、Leu （2）丝氨酸族 甘油酸-3-磷酸 Ser、Gly、Cys （3）谷氨酸族 -酮戊二酸 Glu、Gln、Pro、Arg

27、（4）天冬氨酸族 草酰乙酸 Asp、Asn、Lys、Thr、Ile、Met （5）组氨酸和芳香氨基酸族 磷酸核糖 His 磷酸赤藓糖+PEP Phe、Tyr、Trp,蛋氨酸的合成,3、氨基酸生物合成的调节,(1) 通过终端产物对氨基酸 生物合成的抑制 (2) 通过酶生成量的改变调节 氨基酸的生物合成,氨基酸合成的反馈调控,反硝化作用,氧化亚氮,氨甲酰磷酸,分支酸,脱氧庚酮糖酸-7-磷酸,天冬氨酸,天冬氨酰磷酸,赤藓糖-4-磷酸,脱氢奎尼酸,莽草酸,谷氨酸,磷酸烯醇式丙酮酸,+,预苯酸,Try,Phe,Trp,Ile,Trp,His,CTP,AMP,Gln,Lys,Met,Thr,酮丁酸,Gly,Ala,谷氨酰胺合酶,天冬氨酰半醛,高丝氨酸,氨基苯甲酸,