动物生化第七章含氮小分子代谢.ppt
第七章 含氮小分子的代谢,讲授内容,第一节蛋白质的营养作用第二节氨基酸的一般分解代谢第三节氨的代谢第四节-酮酸的代谢和非必需氨基酸的合成第五节个别氨基酸代谢第六节核苷酸的合成代谢第七节核苷酸的分解代谢第八节糖、脂类、氨基酸和核苷酸代谢的联系,教学目标,掌握一些主要的概念：转氨作用，氧化脱氨，鸟氨酸循环，生酮和生糖氨基酸熟悉鸟氨酸循环发生的部位，循环中的各步酶促反应，尿素氮的来源 了解非必需氨基酸和必需氨基酸合成的基本过程熟悉嘌呤环和嘧啶环上各个原子的来源了解嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸从头合成的过程以及最初产物。二者合成途径的差异 了解核苷酸补救合成途径的重要意义,第一节 蛋白质的营养作用,一、饲料蛋白质的生理功能,蛋白质在动物体内的生理功能主要有三方面：维持组织细胞的生长、修补和更新 转变为生理活性分子氧化供能,二、氮平衡,食物中的含氮物质绝大部分是蛋白质，蛋白质平均含氮量为16%可通过测定食物的含氮量（摄入量）和尿粪中的含氮量（排出量）判断体内蛋白质的代谢概况可分为：氮的总平衡摄入氮=排出氮，反应正常成人的蛋白质代谢情况。氮的正平衡摄入氮排出氮，部分摄入的氮用于合成体内蛋白质，见于儿童、孕妇和恢复期病人。氮的负平衡摄入氮排出氮，见于蛋白质供给量不足，如饥饿和消耗性疾病等。,二、蛋白质的生理价值与必需氨基酸,蛋白质的生理价值蛋白质的生理价值是指饲料蛋白质被动物机体合成组织蛋白质的利用率。即：蛋白质的生理价值越高，其最低需要量就越小；反之就越大。蛋白质的营养价值取决于蛋白质含有的氨基酸的种类和数量，特别是营养必需氨基酸的种类和数量 必需氨基酸氨基酸根据来源不同，可分为必需氨基酸和非必需氨基酸饲料蛋白中所含必需氨基酸的组成与动物机体的蛋白越相近，其生理价值越高在水产饲养中，可通过蛋白质的互补作用，提高饲料蛋白的生理价值。,%,必需氨基酸,在动物体内不能合成，或合成太慢远不能满足动物需要，因而必须由饲料供给的氨基酸。包括赖氨酸、甲硫氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苏氨酸、组氨酸和精氨酸。,非必需氨基酸,只要有氮的来源，在动物体内可利用其它原料(如糖)合成的氨基酸。,蛋白质的互补作用,在畜禽饲养中,为了提高饲料蛋白的生理价值，常把原来生理价值较低的不同的蛋白质饲料混合使用，使其必需氨基酸互相补充，称为饲料蛋白质互补作用。,第二节 氨基酸的一般分解代谢,一、动物体内氨基酸的代谢概况,外源性氨基酸与内源性氨基酸共同组成了动物机体的氨基酸代谢库，随血液运至全身各组织进行代谢。,氨基酸的主要去向,合成蛋白质和多肽转变成多种含氮生理活性物质，如嘌呤、嘧啶、卟啉和儿茶酚胺类激素等通过一般分解代谢途径分解氨基酸分解时，在大多数情况下是首先脱去氨基生成氨和-酮酸。氨可转变成尿素、尿酸排出体外生成的-酮酸则可以再转变为氨基酸，或是彻底分解为二氧化碳和水并释放能量，或是转变为糖或脂肪作为能量的储备。,体内氨基酸代谢概况,二、氨基酸的脱氨基作用,在酶的催化下，氨基酸脱掉氨基的过程称脱氨基作用动物的脱氨基作用主要在肝和肾中进行，其主要方式有：氧化脱氨基作用转氨基作用 联合脱氨基作用,氧化脱氨基作用,即氨基酸在酶的作用下，先脱氢形成亚氨基酸，进而与水作用生成-酮酸和氨的过程。