第七章 蛋白质分解及氨基酸代谢

第七章蛋白质分解及氨基酸代谢李春洋温州医学院生物化学教研室第一节蛋白质的消化、吸收与腐败一、蛋白质的消化蛋白质的消化是指在多种蛋白酶及肽酶的协同作用下，蛋白质在胃及肠道内水解为氨基酸或小肽后再被吸收的过程。胃蛋白酶原胃蛋白酶HCl或胃蛋白酶胰蛋白酶原胰蛋白酶+六肽肠激酶或胰蛋白酶糜蛋白酶原弹性蛋白酶原羧基肽酶原胰蛋白酶糜蛋白酶+2个二肽弹性蛋白酶羧基肽酶（A及B）H2N-CH-C-NH-CH·····HN-CH-C-NH-CH·····NH-CH-C-NH-CH-COOHOOOR1R2R7R8R15R16外肽酶（氨基肽酶）外肽酶（羧基肽酶）内肽酶H2N-CH-C-NH-CH-COOHOR＇R＂氨基酸+二肽酶H2NCHR1CNOHCHR2CNOCHHR3CONHCHR4CONCHHR5CONHCHR6COOH氨基肽酶糜蛋白酶胰蛋白酶弹性蛋白酶羧基肽酶碱性氨基酸芳香族氨基酸脂肪族氨基酸二、氨基酸的吸收与转运蛋白质的消化产物主要是游离氨基酸及一些小肽（主要是二肽和三肽），可被小肠粘膜所吸收（在小肠粘膜中被肽酶水解为游离氨基酸）。遗传学、转运实验和分子克隆研究证明：氨基酸主要通过小肠粘膜的刷状缘上的转运蛋白转运吸收。目前已证实的氨基酸转运蛋白至少有7种。（一）主动转运吸收AAAAAAAA细胞膜氨基酸谷胱甘肽①γ-谷氨酰转移酶①半胱氨酰甘氨酸γ-谷氨酰氨基酸②γ-谷氨酰环化转移酶②5-氧脯氨酸氨基酸③5-氧脯氨酸酶③ATP谷氨酸ADP+Pi④二肽酶④甘氨酸半胱氨酸ATP⑤γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶⑤ADP+Piγ-谷氨酰半胱氨酸⑥谷胱甘肽合成酶⑥ATP谷胱甘肽ADP+Pi（二）γ-谷氨酰基循环三、蛋白质的肠内腐败作用肠道细菌的腐败作用是指未被消化的食物蛋白质及未被吸收的氨基酸和小肽在肠道细菌（主要是大肠杆菌）的作用下产生一系列产物的过程。腐败作用是细菌本身的代谢过程，以无氧分解为主。腐败产物中有些是有一定营养价值的，如维生素及脂肪酸等；而大多数腐败产物对人体有害，如胺类、氨、吲哚、硫化氢、酚类等。（一）胺的生成蛋白质氨基酸胺类蛋白酶脱羧基作用组氨酸组胺赖氨酸尸胺降压色氨酸色胺酪氨酸酪胺升压RCHCOOHNH2NH2CH2RCO2氨基酸脱羧酶苯丙氨酸苯乙胺酪氨酸酪胺假性神经递质苯乙醇胺羟酪胺（二）酚类的生成CH2COOHCHNH2OHCH2CHNH2OHCH3OHOH脱羧基脱氨基氧化NH2CH2CHCOOHNHCH3NHNH（三）吲哚及甲基吲哚的生成CHNH2COOHSHCH2硫醇+CH3+H2S脱硫化氢酶（四）硫化氢的产生（五）氨的生成RCHCOOHNH2肠菌COOHCH2R+NH3NH2COH2NH2O脲酶CO2+2NH3第二节蛋白质的降解一、蛋白质合成与降解的平衡二、蛋白质的生物半衰期三、蛋白质降解的酶类和途径（一）溶酶体途径体内蛋白降解的溶酶体途径无需ATP的参与，故称为非ATP依赖性蛋白降解途径。