主要含氮化合物代谢.ppt

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1、第一节:蛋白质的酶促降解和氨基酸代谢,在生物体新陈代谢过程中，动物和人从食中摄取的蛋白质被消化道的各种酶水解分解成AA，然后被吸收利用，植物种子在萌发时种子中的贮藏蛋白也被水解成AA。AA被生物体用来形成新的蛋白质或转化成其它的化合物，参与代谢。,蛋白质的酶促降解,水解肽键的酶可分为两类:肽链外切酶：氨肽酶和羧肽酶 肽链内切酶：蛋白酶,蛋白酶的种类:作用特征e.g.,3.4.21Ser蛋白酶类:活性中心含His、Ser胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶、凝血酶3.4.22硫醇蛋白酶类:活性中心含Cys木瓜蛋白酶等3.4.23羧基(酸性)蛋白酶类:最适pH在5以下胃蛋白酶、凝乳酶3.4.24金属蛋白酶类:含

2、有必需的金属离子,枯草杆菌中性蛋白酶,主动的蛋白质降解：泛肽蛋白酶系统,Proteins differ markedly in their half lives and are targeted for destruction,Damaged proteins are usually quickly removed by controlled degradation;Enzymes important in metabolic regulation usually have short lives;Proteins are degraded by ATP-dependent cytosolic

3、 systems in all cells;Ubiquitin,a extremely well conserved 76-residue protein,tags proteins for destruction in eukaryotic cells by the action of three enzymes(E1,E2 and E3);,2004年诺贝尔化学奖 得主,哺乳动物泛肽的结构与特征MQIVFKTLTGKTITLEPSDTIENVKAKIQDKEGIPPDQQRLIFAGKQLEDGRTL SDYNIQKESTLHLVIRLRGG,2.泛素蛋白酶作用过程,1)在ATP存在下，泛

4、素活化酶(ubiquitin-activating enzyme)E1催化泛素羧基末端腺苷酸化，然后这个活化的泛素以羧基端的甘氨酸(G)与E1上的一个半胱氨酸之间形成硫酯键，这是一个高能键。2)在E1和泛素偶联酶(ubiquitin-confugating enzyme)EZS家族之一的催化下，将泛素仍以硫酯键连接于E2上，接着，在E2和泛素蛋白连接酶(ubiquitin-protein ligase)E3的催化下，泛素从E2转移到降解的蛋白质的赖氨酸上形成酰胺键。这种泛素与蛋白质的复合物是一个蛋白酶复合体的作用目标，这个蛋白酶复合体由多条肽链组成，降解泛素蛋白酶复合物为多肽，降解过程可能需要

5、ATP供能，最后由泛素水解酶水解时放出游离的泛素再参加下一次循环。,第二节:AA的降解与转化,一、脱氨基作用:,氧化脱氨基作用:AA在酶的催化下脱去NH3生成相应的酮酸的作用。有两类酶催化这种作用于：AA氧化酶，一般以FAD和FMN为辅基，这个酶在脱氨作用中不是主要的。,脱氢酶催化,2.直接脱氨基作用:(PAL苯丙氨酸解氨酶),3、转氨作用,4、联合脱氨:,氨基酸的转氨作用虽然在生物体内普遍存在，但并不能最终脱掉氨基，机体往往借助联合脱氨基作用即可迅速使各种不同的氨基酸脱掉氨基，在转氨酶和Glu脱HE的共同作用下进行的联合脱NH3。,方式一,方式二,5、脱酰胺作用,二、脱羧基作用,脱羧酶催化，

6、氨基酸发生脱羧基反应，形成胺类化合物的作用叫脱羧基作用。此反应脱羧酶的辅酶是磷酸吡哆醛，生成的胺具有重要的生理作用。,1、直接脱羧作用(1)Glu脱羧:COOH CH2NH2CHNH2 Glu脱羧酶(CH2)2+CO2(CH2)2-COOHCOOH r-氨基丁酸 r-氨基丁酸是抑制性神经递质,在水稻抗虫品种中,Glu脱羧酶活性很高,产生较多的r-氨基丁酸,它对昆虫神经系统的传导有阻滞作用,抗虫。,2、Trp的脱羧,3、Ser脱羧:,4、Lys、Arg 尸体腐烂发出的恶臭气味就是产生尸胺和腐胺引起的。,5、羟化脱羧基作用,Tyr在酪氨酸酶的作用下发生羟化生成多巴氧化成黑色素。多巴脱羧生成多巴胺,