在动物体内,催化氨基酸氧化脱氨基反应的酶有L-氨基酸氧化酶，D-氨基酸氧化酶和L-谷氨酸脱氢酶等。,L-氨基酸氧化酶,催化L-氨基酸的氧化脱氨基作用，在体内分布不广，活性不强。D-氨基酸氧化酶D-氨基酸氧化酶在体内分布广，活性强；但动物体内的氨基酸多为L氨基酸，因此在氨基酸代谢中作用不大。L-谷氨酸脱氢酶广泛存在于肝、肾和脑等组织中，其催化L-谷氨酸氧化脱氨生成-酮戊二酸，辅酶是NAD。,转氨基作用,即在转氨酶的催化下，将某一氨基酸的-氨基转移到另一种-酮酸的酮基上，生成相应的-酮酸和另一种氨基酸的作用。,转氨酶,可催化氨基酸上的-氨基转移到-酮酸的酮基上，-酮戊二酸是其特异的氨基受体，而对提供氨基的氨基酸要求不严格，它所催化的反应均是可逆的。例如谷草转氨酶GOT、谷丙转氨酶GPT。GOT、GPT 主要存在于细胞中，而血清中的活性很低，在各个组织器官中，以心脏和肝脏中的活性为最高。当这些组织细胞受损时，可有大量的转氨酶逸入血液，于是血清中的活性升高。因此可根据GOT和GPT在血清中的活性可分别作为心肌梗塞和急性肝炎诊断和预后的指标之一。,联合脱氨基作用,即转氨基作用与L-谷氨酸氧化脱氨基作用联合起来进行的脱氨方式动物体内的肝、肾组织中，大多数氨基酸都以此种方式进行脱氨,二、氨基酸的脱羧作用,即氨基酸在脱羧酶的催化下，脱去羧基产生二氧化碳和相应的胺的过程在氨基酸分解代谢中不是主要途径。,第三节 氨的代谢,一、动物体内氨的来源与去路,氨的来源,1.氨基酸及胺的脱氨基作用2.嘌呤、嘧啶等含氮物的分解 3.可由消化道吸收一些氨，即肠内氨基酸在肠道细菌作用下产生的氨和肠道尿素经肠道细菌尿素酶水解产生的氨。4.肾小管上皮细胞分泌的氨，主要是谷氨酰胺水解产生的。,氨的去路,1.合成某些非必需氨基酸，并参与嘌呤、嘧啶等 重要含氮化合物的合成2.可以在动物体内形成无毒的谷氨酰胺3.形成血氨4.通过转变成尿酸（禽类）、尿素（哺乳动物）排出体外,血 氨,机体代谢产生的氨和消化道中吸收来的氨进入血液后，即为血氨。正常人血浆中氨的浓度一般不超过0.1mg/100ml。低水平血氨对动物是有用的物质，它可与-酮酸再形成氨基酸，并参与嘌呤、嘧啶等重要含氮化合物的合成。高浓度血氨，可引起脑功能紊乱。,二、氨的转运,氨是有毒物质，它在血液中主要以丙氨酸及谷氨酰胺两种形式运输 丙氨酸-葡萄糖循环(alanine-glucose cycle）谷氨酰胺的运氨作用,（二）谷氨酰胺的运氨作用,三、尿素的生成,尿素是哺乳动物利用NH3、CO2和H2O在肝脏中经鸟氨酸循环途径合成的无毒物质它可随尿排除体外，是动物体清除氨的重要方式。,1氨基甲酰磷酸的合成,2瓜氨酸的合成,鸟氨酸氨基甲酰转移酶,3、合成精氨酸,精氨酸合成酶,氨基的供体。,延胡索酸经三羧酸循环变为草酰乙酸。草酰乙酸与谷氨酸进行转氨作用又可变回为天冬氨酸。,精氨琥珀酸裂合酶,4、生成尿素,精氨酸酶的专一性很高，只对L-精氨酸有作用，存在于排尿素动物的肝脏中。反应部位在胞液。鸟氨酸可再进入线粒体并参与瓜氨酸的合成。