课件：蛋白质的降解和氨基酸的分解代谢.ppt

2019/8/6,1,蛋白质代谢,？,Metabolism of Amino acids & Proteins,Chapter30 蛋白质降解和 氨基酸的分解代谢,2019/8/6,2,（1）蛋白质的酶促降解 外源蛋白质的消化 内源性蛋白质的选择性降解 （2）氨基酸的分解代谢 脱氨方式、血氨转运、尿素生成,2019/8/6,3,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12%的体内蛋白质被降解,蛋白质的降解,2019/8/6,4,一、蛋白质的降解,（一）机体对外源蛋白的需要及其消化作用,机体摄入蛋白质的量和排出量在正常情况下处于平衡状态,1、氮平衡,摄入氮 = 排出氮,正常成人的蛋白质代谢情况,收支平衡,2019/8/6,5,氮的正平衡,氮的负平衡,摄入氮 排出氮,儿童、孕妇及恢复期病人的代谢情况,摄入氮 排出氮,饥饿或消耗性疾病（结核、肿瘤）,2019/8/6,6,2、氨基酸代谢库,食物蛋白中，经消化而被吸收的氨基酸（外源性）与体内 组织蛋白降解产生的氨基酸（内源性）混在一起，分布于体内 各处，参与代谢,（amino acid metabolic pool）,氨基酸代谢库以游离氨基酸总量计算,各器官AA量占代谢库比例： 肌肉：50；肝脏：10；肾脏：4；血浆：16,肝、肾：体积小，所含的AA浓度很高 血浆AA：体内各组织间AA转运的主要形式,2019/8/6,7,3、生理需要量,中国营养学会推荐:成人每日蛋白质需要量:80g,蛋白质的最低生理需要量,在糖和脂肪等物质充分供应的条件下，为维持氮的总平衡，至少必需摄入的蛋白质的量。3050g,体重70Kg：400g蛋白质发生变化,氧化降解G 外源蛋白质补充,体内再循环,排尿：620g氨基氮 30gPr/5g,2019/8/6,8,必需氨基酸： 体内需要但自身不能合成，必须由食物供应的氨基酸,4、蛋白质的营养价值,Met Trp Lys Val Ile Leu Phe Thr “假 设 来 借 一 两 本 书”,甲硫氨酸、色氨酸、赖氨酸、缬氨酸 异亮氨酸、亮氨酸、 苯丙氨酸、苏氨酸,2019/8/6,9,2019/8/6,10,蛋白质的营养价值,必需AA种类 必需AA含量 必需AA的比例,酪氨酸：体内需苯丙氨酸为原料合成 半胱氨酸：需以蛋氨酸为原料合成 半必需氨基酸,具有与人体需求相符的AA组成,2019/8/6,11,将几种营养价值较低的食物蛋白质混合后食用，以提高其营养价值的作用,食物蛋白质的互补作用,必需氨基酸相互补充,2019/8/6,12,（二）蛋白质降解的特性,细胞、细菌有选择地降解非正常蛋白质,选择性：（1）异常蛋白 （2）正常的调节蛋白和酶, 意义：,（1）清除异常蛋白； （2）细胞对代谢进行调控的一种方式,1、选择性,2019/8/6,13,2、蛋白质的周转,人及动物体内蛋白质处于不断降解和合成的动态平衡,周转速度：半存活期（半寿期）,成人：每天有1%2%总蛋白被降解、更新,蛋白半寿期（t1/2） 人血浆蛋白质：10天 肝脏蛋白质：18天 结缔组织蛋白：180天 关键性的调节酶：很短,表30-1 大鼠肝脏中某些酶的半寿期 P300,2019/8/6,14,3、选择性降解的特点,1）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）,2）“持家蛋白”的降解速度慢（长寿蛋白多是持家蛋白）,3）蛋白质的降解速度受细胞营养及激素状态的调节， 