课件：10.氨基酸代谢-20120818(2)-2.ppt

氨 基 酸 代 谢 Metabolism of Amino Acids,第 七 章,罗开珺 研究员 硕士生导师 kaijun_ 2012.11.07,思考与问题,1.体内两种重要的转氨酶是？ 2.氧化脱氨有何特点？ 3.转运氨基酸的载体有哪几种？ 4.联合脱氨有哪两种方式？主要在哪进行进行？ 5. 什么叫泛素化？ 6.氨基酸碳骨架的氧化途径有哪些？ 7.动物体内氨的去路 ？ 8.什么是一碳单位，其种类有哪几种？,目录,第一节 体内氨基酸的来源 第二节 氨基酸的转换和分解 第三节 营养非必需氨基酸的合成 一、体内蛋白质代谢状况可用氮平衡来描述 二、氨基酸可分为营养必需氨基酸和营养非必需氨基酸 三、短的生物合成途径可合成非必需氨基酸 第四节 氨 的 代 谢 一、体内有毒性的氨有几个来源 二、氨在血液中以丙氨酸及谷氨酰胺形式转运 三、氨在肝合成尿素是氨的主要去 第五节 氨基酸代谢的特殊产物和个别氨基酸代谢 一、某些氨基酸代谢产生特殊的产物 二、个别氨基酸有特殊的代谢途径,第一节 体内氨基酸的来源 Source of Amino Acids in Human Body,一、外源性蛋白质消化成氨基酸和寡肽后被吸收 二、体内蛋白质分解生成氨基酸 三、外源性氨基酸和内源性氨基酸组成氨基酸代谢库,一、外源性蛋白质消化成氨基酸和寡肽后被吸收,（一）蛋白质在胃和肠道被消化被成氨基酸和寡肽,蛋白质消化的生理意义,由大分子转变为小分子，便于吸收。 消除种属特异性和抗原性，防止过敏、毒性反应。,1. 蛋白质胃中被不完全消化,（1） 最适 pH 1.5 2.5 （2） 水解芳香族氨基酸及亮氨酸的羧基端产物,主要为多肽 及少量氨基酸。 （3） 凝乳作用 酪蛋白 副酪蛋白 Ca复合物,2. 蛋白质在小肠被水解成氨基酸和小肽 小肠是蛋白质消化的主要部位, 胰液蛋白酶消化蛋白质产生寡肽和少量氨基酸,胰酶是消化蛋白质的主要酶，最适pH为7.0左右，包括内肽酶和外肽酶，均以酶原方式分泌，以一定方式激活，各有专一性。,内肽酶(endopeptidase) 水解蛋白质肽链内部的一些肽键，如胰蛋白酶、糜蛋白酶、弹性蛋白酶。,外肽酶(exopeptidase) 自肽链的末段开始每次水解一个氨基酸残基，如羧基肽酶(A、B)、氨基肽酶。,氨基酸 +,蛋白水解酶作用示意图,肠液中酶原的激活,可保护胰组织免受蛋白酶的自身消化作用。 保证酶在其特定的部位和环境发挥催化作用。 酶原还可视为酶的储存形式。,酶原激活的意义,小肠粘膜细胞的消化酶水解寡肽为氨基酸,主要是寡肽酶(oligopeptidase)的作用，例如氨基肽酶(aminopeptidase)及二肽酶(dipeptidase)等， 最终产生氨基酸。,在小肠粘膜细胞中进行,（二）氨基酸的吸收是一个主动转运过程,吸收部位：主要在小肠粘膜细胞 吸收形式：氨基酸、寡肽、二肽 吸收机制：耗能的主动吸收过程,氨基酸吸收载体,载体蛋白与氨基酸、Na+组成三联体，由ATP供能将氨基酸、Na+转入细胞内，Na+再由钠泵排出细胞。,七种转运蛋白 （transporter）,中性氨基酸载体 碱性氨基酸载体 酸性氨基酸载体 亚氨基酸与甘氨酸载体 -氨基酸转运蛋白 二肽、三肽转运蛋白,-谷氨酰基循环对氨基酸的转运作用,-谷氨酰基循环(-glutamyl cycle)过程：,谷胱甘肽对氨基酸的转运 谷胱甘肽再合成,（三）未被吸收的蛋白质在肠道细菌作用下发生腐败作用,在消化过程中，有一小部分蛋白质未被消化或虽经消化、但未被吸收的消化产物在肠道细菌作用下发生以无氧分解为主要过程的化学变化所起的作用。