第9章 氨基酸和核苷酸代谢

第二篇代谢篇第9章氨基酸和核苷酸的代谢蛋白酶的分类1、按来源分：动物蛋白酶、植物蛋白酶、微生物蛋白酶3类。2、按作用的位点分：内肽酶、外肽酶、二肽酶3类。内肽酶—水解蛋白质内部肽键产生各种短肽的酶。外肽酶—从肽链的一端水解肽键，每次水解产生一个氨基酸或二肽的酶。二肽酶—专门水解二肽中肽键，将二肽水解生成单个氨基酸的酶。3、按作用的最适pH值分：碱性蛋白酶、中性蛋白酶、酸性蛋白酶3类。9.1氨基酸的分解代谢食物蛋白质消化吸收氨基酸组织蛋白合成酶、激素等功能性蛋白质氨α酮酸嘌呤嘧啶NH4+鸟氨酸循环天冬酰胺谷氨酰胺糖代谢脂代谢TCA循环H2O+CO2+ATP合成糖合成脂肪合成分解脱氨一、氨基酸的脱氨基作用脱氨基作用：氨基酸脱去氨基生成α酮酸的过程。脱氨基方式：氧化脱氨基作用、转氨基作用和联合脱氨基作用。脱氨基部位：主要在肝脏。（一）氧化脱氨基作用指α氨基酸在氨基酸氧化酶的催化下发生脱氢、水解两步反应，生成α酮酸并产生氨的过程。R—CHCOOHNH2氨基酸氧化酶R—C-COOHNHR—C-COOHOFMN(FAD)FMNH2(FADH2)H2ONH3氨基酸亚氨基酸α酮酸谷氨酸的氧化脱氨-OOC—CH2—CH2—CH—COO-NH3+-OOC—CH2—CH2—CH—COO-+NH3ONAD+或NADP+NADH+H+或NADPH+H+L-谷氨酸α酮戊二酸L-谷氨酸脱氢酶发酵工业中的味精生产（二）转氨基作用转氨基作用：是α氨基酸的氨基在转氨酶作用下，转移到α酮酸的羰基上使酮酸变成相应的α氨基酸，而原来的氨基酸失去氨基生成相应的α酮酸。COOHCH—NH2+R1COOHC=OR2COOHCH—NH2R2COOHC=O+R1转氨酶生物体中最重要、分布最广的转氨酶：谷草转氨酶（GOT)和谷丙转氨酶（GPT)。GOT催化谷氨酸与草酰乙酸之间的转氨基作用；GPT催化谷氨酸与α-酮酸戊二酸之间的转氨基作用。转氨酶都是以磷酸吡哆醛作为辅酶。诊断肝炎为什么要测血清转氨酶？（三）联合脱氨基作用是将转氨基作用和脱氨基作用偶联在一起的脱氨基方式。α-氨基酸转氨酶α酮酸α酮戊二酸谷氨酸NAD(P)H+H+NH3+NAD(P)+谷氨酸脱氢酶骨骼肌、心肌中的脱氨基方式——嘌呤核苷酸循环α-氨基酸转氨酶α酮酸α酮戊二酸谷氨酸天冬氨酸草酰乙酸GOT延胡索酸苹果酸腺苷酸脱氨酶IMPAMP腺苷琥珀酸H2ONH3IMP:次黄嘌呤核苷酸AMP：腺嘌呤核苷酸GOT：谷草转氨酶二、氨基酸的脱羧基作用脱羧基作用：氨基酸在脱羧酶的作用下，脱羧产生co2和有机胺的过程。R—CH—COOHNH2R—CH2—NH2+CO2脱羧酶（伯胺）（一）γ—-氨基丁酸（GABA)γ—-氨基丁酸主要存在于脑组织中。是具有抑制作用的神经递质。GABA的生物合成是由谷氨酸脱羧基形成。GABA的分解代谢在γ—氨基丁酸转氨酶的作用下形成琥珀酸半醛。琥珀酸半醛在L-乳酸脱氢酶的作用下还原成γ—羟丁酸，或氧化成琥珀酸，再通过三羧酸循环变成CO2和H2O。γ—氨基丁酸转氨酶（二）腐胺腐胺发现于腐败肉中，是鸟氨酸脱羧的产物。鸟氨酸来源于精氨酸的水解。