主要含氮化合物的代谢.ppt

第八章主要含氮化合物的代谢 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生物降解核苷酸的生物合成 第一节蛋白质的酶促降解 肽酶 Peptidase 末端蛋白酶 肽链内切酶 肽链内部 羧基末端羧肽酶 氨基末端氨肽酶 一个AA或二肽 含AA较少的肽链 蛋白质小片段氨基酸 蛋白酶 肽酶 一 水解蛋白质的酶 消化道内几种蛋白酶的专一性 二 细胞内蛋白质降解的重要性 排除异常蛋白质 翻译出错的蛋白 排除积累过多的酶或调节蛋白 1 不依赖ATP的溶酶体途径 没有选择性 主要降解细胞通过胞吞作用摄取的外源蛋白 膜蛋白及长寿命的细胞内蛋白 蛋白酶的pH偏低 5左右 2 依赖ATP的泛素途径 在胞质中进行 主要降解异常蛋白和短寿命蛋白 调节蛋白 此途径在不含溶酶体的红细胞中尤为重要 选择性降解 真核细胞中蛋白质的降解途径 意义 1 清除异常蛋白 2 细胞对代谢进行调控的一种方式 三 细胞内蛋白质降解的机制 泛素是一种8 5KD 76a a 残基 的小分子蛋白质 普遍存在于真核细胞内 一级结构高度保守 酵母与人只相差3个aa残基 它能与被降解的蛋白质共价结合 使后者活化 然后被蛋白酶降解 蛋白质是否被泛素结合而选择性降解与该蛋白N端的AA有关 N端为AspArgLeuLysPhe时 蛋白质的半寿期为2 3分钟 泛素化的蛋白质在ATP参与下被蛋白酶水解 2004年6日瑞典皇家科学院宣布 2004年诺贝尔化学奖授予以色列科学家阿龙 切哈诺沃 阿夫拉姆 赫什科和美国科学家欧文 罗斯 以表彰他们发现了泛素调节的蛋白质降解 第二节氨基酸的降解和转化 脱氨基作用脱羧基作用 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 氧化脱氨基作用 定义 AA在酶的作用下 氧化生成 酮酸 并产生氨的过程 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 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 三种酶的催化作用均不是体内理想的脱氨基方式 反应通式 O2 H2O R C COOH H2O2 NH3 AA氧化酶 O AA氧化酶 R C COO NH2 H2O R C COOH O NH3 FPFPH2 FPH2 O2 FP H2O2 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 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 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 H 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 单靠转氨基作用不能最终脱掉氨基 单靠氧化脱氨基作用也不能满足机体脱氨基的需要 因为只有Glu脱氢酶活力最高 其余L 氨基酸氧化酶的活力都低 机体借助联合脱氨基作用可以迅速脱去氨基 五 联合脱氨基 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 大多数转氨酶 优先利用 酮戊二酸作为氨基的受体 生成Glu 因为生成的谷氨酸可在谷氨酸脱氢酶的催化下氧化脱氨 使 酮戊二酸再生 转氨酶与L 谷氨酸脱氢酶作用相偶联 转氨基作用与嘌呤核苷酸循环相偶联 骨骼肌 心脏 肝脏 脑组织中 因为这些组织中的谷氨酸脱氢酶活性较低 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 两个内容 小结 二脱羧基作用 磷酸吡哆醛 醛亚胺 H2O CO2 H2O 胺 谷AA 氨基丁酸 CO2天冬AA 丙AA CO2赖AA尸胺 