营养缺乏，周转速度加快,2019/8/6,15,（三）蛋白质降解的反应机制,真核细胞，两条途径,1、溶酶体途径,无选择性，不依赖ATP 降解外源蛋白、膜蛋白及长寿命的胞内蛋白质,组织蛋白酶：50多种； 最适pH酸性,防止偶然的溶酶体渗漏而保护细胞,细胞pH：7.47.6,溶酶体酶无活性,2019/8/6,16,溶酶体对细胞组分的再利用：,自噬泡，分解内容物,2019/8/6,17,胞吞：,2019/8/6,18,类似于降解,降低蛋白质降解速度,溶酶体抑制剂：无快速降解非正常蛋白质、短寿命酶的作用,防止饥饿状态下蛋白质的加速度崩溃,正常、病理活动溶酶体活性的升高,糖尿病：刺激溶酶体蛋白质的分解 产后子宫萎缩：废弃使用、神经切除、创伤导致肌肉损伤 慢性炎症：溶酶体酶的细胞外释放,2019/8/6,19,2、泛肽途径（ubiguitin，泛素）：,标记选择降解的蛋白质,需ATP、泛肽参加,胞质 降解异常蛋白和短寿命蛋白 不含溶酶体的红细胞中尤为重要,8.5KD（76a.a.残基），小分子蛋白质 普遍存在于真核细胞 一级结构高度保守（酵母与人相差3个a.a残基） 与被降解的蛋白质共价结合，使后者活化，被蛋白酶降解,2019/8/6,20,结晶：泛素四聚体, 仅能在两个泛素分子间观察到连接点 A链末端Gly残基和B链148位Lys残基间存在异常连接,2019/8/6,21,2004年10月6日，以色列和美国科学家获诺贝尔化学奖：发现泛素调节的蛋白质降解,阿龙切哈诺沃 阿弗拉姆赫尔什科 欧文罗斯,2019/8/6,22,任何物质都不能永世长存。许多蛋白质的寿命仅有几分钟 细胞不断合成蛋白质，蛋白质执行特定的功能，随后被丢弃 信号转导或监控的蛋白：转录调控因子和控制细胞分裂的细胞 周期蛋白，传递携带的信息后被丢弃，完成简短的一生 一些特殊的酶类需要时才被合成，维持细胞不断的合成需求 这种有计划的废弃似乎很浪废，但它使细胞能对不断变化的外 界环境和内在需求做出相应的反应,2019/8/6,23,泛肽,过期蛋白质,泛肽,复合体,2019/8/6,24,一般哺乳动物体内都含有三类酶 E1（泛素激活酶） ：激活泛素 E2（泛素结合酶） ：与泛素结合 E3（泛素连接酶） ：强特异性，决定细胞内的哪些蛋白质 将要被标记并进而被降解,细胞内的废弃物处理装置蛋白酶体 黑点：活性区域，蛋白质降解场所,2019/8/6,25,细胞内蛋白质标记及降解的理论模型,1）E1激活泛素，需 ATP提供能量,2）泛素转移至E2,3）E3具特异性，识 别需破坏的目标 蛋白质，与目标 蛋白质接近的 E2-泛素复合体 将泛素转移至目 标蛋白质,4）E3释放出被泛素标记的蛋白质,5）标记蛋白质尾端形成泛素分子链,6）泛素分子链 在蛋白酶体的端 口被识别并脱离 蛋白质，目标蛋 白质进入蛋白酶 复合体的桶状通 道最终降解为缩 氨酸并由另一端 口释放,2019/8/6,26,游离于细胞质中，过于微小难以观察,小分子单元,溶酶体,白细胞杀菌时被该细菌同样溶解,白细胞杀菌、细胞自溶也与之有关,2019/8/6,27,生物体中泛素调节的应用实例及意义,1）植物体中自花授粉的阻止：,大多植物体-雌雄同体 自花授粉可使基因多样性降低，整个物种逐渐灭亡 植物体利用泛素为媒介的降解抵制自花授粉 精确机理还不清楚，但一定与E3有关 而且当加入泛素抑制剂后这种抵制作用会降低,2019/8/6,28,2）细胞更新的调节：,细胞复制中发生很多反应 有丝分裂（常细胞）、减数分裂（生殖细胞），泛素调节有关 一种促进分裂复合物（APC）帮助细胞分裂过程染色体的脱离 另一种蛋白质复合物围绕染色体对（绳索），将其结合 ATP接到信号后，标定特定的蛋白降解酶抑制剂 该抑制剂被带进蛋白酶体破坏，释放蛋白降解酶 破坏染色体对周围的绳索，染色体对分离。