生物化学第11章-蛋白质的降解和氨基酸代谢

第11章蛋白质的降解和氨基酸代谢11.1蛋白质的酶促降解11.1.1细胞内蛋白质的降解11.1.2外源蛋白的酶促降解11.2氨基酸的分解代谢11.2.1氨基酸的脱氨基作用11.2.2氨基酸的脱羧基作用11.2.3氨的代谢去路11.2.4α-酮酸的代谢去路11.3氨基酸合成代谢11.3.1氨基酸合成途径的类型11.3.2氨基酸代谢与一碳单位11.3.3氨基酸与某些生物活性物质的合成蛋白质代谢的概念（阅读）2-1蛋白质有自己的存活时间，短到几分钟，长到几周，根据需要，细胞总是不断地从氨基酸合成蛋白质，又把蛋白质降解为氨基酸；不同生物其合成蛋白质的能力不同，所摄取的氮源也不同，但要合成蛋白质，必须先合成氨基酸；蛋白质代谢的概念（阅读）2-2蛋白质的代谢主要是讨论生物机体内氨基酸和蛋白质的合成、分解和转变的化学过程，以及这些过程与生物机体的生殖、发育和一切生理之间的关系；微生物、植物与动物的蛋白质代谢途径有相同之处，也有不同之处；蛋白质与糖、脂和核酸的代谢之间存在有相互转变、相互依存和相互制约的关系；不同生物的氨基酸代谢不同多数细菌，体内的氨基酸分解代谢不占主要位置，而以氨基酸合成为主；有些细菌以氨基酸为唯一碳源，这类细菌以氨基酸分解为主；高等植物随机体不断增长需要氨基酸，因此合成过程胜于分解过程；11.1蛋白质的酶促降解11.1.1细胞内蛋白质的降解P286细胞内的蛋白质有其存活的时间，从几分钟到几个星期或更长；目前一般认为真核细胞对蛋白质的降解有两个体系：①溶酶体降解；②依赖ATP，在细胞溶胶中以泛素（ubiquitin，Ub）标记的选择性蛋白质的降解。蛋白质的降解的两个体系--①溶酶体降解溶酶体中约含50种水解酶类，其中包括蛋白水解酶。溶酶体内pH约为5，其所含酶类均具有酸性最适pH，在细胞溶胶的pH条件下大部分酶都将失活，这可能是对细胞本身的一种保护。在营养充足的细胞中，溶酶体的蛋白质降解是非选择性的。在饥饿细胞中，这种降解会消耗一部分细胞必蛋白。蛋白质的降解的两个体系--②以泛素标记的选择性蛋白质的降解泛素系统（UPS）广泛存在于真核生物中，是精细的特异性蛋白质降解系统。由泛素、26S蛋白酶体、多种酶构成；泛素可通过酶作用，消耗ATP，给选择降解的蛋白质加上标记，被标记的蛋白质由蛋白酶体水解成小肽，小肽再由细胞溶胶中的肽酶水解为氨基酸；原核生物中没有泛素；11.1.2外源蛋白的酶促降解以人体为例：外源蛋白质进入体内，先经水解作用变为小分子氨基酸，然后被吸收；食物蛋白质经口腔、胃、小肠等消化器官，在这些器官分泌的各种蛋白水解酶作用下被水解为氨基酸；人体内分泌的主要蛋白酶原①胃蛋白酶原：由胃壁细胞分泌，无活性，经激活转变成胃蛋白酶；②胰酶酶原：由胰腺分泌，包括胰蛋白酶原、胰凝乳蛋白酶原和羧肽酶原等。在十二指肠内，胰蛋白酶原经肠激酶作用转变成有活性的胰蛋白酶，催化其他胰酶酶原激活。蛋白质水解酶蛋白水解酶：使肽键断裂，对不同氨基酸形成的肽键有专一性，分为三类：1.肽链内切酶：能水解肽链内部的肽键，如胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶；2.肽链外切酶：水解肽链两端氨基酸形成的肽键，如羧肽酶、氨肽酶；3.二肽酶：水解二肽；举例：几种蛋白水解酶的作用70公斤的人体每天由尿以含氮化合物排出的氨基氮约6-20克（每排泄5克氮相当于丢失30克内源蛋白质）；氨基酸代谢概况P288图11-111.2氨基酸的分解代谢P288氨基酸的共同代谢途径P288天然氨基酸都含有α-氨基和羧基，有共同代谢途径；氨基酸的共同代谢途径包括：1.脱氨基作用：主要代谢途径；2.脱羧基作用；我们将追踪每一种代谢物的去路。不同氨基酸侧链基团不同，所以还有特殊代谢途径氨基酸的特殊代谢途径：略。11.2.1氨基酸的脱氨基作用氨基酸脱氨基作用产生两种产物：α-酮酸和氨；氨基酸脱氨基作用主要有3种1.