课件：十蛋白质的降解和氨基酸代谢.ppt

第十章 蛋白质的降解和氨基酸代谢,第一节 蛋白质的降解 第二节 氨基酸的分解与转化 第三节 尿素的形成 第四节 氨基酸碳骨架的氧化途径 第五节 氨基酸的合成 第六节 生物固氮,本章着重讨论蛋白质在机体内的降解，以及氨基酸的分解和合成的共同代谢途径。,蛋白质的消化与吸收,第一节 蛋白质的降解,氨基酸代谢一览,一、蛋白质酶的种类和专一性,编号 名 称 作 用 特 征,3、4、11,3、4、13,-氨酰肽水解酶,(-aminoacyl peptide hydrolase),作用于多肽链的N-末端,-羧肽水解酶,(-carboxyl peptide hydrolase),作用于多肽链的C-末端,3、4、14,二羧肽水解酶,(depeptide hydrolase),水解二肽,肽酶（Peptidase）蛋白酶(Proteinase),（一）肽酶的种类和专一性,（二）蛋白酶的种类和专一性,编号 名 称 作用特征 实例,3、4、2、1,3、4、2、2,丝氨酸蛋白酶类,(serine pritelnase),活性中心含Ser,3、4、2、3,3、4、2、4,硫醇蛋白酶类,(Thiol pritelnase),活性中心含Cys,羧基（酸性）蛋白酶类,carboxyl(asid) pritelnase,活性中心含Asp,最适pH在5以下,金属蛋白酶类,(metallopritelnase),活性中心含有Zn2+ 、 Mg2+等金属,胰凝乳蛋白酶 胰蛋白酶 凝血酶,木瓜蛋白酶 无花果蛋白酶 菠萝酶,胃蛋白酶 凝乳酶,枯草杆菌蛋白酶 嗜热菌蛋白酶,消化道内几种蛋白酶的专一性,胰蛋白酶：Lys、Arg羧基端肽键；(碱性） 糜蛋白酶：Phe、Tyr、Trp肽键； (芳香族） 弹性蛋白酶：Val、Leu、Ser、Ala肽键（脂肪族）,二、细胞内蛋白质降解,溶酶体途径: 无选择地降解蛋白质 泛肽（ubiguitin）途径: 给选择降解的蛋白质加以标记 Hershko,A.等1978年从网织红细胞依赖ATP的蛋白质水解系统中分离出一种热稳定因子，由76个氨基酸组成，后来发现它广泛存在于各类真核细胞，因而命名为泛肽（ubiquitin）。,在泛肽激活酶（E1）、 泛肽载体蛋白（E2）和 泛肽蛋白连接酶（E3）的共同作用下，泛肽C-端羧基与底物蛋白中的赖氨酸残基-氨基形成异肽键，后续泛肽以类似方式连接成串，完成对底物蛋白的多泛肽化标记，形成多泛肽化蛋白。 被多泛肽化标记的底物蛋白由26S蛋白酶体迅速降解成小的肽片段，再由其它肽酶水解成游离氨基酸。,蛋白质降解的泛肽途径,E1-SH,E1-SH,E2-SH,E2-SH,ATP AMP+PPi,E3,多泛肽化蛋白,ATP,26S蛋白酶体,20S蛋白酶体,ATP,19S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）,第二节 氨基酸的分解代谢,二 、氨基酸的脱羧基作用,一、氨基酸的脱氨基作用,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+,NH3,CO2,H2O,体蛋白,尿素,尿酸,激素,卟啉,尼克酰胺衍生物,肌酸胺,嘧啶,嘌呤,（次生物质代谢）,CO2,胺,一、氨基酸的脱氨基作用,4、非氧化脱氨基作用,脱氨基作用是指氨基酸在酶的催化下脱去氨基生成-酮酸的过程。 