《生物化学教学课件》第八章 氨基酸代谢.ppt

第八章蛋白质的酶促降解与氨基酸代谢 第一节蛋白质的酶促降解 一 蛋白质的酶促降解蛋白质的酶促降解 指在酶的作用下蛋白质中的肽键被水解断裂而生成短肽乃至氨基酸的过程 无论动物 植物 微生物 也无论是机体内产生的或从体外吸收的蛋白质 均需降解成氨基酸后 才能进行进一步的代谢 1 氨基酸的分解 2 蛋白的合成 二 蛋白水解酶 蛋白水解酶是专门催化水解肽键的酶 主要分成如下几类 1 肽链内切酶专门催化水解肽链中特定的肽键的酶 胰蛋白酶 专一水解由赖氨酸 精氨酸的 COOH参与形成的肽键 当参与形成此肽键的另外一个氨基酸为脯氨酸时则无效 胃蛋白酶 水解色氨酸 酪氨酸 苯丙氨酸 谷氨酸 半胱氨酸的 COOH参与形成的肽键 要求参与形成此肽键的另外一个氨基酸为疏水氨基酸 2 肽链外切酶 1 羧肽酶该酶作用于蛋白质多肽链的游离羧基端的肽键 使肽键断裂而得到单个游离氨基酸 2 氨肽酶该酶作用于蛋白质多肽链的游离氨基端的肽键 使肽键断裂而得到单个游离氨基酸 3 二肽酶 该酶作用于蛋白质多肽链被酶水解时产生的二肽 三 蛋白质在细胞内外的酶解途径 参考 一 外源蛋白的消化与吸收外源蛋白 胃 胃酸 胃蛋白酶 小肽 小肠 胰蛋白酶 糜蛋白酶 羧肽酶 氨肽酶 氨基酸 血液 二 组织蛋白质的胞内降解 1 溶酶体组织蛋白酶降解途径溶酶体 单层膜 多种酸性水解酶类 含 蛋白酶 核酸酶 脂肪酶等 2 依赖于ATP的泛素降解途径泛素 76氨基酸残基 高度保守 广泛存在于真核细胞 泛素 在ATP存在下 于需降解的蛋白质共价结合 泛素C 端甘氨酸的羧基于目标蛋白质中赖氨酸的 氨基酸形成异肽键 再由蛋白酶体降解 第二节氨基酸代谢的共同途径 天然氨基酸都含有 NH2和 COOH 故各种氨基酸都有其共同的代谢途径 一 氨基酸的脱氨基作用这是指 氨基酸在酶的催化作用下脱去氨基而生成 酮酸 释放出游离氨的过程 一 氧化脱氨基作用 这是指 氨基酸在酶的催化作用下氧化脱氢而生成 酮酸 释放出游离氨的过程 其反应通式如下 R CH COOH 1 2O2 R C COOH NH3 NH2O 1 此反应共分为两个步骤 1 氨基酸被酶催化脱氢而生成 亚氨基酸 2 亚氨基酸遇水自发水解生成 酮酸和氨 这第二步加水脱氨不需要酶的作用 2 与生物体内的氧化脱氨基作用有关的酶 1 L 氨基酸氧化酶其辅基为FAD或FMN 在体内分布不广 正常生理条件下活力不高 其最适pH为10 2 D 氨基酸氧化酶其辅基为FAD 在体内分布广 正常生理条件下活力高 但体内D 氨基酸不多 显然 这两种酶难以在体内催化氨基酸发生氧化脱氨基作用的过程中单独发挥重要作用 L 氨基酸氧化酶和D 氨基酸氧化酶都属于需氧脱氢酶 其共同的作用机制 这些酶将从氨基酸上夺得的氢传给FAD或FMN而得到FADH2或FMNH2 再由FADH2或FMNH2将所携带的氢直接传给O2而生成H2O2 