蛋白質的降解和氨基酸的分解代謝

1、第三十章 蛋白質的降解和氨基酸的分解代謝,1. 蛋白質的降解2. 氨基酸的分解代謝3. 尿素的形成4. 氨基酸碳骨架的氧化途徑5. 由氨酸酸衍生的其它重要物質6. 氨基酸代謝缺陷癥,一　蛋白質的降解,蛋白質降解的功能:1. 排除那些不正常的蛋白質，它們若一旦積聚，將對細胞有害；2.通過排除累積過多的酶和調節(jié)蛋白維持細胞正常代謝。,(一) 蛋白質降解的特性,1. 細胞有選擇的降解非正常的蛋白質 血紅蛋白與纈氨酸的類似物

2、α-氨基-β-氯丁 酸結合物在網(wǎng)織紅細胞中半存活期為10分種, 而正常血紅蛋白的半存活期達120天,2. 正常的胞內蛋白質被降解的速度由它們 的個性所決定,3. 細胞中蛋白質降解的速度還因它的營養(yǎng) 及激素狀態(tài)而有所不同,(二) 蛋白質降解的反應機制,1．溶酶體無選擇的降解蛋白質,溶酶體(lysosomes) 單層膜約含有50種水解酶，包括不同種的蛋白酶，稱之為組織蛋白酶。內部pH在5.0 左右胞吞

3、作用無選擇性,細胞內如何能有選擇的降解“過期蛋白”，而不影響細胞的正常功能？,2．泛肽(ubiquitin)給選擇降解的蛋白質加以標記,ATP-依賴的蛋白質有選擇性的分解,內源過期蛋白質,泛肽:76個氨基酸殘基的蛋白質單體，高度保守, 在真核細胞中無所不在(ubiquitous)， 因而得名“ubiquitin”，,第1步：泛肽的羧基在ATP水解的推動下，以巰基與E1相接 第2步：活化了的泛肽立即與

4、E2的巰基相連接 第3步：在E3的催化下，泛肽與宣布無用的蛋白質之一Lys的ε-氨基相接。 此復合物被”泛肽-連接的降解酶”水解E1：泛肽活化酶， E2：泛肽攜帶蛋白， E3：泛肽蛋白連接酶,(三) 機體對外源蛋白質的需要及其消化作用,1. 生理需要量,一個體重70公斤人，吃一般膳食，每天可有400克蛋白質發(fā)生變化。1／4氧化降解或轉變?yōu)樘牵⒂赏庠吹鞍踪|加以補充；3／4在體內進行再循環(huán)。機體每天由尿中以含氮化合物排出的氨基氮

5、約為6-20克成人每日蛋白質最低需要量為30-50克,我國營養(yǎng)學會推薦成人每日蛋白質需要量為80克.,① 必須氨基酸(essential amino acid)指體內需要而自身不能合成,必須由食物供給的氨基酸,共8種:Met, Trp, Lys, Val, Ile, Leu, Phe, Thr②蛋白質的營養(yǎng)價值蛋白質營養(yǎng)價值取決于必須氨基酸的數(shù)量、種類和量質比。,2. 蛋白質的營養(yǎng)價值,3. 蛋白質的消化,（1）胃中消化

6、 胃分泌胃泌素， 刺激胃中壁細胞分泌鹽酸，主細胞分泌胃蛋白酶原, 胃液的酸性(pH1.5-2.5)可促使酶原的激活。 自身激活作用胃蛋白酶原 胃蛋白酶（ 失去N端的42個氨基酸） 它催化具有苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸以及亮氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺等肽鍵的斷裂，,,2.腸中消化 （主要消化器官） 蛋白質在胃中消化后，連同胃液進入小腸。在胃液的酸性

7、刺激下，小腸分泌腸促胰液肽(secretin)進入血液，刺激胰腺分泌碳酸進入小腸中,食物中的氨基酸刺激十二指腸分泌一系列蛋白酶.,胰蛋白酶：賴氨酸、精氨酸的羧基形成的肽鍵內肽酶 糜蛋白酶：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸的羧基形成的肽鍵 彈性蛋白酶:纈氨酸、亮氨酸、絲氨酸、丙氨酸等各 脂肪族

8、氨基酸羧基形成的肽鍵 羧肽酶A:中性氨基酸為羧基末端的肽鍵外肽酶 羧肽酶B :賴氨酸、精氨酸等堿性AA為羧基末端的肽鍵 氨肽酶: 氨基末端的肽鍵,,,提問：不同蛋白酶之間功能上可能有什么區(qū)別？,,,氨肽酶,,,羧肽酶,最終產物—氨基酸,二 氨基酸分解代謝,食物蛋白質消化成氨基酸組織蛋白質分解成的氨基酸體內合成