1、氧化脱氨基作用,2、转氨基作用,3、联合脱氨基作用,1、氧化脱氨基作用,在有氧条件下，氨基酸在酶的催化下脱去氨基生成相应的-酮酸的过程称为氧化脱氨基作用。主要有以下两种类型：,2、转氨基作用,转氨酶 （辅酶：磷酸吡哆醛）,在转氨酶的催化下， -氨基酸的氨基转移到-酮酸的酮基碳原子上，结果原来的-氨基酸生成相应的-酮酸，而原来的-酮酸则形成了相应的-氨基酸，这种作用称为转氨基作用或氨基移换作用。,-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,以谷丙转氨酶(GPT)和谷草转氨酶(GOT)分布最广、活性最大。 临床以此判断肝功能是否正常： 例如:急性肝炎患者血清中GPT活性显著升高; 心肌梗塞患者血清中GOT活性明显上升。 转氨作用的意义： 是氨基酸分解代谢与非必需氨基酸合成代谢的重要步骤； 沟通了糖代谢与蛋白质代谢。,转氨酶,谷丙转氨酶和谷草转氨酶,谷丙转氨酶（GPT）,谷草转氨酶(GOT),三个重要的转氨基反应,3、联合脱氨基作用,（1）概念,（2）类型,a、转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶作用相偶联,b、转氨基作用与嘌呤核苷酸循环相偶联,a转氨酶谷氨酸脱氢酶的联合脱氨基作用,这种脱氨基是转氨基作用和氧化脱氨基作用偶联进行的，所以称为联合脱氨基作用。 在这一过程中的酮戊二酸实际上是一种氨基传递体，它可由三羧酸循环大量产生。 生物机体借助于这种联合脱氨基作用可迅速地使各种不同的氨基酸脱掉氨基。,转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶作用相偶联,转氨酶,L-谷氨酸脱氢酶,H20+NAD+,NH3+NADH,-酮酸,-氨基酸,-酮戊二酸,L-谷氨酸,在某些动物组织如在心肌，骨骼肌和脑组织中，嘌呤核苷酸循环中的腺苷酸脱氨酶，腺苷琥珀酸合成酶和腺苷酸琥珀酸裂解酶的含量及活性很高，所以在这些组织中的脱氨基过程主要是嘌呤核苷酸循环的联合脱氨基作用。 次黄嘌呤核苷一磷酸（IMP）与Asp作用形成中间产物腺苷酸代琥珀酸，腺苷酸代琥珀酸在裂合酶的作用下，分裂成AMP和延胡索酸，AMP水解后即产生游离氨和IMP。,b转氨酶嘌呤核苷酸循环联合脱氨作用,转氨基作用与嘌呤核苷酸循环相偶联,4、非氧化脱氨基作用（自学）,（1）直接脱氨基作用 （2）还原脱氨基作用 （3）水解脱氨基作用 （4）脱水脱氨基作用 （5）氧化还原脱氨基作用,（1）重新生成氨基酸,（2）谷氨酰胺和天冬酰胺的生成,（3）尿素的生成尿素循环,（4）合成其他含氮物质,5.氨的命运,氨的来源和去路,氨是强烈的神经毒物,a.谷氨酸的重新生成,在大脑中发生上述反应，大量消耗了-酮戊二酸和NADPH，引起中毒症状。 在肌肉中，可利用这一反应生成的谷氨酸的转氨基作用，生成丙氨酸，将氨转运到肝脏中去。,b.谷氨酰胺的生成和利用,c.氨的排泄,水生动物主要排氨。 鸟类及生活在比较干燥环境中的爬虫类，由于水的供应困难，所产生的氨不能直接排出，即变成溶解度较小的尿酸，再被排出体外，所以鸟类及某些爬虫类动物主要排尿酸的。 两栖类排尿素。 