第九章蛋白质分解及氨基酸代谢

第九章蛋白质分解及氨基酸代谢温州医学院生物化学教研室李春洋所谓蛋白质代谢，即为蛋白质的周转，包括蛋白质的分解代谢和蛋白质的合成代谢。蛋白质的分解代谢是指蛋白质分解为氨基酸及氨基酸继续分解为含氮的代谢产物、二氧化碳和水并释放出能量的过程。人体利用外源氨基酸及自身合成的氨基酸在遗传信息的指导下生成蛋白质的过程即为蛋白质的生物合成。第一节蛋白质的生理功能和营养作用一、蛋白质在生命过程中的主要生理功能维持组织的结构、生长、更新和修补有重要作用；代谢中可以产生一些生理活性物质，参与接受和传递信息、调节机体的生长和分化；某些蛋白质具有特殊的生理功能；某些蛋白质可以起到生物催化作用和免疫保护作用；蛋白质也可以提供能量。二、蛋白质的营养作用（一）氮平衡和蛋白质的需要量人体必须经常补充足够质和量的蛋白质才能维持正常的生理活动，常用于确定人体蛋白需要量的方法为氮平衡法。氮平衡是指摄入蛋白质的含氮量与排泄物（主要是粪便和尿）中含氮量之间的关系，它反映体内蛋白质的合成与分解代谢的情况。氮平衡的几种类型：氮的总平衡：摄入氮＝排出氮，即摄入蛋白质的量等于蛋白质的排出量称为氮的总平衡，反映正常成人的蛋白质代谢状况；氮的正平衡：摄入氮＞排出氮，此种氮平衡情况常见于婴幼儿、青少年、孕妇、乳母以及病后恢复期的患者;氮的负平衡：摄入氮＜排出氮，常见于膳食中蛋白质的质欠佳或量不足，或体内长期大量耗损，如饥饿、营养不良、消耗性疾病、大面积烧伤及大量失血等情况。（二）营养必需氨基酸与蛋白质的营养价值必需氨基酸是指体内需要，但人体本身不能合成或合成速度不足以满足需要，必须由食物蛋白质提供的氨基酸，包括缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸和色氨酸等8种。组氨酸和精氨酸（酪氨酸）在婴幼儿和儿童时期因其体内合成量常不能满足生长发育的需要，也必须由食物提供，称为半必需氨基酸。非必需氨基酸是指体内需要的，但不是必须要从食物中摄取，可以在体内通过一定的途径合成的氨基酸。食物蛋白质的营养价值的高低，主要决定于其所含必需氨基酸的种类、数量以及其相互比例是否与人体内的蛋白质相似。实际上评定食物蛋白质的营养价值还应包括食物蛋白质含量、蛋白质的消化率、蛋白质的利用率三个方面。（三）蛋白质的互补作用多种食物蛋白质混合食用时，其所含氨基酸之间可取长补短，发挥互补作用，称为食物蛋白的互补作用。发挥蛋白质的互补作用遵循原则：①各种食物的生物化学属性相距越远越好；②搭配的食物种类越多越好；③各种食物同时食用。（四）临床应用上静脉补液的氨基酸制剂临床上在治疗因各种原因如烧伤、摄食困难、严重腹泻或外科手术等引起的低蛋白质血症时，为保证氨基酸的需要，常可经静脉补充氨基酸制剂。临床比较常用的氨基酸制剂包括：14氨基酸-800、6氨基酸-520等。第二节蛋白质的消化、吸收与腐败一、蛋白质的消化蛋白质的消化是指蛋白质在胃及肠道内经多种蛋白酶及肽酶协同作用水解为氨基酸及小肽后再被吸收的过程。胃蛋白酶原胃蛋白酶HCl或胃蛋白酶胰蛋白酶原胰蛋白酶+六肽肠激酶或胰蛋白酶糜蛋白酶原弹性蛋白酶原羧基肽酶原胰蛋白酶糜蛋白酶+2个二肽弹性蛋白酶羧基肽酶（A及B）H2N-CH-C-NH-CH·····HN-CH-C-NH-CH·····NH-CH-C-NH-CH-COOHOOOR1R2R7R8R15R16外肽酶（氨基肽酶）外肽酶（羧基肽酶）内肽酶H2N-CH-C-NH-CH-COOHOR＇R＂氨基酸+二肽酶H2NCHR1CNOHCHR2CNOCHHR3CONHCHR4CONCHHR5CONHCHR6COOH氨基肽酶糜蛋白酶胰蛋白酶弹性蛋白酶羧基肽酶碱性氨基酸芳香族氨基酸脂肪族氨基酸二、氨基酸的吸收蛋白质的消化产物主要是游离氨基酸及一些小肽（主要是二肽和三肽），可被小肠粘膜所吸收（在小肠粘膜中被肽酶水解为游离氨基酸）。遗传学、转运实验和分子克隆研究证明：氨基酸主要通过小肠粘膜的刷状缘上的载体蛋白转运吸收。已证实的氨基酸载体蛋白目前有6种。