生物化学简明教程十一蛋白质降解与氨基酸代谢课件.ppt

第十一章,蛋白质降解与氨基酸代谢,蛋白质代谢,细胞不停地将氨基酸合成蛋白质，并又将蛋白质降解为氨基酸。蛋白质降解产生的氨基酸能通过氧化产生能量供机体需要大多数生物氨基酸分解代谢方式非常相似，而氨基酸合成代谢途径则有所不同,蛋白质的生理功能（1）是构成组织细胞的重要成分。 （2）参与组织细胞的更新和修补。（3）参与物质代谢及生理功能的调控。（4）氧化供能。（5）转运、凝血、免疫、记忆、识别等,蛋白质大分子难以通透生物膜吸收，有时有些抗原、毒素可少量通过粘膜细胞吞饮进入体内而引起过敏、毒性反应。食物蛋白必需经过消化，水解成氨基酸才被机体利用。消化自胃中开始，主要在小肠进行。,11.1 蛋白质的酶促降解,11.1.1 细胞内蛋白质的降解,各种蛋白质降解速率不同；随生理需要而变化 人血浆蛋白质：10天， 肝中大部分蛋白质：18天， 结缔组织中一些蛋白质：180天 关键性调节酶蛋白：HMG-CoA还原酶0.52小时蛋白质的降解是有选择性的 （1）不依赖ATP的溶酶体途径 （2）依赖ATP的泛素途径,每天都有一定量的细胞内蛋白被降解： 被异常修饰的非正常蛋白、突变蛋白 需及时灭活的具调节活性的蛋白（如关键酶）当氨基酸丰富时，蛋白降解加速 食物蛋白供应充足或过量 饥饿或糖尿病时无法获得充足的糖做燃料细胞如何有选择地降解“过期蛋白”，而不影响细胞的正常功能 泛肽识别并在溶酶体中水解,（1）不依赖ATP的溶酶体途径 不依赖ATP，利用溶酶体中的组织蛋白酶（cathepsin）降解外源性蛋白、膜蛋白和长寿命的细胞内蛋白，主要功能是消化作用，是细胞内的消化器官。 一是与食物泡融合，将细胞吞噬进的食物或致病菌等大颗粒物质消化成生物大分子，残渣通过外排作用排出细胞； 二是在细胞分化过程中，某些衰老细胞器和生物大分子等陷入溶酶体内并被消化掉，这是机体自身重新组织的需要。 不是无选择地降解蛋白质，而是降解的蛋白质类型宽泛，因溶酶体中含50多种降解酶。,（2）依赖ATP的泛素途径 依赖ATP，降解异常蛋白和短寿命蛋白，泛素给选择降解的蛋白质加以标记 泛素是只有76氨基酸残基组成的单体蛋白，在真核细胞中含量丰富，功能是标记要降解的蛋白,泛素化的蛋白质在蛋白酶体降解,泛素化的蛋白质与调节颗粒识别位点结合蛋白质去折叠转移至核心颗粒水解特异肽键,蛋白质降解的泛肽途径,11.1.2 外源蛋白质的降解,蛋白酶（内切酶） 肽链内部肽酶（外切酶） 羧基末端 羧肽酶 氨基末端 氨肽酶,（1）蛋白酶又叫肽链内切酶，水解肽链内部肽键的酶,植物：木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶等。动物：胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶等,（2）端解酶 氨肽酶：专一性地从肽链的氨基端水解肽键 羧肽酶：专一性地从肽链的羧基端水解肽键,常见蛋白酶的作用特点:胃蛋白酶: 芳香族氨基酸的氨基和其它氨基酸羧基组成的肽键胰蛋白酶: 碱性氨基酸的羧基端和其它氨基酸氨基组成的肽键胰凝乳蛋白酶: 芳香族氨基酸的羧基端和其它氨基酸的氨基端组成的肽键 小肠是蛋白质消化的主要部位，胰酶是消化蛋白质的主要酶，最适pH为7.0左右，包括内肽酶和外肽酶。