而H2O2在过氧化氢酶的催化作用下生成H2O和O2 在这里 FADH2或FMNH2并没有将所携带的氢直接经呼吸链传给O2而生成H2O 3 L 谷氨酸脱氢酶 在体内分布广 真核细胞的线粒体基质内及胞浆中均有此酶 正常生理条件下活力高 催化以下反应 L 谷氨酸 NAD NADP H2O 酮戊二酸 NADH NADPH H NH3 这种酶在动物 植物 微生物中都存在 在肝脏 肾脏中的活力很强 其最适pH在中性附近 它不能催化其它氨基酸氧化脱氨基 这种酶是别构酶 ATP GTP NADH是其别构抑制剂 而ADP GDP 某些氨基酸是其别构激活剂 从反应的平衡常数来看 此反应趋向于合成 但是当NH3在体内被迅速处理时 则反应趋向于脱氨基 一般认为 NAD 是脱氨基过程的辅酶 而NADP 则是氨基化过程的辅酶 二 转氨基作用 或氨基移换作用 一种 氨基酸在酶的催化作用下其氨基转移到一种 酮酸的酮基位置上 使 酮酸转变为相应的 氨基酸 而该氨基酸自身则转变为相应的 酮酸 这种作用就是转氨基作用 起催化作用的酶叫转氨酶 即氨基转移酶 转氨酶 氨基酸 酮酸 氨基酸 新 酮酸 新 主要的一些参与氨基转移的 酮酸及其参与转氨作用后生成的氨基酸 酮戊二酸 谷氨酸 最重要 草酰乙酸 天冬氨酸 次之 丙酮酸 丙氨酸 这里 酮戊二酸 草酰乙酸 丙酮酸恰好是糖代谢中重要的中间产物 糖代谢与氨基酸代谢在这里可以彼此联系起来 1 大多数氨基酸以 酮戊二酸为氨基受体 2 实验证明 除赖氨酸 苏氨酸外 也有学者认为还应当包括甘氨酸 脯氨酸 羟脯氨酸 其余 氨基酸均参加转氨作用 并各有其特异的转氨酶 其中 以谷丙转氨酶 谷氨酸 丙酮酸转氨酶 GPT 和谷草转氨酶 谷氨酸 草酰乙酸转氨酶 GOT 为主 转氨酶广泛存在于生物体内 目前已经发现的转氨酶至少有50种以上 用含15N的氨基酸所做的实验证明 除甘氨酸 赖氨酸和苏氨酸外 其余的 氨基酸都可参加转氨基作用 其中以谷丙转氨酶和谷草转氨酶最重要 前者催化谷氨酸与丙酮酸之间的转氨作用 后者催化谷氨酸与草酰乙酸之间的转氨作用 各种转氨酶的专一性较差 各种转氨酶仅对其中某一种氨基酸的催化活性高些 常以这种氨基酸来命名 例如 谷草转氨酶也叫天冬氨酸酶 催化如下反应 L 天冬氨酸 酮戊二酸 草酰乙酸 谷氨酸 3 正常情况下 转氨酶主要分布在细胞内 血清中其活力很低 谷草转氨酶活力主要以心脏中的最大 其次是肝脏中的 而谷丙转氨酶则以肝脏中的活力最大 当肝脏细胞损伤时 转氨酶入血液 使血液中的酶活力上升 测定血清中转氨酶活力有助于疾病疹断 4 转氨酶的辅酶均为磷酸吡哆醛 也有学者提出转氨酶的辅酶应包括磷酸吡哆胺 因为磷酸吡哆醛接受 NH2后变为磷酸吡哆胺 然后再将 NH2转给 酮酸 转氨基作用的意义 在于它既是氨基酸分解代谢的开始 也是合成非必需氨基酸的重要步骤 转氨酶的种类虽多 但其辅酶只有一种 即磷酸吡哆醛 它是维生素B6的磷酸酯 