9、的非必需氨基酸,氨基酸的來源:,,氨基酸的分解過程：1、脫氨（轉化成氨或轉化成天冬氨酸或谷氨酸的氨基）2、氨與天冬氨酸的氮原子結合，成為尿素被排放3、C骨架轉變成代謝中間物,,（一）　氨基酸的脫氨基作用,轉氨基作用（氨基轉移反應） 氧化脫氨基作用 其它脫氨基作用聯(lián)合脫氨基作用,1.　轉氨基作用,轉氨基作用（transamination)a-氨基酸上的a- 氨基借助酶的催化作用轉移到a-酮酸的酮基上，結果原來的氨基酸生

10、成相應的酮酸，原來的酮酸生成相應的氨基酸。,氨基轉移反應,(1) 任意的氨基酸在氨基轉移酶的作用下，把氨基轉移到酶分子上，自身形成a-酮酸。 (2) 酶分子上的氨基轉移到酮酸受體上(例如a-酮戊二酸)，形成產物氨基酸(例如谷氨酸)，同時，酶又再生。,氨基轉移酶的輔酶是吡哆醛-5′-磷酸， 起傳遞氨基的作用,催化轉氨基反應的酶稱為轉氨酶(transaminase)，或稱氨基轉移酶。轉氨酶專一性并不是很高,某種酶對

11、某種氨基酸有較高的活力，但對其他氨基酸也有一定作用。酶的命名是根據(jù)其催化活力最大的氨基酸命名，當今已發(fā)現(xiàn)至少有50種以上的轉氨酶,,,,提示：肝細胞中轉氨酶活力比其他組織高出許多，是血液的100倍抽血化驗若轉氨酶比正常水平偏高則有可能肝組織受損破裂，肝細胞的轉氨酶進入血液。（結合乙肝抗原等指標進一步確定是什么原因引起的）,查肝功為什么要抽血化驗轉氨酶指數(shù)呢？,轉氨基本質上沒有真正脫氨。,氨基轉移酶由于第一步的底物氨基酸特性不同而異，轉

12、氨后產生了不同的a-酮酸產物。但作為a-酮酸底物的，僅能是a-酮戊二酸，或者(少部分的)草酰乙酸，因此只可能產生谷氨酸或天冬氨酸。絕大多數(shù)氨基就這樣形成谷氨酸或天冬氨酸，,氨基大多轉給了α-酮戊二酸（產物谷氨酸）,提問：為什么氨基大多數(shù)轉給α-酮戊二酸？答案：來源有保證，谷氨酸可由氧化脫氨迅速降解產生α-酮戊二酸。,（二）氧化脫氨基作用,脫氫酶(L-谷氨酸脫氫酶) L-氨基酸氧化酶 D-氨基酸氧化酶,脫氫酶,常誤認為是L-氧

13、化酶（大多數(shù)氨基酸都是L型），但該酶分布不普遍，活力低（pH=7)，作用小。,！,提問：那種酶作用最重要？,谷氨酸氧化脫氨,若外環(huán)境NH3大量進入細胞，或細胞內NH3大量積累,α酮戊二酸大量轉化NADH大量消耗三羧酸循環(huán)中斷，能量供應受阻，某些敏感器官（如神經(jīng)、大腦）功能障礙。表現(xiàn)：語言障礙、視力模糊、昏迷、死亡。,氨中毒原理,（四）聯(lián)合脫氨基作用,聯(lián)合脫氨————轉氨與氧化脫氨的聯(lián)合,1 指氨基酸的a －氨基先借助轉氨作用轉移到

14、a—酮戊二酸分子上，生成相應的a－酮酸和谷氨酸，然后谷氨酸在L－谷氨酸脫氫酶的催化下，脫氨基生成a－酮戊二酸同時釋放出氨2 嘌呤核苷酸的聯(lián)合脫氨基作用 次黃嘌呤核苷酸與天冬氨酸作用形成腺苷酸代琥珀酸，后者在裂合酶的作用下，分裂成腺嘌呤核苷酸和延胡索酸，腺嘌呤核苷酸水解后即產生游離氨和次黃嘌呤核苷酸(p307),由于兩種酶活性強，分布廣，動物體內大部分氨基酸聯(lián)合脫氨。,骨骼肌、心肌、肝臟和腦組織主要以嘌呤核苷酸循環(huán)的聯(lián)合脫氨基為

