生物化学 第九章含氮化合物代谢.ppt

第九章主要含氮化合物代谢 蛋白质的酶促降解氨基酸的降解和转化氨同化及氨基酸的生物合成核酸的酶促降解核苷酸的分解代谢核苷酸的生物合成 第一节蛋白质的酶促降解 消化道内几种蛋白酶的专一性 胃中 胃蛋白酶小肠中 胰凝乳蛋白酶 弹性蛋白酶 胰蛋白酶 羧肽酶 氨肽酶 细胞内蛋白质降解的重要性 一是排除异常蛋白 二是排除积累过多的酶和调节蛋白 使细胞代谢得以有条不紊的进行 在代谢调节中重要的酶大多寿命较短 这就使它们的浓度可迅速改变 因此活性也可迅速改变 从而细胞能有效地应答环境变化及代谢需求 一个体重70千克的人 一般每天可有400g蛋白质发生变化 其中1 4进行氧化降解转变为葡萄糖 并由外源蛋白质加以补充 3 4在体内进行再循环 细胞内蛋白质降解的机制 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 食物蛋白消化过程在溶酶体内进行 主要降解外源性蛋白质 膜蛋白和长寿命的胞内蛋白质2 依赖ATP和泛素的降解途径 1 溶酶体降解途径 图中简示了溶酶体的四种消化作用 A 吞噬作用B 自噬作用C 自溶作用D 细胞外消化作用 溶酶体系含有约50种水解酶 溶酶体降解蛋白质是非选择性的 这个机制有着多样的生理功能 不依赖ATP 没有选择性 2 依赖ATP和泛素的降解途径 高效 指向性强 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 在真核细胞中广泛存在并且含量丰富而得名 76个氨基酸 C端为甘氨酸 泛素进化上是高度保守的 酵母和人的泛素76个氨基酸残基中只有3个是不同的 2004年诺贝尔化学奖TheNobelPrizeinChemistry2004 forthediscoveryofubiquitin mediatedproteindegradation AaronCiechanoverAvramHershkoIrwinRose 泛素依赖的蛋白质降解机制 三个步骤 泛素的活化 泛素甘氨酸端的羧基连接到泛素活化酶E1的巯基 这个步骤需要以ATP作为能量 最终形成一个泛素和泛素活化酶E1之间的硫酯键 E1将活化后的泛素通过交酯化过程交给泛素结合酶E2 泛素连接酶E3将结合E2的泛素连接到目标蛋白的赖氨酸 氨基上 形成一个异肽键 isopetidebond 接着这些蛋白质进入细胞的蛋白酶复合体中 蛋白酶复合体呈上下有盖的圆桶状 它们如同细胞的垃圾桶 泛素在这一过程中释出讯号 让蛋白酶复合体分辨出有待降解的蛋白质 最终 被标记的蛋白质被蛋白酶分解为较小的肽 氨基酸 第二节氨基酸的降解和转化 脱氨基作用脱羧基作用羟基化作用 一 脱氨基作用 定义 氨基酸失去氨基的作用叫脱氨基作用 脱氨基作用包括 氧化脱氨基作用非氧化脱氨基作用脱酰胺作用转氨基作用联合脱氨基作用 一 氧化脱氨基作用 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 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 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 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 由解氨酶催化 CH CH COOH OH NH3 L 苯丙氨酸 酪氨酸 反式肉桂酸 反式香豆酸 单宁等次生物辅酶Q 苯丙氨酸解氨酶 PAL 氨基酸的脱酰胺作用 H2O NH3 谷氨酰胺酶 