第十章+蛋白质酶促降解和氨基酸代谢.ppt

第十章 蛋白质酶促降解和氨基酸代谢,内容 第一节 蛋白质酶促降解 第二节 氨基酸酶促降解 第三节 氨基酸的生物合成 第四节 一碳单位（自学）,教学目的和要求,1.掌握蛋白酶和肽酶水解蛋白质； 2.掌握氨基酸的脱氨基和脱羧基作用； 3. 掌握氨基酸分解产物的去路 5.掌握氨基酸的生物合成 6.了解一碳单位的概念及生物学意义以及一碳单位的生成。,概述： 人体内蛋白质处于不断降解与合成的动态平衡中。 成人每天约有1%2%的体内蛋白质被降解。,一、蛋白质营养的重要性,生命的物质基础: 维持细胞、组织的生长、更新和修补,2. 参与多种重要的生理活动,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）、代谢调节（激素，信号分子）等。,3. 氧化供能 (17kJ/mol) 人体每日18%能量由蛋白质提供。,二、蛋白质需要量和营养价值,1. 氮平衡(nitrogen balance) 摄入食物的含氮量与排泄物（尿与粪）中含氮量之间的关系。,氮总平衡：摄入氮 = 排出氮（正常成人）,氮正平衡：摄入氮 排出氮（儿童、孕妇等）,氮负平衡：摄入氮 排出氮（饥饿、消耗性疾病患者）,氮平衡的意义：可以反映体内蛋白质代谢的慨况。,2. 生理需要量,成人每日最低蛋白质需要量为3050g，我国营养学会推荐成人每日蛋白质需要量为80g。,3. 蛋白质的营养价值,其余12种氨基酸体内可以合成，称非必需氨基酸。,第一节 蛋白质的酶促降解,外源蛋白质的消化吸收 胞内蛋白质的降解,一、机体对外源蛋白质的消化吸收,胃中的消化 小肠中的消化 胰蛋白酶 、糜蛋白酶 、弹性蛋白酶 等将肽链裂解为小肽； 氨基肽酶、羧基肽酶将小肽裂解为氨基酸,内切酶(蛋白酶)的作用: 能水解肽链内部的肽键,水解蛋白质成大小不等的多肽段 常见蛋白酶的作用特点: 胃蛋白酶:主要水解芳香族氨基酸的氨基和其它氨基酸羧基组成的肽键 胰蛋白酶:碱性氨基酸的羧基端和其它氨基酸氨基组成的肽键 胰凝乳蛋白酶:芳香族氨基酸的羧基端和其它氨基酸的氨基端组成的肽键,根据蛋白水解酶作用的方式不同，可分为蛋白酶和肽酶 （一）蛋白酶：也称为肽链内切酶：产物短肽段,酶 位点（或底物） 胰蛋白酶(Trypsin） Lys,Arg的羧基端 胰凝乳(糜)蛋白酶 Phe,Trp,Tyr 的羧基端 胃蛋白酶(Pepsin) Phe,Trp,Tyr的氨基端 氨肽酶(aminopeptidase) 肽的氨基端 羧肽酶(carboxypeptidase) 肽的羧基端 二肽酶(dipeptidase) 二肽 弹性蛋白酶(elastase) 各种脂肪族AA形 成的肽,几种常见的蛋白水解酶,（二）肽酶：肽链的端解酶（羧肽酶和氨肽酶） 1、羧肽酶：专一性地从多肽链羧基端开始进行水解，水解产物可以是游离氨基酸或二肽。 