第12章蛋白质和氨基酸的代谢.ppt

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1、1,第12章 蛋白质和氨基酸代谢,教学目的：1.熟悉泛肽在蛋白质降解体系中的作用。2.掌握氨基酸分解代谢的公共途径。3.了解合成各种氨基酸碳架的来源。教学重点：氨基酸分解代谢的公共途径。,2,一 蛋白质的降解,活细胞的组成成分在不断地转换更新。细胞总是在不断地由氨基酸合成蛋白质，同时又将蛋白质降解为氨基酸。细胞内蛋白质不断更新的意义：排除一些不正常的蛋白质；通过排除累积过多的酶和调节蛋白使细胞内代谢维持正常状态。酶的活动能力是根据其合成速度和分解速度决定的。在细胞“经济学”中，控制蛋白质的降解与控制其合成速度同等重要。,3,1 蛋白质降解的特性,细胞有选择性地降解非正常蛋白质，大多数非正常蛋白

2、质可能基于某种化学修饰而变得易于降解，在转录和翻译时出现误差产生的受损蛋白质更易降解。细胞内正常蛋白质被排除的速度是由其个性决定，在组织中不同酶的半存活期有较大差异。细胞中蛋白质降解的速度与营养和激素状态而有所不同，在营养不足时，细胞将提高蛋白质降解速度以维持其必需营养源和保证不可缺代谢的正常进行。蛋白质的周转代谢使各种代谢途经能顺利实现。,4,2 蛋白质降解的反应机制,1)溶酶体降解蛋白质体系,溶酶体为单层膜细胞器，内含50多种水解酶。内部pH5.0左右，其中酶的最适pH都是酸性的，在细胞质生理pH下无活性。溶酶体可降解膜蛋白、细胞外蛋白质和长存活期蛋白质。通过吞噬泡将胞内分解物降解，通过胞

3、吞作用将胞外蛋白质降解。溶酶体降解蛋白质无选择性。许多正常和病理活动可使溶酶体活性升高。如糖尿病会刺激溶酶体对蛋白质的分解；产后子宫体在9天内从2 kg萎缩到50 g；慢性炎症可引起溶酶体酶向细胞外释放，而损伤周围组织。,5,2)ATP-依赖性的蛋白质降解体系,ATP-依赖的蛋白质分解需要有泛肽相伴。泛肽是有76个氨基酸残基的蛋白质单体，广泛存在于各种真核细胞中。氨基酸序列高度保守，在不同种属生物中只相关几个氨基酸。泛肽以共价键与被降解蛋白质相连接，对被选定降解的蛋白质加以标记，这个过程分为3步：在“需-ATP”的情况下，泛肽的羧基末端通过硫酯键与泛肽活化酶(E1)偶联。泛肽转移到泛肽携带蛋白

4、(E2)的巯基上，形成“泛肽-携带蛋白”。,6,泛肽-蛋白连接酶(E3)将活化了的泛肽转移到赖氨酸的-氨基上，形成异肽键。在选择蛋白质降解过程中E3起关键作用。泛肽连接的蛋白质被“蛋白水解酶体”降解，该酶只对泛肽结合的蛋白质有效。,7,3 机体对外源蛋白质的需要及其消化作用,高等动物摄入的蛋白质在消化道内经过一系列的消化过程降解为氨基酸，吸收后经血液循环，进入肝脏及其他组织细胞。蛋白质在胃内经胃蛋白酶水解成较小分子多肽，在小肠中经胰蛋白酶、糜蛋白酶、弹性蛋白酶的作用水解成短链肽和部分游离氨基酸；短链肽再经羧肽酶、氨肽酶的作用变为游离氨基酸。氨基酸在细胞内的代谢途经：合成蛋白质、转化为糖或脂肪酸

5、和氧化分解。,8,1)胃蛋白酶,Pepsin:R1=苯丙氨酸(Phe)，色氨酸(Trp)，酪氨酸(Tyr)；亮氨酸(Leu)以及其它疏水性氨基酸水解速度较快。,9,2)胰蛋白酶,R1=赖氨酸(Lys)和精氨酸(Arg)侧链(专一性较强，水解速度快)。,10,3)糜蛋白酶或胰凝乳蛋白酶,Chymotrypsin:R1=苯丙氨酸(Phe)、色氨酸(Trp)、酪氨酸(Tyr);亮氨酸(Leu)，蛋氨酸(Met)和组氨酸(His)水解稍慢。,11,4)羧肽酶和氨肽酶,分别从肽链羧基端和氨基端水解。,12,4 氮平衡,氮是蛋白质、核酸等含氮化合物的组成成分，是生物必不可少的营养元素。人和动物从食物中摄取

