第九章氨基酸代谢

１第九章氨基酸代谢植物、微生物从环境中吸收氨、铵盐、亚硝酸盐、硝酸盐等无机氮，合成各种氨基酸、蛋白质、含氮化合物。人和动物消化吸收动、植物蛋白质，得到氨基酸，合成蛋白质及含氮物质。有些微生物能把空气中的N2转变成氨态氮，合成氨基酸。第一节蛋白质消化、降解及氮平衡一、蛋白质消化吸收哺乳动物的胃、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。肠粘膜细胞还可吸收二肽或三肽，吸收作用在小肠的近端较强，因此肽的吸收先于游离氨基酸。二、蛋白质的降解人及动物体内蛋白质处于不断降解和合成的动态平衡。成人每天有总体蛋白的1%～2%被降解、更新。不同蛋白的半寿期差异很大，人血浆蛋白质的t1/2约10天，肝脏的t1/2约1～8天，结缔组织蛋白的t1/2约180天，许多关键性的调节酶的t1/2均很短。真核细胞中蛋白质的降解有两条途径：一条是不依赖ATP的途径，在溶酶体中进行，主要降解外源蛋白、膜蛋白及长寿命的细胞内蛋白。另一条是依赖ATP和泛素的途径，在胞质中进行，主要降解异常蛋白和短寿命蛋白，此途径在不含溶酶体的红细胞中尤为重要。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。三、氨基酸代谢库食物蛋白中，经消化而被吸收的氨基酸（外源性a.a）与体内组织蛋白降解产生的氨基酸（内源性a.a）混在一起，分布于体内各处，参与代谢，称为氨基酸代谢库。氨基酸代谢库以游离a.a总量计算。肌肉中a.a占代谢库的50％以上。肝脏中a.a占代谢库的10％。肾中a.a占代谢库的4％。血浆中a.a占代谢库的1～6％。２肝、肾体积小，它们所含的a.a浓度很高，血浆a.a是体内各组织之间a.a转运的主要形式。氨基酸代谢库图四、氮平衡食物中的含氮物质，绝大部分是蛋白质，非蛋白质的含氮物质含量很少，可以忽略不计。氮平衡：机体摄入的氮量和排出量，在正常情况下处于平衡状态。即，摄入氮＝排出氮。氮正平衡：摄入氮＞排出氮，部分摄入的氮用于合成体内蛋白质，儿童、孕妇。氮负平衡：摄入氮＜排出氮。饥锇、疾病。第二节氨基酸分解代谢氨基酸的分解代谢主要在肝脏中进行。氨基酸的分解代谢一般是先脱去氨基，形成的碳骨架可以被氧化成CO2和H2O，产生ATP，也可以为糖、脂肪酸的合成提供碳架。一、脱氨基作用主要在肝脏中进行（一）氧化脱氨基第一步，脱氢，生成亚胺。第二步，水解。P219反应式：生成的H2O2有毒，在过氧化氢酶催化下，生成H2O+O2↑，解除对细胞的毒害。1、催化氧化脱氨基反应的酶（氨基酸氧化酶）（1）、Ｌ—氨基酸氧化酶有两类辅酶，Ｅ—ＦＭＮＥ—ＦＡＤ（人和动物）对下列a.a不起作用：Gly、β-羟氨酸（Ser、Thr）、二羧a.a（Glu、Asp）、二氨a.a（Lys、Arg）真核生物中，真正起作用的不是L-a.a氧化酶，而是谷氨酸脱氢酶。（2）、D-氨基酸氧化酶E-FAD有些细菌、霉菌和动物肝、肾细胞中有此酶，可催化D-a.a脱氨。３（3）、Gly氧化酶E-FAD使Gly脱氨生成乙醛酸。（4）、D-Asp氧化酶E-FADE-FAD兔肾中有D-Asp氧化酶，D-Asp脱氨，生成草酰乙酸。（5）、L-Glu脱氢酶E-NAD+E-NADP+P220反应式：真核细胞的Glu脱氢酶，大部分存在于线粒体基质中，是一种不需O2的脱氢酶。此酶是能使a.a直接脱去氨基的活力最强的酶，是一个结构很复杂的别构酶。在动、植、微生物体内都有。ATP、GTP、NADH可抑制此酶活性。ADP、GDP及某些a.a可激活此酶活性。因此当ATP、GTP不足时，Glu的氧化脱氨会加速进行，有利于a.a分解供能（动物体内有10%的能量来自a.a氧化）。（二）非氧化脱氨基作用（大多数在微生物的中进行）P221①还原脱氨基（严格无氧条件下）图②水解脱氨基图③脱水脱氨基图④脱巯基脱氨基⑤氧化-还原脱氨基两个氨基酸互相发生氧化还原反应，生成有机酸、酮酸、氨。