磷酸吡哆醛传递氨基的机理是它能够接受氨基酸分子中的氨基而变成磷酸吡哆胺 同时氨基酸变成 酮酸 磷酸吡哆胺再将其氨基转移给另一分子 酮酸生成另一种氨基酸 本身又变成磷酸吡哆醛 由此认为转氨酶的辅酶磷酸吡哆醛是氨基酸的分解及合成过程中一种氨基的传递体 三 联合脱氨基作用 指将氨基酸的转氨基作用与脱氨基作用相联系而使 氨基酸的氨基脱去以生成 酮酸和NH3的作用 1 与L 谷氨酸脱氢酶相联系的联合脱氨基作用 这里 先经转氨基作用使 氨基酸上的氨基转移到 酮戊二酸的酮基位置上得到L 谷氨酸 再由L 谷氨酸脱氢酶将之氧化脱氨基 这是一种将转氨基作用与氧化脱氨基作用联合起来最终脱去氨基酸上的氨基的作用 这种联合脱氨基作用是可逆的过程 主要在肝脏 肾脏等组织中进行 它也是体内合成非必需氨基酸的重要途径 2 与腺嘌呤核苷酸循环相联系的联合脱氨基作用 1 天冬氨酸 IMP GTP腺苷酸代琥珀酸合成酶 AMPS GDP Pi其中 IMP即次黄苷一磷酸 即次黄苷酸 AMPS即腺苷酸代琥珀酸 2 腺苷酸代琥珀酸裂解酶AMPS AMP 腺苷酸 延胡索酸 3 AMP 腺苷酸 H2O腺苷酸脱氨酶 IMP NH3 4 延胡索酸 fumaricacid 经三羧酸循环转变为草酰乙酸 谷草转氨酶 5 草酰乙酸 谷氨酸 天冬氨酸 酮戊二酸 通过这种联合脱氨基作用 氨基酸可以先由转氨基作用将其氨基转到草酰乙酸上以生成天冬氨酸 然后天冬氨酸与次黄苷酸反应生成腺苷酸代琥珀酸 进而由腺苷酸代琥珀酸裂解产生腺苷酸 而腺苷酸被酶水解脱氨并生成次黄苷酸 这种联合脱氨基作用主要存在于骨骼肌 心肌中 也有学者提出在脑中有50 的氨经此循环产生 四 非氧化的脱氨基作用 参考 非氧化脱氨基作用大多在微生物中进行 其方式有以下几种 二 脱羧基作用 一 氨基酸脱羧基作用指在氨基酸脱羧酶催化下 氨基酸脱去羧基而产生CO2和伯胺的过程 氨基酸脱羧酶R CH COOH R CH2 NH2 CO2 NH2 除组氨酸脱羧酶外 其余的氨基酸脱羧酶的辅酶均为磷酸吡哆醛 氨基酸脱羧酶专一性很强 一般讲 一种氨基酸脱羧酶只作用于一种氨基酸 二 氨基酸脱羧作用的生理意义 氨基酸脱羧作用非氨基酸分解代谢主要途径 但是正常代谢途径之一 1 其产物胺类中有的可组成某些维生素激素 例如 天冬氨酸 丙氨酸 CO2 而 丙氨酸是泛酸的组成成分 酪氨酸 酪胺 CO2 而酪胺是肾上腺素 去甲肾上腺素 正肾上腺素 的前体 2 有的胺类则有其特殊的生理功能谷氨酸 氨基丁酸 CO2 而 氨基丁酸对中枢神经系统的传导有抑制作用 组氨酸 组胺 CO2 而组胺使血管舒张 血压降低 但是酪胺则使血压升高 氨基酸脱羧产生的胺类一般有毒性 量大时会引起神经或心血管等系统的功能紊乱 体内有胺氧化酶起作用使得胺类氧化为醛 继而氧化成脂肪酸 再分解成CO2和水 其反应式如下 RCH2NH2 O2 H2O RCHO H2O2 NH3RCHO 1 2O2 RCOOH 参考 氨基酸的羟化脱羧基作用 