人和哺乳类动物虽然在陆地上生活，但其体内水的供应不太欠缺，故所产生的氨主要是变为溶解度较大的尿素，再被排出，所以哺乳动物几乎都是排尿素的。,二、氨基酸的脱羧基作用,1.概念,3.脱羧产物的进一步转化（次生物质代谢）,脱羧形成的胺有许多重要生化作用,Glu -氨基丁酸：重要的神经介质，抑制神经中枢； His 组胺：有降压、刺激胃液分泌的作用 Tyr 酪胺：有升压作用 大多数胺类对动物有毒 1）随尿排出； 2）在胺氧化酶作用下可进一步氧化分解,个别氨基酸脱羧基产生胺,胺的去向,胺,氨,醛,脂肪酸,合成尿素,CO2,H2O,新氨基酸,第三节 尿素的形成,排尿素动物在肝脏中合成尿素的过程称尿素循环，也称为鸟氨酸循环。 一、尿素循环的发现 1932年，Krebs发现，向悬浮有肝切片的缓冲液中，加入鸟氨酸、瓜氨酸、Arg中的任一种，都可促使尿素的合成。 精氨酸+H2O 鸟氨酸+尿素 二、尿素循环 1.生成部位：肝脏 2.合成原料：NH3、天冬氨酸、ATP和CO2,精氨酸酶,尿 素 的 生 成,概念,3.总反应和过程,氨在肝脏合成为尿素,COOH,（1）氨甲酰磷酸的生成（氨甲酰磷酸合成酶） NH4+ +CO2 2-O3P-O-C-NH2 （2）合成瓜氨酸（鸟氨酸转氨甲酰酶） 瓜氨酸形成后就离开线粒体，进入细胞液。 （3）合成精氨琥珀酸（精氨琥珀酸合成酶） （4）精氨琥珀酸裂解成精氨酸和延胡索酸（精氨琥珀酸裂解酶） Asp的氨基转移到Arg上。 来自Asp的碳架被保留下来，生成延胡索酸。延胡索酸可以经苹果酸、草酰乙酸再生为天冬氨酸， （5）精氨酸水解生成鸟氨酸和尿素,=,O,（氨甲酰磷酸）,2ATP,2ADP+Pi,限速步骤,尿素循环,氨基酸,谷氨酸,谷氨酸,氨甲酰磷酸,鸟氨酸,瓜氨酸,瓜氨酸,精氨琥珀酸,鸟氨酸,精氨酸,延胡索酸,草酰乙酸,氨基酸,谷氨酸,-酮戊二酸,天冬氨酸,2ADP+Pi,2ATP+CO2+NH3+H2O,1,细胞溶液,线粒体,尿素,-酮戊二酸,-酮戊二酸,2,3,4,5,PPi,尿素循环与TCA的关系,尿素循环小结,（1）形成一分子尿素消耗4个高能磷酸键 （2）两个氨基分别来自游离氨和Asp，一个 CO2来自TCA循环 ； （3）2个氨基酸通过尿素循环形成1分子尿素，可以净生成?个ATP： 谷氨酸脱氨：1个NADH 延胡索酸经草酰乙酸转化为Asp：1个NADH 2NADH2.5=5ATP,尿素循环的调节,2019/8/6,45,可编辑,（4）尿素循环的调节 N-乙酰Glu激活氨甲酰磷酸合成酶I。 尿素合成的增加是氨基酸降解速度提高，产生出过量的，必须排出的氮时。氨基酸降解速度增高的“信号”使转氨反应加速从而引起谷氨酸浓度增高。随之又引起N-乙酰Glu合成的增加，又激活氨甲酰磷酸合成酶I，乃至整个尿素循环。 （5） 尿素循环的意义 将有毒的氨转化为无毒的尿素（随尿排出),实为肝脏解毒机制，是体内解除氨毒的最主要方式，也是氨在体内的主要代谢去路。,第四节 氨基酸碳骨架的氧化途径,一、氨基酸碳骨架的氧化途径 20种氨基酸脱氨后有三种去路: （1）重新氨基化生成氨基酸。 （2）氧化成CO2和水（TCA）。 （3）生糖、生脂。 20种氨基酸的碳架可转化成7种物质： 丙酮酸、乙酰CoA、乙酰乙酰CoA、-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸。 