,腐败作用的产物大多有害，如胺、氨、苯酚、吲哚等；也可产生少量的脂肪酸及维生素等可被机体利用的物质。,蛋白质的腐败作用(putrefaction),未消化蛋白质 H R-C-COOH NH2 未吸收的消化产物,腐败（putrefaction）,1肠道细菌使氨基酸脱羧基产生胺类,假神经递质(false neurotransmitter),某些物质结构与神经递质结构相似，可取代正常神经递质从而影响脑功能，称假神经递质。,-羟酪胺和苯乙醇胺结构类似儿茶酚胺，它们可取代儿茶酚胺与脑细胞结合，但不能传递神经冲动，使大脑发生异常抑制。,2在肠道细菌作用下氨基酸脱氨基生成氨,脱氨生成氨 RCH（NH2）COOH RCH2COOH+NH3 NH3 C=O 2NH3+CO2 NH3 NH3 重吸收入肝 NH3 NH4+,氨有毒性，NH3 比 NH4+易吸收，降低肠道 pH，可减少 NH3 的吸收，这是酸性灌肠的依据。,3腐败作用产生其它有害物质,除了胺类和氨以外，通过腐败作用还可产生一些其它有害物质，例如苯酚、吲哚、甲基吲哚及硫化氢等。大部分排泄，少量重吸收 由肝转化解毒。,二、体内蛋白质分解生成氨基酸,（一）不同蛋白质有不同半寿期,蛋白质降低其原浓度一半所需要的时间，用t1/2表示。,各种蛋白质降解速率不同；这些速率随生理需要而变化。,（二）真核细胞内有两条主要的蛋白质的 降解途径,不依赖ATP 利用溶酶体中的组织蛋白酶(cathepsin)降解外源性蛋白、膜蛋白和长寿命的细胞内蛋白,1外在和长寿蛋白质在溶酶体通过ATP-非依赖途径降解,溶酶体的主要功能是消化作用，是细胞内的消化器官。,根据完成生理功能的不同阶段可将其分为: 初级溶酶体 次级溶酶体 残体,2异常和短寿蛋白质在蛋白酶体通过需要ATP的泛素途径降解,依赖ATP 降解异常蛋白和短寿命蛋白,泛素(ubiquitin),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,泛素共价地结合于底物蛋白质，蛋白酶体（proteasome）特异性地识别被泛素标记的蛋白质并将其迅速降解，泛素的这种标记作用是非底物特异性的，称为泛素化（ubiquitination）。,Ubiquitin: The Ubiquitin Cycle :,（1）泛素化使蛋白质贴上了被降解的标签,泛素与选择性被降解蛋白质形成共价连接，并使其激活。,（2）泛素化的蛋白质在蛋白酶体降解,泛素介导的蛋白质降解过程,蛋白酶体对泛素化蛋白质的降解。,泛素化过程,E1：泛素活化酶,E2：泛素携带蛋白,E3：泛素蛋白连接酶,蛋白酶体是一个26S蛋白质复合物，由20S的核心颗粒(core particle, CP)和19S的调节颗粒(regulatory particle, RP)组成,蛋白酶体的核心颗粒是由4个环2个环和2个环组成的圆柱体，每个环由7个类型的亚基组成，它们位于圆柱体的顶端。每个环由7个类型的亚基组成，它们位于圆柱体的中央。,氨基酸代谢库(metabolic pool),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。