羧肽酶A：水解中性aa为C端的肽键； 羧肽酶B：水解碱性aa为C端的肽键； 2、氨肽酶：专一性地从多肽链氨基端开始进行水解，通常每次水解下一个氨基酸,蛋白水解酶的专一性,酶 专 一 性 胃蛋白酶 R3=色、苯丙、丙、酪、甲硫、亮 R4=任何氨基酸 胰蛋白酶 R3=精、赖 R4=任何氨基酸 胰凝乳蛋白酶 R3=苯丙、酪、色 R4=任何氨基酸 弹性蛋白酶 R3=脂肪族氨基酸 R4=任何氨基酸 氨基肽酶 R1=任何氨基酸 R2=除脯氨酸外 羧基肽酶A R5=任何氨基酸 R6=除精、赖、脯氨酸外 羧基肽酶B R5=任何氨基酸 R6=精、赖,H2N-CH-C-NH-CH-NH-CH-C-NH-CH-NH-CH-C-NH-CH-COOH,O,O,O,R1,R2,R3,R4,R5,R6,氨基肽酶 内肽酶 羧基肽酶,（三）、氨基酸代谢库,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(metabolic pool)。,（一）真核细胞中存在两条不同的降解途径： 1. 不依赖ATP的降解途径： 在溶酶体内进行，主要降解外源性蛋白质、膜蛋白和长寿命的胞内蛋白质。,二、胞内蛋白质的降解,2. 依赖ATP和泛素的降解途径： 在胞液中进行，主要降解异常蛋白质和短寿命的蛋白质。需ATP和泛素参与 泛素(ubiquitin)是一种小分子蛋白质，普遍存在于真核细胞中。,氨基酸代谢,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+,NH3,CO2,H2O,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,SO4 2 -,（次生物质代谢）,CO2,胺,第二节、氨基酸的酶促降解,一、脱氨基作用,氨基酸失去氨基的作用叫脱氨基作用 氨基酸主要通过五种方式脱氨基 氧化脱氨基 非氧化脱氨基 脱酰胺作用 转氨基作用 联合脱氨基,2. L-谷氨酸脱氢酶(glutamate dehydrogenase),特点 分布广、活性高（ 肌肉中例外）；2. 反应可逆；3. 谷氨酸脱氢酶是别构酶 ，受GDP （+）/ ATP(-) 调节；4. 谷氨酸脱氢酶只能催化谷氨酸发生脱氨基作用（有局限性）, 氧化脱氨基作用,定义：-AA在酶的作用下，氧化生成-酮酸，同时消耗氧并产生氨的过程。,氧化脱氨基的反应过程包括脱氢和水解两步，脱氢反应需酶催化，而水解反应则不需酶的催化。,AA氧化酶的种类 L-AA氧化酶：催化L-AA氧化脱氨，体内分布不广泛，最适pH10左右，以FAD或FMN为辅基。 D-AA氧化酶：体内分布广泛，以FAD为辅基。但体内D-AA不多。 L-谷氨酸脱氢酶：专一性强，分布广泛（动、植、微生物），活力强，以NAD+或NADP+为辅酶。,体内（正）,体外（反）,特点:1.分布广、活性高（ 肌肉中例外）；2. 反应可逆；3. 谷氨酸脱氢酶是别构酶 ，受GDP （+）/ ATP(-) 调节；4. 谷氨酸脱氢酶只能催化谷氨酸发生脱氨基作用（有局限性）,还原脱氨基、脱水脱氨基、水解脱氨基、脱硫氢基脱氨基等。 （在微生物中个别AA进行,但不普遍）, 非氧化脱氨,例：脱水脱氨基（只适于含一个羟基的AA),上述两种酶广泛存在于微生物、动物、植物中，有相当高的专一性。, 氨基酸的脱酰胺作用,（四）转氨基作用(transamination),特点： 1. 只转移-NH2、不产生游离NH3 ； 2. 辅酶磷酸吡哆醛/胺(氨基传递体)； 3. 反应可逆，逆过程是体内合成和改造非必需aa的途径 ； 4. 体内普遍进行，并且大多数aa.可将-NH2基转移给-酮戊二酸 生成Glu 。,指-AA和酮酸之间氨基的转移作用， -AA的-氨基借助转氨酶的催化作用转移到酮酸的酮基上，结果原来的AA生成相应的酮酸，而原来的酮酸则形成相应的氨基酸。