6、的蛋白质，在消化道中经多种酶水解成氨基酸，被吸收。氨基酸是蛋白质、核酸等生物分子合成的素材，细胞内总是有相当数量的游离氨基酸存在。这些游离氨基酸一部分是从外界吸收的，一部分是细胞自身合成的，也有的是由体内蛋白质更新释放出来的，细胞内所有游离存在的氨基酸称为氨基酸库。库内氨基酸不断被利用，又不断被补充，处于动态平衡中。,13,细胞内蛋白质,分解,合成,氨基酸库,脱氨,氨基化,转化,非蛋白质含氮物质(嘌呤,嘧啶,核酸,卟啉等),外源蛋白质,氨基酸合成代谢,氨,铵盐酰胺,-酮酸,糖,脂肪,CO2+H2O+ATP,氨基酸代谢概况,14,1)总氮平衡,人体摄入的氮量与排出的氮量相等，称为总氮平衡。各组织

7、细胞内蛋白质的分解与合成处于动态平衡状态。,2)正氮平衡,摄入的氮量多于排出的氮量，称为正氮平衡。体内蛋白质合成大于分解。如儿童，孕妇和恢复期病人。,3)负氮平衡,排出的氮量多于摄入的氮量，称为负氮平衡。体内蛋白质分解大于合成。如慢性消耗性疾病、组织创伤或食物中蛋白质量过低等。,15,5 必需氨基酸与非必需氨基酸,组成蛋白质的氨基酸有20种，其中有些氨基酸可在人和动物体内合成，或由别的氨基酸转变而来，称为非必需氨基酸。有些氨基酸在人和动物体内不能合成，也不能由别的氨基酸转变而来，必须由食物提供，称为必需氨基酸。人体必需的氨基酸有8种，即：缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、色氨酸、苏氨

8、酸和赖氨酸。,16,二 氨基酸的分解代谢,不同氨基酸的分解代谢途径有共性，也有个性。一方面因为所有-L-氨基酸分子都有共同的结构特征，因而具有相同的分解代谢途径；另一方面氨基酸的R基团都不一样，而各自有其特殊代谢途径。氨基酸分解代谢的公共途径有脱氨基作用、脱羧基作用和脱氨脱羧作用等。氨基酸经脱氨、脱羧后，生成的有机酸、胺、NH3、CO2等产物可被进一步分解利用或排出体外。,17,转氨基作用又称氨基移换作用，是-氨基酸和-酮酸之间的氨基转移作用。-氨基酸的-氨基在转氨酶的催化下转移到-酮酸的酮基位置，结果原来的氨基酸生成相应的-酮酸，原来的-酮酸形成相应的-氨基酸。,1 转氨基作用,18,19,

9、2 葡萄糖-丙氨酸循环将氨运入肝脏,在肌肉中有种氨基转移酶，可将丙酮酸转化为丙氨酸后释放进入血液，传送到肝脏。在肝脏中经过转氨作用又变为丙酮酸，经葡萄糖异生作用形成葡萄糖后再回到肌肉中，经糖酵解途经降解为丙酮酸。这个途经称为葡萄糖-丙氨酸循环。细胞内的氨基酸最后以氨或天冬氨酸为终产物，再经尿素循环，形成氮的终级产物尿素。葡萄糖-丙氨酸循环起着将氨转入肝脏的作用。,20,3 谷氨酸脱氢酶催化的氧化脱氧基作用,谷氨酸携带着由许多氨基酸脱下的氨基进入肝细胞后，经细胞质进入到线粒体内。由谷氨酸脱氢酶催化其氧化脱氢作用。氨基酸由氨基转移酶和谷氨酸脱氢酶联合脱掉氨基的作用称为联合脱氨基作用。体内大部分氨基

10、酸可通过联合脱氨的方式脱掉氨基。氨基酸的氨基先转给-酮戊二酸，生成相应的-酮酸和谷氨酸，谷氨酸再在谷氨酸脱氢酶的作用下，脱去氨基，重新生成-酮戊二酸。,21,22,4 氨的去向,氨基酸脱氨基后产生的氨对机体而言是有毒物质。血液中1%的氨就能引起神经系统中毒，表现为语言紊乱、视力模糊、发生特有的机体震颤，甚至昏迷死亡。机体防止高浓度氨的措施：由谷氨酸脱氢酶将-酮戊二酸氨基化成谷氨酸；由谷氨酰胺合成酶催化谷氨酸与氨结合成谷氨酰胺。后者是脑组织氨的主要解除方式。谷氨酰胺透过细胞膜经血液运送到肝脏，再将其分解为谷氨酸和氨。,23,不同物种排泄氨的方式不同。微生物将游离氨用于形成细胞其他含氮物质，从氨基