,三、外源性氨基酸和内源性氨基酸组成氨基酸代谢库,氨基酸代谢库,氨基酸代谢概况,目 录,第二节 氨基酸的转换和分解,Amino Acid Conversion and Catabolism,一、转氨基作用是氨基酸与-酮酸之间的氨基交换 二、体内有几条氨基酸净脱氨基的途径 三、氨基酸碳链骨架可进行转换或分,一般在下列3种代谢状况下，氨基酸才氧化降解：,细胞的蛋白质进行正常的合成和降解时，蛋白质合成并不需要蛋白质降解释放出的某些氨基酸，这些氨基酸会进行氧化分解。 食品富含蛋白质，消化产生的氨基酸超过了蛋白质合成的需要，由于氨基酸不能在体内储存，过量的氨基酸在体内被氧化降解。 机体处于饥饿状态或未控制的糖尿病状态时，机体不能利用或不能合适地利用糖作为能源，细胞的蛋白质被用做重要的能源。,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。,转氨基作用的生理意义,一、转氨基作用是氨基酸与-酮酸之间的氨基交换,转氨基作用（transamination）： 在转氨酶(transaminase)的作用下，某一氨基酸去掉-氨基生成相应的-酮酸，而另一种-酮酸得到此氨基生成相应的氨基酸的过程。,（一）待分解的氨基酸经转氨酶作用移去-氨基,反应式,大多数氨基酸可参与转氨基作用，但赖氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸除外。,体内存在多种转氨酶，不同氨基酸与-酮酸之间的转氨基作用只能由专一的转氨酶催化。 体内有两种重要的转氨酶:,一种是谷氨酸转氨酶 另一种是丙氨酸转氨酶,（二）所有的转氨酶均有相同的辅基和相同 的作用机制,转氨酶的辅酶是磷酸吡哆醛,维生素B6的磷酸酯磷酸吡哆醛（PLP）是所有转氨酶的辅酶，在转氨酶的底物不存在时，PLP的醛基和酶活性位点赖氨酸的-氨基形成共价Schiff-base连接。氨基酸底物存在时，氨基酸的-氨基与PLP的醛基形成新的Schiff-base连接。,磷酸吡哆醛（PLP）,二、体内有几条氨基酸净脱氨基的途径,定义： 指氨基酸脱去氨基生成相应-酮酸的过程。,脱氨基方式,转氨基作用 氧化脱氨基 联合脱氨基,转氨基和氧化脱氨基偶联 转氨基和嘌呤核苷酸循环偶联,存在于肝、脑、肾中 辅酶为 NAD+ 或NADP+ GTP、ATP为其抑制剂 GDP、ADP为其激活剂,催化酶： L-谷氨酸脱氢酶,L-谷氨酸,NH3,-酮戊二酸,NAD(P)+,NAD(P)H+H+,H2O,（glutamate dehydrogenase）,（一）在肝内谷氨酸脱氢酶催化-谷氨酸脱去氨基,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， 如转氨作用和谷氨酸脱氢作用的结合。,定义,联合脱氨基作用,类型, 转氨基偶联氧化脱氨基作用, 转氨基偶联嘌呤核苷酸循环,转氨基偶联氧化脱氨基作用,H2O+NAD+,转氨酶,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。,（二）肌肉中的氨基酸通过嘌呤核苷酸循环脱去氨基,此种方式主要在肌肉组织进行。,转氨基偶联嘌呤核苷酸循环,苹果酸,腺苷酸 代琥珀酸,次黄嘌呤 核苷酸 (IMP),腺苷酸代琥 珀酸合成酶,（三）氨基酸氧化酶也可以从-氨基酸中去除氨基,O2 + FMNH2,L-氨基酸氧化酶，属于黄酶类，存在于哺乳类动物的肝和肾组织内。,三、氨基酸碳链骨架可进行转换或分解,（一）-酮酸（-ketoacid）经氨基化生成非必需氨基酸,（二）-酮酸可转变成糖及脂类,（三）-酮酸可彻底氧化分解并供能氧化供能,-酮酸在体内可通过TAC 和氧化磷酸化彻底氧化为H2O和CO2，同时生成ATP。