,蛋白酶的种类和专一性,消化道内几种蛋白酶的专一性,肽酶的种类和专一性,-氨基酸的功能除了是合成蛋白质的原料外，还是能量代谢的物质，及许多生物体内重要含氮化合物的前体。氨基酸的共同代谢途径包括两方面 脱氨基作用、脱羧基作用,11.1 氨基酸的分解代谢,氨基酸的分解一般有三步： 脱氨基，脱下的氨基或转化为氨，或转化为天冬氨酸或谷氨酸等。 氨通过尿素循环与天冬氨酸的氮原子结合，成为尿素并被排放。 氨基酸脱氨后形成-酮酸，经转化为一般的代谢中间体进入三羧酸循环，彻底氧化。,11.2.1 氨基酸的脱氨基作用,氧化脱氨基作用转氨基作用联合脱氨基作用非氧化脱氨基作用脱酰胺基作用,（1）氧化脱氨基作用 氨基酸在酶的催化下脱去氨基生成相应的-酮酸的过程称为氧化脱氨基作用。 L-氨基酸氧化酶：最适pH为10，生理pH条件下活性不高，不是主要酶系,FADH2+O2 FAD+H2O2,L-谷氨酸脱氢酶：广泛存在，活性又高，但只催化谷氨酸脱氢，是别构酶，受能荷调节,氨基酸氧化供能的速率受ATP/ADP、GTP/GDP 的反馈调节,（2）转氨基作用 在转氨酶的催化下， -氨基酸的氨基转移到-酮酸的酮基碳原子上，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，这种作用称为转氨基作用 大多数-氨基酸都能参加转氨基作用，但是赖氨酸，脯氨酸和羟脯氨酸不发生转氨基作用 局限性：只转移氨基而并没有脱氨,谷丙转氨酶,谷草转氨酶,（3）联合脱氨基作用 两种脱氨基方式的联合作用，使氨基酸脱下-氨基生成-酮酸的过程。 主要有两种类型脱氢酶作用相偶联 转氨基作用与嘌： 转氨酶与L-谷氨酸呤核苷酸循环相偶联,此种方式既是氨基酸脱氨基的主要方式，也是体内合成非必需氨基酸的主要方式。 主要在肝、肾和脑组织进行。,骨骼肌、心肌以及脑的脱氨方式都是以嘌呤核苷酸循环为主。脑组织中的氨有50是经过嘌呤核苷酸循环产生的。,（4）非氧化脱氨基作用 直接脱氨基作用 脱硫化氨基作用 水解脱氨基作用 脱水脱氨基作用,（5）脱酰胺基作用,11.2.2 氨基酸的脱羧基作用,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一种氨基酸一种脱羧酶，只对L-氨基酸起作用，其中组氨酸脱羧酶不需要辅酶。有机胺大多数对机体有毒性。类型： 直接脱羧 胺 羟化脱羧 羟胺,谷氨酸经谷氨酸脱羧酶催化生成-氨基丁酸 （-aminobutyric acid，GABA）,GABA是抑制性神经递质，对中枢神经有抑制作用,组氨酸经组氨酸脱羧酶催化生成组胺,组胺是强烈的血管舒张剂，可增加毛细血管的通透性，还可刺激胃蛋白酶原及胃酸的分泌。,色氨酸经5-羟色胺酸生成5-羟色胺,5-HT在脑内作为神经递质起，抑制作用；在外周组织有收缩血管的作用。,肠道细菌通过脱羧基作用产生胺类 组氨酸 组胺 色氨酸 色胺 酪氨酸 酪胺 赖氨酸 尸胺,假神经递质（false neurotransmitter） 某些物质结构(如苯乙醇胺，-羟酪胺）与神经递质（如儿茶酚胺）结构相似，可取代正常神经递质从而影响脑功能，称假神经递质。