11、酸上脱下的氨用于生物合成，多余的氨排到环境中。鱼类和水生两栖类将氨直接排出体外。鸟类和陆生爬行类以尿酸的形式排氨。绝大多数陆生动物将氨转变为尿素排泄。,24,25,三 尿素的形成,1 氨甲酰磷酸的合成,在氨甲酰磷酸合成酶的催化下，使NH3和HCO-3活化缩合形成氨甲酰磷酸。,氨甲酰磷酸,26,2 瓜氨酸的合成,在鸟氨酸转氨甲酰酶的作用下，将氨甲酰磷酸的氨甲酰基转移到鸟氨酸上，形成瓜氨酸。此反应在线粒体中进行，鸟氨酸先从细胞质转动到线粒体内，瓜氨酸再从线粒体转动到细胞质中。,27,3 精氨琥珀酸的形成,在精氨琥珀酸合成酶的作用下，瓜氨酸的脲基与天冬氨酸的氨基缩合成精氨琥珀酸。,28,4 精氨酸的

12、形成,在精氨琥珀酸酶的催化下，从精氨琥珀酸碳架上脱下延胡索酸后形成精氨酸。,29,5 尿素的产生,在精氨酸酶的催化下，从精氨酸上水解下一个尿素分子，并再生成瓜氨酸。瓜氨酸又回到线粒体中进行下一轮尿素循环。,30,鸟氨酸循环,鸟氨酸,精氨酸,天冬氨酸,精氨琥珀酸,延胡索酸,瓜氨酸,31,四 氨基酸碳骨架的分解代谢,脊椎动物体内的20种氨基酸的碳骨架，分别由20种不同的多酶体系进行氧化分解。虽然氧化分解的途经各异，但都集中形成7种中间产物而进入柠檬酸循环。分别是：丙酮酸、乙酰CoA、乙酰乙酰CoA、草酰乙酸、延胡索酸、琥珀酰CoA、-酮戊二酸。如果氨基酸脱羧形成胺后就失去进入柠檬酸循环的可能性。氨

13、基酸的分解途经并不是其合成途经的逆转。脊椎动物的氨基酸分解代谢主要在肝脏中进行。,32,丙氨酸半光氨酸甘氨酸丝氨酸苏氨酸,异亮氨酸亮氨酸色氨酸,乙酰CoA,乙酰乙酰CoA,苯丙氨酸酪氨酸亮氨酸赖氨酸色氨酸,丙酮酸,天冬氨酸天冬酰胺,酪氨酸苯丙氨酸,异亮氨酸蛋氨酸缬氨酸,精氨酸组氨酸谷氨酰胺脯氨酸,谷氨酸,氨基酸碳链进入三羧酸循环的路径,33,五 生物固氮,生物体内氨基酸分子中的N元素最初来源于空气中的N2。自然界中只有少数细菌和蓝绿藻类能将空气中的2还原为NH3(NH4+)，这种将分子氮转化为含氮化合物的过程称为生物固氮。土壤微生物将NH4+氧化为NO2-及NO3-称为硝化作用。植物和许多微生

14、物含有硝酸和亚硝酸还原酶将NO2-及NO3-再还原成NH4+。植物能用NH4+作为合成氨基酸的氮源，动物则利用植物作为氨基酸的来源。,34,35,1 固氮生物类型,迄今已知的能固氮的生物属于原核生物，分为两大类：能独立生存的自生固氮微生物，包括细菌、放线菌、蓝藻等；与其他植物共生的共生型固氮微生物(根瘤菌)。,大豆根瘤,36,2 固氮酶,生物固氮是由固氮酶催化进行的，固氮酶是由固氮酶和还原酶组成的固氮酶复合体。固氮酶又称钼铁蛋白，是由两对不同的亚基组成的四聚体(22)，其活性中心位于亚基内，由MoFe7S9原子簇和一个异柠檬酸组成，被称为铁钼辅因子(FeMoco)，是络合和还原N2生成NH3的

15、部位。另一Fe8S7原子簇位于和亚基之间，负责将电子传递给FeMoco，用于将N2还原成NH3并放出H2。,37,还原酶又称铁蛋白，是由2个相同亚基组成的二聚体(2)，Fe4S4原子簇位于两个亚基之间，其功能 是将由代谢过程产生的电子传递给钼铁蛋白的Fe7S8原子簇，再转移给FeMoco。还原酶向固氮酶每转移1个电子要消耗2个ATP。生物固氮化学反应总式：N2+8e-+16ATP+16H2O2NH3+H2+16ADP+16Pi+8H+氧对固氮酶复合体有很强的抑制作用，固氮酶催化的反应需在厌氧环境下进行。,38,生物固氮过程是一个相当复杂的过程，目前对其了解还有限。自生和共生固氮菌的固氮酶均由钼