,综上可见，氨基酸代谢与糖和脂肪代谢的代谢密切相关。,琥珀酰CoA,延胡索酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,柠檬酸,乙酰CoA,丙酮酸,PEP,磷酸丙糖,葡萄糖或糖原,糖,-磷酸甘油,脂肪酸,脂肪,甘油三酯,乙酰乙酰CoA,酮体,CO2,CO2,氨基酸、糖及脂肪代谢的联系,T C A循环,目 录,第三节 营养非必需氨基酸的合成,Formation of Nutritionally Nonessential Amino Acids,一、体内蛋白质代谢状况可用氮平衡来描述,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。,蛋白质的生理需要量,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。,二、氨基酸可分为营养必需氨基酸和营养非必需氨基酸,营养必需氨基酸(nutritionally essential amino acid),指体内需要而又不能自身合成，必须由食物供给的氨基酸，共有8种：Val、Ile、Leu、Thr、Met、Lys、Phe、Trp。,其余12种氨基酸体内可以合成，称非必需氨基酸。,（nutritionally semiessential amino acid）,三、短的生物合成途径可合成非必需氨基酸,（一）-酮戊二酸还原氨化生成谷氨酸,谷氨酸脱氢酶,H2O,NH4+, 酮戊二酸,L谷氨酸,（二）谷氨酸在谷氨酰胺合成酶催化下合成谷氨酰胺,谷氨酸合成酶,L谷氨酰胺,L谷氨酸,NH4+,MgATP,MgADP Pi,NH3+,NH3+,（三）丙酮酸和草酰乙酸通过转氨基作用生成丙氨酸和天冬氨酸,丙酮酸,转氨酶,丙氨酸,谷氨酸或天冬氨酸, 酮戊二酸 或草酰乙酸,（四）天冬氨酸在天冬酰胺合成酶催化下形成天冬酰胺,L天冬酰胺,L天冬氨酸,天冬酰胺合成酶,NH3+,NH3+,Gln,Glu,MgATP,MgAMP PPi,2019/8/27,67,可编辑,（五）丝氨酸从糖酵解的中间产物D-3-磷酸甘油酸形成,（六）甘氨酸在哺乳动物中 有几条合成途径,（七）脯氨酸是从谷氨酸形成的,L谷氨酸,L脯氨酸,L谷氨酸 半缩醛,2吡咯5羧酸,H2O,NADH H+,NADH H+,NAD,NAD,H2O,NH3,NH2,NH,H3N,（八）半胱氨酸可由甲硫氨酸和丝氨酸合成,（九）苯丙氨酸在苯丙氨酸羟化酶催化下形成酪氨酸,四氢生物蝶呤,二氢生物蝶呤,L 丙氨酸,L 酪氨酸,NADP,NADPH H,酶 II,酶 I,O2,H2O,CH2 CH COO-,CH2 CH COO-,NH3+,NH3+,HO,（十）组氨酸和精氨酸是营养性半必需氨基酸,组氨酸和精氨酸虽能在人体内合成，但合成量不多，长期缺乏也能造成负氮平衡，可以将这两种氨基酸视为营养半必需氨基酸（nutritionally semiessential amino acid）。,第四节 氨 的 代 谢,The Fate of Ammonia,一、体内有毒性的氨有几个来源,（一）体内氨有3个主要来源,1. 氨基酸脱氨基作用和胺类的分解均可以产生氨,2. 肠道细菌腐败作用产生氨,3. 肾小管上皮细胞分泌的氨主要来自谷氨酰胺,（二）氨中毒是致命的,氨是机体正常代谢产物，具有毒性。 体内的氨主要在肝合成尿素(urea)而解毒。 正常人血氨浓度一般不超过60 mol/L。