7、在植物体内可以由这二个化合物转变成生物碱、吗啡、秋水仙碱植物加倍,抑制细胞的有丝分裂。,高等动植物均具有保留并重新利用NH3的能力,但对动物而言,有一部分氨是以尿素的形式将分解的氨基氮排出体外,通过尿素循环可将氨转变为尿素。,6、尿素的形成和尿素循环:,在植物体内也有尿素的形成,它可在脲酶的作用下分解:H2N 脲酶C=O+H2O-CO2+2NH3 H2N生成的NH3可以重新利用,三、氨基酸分解产物的去向:,1.NH3的代谢转变 AA脱羧产生的CO2呼出胺的去路已经讲过，而脱氨基生成的NH3和a-酮酸(AA的碳架)必须参与其他的代谢，才能转变成可以被排出的物质或合成体内有用的物质。e.g.生成尿

8、素，合成其它含N化合物。,脊椎动物体现人的20种AA,由20种不同的多酶体系进行氧化分解,20种AA集中形成5种产物进入TCA循环CO2+H2O。(1)Ala、Thr、Ser、Cys、Gly、Phe、Tyr、Leu、Lys、Trp十种AA经分解后形成CH3-CO-SCoA。a.经丙酮酸的路径:Ala，Cys，Gly，Ser，Thrb.经乙酰乙酰CoA到乙酰CoA的途径 Phe，Tyr，Leu，Trp，Lys,2、AA碳架的氧化途径:,（2）Arg、His、Glu、Pro、Gln形成a-kg（3）Ile、Met、Val-琥珀酰CoA,(4)Phe、Tyr形成延胡索酸PheTyr延胡索酸(5)As

9、p、Asn形成OAA AsnAspOAA,酮酸有三条去路:一是再合成新的AA;二是转变成糖和脂肪;三是进入TCA彻底氧化生成CO2+H2O。,二、转成糖和脂类:许多的氨基酸在代谢过程中生成丙酮酸和TCA循环的有机酸,以后可以通过糖异生作用转化为糖,故称为生糖AA。Gly、Ala、Ser、Thr、Val、His、Glu、Asp、Arg、Cys、Met、Pro、羟脯aa。另一些AA的代谢终产物为乙酰CoA或乙酰乙酰CoA在饥饿、糖尿病等在动物体内可转变为酮体(乙酰乙酸、-羟丁酸、丙酮)。这些AA称生酮AA。Phe、Tyr、Trp、Leu、Lys等。,合成AA必需要有碳架和氨基,前者主要来自有机酸,

10、后者是来源大气(空气中的N2:79%)无机及有机氮化合物,在AA合成中所用的氨主要来自生物固氮及通过硝酸还原酶催化产生的NH4+。生物固氮:指某些微生物,在常温常压下将N转变成NH3的过程。N2+3H2-2NH3 植物根系从土壤中吸收的硝酸态氮,经硝酸还原酶和亚硝酸还原酶将硝态氮还原成NH4+。NO3-NH4+,第三节:氨及氨基酸的生物合成:,氨的积累对生物体有毒，这种途径生成的以后便被同化转变成含N的有机化合物，氨的同化有两条途径:,一、氨的固定,（1）Glu脱H酶途径:COOH COOHC=O CHNH2(CH2)2+NH3+NADH+H+=(CH2)2+NAD+H2OCOOH COOH

