第10章氨基酸代谢

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1第十章氨基酸代谢植物、微生物从环境中吸收氨、铵盐、亚硝酸盐、硝酸盐等无机氮,合成各种氨基酸、蛋白质、含氮化合物。人和动物消化吸收动、植物蛋白质,得到氨基酸,合成蛋白质及含氮物质。有些微生物能把空气中的N2转变成氨态氮,合成氨基酸。第一节蛋白质消化、降解及氮平衡一、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,因此肽的吸收先于游离氨基酸。二、蛋白质的降解人及动物体内蛋白质处于不断降解和合成的动态平衡。成人每天有总体蛋白的1%~2%被降解、更新。不同蛋白的半寿期差异很大,人血浆蛋白质的t1/2约10天,肝脏的t1/2约1~8天,结缔组织蛋白的t1/2约180天,许多关键性的调节酶的t1/2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。泛素是一种8.5KD(76a.a.残基)的小分子蛋白质,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a.a残基,它能与被降解的蛋白质共价结合,使后者活化,然后被蛋白酶降解。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a.a)与体内组织蛋白降解产生的氨基酸(内源性a.a)混在一起,分布于体内各处,参与代谢,称为氨基酸代谢库。氨基酸代谢库以游离a.a总量计算。肌肉中a.a占代谢库的50%以上。肝脏中a.a占代谢库的10%。肾中a.a占代谢库的4%。血浆中a.a占代谢库的1~6%。肝、肾体积小,它们所含的a.a浓度很高,血浆a.a是体内各组织之间a.a转运的主要形式。氨基酸代谢库图四、氮平衡食物中的含氮物质,绝大部分是蛋白质,非蛋白质的含氮物质含量很少,可以忽略不计。氮平衡:机体摄入的氮量和排出量,在正常情况下处于平衡状态。即,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。第二节氨基酸分解代谢氨基酸的分解代谢主要在肝脏中进行。氨基酸的分解代谢一般是先脱去氨基,形成的碳骨架可以被氧化成CO2和H2O,产生ATP,也可以为糖、脂肪酸的合成提供碳架。一、脱氨基作用主要在肝脏中进行(一)氧化脱氨基第一步,脱氢,生成亚胺。第二步,水解。P219反应式:生成的H2O2有毒,在过氧化氢酶催化下,生成H2O+O2↑,解除对细胞的毒害。1、催化氧化脱氨基反应的酶(氨基酸氧化酶)(1)、L—氨基酸氧化酶有两类辅酶,E—FMNE—FAD(人和动物)对下列a.a不起作用:Gly、β-羟氨酸(Ser、Thr)、二羧a.a(Glu、Asp)、二氨a.a(Lys、Arg)真核生物中,真正起作用的不是L-a.a氧化酶,而是谷氨酸脱氢酶。(2)、D-氨基酸氧化酶E-FAD有些细菌、霉菌和动物肝、肾细胞中有此酶,可催化D-a.a脱氨。(3)、Gly氧化酶E-FAD使Gly脱氨生成乙醛酸。(4)、D-Asp氧化酶E-FADE-FAD兔肾中有D-Asp氧化酶,D-Asp脱氨,生成草酰乙酸。(5)、L-Glu脱氢酶E-NAD+E-NADP+P220反应式: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a.a直接脱去氨基的活力最强的酶,是一个结构很复杂的别构酶。在动、植、微生物体内都有。ATP、GTP、NADH可抑制此酶活性。ADP、GDP及某些a.a可激活此酶活性。因此当ATP、GTP不足时,Glu的氧化脱氨会加速进行,有利于a.a分解供能(动物体内有10%的能量来自a.a氧化)。2(二)非氧化脱氨基作用(大多数在微生物的中进行)P221①还原脱氨基(严格无氧条件下)图②水解脱氨基图③脱水脱氨基图④脱巯基脱氨基⑤氧化-还原脱氨基两个氨基酸互相发生氧化还原反应,生成有机酸、酮酸、氨。