蛋白质的降解和氨基酸代谢

第九章蛋白质的降解和氨基酸代谢蛋白质的消化降解:外源蛋白的消化内源性蛋白的选择性降解氨基酸的降解和转化氨基酸的生物合成肽酶（Peptidase）：肽链外切酶蛋白酶(Proteinase)：肽链内切酶第一节蛋白质消化、降解一、水解蛋白质的酶的种类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）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。二、外源蛋白质消化吸收（1）不依赖ATP的溶酶体途径，没有选择性，主要降解细胞通过胞吞作用摄取的外源蛋白、膜蛋白及长寿命的细胞内蛋白。（2）依赖ATP的泛素途径，在胞质中进行，主要降解异常蛋白和短寿命蛋白（调节蛋白），此途径在不含溶酶体的红细胞中尤为重要。（选择性降解）真核细胞中蛋白质的降解途径意义：（1）清除异常蛋白；（2）细胞对代谢进行调控的一种方式三、细胞内蛋白质的降解泛素是一种8.5KD（76AA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AA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。2004年6日瑞典皇家科学院宣布，2004年诺贝尔化学奖授予以色列科学家阿龙·切哈诺沃、阿夫拉姆·赫什科和美国科学家欧文·罗斯，以表彰他们发现了泛素调节的蛋白质降解。泛素的羧基末端的Gly与将被送去降解的蛋白质的Lys的-氨基共价连接，而使将被降解的蛋白质携带了降解标记，这个过程分三步进行：①泛素的羧基末端以硫酯键与泛素活化酶（E1）相连。②泛素然后被转移到被称为泛素结合酶（E2）的许多同源小蛋白质的中某一小蛋白的巯基上。③泛素-蛋白质连接酶（E3）将活化的泛素从E2转移到已结合在E3上的蛋白质的赖氨酸-氨基上，形成一个异肽键（isopetidebond）。泛素情况下可被几个泛素分子连接。第二节氨基酸的降解和转化氨基酸的去向：（1）重新合成蛋白质（蛋白质周转）（2）合成其它含氮化合物，如血红素、活性胺、GSH、核苷酸、辅酶等（3）彻底分解，提供能量食物蛋白中，经消化而被吸收的氨基酸（外源性AA）与体内组织蛋白降解产生的氨基酸（内源性AA）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+NH3CO2H2O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SO42-生物固氮硝酸还原（次生物质代谢）CO2胺脱氨基作用氧化脱氨基非氧化脱氨基作用转氨基作用联合脱氨基脱羧基作用氨基酸的分解代谢主要在肝脏中进行一、脱氨基作用（一）氧化脱氨基AA酮酸+NH3L-谷氨酸脱氢酶NAD(P)+NAD(P)HH2ONH4+L-谷氨酸α-亚氨基戊二酸α-酮戊二酸在体内，谷氨酸脱氢酶催化可逆反应。一般情况下偏向于谷氨酸的合成，因为高浓度氨对机体有害。但当谷氨酸浓度高而NH3浓度低时，则有利于脱氨和α-1、L-Glu脱氢酶反应不需氧。L-谷氨酸脱氢酶在动、植、微生物体内都有。Ｌ—氨基酸氧化酶D-氨基酸氧化酶|α-氨基酸氨基酸氧化酶（FAD）α-酮酸R-CH-COO-NH+3||R-C-COO-+NH3OFADFADH2FADH2+O2FAD+H2O22、氨基酸氧化酶①脱酰胺基作用②脱水脱氨基作用③还原脱氨基作用（严格无氧条件下）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⑤水解脱氨基作用（大多在微生物中进行）（二）非氧化脱氨基作用脱酰胺基作用CH2-CONH2CH2-CH+NH3COO---+H2OCH2-COO-CH2-CH+NH3COO---+NH3谷氨酰胺酶CH2-CONH2CH+NH3COO---+H2O天冬酰胺酶CH2-COO-CH+NH3COO---+NH3上述两种酶广泛存在于微生物、动物、植物中，有相当高的专一性。