HH3N+—(NH2)3—C—COO-NH3+H3N+—CH2—CH2—CH2—CH2—NH3+CO2鸟氨酸脱羧酶鸟氨酸腐胺（三）组胺组胺是组氨酸在组氨酸脱羧酶的催化下，脱去羧基生成的。它是一种强烈的血管扩张剂，HC═C—CH2CHCOOHHNNNH3CHHC═C—CH2CH2NH2HNNCHCO2组氨酸脱羧酶组氨酸组胺（四）多胺多胺是细胞内调节代谢的重要物质。凡是生长旺盛的组织，鸟氨酸脱羧酶的活性都强，多胺的含量也增加。三、氨的代谢氨的来源：①氨基酸的脱氨基作用（主要来源）②肠道吸收：食物中的蛋白质经肠道腐败作用产生氨和尿素自体液渗入肠腔，在肠道pH较低时，NH3与H+形成NH4+不易吸收，而从粪便排出；而当肠道的pH偏高时，氨的吸收增加。③肾脏的谷氨酰胺在谷氨酰胺酶的催化下，水解生成谷氨酸和氨。不同生物对氨的转变途径不同。在植物和微生物中：NH3天冬氨酸天冬酰胺草酰乙酸NH3在动物体中：氨的去路：鸟类和陆生爬行类：将氨转变成固体尿酸。NH3谷氨酰胺重新利用转变成废物排出体外人和哺乳动物：将氨转变成尿素。水生动物：以氨的形式。（一）氨的转运氨须经特殊的转运方式转运到肝脏，在肝脏合成尿素后随尿排出体外。氨的2种转运方式：①谷氨酰胺形式；②丙氨酸形式。丙酮酸转氨酶1、谷氨酰胺形式COOH(CH2)2CHNH2COOHCONH2(CH2)2CHNH2COOH+NH3+H2OATPADP+Pi谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺谷氨酸肝脏谷氨酰胺谷氨酸尿素氨血液循环肾脏排出体外2、丙氨酸形式葡萄糖—丙氨酸循环1234TCA（二）尿素的形成尿素循环（鸟氨酸循环，Krebs，1932)由4步酶促反应组成，第1步发生在线粒体内，其余3步发生在胞液中。形成1分子尿素可清除2分子氨和1分子CO2，同时消耗4分子ATP。1：鸟氨酸转氨甲酰酶2：精氨琥珀酸合成酶3、精氨琥珀酸酶4、精氨酸酶四、氨基酸碳架α-酮酸的转化氨基酸碳架在分解途径中可分别形成乙酰CoA、草酰乙酸、α-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸5种产物而进入三羧酸循环。最后氧化为CO2和H2O。其中乙酰CoA是进入柠檬酸循环的主要物质。生酮氨基酸—亮氨酸和赖氨酸2种氨基酸的碳架分解后形成乙酰CoA和乙酰乙酰CoA，并使人工糖尿病犬尿中酮体增加，这类氨基酸称为生酮氨基酸。生糖氨基酸—凡是能形成丙酮酸、α-酮戊二酸、琥珀酸和草酰乙酸，并使人工糖尿病犬尿中葡萄糖增加，这类氨基酸称为生糖氨基酸。生糖兼生酮氨基酸—苯丙氨酸、酪氨酸、异亮氨酸、苏氨酸和色氨酸，可使人工糖尿病犬尿中酮体和葡萄糖都增加，这类氨基酸称为生糖兼生酮氨基酸。五、CO2的代谢氨基酸脱羧形成的CO2大部分直接排到细胞外，小部分可通过丙酮酸羧化支路被固定，生成草酰乙酸或苹果酸。这些有机酸的生成对于三羧酸循环及通过三羧酸循环产生发酵产物（如柠檬酸、谷氨酸、延胡索酸、苹果酸等）有促进作用。六、个别氨基酸的代谢（一）一碳单位一碳单位——某些氨基酸在代谢过程中，可分解产生含有一个碳原子的化学基团，称为一碳单位或一碳基团。