15、主。,天冬氨酸：主要來源于谷氨酸，由草酰乙酸與谷氨酸轉氨而來，催化此反應的酶為谷氨酸—草酰乙酸轉氨酶，簡稱谷草轉氨酶(p308),,（五）氨基酸的脫羧基作用,機體內部分氨基酸可進行脫羧基作用而生成相應的一級胺酶：脫羧酶　　輔酶：磷酸吡哆醛,(六) 氨的命運,體內氨的來源1. 組織分解產生的氨**(主要來源)2. 腸道吸收氨(細菌的腐敗作用): 氨基酸 細菌 氨

16、 尿素 細菌 氨3. 腎小管上皮細胞分泌的氨 谷氨酰胺 谷氨酸 + 氨(NH3),,氨的去路：,高等動物的腦對氨極為敏感，血液中1%的氨就可引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)中毒。,1. 氨的排泄(人:肝臟合成尿素)2. 氨與谷氨酸合成谷氨酰胺3. 氨的再利用 ： 參與合成非必需氨基酸 或其它含氮化合物（如嘧啶堿）4. 腎排氨： 中和

17、酸以銨鹽形式排出,直接排氨，毒性大，不消耗能量。轉化為排氨形式越復雜，越安全，但越耗能。,體內水循環(huán)較慢，NH3濃度較高，需要消耗能量使其轉化為較簡單，低毒的尿素形式。,,,,,體內水循環(huán)迅速，NH3濃度低，擴散流失快，毒性小。,,1. 氨的排泄---安全、價廉,鳥類、爬蟲排尿酸,高等植物，以谷氨酰胺或天冬酰胺形式儲存氨，不排氨。,2.氨的轉運,(1) 氨的轉運主要是通過谷氨酰胺谷氨酰胺

18、 谷氨酰胺合成酶NH4+ + 谷氨酸+ATP 谷氨酰胺+ADP+Pi+ H+,,谷氨酰胺:中性無毒，易透過細胞膜，是氨的主要運輸形式；谷氨酸帶有負電荷，不能透過細胞膜。,,肌肉 蛋白質,,氨基酸,,NH3,,谷氨酸,,,a-酮 戊二酸,葡萄糖,,丙酮酸,丙氨酸,,丙氨酸,丙氨酸,,,,丙酮酸,a-酮 戊二酸,,谷氨酸,,糖異生,葡萄糖,,,葡萄糖,糖分解,轉氨酶,轉氨酶,,NH3,,尿素,鳥氨酸循環(huán),,血

19、液,肝,肌肉,(2) 葡萄糖—丙氨酸循環(huán),總結,提問：為什么肌肉中選擇以丙氨酸的形式轉運氨呢？答案：經(jīng)濟, 高效（一舉兩得）。,三.尿素的形成,1932年發(fā)現(xiàn)檸檬酸循環(huán)的同一人，Hans A Krebs和他的學生觀察到，當往懸浮有肝臟切片的緩沖液中加入鳥氨酸、瓜氨酸或精氨酸的任何一種時，都可促使肝臟切片顯著加快尿素的合成，而其他任何氨基酸或含氮化合物都不能起到上述3種氨基酸的促進作用。,尿素循環(huán)學說,1932年Hanks Krebs

20、和Kurt Hensleit 提出了鳥氨酸循環(huán)學說,鳥氨酸與氨、CO2結合生成瓜氨酸瓜氨酸接受一分子氨生成精氨酸精氨酸水解產生尿素(urea)，重新生成鳥氨酸,尿素生成的主要器官：肝臟。反應部位：肝細胞線粒體及胞液,(一) 尿素合成的反應,1．氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ ，尿素的第一個氮原子的獲取氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ(carbamoyl phosphate synthetase，CPS Ⅰ)嚴格地說，其實不屬于尿素循環(huán)的一員。它催化NH

21、4+及HCO3-使之活化并縮合形成氨甲酰磷酸。它是尿素循環(huán)的兩個含氮底物中的一個。,氨基甲酰磷酸合成酶 I（carbamoyl phosphate synthelase I, CPS-I)N-乙酰谷氨酸（N-acetyl glutamatic acid, AGA),該反應消耗2分子ATP， CPS-I是一種變構酶，AGA是其變構激活劑。CPS-I、AGA都存在于肝細胞線粒體中。,2．鳥氨酸轉氨甲酰酶(ornithine tr