（一）主动转运吸收AAAAAAAA细胞膜氨基酸谷胱甘肽①γ-谷氨酰转肽酶①半胱氨酰甘氨酸γ-谷氨酰氨基酸②γ-谷氨酰环化转移酶②5-氧脯氨酸氨基酸③5-氧脯氨酸酶③ATP谷氨酸ADP+Pi④肽酶④甘氨酸半胱氨酸ATP⑤γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶⑤ADP+Piγ-谷氨酰半胱氨酸⑥谷胱甘肽合成酶⑥ATP谷胱甘肽ADP+Pi（二）γ-谷氨酰基循环三、蛋白质的腐败腐败作用是指食物中未被消化的蛋白质及未被吸收的氨基酸和小肽在大肠下部受肠道细菌的作用，发生一些化学变化、产生一系列产物的过程。腐败作用是细菌本身对氨基酸及蛋白质的代谢作用。腐败产物中有些是有一定营养价值的，如维生素K、泛酸、生物素、叶酸等；其他大多数腐败产物对人体有害，如胺类、酚类、吲哚、硫化氢、氨等。（一）脱羧基生成胺类蛋白质氨基酸胺类蛋白酶脱羧基作用组氨酸组胺赖氨酸尸胺降压色氨酸色胺酪氨酸酪胺升压RCHCOOHNH2NH2CH2RCO2氨基酸脱羧酶（二）肠道细菌产生氨RCHCOOHNH22H肠菌COOHCH2R+NH3NH2COH2NH2O尿素酶CO2+2NH3（三）腐败作用产生其他有害物质CH2COOHCHNH2OHCH2CHNH2OHCH3OHOH脱羧基脱氨基氧化第三节蛋白质的降解一、体内蛋白质的转换更新人体内的蛋白处于分解与合成的动态平衡之中，正常成人每日约更新整体总蛋白质质量的1～2%。体内各种组织蛋白的更新速率很不一致，它们的半寿期（蛋白质浓度减少到开始值的50%所需要的时间）相差很悬殊。各种蛋白质更新率的调节机制目前尚不清楚，有研究显示富含脯氨酸、谷氨酸、丝氨酸及苏氨酸序列模体的蛋白质，其半寿期都较短。二、体内蛋白质降解机制（一）ATP-非依赖的降解机制（溶酶体途径）体内蛋白降解的溶酶体途径无需ATP的参与，故又称为ATP-非依赖性蛋白降解途径。溶酶体是一种具有单层膜结构的细胞器，含有50多种水解酶，称为组织蛋白酶（最适pH偏酸性）。通过这一途径降解的主要是一些膜结合蛋白、胞内长半寿期蛋白质及细胞外的蛋白质。（二）ATP-依赖的降解机制（胞液途径）ATP-依赖的蛋白质降解机制既需要ATP，也需要泛素。泛素是一种小分子蛋白质，普遍存在于所有真核细胞内，是许多细胞内蛋白质降解的标志。参与此降解途径的蛋白水解酶的最适pH为7.8，称碱性蛋白酶类；通过此途径降解的为异常蛋白质、损伤的蛋白质和细胞内短半衰期的蛋白质。蛋白质降解的泛素化过程COOH泛素HS-E1E1：泛素活化酶ATPCO泛素～SE1AMP+PPiHS-E2E2：泛素携带蛋白CO泛素～SE2HS-E1蛋白质E3E3：泛素蛋白连接酶CO(泛素)nNH蛋白质HS-E2E4E4：泛素-连接降解酶氨基酸三、氨基酸代谢库由食物蛋白质经消化而被吸收的氨基酸（外源性氨基酸）与体内组织蛋白质降解产生的氨基酸（内源性氨基酸）混在一起，存在于细胞内液、血液和其他体液中而参与代谢，称为氨基酸代谢库。氨基酸的分解代谢过程主要在肝脏中进行，骨骼肌则是支链氨基酸分解的主要场所。氨基酸代谢库中氨基酸的主要功能是重新合成蛋白质和多肽，也可以通过一定途径转变为其他的含氮物质。氨基酸代谢库的来源与去路氨基酸代谢库组织蛋白质合成氨基酸NH3α-酮酸胺类某些含氮化合物组织蛋白质尿素糖、酮体氧化供能氨基酸食物蛋白质消化吸收降解脱氨基脱羧基转化或参与合成合成第四节氨基酸的分解代谢体内氨基酸分解代谢氨基酸的脱氨基作用，这是氨基酸分解的主要反应；氨与天冬氨酸来源的氮结合，形成尿素而排出体外；氨基酸的碳骨架（即α-酮酸）转化为其他中间代谢物；氨基酸也可以进行脱羧基作用而产生胺类。一、氨基酸的脱氨基作用（一）转氨基作用1.转氨基作用与转氨酶转氨基作用指在转氨酶或氨基转移酶的催化下，一种α-氨基酸的氨基转移到另一种的α-酮酸的酮基上，使该α-酮酸生成相应的α-氨基酸，原来的α-氨基酸则转变为α-酮酸的过程。催化转氨基反应的酶称为转氨酶或氨基转移酶。转氨酶催化的反应是可逆的，平衡常数接近1.0，因此转氨基作用也是体内合成非必需氨基酸的重要途径。