11蛋白质降解与氨基酸代谢

11蛋白质的降解与氨基酸代谢Chapter11MetabolismofAminoAcids11蛋白质的降解与氨基酸代谢一、蛋白质的降解二、氨基酸的分解代谢三、氨基酸的合成代谢（1）选择：异常蛋白、正常调节蛋白和酶。（2）意义：清除异常蛋白；细胞对代谢进行调控的一种方式。（3）蛋白质的周转速度：体内蛋白质处于不断降解和合成的动态平衡。一、蛋白质的降解(一）细胞内蛋白质降解周转速度用半寿期（t1/2）表示。成人每天有总体蛋白1%～2%被降解、更新。人血浆蛋白t1/2约10d，肝脏的t1/2约1～8d，结缔组织t1/2约180d，许多关键性的调节酶的t1/2均很短。（4）选择性降解的特点居于重要代谢调控位点的酶或调节蛋白，降解速度快（短寿蛋白多是调节蛋白或调节酶）。“持家蛋白”的降解速度慢（长寿蛋白多是持家蛋白）。蛋白质的降解速度受到细胞营养及激素状态的调节，营养缺乏，周转速度加快。•真核生物中蛋白质的降解有两条途径•不依赖ATP•利用组织蛋白酶(cathepsin)降解外源性蛋白、膜蛋白和长寿命的细胞内蛋白②依赖泛素(ubiquitin)的降解过程①溶酶体内降解过程•依赖ATP•降解异常蛋白和短寿命蛋白（二）蛋白质降解反应机制最初的一些研究发现，蛋白质的降解不需要能量，不过，20世纪50年代科学家却发现，同样的蛋白质在细胞外降解不需要能量，而在细胞内降解却需要能量。20世纪70年代末80年代初，阿龙·切哈诺沃、阿夫拉姆·赫什科和欧文·罗斯进行了一系列研究，提出泛素调节的蛋白质降解过程2004年诺贝尔化学奖“通过发现蛋白质管理系统，阿龙·切哈诺沃、阿夫拉姆·赫什科和美国科学家欧文·罗斯让我们从分子的层面上来理解细胞控制一些非常重要的生化过程成为了可能，这些重要的生化过程包括：细胞循环、脱氧核糖核酸（DNA）修复、基因复制和新生蛋白质的质量控制等。像这类有关受控蛋白质死亡的新知识还有助于解释免疫系统是如何工作的，而免疫系统的某些缺陷将导致各种各样的疾病，包括某种形式的癌症。”生物体内存在着两类蛋白质降解过程，一种是不需要能量的，这一过程只需要蛋白质降解酶参与；另一种则需要能量，它是一种高效率、指向性很强的降解过程。被称为泛素的多肽就像标签一样，被贴上标签的蛋白质就会被运送到细胞内的“垃圾处理厂”，在那里被降解。泛素•76个氨基酸的小分子蛋白(8.5kD)•普遍存在于真核生物而得名•一级结构高度保守（酵母与人只差3个氨基酸）1.泛素化(ubiquitination)泛素与选择性被降解蛋白质形成共价连接，并使其激活。2.蛋白酶体(proteasome)对泛肽化蛋白质的降解•泛素介导的蛋白质降解过程细胞中存在着E1、E2和E3三种酶，它们各有分工。E1负责激活泛素分子。泛素分子被激活后就被运送到E2上，E2负责把泛素分子绑在需要降解的蛋白质上。E3具有辨认指定蛋白质的功能。当E2携带着泛素分子在E3的指引下接近指定蛋白质时，E2就把泛素分子绑在指定蛋白质上。这一过程不断重复，指定蛋白质上就被绑的泛素分子达到一定数量后，指定蛋白质就被运送到细胞内的一种称为蛋白酶体的结构中。泛素化过程E1：泛素活化酶，需要ATP能量E2：泛素携带蛋白E3：泛素蛋白连接酶泛素CO-O+HS-E1ATPAMP+PPi泛素COSE1HS-E2HS-E1泛素COSE2泛素COSE1被降解蛋白质HS-E2泛素COSE2泛素CNH被降解蛋白质OE3转移到ε-赖氨酸的ε-氨基上，形成一个异肽键蛋白质降解的泛素途径E1-S-E1-SHE2-S-E1-SHE2-SHE2-SHATPAMP+PPiE3多泛肽化蛋白ATP26S蛋白酶体20S蛋白酶体ATP19S调节亚基去折叠水解E1：泛肽激活酶E2：泛肽载体蛋白E3：泛肽-蛋白质连接酶（ubiquitin）蛋白酶体是一个桶状结构，通常一个人体细胞中含有3万个蛋白酶体，经过它的处理，蛋白质就被切成由7至9个氨基酸组成的短链。