氧化脱氨基；2.转氨基；3.移换脱氨基；（1）氧化脱氨基作用该作用普遍存在于动植物中，在线粒体内进行。反应式：1.脱氢2.脱氨催化氧化脱氨基作用的酶P289（1）L-氨基酸氧化酶（辅基为FMN或FAD）；（2）D-氨基酸氧化酶（辅基为FAD）；（3）L-谷氨酸脱氢酶（辅酶为NAD+或NADP+）等；其中：L-谷氨酸脱氢酶活性最高；真核生物的L-谷氨酸脱氢酶大部分分布在线粒体基质内，属别构酶；大部分脱氨基作用发生于Glu的氧化脱氨基作用别构酶（2）转氨基作用P290氨基酸脱下氨基生成相应酮酸，氨基转移到另一α-酮酸上产生相应新氨基酸：单靠转氨作用不能最终脱掉氨基；转氨基作用在细胞溶浆中和线粒体内都能进行；转氨酶转氨酶(氨基转移酶)催化转氨基反应；转氨酶的辅酶是磷酸吡哆醛，是B6的磷酸酯。功能是携带NH2基（参见P191）；α-酮戊二酸和Glu草酰乙酸和Asp（1）α-酮戊二酸具有接受氨基的优势:AA+α-酮戊二酸α-酮酸+Glu（2）Glu的氨基在第二步转氨基中转移到草酰乙酸上：Glu+草酰乙酸α-酮戊二酸+Asp转氨作用在生物体内普遍存在；部分氨基酸不能参加转氨作用，如Gly、Thr、Lys、Pro、Hyp；转氨基反应式P290由上式1.Glu脱氨：形成α-酮戊二酸；α-酮戊二酸接受氨基：形成Glu；2.丙酮酸接受氨基形成Ala；谷丙转氨酶催化该转氨反应。3.草酰乙酸接受氨基形成Asp；谷草转氨酶催化该转氨反应。因大部分的脱氨基作用发生于Glu的氧化脱氨基作用，所以α-酮戊二酸是氨基传递体，可由三羧酸循环中大量产生；转氨基作用沟通了糖与蛋白质的代谢P290转氨基作用使α-酮酸与α-氨基酸相互转化，该作用既是氨基酸分解代谢开始步骤，也是非必需氨基酸合成代谢步骤；由糖代谢所产步的丙酮酸、草酰乙酸和α-酮戊二酸可分别转变为Ala、Asp和Glu，同时自蛋白质分解代谢而来的这三种氨基酸也可转变为丙酮酸、草酰乙酸和α-酮戊二酸，参加三羧酸循环，这些相互转变的过程都是通过转氨作用实现，沟通了糖与蛋白质的代谢。（3）联合脱氨基作用P291Glu在氨基酸代谢中处于中心位置；（4）非氧化脱氨基作用略。（5）脱酰氨基作用略。11.2.2氨基酸的脱羧基作用P293机体内部分氨基酸在脱羧酶催化下脱羧生成两种产物：CO2和伯胺化合物（胺）；脱羧酶的辅酶为磷酸吡哆醛，专一性很高，一般是一种氨基酸一种脱羧酶，且只对L-氨基酸起作用；脱羧反应和两种产物P293伯胺脱羧反应的产物：CO2、胺CO2和胺的去路P2941.CO2：可由肺呼出，等；2.胺：绝大多数胺类对动物有毒；（1）胺被氧化为氨和醛（由胺氧化酶催化），醛进一步氧化成脂肪酸；脂肪酸有多种去路：可再分解成CO2和H2O，等；（2）胺随尿直接排除。AA脱羧后形成的胺具有许多重要的生理作用（阅读P294）AA脱羧反应普遍存在于微生物、高等动、植物组织中。动物的肝、肾、脑中都发现有氨基酸脱羧酶，脑组织中富有L-谷氨酸脱羧酶，能使L-Glu脱羧形成γ-氨基丁酸。AA脱羧后形成的胺绝大多数对动物有毒，但许多具有重要生理作用：1.γ-氨基丁酸是重要的神经递质；2.His脱羧形成的组胺有降低血压的作用,又是胃液分泌的刺激剂；3.Tyr脱羧形成酪氨有升高血压的作用。11.2.3氨的代谢去路P294氨基酸脱氨基作用产物有两种：（1）氨；（2）α-酮酸（碳骨架）；（1）氨的排泄方式P295氨对生物体有毒，特别是高等动物的脑对氨极为敏感，血液中1％的氨就可引起中枢神经系统中毒；机体取3种形式排出多余氨基氮：①排氨:许多水生动物以氨的形式将氮排出体外，排泄时需水；②排尿素:绝大多数陆生脊椎动物将氨转变为尿素排出；③排尿酸:鸟类和陆生爬行动物将氨形成固体尿酸悬浮液排出；（2）氨的转运细胞内的氨需转运到细胞外进入到血液中，再运送到排泄部位；不同的生物排氨形式和排氨部位不同；①以谷氨酰胺形式转运：是氨转运的主要形式；NH4十Glu十ATP→Gln十ADP十Pi十H+谷氨酰胺合成酶催化该反应；Gln是电中性无毒物质，可通过细胞膜进入血液，将氨带到血液；血液中的Gln血液中的Gln被运送到肝脏，肝细胞的谷氨酰胺酶再将Gln降解为Glu和氨：Gln十H2O→Glu十NH+1.