溶酶体是一种具有单层膜结构的细胞器，含有50多种水解酶，称为组织蛋白酶（最适pH偏酸性）。通过这一途径降解的主要是一些膜结合蛋白、胞内长半衰期蛋白质及细胞外蛋白质。（二）蛋白酶体途径ATP-依赖的蛋白质降解机制既需要ATP，也需要泛素。泛素是一种小分子蛋白质，普遍存在于所有真核细胞内，是许多细胞内蛋白质降解的标志。参与此降解途径的蛋白水解酶的最适pH为7.8，称碱性蛋白酶类；通过此途径降解的为异常蛋白质、损伤的蛋白质和细胞内短半衰期的蛋白质。蛋白质降解的泛素化过程COOH泛素HS-E1E1：泛素活化酶ATPCO泛素～SE1AMP+PPiHS-E2E2：泛素携带蛋白CO泛素～SE2HS-E1蛋白质E3E3：泛素蛋白连接酶CO(泛素)nNH蛋白质HS-E2E4E4：泛素-连接降解酶氨基酸第三节氨基酸的一般代谢在细胞内液、细胞外液及血液中，外源性氨基酸和内源性氨基酸这两种不同来源的氨基酸混合，共同构成机体的氨基酸代谢库。氨基酸在体内的分布不均匀，其分解代谢过程主要在肝脏中进行，骨骼肌则是支链氨基酸分解的主要场所。体内氨基酸的主要功能是合成蛋白质和多肽，也可以通过一定途径转变为其他的含氮物质。氨基酸代谢库中氨基酸的来源与去路氨基酸代谢库组织蛋白质合成氨基酸NH3α-酮酸胺类+CO2某些含氮化合物组织蛋白质糖或脂类H2O+CO2氨基酸食物蛋白质消化吸收降解脱氨基脱羧基转化或参与合成合成尿素谷氨酰胺其他含氮化合物一、氨基酸的脱氨基作用（一）氧化脱氨基作用1.氨基酸氧化酶L-氨基酸氧化酶（辅酶为FMN）分布局限（仅限于肝和肾）、活性低、作用小。D-氨基酸氧化酶（辅酶为FAD）在体内无作用底物，其生理意义不明，可能与降解来自肠菌的D-氨基酸有关。2.L-谷氨酸脱氢酶L-谷氨酸脱氢酶为不需氧脱氢酶，分布广（除肌肉外）、活性强、代谢上十分重要。L-谷氨酸脱氢酶是唯一既能利用NAD+又能利用NADP+接受还原当量的酶。COOHNH2CH(CH2)2COOHCOOHNHCH(CH2)2COOHCOOHOCH(CH2)2COOH+NH3-H2O+H2ONAD+NADH+H+L-谷氨酸脱氢酶（二）转氨基作用转氨酶催化的反应是可逆的，平衡常数接近1.0，因此转氨基作用也是体内合成非必需氨基酸的重要途径。转氨酶R1CCOOHNH2HR2CCOOHO+R1CCOOHOR2CCOOHNH2H+1.转氨酶ALT（GPT）+COOHCOCH3COOHCHNH2CH3COOHC(CH2)2OCOOH+COOHCHNH2(CH2)2COOHCOOHCHNH2CH2COOHCOOHC(CH2)2OCOOH++COOHCCH2OCOOHAST（GOT）COOHCHNH2(CH2)2COOH组织ASTALT心1560007100肝14200044000骨骼肌990004800肾9100019000组织ASTALT胰腺脾肺血清280002000140001200100007002016ALT和AST在某些组织的含量(单位/g湿组织)2.