,精氨酸酶,天冬氨酸的作用,天冬氨酸起了氨基供给体的作用天冬氨酸可由草酰乙酸与谷氨酸经转氨基作用生成，而谷氨酸则通过其他的各种氨基酸把氨基转移给-酮戊二酸而生成因此其它各种氨基酸脱下的的氨基可以通过天冬氨酸用于合成尿素,尿素合成的总反应,合成1分子尿素需要消耗2分子氨和1分子CO2尿素分子中的2个氮原子，1个来自氨，1个则来自天冬氨酸，而天冬氨酸又可由其他氨基酸通过转氨基作用而生成。尿素合成是一个耗能的过程，合成1分子尿素需要消耗3分子ATP中的4个高能磷酸键。,四、尿酸的生成和排出,氨在家禽体内也可以合成谷氨酰胺以及用于其他一些氨基酸和含氮物质的合成，但不能合成尿素，而是把体内大部分的氨通过合成尿酸排出体外。,第四节-酮酸的代谢和非必需氨基酸的合成,一、-酮酸的代谢,氨基酸经脱氨基作用之后，大部分生成相应的-酮酸，这些-酮酸的具体代谢有三种去路：氨基化转变成糖和脂类 氧化供能,二、非必需氨基酸的合成,（一）由-酮酸氨基化生成（二）由氨基酸之间转变生成,（一）由-酮酸氨基化生成,糖代谢生成的-酮酸，可以经过转氨或联合脱氨基作用的逆过程合成氨基酸。通过这种方式合成的非必需氨基酸除丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸以外，丝氨酸的合成也与之相类似。,丝氨酸的合成图,（二）由氨基酸之间转变生成,动物体内的甘氨酸可由丝氨酸生成。丝氨酸在有甲硫氨酸(必需氨基酸)的参与下，可以转变为其它的含硫氨基酸，如半胱氨酸和胱氨酸。谷氨酸经过谷氨酸-半醛等中间产物可转变成脯氨酸和鸟氨酸，后者又可经鸟氨酸循环转变为精氨酸等。,氨基酸转变图,第五节个别氨基酸代谢,一、一碳基团的代谢,一碳基团又称一碳单位（one carbon unit）即氨基酸在分解代谢过程中形成的具有一个碳原子的基团。凡属于一碳单位的转移和代谢的过程，统称为一碳单位代谢，但不包括CO2与CH4的代谢存在形式：亚氨甲基（-CH=NH）甲酰基（-CHO）羟甲基（-CH2OH）甲烯基（-CH2-）甲炔基或次甲基（-CH=）甲基（-CH3-）,一碳基团的的载体,一碳基团不游离存在，而常被一碳基团转移酶的辅酶四氢叶酸(5,6,7,8-tetrahydrofolic acid，FH4)携带进行代谢和转运一碳基团与四氢叶酸通常通过叶酸分子上的N5、N10连接，常见的连接形式有：N5，N10甲炔四氢叶酸N5，N10甲烯四氢叶酸N5甲基四氢叶酸N10甲酰四氢叶酸N5亚氨甲基四氢叶酸,四氢叶酸,是一碳单位代谢的辅酶，可由叶酸经二氢叶酸还原酶的催化，通过两步还原反应而生成。一碳单位通常结合在FH4分子的N5、N10位上。,一碳基团的来源及相互转变,苯丙氨酸的代谢,苯丙氨酸是必需氨基酸，正常情况下，其主要代谢是经羟化作用，生成酪氨酸。催化此反应的酶是苯丙氨酸羟化酶。