最后集中为5种物质进入TCA：乙酰CoA、-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸。,氨基酸碳骨架进入三羧酸循环的途径,草酰乙酸,磷酸烯醇式丙酮酸,-酮戊二酸,天冬氨酸天冬酰胺,丙酮酸,延胡索酸,琥珀酰CoA,乙酰CoA,乙酰乙酰CoA,苯丙氨酸 酪氨酸 亮氨酸 赖氨酸 色氨酸,丙氨酸 苏氨酸 甘氨酸 丝氨酸 半胱氨酸,谷氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 组氨酸 脯氨酸,异亮氨酸 亮氨酸 缬氨酸,苯丙氨酸 酪氨酸 天冬氨酸,异亮氨酸 甲硫氨酸 缬氨酸,葡萄糖,柠檬酸,(一)形成乙酰-CoA 丙氨酸Ala 、甘氨酸Gly 、丝氨酸Ser 、苏氨酸Thr 、半胱氨酸Cys；苯丙氨酸Phe、酪氨酸Tyr 、亮氨酸Leu 、赖氨酸Lys、色氨酸Trp (二)-酮戊二酸途径 精氨酸 Arg 、组氨酸 His、谷胺酰胺 Gln、脯氨酸 Pro和羟脯氨酸、谷氨酸 Glu (三)形成琥珀酰CoA途径 甲硫氨酸Met、异亮氨酸Ile、缬氨酸Val都通过形成甲基丙二酰CoA转变成琥珀酰CoA (四)延胡索酸途径 苯丙氨酸Phe、酪氨酸Tyr可生成延胡索酸 (五)形成草酰乙酸途径 天冬氨酸Asp和天冬酰胺Asn可转变成草酰乙酸进入TCA,二、生糖氨基酸与生酮氨基酸 生酮氨基酸：Phe、酪氨酸Tyr、 Trp 、Leu、Ile、Lys。在分解过程中转变为乙酰乙酰CoA，后者在动物肝脏中可生成乙酰乙酸和-羟丁酸。 生糖氨基酸：凡能生成丙酮酸、-酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸、草酰乙酸的氨基酸都称为生糖氨基酸，它们都能生成葡萄糖Glc。 Phe、Tyr、 Trp 、Ile、Lys是生酮兼生糖a.a。 严格的生酮氨基酸是亮氨酸。 严格的生糖氨基酸14种。,三、氨基酸与一碳基团,在代谢过程中，某些化合物（如氨基酸）可以分解产生具有一个碳原子的基团（不包括CO2)，称为一碳基团，一碳基团的转移除了和许多氨基酸的代谢直接有关外，还参与嘌呤和胸腺嘧啶及磷脂的生物合成。,一碳基团的转移由相应的一碳基团转移酶催化，其辅酶为THF（FH4）。 一碳基团和氨基酸代谢,-CH=NH 亚氨甲基 H-CO- 甲酰基 -CH2OH 甲醇基 -CH= 次甲基 -CH2- 亚甲基 -CH3 甲基,一碳单位的载体:四氢叶酸THF,叶酸广泛地存在于绿叶中,故名。缺乏症为巨幼红细胞贫血。 N5、N10可携带一碳单位,一碳单位主要用于嘌呤和嘧啶的合成。 一碳单位是个别氨基酸代谢产生的，如甲基、亚甲基、次甲基、亚胺甲基、甲酰基等。,叶酸和 四氢叶酸（FH4或THFA）,二氢叶酸,N5，N10-CH2-FH4,一碳基团的来源与转变 图30-33,S-腺苷蛋氨酸,N5-CH3-FH4,N5 ，N10 - CH2-FH4,N5， N10 = CH-FH4,N10 -CHO-FH4,N5 ， N10 -CH2-FH4还原酶,N5 ， N10 -CH2-FH4脱氢酶,环水化酶,丝氨酸,组氨酸甘氨酸,参与 