第九章蛋白质的酶促降解和氨基酸代谢课件.ppt
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,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： 泛素的羧基末端以硫酯键与泛素活化酶（E1）相连。 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。 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（isopetide bond）。,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+,NH3,CO2,H2O,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,SO4 2 -,（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,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-酮戊二酸的生成。,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。,氨基酸氧化酶 D-氨基酸氧化酶,2、氨基酸氧化酶,脱酰胺基作用 脱水脱氨基作用还原脱氨基作用（严格无氧条件下） 氧化-还原脱氨基作用 两个氨基酸互相发生氧化还原反应 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,+H2O,+NH3,谷氨酰胺酶,+H2O,天冬酰胺酶,+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。,（三）转氨基作用,概念:指在转氨酶催化下将-氨基酸的氨基转给另一个酮酸，结果原来的-氨基酸生成相应的-酮酸，而原来的-酮酸则形成了相应的-氨基酸 。,参与蛋白质合成的20种-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-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-酮戊二酸再生。,转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶作用相偶联,转氨基作用与嘌呤核苷酸循环相偶联,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-酮戊二酸作用生成Glu，大量消耗-酮戊二酸，影响TCA，同时大量消耗NADPH，产生肝昏迷。,（五）产物去向,（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。,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。,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,氨基酸碳骨架进入TCA,20种AA的碳架可转化成7种物质：丙酮酸、乙酰CoA、乙酰乙酰CoA、-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-羟丁酸。生糖氨基酸：凡能生成丙酮酸、-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-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。,三、由氨基酸产生一碳单位,一碳单位(one carbon unit)：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N 5、N 10一碳基团的利用：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-FH4,N5 N10 - CH2-FH4,N5， N10 = CH-FH4,N10 -CHO-FH4,N5 ， 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,FH4,FH4,FH4,HCOOH,H2O,NAD+,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,（2）通过谷氨酸脱氢酶（细菌）,（3）通过谷氨酰胺合成酶,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-酮酸：主要来源：糖酵解丙酮酸 TCA草酰乙酸、 -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、Leu,1、 丙氨酸族氨基酸的合成 -丙酮酸衍生型,-,COOH,CH3,CHNH2,-,-,转氨酶,+,+,丙酮酸,谷AA,丙AA,-酮戊二酸,（1）Ala的合成,（2）其它氨基酸的合成,2丙酮酸,-酮异戊酸,缩合,CO2,转氨基,缬氨酸,丙氨酸,-酮异己酸,亮氨酸,转氨基,-,CH3,C=O,COO-,-,-,CH2,-,CH3,CH3-CH,-,C=O,COOH,-,-,CH3-CH,-酮异戊酸,2、 丝氨酸族氨基酸的合成-3-磷酸甘油酸衍生型,包括：Ser、Gly、Cys,（1）Gly的合成,+,+,-酮戊二酸,甘AA,谷AA,乙醛酸,碳架,+NH3+CO2 +2H+ + 2e-,2,H2O,丝AA,甘AA,（2）Ser的合成,H2O,Pi,磷酸酶,转氨基,氧化,H2O,Pi,转氨,磷酸化途径,非磷酸化途径,3-磷酸甘油酸,3-磷酸羟基丙酮酸,3-磷酸羟基丙酮酸,3-磷酸丝氨酸,甘油酸,3-羟基丙酮酸,丝氨酸,碳架,（3） Cys的合成,丝AA+乙酰-COA O-乙酰丝AA+COA,O-乙酰丝AA+硫化物 半胱氨酸+乙酸,三种氨基酸的关系,乙醛酸,甘AA,丝AA,半胱AA,3-磷酸甘油酸,3、 天冬氨酸族氨基酸的合成 -草酰乙酸衍生类型,包括：Asp、Asn、Lys、Thr、Met、Ile,+,+,转氨酶,天冬AA,(1) Asp的合成,（2）Asn的合成,天冬酰胺合成酶,天冬AA+NH3 + ATP,Mg2+,天冬酰胺+H2O + AMP+PPi,天冬AA+谷氨酰胺+ATP,Mg2+,天冬酰胺+谷AA+AMP+PPi,（植，细菌）,（动）,（3） 其它氨基酸的合成,ATP,ADP,天冬氨酸激酶,CH2,-,C-O-P=O,CHNH2,COOH,-,-,O=,OH,OH,NADPH+H+,NADP+,天冬氨酸激酶,天冬氨酰磷酸,-天冬氨酸半醛,L-高丝氨酸,甲硫氨酸,苏氨酸,异亮氨酸,-二氨基庚二酸,赖氨酸,CO2,天冬氨酸,草酰乙酸,几种氨基酸的关系,赖氨酸,苏氨酸,甲硫氨酸,异亮氨酸,天冬酰胺,天冬氨酸,4、 谷氨酸族氨基酸的合成 -酮戊二酸衍生类型,包括：Glu、Gln、Pro、 Arg,（1）Glu的合成,+NH3 +NADH,+NAD+ +H2O,-酮戊二酸,谷AA,脱H酶,（真菌）,谷AA +NH3 +ATP,谷氨酰胺+ADP+Pi+H2O,谷氨酰胺+ -酮戊二酸,2谷AA+H2O,合成酶,（植物）,（2） Pro的合成,NAD(P)H,NAD(P)+,ATP,ADP,Mg2+,NADH,NAD+,1/2O2,H,HO,(谷AA),(谷氨酰半醛),(-二氢吡咯-5-羧酸),(脯AA),(羟脯AA),CH2,-,COOH,CH2,-,HC-NH-C-CH3,COOH,-,-,O=,CH2,-,CHO,CH2,-,HC-NH-C-CH3,COOH,-,-,O=,-,-,C=O,C=N-CH,-,-,C-NH2,-,-,-,COOH,CH2,COOH,-,-,=,转乙酰酶,乙酰COA,COA,NADP,NADP+,转氨作用,转甲酰酶,氨甲酰磷酸,磷酸,天冬氨酸,延胡索酸,裂解酶,精氨酸,精氨酰琥珀酸,瓜氨酸,鸟氨酸,N-乙酰谷氨酰半醛,（3）其它AA的合成,几种氨基酸的关系,-酮戊二酸,谷AA,谷氨酰胺,脯AA,羟脯AA,鸟AA,瓜AA,精AA,5、 组氨酸族和芳香族氨基酸的合成,包括：His、Trp、Tyr、Phe,His族碳架：PPP中的磷酸核糖,芳香族AA碳架：4-磷酸-赤藓糖(PPP)和PEP(EMP),NH,CH,N,来自核糖,来自谷氨酰胺的酰胺基,从谷氨酸经转氨作用而来,来自ATP,几种氨基酸的关系,PEP4-磷酸赤藓糖,莽草酸,分支酸,色氨酸,预苯酸,酪氨酸,苯丙氨酸,
