生物化学：蛋白质代谢分解

第十一章蛋白质的代谢分解 第一节蛋白质的营养作用第二节蛋白质的消化 吸收和腐败作用第三节氨基酸的代谢概况第四节氨基酸的一般代谢第五节个别氨基酸的代谢 蛋白质营养的重要性1 蛋白质能维持组织细胞的生长 更新和修补 2 蛋白质参与体内多种重要的生理活动 3 蛋白质可作为能源物质氧化供能 第一节蛋白质的营养作用 氨基酸的生理需要量根据氮平衡的实验测算 在不进食蛋白质时 成人每天最少也要分解约20克蛋白质 由于食物蛋白质与人体蛋白质组成有质的差异 不可能全部被利用 因此 成人每天至少需要补充30 50克食物蛋白质才能维持氮的总平衡 这是蛋白质的最低生理需要量 要长期维持氮的总平衡 我国营养学会推荐正常成人每日蛋白质需要量为80克 必需氨基酸必需氨基酸是指人体需要但是体内不能合成 必须由食物供给的氨基酸 共有8种 包括缬氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 酸酸 赖氨酸 甲硫氨酸 苯丙氨酸 体内缺乏任何一种 都会引起氮负平衡 其他12种氨基酸体内可以合成 不由食物供给 这类氨基酸称为非必需氨基酸 酪氨酸和半胱氨酸虽然体内能合成 但要以苯丙氨酸 甲硫氨酸为原料转化生成 故二者被称为半必需氨基酸 食物中蛋白质的互补作用将营养价值低的蛋白质混合食用 彼此间必需氨基酸可以得到相互补充 从而提高蛋白质的营养价值 称为食物蛋白质的互补作用 这种互补作用有重要的现实意义 例如 谷类蛋白质中赖氨酸含量低而色氨酸含量高 豆类蛋白质中赖氨酸含量较高而色氨酸含量较低 两者混合食用即可提高蛋白质的营养价值 因此食物种类多源化 是提高蛋白质营养价值的重要途径 一 蛋白质的消化 芳香族氨基酸甲硫氨酸亮氨酸 胃蛋白酶 胃蛋白酶原 胃酸 多肽少量氨基酸 第二节蛋白质的消化 吸收和腐败作用 1 胃内消化 2 小肠内消化小肠是消化蛋白质的主要场所 胰腺分泌的蛋白酶内肽酶 糜蛋白酶 胰蛋白酶 弹性蛋白酶水解肽链非末端肽键产生寡肽外肽酶 氨基肽酶 羧基肽酶A 羧基肽酶B从肽链两个末端逐个水解肽键产生氨基酸 肠黏膜细胞分泌的蛋白酶 肠黏膜细胞 肠激酶 胆汁酸 进入肠液 胰蛋白酶原 胰蛋白酶 糜蛋白酶元弹性蛋白酶原羧基肽酶原 氨基肽酶 寡肽 氨基酸 二肽 二肽酶 氨基酸 寡肽酶存在于肠黏膜细胞和细胞液中 如氨基肽酶和二肽酶 肠激酶 二 蛋白质的腐败作用未被消化的蛋白质和未被吸收的消化产物 在大肠下部受肠道菌作用被分解 此作用称为蛋白质的腐败作用 一 氨基酸的来源 1 食物蛋白质消化 吸收2 体内组织细胞合成非必需氨基酸3 体内组织蛋白分解 氨基酸代谢库经消化吸收的氨基酸 外源性 与体内组织蛋白水解产生的氨基酸 内源性 混与一起 分布于体内各处 称为氨基酸代谢库 其主要功能是合成蛋白质与多肽 第三节氨基酸的代谢概况 第四节氨基酸的一般代谢 一 氨基酸的脱氨基作用二 氨的代谢三 酮酸的代谢四 氨基酸的脱羧基作用 一 氨基酸的脱氨基作用 氨基酸的脱氨基作用脱氨基作用是氨基酸分解代谢最主要的途径 氨基酸可通过多种脱氨基方式脱去氨基 生成 酮酸 如转氨基 transamination 氧化脱氨基 oxidativedeamination 联合脱氨基 combineddeamination 等 其中以联合脱氨基最为重要 1 转氨基作用 主要的转氨酶 丙氨酸氨基转移酶 ALT 又称谷丙转氨酶 GPT 天冬氨酸氨基转移酶 AST 又称谷草转氨酶 GOT 转氨基作用是可逆的 因此 转氨基作用既是氨基酸的脱氨基分解过程 也是某些非必需氨基酸合成的重要途径 赖氨酸 脯氨酸 羟脯氨酸不能进行转氨基作用 转化关系 丙氨酸和丙酮酸 酮戊二酸和谷氨酸天冬氨酸和草酰乙酸 转氨基的作用机制 转氨酶的辅酶都是维生素B6的磷酸酯 即磷酸吡哆醛 磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺的相互转变 起着传递氨基的作用 生理意义 转氨基作用不仅是体内多数氨基酸脱氨基的重要方式 