CO2鸟AA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 许多生物碱前体是氨基酸 生物碱如奎宁 地麻黄 吗啡等有驱虫效果 三 氨基酸分解产物的代谢 1 氨的去路 排氨生物 NH3转变成酰胺 Gln 运到排泄部位后再分解 原生动物 线虫和鱼类 以尿酸排出 将NH3转变为溶解度较小的尿酸排出 通过消耗大量能量而保存体内水分 陆生爬虫及鸟类 以尿素排出 经尿素循环 肝脏 将NH3转变为尿素而排出 哺乳动物 重新利用合成AA 合成酰胺 高等植物中 嘧啶环的合成 细菌 生成铵盐 尿素的生成 概念 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 theureaycle 尿素形成后由血液运到肾脏随尿排除 酮戊二酸 尿素循环 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 1 氨甲酰磷酸合成酶 2 鸟氨酸转氨甲酰酶 4 裂解酶 5 精氨酸酶 总反应和过程 是动物细胞排NH3 CO2的方式 2 AA碳骨架的去路 AA脱氨基的意义 AA分解产生7种产物进入TCA循环 进行彻底的氧化分解 七种产物为 丙酮酸 乙酰乙酰CoA 乙酰CoA 酮戊二酸 琥珀酰CoA 延胡索酸 草酰乙酸再合成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 Phe Tyr Trp 转变成酮体生酮AA 凡能生成乙酰乙酸 羟 丁酸的AA PheTyrLeuLysTrp 在动物肝脏中 氨基酸碳骨架进入TCA 20种aa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 其中乙酰CoA 酮戊二酸 琥珀酰CoA 延胡索酸 草酰乙酸可进入TCA 丙酮酸和乙酰乙酰CoA可转变成乙酰CoA进入TCA 四 AA与其它含氮化合物的关系许多AA可以作为一碳单位的来源 在各种化合物发生甲基化时作为甲基的供体 一碳单位 AA在分解过程中可产生具有一个碳原子的活性基团 称为一碳基团或一碳单位 一般了解 一碳单位的种类和相互转变 一碳单位 亚氨甲基 CH NH 甲酰基 HC O 羟甲基 CH2OH 亚甲基 又称甲叉基 CH2 次甲基 又称甲川基 CH 甲基 CH3 Gly Ser Thr His Met等可以提供一碳单位 一碳基团的利用 参与合成反应 如磷脂 核苷酸等的合成 一碳单位的转移靠四氢叶酸FH4 P281 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 生物体N的来源食物来源的N 食物中的蛋白质和氨基酸可以作为人和动物的N源生物固N 某些微生物和藻类通过体内固氮酶系的作用将分子氮转变成氨的过程 1862年发现 植物体中的N源 硝酸还原生成 NO3 植物直接吸收氨氨同化的途径谷AA的形成途径氨甲酰磷酸形成途径 硝酸还原酶 NO2 亚硝酸还原酶 NH3 AA Pro 其它含N化合物 谷AA合成途径 谷AA脱氢酶 细菌 NH3谷AA其它AA NH3 NADH NAD H2O 酮戊二酸 TCA循环产生的 谷氨酰胺合成酶 高等植物的主要途径 NH3 ATP ADP Pi H2O 谷氨酰胺 可做为NH3的供体将其转移 NADPH H 2 总反应 NH3 ATP 酮戊二酸 2H谷AA ADP H2O Pi 谷AA合酶 NADP 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 其被称为氨基的 转换站 先Glu其它AA 氨基酸的合成 有AA提供氨基 最主要为谷AA 领头AA 有C架 酮酸 直接碳架是相应的 酮酸 主要来源 糖酵解 丙酮酸TCA 草酰乙酸 酮戊二酸磷酸戊糖途径 磷酸核糖 包括 丙 Ala 缬 Val 亮 Leu 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 谷AA 