一碳单位包括：甲基（—CH3)、亚甲基(—CH2—)、次甲基(—CH=）、羟甲基（—CH2OH)、亚氨甲基(—NH=NH—）、甲酰基(—CHO)等。一碳单位代谢——凡属于一个碳单位的转移和代谢的过程。一碳单位不能游离存在，必须由四氢叶酸（FH4)携带，在特定酶的作用下，才能完成代谢转移。四氢叶酸是一碳单位的载体。也可看成是一碳基团代谢的辅酶。四氢叶酸（FH4)哺乳动物体内，四氢叶酸可由叶酸被二氢叶酸还原酶逐步还原形成。叶酸二氢叶酸四氢叶酸二氢叶酸还原酶二氢叶酸还原酶NADPH+H+NADP+NADP+NADPH+H+一碳单位常结合在四氢叶酸的N5、N10位置上。FH4携带一碳单位的形式如表所示。一碳单位与FH4结合位点一碳单位与FH4结合位点甲基（—CH3)亚甲基(—CH2—)甲酰基(—CHO)N5N5和N10N5和N10次甲基(—CH=）亚氨甲基(—NH=NH—）N5和N10N10体内重要的一碳单位主要来源于丝氨酸、甘氨酸、组氨酸及色氨酸的代谢。从量上看，丝氨酸是一碳单位的主要来源。一碳单位的来源、转换及其利用图解甲酰基次甲基一碳单位代谢的生物学意义1、与机体内其他代谢有广泛联系，除与许多氨基酸有联系外，还参与嘌呤和胸腺嘧啶的合成。2、与s-酰苷甲硫氨酸的生物合成直接有关。3、是机体内各种化合物甲基化的甲基来源。4、许多带有甲基的化合物具有重要的生物学功能。如：肾上腺素、肌酸、卵磷脂等。5、嘌呤和嘧啶是合成核酸的重要成分。（二）含硫氨基酸含硫氨基酸包括甲硫氨酸、半胱氨酸两种。在体内甲硫氨酸可转变为半胱氨酸，故半胱氨酸充足时可减少甲硫氨酸的消耗。1．甲硫氨酸甲硫氨酸与ATP作用生成S-腺苷甲硫氨酸（SAM），为活性蛋氨酸，其所含甲基反应活性高，可供许多物质进行甲基化反应。S-腺苷甲硫氨酸在转甲基酶的催化下，将分子中的甲基转给其他化合物。活性甲硫氨酸供甲基反应和其再生可通过一个循环反应进行，即甲硫氨酸活化后，生成S—腺苷甲硫氨酸，其提供甲基化后转变成S—腺苷同型半胱氨酸，脱去腺苷成为同型半胱氨酸，再接受N5－CH3—FH4提供的甲基，又重新生成甲硫氨酸。此过程称为甲硫氨酸循环。甲硫氨酸循环S一腺苷甲硫氨酸S—腺苷同型半胱氨酸，同型半胱氨酸甲硫氨酸α-酮戊二酸2．半胱氨酸含硫氨基酸经氧化分解后可产生硫酸根。半胱氨酸中的巯基（—SH）可先氧化成亚磺基，然后脱去氨基和亚磺基，生成丙酮酸和亚硫酸，后者氧化成硫酸。半胱氨酸还可通过氧化、脱羧及再氧化生成牛磺酸。ATP+SO42-腺嘌呤-5׳-磷酸硫酸(APS)3-磷酸腺嘌呤-5׳-磷酸硫酸(PAPS)腺嘌呤—5׳—磷酸硫酸激酶腺苷硫酸焦磷酸化酶H+ppiATPADP体内的硫酸根一部分以无机盐形式随尿排出。另一部分经ATP活化生成活性硫酸根。9.2氨基酸的合成代谢不同生物合成氨基酸的能力不同，植物和许多细菌能合成全部20种氨基酸，人和其他哺乳动物只能合成部分氨基酸，还必须从食物中获取某些所需要的氨基酸，并用于合成自身的蛋白质。机体不能自己合成，必须从外界获取的氨基酸，称为必需氨基酸。机体能自己合成的氨基酸，称为非必需氨基酸。动物种类不同，所需的必需氨基酸也不同。