蛋白质的酶促降解和氨基酸代谢讲.ppt
第九章 蛋白质降解和氨基酸代谢,第一节 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第二节 氨基酸的降解第三节 氨基酸的生物合成,第一节蛋白质的消化降解,一、水解蛋白质的酶二、外源蛋白质消化吸收三、细胞内蛋白质的降解,蛋白酶(Proteinase)：肽链内切酶 肽酶（Peptidase）：肽链外切酶(氨肽酶,羧肽酶),一、水解蛋白质的酶,蛋白质 肽段 氨基酸,蛋白酶,肽酶,消化道内几种蛋白酶的专一性,胃 中:胃蛋白酶小肠中:胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、胰蛋白酶、羧肽酶、氨肽酶,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（2）依赖ATP的泛素途径,三、细胞内蛋白质的降解,（1）不依赖ATP的溶酶体途径:,溶酶体系含有约50 种水解酶。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。不依赖ATP，没有选择性。,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）排除异常蛋白；排除积累过多的酶和调节蛋白，使细胞代谢得以有条不紊的进行。在代谢调节中重要的酶大多寿命较短，这就使它们的浓度可迅速改变，因此活性也可迅速改变，从而细胞能有效地应答环境变化及代谢需求。,（2）依赖ATP的泛素途径,泛素是一种8.5KD（76a.a.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a.a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。,泛 素,2004年诺贝尔化学奖The Nobel Prize in Chemistry 2004,“for the discovery of ubiquitin-mediated protein degradation”,Aaron Ciechanover Avram Hershko Irwin Rose,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。,泛素活化酶E1泛素携带蛋白E2泛素连接酶E3,多聚泛素化,26S蛋白酶体,氨基酸的去向：（1）重新合成蛋白质（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(动物),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,氨基酸的分解代谢概况,氨基酸,-酮酸,TCA,尿素循环,NH4+,氨基酸,核苷酸和生物胺的合成,CO2+H2O+ATP,尿素,CO2,胺,氨甲酰磷酸,草酰乙酸,葡萄糖,第二节 氨基酸的降解,脱氨基作用转氨基作用氧化脱氨基联合脱氨基 非氧化脱氨基作用脱羧基作用,氨基酸的降解主要在肝脏进行,（一）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。,一、脱氨基作用,转氨酶,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。,（二）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。,L-氨基酸氧化酶 D-氨基酸氧化酶,2、氨基酸氧化酶,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。,（三）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,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）,（四）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。,丙氨酸、甘氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、色氨酸和苏氨酸的分解代谢途径,丝氨酸羟甲基转移酶,丝氨酸羟甲基转移酶,丝氨酸脱水酶,丙酮酸脱氢酶,丙氨酸转氨酶,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。,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。,（五）产物去向,TAC,脑供能不足,脑内-酮戊二酸,氨中毒的可能机制,（1）重新利用：合成a.a、核酸。（2）贮存：动植物将氨基氮以Gln的形式储存在体内，在一系列生物合成中提供氨基。,NH3去向,谷氨酰胺合成酶,（3）排出体外：动物通过尿素循环将NH3生成尿素,尿素循环,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,（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.,鸟氨酸氨甲酰转移酶,尿素形成后由血液运到肾脏随尿排除。,尿素循环,线粒体,胞液,The synthesis ofCarbamoyl（氨甲酰）phosphate requires two activationsteps,consuming twoATP molecules:onefor activating HCO3-,the other to phosphorylatecarbamate.,an anhydride,丙氨酸、甘氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、色氨酸和苏氨酸的分解代谢途径,丝氨酸羟甲基转移酶,丝氨酸羟甲基转移酶,丝氨酸脱水酶,丙酮酸脱氢酶,丙氨酸转氨酶,2.酮酸（碳架）去向,20种aa的碳架可转化成7种物质,可通过TCA循环氧化分解重新氨基化生成氨基酸,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a.a都能生成Glc。Phe、Tyr是生酮兼生糖a.a。,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,小结,二、脱 羧 基 作 用,a.a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a.a可进行脱羧作用，生成相应的一级胺。a.a脱羧酶专一性很强，每一种a.a都有一种脱羧酶，辅酶都是磷酸吡哆醛。a.a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：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）一碳基团的利用：参与合成反应，如磷脂、核苷酸等的合成。,-CO2,The three types ofone-carbon unitcarriers,丝氨酸羟甲基转移酶,Ser,Gly,His,N5,N10-亚甲基四氢叶酸还原酶,N5,N10-亚次甲基四氢叶酸还原酶,N10-甲酰四氢叶酸合成酶,环化水解酶,环化脱氨酶,N5甲酰四氢叶酸,N5,N10-亚甲基四氢叶酸,一碳单位在四氢叶酸上的转换,为胸腺嘧啶合成提供甲基,参与嘌呤合成,参与嘌呤合成,N5-亚氨甲基四氢叶酸,N5,N10-次甲基四氢叶酸,N10-甲酰基四氢叶酸,甲酸,丝氨酸羟甲基转移酶,Gly,Ser,His,THF also works in the biosyntheses of amino acids(Ser,Gly,Met),purines andpyrimidines.,N5,N10-亚甲基四氢叶酸还原酶,N5,N10-亚次甲基四氢叶酸还原酶,N10-甲酰四氢叶酸合成酶,环化水解酶,环化脱氨酶,N5甲酰四氢叶酸,N5,N10-亚甲酰四氢叶酸,一碳单位在四氢叶酸上的转换,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:,N2固定生成NH3（生物固氨）微生物,硝酸还原生成NH3植物、微生物 将硝酸盐（NO3-)还原为NH3,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,根瘤,N2+8H+8e-2NH3+H2,氨 同 化,（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,概念:生物体将NH3转化为含氮有机化合物的过程。氨同化的途径:,（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。Ile、Leu、Lys、Met、Phe、Thr、Trp、Val、（Arg、His,幼小动物必需）,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,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,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,+NH3+CO2+2H+2e-,2,H2O,丝AA,甘AA,+,+,-酮戊二酸,甘AA,谷AA,乙醛酸,碳架,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,几种氨基酸的关系,赖氨酸,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,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,芳香族氨基酸,