11、a-Kg Glu 这个途径是真菌同化氨的主要途径,在高等植物体内由Glu脱H酶催化的还原氨基反应不是由氨合成Glu的主要途径。因为该酶要求有较高浓度的氨,这个浓度对植物是毒害的程度,即导致光合磷酸化解偶联。,1、Glu的形成,目前认为Gln合成酶和Glu合成酶协同作用是植物体内合成Glu的主要途径:（2）Gln合成酶和Glu合成酶途径:Gln合成酶Glu+NH3+ATP Gln+ADP+Pi+H2O Glu合成酶Gln+a-Kg+2H Glu在这个途径中Glu起着传递氨基的作用:总结果:NH3+ATP+a-Kg=Glu+ADP+pi+H2OGlu的氨基可以转移到任何一种a-酮酸上,从而形成AA

12、。,The glutamine synthetase consists of 12 identical subunits,The glutamine synthetase is cumulatively regulated by 8 inhibitors,2、氨甲酰磷酸的生成:(包括两个反应)(1)氨甲酰激酶催化的反应:,(2)氨甲酰磷酸合成酶催化的反应:,在动物肝细胞及大肠杆菌中,辅因子是N-乙酰Glu,在绿豆中已证明了有氨甲酰磷酸,但在植物体内中的氨甲酰磷酸的N来自Glu而不是氨。,二、氨基酸的形成,1.转氨作用2.酮酸及各族氨基酸的形成,它们共同的碳架来自EMP途径生成的丙酮酸,由丙酮酸

13、经转氨作用生成Ala,经过一系中间反应生成Val、Leu。,(1)Ala族:(Ala、Val、Leu),(2)Ser族:(Ser、Gly、Cys),由光呼吸乙醇酸途径形成的乙醛酸经转氨作用生成Gly。2Gly经脱羧脱氨可转变为Ser。CO2 NH3 与硫化物反应 2乙醛酸2Gly=Ser-Cys也可由3-磷酸甘油酸生成。,转NH3 AsnOAA-AspLys Met ThrIle,（3）Asp族(Asp、Asn、Lys、Thr、Met、Ile),（4）Glu族(Glu、Gln、Pro、Arg、4-OH pro),Gln 进入肽链之后a-kgGlu-Pro-4-OH Pro 鸟氨酸-瓜氨酸Arg

14、,（5）His和芳香族(His、Trp、Tyr、Phe),R5P PRPP His,在Cys的合成反应中,有S2-的参与,这S2-是由硫酸还原而成的,与硝酸的还原类似,在细菌、藻类和高等植物中均存在硫酸还原过程,但在动物内则不存在。植物由外界吸收的SO42-先经活化,然后被还原,活化分两步进行:,三、硫酸的还原与Cys的合成,(1)硫酸离子在ATP硫酸化酶催化下与ATP反应,生成腺苷酰硫酸(APS):Mg2+H2OSO42-+ATP=APS+ppi-2pi,（2）APS在激酶催化下,在核糖3位形成磷酸酯。Mg2+APS+ATP=PAPS+ADP磷酸腺苷酰硫酸(PAPS),APS或PAPS的还原

15、可以有不同途径：在植物体内,APS将其磺酰基转移给一个含硫基的载体，经过几步反应，还原的产物是SH，用来合成Cys。APS还原的另一个途径是将磺酰基转移至二巯基载体,经过几步反应，最后生成H2S，也可用于合成Cys。,Cys不仅是合成蛋白质的成分也是从无机硫转变为有机硫化物的重要通路，CysMet，Cys还可以消除HCN对植物细胞的毒害，Met还是植物激素乙烯合成的前体。,核酸的酶促降解和核苷酸代谢,核酸酶促降解产物核苷酸及其衍生物在代谢上非常重要，它们几乎参与细胞的所有生化过程。主要表现:(1)合成核酸;(2)参与其它生物合成，ATP、GTP参与能量代谢;UDPG、ADPG参与淀粉糖原的生物

16、合成等;(3)AMP是重要的辅因子的重要组分、FAD、NAD+、CoA等;(4)充当第二信使。,第四节:核酸的酶促降解,所有以细胞内均含有降解核酸的酶类，它们协同作用可把核酸彻底分解为嘌呤、嘧啶、戊糖和磷酸。一、核酸的降解 核酸酶的种类很多，人们根据作用于磷酸二酯键的方位不同把核酸酶分为核酸内切酶和核酸外切酶，内切酶从核酸的内部切断磷酸二酯键。核酸外切酶则从核苷酸链的3未端或5未端逐个水解切下单核苷酸。,分类,人们根据对底物的专一性将其分为:.RNase(核糖核酸酶)只可水解RNA。有些有碱基专一性。,、DNase(脱氧核糖核酸酶),只能水解DNA磷酸二酯键的酶称DNase。牛胰DNase I