⑥脱酰胺基作用谷胺酰胺酶：谷胺酰胺+H2O→谷氨酸+NH3天冬酰胺酶：天冬酰胺+H2O→天冬氨酸+NH3谷胺酰胺酶、天冬酰胺酶广泛存在于动植物和微生物中４（三）转氨基作用转氨作用是a.a脱氨的重要方式，除Gly、Lys、Thr、Pro外，a.a都能参与转氨基作用。转氨基作用由转氨酶催化，辅酶是维生素B6（磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺）。转氨酶在真核细胞的胞质、线粒体中都存在。转氨基作用：是α-氨基酸和α-酮酸之间氨基转移作用，结果是原来的a.a生成相应的酮酸，而原来的酮酸生成相应的氨基酸。P223结构式：不同的转氨酶催化不同的转氨反应。大多数转氨酶，优先利用α-酮戊二酸作为氨基的受体，生成Glu。如丙氨酸转氨酶，可生成Glu，叫谷丙转氨酶（GPT）。肝细胞受损后，血中此酶含量大增，活性高。肝细胞正常，血中此酶含量很低。动物组织中，Asp转氨酶的活性最大。在大多数细胞中含量高，Asp是合成尿素时氮的供体，通过转氨作用解决氨的去向。转氨作用机制P224图16-2此图只画出转氨反应的一半。（四）联合脱氨基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。1、以谷氨酸脱氢酶为中心的联合脱氨基作用氨基酸的α-氨基先转到α-酮戊二酸上，生成相应的α-酮酸和Glu，然后在L-Glu脱氨酶催化下，脱氨基生成α-酮戊二酸，并释放出氨。P225图16-3以谷氨酸脱氢酶为中心的联合脱氨基作用2、通过嘌呤核苷酸循环的联合脱氨基做用P225结构式：次黄嘌呤核苷一磷酸（IMP）、腺苷酸代琥珀酸、腺苷酸P226图16-4通过嘌呤核苷酸循环的联合脱氨基做用骨骼肌、心肌、肝脏、脑都是以嘌呤核苷酸循环的方式为主５二、脱羧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，是重要的神经介质。His脱羧生成组胺（又称组织胺），有降低血压的作用。Tyr脱羧生成酪胺，有升高血压的作用。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。三、氨的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。氨中毒的机理：脑细胞的线粒体可将氨与α-酮戊二酸作用生成Glu，大量消耗α-酮戊二酸，影响TCA，同时大量消耗NADPH，产生肝昏迷。氨的去向：（1）重新利用合成a.a、核酸。（2）贮存Gln，Asn高等植物将氨基氮以Gln，Asn的形式储存在体内。（3）排出体外排氨动物：水生、海洋动物，以氨的形式排出。排尿酸动物：鸟类、爬虫类，以尿酸形式排出。排尿动物：以尿素形式排出。（一）氨的转运（肝外→肝脏）1、Gln转运Gln合成酶、Gln酶（在肝中分解Gln）Gln合成酶，催化Glu与氨结合，生成Gln。Gln中性无毒，易透过细胞膜，是氨的主要运输形式。Gln经血液进入肝中，经Gln酶分解，生成Glu和NH3。谷氨酸+NH4++ATP谷氨酰胺+ADP+H+gln合成酶谷氨酰胺+H2O谷氨酸+NH4+谷胺酰胺酶６2、丙氨酸转运（Glc-Ala循环）肌肉可利用Ala将氨运至肝脏，这一过程称Glc-Ala循环。丙氨酸在PH7时接近中性，不带电荷，经血液运到肝脏在肌肉中，糖酵解提供丙酮酸，在肝中，丙酮酸又可生成Glc。肌肉运动产生大量的氨和丙酮酸，两者都要运回肝脏，而以Ala的形式运送，一举两得。（二）氨的排泄1、直接排氨排氨动物将氨以Gln形式运至排泄部位，经Gln酶分解，直接释放NH3。游离的NH3借助扩散作用直接排除体外。2、尿素的生成（尿素循环）排尿素动物在肝脏中合成尿素的过程称尿素循环1932年，Krebs发现，向悬浮有肝切片的缓冲液中，加入鸟氨酸、瓜氨酸、Arg中的任一种，都可促使尿素的合成。