转氨基作用的意义转氨基作用可使剩余的氨基酸移去氨基得以降解，又可使不足的非必需氨基酸得以补充，有助于调节体内非必需氨基酸的种类和数量。转氨基作用只是氨基的转移，并没有自由氨的生成。由于转氨酶所催化的反应是可逆的，因而转氨基作用是氨基酸分解、合成及转变过程中的重要反应。（三）联合脱氨基作用1.转氨基与L-氧化脱氨基的偶联RCHCOOHNH2RCCOOHOCOOHCHNH2(CH2)2COOHCOOHC(CH2)2OCOOHNH3+NADH+H+NAD++H2O转氨酶L-谷氨酸脱氢酶2.嘌呤核苷酸循环氨基酸α-酮酸α-酮戊二酸L-谷氨酸天冬氨酸草酰乙酸苹果酸延胡索酸腺苷酸代琥珀酸IMPAMPNH3H2O（四）其他脱氨基方式天冬氨酸在天冬氨酸酶的催化作用下直接脱氨基生成延胡索酸；半胱氨酸在脱硫化氢酶的催化下脱硫化氢再脱氨基生成丙酮酸；丝氨酸在脱水酶的催化下脱氨基生成丙酮酸；苏氨酸在苏氨酸脱水酶的催化下脱氨基生成α-酮丁酸等。二、氨的代谢（一）氨的来源组织器官中氨基酸的脱氨基作用肾泌氨肠道产氨二、氨的转运1.谷氨酰胺的运氨作用谷氨酰胺主要是从脑和肌肉等组织运送氨到肝和肾脏。谷氨酰胺被认为既是氨的解毒产物，也是氨的贮存和运输形式。COOHCHNH2(CH2)2COOHCONH2CHNH2(CH2)2COOHNH3+ATPADP+PiH2ONH32.丙氨酸-葡萄糖循环丙氨酸葡萄糖肌肉蛋白质氨基酸NH3谷氨酸α-酮戊二酸丙酮酸糖酵解丙氨酸葡萄糖α-酮戊二酸谷氨酸丙酮酸NH3尿素尿素循环糖异生血液（三）尿素的生成在人体，尿素是氨代谢的最终产物，无毒性，水溶性强，可由肾脏排出。组织产生的氨运至肝，与肠道吸收的氨一起合成尿素而解毒。正常人体80～90%的氨以尿素的形式排出。尿素主要在肝中合成，其他器官如肾及脑等虽也能合成，但其含量极少。1932年HansKrebs等根据一系列实验，首先提出了尿素的鸟氨酸循环（尿素循环）。由实验分析提出：鸟氨酸与氨及CO2结合生成瓜氨酸，瓜氨酸再结合一分子氨生成精氨酸，精氨酸水解生成尿素及鸟氨酸。NH3鸟氨酸瓜氨酸尿素H2O精氨酸酶NH3+CO2H2OH2O精氨酸1.鸟氨酸循环-尿素的合成过程（1）氨甲酰磷酸的合成CO2+NH3+H2O氨基甲酰磷酸合成酶Ⅰ（CPS-Ⅰ）（N-乙酰谷氨酸，Mg2+）COH2NOPO32-2ATP2ADP（2）瓜氨酸的合成鸟氨酸氨基甲酰转移酶（OCT）H3PO4+NH2(CH2)3CHCOOHNH2NHCHCOOHNH2NH2C(CH2)3ONH2COOPO32-（3）精氨酸的合成NHCHCOOHNH2NH2C(CH2)3ONHCHCOOHNH2NH2C(CH2)3NCOOHCCOOHHCH2COOHCCOOHNH2CH2H+精氨酸代琥珀酸合成酶（ASS）AMP+PPiATPH2ONNHCHCOOHNH2NH2C(CH2)3COOHCCOOHHCH2精氨酸代琥珀酸裂解酶（ASL）NHCHCOOHNH2NH2C(CH2)3NH+COOHCHCOOHCH（4）尿素的合成NHCHCOOHNH2NH2C(CH2)3NH+NH2CHCOOHNH2(CH2)3NH2NH2CO精氨酸酶H2O尿素分子中的两个氮原子，其一来自氨，另一个来自天冬氨酸的氨基，而天冬氨酸又可以从草酰乙酸与其他氨基酸经转氨基作用生成。