这一过程需要消耗能量。泛素调节的蛋白质降解过程如同一位重要的质量监督员，通过它的严格把关，通常有30％新合成的蛋白质没有通过质检，而被销毁。蛋白质降解的N-末端规则N-endrule:天然蛋白被选定为降解蛋白质具有一定的结构特征，被称为N-末端规则。N-Asp,Arg,Leu,Lys,Phe残基的蛋白质半衰期——2，3分钟N-Ala,Gly,Met,Ser,Val原核——10h,真核——20h（二）外源蛋白酶促降解蛋白质的营养功能1.是构成组织细胞的重要成分,并维持组织细胞的生长、修补和更新。2.转变为生理活性分子，参与多种重要的生理活动及物质代谢的调控催化（酶）、免疫（抗原及抗体）、运动（肌肉）、物质转运（载体）、凝血（凝血系统）、调节代谢（激素）等。3.氧化供能：4.1kcal(17.19kj)/g。人体每日18%能量由蛋白质提供。•氨基酸代谢库(metabolicpool)食物蛋白经消化吸收的氨基酸（外源性氨基酸）与体内组织蛋白降解产生的氨基酸（内源性氨基酸）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(metabolicpool)食物蛋白质消化吸收组织蛋白质分解合成合成脱氨基作用NH3α-酮酸尿素糖氧化供能酮体脱羧基作用CO2胺类其他含氮化合物(purine,pyrimide)转变氨基酸代谢的通路必需氨基酸八种：赖氨酸（Lys）、色氨酸（Trp）、苯丙氨酸（Phe）、蛋氨酸（Met）、苏氨酸（Thr）、亮氨酸（Leu）、异亮氨酸（Ile）、缬氨酸（Val）。MetTrpLysValIleLeuPheThr“假设来借一两本书”由于酪氨酸在体内需由苯丙氨酸为原料来合成，半胱氨酸必需以蛋氨酸为原料来合成，故这两种氨基酸被称为半必需氨基酸。必需氨基酸和半必需氨基酸二、氨基酸的分解代谢氨基酸的代谢特殊分解代谢→特殊侧链的分解代谢氨基酸的分解代谢脱羧→CO2+胺一般分解代谢脱氨→NH3+α-酮酸尿素or合成原料糖、脂类氨基酸代谢概况食物蛋白质氨基酸特殊途径-酮酸糖及其代谢中间产物脂肪及其代谢中间产物TCA鸟氨酸循环NH4+NH4+NH3CO2H2O体蛋白尿素尿酸激素卟啉尼克酰氨衍生物肌酸胺嘧啶嘌呤生物固氮硝酸还原（次生物质代谢）CO2胺2.1氨基酸的脱氨基作用定义指氨基酸脱去氨基生成相应α-酮酸的过程。主要在肝、肾中进行脱氨基方式氧化脱氨基转氨基作用联合脱氨基非氧化脱氨基转氨基和氧化脱氨基偶联转氨基和嘌呤核苷酸循环偶联2.1.1.氧化脱氨基作用定义：氨基酸在酶的催化下脱去氨基生成相应的α-酮酸的过程称为氧化脱氨基作用。主要有以下两种类型：(1)氨基酸脱氢酶（不需氧）L-谷氨酸NH3α-酮戊二酸NAD(P)+NAD(P)H+H+H2ONH2CH(CH2)2COOHCOOHNH2CH(CH2)2COOHCOOHNHC(CH2)2COOHCOOHNHC(CH2)2COOHCOOHOC(CH2)2COOHCOOH+OC(CH2)2COOHCOOH+-亚氨基戊二酸催化酶：L-谷氨酸脱氢酶L-谷氨酸脱氢酶的特点a.活性高、分布广（肝、肾、脑）。b.特异性高（骨骼肌、心肌活性低），是使氨基酸直接脱去氨基的活力最强的酶。c.是一种变构酶，GTP、ATP是变构抑制剂，GDP、ADP是变构激活剂。当ATP、GTP不足时，谷氨酸的氧化脱氨会加速进行，有利于氨基酸分解供能（动物10%的能量）。d.可逆反应，当NAD+和NADH浓度相等时，平衡实际上有利于谷氨酸合成。但要求有较大浓度的NH3。e.逆反应是工业生产味精的一个重要反应。（2）氨基酸氧化酶（需氧）R-C-COO-||Oα-酮酸α-氨基酸R-CH-COO-|NH+3H2O+O2H2O2氨基酸氧化酶（FAD、FMN）+NH3①Ｌ-氨基酸氧化酶辅酶：FMN、FAD（人和动物）特点：专一性强，活性低，最适pH10对下列aa不起作用：Gly、β-羟aa（Ser、Thr）、二羧基aa（Glu、Asp）、二氨基aa（Lys、Arg）②D-氨基酸氧化酶辅酶：FAD特点：有些细菌、霉菌和动物肝、肾细胞中有此酶，可广谱性地催化D-aa脱氨，但D-aa少，作用不大。