22、anscarbamoylase),3.精氨琥珀酸合成酶(argininosuccinate Synthetase) 尿素第二個氮原子的獲取,4．精氨琥珀酸酶(argininosuccinase),延胡索酸,精氨酸,5. 精氨酸酶(arginase),循環(huán)的特點：耗能:　消耗3個ATP中的４個高能磷酸鍵原料：NH3 、 CO2、 ATP、 天冬氨酸兩個來源不同的氮原子，1個來自氨，1個來自天冬氨酸限速酶: 氨甲酰磷酸合成酶I

23、部位: 反應在線粒體和胞漿與三羧酸循環(huán)的聯(lián)系物質：延胡索酸涉及的氨基酸及其衍生物： 6種:鳥氨酸、精氨酸、瓜氨酸、天冬氨酸、 精氨酸代琥珀酸、N-乙酰谷氨酸總反應式：意義:解除氨毒以保持血氨的低濃度水平,2NH3 + CO2 + 3ATP + 3H2O,+ 2ADP + AMP + 4Pi,,尿素合成的調節(jié),CPS-? 的調節(jié)：　　AGA （N-乙酰谷氨酸）是其激活劑, 　　　　　　　　　　　AGA在 AGA合成酶的催

24、化下合成，　　　　　　　　　　肝中的尿素合成速度與此酶的濃度相關．,高血氨與氨中毒,正常情況下血氨保持動態(tài)平衡：肝中合成尿素是維持平衡的關鍵。高血氨癥：肝功能嚴重損傷時昏迷：氨與腦中的?-酮戊二酸結合生成谷氨酸。腦中氨的增加使腦中?-酮戊二酸減少，導致三羧酸循環(huán)減弱，從而使腦組織中的ATP生成減少，引起大腦功能障礙，嚴重時發(fā)生肝昏迷。降血氨的常用方法：給予谷氨酸；腸道抑菌藥；酸性鹽水灌腸；限制蛋白質進食量。,,四　氨基酸碳骨架的

25、氧化途徑,天冬氨酸,五　生糖氨基酸和生酮氨基酸,有些氨基酸如苯丙氨酸、酪氨酸、亮氨酸、色氨酸，在分解過程中轉變?yōu)橐阴Ｒ阴＃瑿oA，而乙酰乙酰-CoA在動物的肝臟中可轉變?yōu)橐阴Ｒ宜岷挺拢u丁酸，因此這5種氨基酸稱為生酮氨基酸 凡能形成丙酮酸、α－酮戊二酸、琥珀酸和草酰乙酸的氨基酸都稱為生糖氨基酸。因為這些物質都能導致生成葡萄糖和糖原。 有的氨基酸如苯丙氨酸和酪氨酸，既可生成酮體又可生成糖，因此，稱為生酮和生糖氨基酸。,六　由氨基酸衍生

26、的其他重要物質,某些氨基酸在分解代謝過程中產生的含有一個碳原子的基團稱為一碳單位(one carbon unit),（一）　氨基酸與一碳單位,體內的一碳單位：甲基（–CH3）、甲烯基（–CH2–）、甲炔基（–CH=）、甲?；èCCHO）、亞胺甲基（–CH=NH）CO2不是一碳單位一碳單位的來源:Ser, Gly , His, Trp,一碳單位不能游離存在，常與四氫葉酸結合四氫葉酸:是一碳單位的輔酶或載體。一碳單位通常結合在四

27、氫葉酸分子的N5、N10上,1．一碳單位的載體,,,2．一碳單位的相互轉變,3．一碳單位的生理功能,1. 合成嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸的原料，與DNA、RNA的合成關系密切. 如N5，N10 ＝ CH－FH4直接提供甲基用于dUMP向dTMP的轉化。N10－CHO－FH4和N5，N10 ＝ CH－FH4分別參與嘌呤堿中C2，C8原子的生成2. 一碳單位代謝將氨基酸代謝與核苷酸及一些重要物質的生物合成聯(lián)系起來。磺胺藥及某抗癌藥(氨甲

28、喋呤等)正是分別通過干擾細菌及瘤細胞的葉酸、四氫葉酸合成，進而影響核酸合成而發(fā)揮藥理作用的。,(二)氨基酸與生物活性物質,p332,酪氨酸在酪氨酸酶作用下形成二羥苯丙氨酸，再被同一酶作用形成多巴醌(dopaquinone)又稱苯丙氨酸-3,4-醌。酮式的苯丙氨酸-3,4-醌是不穩(wěn)定物質，自發(fā)進行一系列反應形成吲哚5,6-醌，后者聚合形成黑色素(melanin pigment)。,1. 黑色素形成,酪氨酸酶,黑色素的合成,2. 酪氨酸代謝