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（辅酶：磷酸吡哆醛）（三）转氨基作用概念:指在转氨酶催化下将α-氨基酸的氨基转给另一个α－酮酸，结果原来的α-氨基酸生成相应的α-酮酸，而原来的α-酮酸则形成了相应的α-氨基酸参与蛋白质合成的20种α-氨基酸中，除Gly、Lys、Thr和Pro不参加转氨基作用，其余均可由特异的转氨酶催化参加转氨基作用。磷酸吡哆醛的作用机理转氨基作用机制迄今发现的转氨酶都以磷酸吡哆醛为辅基，它与酶蛋白以牢固的共价键形式结合。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。（四）联合脱氨基类型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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。因为生成的谷氨酸可在谷氨酸脱氢酶的催化下氧化脱氨，使α-酮戊二酸再生。转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶作用相偶联1、NH3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。（五）产物去向AA酮酸+NH3R-CO-COOH（1）重新利用：合成AA、核酸。（2）贮存：高等植物将氨基氮以Gln，Asn的形式储存在体内。谷氨酰胺合成酶NH4++谷AA+ATP谷氨酰胺+ADP+Pi+H+NH3去向（3）排出体外：动物通过尿素循环将NH3生成尿素尿素的生成a、概念b、总反应和过程在排尿动物体内由NH3合成尿素是在肝脏中通过一个循环机制完成的，这一个循环称为尿素循环。NH3+CO2+3ATP+天冬氨酸+2H2ONH2-CO-NH2+2ADP+2AMP+PPi+延胡索酸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++H2O2ADP+Pi基质线粒体胞液NH2-C-NH2O尿素12345PiNH3-酮戊二酸尿素形成后由血液运到肾脏随尿排除。-酮戊二酸（1）形成一分子尿素消耗4个高能磷酸键（2）两个氨基分别来自游离氨和Asp，一个CO2来自TCA循环.尿素循环2、酮酸（碳架）去向（1）重新氨基化生成氨基酸（2）氧化成CO2和水（TCA）（3）生糖、生酮AA酮酸+NH3R-CO-COOH氨基酸碳骨架进入TCA20种AA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。生酮氨基酸：Phe、Tyr、Trp、Leu、Lys在分解过程中转变为乙酰乙酰CoA，后者在动物肝脏中可生成乙酰乙酸和β-羟丁酸。生糖氨基酸：凡能生成丙酮酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸、草酰乙酸的AA都称为生糖AA，它们都能生成Glc。Phe、Tyr是生酮兼生糖AA。二、脱羧基作用AA胺类化合物脱羧酶（辅酶为磷酸吡哆醛）AA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：L-Glu→γ-氨基丁酸,是重要的抑制性神经介质，对中枢神经元有普遍性抑制作用。His→组胺,是一种强烈的血管舒张剂，有降低血压的作用。生物体内大部分AA可进行脱羧作用，生成相应的一级胺。AA脱羧酶专一性很强，每一种AA都有一种脱羧酶，辅酶都是磷酸吡哆醛。AA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，是重要的抑制性神经介质，对中枢神经元有普遍性抑制作用。