也是体内合成非必需氨基酸和氨基酸互变的重要途径之一 另外 转氨基作用还是联合脱氨基的重要组成环节 正常情况下 转氨酶主要存在于组织细胞内 血清中转氨酶的活性很低 肝组织中GPT的活性最高 心肌组织中GOT的活性最高 如果因为某种原因使细胞膜通透性增高或细胞坏死时 转氨酶会大量释放入血 使血清中转氨酶活性明显升高 例如 对于急性肝炎患者 其血清GPT活性显著增高 而心肌梗死患者血清中的GOT活性则明显上升 临床上可以此作为疾病的诊断及预后判断的指标之一 2 氧化脱氨基作用 主要的酶 L 谷氨酸脱氢酶辅酶 NAD 或NADP 部位 哺乳动物肝 肾和脑组织的线粒体反应特点 可逆 一般偏向于谷氨酸的合成调节 ATP和GTP为该酶的变构抑制剂 GDP和ADP为该酶的变构激活剂催化的反应 3 联合脱氨基作用 是体内氨基酸脱氨基的主要途径 同时其逆反应也是体内合成非必需氨基酸的主要途径 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 转氨基作用偶联L 谷氨酸氧化脱氨基途径发生在 肝 肾等组织 转氨基作用偶联嘌呤核苷酸循环途径发生在 骨骼肌和心肌组织 二 氨的代谢 体内代谢产生的氨以及肠道吸收的氨进入血液形成血氨 氨具有毒性 中枢神经系统对氨的毒性极为敏感 生理情况下 氨的来源和去路始终保持动态平衡 体内的血氨浓度很低 一般不超过47 60 mol L 1mg L 对于严重肝病患者 其尿素合成能力降低 致使血氨增高 过量的氨进入脑组织造成脑功能紊乱 常与肝性脑病的发病有关 1 体内氨的来源 体内氨基酸脱氨基作用体内含氮化合物的分解食物蛋白质的腐败作用和透入肠道的尿素水解产生氨肾小管上皮细胞经水解谷氨酰胺泌氨 2 氨的去路 体内80 90 氨的去路是在肝脏合成尿素合成谷氨酰氨合成某些含氮化合物经肾脏泌氨与H 结合后以铵盐形式排出体外 3 氨的转运丙氨酸 葡萄糖循环 生理意义 1 使肌肉中有毒的氨以无毒的丙氨酸形式输出 2 为肝脏提供合成尿素的氮源和糖异生的原料 而肝糖异生产生的葡萄糖既为肌肉组织提供能量又为肌肉排氨再循环提供了丙酮酸 谷氨酰胺的运氨作用 部位 脑 肌肉组织细胞的线粒体内作用 将氨运至肝 肾酶 谷氨酰胺合成酶 谷氨酰胺酶反应 不可逆 耗能 三 尿素的合成1 部位 肝脏是尿素合成的主要器官 肾脏是排泄尿素的主要器官 2 尿素合成途径 肝脏合成尿素的途径称为鸟氨酸循环 ornithinecycle 又称为尿素循环 ureacycle 或Krebs Henseleitcycle 1 氨基甲酰磷酸合成 游离氨是尿素第一个氮原子的来源 要点 1 部位 肝细胞线粒体内2 酶 氨基甲酰磷酸合成酶I CPS I CPS I是鸟氨酸循环中第一个限速酶 AGA是此酶的变构激活剂 它由乙酰CoA和谷氨酸合成 3 耗能 消耗2分子ATP4 不可逆 2 瓜氨酸合成 要点 1 酶 鸟氨酸氨基甲酰转移酶 OCT 2 部位 线粒体3 瓜氨酸生成后被转运出线粒体 进入细胞液4 不可逆 3 精氨酸合成 天冬氨酸为尿素提供第二个氮原子 要点 1 酶 精氨酸代琥珀酸合成酶和精氨酸代琥珀酸裂解酶精氨酸代琥珀酸合成酶是尿素合成过程中的主要限速酶 2 部位 细胞液3 耗能 消耗两个高能键 4 精氨酸水解生成尿素 要点 1 酶 精氨酸酶 arginase 2 部位 细胞液 尿素生成的中间步骤 尿素生成总反应方程式 高血氨症和氨中毒 生理情况下 血氨的来源与去路保持动态平衡 血氨浓度维持在较低水平 机体不会发生氨中毒 尿素的合成是维持这种平衡的关键点 当肝功能严重受损或鸟氨酸循环中某些酶有遗传性缺陷时 尿素的合成发生障碍 使血氨浓度升高 发生高血氨症 hyperammonemia 高血氨症可引起中枢神经系统功能障碍 其分子机制尚未完全明了 目前认为 高浓度氨进入脑组织后 可与脑中的 酮戊二酸结合生成谷氨酸及谷氨酰胺 导致脑中 酮戊二酸被大量消耗 三羧酸循环不能有效进行而导致ATP生成减少 大脑功能发生障碍 