尿素循环途径（鸟氨酸循环）：P230图16-6（1）、氨甲酰磷酸的生成（氨甲酰磷酸合酶I）肝细胞液中的a.a经转氨作用，与α-酮戊二酸生成Glu，Glu进入线粒体基质，经Glu脱氢酶作用脱下氨基，游离的氨（NH4+）与TCA循环产生的CO2反应生成氨甲酰磷酸。肌肉中NH4++α-酮戊二酸+NADPH+H+谷氨酸+NADP+谷氨酸脱氢酶肌肉中Glu+丙酮酸α-酮戊二酸+Ala丙氨酸转氨酶肝脏中Ala+α-酮戊二酸丙酮酸+Glu丙氨酸转氨酶NH4++CO2+2ATP+H2O氨甲酰磷酸合酶I氨甲酰磷酸+2ADP+Pi+3H+７氨甲酰磷酸是高能化合物，可作为氨甲酰基的供体。氨甲酰磷酸合酶I：存在于线粒体中，参与尿素的合成。氨甲酰磷酸合酶II：存在于胞质中，参与尿嘧啶的合成。N-乙酰Glu激活氨甲酰磷酸合酶I、II（2）、合成瓜氨酸（鸟氨酸转氨甲酰酶）鸟氨酸接受氨甲酰磷酸提供的氨甲酰基，生成瓜氨酸。P231反应式：鸟氨酸转氨甲酰酶存在于线粒体中，需要Mg2+作为辅因子。瓜氨酸形成后就离开线粒体，进入细胞液。（3）、合成精氨琥珀酸（精氨琥珀酸合酶）P231结构式（4）、精氨琥珀酸裂解成精氨酸和延胡索素酸（精氨琥珀酸裂解酶）精氨琥珀酸→精氨酸+延胡索素酸P232结构式此时Asp的氨基转移到Arg上。来自Asp的碳架被保留下来，生成延胡索酸。延胡索素酸可以经苹果酸、草酰乙酸再生为天冬氨酸，（5）、精氨酸水解生成鸟氨酸和尿素P232结构式尿素形成后由血液运到肾脏随尿排除。尿素循环总反应：NH4++CO2+3ATP+Asp+2H2O→尿素+2ADP+2Pi+AMP+Ppi+延胡索酸形成一分子尿素可清除2分子氨及一分子CO2，消耗4个高能磷酸键。瓜氨酸+天冬氨酸精氨琥珀酸合酶／Mg2+精氨琥珀酸８联合脱-NH2合成尿素是解决-NH2去向的主要途径。尿素循环与TCA的关系：草酰乙酸、延胡素酸（联系物）。肝昏迷（血氨升高，使α-酮戊二酸下降，TCA受阻）可加Asp或Arg缓解。3、生成尿酸（见核苷酸代谢）尿酸（包括尿素）也是嘌呤代谢的终产物。四、氨基酸碳架的去向20种aa有三种去路（1）氨基化还原成氨基酸。（2）氧化成CO2和水（TCA）。（3）生糖、生脂。20种a.a的碳架可转化成7种物质：丙酮酸、乙酰CoA、乙酰乙酰CoA、α-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸。它们最后集中为5种物质进入TCA：乙酰CoA、α-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸。234图16-7氨基酸碳骨架进入TCA的途径1、转变成丙酮酸的途径P236图16-8Ala、Gly、Ser、Thr、Cys形成丙酮酸的途径（1）、Ala经与α-酮戊二酸转氨（谷丙转氨酶）（2）、Gly先转变成Ser，再由Ser转变成丙酮酸。Gly与Ser的互变是极为灵活的，该反应也是Ser生物合成的重要途径。Gly的分解代谢不是以形成乙酰CoA为主要途径，Gly的重要作用是一碳单位的提供者。Gly+FH4+NAD+→N5,N10-甲烯基FH4+CO2+NH4++NADHL-Ala+α-酮戊二酸谷丙转氨酶丙酮酸+谷氨酸Gly+N5.N10-甲烯基四氢叶酸丝氨酸转羟甲基酶／Mn2+L-Ser+四氢叶酸９（3）、Ser脱水、脱氢，生成丙酮酸（丝氨酸脱水酶）P235反应式（4）、Thr有3条途径P235①由Thr醛缩酶催化裂解成Gly和乙醛，后者氧化成乙酸→乙酰CoA。②③（5）、Cys有3条途径①转氨，生成β-巯基丙酮酸，再脱巯基，生成丙酮酸。②氧化成丙酮酸③加水分解成丙酮酸2、转变成乙酰乙酰CoA的途径P237图16-9Phe、Tyr、Leu（1）、Phe→Tyr→乙酰乙酰CoAP238图16-10Phe、Tyr分解为乙酰乙酰CoA和延胡索酸