17、可切割双链和单链DNA，产物为5-磷酸为未端的寡核苷酸、牛脾DNaseII降解DNA则产生3-磷酸为未端的寡核苷酸。限制性内切酶:认别并水解特异核酸序列的核酸内切酶。,限制性内切酶 用限制性内切酶对载体和目的基因对两者进行切割。它能特异识别DNA分子中的某些碱基序列，识别的碱基为4-6个，一般都有回文结构(正、反序列相同)，平头未端(两股链相同)。,DNA连接酶 DNA连接酶利用ATP或NAD提供的能量催化3-OH，5-P未端形成磷酸二酯键，常用的连接酶两种:一种叫DNA连接酶，是大肠杆菌染色体编码，另一种叫做T4 DNA连接酶，是由大肠杆菌T4噬菌体DNA编码的。可以连接平头未端(两条链切口

18、平齐)，粘性未端(两条链切口错开2-4个核苷酸)。,Postulated the presence of bacterial restriction and modification enzymes that will cleave foreignDNA but not internal DNA,Verified Arbershypothesis by characterizing thefirst type II restriction enzyme.,Generated well-definedDNA fragments from SV40 DNA usingrestriction enz

19、ymes.,3、Nuclease(核酸酶),既可水解RNA又可水解DNA磷酸二酯键的核酸酶称非特异核酸酶，例如小球菌核酸酶S1是内切酶，可作用RNA或变性DNA，产生3-核苷酸。,、PDase(磷酸二酯酶),蛇毒磷酸二酯酶则能从RNA链或DNA链的3-羟基末端逐个切割核苷酸，生成5-核苷酸。牛脾磷酸二酯酶从RNA链或DNA链的-羟基末端逐个切割核苷酸，生成-核苷酸。,二、核苷酸的降解,核酸经核酸酶的作用可产生核苷酸，后者在核苷酸酶的作用下水解为磷酸和核苷。核苷酸酶广泛存在于生物体中，有两类:一类是非特异核苷酸酶,对2,3or 5核苷酸均可水解,另一类是特异性强的核苷酸酶，有3-核苷酸酶，5-核

20、苷酸酶。核苷经核苷酶作用后,产生嘌呤和嘧啶和戊糖。这类酶也有两类:一类是核苷磷酸化酶，它催化核苷水解产生碱基和磷酸戊糖;另一类是核苷水解酶，它分解核苷产生含N碱(嘌呤or嘧啶)和戊糖:,核苷磷酸化酶核苷+磷酸=含N碱+磷酸戊糖(动物)反应可逆核苷水解酶核苷+H2O=含N碱+戊糖存在植物和微生物(反应不可逆),三、嘌呤的降解:,不同的生物对嘌呤的分解能力不同,因而具有不同的分解终产物人和猿类及某些排尿酸动物(e.g.鸟、昆虫等)以尿酸为嘌呤的代谢终产物,植物体内嘌呤的分解与动物相似,尿囊素和尿囊酸可以作为植物氮素的贮存形式。图,嘌呤的降解,植物体中嘧啶的分解与动物相似。尿嘧啶和胞嘧啶分解产物-丙

21、氨酸可用于合成辅酶A，或经转氨作用产生甲酰乙酸，尔后分解为乙酸进而作为脂类生物合成的原料;也可进入三羧酸循环继续氧化。胸腺嘧啶分解终产物-脲基异丁酸，可经脲基丙酸酶作用，脱氨脱羧生成-丙氨酸，后者经转氨作用脱去氨基后参与有机酸代谢。,嘧啶的分解,植物、动物和微生物，一般都能够合成各种嘌呤和嘧啶核苷酸，它们的合成途径大致相同。通常核苷酸的生物合成有两条主要途径:一条是利用简单的原料如氨基酸、甲酸盐和CO2等的从头合成(de vovo synthesis);另一条是利用核酸降解的中间产物或外源的核苷，嘌呤碱和嘧啶碱合成新的核苷酸、此途径称补救(salvage)途径。,第五节 核苷酸的合成代谢,1.