His脱羧生成组胺（又称组织胺），组胺是一种强烈的血管舒张剂，有降低血压的作用。Arg→水解→鸟氨酸→脱羧→腐胺→亚精胺→精胺，亚精胺和精胺总称为多胺。多胺存在于精液及细胞核糖体中，是调节细胞生长的重要物质，Cys的SH氧化成-SO3-，并脱去-COO-就形成了牛磺酸，牛磺酸与胆汁酸结合，乳化食物。Tyr形成多巴、多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素，这四种统称儿茶酚胺类Trp形成5-羟色胺，5-羟色胺是神经递质，促进血管收缩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，醛进一步氧化成脂肪酸。RCH2NH2+O2+H2ORCHO+H2O2+NH3RCHO+1/2O2RCOOHCO2+H2OAA尿素三、由氨基酸产生一碳单位一碳单位(onecarbonunit)：在代谢过程中，某些化合物（如氨基酸）可以分解产生具有一个碳原子的基团（不包括CO2）亚氨甲基（-CH=NH），甲酰基（HC=O-），羟甲基（-CH2OH），亚甲基（又称甲叉基，-CH2），次甲基（又称甲川基，-CH=），甲基（-CH3）Gly、Ser、Thr、His、Met等AA可以提供一碳单位。一碳单位的转移靠四氢叶酸（5，6，7，8-四氢叶酸），携带甲基的部位是N5、N10一碳基团的利用：参与合成反应，如磷脂、核苷酸等的合成。一碳基团的来源与转变S-腺苷蛋氨酸N5-CH2-FH4N5N10-CH2-FH4N5，N10=CH-FH4N10-CHO-FH4N5，N10-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FH4FH4FH4HCOOHH2ONAD+NDAH+H+NAD+NDAH+H+H+参与嘌呤合成第三节氨基酸的生物合成氨基酸合成概述氨基酸的合成1、氮源一、氨基酸合成概述氮流入氨基酸分子，起始于无机氮，如N2，NH3氨的同化---生物体将NH3转化为含氮有机化合物的过程。N2固定（生物固氨）——微生物与豆科植物共生的根瘤菌、自养固氮菌---兰藻在固氮酶系作用下，将空气中的N2固定，产生NH3硝酸还原——植物、微生物将硝酸盐（NO3-)还原为NH3氨同化的途径（1）通过氨甲酰磷酸合成酶在植物体中，氨甲酰磷酸中的氮来自谷氨酰胺的酰胺基，不是由氨来的。氨甲酰磷酸参与尿素循环中的精氨酸的合成及嘧啶合成谷氨酰胺+α-酮戊二酸2谷AA+H2O谷氨酸合酶（2）通过谷氨酸脱氢酶（细菌）（3）通过谷氨酰胺合成酶α-酮戊二酸+NH3谷氨酸NADHNAD++H2O谷AA脱氢酶谷AA+NH3谷氨酰胺ATPADP+Pi+H2O谷氨酰胺合成酶谷氨酸作为氨基供体，通过转氨基作用参与其它氨基酸的合成直接碳架是相应的α-酮酸：主要来源：糖酵解——丙酮酸TCA——草酰乙酸、α-酮戊二酸磷酸戊糖途径——磷酸核糖2、碳架二、氨基酸的合成必需氨基酸：许多氨基酸的合成途径只存在于植物和微生物，哺乳动物必须从食物中获得这些氨基酸，称为必需氨基酸——Ile、Leu、Lys、Met、Phe、Thr、Trp、Val、（Arg、His）谷氨酸族天冬氨酸族丙氨酸族丝氨酸族His和芳香族氨基酸的前体及相互关系必需非必需二、氨基酸的合成1、丙氨酸族氨基酸的合成2、丝氨酸族氨基酸的合成3、天冬氨酸族氨基酸的合成4、谷氨酸族氨基酸的合成5、组氨酸族和芳香族氨基酸的合成包括：Ala、Val、Leu1、丙氨酸族氨基酸的合成---丙酮酸衍生型COOHCH3C=O--CH2-COOHCH2-CHNH2COOH--COOHCH3CHNH2--CH2-COOHCH2-C=OCOOH--转氨酶++丙酮酸谷AA丙AAα-酮戊二酸（1）Ala的合成（2）其它氨基酸的合成2丙酮酸α-酮异戊酸缩合CO2缬氨酸丙氨酸α-酮异己酸亮氨酸-CH3C=OCOO---CH2-CH3CH3-CH-C=OCO