酪氨酸在酪氨酸酶的催化下可发生羟化作用而生成3 4 二羟苯丙氨酸 简称多巴 dopa 后者可进一步脱羧生成3 4 二羟苯乙胺 简称多巴胺 dopamine 酪氨酸酶是一种含铜酶 多巴进一步氧化后形成聚合物黑素 melanin 马铃薯 苹果和梨等切开后变黑 就是由于形成了黑素之故 在人体的表皮基底层及毛囊中有成黑素细胞 可将酪氨酸转变为黑素 使皮肤及毛发呈黑色 在植物体内 由多巴和多巴胺可形成生物碱 第三节氨基酸分解产物的去路 氨基酸脱羧后产生的CO2经肺排出 产生的胺类则有其生理作用或随尿排出 氨基酸脱氨后产生NH3和 酮酸 这些产物则按以下途径分别进行代谢变化 一 氨的代谢转变 在机体内 氨是有毒物质 尤其是高等动物的脑对之很敏感 氨的含量过高 会引起机体中枢神经系统中毒 代谢紊乱 一 鸟氨酸循环 鸟氨酸循环又叫尿素循环或尿素生成 在肝中进行 其反应历程如下 1 氨甲酰磷酸的合成氨甲酰磷酸合成酶ICO2 NH3 2ATP H2N CO PO3H2 氨甲酰磷酸 2ADP Pi氨甲酰磷酸合成酶I存在于线粒体内 氨甲酰磷酸是一种高能化合物 CO2来源于糖代谢 NH3来源于谷氨酸的氧化脱氨 而这在谷氨酸由细胞液运入线粒体后进行 这个酶可以利用联合脱氨基过程中产生的游离氨 N 乙酰谷氨酸 AGA 是氨甲酰磷酸合成酶I的别构激活剂 N 乙酰谷氨酸 AGA 可以由乙酰COA和谷氨酸作原料合成 当氨基酸的分解作用增强时 谷氨酸在细胞内的浓度可经转氨基作用而增加 这时 作为氨基酸分解代谢增强的化学信号 谷氨酸可以促进N 乙酰谷氨酸的合成 进而导致氨甲酰磷酸合成酶I的激活 推动尿素循环的进行 最终使所产生的过多的氨排出体外 2 瓜氨酸的生成 鸟氨酸氨甲酰基转移酶氨甲酰磷酸 鸟氨酸 瓜氨酸 Pi鸟氨酸氨甲酰基转移酶也叫鸟氨酸转氨甲酰 基 酶 也存在于线粒体内 随后瓜氨酸出线粒体进入胞液 进行后续反应 3 精氨酸的生成 精氨酸代琥珀酸合成酶瓜氨酸 天冬氨酸 ATP 精氨酸代琥珀酸 AMP PPi精氨酸代琥珀酸裂解酶精氨酸代琥珀酸 精氨酸 延胡索酸 此阶段中天冬氨酸实际上行使氨基供体的作用 由于天冬氨酸可以通过转氨基作用由草酰乙酸和谷氨酸反应生成 而谷氨酸又可以通过转氨基作用由其它氨基酸将氨基转给 酮戊二酸后生成 因此其它氨基酸上的氨基可以通过转氨基作用最终生成天冬氨酸来参与合成尿素 另外 这个阶段的反应中产生的延胡索酸是三羧酸循环中的中间产物 它可以转变为草酰乙酸 而草酰乙酸又可以通过转氨基作用和谷氨酸反应生成天冬氨酸 可见 尿素循环与三羧酸循环在此可以联系起来 4 精氨酸的水解 精氨酸酶精氨酸 H2O 鸟氨酸 尿素精氨酸酶存在于哺乳动物体内 尤其是在肝脏中活性很高 尿素无毒 它可以通过血液被运送到肾脏 然后再随尿被排出体外 这里产生的鸟氨酸可以再进入线粒体 然后与氨甲酰磷酸反应生成瓜氨酸而又进入尿素循环 尿素生成过程的总反应式 CO2 NH3 