CH2 CONH2 CHNH3 COO H2O 天冬酰胺酶 NH3 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 四 转氨基作用 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 迄今发现的转氨酶都以磷酸吡哆醛 PLP 为辅基 它与酶蛋白以牢固的共价键形式结合 例如 谷氨酸 丙酮酸 酮戊二酸 丙氨酸 天冬氨酸 酮戊二酸 草酰乙酸 谷氨酸 AA的 NH3借助转氨转移到 酮戊二酸上 生成相应的 酮酸和Glu Glu在Glu脱氢酶作用下脱NH3 生成 酮戊二酸和NH3 五 联合脱氨基 动物组织主要采取的方式 有两种情况 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 一 氨基酸脱氨基作用 氧化脱氨非氧化脱氨氨基酸的脱酰胺作用转氨基作用联合脱氨基 小结 二脱羧基作用 磷酸吡哆醛 醛亚胺 H2O CO2 H2O Glu 氨基丁酸 CO2Asp 丙AA CO2Lys尸胺 CO2Orn腐胺 CO2丝氨酸乙醇胺胆碱卵磷脂色氨酸吲哚丙酮酸吲哚乙醛吲哚乙酸 胺类有一定作用 但有些胺类化合物有害 尤其对人 应维持在一定水平 体内胺氧化酶可将多余的胺氧化成醛 进一步氧化成脂肪酸 RCH2NH2 O2 H2ORCHO H2O2 NH3RCHO 1 2O2RCOOHCO2 H2O AA 尿素 NH3 CO2 三 氨基酸的羟化作用 主要讲Tyr代谢与黑色素形成问题 Tyr酶 聚合 黑色素 动物 植物 激素 生物碱 多巴 多巴醌 多巴胺 Tyr酶 脱羧酶 苯丙氨酸代谢途径关系到三种遗传病 尿黑酸病 苯丙酮尿症 白化病 四 氨基酸分解产物的代谢 一 氨的去路 1 重新利用合成AA2 生成酰胺 是植物中运输和贮藏氨的主要方式 3 生成铵盐 与有机酸结合形成铵盐 以保持细胞正常的pH值 4 生成尿素 经尿素循环将NH3转变为尿素而排出 哺乳动物肝脏 在排尿动物体内由NH3合成尿素是在肝脏中通过一个循环机制完成的 这一个循环称为尿素循环 又称鸟氨酸循环 尿素循环 尿素的合成部位 合成在肝脏的线粒体及胞液中 尿素是中性 无毒 水溶性很强的物质 由血液运输至肾 从尿中排出 鸟氨酸循环 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 ATP AMP PPi H2O 2ATP CO2 NH3 H2O 2ADP Pi 基质 线粒体 胞液 尿素 尿素循环实质 尿素分子中的两个氮原子 一个来自氨 另一个则来自天冬氨酸 而Asp又由其它AA通过转氨基作用而生成 因此 尿素分子中两个N的来源都直接或间接来自各种AA 尿素合成是一个耗能的过程 合成1分子尿素需要消耗4个高能磷酸键 即2分子ATP供给氨基甲酰磷酸的合成 1分子ATP供给精氨酸代琥珀酸的合成反应中产生AMP和焦磷酸 后者进一步水解成两分子磷酸 并消耗1个高能磷酸键 高氨血症和氨中毒 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 ammoniapoisoning TAC 脑供能不足 脑内 酮戊二酸 氨中毒的可能机制 二 酮酸的去路 AA分解产生5种产物进入TCA循环 进行彻底的氧化分解 五种产物为 乙酰CoA 酮戊二酸 琥珀酰CoA 延胡索酸 草酰乙酸重新氨基化合成新的AA转变成糖和脂肪生糖AA 凡能生成丙酮酸 琥珀酸 草酰乙酸和 酮戊二酸的AA AlaThrGlySerCysAspAsnArgHisGlnProIleMetVal 