,大多数转氨酶以-酮戊二酸为氨基受体，其中谷草转氨酶（glutamic-oxaloacetic transaminase，GOT）和谷丙转氨酶（glutamic-pyruvic transaminase，GPT）最常见。 在正常情况下，GOT和GPT主要在肝中，在心脏和肝脏中活性最高，血清中活性低。当心、肝组织细胞受损时，大量的转氨酶逸人血液，血清中的转氨酶活性升高，可根据血清中转氨酶的活性变化判断这些器官的功能状况。在医学临床上普遍用GOT和GPT在血清中的活性判断心肌梗塞和急性肝炎。 众多转氨酶的辅酶是磷酸吡哆醛，它从氨基酸接受氨基后转变成磷酸吡哆胺，磷酸吡哆胺又将氨基转给-酮酸，其本身再变回为磷酸吡哆醛。,（五）联合脱氨基作用（动物组织主要采取的方式）,两种脱氨基方式的联合作用，使氨基酸脱下-氨基生成-酮酸的过程。,2. 类型, 转氨基偶联氧化脱氨基作用,1. 定义, 转氨基偶联嘌呤核苷酸循环, 转氨基偶联氧化脱氨基作用,此种方式既是氨基酸脱氨基的主要方式，也是体内合成非必需氨基酸的主要方式。 主要在肝、肾组织进行。, 转氨基偶联嘌呤核苷酸循环,此种方式主要在肌肉组织进行。,（六）脱掉氨基后的-酮酸可转变成：,-酮戊二酸,琥珀酰 CoA,延胡索酸,草酰乙酸,丙酮酸,乙酰CoA,乙酰乙酰 CoA,三羧酸循环中间产物,PEP,葡萄糖,脂肪酸,酮体,二、脱羧基作用,脱羧基作用(decarboxylation),由氨基酸脱羧酶(decarboxyase)催化，辅酶为磷酸吡哆醛，产物为CO2和胺。所产生的胺可由胺氧化酶氧化为醛、酸，酸可由尿液排出，也可再氧化为CO2和水。,Glu-氨基丁酸 （对中枢神经系统传导有抑制作用） Asp-丙氨酸（泛酸组分） Trp（脱氨、脱羧、氧化）吲哚乙酸 （植物生长素） His组胺（降血压作用） Tyr酪胺（升血压作用） Ser（脱羧）乙醇胺（甲基化）胆碱二者分别合成脑磷脂和卵磷脂，可作为生物膜的成分。,三、氨基酸分解产物的去路,氨基酸分解产物： NH3 -酮酸 CO2 胺（RCH2NH2）,（一）、NH3的代谢,1、氨的来源和去路,2、氨的转运(amino nitrogen transportation),（1）、谷氨酰胺的运氨作用,（2）、葡萄糖丙氨酸循环,氨在血液中的运输方式,肝或肾,+ NH3,(1). 谷氨酰胺的运氨作用,合成尿素,形成NH4+,H+,肝,肾,随尿排出,意义 1) 在血液中, 以Gln形式运NH3 , 可以保持低血NH3浓度; 2) 在脑组织, 形成Gln是暂时解除NH3毒的重要方式。,谷氨酰胺酶,(2)、葡萄糖丙氨酸循环(alanine-glucose cycle),意义： 1) 实现氨的无毒运输; 2) 为肝组织提供糖异生原料。,3、尿素的生成,体内氨的主要代谢去路是用于合成无毒的尿素(urea)。 合成尿素的主要器官是肝，但在肾及脑中也可少量合成。 尿素合成是经称为鸟氨酸循环(ornithine cycle)的反应过程来完成的。催化这些反应的酶存在于胞液和线粒体中。,氨基甲酰磷酸的合成 此反应在线粒体中进行，由氨基甲酰磷酸合成酶（carbamoyl phosphate synthetase - , CPS-）催化，该酶需N-乙酰谷氨酸（AGA）作为变构激活剂，反应不可逆。