生物化学-10氨基酸代谢

氨基酸的一般代谢氨基酸合成代谢概况第十章氨基酸代谢蛋白质的酶促降解下一页上一页食物蛋白经过消化吸收后，以氨基酸的形式通过血液循环运到全身的各组织。这种来源的氨基酸称为外源性氨基酸。机体各组织的蛋白质在组织酶的作用下，也不断地分解成为氨基酸；机体还能合成部分氨基酸(非必需氨基酸)；这两种来源的氨基酸称为内源性氨基酸。外源性氨基酸和内源性氨基酸彼此之间没有区别，共同构成了机体的氨基酸代谢库(metabolicpool)。氨基酸代谢库通常以游离氨基酸总量计算，机体没有专一的组织器官储存氨基酸，氨基酸代谢1.1外源性氨基酸和内源性氨基酸下一页上一页1.2氨基酸代谢概况(图)下一页上一页蛋白酶（肽酶）肽链内切酶肽链外切酶二肽酶组织蛋白酶1.3蛋白酶肽链内切酶胃蛋白酶：水解芳香族氨基酸的—NH2形成的肽键。胰蛋白酶：水解碱性氨基酸的—COOH形成的肽键。胰凝乳蛋白酶：水解芳香族氨基酸的—COOH形成的肽键。肽链外切酶氨肽酶羧肽酶1.4肽链内切酶和肽链外切酶下一页上一页从氨基酸的结构上看，除了侧链R基团不同外，均有α-氨基和α-羧基。氨基酸在体内的分解代谢实际上就是氨基、羧基和R基团的代谢。氨基酸分解代谢的主要途径是脱氨基生成氨ammonia)和相应的α-酮酸；氨基酸的另一条分解途径是脱羧基生成CO2和胺。R基团部分生成的酮酸可进一步氧化分解生成CO2和水，并提供能量，也可经一定的代谢反应转变生成糖或脂在体内贮存2.1氨基酸的一般代谢下一页上一页脱氨基作用是指氨基酸在酶的催化下脱去氨基生成α-酮酸的过程。这是氨基酸在体内分解的主要方式。参与人体蛋白质合成的氨基酸共有20种，它们的结构不同，脱氨基的方式也不同，主要有氧化脱氨、转氨、联合脱氨和非氧化脱氨、2.2氨基酸的脱氨基作用下一页上一页氧化脱氨基作用(OxidativeDeamination)是指在酶的催化下氨基酸在氧化脱氢的同时脱去氨基的过程。L-谷氨酸在线粒体中由L-谷氨酸脱氢酶(glutamatedehydrogonase)催化氧化脱氨。L-谷氨酸脱氢酶系不需氧脱氢酶，以NAD+或NADP+作为辅酶。氧化反应通过L-谷氨酸脱氢转给NAD(P)+形成α-亚氨基戊二酸，再水解生成α-酮戊二酸和氨。L-谷氨酸脱氢酶为变构酶。GDP和ADP为变构激活剂，ATP和GTP为变构抑制剂。在体内，L-谷氨酸脱氢酶催化可逆反应。一般情况下偏向于L-谷氨酸的合成(△G°′≈30kJ·mal1)，因为高浓度氨对机体有害，此反应平衡点有助于保持较低的氨浓度。但当谷氨酸浓度高而NH3浓度低时，则有利于脱氨和α-2.2.1氧化脱氨基作用(1)下一页上一页NH2—CHRCOOH氨基酸氧化酶NH=CRCOOH+2HNH=CRCOOH+H2ORCOCOOH+NH32H+O2H2O22H2O22H2O+O22NH2CHRCOOH+O22RCOCOOH+2NH3Glu+NAD++H2Oα-Ket+NH4++NADH+H+谷氨酸脱氢酶2.2.1氧化脱氨基作用(2)下一页上一页Gluα-KetPyrAlaGPTGluα-KetOAAAspGOT2.2.2转氨基作用（除Lys、Thr）转氨基作用(Transamination)指在转氨酶催化下将α-氨基酸的氨基转给α-酮酸，生成相应的α-酮酸和一种新的α-体内绝大多数氨基酸通过转氨基作用脱氨。参与蛋白质合成的20种α-氨基酸中，除甘氨酸、赖氨酸、苏氨酸和脯氨酸不参加转氨基作用，其余均可由特异的转氨酶催化参加转氨基作用。转氨基作用最重要的氨基受体是α-酮戊二酸，产生谷氨酸作为新生成氨基酸：下一页上一页•因而体内有较强的谷草转氨酸(glutamicpyruvictransaminase,GPT)和谷丙转氨酸(glutamicoxaloacetictransaminase，GOT)•转氨基作用是可逆的，该反应中△G°′≈0，所以平衡常数约为1。反应的方向取绝于四种反应物的相对浓度。