,二、氨在血液中以丙氨酸及谷氨酰胺形式转运,（一）丙氨酸-葡萄糖循环将氨从肌肉运输到肝,反应过程,丙氨酸-葡萄糖循环(alanine-glucose cycle),丙 氨 酸,葡 萄 糖,肌肉 蛋白质,氨基酸,NH3,谷氨酸,-酮戊 二酸,丙酮酸,糖酵解途径,肌肉,丙氨酸,血液,丙氨酸,葡萄糖,-酮戊二酸,谷氨酸,丙酮酸,NH3,尿素,尿素循环,糖异生,肝,丙氨酸-葡萄糖循环,葡萄糖,目 录,(二） 谷氨酰胺是氨的另一种运输形式,反应过程,在脑、肌肉合成谷氨酰胺，运输到肝和肾后再分解为氨和谷氨酸，从而进行解毒。,三、氨在肝合成尿素是氨的主要去路, 在肝内合成尿素，这是最主要的去路, 合成非必需氨基酸及其它含氮化合物, 合成谷氨酰胺, 肾小管泌氨,分泌的NH3在酸性条件下生成NH4+，随尿排出。,体内氨的去路：,（一）在肝进行的鸟氨酸循环合成尿素,主要在肝细胞的线粒体及胞液中,尿素生成的过程由Hans Krebs 和Kurt Henseleit 提出，称为鸟氨酸循环(orinithine cycle)，又称尿素循环(urea cycle)或Krebs- Henseleit循环。,反应在线粒体中进行,1. CO2、氨和ATP缩合形成氨基甲酰磷酸,反应由氨基甲酰磷酸合成酶(carbamoyl phosphate synthetase, CPS-) 催化。 N-乙酰谷氨酸为其激活剂，反应消耗2分子ATP。,N-乙酰谷氨酸(AGA),鸟氨酸氨基甲酰转移酶,H3PO4,+,氨基甲酰磷酸,2氨基甲酰磷酸与鸟氨酸反应生成瓜氨酸,由鸟氨酸氨基甲酰转移酶(ornithine carbamoyl transferase,OCT)催化，OCT常与CPS-构成复合体。,反应在线粒体中进行，瓜氨酸生成后进入胞液。,3. 瓜氨酸与天冬氨酸反应生成精氨酸代琥珀酸,反应在胞液中进行。,+,天冬氨酸,精氨酸代琥珀酸,精氨酸,延胡索酸,精氨酸代琥珀酸裂解酶,精氨酸代琥珀酸,4. 精氨酸代琥珀酸裂解成精氨酸和延胡索酸,反应在胞液中进行。,5. 精氨酸裂解释放出尿素并再形成鸟氨酸,鸟氨酸循环,线粒体,胞 液,目 录,反应小结,原料：2 分子氨，一个来自于游离氨，另一个来自天冬氨酸。 过程：先在线粒体中进行，再在胞液中进行。 耗能：3 个ATP，4 个高能磷酸键。,（二）尿素合成受膳食蛋白质和两个限速酶活性的调节,1. 高蛋白质膳食促进尿素合成,2. N-乙酰谷氨酸别位激活氨基甲酰磷酸合酶启动尿素合成,3. 精氨酸代琥珀酸合酶活性促进尿素合成,AGA、精氨酸为其激活剂,（三）尿素合成障碍引起高血氨症和氨中毒,1.高血氨时脑内-酮戊二酸减少导致能量代谢障碍,2.鸟氨酸循环任何一个合成酶遗传缺陷均可引起高氨血症,血氨浓度升高称高氨血症 ( hyperammonemia)，常见于肝功能严重损伤时，尿素合成酶的遗传缺陷也可导致高氨血症。,高氨血症时可引起脑功能障碍，称氨中毒(ammonia poisoning)。,TAC ,脑供能不足,脑内 -酮戊二酸,氨中毒的可能机制,第五节 氨基酸代谢的特殊产物和个别氨基酸代谢,Special Products and Individual Pathway of Amino Acids,一、某些氨基酸代谢产生特殊的产物,（一）氨基酸的脱羧基(decarboxylation)产生特殊的胺类化合物,1谷氨酸脱羧酶催化谷氨酸脱羧生成-氨基丁酸,GABA是抑制性神经递质，其作用是抑制突触传导 。