生物化学第30章蛋白质降解和氨基酸的分解代谢

第30章蛋白质降解和氨基酸的分解代谢(Proteindegradationandaminoacidscatabolism)一、蛋白质的降解二、氨基酸的分解代谢三、尿素的形成四、氨基酸碳骨架的氧化途径五、生糖氨基酸和生酮氨基酸六、由氨基酸衍生的其他重要物质七、氨基酸代谢缺陷症氮素循环硝化作用反硝化作用固氮作用一、蛋白质的降解高等动物摄入的蛋白质在消化道内被胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、羧肽酶、氨肽酶等降解，全部转变成氨基酸，被小肠吸收。机体对外源蛋白质的消化吸收细胞内蛋白质的降解细胞内的蛋白质是处于不断地周转（turnover）的。一些异常的蛋白质、不需要的蛋白质需要清除。对一种特定的蛋白质来说，它在细胞中的含量取决于合成和降解的速率。通过对一些代谢途径的关键酶的合成和降解，控制酶的含量，也是控制代谢途径运行的一个重要措施。细胞内蛋白质降解的机构蛋白质降解是限制在细胞内的特定区域的，一种是称为蛋白酶体（proteasome）的大分子结构，另一种是具有单层膜的细胞器溶酶体（lysosome）。溶酶体中含有约50种水解酶，它与吞噬泡及细胞内产生的一些自噬泡融合，然后将摄取的各种蛋白质全部降解，对被降解的蛋白质没有选择性。被降解的蛋白质在进入蛋白酶体降解之前，需要被泛肽标记。泛肽依赖性蛋白降解途径泛肽依赖性蛋白降解途径(Ubiquitin-dependentproteolyticpathway)是目前已知的最重要的，有高度选择性的蛋白质降解途径。它通过调节功能蛋白质的周转(turnover)或降解不正常蛋白，实现对多种代谢过程的调节。泛肽泛肽（ubiquitin）又名遍在蛋白质、泛素，它是一个由76个氨基酸残基组成的小蛋白质。它通过其C端Gly的羧基与被降解的蛋白质的氨基共价结合，通常结合在Lys的ε氨基上，这是一个需要消耗ATP的反应。这样给被降解的蛋白质作了一个标记，随后将标记了的靶蛋白质引入蛋白酶体中降解。一般有多个串联的泛肽连接到一个靶蛋白上，形成多泛肽链，后面的每一个泛肽的C端羧基连接到前一个泛肽的Lys48的ε氨基上。催化泛肽与靶蛋白连接的酶使泛肽与靶蛋白质连接涉及到4种酶——E1、E2、E3、E4。E1：泛肽活化酶（ubiquitin-activatingenzyme）E2：泛肽载体蛋白（ubiquitin-carrierprotein）E3：泛肽-蛋白质连接酶（ubiquitin-proteinligase）E4：泛肽链延长因子（ubiquitinchainelongationfactor）E2、E3和E4都分别是一个蛋白质家族，家族的不同成员分布在不同的细胞区域。泛肽与靶蛋白的连接泛肽的活化泛肽活化酶泛肽与靶蛋白的连接泛肽的转移及与靶蛋白连接泛肽载体蛋白泛肽-蛋白质连接酶泛肽蛋白质连接酶E3在识别和选择被降解蛋白质的过程中起着重要的作用。E3主要是通过备选蛋白质N端氨基酸的性质来选择靶蛋白质的，以Met、Ser、Ala、Thr、Val、Gly或Cys为N末端的蛋白质对泛肽介导的降解途径有抗性，而以Arg、Lys、His、Phe、Tyr、Trp、Leu、Asn、Gln、Asp或Glu为N末端的蛋白质的半寿期只有2～30分钟。也有的E3识别靶蛋白肽链中的某一段序列。RelationshipbetweenProteinHalf-LifeandAmino-TerminalAminoAcidResidueAmino-terminalresidueHalf-lifeStabilizingMet,Gly,Ala,Ser,Thr,Val20hDestabilizingIle,Gln~30minTyr,Glu~10minPro~7minLeu,Phe,Asp,Lys~3minArg~2min泛肽蛋白质连接酶E3是一个蛋白质家族，根据它们识别靶蛋白质特异性位点的不同，可将它们可分为3种识别类型：类型Ⅰ识别N末端为碱性氨基酸的蛋白质，如Arg、Lys或His；类型Ⅱ识别N末端为大疏水基团氨基酸的蛋白质，如Phe、Tyr、Trp或Leu；类型Ⅲ识别肽链中间的特异序列。