甲基化反应,为胸腺嘧啶合成提供甲基,参与嘌呤合成,FH4,FH4,FH4,HCOOH,H2O,NAD+,NDAH+H+,NAD+,NDAH+H+,H+,参与嘌呤合成,N,N,N,N,腺嘌呤,O,OH,H,H,OH,H2C,NH2,H,CH3,S,CH2,CH2,C,H,NH3,COO-,S-腺苷甲硫氨酸 (S-Adenosyl-L-methionine ,Adomet ),H,甲硫氨酸,活性基团,核糖,H,S-腺苷高半胱氨酸 (S-adenosylhomocysteine, adoHcy),+,半胱氨酸,+,四、氨基酸与生物活性物质,酪氨酸代谢与黑色素的形成 色氨酸代谢与5-羟色胺与吲哚乙酸 谷氨酸与-氨基丁酸 组氨酸与组胺 半胱氨酸和牛磺酸,色氨酸的重要衍生物,苯丙氨酸与代谢缺陷症,一、氨基酸的生物合成,1.必需氨基酸 2.20种氨基酸的生物合成概况 3.氨基酸生物合成的调节,第 五节 氨基酸的生物合成,必需氨基酸的概念,Met、 Trp 、Lys、 Val 、 Ile、 Leu、 Phe、 Thr、 (His、 Arg),凡是机体不能自己合成，必需来自外界的氨基酸，称为必需氨基酸。,人的必需氨基酸：,二十种氨基酸的生物合成概况,谷氨酸族,天冬氨酸族,丙氨酸族,丝氨酸族,His 和芳香族,氨基酸生物合成的分族情况,（1）丙氨酸族 丙酮酸 Ala、Val、Leu （2）丝氨酸族 3-磷酸甘油酸 Ser、Gly、Cys （3）谷氨酸族 -酮戊二酸 Glu、Gln、Pro、Arg （4）天冬氨酸族 草酰乙酸 Asp、Asn、Lys、Thr、Ile、Met （5）组氨酸和芳香氨基酸族 磷酸核糖 His 磷酸赤藓糖+PEP Phe、Tyr、Trp,丝氨酸族氨基酸的合成,3-磷酸甘油酸,丝氨酸,半胱氨酸,甘氨酸,天冬氨酸族、丙氨酸族合成,谷氨酸族氨基酸的合成,-酮戊二酸,谷氨酸,谷氨酰胺,精氨酸,脯氨酸,芳香族氨基酸的合成,3-磷酸甘油酸,4-磷酸赤藓糖,苯丙氨酸,酪氨酸,色氨酸,+,酪氨酸,二、氨基酸生物合成的调节,(1) 通过终端产物对氨基酸 生物合成的抑制 (2) 通过酶生成量的改变调节 氨基酸的生物合成,氨基酸合成的反馈调控,反硝化作用,氧化亚氮,氨甲酰磷酸,分支酸,脱氧庚酮糖酸-7-磷酸,天冬氨酸,天冬氨酰磷酸,赤藓糖-4-磷酸,脱氢奎尼酸,莽草酸,谷氨酸,磷酸烯醇式丙酮酸,+,预苯酸,Try,Phe,Trp,Ile,Trp,His,CTP,AMP,Gln,Lys,Met,Thr,酮丁酸,Gly,Ala,谷氨酰胺合酶,天冬氨酰半醛,高丝氨酸,氨基苯甲酸,第六节 生物固氮,一、生物固氮的概念（biological nitrogen fixation） 是微生物、藻类和与高等植物共生的微生物通过自身的固氮酶复合物把分子氮变成氨的过程。 1910年Fritz Haber（1868-1934）提出的作用条件在工业氮肥生产中一直沿用至今。500C高温和200个大气压条件下，用铁粉作催化剂。,自然界通过生物固氮的量每年可达1011kg，约占地球上的固氮量的60%。,N2+3H2 2NH3,氮的重要性,氮,若只是考虑净重的话,氮在植物体是第四多的营养元素。 但是重量不代表着它的重要性，氮是蛋白质、氨基酸、含氮激素及叶绿素中的重要成份。 如果人或植物体内，没有了氮，那么蛋白质无法形成，代谢作用没有了“酶”，光合作用将无法进行，因此，没有氮，就没有生命。 