第三十章蛋白质降解和氨基酸的分解代谢

第30章蛋白质降解和氨基的分解代谢第一节蛋白质的降解一、蛋白质降解的特性细胞可以有选择的降解蛋白质，蛋白质的存活期与其对细胞的代谢需求、营养状态和激素的作用相关。二、蛋白质降解的反应机制真核细胞降解蛋白质有两种体系，溶酶体无选择的降解蛋白质，而泛肽给选择降解蛋白质加以标记，这一过程需要消耗ATP,有关的机制将在蛋白质生物合成一章介绍。蛋白质降解的泛肽途径E1-S-E1-SHE2-S-E1-SHE2-SHE2-SHATPAMP+PPiE3多泛肽化蛋白ATP26S蛋白酶体20S蛋白酶体ATP19S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）三、机体对外源蛋白质的需要及消化作用外源蛋白质在哺乳动物的消化道被分解为氨基酸才能吸收，一个70kg的人每天大约有400g的蛋白质周转，其中约1/4被降解或转变为葡萄糖，需要外源蛋白质补充，其余3/4在体内再循环。细胞内不同的蛋白质周转速度差别很大。酶水解位置对键的要求肽链内切酶胃蛋白酶芳香族氨基酸和其它氨基酸形成的肽键胰凝乳蛋白酶COOH端芳香族氨基酸的羧基形成的肽键弹性蛋白酶COOH端丙氨酸、亮氨酸、丝氨酸等短脂肪链的氨基酸羧基形成肽键胰蛋白酶COOH端碱性氨基酸羧基形成的肽键肽链外切酶羧肽酶ACOOH端中性氨基酸形成的肽键羧肽酶BCOOH端碱性氨基酸形成的肽键氨肽酶NH2端二肽酶要求相邻两个氨基酸上的α-氨基和α-羧基同时存在消化道内几种蛋白酶的专一性（Phe.Tyr.Trp）（Arg.Lys）（脂肪族）胰凝乳蛋白酶胃蛋白酶弹性蛋白酶羧肽酶胰蛋白酶氨肽酶羧肽酶（Phe.Trp）氨基酸代谢库第二节氨基酸的分解代谢一、氨基酸的脱氨基作用α-氨基酸1R1-CH-COO-NH+3|α-酮酸1R1-C-COO-O||R2-C-COO-O||α-酮酸2R2-CH-COO-NH+3|α-氨基酸2转氨酶在转氨酶的催化下，任意氨基酸的氨基转移到酶分子上，结果原来的α-氨基酸生成相应的α-酮酸，而酶分子上的氨基转移到酮酸受体上，形成产物氨基酸，同时酶又再生，这种作用称为氨基转移反应。*转氨酶的辅酶只有一种：磷酸吡哆醛•较为重要的转氨酶有：⑴丙氨酸氨基转移酶（alaninetrans-aminase,ALT），又称为谷丙转氨酶（GPT）。催化丙氨酸与α-酮戊二酸之间的氨基移换反应，为可逆反应。该酶在肝脏中活性较高，在肝脏疾病时，可引起血清中ALT活性明显升高。谷氨酸+丙酮酸α-酮戊二酸+丙氨酸GPT⑵天冬氨酸氨基转移酶（aspartatetransaminase,AST），又称为谷草转氨酶（GOT）。催化天冬氨酸与α-酮戊二酸之间的氨基移换反应，为可逆反应。该酶在心肌中活性较高，故在心肌疾患时，血清中AST活性明显升高。谷氨酸+草酰乙酸α-酮戊二酸+天冬氨酸GOP二、谷氨酸脱氢酶的氧化脱氨基作用•L-谷氨酸脱氢酶(L-glutamatedehydro-genase)是一种不需氧脱氢酶，以NAD+或NADP+为辅酶，生成的NADH或NADPH可进入呼吸链进行氧化磷酸化。该酶活性高，分布广泛，因而作用较大。该酶属于变构酶，其活性受ATP，GTP的抑制，受ADP，GDP的激活。•L-氨基酸氧化酶（L-aminoacidoxidase)及D-氨基酸氧化酶（D-aminoacidoxidase)是一种需氧脱氢酶，以FAD或FMN为辅基，脱下的氢原子交给O2，生成H2O2。该酶活性不高，在各组织器官中分布局限，因此作用不大。三、其他的脱氨基作用四、联合脱氨基作用•转氨基作用与氧化脱氨基作用联合进行，从而使氨基酸脱去氨基并氧化为α-酮酸(α-ketoacid)的过程，称为联合脱氨基作用。•联合脱氨基作用可在大多数组织细胞中进行，是体内主要的脱氨基的方式。