丙AA 酮戊二酸 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 丝氨酸族氨基酸的合成 包括 丝 Ser 甘 Gly 半胱 Cys 甘AA碳架 光呼吸乙醇酸途径中的乙醛酸 酮戊二酸 甘AA 谷AA 乙醛酸 NH3 CO2 2H 2e 2 H2O 丝AA 甘AA 碳架 EMP中的3 磷酸甘油酸 丝AA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 丝AA 乙酰 COAO 乙酰丝AA COA O 乙酰丝AA 硫化物半胱氨酸 乙酸 三种氨基酸的关系 乙醛酸 甘AA 丝AA 半胱AA 3 磷酸甘油酸 转乙酰基酶 磷酸化途径 非磷酸化途径 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 天冬氨酸族氨基酸的合成 包括 天冬AA Asp 天冬酰胺 Asn 赖 Lys 苏 Thr 甲硫 Met 异亮 Ile 共同碳架 TCA中的草酰乙酸 天冬AA 天冬酰胺合成酶 谷草转氨酶 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 谷氨酸族氨基酸的合成 包括 谷AA 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为还原同化作用 NH3 NADH NAD H2O 谷AA 脱H酶 动物和真菌 不普遍 谷氨酰胺 酮戊二酸 2谷AA 普遍 Glu合酶 NADPH H NADP 由谷AA脯AA NAD P H NAD P ATP ADP Mg2 NADH NAD 1 2O2 H HO 谷AA 谷氨酰半醛 二氢吡咯 5 羧酸 脯AA 羟脯AA 由谷AA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 谷AA 谷氨酰胺 脯AA 羟脯AA 鸟AA 瓜AA 精AA 组氨酸族和芳香族氨基酸的合成 包括 组AA His 色AA Trp 酪AA Tyr 苯丙AA Phe 组AA族碳架 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 Trp 芳香族氨基酸的关系 若将莽草酸看作芳香族氨基酸合成的前体 因此芳香族氨基酸合成时相同的一段过程叫莽草酸途径 P280 氨基酸的生物合成 第四节核酸的酶促降解 核酸酶 作用于核酸的磷酸二酯酶称为核酸酶 按其作用位置分为 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 一 核糖核酸酶 只水解RNA磷酸二酯键的酶 RNase 不同的RNase专一性不同 牛胰核糖核酸酶I RNaseI 作用位点是嘧啶核苷 3 磷酸与其它核苷酸间的连接键 内切核酸酶 核糖核酸酶T1 RNaseT1 作用位点是3 鸟苷酸与其它核苷酸的5 OH间的键 内切核酸酶 5 OH Py Pu Py Pu 1 G A C U G A 3 RNAaseI RNAaseT1 只能水解DNA磷酸二酯键的酶 牛胰脱氧核糖核酸酶 DNase 可切割双链和单链DNA 降解产物为3 磷酸为末端的寡核苷酸 限制性核酸内切酶 细菌体内能识别并水解外源双源DNA的核酸内切酶 可特异切割外源DNA特定序列中的磷酸二脂键 对碱基序列专一 切断双键 常作为工具酶 二 脱氧核糖核酸酶 限制性内切酶类型 I型 识别位点与切割位点相差甚远 型 切割位点位于识别位点上 产物为专一性片段 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 产生3 OH和5 P的末端 限制性内切酶 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 既可水解RNA 又可水解DNA磷酸二酯键的核酸酶 小球菌核酸酶 内切酶 可作用于RNA或变性的DNA 产生3 