严重时可发生昏迷 临床上称为肝昏迷 hepaticcoma 或肝性脑病 hepaticencephalopathy 四 氨基酸的脱羧基作用 有些氨基酸在脱羧酶的作用下可进行脱羧基作用 生成相应的胺类 氨基酸脱羧酶的辅酶也是磷酸吡哆醛 胺类生成后可在胺氧化酶作用下氧化生成相应的醛 氨和H2O2 醛类继续氧化生成羧酸 羧酸再继续氧化生成H2O和CO2或随尿排出 避免了胺类的蓄积 五 酮酸的代谢氨基酸脱氨基后生成的 酮酸 ketoacid 可以进一步代谢 主要有以下方面的途径 氧化供能代谢中常见的 酮酸有丙酮酸 草酰乙酸 酮戊二酸等 它们在体内均可转变成乙酰CoA或三羧酸循环的中间代谢物 在循环中彻底氧化成CO2和H2O 同时释放能量 供机体利用 合成非必需氨基酸体内的一些营养非必需氨基酸一般是通过相应的 酮酸氨基化生成 例如 丙酮酸 草酰乙酸 酮戊二酸经过氨基化后可分别转变成丙氨酸 天冬氨酸和谷氨酸 酮酸可来自于氨基酸代谢 也可来自于糖代谢或TAC 转变成糖及脂类化合物氨基酸脱去氨基后生成的 酮酸继续代谢 最终可生成七种主要的中间代谢物 丙酮酸 乙酰CoA 乙酰乙酰CoA以及TAC的中间产物 酮戊二酸 琥珀酰CoA 延胡索酸和草酰乙酸 氨基酸生糖及生酮性质的分类 综上所述 氨基代谢与糖及脂肪的代谢是相互联系的 氨基酸可转变成糖和脂肪 糖也可以转变成脂肪和一些非必需氨基酸的碳链 不过脂肪酸既不能变成糖 也不能变成氨基酸 所以说 TCA不仅是氨基酸 糖及脂肪彻底氧化的共同通路 也是这几大营养物质相互转变的枢纽 体内的营养物质相互联系 共同构成人体完整的代谢体系 一 一碳单位代谢 定义 某些氨基酸在分解代谢过程中 能够产生含有一个碳原子的有机基团 称为一碳单位 形式 甲基 CH3 甲烯基 CH2 甲炔基 CH 甲酰基 CHO 亚氨甲基 CH NH CO CO2不是一碳单位 来源 甘氨酸 组氨酸 丝氨酸 色氨酸 第五节个别氨基酸的代谢 一碳单位不能游离存在 需与四氢叶酸结合而被转运 一碳单位通常结合于FH4分子的N5 N10位上 结合后一碳单位才具有活性 F FH2还原酶 NADPH H NADP FH2 FH4 FH2还原酶 NADPH H NADP 四氢叶酸 FH4 四氢叶酸是一碳单位的运载体 一碳单位的互变与代谢意义 1 一碳单位的互变一碳单位可由不同氨基酸分解代谢产生 但在不同分子形式的一碳单位之间 除N5 CH3 FH4的生成为不可逆反应外 其余均可通过氧化还原作用而彼此互变 一碳单位的生理意义1 作为合成嘌呤和嘧啶的原料如N10 CHO FH4与N5 N10 CH FH4分别是嘌呤环合成时C2与C8的来源 N5 N10 CH2 FH4为脱氧胸苷酸dTMP的生成提供甲基 因此 一碳单位是核酸生物合成中必不可少的原料 一碳单位代谢障碍或FH4供给不足 会导致核酸合成障碍 影响细胞分裂 引发巨幼红细胞性贫血 磺胺类药物及氨甲蝶呤等抗肿瘤药物也是分别通过影响靶细胞的叶酸及FH4的合成 进而干扰靶细胞的一碳单位代谢与核酸合成而发挥其抗菌或抗肿瘤作用的 1 参与重要物质的合成一碳单位代谢与S 腺苷甲硫氨酸的循环相连 通过S 腺苷甲硫氨酸参与的甲基化反应 间接参与胆碱 肌酸 软磷脂 肾上腺素的合成及核苷酸的甲基化修饰等多种代谢过程 二 含硫氨基酸的代谢 甲硫氨酸 半胱氨酸 胱氨酸 甲硫氨酸为必需氨基酸 体内含硫氨基酸有三种 即甲硫氨酸 半胱氨酸 胱氨酸 一 甲硫氨酸代谢 1 S 腺苷甲硫氨酸的生成 SAM被称为活性甲硫氨酸 其分子中的甲基为活性甲基 可直接参与甲基化反应 SAM是体内甲基最重要的直接供体 2 甲硫氨酸循环 N5 CH3 FH4将甲基转移给同型半胱氨酸生成甲硫氨酸的反应 是目前已知体内唯一能利用N5 CH3 FH4的反应 催化此反应的酶是N5 甲基四氢叶酸甲基转移酶 其辅酶是维生素B12 当维生素B12缺乏时 可引起巨幼红细胞性贫血 3 甲硫氨酸为肌酸的合成提供甲基 肌酸激酶是一种二聚体蛋白 由M型 肌型 和B型 脑型 两