因而，转氨基作用也是体内某些氨基酸(非必需氨基酸)2.2.2转氨基作用下一页上一页转氨基作用过程可分为两个阶段：(1)一个氨基酸的氨基转到酶分子上，产生相应的酮酸和氨基化酶：2.2.2转氨基作用机理(1)下一页上一页2)NH2转给另一种酮酸，(如α酮戊二酸)生成氨基酸，并释放出酶分子：2.2.2转氨基作用机理(2)为传送NH2基因，转氨酶需其含醛基的辅酶－磷酸吡哆醛（pyridoxal－5′－phosphate，PLP)的参与。在转氨基过程中，辅酶PLP转变为磷酸吡哆胺(pyridoxamine5′phosphate,PMP)。PLP通过其醛基与酶分子中赖氨酸ω氨基缩合形成Schiff碱而共价结合子酶分子中。下一页上一页2.2.3联合脱氨基作用(1)联合脱氨基作用是体内主要的脱氨方式。主要有两种反应途径：1.由L－谷氨酸脱氢酶和转氨酶联合催化的联合脱氨基作用：先在转氨酶催化下，将某种氨基酸的α-氨基转移到α-酮戊二酸上生成谷氨酸，然后，在L-谷氨酸脱氢酶作用下将谷氨酸氧化脱氨生成α-酮戊二酸，而α-酮戊二L-谷氨酸脱氢酶主要分布于肝、肾、脑等组织中，而α-酮戊二酸参加的转氨基作用普遍存在于各组织中，所以此种联合脱氨主要在肝、肾、脑等组织中进行。联合脱氨反应是可逆的，因此也可称为联合加氨。下一页上一页一种氨基酸经过两次转氨作用可将α-氨基转移至草酰乙酸生成门冬氨酸。门冬氨酸又可将此氨基转移到次黄嘌呤核苷酸上生成腺嘌呤核苷酸(通过中间化合物腺苷酸代琥珀酸)。其脱氨过程可用下图表示。2.嘌呤核苷酸循环(purinenucleotidecycle)：骨骼肌和心肌组织中L-谷氨酸脱氢酶的活性很低，因而不能通过上述形式的联合脱氨反应脱氨。但骨骼肌和心肌中含丰富的腺苷酸脱氨酶(adenylatedeaminase)，能催化腺苷酸加水、脱氨生成次黄嘌呤核苷酸(IMP)2.2.3联合脱氨基作用(2)下一页上一页腺嘌呤核苷酸循环2.2.3联合脱氨基作用(3)下一页上一页非氧化脱氨基作用(nonoxidativedeamination)可分为脱水脱氨基、脱硫化氢脱氨基、直接脱氨基和水解脱氨基等4种方式。1.脱水脱氨基如丝氨酸可在丝氨酸脱水酶的催化下生成氨和丙酮酸。2.2.4非氧化脱氨基作用下一页上一页苏氨酸在苏氨酸脱水酶的作用下，生成α－酮丁酸，再经丙酰辅酶Ａ，琥珀酰AoC参加代谢，如下图所示：2.2.4.1脱水脱氨基下一页上一页2.脱硫化氢脱氨基半胱氨酸可在脱硫化氢酶的催化下生成丙酮酸和氨。2.2.4.2脱硫化氢脱氨基下一页上一页3.直接脱氨基天冬氨酸可在天冬氨酸酶作用下直接脱氨生成延胡索酸和氨。2.2.4.3直接脱氨基下一页上一页NH2CHRCOOHRCH2NH2+CO22.3脱羧基作用氨基酸可在氨基酸脱羧酶(decarboxylose)催化下进行脱羧基作用(decarboxylation)，生成二氧化碳和一个伯胺类化合物，脱羧酶的辅酶为磷酸吡哆醛。谷氨酸γ-氨基丁酸天冬氨酸β-丙氨酸组氨酸组胺酪氨酸酪胺下一页上一页γ-氨基丁酸(γ--aminobutyricacidGABA)由谷氨酸脱羧基生成，催化此反应的酶是谷氨酸脱羧酶。此酶在脑、肾组织中活性很高，所以脑中GABA含量较高。GABA是一种仅见于中枢神经系统的抑制性神经递质，对中枢神经元有普遍性抑制作用。在脊髓，作用于突触前神经末梢，减少兴奋性递质的释放，从而2.3.1γ-氨基丁酸（1）下一页上一页GABA可在GABA转氨酶(GABA－T)作有下与α－酮戊二酸反应生成琥珀酸r－半醛(succinicacidsemialdehyde)，进而氧化生成琥珀酸神经元胞体和突触的线粒体内含有大量的GABA转氨酶。由此就构成了GABA旁路。它能使α--酮戊二酸经此旁路生成琥珀酸，活跃三羧酸循环，可为脑组织提供约20%的能量。谷氨酸具有兴奋作用，GABA有抑制作用，两者可共同调节神经系统的功能。