,-氨基丁酸 (-aminobutyric acid, GABA),2组氨酸经组氨酸脱羧酶催化脱羧生成组胺,组胺是强烈的血管舒张剂，可增加毛细血管的通透性，还可刺激胃蛋白酶及胃酸的分泌。,组胺 (histamine),3色氨酸经5-羟色氨酸生成5-羟色胺,5-HT在脑内作为神经递质，起抑制作用；在外周组织有收缩血管的作用。,5-羟色胺 (5-hydroxytryptamine, 5-HT),4某些氨基酸在体内经脱羧作用可产生多胺类物质,L 鸟氨酸,腐胺,S-腺苷甲硫氨酸 (SAM ),脱羧基SAM,鸟氨酸脱羧酶,CO2,SAM脱羧酶,CO2,精脒 (spermidine),丙胺转移酶,5-甲基-硫-腺苷,精胺 (spermine),多胺(polyamines)是调节细胞生长的重要物质。在生长旺盛的组织（如胚胎、再生肝、肿瘤组织）含量较高，其限速酶鸟氨酸脱羧酶活性较强。,一碳单位的主要功能是参与嘌呤、嘧啶的合成,作为合成嘌呤和嘧啶的原料 把氨基酸代谢和核酸代谢联系起来,（二）一碳单位是甘氨酸、丝氨酸、甲硫氨酸和组氨酸的特殊产物,定义,1一碳单位代谢需有四氢叶酸参与,某些氨基酸代谢过程中产生的只含有一个碳原子的基团，称为一碳单位(one carbon unit)。,甲基 (methyl),-CH3,甲烯基 (methylene),-CH2-,甲炔基 (methenyl),-CH=,甲酰基 (formyl),-CHO,亚胺甲基 (formimino),-CH=NH,种类,FH4的生成,四氢叶酸是一碳单位的载体,FH4携带一碳单位的形式,（一碳单位通常是结合在FH4分子的N5、N10位上）,N5CH3FH4,N5、N10CH2FH4,N5、N10=CHFH4,N10CHOFH4,N5CH=NHFH4,（1）一碳单位由丝氨酸和甘氨酸生成,2来自4种氨基酸的一碳单位可以相互转变种类,羟甲基转移酶,甘氨酸裂解酶系,（2）一碳单位由组氨酸生成,组氨酸酶,（3）一碳单位由色氨酸代谢生成,色氨酸,一碳单位的互相转变,N10CHOFH4,N5, N10=CHFH4,N5, N10CH2FH4,N5CH3FH4,N5CH=NHFH4,H+,H2O,NADPH+H+,NADP+,NADH+H+,NAD+,NH3,（一）3种含硫氨基酸的代谢途径有联系又有差别,胱氨酸,甲硫氨酸,半胱氨酸,二、个别氨基酸有特殊的代谢途径,（1）甲硫氨酸转甲基作用与甲硫氨酸循环有关：,1. 甲硫氨酸与转甲基作用,腺苷转移酶,PPi+Pi,+,甲硫氨酸,ATP,S腺苷甲硫氨酸(SAM),甲基转移酶,RH,RHCH3,腺苷,SAM,S腺苷同型半胱氨酸,同型半胱氨酸,SAM为体内甲基的直接供体,甲硫氨酸循环(methionine cycle),甲硫氨酸,S-腺苷同型 半胱氨酸,S-腺苷甲硫氨酸,同型半胱氨酸,FH4,N5CH3FH4,N5CH3FH4 转甲基酶,(VitB12),H2O,腺苷,RH,ATP,PPi+Pi,（2）甲硫氨酸为肌酸合成提供甲基：,肌酸(creatine)和磷酸肌酸(creatine phosphate)是能量储存、利用的重要化合物。 肝是合成肌酸的主要器官。 肌酸以甘氨酸为骨架，由精氨酸提供脒基，SAM提供甲基而合成。 肌酸在肌酸激酶的作用下，转变为磷酸肌酸。 肌酸和磷酸肌酸代谢的终产物为肌酸酐(creatinine)。,+,目 录,肌酸的代谢,（1） 半胱氨酸与胱氨酸的互变,2半胱氨酸有多种代谢途径,半胱氨酸可生成牛磺酸：,牛磺酸是结合胆汁酸的组成成份之一。,含硫氨基酸分解可产生硫酸根，半胱氨酸是主要来源。,PAPS为活性硫酸， 是体内硫酸基的