人体只能合成12种氨基酸（组氨酸、精氨酸。丙氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、脯氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、酪氨酸），另外8种氨基酸（苯丙氨酸、赖氨酸。异亮氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸、色氨酸、缬氨酸）人体不能自己合成，只能从食物中获得，为必需氨基酸。对于婴幼儿，由于精氨酸和组氨酸合成速度较慢，常常不能满足机体代谢的需要，也须从食物中补充，故称为半必需氨基酸。不同氨基酸的生物合成途径虽各不相同，但它们都有一个共同的特征，概括地说，各种氨基酸碳架的形成不是以CO2和NH3为起始材料从头合成，而是起始于三羧酸循环、糖酵解途径和磷酸戊糖途径的中间代谢物。根据生物合成起始物—代谢中间体的不同，可将氨基酸的生物合成途径归纳为6族（下图）。它们的氨基多来自谷氨酸的转氨基反应。一、谷氨酸族氨基酸的合成谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸、精氨酸由三羧酸循环中间产物α一酮戊二酸衍生而来，属于谷氨酸族。（一）谷氨酸的合成1、谷氨酸脱氢酶作用α-酮戊二酸+NH4++NADH(或NADP)＋H+谷氨酸+NAD+（或NADP+）＋H2O谷氨酸脱氢酶2、谷氨酸合酶作用（二）谷氨酰胺的合成（三）脯氨酸的合成二、天冬氨酸族氨基酸的合成天冬氨酸、天冬酰胺、甲硫氨酸、苏氨酸和赖氨酸均属于天冬氨酸族氨基酸，草酸乙酸为其提供碳架。（一）天冬氨酸的合成COO-CH2C=OCOO-+谷氨酸COO-CH2CH-NH3+COO-+α一酮戊二酸谷草转氨酶草酰乙酸天冬氨酸（二）天冬酰胺的合成+谷氨酰胺+ATP天冬酰胺合成酶Mg2+COO-CH2CH-NH3+COO-L-天冬氨酸CONH2CH2CH-NH3+COO-+谷氨酸+AMPppi+H+天冬酰胺三、丙氨酸族氨基酸的合成丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸由丙酮酸衍生而来，属于丙氨酸族。（一）丙氨酸的合成COO-CH2CH2CH-NH3+COO-COO-CH2CH2C=OCOO-CH3C=OCOO-CH3CH-NH3+COO-谷丙转氨酶丙酮酸L-丙氨酸谷氨酸α一酮戊二酸（二）缬氨酸的合成丙酮酸和活性乙醛基缩合，缩合后产物进行甲基自动位移，生成的产物脱水后经氨基作用形成缬氨酸。四、丝氨酸族氨基酸的合成丝氨酸、甘氨酸和半胱氨酸属于丝氨酸族，3-磷酸甘油酸为其提供碳架。丝氨酸、甘氨酸的合成五、芳香族氨基酸和组氨酸的合成芳香族氨基酸包括苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。芳香族氨基酸能由植物和微生物合成。芳香族氨基酸是通过莽草酸途径合成的。莽草酸途径主要是提供芳香核。由磷酸烯醇式丙酮酸和4-磷酸赤鲜糖为原料提供碳原子，而氨基酸中的氨基和氮杂环中的氮原子还需要通过转氨作用从谷氨酸或其他氨基酸获