,儿茶酚胺（catecholamine）,11.2.3 氨的代谢去路,NH3的重要去路形成尿素，排出体外，实现体内的N平衡，这是最主要的去路合成非必需氨基酸及其它含氮化合物合成酰胺类化合物，如谷氨酰胺,水生生物直接扩散脱氨（NH3）,哺乳、两栖动物排尿素,各种生物根据安全、价廉的原则排氨 直接排氨，毒性大，不消耗能量。转化为排氨形式越复杂，越安全，但越耗能。,体内水循环迅速，NH3浓度低，扩散流失快，毒性小。,体内水循环较慢，NH3浓度较高，需要消耗能量使其转化为较简单，低毒的尿素形式。,均来自转氨,不溶于水、毒性很小、需更多能量,高等植物，以Gln/Asn形式储存氨，不排氨,鸟类、爬虫排尿酸,水循环太慢，保留水分同时不中毒，付出高能量代价,（1）氨的排泄方式 排氨，氨经Gln运送到排泄部位（如鱼鳃）， Gln酶裂解出游离氨借助扩散运动排出体外。 排尿素尿素（鸟氨酸）循环。 排尿酸，爬虫类和鸟类以尿酸作为氨的主要排泄形式（灵长类、鸟类和陆生爬虫类嘌呤代谢的产物也是尿酸）。 自然界还有许多排氨方式，蜘蛛以鸟嘌呤作为氨基氮的排泄方式；许多鱼类以氧化三甲胺排氮；高等植物则以Gln和Asn的形式把氨基氮储存于体内。,氨中毒的可能机制,（2）氨的转运 氨是有毒物质，血中的NH3主要是以无毒的Ala及Gln两种形式运输的。 丙氨酸-葡萄糖循环（肌肉） 使肌肉的氨以无毒的丙氨酸形式运输到肝 谷氨酰胺的运氨作用（脑） 氨的解毒产物，氨的贮存和运输形式,谷氨酰胺的运氨,（3）鸟氨酸循环 尿素生成的过程由Hans Krebs 和Kurt Henseleit 提出，称为鸟氨酸循环（orinithine cycle0，又称尿素循环（urea cycle）或Krebs- Henseleit循环 分成三个阶段 第一阶段为鸟氨酸与二氧化碳和氨作用，合成瓜氨酸 第二阶段为瓜氨酸与氨作用，合成精氨酸 第三阶段精氨酸被肝中精氨酸酶水解产生尿素和重新放出鸟氨酸 反应从鸟氨酸开始，结果又重新产生鸟氨酸, 从鸟氨酸合成瓜氨酸,NH3、CO2和ATP缩合生成氨基甲酰磷酸反应部位：线粒体,激活剂,氨基甲酰磷酸与鸟氨酸反应生成瓜氨酸反应在线粒体中进行，瓜氨酸生成后进入胞液,OCT常与CPS-构成复合体,瓜氨酸与天冬氨酸反应生成精氨酸代琥珀酸 反应部位：胞液, 从瓜氨酸合成精氨酸,精氨酸代琥珀酸裂解生成精氨酸和延胡索酸反应部位：胞液,精氨酸水解释放尿素并再生成鸟氨酸反应部位：胞液, 精氨酸水解生成尿素,鸟氨酸循环要点： 尿素分子中的氮，一个来自氨甲酰磷酸（或游离的NH3），另一个来自Asp； 每合成1分子尿素需消耗4个P； 循环中消耗的Asp可通过延胡索酸转变为草酰乙酸，再通过转氨基作用，从其他-氨基酸获得氨基而再生； 精氨酸代琥珀酸合成酶（ASS）为尿素合成的限速酶。,（4）以酰胺的形式贮存,11.2.4 -酮酸的代谢去路,经氨基化生成营养非必需氨基酸可转变成糖及脂类化合物彻底氧化分解并提供能量,植物和大多数微生物能合成全部氨基酸，人有10种氨基酸不能合成。