,2019/8/6,29,减数分裂中不正常的染色体对分离常导致自然流产 其余21对染色体的不正常分裂可导致唐氏症 恶性肿瘤：有丝分裂不正常导致染色体数目不对而产生,2019/8/6,30,泛素调节的应用除此之外还有很多，如DNA的修复及癌细胞的消灭等，泛素调节的蛋白质降解在生物体中如此重要，因而对它的开创性研究也就具有了特殊意义。目前，科学家不断发现和研究与这一降解过程相关的细胞新功能。对进一步揭示生物的奥秘，以及探索一些疾病的发生机理和治疗手段具有重要意义,2019/8/6,31,（四）蛋白质的消化、吸收与腐败,1、蛋白质的消化,胃消化：胃蛋白酶 小肠消化：胰蛋白酶,蛋白酶：一般无活性酶原激活 蛋白水解酶：作用肽键的专一性不同 各种蛋白酶协同作用，生成AA、二肽，吸收,2019/8/6,32,提问：不同蛋白酶之间功能上区别？,外肽酶氨肽酶,内肽酶,限制性内肽酶,外肽酶羧肽酶,最终产物：氨基酸、寡肽,2019/8/6,33,蛋白水解酶作用的专一性,2019/8/6,34,胃蛋白酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶、羧肽酶A和羧肽酶B、氨肽酶等（以酶原的形式分泌）协同作用，最后生成游离氨基酸。,2019/8/6,35,胰蛋白酶原,肠激酶,胰蛋白酶,糜蛋白酶原,糜蛋白酶,弹性蛋白酶原,弹性蛋白酶,羧基肽酶原A及B,羧基肽酶A、B,2019/8/6,36,2、氨基酸的吸收（小肠粘膜）,主动吸收（耗能） 粘膜微血管血液肝脏 及其他器官； 代谢 少量AA由淋巴系统进入血液 抗菌素：抑制AA吸收,2019/8/6,37,3、蛋白质的腐败作用（putrefaction）,肠道细菌对消化过程中不被消化、吸收部分蛋白质及其消化产物所起的作用,1）胺类的生成,肠道细菌蛋白酶使蛋白质分解成AA，再经AA脱羧基作用，产生胺类,2019/8/6,38,可编辑,2019/8/6,39,2）氨的生成,未被吸收的AA在肠道细菌作用下脱氨基生成,血液中尿素渗入肠道，受肠菌尿素酶的水解生成,3）其他有害物质的生成,胺类（腐胺、尸胺），酚类，吲哚类，氨及硫化氢,有毒物质被吸收后，肝脏解毒,2019/8/6,40,二、氨基酸分解代谢,吸收到体内的AA可部分地在机体（细胞、组织或个体）中 累积起来形成氨基酸代谢库供必要时动用,氨基酸代谢去路,3）酰胺形式储存，或转变为其他含氮物,1）生物合成蛋白质,2）分解,脱氨基-酮戊二酸糖代谢 彻底氧化或转变为糖和脂肪,2019/8/6,41,氨基酸代谢概况,氨基酸代谢库,2019/8/6,42,2019/8/6,43,（一）AA的脱氨基作用,氧化脱氨基作用（动、植物） 非氧化脱氨基作用（微生物）,2019/8/6,44,L-氨基酸氧化酶 第一步：脱氢 第二步：加水、脱氨,1、氧化脱氨基作用,2019/8/6,45,L-氨基酸氧化酶（L-amino acid oxidase)：,需氧脱氢酶，辅基FAD或FMN,脱下的HO2H2O2,酶活性不高，组织器官分布局限，作用不大,2019/8/6,46,不适用：Gly 羟基氨基酸（L-Ser、L-Thr） 二羧基氨基酸（L-Glu、L-Asp） 二氨基一羧基氨基酸（Lys、Arg、鸟氨酸） Gly：甘氨酸氧化酶（辅酶FAD） L-Glu：L-谷氨酸脱氢酶 L-Ser、L-Thr：脱水酶,2019/8/6,47,L-谷氨酸脱氢酶 (L-glutamate