同位素标记实验表明：20种编码氨基酸中，除甘氨酸、脯氨酸、赖氨酸及苏氨酸之外都可以参与转氨基作用。转氨酶R1CCOOHNH2HR2CCOOHO+R1CCOOHOR2CCOOHNH2H+ALT（GPT）+COOHCOCH3COOHCHNH2CH3COOHC(CH2)2OCOOH+COOHCHNH2(CH2)2COOHCOOHCHNH2CH2COOHCOOHC(CH2)2OCOOH++COOHCCH2OCOOHAST（GOT）COOHCHNH2(CH2)2COOH组织GOTGPT心1560007100肝14200044000骨骼肌990004800肾9100019000组织GOTGPT胰腺脾肺血清280002000140001200100007002016GPT和GOT在某些组织的含量(单位/g湿组织)2.转氨基作用的机制RCHCOOHNH2RCHCOOHNHOH3CCH2OPHCRCCOOHNHOH3CCH2OPH2CHOH3CCH2OPHCO+-H2O+H2ORCCOOHOHOH3CCH2OPH2CNH2++H2O-H2OCHCOOHNH2R＇CCOOHOR＇（二）L-谷氨酸氧化脱氨基作用氧化脱氨基作用是指氨基酸在脱氨的过程中伴随有氧化的过程。COOHNH2CH(CH2)2COOHCOOHNHCH(CH2)2COOHNAD+NADH+H+COOHOCH(CH2)2COOH+NH3-H2O+H2OL-谷氨酸脱氢酶（三）联合脱氨基作用1.转氨酶与谷氨酸脱氢酶的联合脱氨基作用RCHCOOHNH2RCCOOHOCOOHCHNH2(CH2)2COOHCOOHC(CH2)2OCOOHNH3+NADH+H+NAD++H2O转氨酶L-谷氨酸脱氢酶2.嘌呤核苷酸循环氨基酸α-酮酸α-酮戊二酸L-谷氨酸天冬氨酸草酰乙酸苹果酸延胡索酸腺苷酸代琥珀酸IMPAMPNH3H2O（四）非氧化脱氨基作用直接脱氨基脱水脱氨基脱硫氢基脱氨基水解脱氨基还原脱氨基解氨酶催化的脱氨基二、α-酮酸的代谢（一）合成非必需氨基酸（二）转变为糖或脂类生糖氨基酸：体内能转变为糖的氨基酸，共有13种；生酮氨基酸：能转变为酮体的氨基酸，如亮氨酸和赖氨酸；生糖兼生酮氨基酸：既能转变为糖又能转变为酮体的氨基酸，如异亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、苏氨酸和酪氨酸。（三）氧化供能蛋白质氨基酸甘氨酸丙氨酸丝氨酸苏氨酸色氨酸半胱氨酸天冬氨酸天冬酰胺酪氨酸苯丙氨酸草酰乙酸延胡索酸琥珀酰CoA异亮氨酸甲硫氨酸缬氨酸苏氨酸柠檬酸谷氨酸精氨酸组氨酸谷氨酰胺脯氨酸乙酰乙酰CoA酪氨酸亮氨酸赖氨酸色氨酸苯丙氨酸酮体淀粉、糖原甘油脂肪酸脂肪葡萄糖6-磷酸葡萄糖磷酸丙糖丙酮酸乙酰CoAα-酮戊二酸亮氨酸色氨酸异亮氨酸生糖氨基酸生酮氨基酸生糖兼生酮氨基酸三、氨基酸的脱羧基作用氨基酸可以通过脱羧基作用生成相应的胺类；催化脱羧基反应的酶称为脱羧酶，其辅酶是磷酸吡哆醛；氨基酸脱羧酶的专一性很高，一般一种氨基酸对应一种脱羧酶，且只针对L-氨基酸起作用。RCHHOOCNH2CHNH2RRCHORCOOH脱羧酶CO2O2H2O单胺氧化酶NH3H2O21/2O2（一）γ-氨基丁酸γ-氨基丁酸（GABA）在脑中浓度较高，是一种抑制性神经递质；γ-氨基丁酸可与α-酮二酸进行转氨基作用，再氧化生成琥珀酸进入三羧酸循环代谢。COOHCHNH2(CH2)2COOHCOOHCH2NH2(CH2)2谷氨酸脱羧酶CO2（二）5-羟色胺5-羟色胺（血清素）在脑的视丘下部、大脑皮层及神经细胞的突触小泡内含量很高，它是一种抑制性神经递质；5-羟色胺是一种强血管收缩剂和平滑肌收缩刺激剂。NH2CH2CHCOOHNHNH2CH2CHCOOHNHHOCH2CH2NH2NHHO色氨酸羟化酶5-羟色氨酸脱羧酶CO2（三）牛磺酸牛磺酸是结合胆汁酸的组成成分，而胆汁酸在脂类的消化吸收、维持胆固醇在胆汁中的溶解状态等方面起重要作用。现已发现脑组织中含有较多牛磺酸，这表明其对脑的功能也有影响，可能也是