16、铁蛋白和铁蛋白组成，这两种蛋白单独存在时均无活性，只有组合成复合体才能具有催化氮还原功能。不同来源的两种蛋白可交叉组合，但有明显物种特异性。对根瘤菌中的固氮酶目前只有部分了解，对其组成、结构及固氮机制还缺乏全面的认识。固氮酶的活性受两个重要调节系统的调节：一是氧防护系统，二是氨同化系统。N2是惰性气体，两个N原子间的键能很高，化学合成和生物固氮都要消耗大量的能量。,39,3 氨的同化作用,由生物固氮作用形成的氨是合成氨基酸的氮源，也是其他含氮化合物的氮源。在氨的同化作用中谷氨酸和谷氨酰胺起着重要的桥梁作用，通过转氨基作用谷氨酸可为大多数氨基酸的生成提供氨基，谷氨酰胺的酰胺氮是生物合成中的广泛氨

17、基提供者。谷氨酸脱氢酶可催化-酮戊二酸还原氨基化成谷氨酸。谷氨酰胺合成酶可催化谷氨酸与有毒的氨形成无毒的谷氨酰胺。,40,六 氨基酸的生物合成,有些氨基酸只能在植物或微生物细胞中合成，人和动物不具备合成全部氨基酸的途经，必须从食物中获得不能合成的氨基酸。这些不能自己合成，必须从食物中获得的氨基酸称为必需氨基酸。人体必需的氨基酸有8种，即：缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、色氨酸、苏氨酸和赖氨酸。不同生物合成氨基酸的能力有差异，合成途经也不尽相同，但存在一些共性。即各种氨基酸碳架来源于糖代谢途经中的几种关键中间体，氨基多数来自谷氨酸和谷氨酰胺的转氨基作用。,41,1 由-酮戊二酸形成的

18、氨基酸,谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸、精氨酸和赖氨酸的碳架来自-酮戊二酸。见P454455图27-35。,42,2 由草酰乙酸形成的氨基酸,天冬氨酸、天冬酰胺、甲硫氨酸、苏氨酸和赖氨酸的碳架来自草酰乙酸。见P456图27-6。,43,3 由丙酮酸形成的氨基酸,丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的碳架来自丙酮酸。见P457图27-7。,44,4 由3-磷酸甘油酸形成的氨基酸,甘氨酸、丝氨酸和半胱氨酸的碳架来自3-磷酸甘油酸。见P458图27-8。,45,5 由磷酸烯醇式丙酮酸和4-磷酸赤藓糖形成的氨基酸,色氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸的碳架来自磷酸烯醇式丙酮酸和4-磷酸赤藓糖。见P459461图27-913

19、。,46,6 5-磷酸核糖形成的氨基酸,组氨酸的6个碳原子中有5个来自5-磷酸核糖-1-焦磷酸。见P462图27-14。,47,提 要,细胞内蛋白质处在不断合成与分解中，有选择性地降解非正常蛋白质。ATP-依赖的蛋白质分解需要有泛肽相伴，泛肽连接的蛋白质被“蛋白水解酶体”降解，该酶只对泛肽结合的蛋白质有效。细胞内所有游离存在的氨基酸称为氨基酸库，库内氨基酸不断被利用，又不断被补充，处于动态平衡中。,48,蛋白质的消化过程是由种胞外蛋白酶协同催化进行，逐渐降解，生成多肽寡肽二肽氨基酸。有些氨基酸在人和动物体内不能合成，也不能由别的氨基酸转变而来，必须由食物提供，称为必需氨基酸。人体必需的氨基酸有8种。氨基酸分解代谢的公共途径有脱氨基作用、脱羧基作用和脱氨脱羧作用等。机体防止高浓度氨的措施：由谷氨酸脱氢酶将-酮戊二酸氨基化成谷氨酸；由谷氨酰胺合成酶催化谷氨酸与氨结合成谷氨酰胺。,49,氨基酸碳骨架的氧化分解的途经各不相同，但都集中形成7种中间产物而进入柠檬酸循环。分别是：丙酮酸、乙酰CoA、乙酰乙酰CoA、草酰乙酸、延胡索酸、琥珀酰CoA、-酮戊二酸。不同生物合成氨基酸的能力有差异，合成途经也不尽相同，但存在一些共性。即各种氨基酸碳架来源于糖代谢途经中的几种关键中间体，氨基多数来自谷氨酸和谷氨酰胺的转氨基作用。,