dehydro-genase),不需氧脱氢酶，辅酶NAD+或NADP+,NADH或NADPH进入呼吸链进行氧化磷酸化,酶活性高，分布广泛，作用较大,变构酶，ATP，GTP的抑制 ADP，GDP的激活,2019/8/6,48,2、非氧化脱氨基作用,微生物,还原脱氨：RCHNH2COOH+2HRCH2-COOH+NH3,水解脱氨：RCHNH2COOH+H2ORCHOH-COOH+NH3,2019/8/6,49,Glu、Asn，脱氨的一种类型 酰胺酶（amidase）催化，水解脱酰胺,3、AA的脱酰胺基作用,2019/8/6,51,（二）氨基酸的转氨基作用,一种AA的氨基经转氨酶催化转移给-酮酸的作用；原来的AA生成相应的酮酸，而原来的酮酸则形成相应的AA。,1、转氨基作用,转氨酶 （辅酶：磷酸吡哆醛）,谷丙转氨酶（GPT）,谷草转氨酶(GOT),谷丙转氨酶和谷草转氨酶,2019/8/6,54,2、转氨酶（氨基转移酶）的特点,1）大多数需-酮戊二酸作为氨基的受体，而对另一个底物则 无严格的专一性,2）一般只催化L-AA和-酮戊二酸的转氨作用,3）催化反应可逆,4）辅酶：磷酸吡哆醛,2019/8/6,55,3、转氨酶的辅酶及其作用机制（304页）,形成中间络合物,2019/8/6,56,（三）联合脱氨基作用,1、联合脱氨基作用,-AA + -酮戊二酸（转氨基）Glu脱氨,间接脱氨,过程,L-AA氧化酶的分布不广，活性弱 而转氨酶活性强，L-谷氨酸脱氢酶的分布广,生物体采用转氨作用和氧化脱氨作用联合进行的方法，可迅速地使各种不同的氨基酸脱掉氨基联合脱氨基作用。,2019/8/6,57,1）以谷氨酸脱氢酶为中心,2、联合脱氨基作用的形式,以-酮戊二酸为氨基受体，生成-酮酸和谷氨酸，谷氨酸经谷氨酸脱氢酶催化，生成-酮戊二酸，同时释出氨气。,2019/8/6,58,2019/8/6,59,2）以嘌呤核苷酸循环的联合脱氨基作用（308页）,2019/8/6,60,（四）氨基酸脱羧基作用,底物专一性：只对一种L-型AA或其衍生物起脱羧作用 磷酸吡哆醛为辅酶（His脱羧酶除外）,AA氨基酸脱羧产生胺,磷酸吡哆醛,磷酸吡哆醛的作用： 以醛基与AA的氨基结合成中间产物醛亚胺 醛亚胺经脱羧、水解生成一级胺。,AA脱羧酶,2019/8/6,61,人、动物：肝、肾、脑中皆有AA脱羧酶,肝、肾、肠道、脑组织,2019/8/6,62,（五）氨的代谢去路,氨的毒性：损害中枢神经系统,1、氨的转运,谷氨酰胺 氨运输的主要形式,2019/8/6,63,2、氨的排泄,1）排氨动物（水生如鱼类） 以谷氨酰胺形式运送至排泄部位 谷氨酰胺酶作用产生氨，扩散排除,2）尿素形成尿素循环(urea cycle): 肝脏 （陆栖高等动物和两栖类）,3）排尿酸动物（如陆生爬虫类和鸟类）尿酸的形成,4）其它：蜘蛛：鸟嘌呤 鱼类：氧化三甲胺 高等植物：谷氨酰胺和天冬酰胺形式储存,2019/8/6,64,三、尿素循环(urea cycle鸟氨酸循环 ),最早发现的代谢循环，1932年Hans A.Krebs提出,原料： NH3、CO2（或H2CO3）、鸟氨酸、Asp、ATP、Mg2+、酶,部位：肝细胞,1、发现（310页）,2019/8/6,65,3个阶段：, CO2、NH3与鸟氨酸作用合成瓜氨酸,瓜氨酸与Asp作用产生Arg,Arg被Arg水解酶水解后放出尿素，并形成鸟氨酸循环,鸟氨酸循环，又称尿素循环,2019/8/6,66,2、尿素循环的过程（311页）,氨甲酰磷酸合成酶,2019/8/6,67,3、总结（311页）,（1）形成1分子尿素可清除两分子氨基氮及1分子CO2,（2）形成1分子尿素需消耗4个高能磷酸键