⑥脱酰胺基作用谷胺酰胺酶:谷胺酰胺+H2O→谷氨酸+NH3天冬酰胺酶:天冬酰胺+H2O→天冬氨酸+NH3谷胺酰胺酶、天冬酰胺酶广泛存在于动植物和微生物中(三)转氨基作用转氨作用是a.a脱氨的重要方式,除Gly、Lys、Thr、Pro外,a.a都能参与转氨基作用。转氨基作用由转氨酶催化,辅酶是维生素B6(磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺)。转氨酶在真核细胞的胞质、线粒体中都存在。转氨基作用:是α-氨基酸和α-酮酸之间氨基转移作用,结果是原来的a.a生成相应的酮酸,而原来的酮酸生成相应的氨基酸。P223结构式:不同的转氨酶催化不同的转氨反应。大多数转氨酶,优先利用α-酮戊二酸作为氨基的受体,生成Glu。如丙氨酸转氨酶,可生成Glu,叫谷丙转氨酶(GPT)。肝细胞受损后,血中此酶含量大增,活性高。肝细胞正常,血中此酶含量很低。动物组织中,Asp转氨酶的活性最大。在大多数细胞中含量高,Asp是合成尿素时氮的供体,通过转氨作用解决氨的去向。转氨作用机制P224图16-2此图只画出转氨反应的一半。(四)联合脱氨基单靠转氨基作用不能最终脱掉氨基,单靠氧化脱氨基作用也不能满足机体脱氨基的需要,因为只有Glu脱氢酶活力最高,其余L-氨基酸氧化酶的活力都低。机体借助联合脱氨基作用可以迅速脱去氨基。1、以谷氨酸脱氢酶为中心的联合脱氨基作用氨基酸的α-氨基先转到α-酮戊二酸上,生成相应的α-酮酸和Glu,然后在L-Glu脱氨酶催化下,脱氨基生成α-酮戊二酸,并释放出氨。P225图16-3以谷氨酸脱氢酶为中心的联合脱氨基作用2、通过嘌呤核苷酸循环的联合脱氨基做用P225结构式:次黄嘌呤核苷一磷酸(IMP)、腺苷酸代琥珀酸、腺苷酸P226图16-4通过嘌呤核苷酸循环的联合脱氨基做用骨骼肌、心肌、肝脏、脑都是以嘌呤核苷酸循环的方式为主二、脱羧作用生物体内大部分a.a可进行脱羧作用,生成相应的一级胺。a.a脱羧酶专一性很强,每一种a.a都有一种脱羧酶,辅酶都是磷酸吡哆醛。a.a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,是重要的神经介质。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,体内有胺氧化酶,能将胺氧化为醛和氨。三、氨的去向氨对生物机体有毒,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α-酮戊二酸作用生成Glu,大量消耗α-酮戊二酸,影响TCA,同时大量消耗NADPH,产生肝昏迷。氨的去向:(1)重新利用合成a.a、核酸。(2)贮存Gln,Asn高等植物将氨基氮以Gln,Asn的形式储存在体内。(3)排出体外排氨动物:水生、海洋动物,以氨的形式排出。排尿酸动物:鸟类、爬虫类,以尿酸形式排出。排尿动物:以尿素形式排出。3(一)氨的转运(肝外→肝脏)1、Gln转运Gln合成酶、Gln酶(在肝中分解Gln)Gln合成酶,催化Glu与氨结合,生成Gln。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。2、丙氨酸转运(Glc-Ala循环)肌肉可利用Ala将氨运至肝脏,这一过程称Glc-Ala循环。丙氨酸在PH7时接近中性,不带电荷,经血液运到肝脏在肌肉中,糖酵解提供丙酮酸,在肝中,丙酮酸又可生成Glc。肌肉运动产生大量的氨和丙酮酸,两者都要运回肝脏,而以Ala的形式运送,一举两得。(二)氨的排泄1、直接排氨排氨动物将氨以Gln形式运至排泄部位,经Gln酶分解,直接释放NH3。游离的NH3借助扩散作用直接排除体外。2、尿素的生成(尿素循环)排尿素动物在肝脏中合成尿素的过程称尿素循环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、Arg中的任一种,都可促使尿素的合成。