,二、芳香族氨基酸的代谢,苯丙酮尿症,它是一种严重的遗传性氨基酸代谢疾病，呈常染色体隐性遗传，五十年代由Folling首先报道此病当苯丙氨酸羟化酶先天缺乏时，苯丙氨酸不能正常的转变成酪氨酸，于是在体内蓄积，并可经转氨作用生成苯丙酮酸，后者进一步转变成苯乙酸等衍生物，使尿中出现大量苯丙酮酸等代谢产物苯丙酮酸的堆积对中枢神经系统有毒性，故患儿的智力发育障碍对此种患儿的治疗原则是应在早期发现，并适当控制膳食中的苯丙氨酸含量,酪氨酸代谢,儿茶酚,酪氨酸酶,存在于黑素细胞的黑素小体中，催化酪氨酸氧化生成多巴醌及各种色素，需Cu2+作辅助因子人体若缺乏酪氨酸酶，黑色素合成障碍，皮肤、毛发等发白，易患白化病,色氨酸代谢,三、含硫氨基酸代谢,谷胱甘肽的合成谷胱甘肽是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸所组成的三肽，它的生物合成不需要编码的RNA，已证明与一个称之为“-谷氨酰基循环”的氨基酸转运系统相联系。,蛋氨酸与一碳单位,蛋氨酸（Met）分子内因含有S-甲基，可通过甲硫氨酸循环为某些活性物质如肾上腺素、肌酸、肉毒碱等的生成提供甲基在此循环过程中，需维生素B12与四氢叶酸的参与,甲硫氨酸循环图,肌酸代谢,肌酸的合成肌酸，即甲基胍乙酸，由甘氨酸、精氨酸和甲硫氨酸在动物体内合成，在骨骼肌中含量较高肌酸生成的第一步反应是在肾脏中转脒基酶的催化下，由精氨酸将其脒基转给甘氨酸生成胍乙酸第二步是胍乙酸再从S-腺苷甲硫氨酸(SAM)得到甲基生成肌酸，此反应由肝中的胍乙酸甲基转移酶催化 肌酸的去路肌酸和磷酸肌酸代谢的终产物是肌酸酐（creatinine）。肌酸酐主要在肌肉中通过磷酸肌酸的非酶促反应而生成正常成人，每日尿中肌酸酶的排出量恒定，与骨骼肌的量成正比,肌酸代谢总过程图,第六节 核苷酸的合成代谢,畜禽主要是利用氨基酸等作为原料在体内从头合成各种核苷酸其次是利用体内的游离碱基或核苷进行补救合成,一、嘌呤核苷酸的合成,嘌呤核苷酸的从头合成,即动物利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及CO2等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸的过程 此过程主要在肝脏的胞液中进行，其次是在小肠粘膜及胸腺。,嘌呤核苷酸的补救合成,即细胞可利用核酸在机体内分解代谢产生的自由嘌呤和嘌呤核苷重新合成嘌呤核苷酸的过程，称为嘌呤核苷酸的补救合成。,（一）嘌呤核苷酸的从头合成,嘌呤核苷酸的补救合成的生理意义,1.比从头合成节省能量和氨基酸原料；2.对于脑、骨髓等缺乏从头合成嘌呤核苷酸酶 的组织而言，是一种重要的补救措施。动物 肝脏中有两种特异催化嘌呤核苷酸补救合成 反应的酶：腺嘌呤磷酸核糖转移酶和次黄嘌 呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶。,二、嘧啶核苷酸的合成,（一）嘧啶核苷酸的从头合成,四、脱氧核糖核苷酸的合成,（一）脱氧核糖核苷酸的合成,（二）胸腺嘧啶核苷酸的合成,（一）脱氧核糖核苷酸的合成,（二）胸腺嘧啶核苷酸的合成,第七节 核苷酸的分解代谢,在动物体内有许多催化核酸水解的酶，称为核酸酶(nuclease)。,核酸酶的分类,按其底物不同分类核糖核酸酶(RNase)脱氧核糖核酸酶(DNase)它们分别将RNA和DNA水解为单核苷酸按其作用于核酸的位置不同又分类内切核酸酶(切点在核酸分子内部)外切核酸酶(切点在核酸分子的末端),核酸的水解,一、嘌呤的分解,嘌呤在不同种类动物中分解的最终产物不同在人、灵长类、鸟类、爬虫类及大部分昆虫中，嘌呤分解的最终产物是尿酸，尿酸也是鸟类和爬虫类排除多余氨的主要形式在其他哺乳动物则是尿囊素；某些硬骨鱼类排出尿囊酸两栖类和大多数鱼类可将尿囊酸再进一步分解成乙醛酸和尿素最后在某些海生无脊椎动物中可把尿素再分解为氨和二氧化碳,二、嘧啶的分解,胞嘧啶经水解脱氨转化为尿嘧啶。