转变成酮体生酮AA 凡能生成乙酰乙酸 羟丁酸的AA LeuLysTrpPheTyr 在动物肝脏中 氨基酸碳骨架进入三羧酸循环的途径 草酰乙酸 磷酸烯醇式酸 酮戊二酸 天冬氨酸天冬酰氨 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 第三节氨的同化及氨基酸的生物合成 氨同化氨基酸的合成一碳基团代谢 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 氨同化的途径Glu的形成途径氨甲酰磷酸形成途径 Glu合成途径 1 Glu脱氢酶 细菌 NH3Glu其它AA NH3 NADH NAD H2O 酮戊二酸 TCA循环产生的 2 Glu合酶 高等植物的主要途径 NH3 ATP ADP Pi H2O 谷氨酰胺 贮存了氨 可做为NH3的供体将其转移 2H 2 总反应 NH3 ATP 酮戊二酸 2HGlu ADP H2O Pi Glu合酶 谷氨酰胺合成酶 氨甲酰磷酸合成途径 微生物和动物 原料 NH3CO2ATP 氨甲酰激酶 NH3 CO2 ATP Mg2 氨甲酰磷酸 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 二 氨基酸的合成 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 被称为氨基的 转换站 先Glu其它AA 氨基酸的合成 有C架 酮酸 有AA提供氨基 最主要为Glu 领头AA 一 谷氨酸族氨基酸的合成 包括 谷氨酸 Glu 谷氨酰胺 Gln 脯 Pro 羟脯 Hyp 精 Arg 共同碳架 TCA中的 酮戊二酸 酮戊二酸 Glu还原同化作用 NH3 NADH NAD H2O Glu 脱H酶 动物和真菌 不普遍 谷氨酰胺 酮戊二酸 2Glu 普遍 Glu合酶 NADPH H NADP 由GluPro NAD P H NAD P ATP ADP Mg2 NADH NAD 1 2O2 H HO Glu 谷氨酰半醛 二氢吡咯 5 羧酸 Pro Hyp 由Glu其它AA CH2 COOH CH2 HC NH C CH3 COOH O CH2 CHO CH2 HC NH C CH3 COOH O C O C N CH C NH2 COOH CH2 COOH 转乙酰酶 乙酰CoA CoA NADPH H NADP 转氨作用 转甲酰酶 氨甲酰磷酸 磷酸 天冬氨酸 延胡索酸 裂解酶 精氨酸 精氨酰琥珀酸 瓜氨酸 鸟氨酸 N 乙酰谷氨酰半醛 几种氨基酸的关系 酮戊二酸 Glu 谷氨酰胺 Pro 羟脯氨酸 Orn Cit 精氨酸 二 天冬氨酸族氨基酸的合成 包括 天冬氨酸 Asp 天冬酰胺 Asn 苏 Thr 甲硫 Met 异亮 Ile 赖 Lys 共同碳架 TCA中的草酰乙酸 转氨 Glu 天冬酰胺合酶 Mg2 Mg2 Asp NH3 ATP 天冬酰胺 H2O AMP PPi Asp 谷氨酰胺 ATP 天冬酰胺 Glu AMP PPi Asp 天冬氨酸族其它氨基酸的合成 ATP ADP 天冬氨酸激酶 CH2 C O P O CHNH2 COOH O OH OH NADPH H NADP 天冬氨酸激酶 天冬氨酰磷酸 天冬氨酸半醛 L 高丝氨酸 甲硫氨酸 苏氨酸 异亮氨酸 4个C来自Asp 2个C来自丙酮酸 二氨基庚二酸 赖氨酸 CO2 天冬氨酸 几种氨基酸的关系 天冬氨酸半醛 三 丝氨酸族氨基酸的合成 包括 丝 Ser 甘 Gly 半胱 Cys Gly碳架 光呼吸乙醇酸途径中的乙醛酸 酮戊二酸 