以酸性氨基酸为N末端的蛋白质的降解需要tRNA参与，将Arg-tRNA的Arg转移到酸性蛋白质的N末端，使之转变成碱性N末端，然后与泛肽连接。Arg-tRNA将蛋白质的酸性氨基酸N末端转变成碱性氨基酸N末端泛肽系统的梯级结构E3与靶蛋白质的各种识别模式1.E3与靶蛋白的N端识别结合。2.E3被激活剂激活后与靶蛋白识别结合。3.E3与磷酸化的靶蛋白识别结合。4.E3被磷酸化后与靶蛋白识别结合。5.E3被磷酸化后与磷酸化的靶蛋白识别结合。6.E3通过一个辅助蛋白与靶蛋白识别结合。7.E3与变性后的（解折叠的）靶蛋白识别结合。被泛肽介导降解蛋白质的特点大多数具有敏感N末端氨基酸残基的蛋白质不是正常的细胞内蛋白质，而很可能是分泌性蛋白质，这些蛋白质通过信号肽酶的作用暴露出敏感的N末端氨基酸残基。也许N末端识别系统的功能就是识别和清除任何入侵的异质蛋白质或分泌性蛋白质。其他触发泛肽连接和蛋白酶体降解的蛋白质含有PEST序列，PEST序列是一个富含Pro、Glu、Ser和Thr残基的高度保守的短序列。PESTsequenceCertainaminoacidsequencesappeartobesignalsfordegradation.OnesuchsequenceisknownasthePESTsequencebecauseshortstretchofabouteightaminoacidsisenrichedwithproline(P),glutamicacid(E),serine(S),andthreonine(T).AnexampleisthetranscriptionfactorGcn4p.Thisproteinis281aminoacidsinlengthandthePESTsequenceisfoundatpositions91-106.Thenormalhalf-lifeofthisproteinisabout5minutes.ButifthePESTsequence(andonlythePESTsequence)isremoved,thehalf-lifeincreasesto50minutes.蛋白酶体蛋白酶体是一个大的寡聚体结构，有一个中空的腔。古细菌Thermoplasmaacidophilum的蛋白酶体为20S、700kD的桶状结构，由两种不同的亚基α和β组成，它们缔合成α7β7β7α7四个堆积的环。这个桶有15nm高，直径11nm，中间有一个可分为3个区域的空腔，蛋白质降解就发生在这个腔中。两端的α7环解折叠被降解的蛋白质，并将其送入中央的腔内，而β亚基具有蛋白裂解活性。蛋白酶体降解蛋白质的产物为7～9个氨基酸残基的寡肽。古细菌T.acidophilum20S蛋白酶体的结构顶面观侧面观纵剖面观真核细胞中的蛋白酶体真核细胞含有两种蛋白酶体：20S和26S蛋白酶体。26S蛋白酶体（1700kD）是一个45nm长的结构，是在20S蛋白酶体的两端各加上1个19S的帽结构或称PA700（Proteasomeactivator-700kD），这种帽结构至少由15个不同的亚基组成，其中许多有ATP酶活性。与古细菌20S蛋白酶体不同，真核细胞的蛋白酶体含有7个不同的α亚基及7个不同的β亚基。泛肽∣蛋白酶体降解途径ubiquitin26Sproteasome19Scaps细胞周期蛋白的周期性变化在细胞周期中，细胞周期蛋白（cyclin）周期性的合成和降解，从而调节细胞的分裂。