尿嘧啶和胸腺嘧啶按相似的方式分解。它们首先被还原成相应的二氢衍生物二氢尿嘧啶或二氢胸腺嘧啶，然后开环，生成-氨基酸、氨和二氧化碳。胞嘧啶和尿嘧啶生成的是-丙氨酸，而胸腺嘧啶生成的则是-氨基异丁酸。-氨基酸可以进一步代谢，小部分直接随尿排出体外。,第八节 糖、脂类、氨基酸和核苷酸代谢的联系,（四）核苷酸代谢与其它物质代谢之间的联系,1.核酸是细胞中重要的遗传分子。2.许多核苷酸也可调节代谢。3.参与许多辅酶辅基的形成。4.环核苷酸参与细胞信号的传导。,核酸与糖、脂类和蛋白质的代谢的关系总结,核酸本身的合成与糖、脂类和蛋白质的代谢密切相关，糖代谢为核酸合成提供了磷酸核糖(及脱氧核糖)和NADPH还原力。甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺所携带的一碳单位以及四氢叶酸等参加嘌呤和嘧啶环的合成，多种酶和蛋白因子参与了核酸的生物合成(复制和转录)糖、脂等燃料分子为核酸生物学功能的实现提供了能量保证。,二、营养物质之间的相互影响,糖、脂类和蛋白质代谢之间的相互影响是多方面的，主要表现在：能量供应上。,1.糖代谢与脂肪和蛋白质的分解代谢的关系,当糖类供应充足时，脂肪和蛋白质的分解供能减少。若糖的供应量超过机体的需要，过量的糖则转变成脂肪作为储备物质，即脂肪的合成代谢增强。反之当糖类供应不足或饥饿时，体内的糖源很快消耗减少。糖的异生作用加强，即主要动用体蛋白转变为糖，以维持体内糖的含量不至过少动用体内贮存的脂肪分解供能，以减少糖的分解若长期饥饿，体内脂肪分解大大加快，甚至会出现酮血症。,2.蛋白质代谢与糖和脂肪的分解代谢的关系,饲料蛋白质的主要营养作用是在体内合成蛋白质，以满足动物生长(包括畜产品)、修补组织及合成各种酶、蛋白类激素等更新的需要。当蛋白质合成代谢增强时，糖和脂肪的分解代谢必然增强。糖的分解增强除了提供蛋白质合成所需要的能量外，还可合成某些非必需氨基酸。,名词术语,核苷磷酸化酶(nucleoside phosphorylase)：能分解核苷生成含氮碱和戊糖的磷酸酯的酶。核苷水解酶(nucleoside hydrolase)：能分解核苷生成含氮碱和戊糖的酶。从头合成(de novo synthesis)：生物体内用简单的前体物质合成生物分子的途径，例如核苷酸的从头合成。补救途径(salvage pathway)：与从头合成途径不同，生物分子的合成，例如核苷酸可以由该类分子降解形成的中间代谢物，如碱基等来合成，该途径是一个再循环途径。,尿素循环（urea cycle）:是一个由4步酶促反应组成的可以将来自氨和天冬氨酸的氮转化为尿素的代谢循环。该循环是发生在脊椎动物肝脏中的一个代谢循环。脱氨(deamination)：在酶的催化下从生物分子（氨基酸或核苷酸分子）中除去氨基的过程。氧化脱氨（oxidative deamination）：-氨基酸在酶的催化下脱氨生成相应-酮酸的过程。氧化脱氨过程实际上包括脱氢和水解两个步骤。