Gly Glu 乙醛酸 NH3 CO2 2H 2e 2 H2O Ser Gly 碳架 EMP中的3 磷酸甘油酸 Ser还有其它合成途径 H2O Pi 磷酸酶 转氨基 氧化 H2O Pi 转氨 磷酸化途径 非磷酸化途径 3 磷酸甘油酸 3 磷酸羟基丙酮酸 3 磷酸羟基丙酮酸 3 磷酸丝氨酸 甘油酸 3 羟基丙酮酸 丝氨酸 半胱氨酸的合成途径 植物或微生物中 Ser 乙酰 CoAO 乙酰丝氨酸 CoA O 乙酰丝氨酸 硫化物半胱氨酸 乙酸 三种氨基酸的关系 乙醛酸 Gly Ser Cys 3 磷酸甘油酸 转乙酰基酶 提供硫氢基团 半胱氨酸的合成途径 动物中 L 高半胱氨酸 丝氨酸 L L胱硫醚 水解 L 半胱氨酸 H2O 包括 丙 Ala 缬 Val 亮 Leu 四 丙氨酸族氨基酸的合成 共同碳架 EMP中的丙酮酸 COOH CH3 CHNH2 谷丙转氨酶 丙酮酸 Glu Ala 酮戊二酸 谷丙转氨酶 GPT 丙氨酸族其它氨基酸的合成 2丙酮酸 酮异戊酸 缩合 CO2 转氨基 缬氨酸 酮异己酸 亮氨酸 转氨基 CH3 C O COO CH2 CH3 CH3 CH C O COOH CH3 CH 酮异戊酸 五 组氨酸和芳香族氨基酸的合成 包括 组 His 色 Trp 酪 Tyr 苯丙 Phe His碳架 PPP中的磷酸核糖 芳香族AA碳架 4 磷酸 赤藓糖 PPP 和PEP EMP NH CH N 来自核糖 来自谷氨酰胺的酰胺基 从谷氨酸经转氨作用而来 来自ATP 芳香族氨基酸的关系 色氨酸 若将莽草酸看作芳香族氨基酸合成的前体 则芳香族氨基酸合成时相同的一段过程称为莽草酸途径 三 一碳基团代谢 1 一碳基团 一碳单位 的概念 2 一碳基团和氨基酸代谢 Gly Ser Thr His都可以作为一碳基团的供体 3 一碳基团的利用 参与合成反应 如磷脂 核苷酸等的合成 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的生物合成 一碳基团转移酶的辅酶 FH4 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 一碳基团的来源与转变 S 腺苷甲硫氨酸 N5 CH2 FH4 N5N10 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 第四节核酸的酶促降解 核酸酶 核酸酶的分类 1 根据对底物的专一性分为 2 根据切割位点分为 核酸酶 作用于核酸磷酸二酯键的称为核酸酶 第四节核酸的酶促降解 一 核酸外切酶 作用于核酸链的末端 3 端或5 端 逐个水解下核苷酸 脱氧核糖核酸外切酶 只作用于DNA核糖核酸外切酶 只作用于RNA 二 核酸内切酶 从核酸分子内部切断3 5 磷酸二酯键 限制性内切酶 在细菌细胞内存在的一类能识别并水解外源双链DNA的核酸内切酶 可用于特异切割DNA 常作为工具酶 限制性内切酶类型 I型 分子量大于105 多亚基 需S 腺苷甲硫氨酸 ATP和Mg2 识别位点与切割位点相差甚远 产物为异质 是限制与修饰相排斥的多功能酶 型 分子量小于105 需Mg2 切割位点位于识别位点上 产物为专一性片段 不具修饰酶功能 它可以识别DNA上的特定位点 序列 这些识别位点的长度在4 8bp之间 具有回文结构 二次旋转对称性 切割DNA后产生三种末端 即平头末端 5 端突出末端和3 端突出末端 现在分子生物学研究所用的限制性内切酶均为此类 型 识别位点为5 7bp的非对称序列 切割位点在顺序之外离识别序列5 10bp 切割双链 个别也切割单链 