形式一：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+NADHα-酮酸α-氨基酸α-酮戊二酸L-谷氨酸形式二：嘌呤核苷酸循环（purinenucleotidecycle,PNC）•这是存在于骨骼肌和心肌中的一种特殊的联合脱氨基作用方式。•在骨骼肌和心肌中，由于谷氨酸脱氢酶的活性较低，而腺苷酸脱氨酶(adenylatedeaminase)的活性较高，故采用此方式进行脱氨基。•腺苷酸脱氨酶(adenylatedeaminase)可催化AMP脱氨基，此反应与转氨基反应相联系，即构成嘌呤核苷酸循环的脱氨基作用。氨基酸α-酮戊二酸天冬氨酸IMPNH3腺苷酸代琥珀酸α-酮酸谷氨酸草酰乙酸AMPH2O延胡索酸苹果酸二、氨基酸的脱羧基作用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。氨基酸脱羧酶伯胺+CO2氨基酸脱羧基生成的胺类有不少是生理活性物质，如γ-氨基丁酸是重要的神经递质，组胺有降血压作用，酪胺有升血压作用。过多的胺类有毒，可以被氧化成醛类和氨，醛类氧化成脂肪酸，氨生成尿素。水生动物直接排出鸟类、爬行类尿酸人、哺乳类尿素六、氨的命运血氨氨基酸脱氨肠道吸收肾小管分泌合成尿素合成合成氨基酸等含氮化合物铵盐生成排出合成谷氨酰胺高血氨症与肝昏迷氨中毒1、、氨在血中的转运A）丙氨酸-葡萄糖循环(alanine-glucosecycle)：•肌肉中的氨基酸将氨基转给丙酮酸生成丙氨酸，后者经血液循环转运至肝脏再脱氨基，生成的丙酮酸经糖异生合成葡萄糖后再经血液循环转运至肌肉重新分解产生丙酮酸，通过这一循环反应过程即可将肌肉中氨基酸的氨基转移到肝脏进行处理。这一循环反应过程就称为丙氨酸-葡萄糖循环。B）谷氨酰胺(glutamine)的运氨作用：•肝外组织，如脑、骨骼肌、心肌在谷氨酰胺合成酶（glutaminesynthetase)的催化下，合成谷氨酰胺，以谷氨酰胺的形式将氨基经血液循环带到肝脏，再由谷氨酰胺酶将其分解，产生的氨即可用于合成尿素。因此，谷氨酰胺对氨具有运输、贮存和解毒作用。ATP+NH3ADP+PiglutaminesynthetaseglutamicacidglutamineglutaminaseNH3H2O2、氨的排泄•体内氨的主要代谢去路是用于合成无毒的尿素。第三节尿素的形成一、尿素循环的发现1932年德国学者HansKrebs等发现在肝脏切片悬浮液中加入鸟氨酸，瓜氨酸和精氨酸可以促进尿素生成,早就知道精氨酸可以分解生成鸟氨酸和尿素，尿素循环因此提出。NH3+CO2NH3尿素鸟氨酸瓜氨酸精氨酸从鸟氨酸合成瓜氨酸从瓜氨酸合成精氨酸精氨酸水解生成尿素和鸟氨酸二、鸟氨酸循环（ornithinecycle)的主要反应过程为：1．氨基甲酰磷酸的合成：此反应在线粒体中进行，由氨基甲酰磷酸合成酶Ⅰ（carbamoylphosphatesynthetase-Ⅰ,CPS-Ⅰ）催化，该酶需N-乙酰谷氨酸（AGA）作为变构激活剂，反应不可逆。氨基甲酰磷酸合成酶Ⅰ(AGA，Mg2+)NH3+CO2+H2O+2ATPH2NCOOPO3H2+2ADP+Pi2．瓜氨酸的合成：在线粒体内进行，由鸟氨酸氨基甲酰转移酶（ornithinecarbamoyltrans-ferase,OCT）催化（该酶需生物素作辅基），将氨基甲酰基转移到鸟氨酸的γ-氨基上，生成瓜氨酸。OCTH2NCOOPO3H2+H2N（CH2）3CH（NH2）COOHH2NCOHN（CH2）3CH（NH2）COOH+Pi3．精氨酸琥珀酸的合成：转运至胞液的瓜氨酸在精氨酸琥珀酸合成酶(argininosuccinatesynthetase)催化下，消耗能量合成精氨酸琥珀酸。精氨酸琥珀酸合成酶是尿素合成的关键酶。H2NCOHN（CH2）3CH（NH2）COOH+HOOCCH2CH（NH2）COOH+ATPHOOCCHCH2COOH精氨琥珀酸合成酶N=C(NH2)NH(CH2)3CH(NH2)COOH+AMP+PPi+H2O4．