22、嘌呤核苷酸的生物合成(1)从头合成 嘌呤核苷酸的从头合成是以5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)提供核糖,在此基础上逐步进行嘌呤酸的”组装”首先形成IMP次黄嘌呤核苷酸,以后再转化为其它各种嘌呤核苷酸。,一、核糖核苷酸的生物合成,嘌呤酸上各原子的来源,次黄嘌呤核苷酸的合成途径所需酶：5-磷酸核糖焦磷转酰基酶 甘氨酰胺核苷酸合成酶 甘氨酰胺核苷酸转甲酰基酶 甲酰甘氨脒核苷酸合成酶 氨基咪唑核苷酸合成酶 氨基咪唑核苷酸羧化酶 氨基咪唑琥珀基氨甲酰核苷酸合成酶腺苷酸琥珀酸裂解酶 氨基咪唑氨甲酰核苷酸转甲酰基酶 次黄嘌呤核苷酸环水解酶,转变为GMP和AMPGTP和ATP的形成,依靠外源的或体内分解的嘌

23、呤核苷合成嘌呤核苷酸。G 腺嘌呤磷酸核酸 GMP a.A+PRPP-AMP+PPi I 转移酶 IMP G or I转移酶 G(或I)+PRPP-GMP+PPi IMPb.嘌呤在核苷磷酸化酶作用下生成嘌呤核苷,后者在激酶作用下与ATP反应生成嘌呤核苷酸。核苷磷酸化酶嘌呤+1-P-核糖-嘌呤核苷 核苷磷酸激酶 嘌呤核苷酸,(2)补救合成途径:,2、嘧啶核苷酸的生物合成,(1)从头合成 嘧啶核苷酸的从头合成和嘌呤核苷酸不同，首先形成的是嘧啶酸，然后才与核糖核酸结合为乳清苷酸,再生成UMP，后者转变为其它的嘧啶核苷酸。嘧啶酸上原子的来源 C氨甲酰磷酸 来自NH3 N3 5C 来自CO2 C2 6C

24、N,天冬氨酸,（2）补救合成途径:,对外源和自身代谢产生的嘧啶碱和核苷也可直接利用。UMP磷酸核糖(1)U+PRPP UMP+PPi 转移酶 尿苷磷酸化酶(2)U+1-P-核糖 尿嘧啶核苷+Pi Mg2+ATP UMP+ADP,脱氧核苷酸是由相应的核糖核苷酸还原生成的，四种核糖核苷酸均是一种酶催化这个还原反应，核糖核苷二磷酸还原酶。底物分别是ADP、UDP、GDP、CDP,它们是由相应的核苷-磷酸激酶催化生成的。激酶(d)NMP+(d)ATP-(d)NDP+(d)ADP(d)NDP+(d)ATP-(d)NTP+(d)ADP,二、脱氧核糖核苷酸的生物合成,NADP+NADPH+H+硫氧还蛋白还原酶 硫氧还蛋白-(SH)2 硫氧还蛋白-S2 核糖核苷酸还原酶 酶B1和B2 NDP dNDP Mg2+ATP ADP B2催化亚基 B1调节亚基,1、脱氧核苷酸的合成（还原）,大肠杆菌中的另一途径：,由dUMP经甲基化而生成由TMP合成酶，甲基供体FH4（四氢叶酸）、NADPHdTMP的来源:a.dUDP+H2O-dUMP+Pi 脱氨 b.dCMP+H2O-dUMP NH3 还原酶 7,8-FH2+NADPH+H+=5,6,7,8-FH4+NADP+Ser羟甲基转移酶 Ser+FH4=Gly+M5、N10-甲叉FH4+H2O,2、dTMP的合成：,嘌呤酸上各原子的来源,