,（1）.尿素生成的鸟氨酸循环,在线粒体内进行，由鸟氨酸氨基甲酰转移酶（ornithine carbamoyl trans-ferase, OCT）催化，将氨甲酰基转移到鸟氨酸的-氨基上，生成瓜氨酸。, 瓜氨酸的合成,转运至胞液的瓜氨酸在精氨酸代琥珀酸合成酶(argininosuccinate synthetase)催化下，消耗能量合成精氨酸代琥珀酸。, 精氨酸代琥珀酸的合成,限速酶,在胞液中由精氨酸代琥珀酸裂解酶(arginino-succinate lyase)催化，将精氨酸代琥珀酸裂解生成精氨酸和延胡索酸。,精氨酸代琥珀酸的裂解,在胞液中由精氨酸酶催化，精氨酸水解生成尿素(urea)和鸟氨酸(ornithine)。鸟氨酸可再转运入线粒体继续进行循环反应。,精氨酸的水解,鸟氨酸循环,线粒体,胞 液,2、尿素循环与TCA的关系,尿素合成的特点,1合成主要在肝细胞的线粒体和胞液中进行；,2合成一分子尿素需消耗4分子ATP；,3精氨酸代琥珀酸合成酶是尿素合成的限速酶；,4尿素分子中的两个氮原子，一个来源于NH3，一个来源于天冬氨酸,8、总反应式,5、意义：解氨毒，把有毒的NH3转变成无毒的尿素。,6、关键酶：氨基甲酰磷酸合成酶I,7、与TCA的联系：天冬氨酸、延胡索酸,（二）、-酮酸的代谢(-keto acid metabolism),生糖和生酮氨基酸种类,分 类 氨基酸,生糖氨基酸,生糖兼生酮氨基酸 苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、异亮氨酸,生酮氨基酸 亮氨酸、赖氨酸,甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、精氨酸、脯氨酸、谷氨 酸、谷氨酰胺、苏氨酸、缬氨酸、组氨酸、甲硫氨 酸、半胱氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺,氨基酸碳骨架的氧化途径,氨基酸碳骨架可通过多种途径，形成5种物质进入TCA循环 乙酰CoA 丙氨酸、甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸 -酮戊二酸 精氨酸、组氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸、谷氨酸 琥珀酰CoA 异亮氨酸、甲硫氨酸、缬氨酸 延胡索酸 苯丙氨酸、酪氨酸 草酰乙酸 天冬氨酸、天冬酰胺,直接形成乙酰CoA途径,1、形成乙酰CoA的途径,通过乙酰乙酰CoA进入到乙酰CoA,2、一酮戊二酸途径,3、形成琥珀酰CoA的途径,有3中氨基酸进入；Ile、Met、Val,Ile,Val,Met,琥珀酰CoA,TCA,4、形成延胡索酸途径,有2种进入： Phe、Tyr,5、形成草酰乙酸途径,有两种氨基酸进入：Asp、Asn,（三）胺的代谢,醛脱氢酶,-氧化,乙酰辅酶A,TCA循环,1、胺类物质氧化,2、转变为其他含氮活性物质（见P270）,一、氨的同化,定义：生物体将无机态的氨转化为含氮有机化合物的过程（N素亦称生命元素） 生物体N的来源 食物来源的N（食物中的蛋白质和氨基酸）：人和动物的N源 生物固N（某些微生物和藻类通过体内固氮酶系的作用将分子氮转变成氨的过程，1862年发现）,第三节 氨基酸的生物合成,氨同化的途径 谷AA的形成途径 氨甲酰磷酸形成途径,硝酸还原酶,NO2-,亚硝酸还原酶,NH3,AA,Pr,其它含N化合物,3. 