因此尿素分子中的两个氮都直接或间接来自多种氨基酸。NH3+CO2+天冬氨酸+3H2O+3ATPH2NCONH2+2ADP+AMP+4Pi鸟氨酸循环鸟氨酸循环过程线粒体胞液CO2+NH3+H2O氨基甲酰磷酸2ATPN-乙酰谷氨酸Pi鸟氨酸瓜氨酸精氨酸延胡索酸氨基酸草酰乙酸苹果酸α-酮戊二酸谷氨酸α-酮酸精氨酸代琥珀酸瓜氨酸天冬氨酸ATPAMP+PPi鸟氨酸尿素2ADP+Pi2.鸟氨酸循环的一氧化氮合酶支路精氨酸除在精氨酸酶作用下，水解为尿素和鸟氨酸外，还可通过一氧化氮合酶作用，使精氨酸直接氧化为瓜氨酸。NOS支路处理氨的数量有限，生成的NO是一种具有重要生物活性的物质。天冬氨酸鸟氨酸瓜氨酸尿素延胡索酸一氧化氮合酶氨基甲酰磷酸H2O精氨酸代琥珀酸精氨酸O2NO（三）尿素合成的调节膳食蛋白质AGA鸟氨酸循环中酶系（四）氨的其他代谢去路铵盐的生成与排泄合成非必需氨基酸参与核酸中嘧啶环的合成高氨血症和氨中毒三、α-酮酸的代谢（一）氨基化生成非必需氨基酸（二）氧化供能（三）转变为糖或脂类化合物生糖氨基酸：体内能转变为糖的氨基酸，共有14种；生酮氨基酸：能转变为酮体的氨基酸，如亮氨酸和赖氨酸；生糖兼生酮氨基酸：既能转变为糖又能转变为酮体的氨基酸，如异亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、苏氨酸和酪氨酸。蛋白质氨基酸甘氨酸丙氨酸丝氨酸苏氨酸色氨酸半胱氨酸天冬氨酸天冬酰胺酪氨酸苯丙氨酸核酸核苷酸5-磷酸核糖嘌呤、血红素嘌呤草酰乙酸延胡索酸琥珀酰CoA血红素异亮氨酸甲硫氨酸缬氨酸苏氨酸柠檬酸谷氨酸精氨酸组氨酸谷氨酰胺脯氨酸嘌呤乙酰乙酰CoA酪氨酸亮氨酸赖氨酸色氨酸苯丙氨酸酮体淀粉、糖原甘油脂肪酸脂肪葡萄糖6-磷酸葡萄糖磷酸丙糖丙酮酸乙酰CoAα-酮戊二酸亮氨酸色氨酸异亮氨酸嘧啶嘧啶胆固醇第四节个别氨基酸的代谢一、氨基酸的脱羧基作用氨基酸可以通过脱羧基作用生成相应的胺类；催化脱羧基反应的酶称为脱羧酶，其辅酶是磷酸吡哆醛；氨基酸脱羧酶的专一性很高，一般一种氨基酸对应一种脱羧酶，且只针对L-氨基酸起作用。RCHHOOCNH2CHNH2RRCHORCOOH脱羧酶CO2O2H2O单胺氧化酶NH3H2O21/2O2（一）γ-氨基丁酸γ-氨基丁酸（GABA）在脑中浓度较高，是一种抑制性神经递质；γ-氨基丁酸可与α-酮二酸进行转氨基作用，再氧化生成琥珀酸进入三羧酸循环代谢。COOHCHNH2(CH2)2COOHCOOHCH2NH2(CH2)2谷氨酸脱羧酶CO2（二）组胺组胺在体内分布广泛，乳腺、肺、肝、肌及胃黏膜等组织中含量较高，主要存在于肥大细胞。组胺具有强烈的血管扩张作用，毛细血管通透性增加，可诱发哮喘、荨麻疹等过敏反应，还具有促进平滑肌收缩及促进胃粘膜