甲色赖缬异亮苯苏：8种完全不能合成必需氨基酸。 精氨酸和组氨酸 ：人体合成的能力不足于满足自身的需要，需要从食物中摄取一部分，人们称之为半必需氨基酸。,11.3 氨基酸的合成代谢,必需分解不可逆，缺乏碳骨架供给,氨基酸的合成,由糖代谢中间产物转化而来。,动物,11.3.1 氨基酸的合成途径,各种氨基酸的生物合成途径各异，但其碳骨架的形成却具有共性，主要来源于几条代谢的中间产物，分为六类： -酮戊二酸衍生类型 草酰乙酸衍生类型 丙酮酸衍生类型 3-磷酸甘油酸衍生类型 经酵解及磷酸戊糖中间产物 His有自己独特的合成途径，与其它氨基酸无关, -酮戊二酸衍生类型： Glu、Gln、Pro、Arg、Lys（蕈类、眼虫）与AA分解进入-酮酸的途径比较，少了一种AA，即His。,由-酮戌二酸合成谷氨酸 这一族氨基酸有Glu、Gln、Pro、Arg,由-酮戌二酸合成谷氨酰胺,由-酮戌二酸合成脯氨酸, 草酰乙酸衍生类型 Asp、Asn、Met、Thr、Ile、Lys（植物、细菌） 经TCA中间产物（-酮戊二酸、草酰乙酸）可合成10种AA，即Glu、Gln、Pro、Arg、Asp、Asn、Met、Thr、Ile、Lys。,天冬氨酸生物合成,天冬酰胺生物合成,Asp + Gln Asn + Glu, 丙酮酸衍生类型 Ala、Val（Ile）、Leu 3-磷酸甘油酸衍生类型 Ser、Gly、Cys 经酵解中间产物（3-磷酸甘油酸、丙酮酸），可合成Ser、Cys、Gly、 Ala、Val、Leu等6种AA。 经酵解及磷酸戊糖中间产物（磷酸烯醇丙酮酸、4-磷酸赤藓糖），可合成Phe、Tyr、Trp等3种芳香族AA His有自己独特的合成途径，与其它氨基酸之间没有关系,氨基酸合成概貌,各种氨基酸的前体及相互关系,11.3.2 氨基酸代谢与一碳单位,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），称为一碳基团。一碳基团的转移除了和许多氨基酸的代谢直接有关外，还参与嘌呤和胸腺嘧啶的生物合成,CHNH 亚氨甲基 HCO 甲酰基CH2OH 甲醇基 CH 次甲基CH2 亚甲基 CH3 甲基,一碳基团转移酶的辅酶：FH4FH4携带一碳单位的形式：结合在FH4分子的N5、N10位上,叶酸,四氢叶酸（FH4）,N5-CHO-FH4,CHO,由氨基酸产生的一碳单位可相互转变 一碳单位主要来源于丝氨酸、甘氨酸、组氨酸及色胺酸的分解代谢,丝氨酸 N5, N10CH2FH4甘氨酸 N5, N10CH2FH4组氨酸 N5CHNHFH4色氨酸 N10CHOFH4,N5, N10CH2FH4的生成,丝氨酸羟甲基转移酶,甘氨酸裂解酶,N5CHNHFH4的生成,亚氨甲基转移酶,N10CHOFH4的生成,一碳单位的相互转变,一碳单位的生理功能 参与嘌呤、嘧啶的合成，N10CHOFH4与N5,N10CHFH4分别为嘌呤合成提供C2与C8，N5,N10CH2FH4为胸腺嘧啶核苷酸合成提供甲基 把氨基酸代谢和核酸代谢联系起来,一碳单位与含硫氨基酸的关系,甲硫氨酸循环（methionine cycle）,氨基酸的重要含氮衍生物,