尿素循环途径(鸟氨酸循环):P230图16-6(1)、氨甲酰磷酸的生成(氨甲酰磷酸合酶I)肝细胞液中的a.a经转氨作用,与α-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。氨甲酰磷酸合酶I:存在于线粒体中,参与尿素的合成。氨甲酰磷酸合酶II:存在于胞质中,参与尿嘧啶的合成。N-乙酰Glu激活氨甲酰磷酸合酶I、II(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。P231反应式:鸟氨酸转氨甲酰酶存在于线粒体中,需要Mg2+作为辅因子。瓜氨酸形成后就离开线粒体,进入细胞液。(3)、合成精氨琥珀酸(精氨琥珀酸合酶)P231结构式(4)、精氨琥珀酸裂解成精氨酸和延胡索素酸(精氨琥珀酸裂解酶)精氨琥珀酸→精氨酸+延胡索素酸P232结构式此时Asp的氨基转移到Arg上。来自Asp的碳架被保留下来,生成延胡索酸。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P232结构式尿素形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+延胡索酸形成一分子尿素可清除2分子氨及一分子CO2,消耗4个高能磷酸键。联合脱-NH2合成尿素是解决-NH2去向的主要途径。尿素循环与TCA的关系:草酰乙酸、延胡素酸(联系物)。肝昏迷(血氨升高,使α-酮戊二酸下降,TCA受阻)谷氨酸+NH4++ATP谷氨酰胺+ADP+H+gln合成酶谷氨酰胺+H2O谷氨酸+NH4+谷胺酰胺酶肌肉中NH4++α-酮戊二酸+NADPH+H+谷氨酸+NADP+谷氨酸脱氢酶肌肉中Glu+丙酮酸α-酮戊二酸+Ala丙氨酸转氨酶肝脏中Ala+α-酮戊二酸丙酮酸+Glu丙氨酸转氨酶NH4++CO2+2ATP+H2O氨甲酰磷酸合酶I氨甲酰磷酸+2ADP+Pi+3H+瓜氨酸+天冬氨酸精氨琥珀酸合酶/Mg2+精氨琥珀酸4可加Asp或Arg缓解。3、生成尿酸(见核苷酸代谢)尿酸(包括尿素)也是嘌呤代谢的终产物。四、氨基酸碳架的去向20种aa有三种去路(1)氨基化还原成氨基酸。(2)氧化成CO2和水(TCA)。(3)生糖、生脂。20种a.a的碳架可转化成7种物质:丙酮酸、乙酰CoA、乙酰乙酰CoA、α-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、α-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸。234图16-7氨基酸碳骨架进入TCA的途径1、转变成丙酮酸的途径P236图16-8Ala、Gly、Ser、Thr、Cys形成丙酮酸的途径(1)、Ala经与α-酮戊二酸转氨(谷丙转氨酶)(2)、Gly先转变成Ser,再由Ser转变成丙酮酸。Gly与Ser的互变是极为灵活的,该反应也是Ser生物合成的重要途径。Gly的分解代谢不是以形成乙酰CoA为主要途径,Gly的重要作用是一碳单位的提供者。Gly+FH4+NAD+→N5,N10-甲烯基FH4+CO2+NH4++NADH(3)、Ser脱水、脱氢,生成丙酮酸(丝氨酸脱水酶)P235反应式(4)、Thr有3条途径P235①由Thr醛缩酶催化裂解成Gly和乙醛,后者氧化成乙酸→乙酰CoA。②③(5)、Cys有3条途径①转氨,生成β-巯基丙酮酸,再脱巯基,生成丙酮酸。②氧化成丙酮酸③加水分解成丙酮酸2、转变成乙酰乙酰CoA的途径P237图16-9Phe、Tyr、Leu(1)、Phe→Tyr→乙酰乙酰CoAP238图16-10Phe、Tyr分解为乙酰乙酰CoA和延胡索酸的途径(2)、Tyr产物:1个乙酰乙酰CoA(可转化成2个乙酰CoA。),1个延胡索酸,1个CO2,(3)、LeuP240图16-12产物:

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