是限制与修饰相结合的多功能酶 限制性内切酶的命名和意义 EcoRI 序号 属名 种名 株名 例 EcoRI 这是从大肠杆菌 Ecoli R菌珠中分离出的一种限制性内切酶 限制性内切酶是分析染色体结构 制作DNA限制图谱 进行DNA序列测定和基因分离 基因体外重组等研究中不可缺少的工具 是一把天赐的神刀 用来解剖纤细的DNA分子 常用的DNA限制性内切酶的专一性 酶 辨认的序列和切口 说明 AGCT TCGA GGATCC CCTAGG AGATCT TCTAGA GAATTC CTTAAG AAGCTT TTCGAA GTCGAC CAGCTG CCCGGG GGGCCC BamHI AluI BglI EcoRI Hind SalI SmaI 四核苷酸 平端切口 六核苷酸 平端切口 六核苷酸 粘端切口 六核苷酸 粘端切口 六核苷酸 粘端切口 六核苷酸 粘端切口 六核苷酸 粘端切口 蛋白质的酶促降解氨基酸的降解和转化氨同化及氨基酸的生物合成核酸的酶促降解核苷酸的分解代谢核苷酸的生物合成 第九章主要含氮化合物代谢 第五节核苷酸的分解代谢 一 核苷酸和核苷的降解二 嘌呤的降解三 嘧啶的降解 第五节核苷酸的分解代谢一 核苷酸和核苷的降解核苷酸 H2O核苷 Pi核苷 H2O嘌呤 或嘧啶 戊糖 核苷水解酶主要存在于植物和微生物体内 并且只能对核糖核苷起作用 对脱氧核糖核苷不起作用 核苷 H3PO4嘌呤 或嘧啶 1 磷酸戊糖 核苷磷酸化酶存在广泛 核苷酸酶 核苷水解酶 核苷磷酸化酶 二 嘌呤的降解 氧化降解过程 不同生物降解的产物不同 腺嘌呤鸟嘌呤H2OH2ONH3NH3次黄嘌呤黄嘌呤H2O O2H2O2H2O O2H2O2尿囊素尿酸H2OCO2 H2O22H2O O2尿囊酸尿素 乙醛酸H2O2H2O4NH3 2CO2 人类和灵长类动物 爬虫 鸟类 灵长类以外的哺乳动物 植物 鱼类 两栖类 海洋无脊椎动物 腺嘌呤脱氨酶 鸟嘌呤脱氨酶 黄嘌呤氧化酶 黄嘌呤氧化酶 尿酸氧化酶 尿囊素酶 尿囊酸酶 脲酶 硬骨鱼 人和大鼠除外 三 嘧啶的降解 还原降解过程胞嘧啶尿嘧啶二氢尿嘧啶H2ONH3NAD P H H NAD P H2O 丙氨酸 脲基丙酸H2O胸腺嘧啶二氢胸腺嘧啶NAD P H H NAD P H2O 氨基异丁酸 脲基异丁酸H2O 胞嘧啶脱氨酶 二氢尿嘧啶脱氢酶 二氢嘧啶酶 脲基丙酸酶 二氢尿嘧啶脱氢酶 二氢嘧啶酶 脲基丙酸酶 NH3 CO2 NH3 CO2 一 嘌呤核苷酸的从头合成 二 嘧啶核苷酸的从头合成 三 补救途径 四 脱氧核糖核苷酸的生物合成 第六节核苷酸的合成代谢 第六节核苷酸的合成代谢 一 嘌呤核苷酸的生物合成 从头合成 肝脏 1N 来源于天冬氨酸2 8C 来源于甲酸3 9N 来源于谷氨酰胺4 5C和7N 来自甘氨酸6C 来自CO2 嘌呤核苷酸的生物合成 从头合成 胞液 嘌呤核苷酸的从头合成结果直接形成IMPIMP合成从5 P 核糖开始的 在ATP参与下先形成PRPP 5 磷酸核糖 1 焦磷酸 嘌呤的各个原子是在PRPP的C1上逐渐加上去的 由Asp Gln Gly 甲酸 CO2提供N和C PRPP IMP FH4 IMP Asp AMP 延胡索酸 GTPGDP Pi 腺苷酸的合成 腺苷酸琥珀酸合成酶腺苷酸琥珀酸裂解酶 IMP的合成总反应 2NH3 2甲酸 CO2 Gly Asp 5 磷酸核糖IMP 延胡索酸 9H2O 鸟苷酸的形成 谷氨酰胺 谷氨酸 IMP XMP GMP ATPAMP PPi H2O NAD NADH H 脱氢酶 合成酶 嘧啶核苷酸的嘧啶环是由氨甲酰磷酸和天冬氨酸合成的 二 嘧啶核苷酸的生物合成 从头合成