硝酸还原生成（植物体中的N源）,NO3-,1.谷AA脱氢酶（细菌）,NH3 谷AA 其它AA, 谷AA合成途径,谷氨酰胺(贮存了氨）可做为NH3的供体将其转移,2.谷氨酰胺合成酶（高等植物的主要途径）,+2H,2,谷AA合酶,+,谷氨酰胺,-酮戊二酸,谷氨酸, 氨甲酰磷酸合成途径（微生物和动物）,原料：NH3 CO2 ATP,1 氨甲酰激酶,NH3 + CO2 + ATP,Mg2+,氨甲酰磷酸,2 氨甲酰磷酸合成酶,NH3 + CO2 + 2ATP,Mg2+,辅因子,在植物体中，氨甲酰磷酸中的氮来自谷氨酰胺的酰胺基，不是由氨来的。,主要通过转氨基作用,AA-R1,-酮酸R1,转氨酶,AA-R2,-酮酸R2,许多氨基酸可以作为氨基的供体，其中最主要的是谷氨酸，其被称为氨基的“转换站”，先转变成Glu再合成其它AA。,二、氨基酸的合成,（一）、脂肪族氨基酸的生物合成,谷氨酸族氨基酸的生物合成L-Glu、L-Gln、 L-Pro,天冬氨酸族的生物合成L-Asp、L-Asn、L -Met、 L-Thr,丙酮酸族的生物合成L-Ala、 L-Val、L-Leu,丝氨酸族的生物合成L-Ser、 L-Gly、 L-Cys生物合成及固硫作用,1、由酮戊二酸合成的氨基酸途径,（1）、L一Glu的合成：由酮戊二酸合成。 酮戊二酸NH4NADH2GluNADH2O （2）、Gln生成： GluATP NH3GlnADP Pi,（3）、 Pro的合成： 酮戊二酸GluL-Glu半醛二氢吡咯5羟酸LPro,（4）、Arg的合成：,酮戊二酸,Glu,Orni,Arg,（5）、Lys的合成：,高柠檬酸,Lys,酮戊二酸,高异柠檬酸,草酰戊二酸,2、天冬氨酸族的生物合成 LAsp、LAsn、L 一Met、 L一Thr,（1）、Asp的合成：OxalAsp （2）、Asn的合成： AspAsn,Glu,酮戊二酸,Gln,Glu,（3）、Met的合成：,Met,O-琥珀酰高丝氨酸,Asp-半醛,天冬酰磷酸,Asp,（4）、Thr的合成：,L-高丝氨酸,Thr,Asp,3、丙酮酸族的生物合成L一Ala、 LVal、L-Ile、L一Leu,（1）、Ala的合成：丙酮酸丙氨酸 （2)、Val和Ile的合成：两种氨基酸合成的路线基本相同。先由丙酮酸和酮丁酸缩合，然后经多个步骤合成。 (3)、Leu的合成：a异戊酸异丙基苹果酸酮异己酸Leu。,4、丝氨酸族的生物合成L-Ser、 L-Gly、 L- Cys生物合成及固硫作用,(1)、Ser和Gly的合成：,H2S,乙酸,3-P-甘油,3-P-羟基丙酮酸,3-P-Ser,L-Ser,Gly,(2)、Cys的合成：,L-Ser,O-乙酰-L-Ser,L-Cys,(三)、芳香族氨基酸及组氨酸的生物合成,1、苯丙氨酸、酪氨酸及色氨酸的生 物合成 2、组氨酸的生物合成,Phe和Tyr合成,Trp的合成,氨基酸合成概貌,糖代谢和氨基酸合成的联系,作业,一、名词解释 氧化脱氨基作用、转氨基作用、联合脱氨基、一碳单位 二、简答题 1、降解蛋白质的酶有那几类？他们的作用特点如何？ 2、简述-酮酸的代谢去路,