精氨酸琥珀酸的裂解：在胞液中由精氨酸琥珀酸裂解酶(argininosuccinatelyase)催化，将精氨酸琥珀酸裂解生成精氨酸和延胡索酸。HOOCCHCH2COOH｜N=C(NH2)NH(CH2)3CH(NH2)COOHHN=C(NH2)NH(CH2)3CH(NH2)COOH+HOOCCH=CHCOOH精氨酸琥珀酸裂解酶5．精氨酸的水解：在胞液中由精氨酸酶的催化，精氨酸水解生成尿素(urea)和鸟氨酸(ornithine)。鸟氨酸可再转运入线粒体继续进行循环反应。精氨酸酶HN=C(NH2)NH(CH2)3CH(NH2)COOH+H2OH2NCONH2+H2N（CH2）3CH（NH2）COOH鸟氨酸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ATPAMP+PPiH2O2ATP+CO2+NH3+H2O2ADP+Pi基质线粒体胞液NH2-C-NH2O尿素鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸尿素H2O精氨酸琥珀酸精氨酸琥珀酸天冬氨酸（NH3）-ATPE瓜氨酸磷酸NH3+CO2+H2O氨基甲酰磷酸2ATP2ADP+Pi氨甲酰磷酸合成酶（N-乙酰谷氨酸、Mg2+）线粒体鸟氨酸循环每合成一分子尿素——共解除了2分子的氨毒•一分子来自于AA的脱氨基作用•另一分子来自于天冬氨酸关键酶——精氨酸琥珀酸合成酶鸟氨酸循环尿素循环的总结1、总反应和过程NH3+CO2+3ATP+天冬氨酸+2H2ONH2-CO-NH2+2ADP+2+AMP+PPi+延胡索酸2、合成尿素的主要器官是肝脏，但在肾及脑中也可少量合成。3、尿素合成是经称为鸟氨酸循环的反应过程来完成的。催化这些反应的酶存在于胞液和线粒体中。4、耗能过程：4ATP/urea5、尿素分子中的两个氮原子，一个来源于NH3，一个来源于天冬氨酸。6、意义：是体内解除氨毒的最主要方式,也是氨在体内的主要代谢去路三、尿素循环的调节尿素循环的第一步反应由氨甲酰磷酸合成酶催化，该酶是调控尿素循环的关键酶，其别构效应剂是N-乙酰谷氨酸。N-乙酰谷氨酸是在N-乙酰谷氨酸合酶的催化下，由谷氨酸和乙酰-CoA合成的，体内氨的浓度增高时，谷氨酸的浓度会增高，引起N-乙酰谷氨酸合成的增加，N-乙酰谷氨酸激活氨甲酰磷酸合成酶，使尿素循环加速。尿素循环的其他酶由他们的底物控制，除精氨酸酶外，其他酶的不足使底物增加，引起反应速度的增加，因此，尿素的生成量不会有很大的降低，但底物浓度过高，会使尿素循环逆行，血氨浓度增高，引起高血氨症。高血氨症可能是α-酮戊二酸含量过低，影响了柠檬酸循环，另外，谷氨酸被转化为谷氨酰胺，使其含量下降，会影响神经传导(谷氨酸和γ-氨基丁酸是重要的神经递质)。尿素循环的任何一种酶完全丧失，会使新生儿死亡。第四节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生糖氨基酸(丙、天、谷等）生糖兼生酮氨基酸（苯、等）生酮氨基酸（亮、色等）第五节生糖兼生酮氨基酸第六节一碳单位的代谢Metabolismofonecarbonunit（一）一碳单位的定义和化学结构：•一碳单位(onecarbonunit)是指只含一个碳原子的有机基团，这些基团通常由其载体携带参加代谢反应。•常见的一碳单位有甲基（-CH3）、亚甲基或甲烯基（-CH2-）、次甲基或甲炔基（=CH-）、甲酰基（-CHO）、亚氨甲基（-CH=NH）、羟甲基（-CH2OH）等。•一碳单位（onecarbonunit)通常由其载体携带，常见的载体有四氢叶酸（FH4）和S-腺苷同型半胱氨酸，有时也可为VitB12。常见的一碳单位的四氢叶酸衍生物有：1．N10-甲酰四氢叶酸（N10-CHOFH4）。2．N5-亚氨甲基四氢叶酸（N5-CH=NHFH4）。3．N5,N10-亚甲基四氢叶酸（N5,N10-CH2-FH4