3ATP 天冬氨酸 2H2O 尿素 延胡索酸 2ADP AMP PPi 2Pi 鸟氨酸循环的前两步反应在线粒体内进行 其余的在线粒体外进行 每生成1分子的尿素需要消耗3分子ATP 其中2分子用于生成氨甲酰磷酸 1分子用于生成精氨酸代琥珀酸 2分子氨 其中1分子由天冬氨酸间接提供 1分子二氧化碳 尿素的生成既可以降低氨对动物机体造成的毒性 也可以降低体内二氧化碳对血液造成的酸性 因而它对哺乳动物来说有十分重要的生理意义 二 酰胺的生成 前人证明 氨在动物体内可以用来合成谷氨酰胺与天冬酰胺 而后二者不仅没有毒性 而且是合成蛋白质的原料 谷氨酰胺与天冬酰胺的生成是解除体内氨毒的一种经济形式 也是体内运输氨 存储氨的方式 其中 以谷氨酰胺的合成与分解为主 谷氨酰胺合成酶 Mg2 谷氨酸 NH3 ATP 谷氨酰胺 ADP Pi谷氨酰胺合成酶存在于脑 肝 肾 肌中 谷氨酰胺合成后 经血液循环运送到肝脏 肾脏等组织中 再发生如下反应 谷氨酰胺酶谷氨酰胺 H2O 谷氨酸 NH3 如果在肝脏中 则此产生的氨可以用来合成尿素 如果在肾脏中 则产生的氨可以直接随尿排出体外 另外 在各种组织中氨还可以用来合成氨基酸 嘌呤 嘧啶等含氮物质 当体内酸过多时 肾小管上皮细胞中的谷氨酰胺酶活性增高 谷氨酰胺的分解加快 氨的生成与排出增加 排出的氨可以和尿液中的H 中和生成N H4 从而降低尿液中的H 浓度 使H 不断从肾小管细胞中排出 这有利于维持动物机体中的酸碱平衡 三 生成铵盐 有些植物组织中含有大量的有机酸 如异柠檬酸 柠檬酸 苹果酸 酒石酸 草酰乙酸的琥珀酸等 氨可以和这些有机酸结合生成铵盐 以保持细胞内正常的pH 另外 还可以重新合成氨基酸 祥见后叙 四 根据动物排出NH3的方式可将动物进行分类 在不同的动物体内NH3的排出方式是不同的 据此可以将动物分为以下几类 1 排氨动物这些动物将氨基氮以氨的形式排出体外 这主要存在于某些水生的或海洋动物中 如原生动物 线虫以及鱼类 两栖类 2 排尿酸动物这些动物将氨基氮以溶解度较小的固体尿酸形式排出体外 如鸟类 爬行类 这些动物体内水分较少 3 排尿素动物这些动物将氨基氮以溶解度较大的尿素形式排出体外 如哺乳动物 这些动物体内水分不太欠缺 某些两栖类动物的排氨方式处于中间位置 如青蛙的幼虫蝌蚪为排氨动物 当其变态时肝脏中产生必要的酶 成蛙后转为排尿素 二 酮酸的代谢 一 合成氨基酸脱氨基作用 氨基酸 酮酸 NH3氨基化作用 氨基酸多时 脱氨作用增强 氨基酸少时 氨基化作用增强 酮酸氨基化生成氨基酸是非必需氨基酸的生成途径之一 它是氧化脱氨基 转氨基 联合脱基作用的逆转 酮戊二酸 NADPH H NH3L 谷氨酸 NADP H2O这是多数有机体利用NH3合成谷氨酸的主要途径 由于谷氨酸上的NH3可以转到其它 酮酸上而得氨基酸 故有其重要作用 二 氧化生成CO2和水1 主要经三羧酸循环实现 丙酮酸 酮戊二酸 