核苷酸或寡核苷酸 蛇毒磷酸二酯酶和牛脾磷酸二酯酶 外切酶 三 非特异性核酸酶 某些核酸外切酶对RNA DNA均有作用 牛脾磷酸二酯酶3 核苷酸 蛇毒磷酸二酯酶5 核苷酸 第五节核苷酸的生物降解 一 核苷酸的降解核苷酸 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 这是一个氧化降解过程 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 三 嘧啶的降解 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 NADPH H 哺乳动物NADH H 细菌 一 嘌呤核苷酸的生物合成 从头合成途径 补救途径 二 嘧啶核苷酸的生物合成 从头合成途径 补救合成途径 第六节核苷酸的生物合成 三 脱氧核苷酸的合成 1 嘌呤环上各原子的来源 一 嘌呤核苷酸的生物合成 AMP GMP 合成嘌呤核苷酸 先合成IMP 再转化为AMP GMP 1 从头合成 利用简单的原始材料从头合成核苷酸的过程 此过程不包括碱基和核苷等中间物 也是核苷酸合成的主要途径 IMP的合成是从5 磷酸核糖开始的 先与ATP反应生成5 磷酸核糖 1 焦磷酸 PRPP 然后嘌呤环的各原子在PRPP的C 1位置上逐渐加上去 2 IMP的合成 PRPP IMP FH4 9N 4C 5C 7N 3N 6C 1N 2C 8C P290 H20 3 IMP转变为GMP和AMP 羽田杀菌素 Asp的类似物 嘌呤核苷酸的生物合成 从头合成 嘌呤核苷酸的合成结果直接形成IMPIMP合成从5 P 核糖开始的 在ATP参与下先形成PRPP嘌呤的各个原子是在PRPP的C1上逐渐加上去的 由Gln Asp Gly 甲酸 CO2提供N和C四氢叶酸 FH4 是一碳单位的载体治癌药物 嘌呤类似物 6 巯基嘌呤 谷胺酰胺类似物 叶酸类似物 氨基蝶呤 2 补救途径 1 PRPP 嘌呤 嘌呤核苷酸 PPi腺嘌呤磷酸核糖转移酶鸟嘌呤磷酸核糖转移酶 2 碱基 1 磷酸核糖 核苷 Pi 核苷磷酸酶 核苷 ATP 核苷酸 ADP 核苷磷酸激酶 只发现腺苷酸激酶 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 氨甲酰磷酸 天冬氨酸 1 尿苷酸的从头合成 1 尿嘧啶核苷酸的合成 2 胞苷酸的生物合成UMPUDPUTPATPADPATPADPUTP NH3 ATPCTP ADP Pi 细菌体内 在动物体内 由谷氨酰胺代替氨参加反应提供氨基UTP 谷氨酰胺 ATP H2OCTP 谷氨酸 ADP Pi 嘧啶核苷酸的合成与嘌呤核苷酸的合成不同 先利用小分子化合物形成嘧啶环 再与核糖磷酸 PRPP 结合形成UMP 其关键的中产物是乳清酸 其他嘧啶核苷酸由尿苷酸转变而来 嘧啶碱与1 磷酸核糖生成嘧啶核苷 然后由尿苷激酶催化尿苷和胞苷形成UMP和CMP 嘧啶碱 1 磷酸核糖 核苷磷酸化酶 嘧啶核苷 Pi 尿苷 胞苷 ATP 尿苷激酶 Mg2 UMP CMP ADP 2 磷酸核糖转移酶途径 胞嘧啶不行 尿嘧啶磷酸核糖转移酶 尿嘧啶 PRPP UMP PPi 2 补救途径 1 嘧啶核苷激酶途径 重要途径 1 核糖核苷酸的还原反应 NADP NADPH H 硫氧还蛋白还原酶 FAD 核糖核苷酸还原酶 B1和B2 ATP Mg2 ADP GDP CDP UDP 腺嘌呤 鸟嘌呤和胞嘧啶核糖核苷酸经还原 将核糖第二位碳原子的氧脱去 即成为相应的脱氧核糖核苷酸 还原反应一般在核苷二磷酸 NDP 水平上进行 三 脱氧核糖核苷酸的生物合成 大肠杆菌 动物 植物 由尿嘧啶脱氧核苷酸 dUMP 经甲基化生成 Ser提供甲基 NADPH提供还原当量 2 胸腺嘧啶脱氧核苷酸的合成 H 胸腺嘧啶脱氧核苷酸 dTMP 的合成dUDP H2OdUMP PidCMP H2OdUMP Pi胸腺嘧啶核苷酸合酶dUMPdTMPN5 10亚甲基四氢叶酸二