,转氨酶（transaminases）：也称之氨基转移酶（aminotransferases）。催化一个-氨基酸的-氨基向一个-酮酸转移的酶。转氨(transamination)：一个-氨基酸的-氨基借助转氨酶的催化作用转移到一个-酮酸的过程。生糖氨基酸(glucogenic amino acids)：那些降解能生成可作为糖异生前体分子，例如丙酮酸或柠檬酸循环中间代谢物的氨基酸。生酮氨基酸(acetonegenic amino acid)：那些降解可生成乙酰CoA或酮体的氨基酸。,小结,谷氨酸的氨基可以在可逆的转氨反应中将氨基转移给许多-酮酸，生成-酮戊二酸和相应的氨基酸。在可逆的反应中，许多氨基酸又可转换为谷氨酸和天冬氨酸，这两种氨基酸可以将它们的氨基提供给排泄氮的途径。非必需氨基酸是那些可以由生物体自己生产的足够生长需要的氨基酸。这些氨基酸大都可以通过短的、不太消耗能量的途径合成。在哺乳动物中，谷氨酸、丙氨酸和天冬氨酸通过简单的转氨就可生成，而谷氨酰胺和天冬酰胺是通过将酰胺基转移到谷氨酸和天冬氨酸的侧链上生成的。丝氨酸透拾彼崾怯3磷酸甘油衍生来的。在细菌和植物中，半胱氨酸是由丝氨酸形成的，而在哺乳动物中，它是由蛋氨酸裂解形成的。脯氨酸是由谷氨酸形成的。酪氨酸是直接由苯丙氨酸生成的。在哺乳动物中，精氨酸是由谷氨酸半醛生成的，合成途径中涉及小肠和肾两个组织。,尿素是在肝脏中通过尿素循环合成的。尿素循环的第一步反应是由氨、CO2和ATP形成氨甲酰磷酸。然后氨甲酰磷酸与鸟氨酸缩合形成瓜氨酸，天冬氨酸作为尿素中的第二个氮的供体与瓜氨酸形成精氨琥珀酸，再经水解生成精氨酸，精氨酸裂解生成鸟氨酸和尿素。氨基酸碳骨架的降解可以生成丙酮酸、乙酰CoA，或柠檬酸循环的中间代谢物。那些降解为柠檬酸循环中间代谢物的氨基酸可以作为糖异生的前体，所以称之生糖氨基酸，而形成乙酰CoA的氨基酸对脂肪酸和酮体的形成有贡献，称之生酮氨基酸。而降解生成丙酮酸的那些氨基酸即可以羧化生成草酰乙酸，也可以生成乙酰CoA，所以这样的氨基酸称之生糖生酮氨基酸。,嘌呤核苷酸的从头合成是经过10步酶促反应合成的，开始合成的嘌呤核苷酸是IMP。同位素标记实验表明，嘌呤环的碳和氮原子分别来自简单的化合物例如甘氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、CO2和10-甲酰四氢叶酸。而且嘌呤环的组装是在PRPP提供的核糖-5-磷酸的基础上逐步连接上这些前体单位提供的碳和氮原子的。IMP是嘌呤核苷酸合成的一个分支点，它可以转换为AMP或GMP。嘌呤合成的调控步骤是PRPP转酰胺酶催化形成磷酸核糖胺的反应。该酶受到AMP或GMP的部分抑制，但受到AMP和GMP联合在一起的强烈抑制。,习题,1mol甘油完全氧化成CO2和H2O时净生成多少mol ATP？假设在线粒体外生成的NADH都通过磷酸甘油穿梭进入线粒体。（要求：有分析步骤）1mol乳酸完全氧化成CO2和H2O时净生成多少mol ATP？假设在线粒体外生成的NADH都通过磷酸甘油穿梭进入线粒体。（要求：有分析步骤）试比较1分子软脂肪酸和8分子丙酮酸彻底氧化所生成ATP的数量，并简要写出与能量相关的反应过程。试述血浆脂蛋白的种类和主要功能,