排尿素动物的排氨：氨在肝中合成尿素，由肾脏排泄；2.排氨动物：游离氨直接排出体外；②以丙氨酸的形式转运：发生在动物肌肉中葡萄糖-丙氨酸循环P296图11-3糖异生糖酵解+NH3①转氨基作用②丙氨酸经血液循环到达肝脏③丙氨酸脱氨④氨形成尿素⑤尿素排除体外葡萄糖-丙氨酸循环的生理作用P295转运一分子Ala相当于将1分子氨和1分子丙酮酸从肌肉带到肝，既清除了肌肉中的氨，又避免了丙酮酸或乳酸在肌肉中的积累。（3）尿素的生成和鸟（素）氨酸循环尿素的生物合成——尿素循环P297（ureacycle，鸟氨酸循环）排尿素动物在肝脏中合成尿素，由循环机制—鸟氨酸（尿素）循环完成；合成的尿素进入血液，再被肾脏汇集，从尿中排除；鸟氨酸循环概貌：P297图11-4鸟氨酸循环部分在线粒体中进行，部分在细胞溶胶中进行；尿素循环与柠檬酸循环之间的沟通尿素循环详图2molATP氨甲酰磷酸P297图11-4尿素循环详述尿素循环共5步酶促反应：2步发生在线粒体内，3步发生在细胞溶胶中；尿素的两个N原子：1个来自氨分子，1个来自Asp分子；尿素的C原子：来自HCO3－（活性CO2）；（1）尿素第一个氮原子的获取P297反应发生于细胞溶胶；NH4+在ATP、Mg2+存在下与HCO3－缩合：形成氨甲酰磷酸；氨甲酰磷酸合成酶(carbamoylphosphatesynthetase，CPS)（该酶不属于尿素循环的一员）催化该反应；反应伴随有两个ATP的水解。（2）氨甲酰磷酸的氨甲酰基转移到鸟氨酸上形成瓜氨酸此反应发生在线粒体中；鸟氨酸转氨甲酰酶（ornithinetranscarbamoylase）催化该反应；鸟氨酸转氨甲酰酶氨甲酰磷酸鸟氨酸转氨甲酰酶鸟氨酸产生于细胞溶胶，它通过一个特异运送体系进入线粒体；尿素循环的以后几步都在细胞溶胶中进行，瓜氨酸从线粒体中脱出。精氨琥珀酸合成酶（3）尿素第二个氮原子的获取P298瓜氨酸的脲基与Asp的氨基缩合，形成精氨琥珀酸；精氨琥珀酸合成酶（arginosuccinatesynthetase）催化该反应；（4）精氨琥珀酸中的Arg与Asp的碳骨架脱离形成Arg和延胡索酸精氨琥珀酸形成后，尿素分子的全部组成成分备齐。但Asp所提供的氨基仍连接在其碳骨架上；在精氨琥珀酸酶（argininosuccinase，精氨琥珀酸酶裂解酶）催化下，Arg与Asp的碳骨架脱离，脱下的是延胡索酸，Arg最终成为尿素的直接前体；精氨琥珀酸裂解形成Arg和延胡索酸延胡索酸是三羧酸循环中的中间代谢物；它经三羧酸循环变为草酰乙酸，草酰乙酸与Glu经转氨作用又形成Asp，继续循环；所以：延胡索酸是两循环的连接点；精氨琥珀酸精氨琥珀酸酶（5）Arg水解生成尿素及再生成鸟氨酸P298精氨酸酶（arginase）催化该反应；再生成的鸟氨酸又回到线粒体中进入另一轮尿素循环；精氨酸酶尿素循环与柠檬酸循环之间的沟通P299通过尿素循环中的精氨琥珀酸裂解后形成的延胡索酸和在柠檬酸循环中形成的草酰乙酸（经转氨基反应形成天冬氨酸）将两循环连接在一起；尿素-柠檬酸双循环鸟氨酸循环中：Asp+瓜氨酸→精氨琥珀酸→（裂解）Arg+延胡索酸→草酰乙酸→（转氨）→Asp→（进入）鸟氨酸循环；鸟氨酸循环与三竣酸循环关系密切。所以也称尿素-柠檬酸双循环；通过这一循环可消除氨毒和消耗一部分体内不需要的CO2。尿素-柠檬酸双循环图示P299图11-5鸟氨酸循环把2个氨基和1个碳原子（CO2）转化为非毒性的排泄物尿素；每生成1mol尿素消耗4molATP；尿素是哺乳动物的蛋白质代谢的最终产物；尿素循环中的能量变化循环中使用了4个“高能”磷酸键（3个ATP水解为2个ADP及Pi，1个AMP和PPi，后者随之迅速水解为P