2.1.2转氨基作用(transamination)1）定义在转氨酶(transaminase)的作用下，某一氨基酸的α-氨基转移到另一种α-酮酸的酮基上，生成相应的氨基酸，原来的氨基酸则转变成α-酮酸的过程。2）反应式•特点：没有游离的氨产生，但改变了氨基酸代谢库中各种氨基酸的比例。3）转氨酶转氨酶以磷酸吡哆醛(胺)为辅酶，携带-NH2。转氨基作用可以在各种氨基酸与α-酮酸之间普遍进行。除Gly，Lys，Thr，Pro外，均可参加转氨基作用。转氨基存在于一切动物组织中。较为重要的转氨酶有：a.丙氨酸氨基转移酶，又称为谷丙转氨酶（ALT、GPT）。催化丙氨酸与α-酮戊二酸之间的氨基移换反应，为可逆反应。该酶在肝脏中活性较高，在肝脏疾病时，可引起血清中ALT活性明显升高。ALT丙氨酸+α-酮戊二酸丙酮酸+谷氨酸b.天冬氨酸氨基转移酶，又称为谷草转氨酶（AST、GOT）。催化天冬氨酸与α-酮戊二酸之间的氨基移换反应，为可逆反应。该酶在心肌中活性较高，故在心肌疾患时，血清中AST活性明显升高。AST天冬氨酸+α-酮戊二酸草酰乙酸+谷氨酸谷丙转氨酶和谷草转氨酶谷丙转氨酶（GPT）谷草转氨酶(GOT)正常人各组织谷草转氨酶GOT及谷丙转氨酶GPT活性(单位/克湿组织)•血清转氨酶活性，临床上可作为疾病诊断和预后的指标之一。•急性肝炎时血清中谷丙转氨酶（GPT）活性显著增高。•心肌梗塞时血清谷草转氨酶（GOT）含量明显增高。组织GOTGPT心1560007100肝14200044000骨骼肌990004800肾9100019000组织GOTGPT胰腺脾肺血清2800020001400012001000070020164）转氨基作用的机制•转氨酶的辅酶是磷酸吡哆醛氨基酸磷酸吡哆醛α-酮酸磷酸吡哆胺谷氨酸α-酮戊二酸转氨酶-氨基酸磷酸吡哆醛醛亚胺酮亚胺磷酸吡哆胺磷酸吡哆醛的作用机理-酮酸互变异构H2O转氨基作用不仅是体内多数氨基酸脱氨基的重要方式，也是机体合成非必需氨基酸的重要途径。通过此种方式并未产生游离的氨。5）转氨基作用的生理意义2.1.3、联合脱氨基作用转氨酶的活性高、分布广，但单靠转氨基作用不能最终脱掉氨基；L-氨基酸氧化酶的活力都比较低，单靠氧化脱氨基作用也不能满足机体脱氨基的需要。联合脱氨基作用是转氨基作用和氧化脱氨基作用联合进行的脱氨方式。机体借助联合脱氨基作用可迅速脱去氨基。2.类型①转氨基偶联氧化脱氨基作用1）概况②转氨基偶联嘌呤核苷酸循环①转氨基偶联氧化脱氨基作用氨基酸谷氨酸α-酮酸α-酮戊二酸H2O+NAD+转氨酶NH3+NADH+H+L-谷氨酸脱氢酶a.转氨基作用与谷氨酸脱氢酶催化的氧化脱氨基作用偶联。b.联合脱氨基的结果有游离氨产生。c.既是脱氨的方式，也是合成非必需氨基酸的重要途径。d.主要在肝、肾、脑组织中组织进行。这是存在于骨骼肌、肝脏、心肌中的一种特殊的联合脱氨基作用方式。在骨骼肌和心肌中，由于谷氨酸脱氢酶的活性较低，而腺苷酸脱氨酶的活性较高，故采用此方式进行脱氨基。腺苷酸脱氨酶可催化AMP脱氨基，此反应与转氨基反应相联系，即构成嘌呤核苷酸循环的脱氨基作用。②转氨基偶联嘌呤核苷酸循环裂解酶2.2.氨基酸的脱酰胺基作用两个水解酶谷氨酰胺酶：肌肉无此酶天冬酰胺酶：2.3、氨基酸的脱羧作用在氨基酸脱羧酶（aminoaciddecarboxylase）的作用下，氨基酸脱去羧基生成相应的一级胺化合物的过程。a.a脱羧酶专一性很强，每一种a.a都有一种脱羧酶，而且只对L-氨基酸起作用，除His脱羧酶不需要辅酶外，其他氨基酸的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