G2PhaseNoDNAsynthesis.RNAandproteinsynthesiscontinue.MPhaseMitosis(nucleardivision)andcytokinesis(celldivision)yieldtwodaughtercells.G0PhaseTerminallydifferentiatedcellswithdrawfromcellcycleindefinitely.ReentrypointAcellreturningfromG0entersatearlyG1phase.G1PhaseRNAandproteinsynthesis.NoDNAsynthesis.RestrictionpointAcellthatpassesthispointiscommittedtopassintoSphase.SPhaseDNAsynthesisdoublestheamountofDNAinthecell.RNAandproteinalsosynthesized.细胞周期DBRP及其识别序列DestructionboxofcyclinArg-Thr-Ala-Leu-Gly-Asp-Ile-Gly-Asn（此序列靠近Cyclin的N端）DBRPDestructionboxrecognizingproteinCDKCyclin-dependentproteinkinaseCyclin细胞周期蛋白Cyclin-CDK在细胞周期中的变化Cyclin的降解CDK细胞周期蛋白的作用之一二、氨基酸分解代谢氨基酸是合成蛋白质和肽类物质的基本成分，可以氧化释放出能量，还可以转变成各种其他含氮物质。氨基酸的分解一般有三步：1.脱氨基；2.脱下的氨基排出体外，或转变成尿素或尿酸排出体外；3.氨基酸脱氨后的碳骨架进入糖代谢途径彻底氧化。碳骨架也可以进入其他代谢途径用于合成其他物质。（一）氨基酸的转氨作用××转氨酶谷草转氨酶α-酮酸1氨基酸2氨基酸1α-酮酸2转氨反应机制转氨酶以磷酸吡哆醛为辅基，从氨基酸上脱下的氨基先结合在磷酸吡哆醛上，氨基酸转变成α－酮酸，然后氨基转到另一个α酮酸的α碳上，产生新的氨基酸。结合氨的反应是脱氨反应的逆反应。转氨反应机制详见P305图30-3。转氨酶（aminotransferase)催化转氨反应的酶很多，大多数转氨酶以α－酮戊二酸为氨基受体，而对氨基供体无严格要求。动物和高等植物的转氨酶一般只催化L-氨基酸的转氨，某些细菌中也有可以催化D-和L-两种构型氨基酸转氨的转氨酶。葡萄糖－丙氨酸循环在肌肉中有一组转氨酶，可把肌肉中糖酵解产生的丙酮酸当作氨基的受体。形成的丙氨酸进入血液，运输到肝脏，在肝脏中再次转氨产生丙酮酸，丙酮酸可进入糖异生途径产生葡萄糖，再回到肌肉中。通过葡萄糖－丙氨酸循环，将肌肉中的氨运输到了肝脏。在肝脏中，氨可转变成尿素，从尿液中排出。葡萄糖∣丙氨酸循环（二）谷氨酸氧化脱氨作用转氨作用产生了大量的谷氨酸，谷氨酸可以在谷氨酸脱氢酶的作用下发生氧化脱氨（谷氨酸→α-酮戊二酸），该酶以NAD+作为氧化剂。而在催化逆反应时（α-酮戊二酸→谷氨酸）以NADPH为还原剂。谷氨酸脱氢酶由6个亚基组成，存在于细胞溶胶中，它受GTP和ATP的别构抑制，受ADP的别构激活。谷氨酸的氧化脱氨反应谷氨酸α-亚氨基戊二酸α-酮戊二酸谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶（三）其他氧化脱氨作用L-氨基酸氧化酶和D-氨基酸氧化酶以FAD为辅基，催化L-及D-氨基酸的氧化脱氨反应。产生的FADH2又被O2氧化。氨基酸+FAD+H2O→α－酮酸+NH3+FADH2FADH2+O2→FAD+H2O2（四）联合脱氨作用（transdeamination)天冬氨酸次黄嘌呤核苷酸腺苷酸代琥珀酸(IMP)腺苷酸次黄嘌呤核苷酸腺苷酸代琥珀酸腺苷酸（AMP）延胡索酸裂解酶联合脱氨作用（五）氨基酸的脱羧基作用机体内部分氨基酸可进行脱羧反应，生成相应的一级胺。催化脱羧反应的酶称为脱羧酶（decarboxylase），这类酶的辅基为磷酸吡哆醛。氨基酸磷酸吡哆醛醛亚胺一级胺磷酸吡哆醛（六）氨的命运氨对生物机体是有毒物质，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，因此氨的排泄是生物体维持正常生命活动所必需的。1.排氨动物：某些水生或海洋动物，如原生动物和线虫以及鱼类、水生两