临床上对于惊厥和妊娠呕吐的病人常常使用维生素B6治疗，其机理就在于提高脑组织内谷氨酸脱羧酶的活性，使GABA2.3.1γ-氨基丁酸（2）下一页上一页图脑中TCA循环和GAB代谢旁路2.3.1γ-氨基丁酸（3）下一页上一页不同动物转化NH3的终产物：水生动物排NH3两栖类尿素鸟类、爬虫类尿酸哺乳动物尿素2.4氨基酸分解产物的代谢肝脏是生成尿素的主要器官下一页上一页氨是有毒的物质，人体必须及时将氨转变成无毒或毒性小的物质，然后排出体外。主要去路是在肝脏合成尿素、随尿排出；一部分氨可以合成谷氨酰胺和门冬酰胺，也可合成其它非必需氨基酸；少量的氨可直接经尿排出体外。尿中排氨有利于排酸。2.4.1氨的来源和去路氨的来源和去路下一页上一页1.葡萄糖－丙氨酸循环：肌肉组织中以丙酮酸作为转移的氨基受体，生成丙酸经血液运输到肝脏。在肝脏中，经转氨基作用生成丙酮酸，可经糖异生作用生成葡萄糖，葡萄糖由血液运输到肌肉组织中，分解代谢再产生丙酮酸，后者再接受氨基生成丙氨酸。这一循环途径称为“丙氨酸-葡萄糖循环（alanine-glucosecycle)。通过此途径，肌肉氨基酸的NH2基，运输到脏脏以NH3或天冬氨酸合成尿素。(图)2.4.2氨的转运(1)下一页上一页饥饿时通过此循环将肌肉组织中氨基酸分解生成的氨及葡萄糖的不完全分解产物丙酮酸，以无毒性的丙氨酸形式转运到肝脏作为糖异生的原料。肝脏异性生成的葡萄糖可被肌肉或其它外周组织利用。2.氨与谷氨酸在谷氨酰胺合成酶(glutaminesynthetase)的催化下生成谷氨酰胺(glutamine)，并由血液运输至肝或肾，再经谷氨酰酶(glutaminaes)水解成谷氨酸和氨。谷氨酰胺主要从脑、肌肉等组织向肝或肾运氨。2.4.2氨的转运(2)下一页上一页根据动物实验，人们很早就确定了肝脏是尿素合成的主要器官，肾脏是尿素排泄的主要器官。1932年Krebs等人利用大鼠肝切片作体外实验，发现在供能的条件下，可由CO2和氨合成尿素。若在反应体系中加入少量的精氨酸、鸟氨酸或瓜氨酸可加速尿素的合成，而这种氨基酸的含量并不减少。为此，Krebs等人提出了鸟氨酸循环(ornithinecyclc)学说。其后由Ratner和Cohen详2.4.3尿素合成尿素中的两个N原子分别由氨和天冬氨酸提供，而C原子来自HCO-3，五步酶促反应，二步在线粒体中，三步在胞液中进行。其详细过程可分为以下五步：下一页上一页CPSⅠ作用机理CPSⅠ作用机理下一页上一页氨基甲酰磷酸(carbamylphosphate)是在Mg++、ATP及N乙酰谷氨酸(Nacetylglutamicacid,AGA)存在的情况下，由氨基甲酰磷酸合成酶I(carbamylphosphatesynthetaseI,CPSI)催化NH3和HCO－３在肝细胞线粒体中合成。真核细胞中有两种CPS：(1)线粒体CPS-Ⅰ利用游离NH3为氮源合成氨基甲酰磷酸，参与尿素合成。(2)胞液CPS-Ⅱ，利用谷氨酰胺作N源，参与嘧啶的从头合成。2.4.3.1氨基甲酰磷酸的合成(1)下一页上一页CPS-Ⅰ催化的反应包括下述三步(图)(1)ATP活化HCO-3生成ADP和羰基硫酸(carbonylphosphate)(2)NH2与羰基硫酸作用替代硫酸根，生成氨基甲酸(carbamate)和Pi(3)第2个ATP对氨甲酸磷酸化，生成氨基甲酰磷酸和ADP此反应是不可逆的，消耗2分子ATP。CPS1是一种变构酶，AGA是此酶变构激活剂。由乙酰CoA肝细胞线粒体中谷氨酸脱氢酶和氨基甲酰磷酸合成酶I催化的反应是紧密偶联的。谷氨酸脱氢酶催化谷氨酸氧化脱氨，生成的产物有NH3和NADH+H+。NADH经NADH氧化呼吸链传递氧化生成H2O，释放出来的能量用于ADP磷酸化生成ATP。因此谷氨酸脱氢酶催化反应不仅为氨基甲酰磷酸的合成提供了底物NH3，同时也提供了该反应所需要的能量ATP。氨基甲酰磷酸合成酶I将有毒的氨转变成氨基甲酰磷酸，反应中生成的ADP又是谷氨酸脱氢酶的变构激活剂，促进谷氨酸进一步氧化脱氨。这种紧密偶联有利于迅速将氨固定在肝