草酰乙酸可经三羧酸循环氧化成H2O和CO2 其它氨基酸也可转化为此循环之中间产物而产生H2O CO2 2 也可经乙酰CoA而进入三羧酸循环 3 转变为糖和脂肪当体内不需要 酮酸生成氨基酸以及及能量充足时 酮酸可转变成糖和脂肪 生糖氨基酸 在体内可以转变为糖的氨基酸 它们按糖代谢途径进行代谢 其分解的中间产物大多为丙酮酸 草酰乙酸 酮戊二酸 琥珀酰CoA或与这几种物质有关的化合物 只 生酮氨基酸 能转变成酮体的氨基酸 其中间产物为乙酰CoA或乙酰乙酸 生糖兼生酮氨基酸 这些氨基酸部份按糖代谢 部份按脂代谢途径 而在代谢中可产生酮体及琥珀酰CoA和延胡索酸等 可使葡萄糖和酮体含量同时增加 必需氨基酸 动物体内必需而又不能够合成 或合成量少而难以满足机体需要 必须由食物供给的氨基酸 包括赖 色 苯丙 缬 亮 异亮 蛋 苏 精 组氨酸 非必需氨基酸 动物体内可以合成的氨基酸 都是生糖氨基酸 与糖的转变有可逆关系 即通过糖代谢可以得到相应的酮酸 进而得到相应的氨基酸 生酮氨基酸是必需氨基酸 生糖兼生酮氨基酸包括异亮 赖 苯丙 色 酪氨酸 完 第四节氨及氨基酸的生物合成 一 生物固氮生物固氮在自然界的氮素循环和农业生产上都具有重要的意义 分子态氮 N2 约占空气总体积的79 然而 由于氮气是一种不活泼气体 要打开氮分子中的N N键 需要有耗226kcal mol 1的能量 所以动植物和大多数微生物都不能直接用它作为氮素营养 自然界中只有一部分微生物可以把分子态氮 N2 还原成氨 并进一步合成氨基酸和蛋白质等含氮有机化合物 分子态氮在生物体内还原成氨的过程称为生物固氮 具有这种固氮性能的微生物 则称为固氮微生物 据估计 地球上每年生物固氮量大约为二亿吨 一 固氮酶的分子结构生物固氮由一个极其复杂的固氮酶系统催化 从已知的30多种固氮微生物中分离出来了粗酶制剂 其中有6种已经提纯 在所研究过的微生物中固氮酶的组成和性质都非常相似 它们都由两种铁硫蛋白组成 这两个蛋白单独存在时均不呈现固氮酶活性 只有相互缔合成复合物后才有催化氮分子还原的功能 固氮酶是一种多功能的氧化还原酶 目前仅发现于原核生物中 它们都具有下述的共同特征 1 铁蛋白 2 钼铁蛋白 3 铁钼辅因子 FeMoco 二 固氮酶催化的反应固氮酶催化的整个固氮过程如图所示 已经实验证明 在固氮酶催化的固氮过程中天然电子供体是铁氧还蛋白 Fd 黄素氧还蛋白 Fld NADP以及人工电子受体Na2S2O4 光合固氮生物的还原剂主要由光化学反应或光合磷酸化产生 非光合固氮生物则由碳水化合物发酵或呼吸过程产生 如在巴氏梭菌中 丙酮酸是电子的原初供体 这些还原性电子供体通过电子传递将电子传递到固氮酶上 固氮酶则利用细胞内产生的能量 ATP 和H 把这些电子传给N2 使之还原成NH3 二 硝酸的还原作用植物体所需要的氮素营养除了生物固氮以外 绝大部分还是来自土壤中的氮素 主要是硝酸盐 NO3 亚硝酸盐 NO2 以及铵盐 NH