29、和腎上腺素、去甲腎上腺素、多巴及多巴胺的形成,腎上腺素和去甲腎上腺素最早發(fā)現(xiàn)于腎上腺髓質，其生理功能除對心臟、血管有作用外，還發(fā)現(xiàn)它們與多巴(dopa)、多巴胺(dopamine)這些由酪氨酸衍生來的系列物，都在神經(jīng)系統(tǒng)中起重要作用。它們和神經(jīng)活動、行為以及大腦皮層的醒覺和睡眠節(jié)律等都有關系。,3. 色氨酸代謝與5-羥色胺及吲哚乙酸,5-羥色胺是抑制性神經(jīng)遞質,縮血管作用吲哚乙酸是一種植物生長激素,4. 肌酸的合成,肌酸激酶（crea

30、tine kinase,CK） 或稱肌酸磷酸激酶（creatine phosphokinase,CPK）,主要器官：肝臟原料：甘氨酸、精氨酸、SAM,,-------------,,肌酸和磷酸肌酸在能量儲存及利用中起重要作用。肌酸在肝和腎中合成，廣泛分布于骨骼肌、心肌、大腦等組織中。在肌酸激酶催化下將ATP中~P轉移到肌酸分子中形成磷酸肌酸儲備起來。 CPK由兩種亞基組成；即M亞基(肌型)與B亞基(腦型)。有三種同工酶

31、；即MM型(在骨骼肌中)，BB型（在腦中)和MB型(在心肌中)。心肌梗塞時，血中MB型CPK活性增高，可作輔助診斷的指標之一。 肌酸和磷酸肌酸代謝的終產物肌酐。正常成人，每日尿中肌酐量恒定。腎功能障礙時，檢查血或尿中肌酐含量以幫助診斷。,5．組胺的形成,組胺：強烈的血管舒張劑，刺激胃液分泌,與過敏反應有關,6.腐胺、精胺、亞精胺(精脒)的形成,生物體的生產調節(jié)劑，可能在轉錄和細胞分裂的調節(jié)中起作用。,7．谷氨酸和γ-氨基丁酸,谷

32、氨酸在動物腦中含量占全身各組織的首位。在腦和脊髓中是一種廣泛存在的具有興奮作用的神經(jīng)遞質。谷氨酸脫羧形成γ-氨基丁酸，簡稱GABA，可增加突觸后神經(jīng)細胞膜對Na+的通透性，使神經(jīng)膜超極化，從而提高動作電位的啟動閾值，因此，是腦組織中具有抑制作用的神經(jīng)遞質。,氨基酸代謝中缺乏某一種酶，都可能引起疾患，這種疾病稱為代謝缺陷癥。這類先天性代謝缺陷癥，大部分發(fā)生在嬰兒時期，常在幼年就導致死亡，發(fā)病的癥狀表現(xiàn)有智力遲鈍、發(fā)育不良、周期性嘔吐、沉

33、睡、共濟失調及昏迷等。目前已發(fā)現(xiàn)的氨基酸代謝病已達30多種。,七、氨基酸代謝缺陷癥,先天性氨基酸代謝缺陷癥,(p336),酪氨酸,苯丙氨酸,多巴,多巴,羥苯丙氨酸,去甲腎上腺素,多巴胺,黑色素,多巴醌,尿黑酸,延胡索酸、乙酰乙酸,,,,,,,,,,,酪氨酸酶(黑色素細胞),酪氨酸羥化酶(神經(jīng)組織、腎上腺組織),苯丙氨酸羥化酶,,,苯乙酸,苯丙酮酸,腎上腺素,,,,,尿黑酸氧化酶,病因：肝臟合成的苯丙氨酸羥化酶缺乏。主征：智力低下，尿有

34、霉味或鼠尿味診斷：血中苯丙氨酸增高(>20mg/ml)，尿中苯丙氨酸、苯丙酮酸增高治療：新生兒診斷明確后，即用低苯丙氨酸飲食控制血中苯丙氨酸濃度在3-10mg/ml,,1. 苯 丙 酮 酸 尿 癥,2. 尿黑酸癥,尿黑酸癥是酪氨酸代謝中缺乏尿黑酸氧化酶引起。這種病人尿中含有尿黑酸，在堿性條件下暴露于氧氣中即氧化并聚合成為類似黑色素的物質而使尿顯黑色,因此稱為尿黑酸癥。,病因：黑色素細胞中酪氨酸酶缺乏。主征：皮膚乳白色，毛