大部分的植物从土壤中吸收铵离子或是NO3-型式的氮，但这些形式的氮在土壤中是有限的。 所以植物必须以大量的能量耗费来取得这一些养分（主动运输等），但是，这一种途径，必然会消耗更多的能量。 豆科植物发展演化出一种高效利用氮的形式-生物固氮：植物与固氮细菌形成共生关系，植物为细菌提供营养物质，而固氮菌为植物提供还原的氮。,自然界的氮素循环,硝酸盐,亚硝酸,NH3,生物固氮,工业固氮,固氮生物,动植物,硝酸盐还原,大气固氮,大气氮素,岩浆源的固定氮,火成岩,反硝化作用,氧化亚氮,蛋白质,入地下水,动植物废物死的有机体,固氮微生物,共生型固氮微生物,自生型固氮微生物,豆科植物（如大豆、花生）的根瘤菌,非豆科植物（如木麻黄属、杨酶属）的根瘤菌,厌氧的巴氏梭菌 需氧固氮杆菌 光合细菌 兼性厌氧的克氏杆菌 厌氧和光合自养的蓝藻需氧和光合自养的细菌,固氮生物的类型,固氮作用与脱氮作用,固氮作用：包括人工固氮，生物固氮、闪电固氮三种。 氮的三个键（N=N）结合能很大，因此很难断开，所以在大自然中，要取得有机的氮化物，必然要给予极大的能量，或是有特别的催化剂。 人工固氮，弗里茨哈伯法，高温高压，铁粉催化合成氮，弗里德里希.维勒（1800-1882）发明氨和二氧化碳合成尿素。 闪电固氮，闪电的强大电能一瞬间灌入N2分子中，以强大的能量将N2的分子结构改变为硝酸根，再顺着雨落至地面。 生物固氮，微生物利用固氮酶，消耗ATP进行固氮，分自身固氮（游离土壤微生物固氮）和根瘤菌固氮（固氮菌与植物共生固氮）2种形式。N2占大气的80%左右，生物固氮每年固定的氮约2108t，其中固氮根瘤菌固氮为1.5108t。 脱氮作用：将有机氮，经细菌氧化而成无机氮-尸体腐烂氮回归大气。,豆科植物的根瘤,二、固氮酶复合体, ATP酶活性：能催化ATP分解，从中获取能量推动电子向还原底物上转移。,（2）作用机理：,（3）特点：是一种多功能酶, 氧化还原酶：不仅能催化N2还原，还可 催化N2O化合物等还原。,（1）结构组成,组分I：二聚体、含Fe和S 形成Fe4S4簇,组分II：四聚体（22）含Mo、Fe和S,生物固氮的化学本质,e-,e-,e-,e-,三、生物固氮的基因工程,使非豆科植物转变为固氮作物 豆科植物的结瘤基因导入其他作用 改变根瘤菌的遗传结构，使之能与更多作物结合形成根瘤 将固氮基因导入非豆科植物 a.如何解决固氮酶结氧的敏感性问题？ b.固氮所需ATP占植物ATP产量的1/5，那么如何提高这些非豆科植物的ATP的产出效率？ 提高现有固氮作物的固氮能力 方法：制备高效固氮根瘤菌制剂，然后以肥料形式施于地壤中 问题：根瘤菌制剂对于地壤原有根瘤菌而言，不可能形成优势菌群，与植物的结合能力差，该制剂实际效果很差，如何解决？ 解决方案：a.将高效固氮基因导入土壤高结瘤能力的优势固氮菌中将结瘤共生基因导入植物体，b.提高植物结瘤能力，c.培育既有抗药基因的固氮菌，用抗生素处理土壤，促使植物与抗药基因的根瘤菌结合。,氨基酸代谢一览表,第十章 蛋白质的酶促降解和氨基酸降解 1. 解释下列名词：（1）肽链内切酶（2）肽链外切酶（3）氧化脱氨基作用（4）转氨基作用（5）联合脱氨基作用 2. 填空题： （1）转氨作用是沟通 和 的桥梁。 （2）尿素循环中涉及的天然蛋白质氨基酸是 。 （3）氨的去路有 、 和 ；