第十章蛋白质降解和氨基酸

第四节氨基酸碳架氧化途径20种氨基酸脱氨后有三种去路 1 重新氨基化生成氨基酸 2 氧化成CO2和水 TCA 3 生糖 生脂 一 氨基酸碳骨架的氧化途径 20种氨基酸的碳架可转化成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 最后集中为5种物质进入TCA 一 形成乙酰 CoA的途径 二 酮戊二酸途径 三 形成琥珀酰CoA的途径 四 形成延胡索酸途径 五 形成草酰乙酸途径 一 形成乙酰 CoA的途径 通过丙酮酸到乙酰 CoA的途径 通过乙酰乙酰 CoA到乙酰 CoA 氨基酸直接形成乙酰 CoA 1 通过丙酮酸到乙酰 CoA的途径丙氨酸Ala甘氨酸Gly丝氨酸Ser苏氨酸Thr半胱氨酸CysP317 图30 16 1 丙氨酸Ala 2 甘氨酸Gly 先转变成Ser 再由Ser转变成丙酮酸 Gly与Ser的互变是极为灵活的 该反应也是Ser生物合成的重要途径 Gly的分解代谢不是以形成乙酰CoA为主要途径 Gly的重要作用是一碳单位的提供者 Gly FH4 NAD N5 N10 甲烯基FH4 CO2 NH4 NADH 3 丝氨酸Ser丝氨酸脱水酶脱水 脱氨 生成丙酮酸 4 苏氨酸Thr有3条途径 由Thr醛缩酶催化裂解成Gly和乙醛 后者氧化成乙酸 乙酰CoA 酮丁酸 脱氢 脱羧 氨基丙酮 5 半胱氨酸Cys有3条途径 转氨 生成 巯基丙酮酸 再脱巯基 生成丙酮酸 氧化成丙酮酸 加水分解成丙酮酸 2 通过乙酰乙酰CoA到乙酰 CoA的途径苯丙氨酸Phe酪氨酸Tyr亮氨酸Leu赖氨酸Lys色氨酸Trp 1 苯丙氨酸Phe 酪氨酸Tyr 乙酰乙酰CoAPhe Tyr分解为乙酰乙酰CoA和延胡索酸 2 酪氨酸Tyr产物 1个乙酰乙酰CoA 可转化成2个乙酰CoA 1个延胡索酸 1个CO2 3 亮氨酸Leu产物 1个乙酰CoA 1个乙酰乙酰CoA 相当于3个乙酰CoA 反应中先脱1个CO2 后又加1个CO2 C原子不变 4 赖氨酸Lys产物 1个乙酰乙酰CoA 2个CO2 转变为 氨基己二酸半醛有两条不同途径 在肝脏中占优势的是形成中间产物酵母氨酸途径 5 色氨酸Trp产物 1个乙酰乙酰CoA 1个乙酰CoA 4个CO2 1个甲酸 色氨酸2 3 加氧酶遗传缺陷症 导致智力迟钝 中间产物如5 羟色胺 吲哚乙酸 烟酸 是许多其他重要物质生物合成的前体 二 酮戊二酸途径 精氨酸Arg组氨酸His谷氨酰胺Gln脯氨酸Pro和羟脯氨酸谷氨酸Glup328图30 23 1 精氨酸Arg产物 1分子Glu 1分子尿素 2 组氨酸His产物 1分子Glu 1分子NH3 1分子甲亚氨基 3 谷氨酰胺Gln三条途径形成谷氨酸 再形成 酮戊二酸 Gln酶水解 Gln H2O Glu NH3 Glu合成酶 Gln 酮戊二酸 NADPH 2Glu NADP 转酰胺酶 Gln 酮戊二酸 Glu 酮谷酰氨酸 酮戊二酸 NH4 4 脯氨酸Pro和羟脯氨酸产物 Pro GluHpro 丙酮酸 乙醛酸5 谷氨酸Glu谷氨酸脱氢酶或转氨酶形成 酮戊二酸 三 形成琥珀酰CoA的途径 甲硫氨酸Met异亮氨酸Ile缬氨酸Val都通过形成甲基丙二酰CoA转变成琥珀酰CoAP326图30 27 1 甲硫氨酸Met给出1个甲基 将 SH转给Ser 生成Cys 产生一个琥珀酰CoA 2 异亮氨酸Ile产生一个乙酰CoA和一个琥珀酰CoA 3 缬氨酸Val 四 形成延胡索酸途径 苯丙氨酸Phe 酪氨酸Tyr可生成延胡索酸 前面已讲过 五 形成草酰乙酸途径天冬氨酸Asp和天冬酰胺Asn可转变成草酰乙酸进入TCAAsn先转变成Asp Asn酶 Asp经转氨作用生成草酰乙酸 二 生糖氨基酸和生酮氨基酸 生酮氨基酸 Phe 酪氨酸Tyr Trp Leu Lys 在分解过程中转变为乙酰乙酰CoA 后者在动物肝脏中可生成乙酰乙酸和 羟丁酸 生糖氨基酸 凡能生成丙酮酸 酮戊二酸 琥珀酸 延胡索酸 草酰乙酸的a a 都称为生糖a a 它们都能生成葡萄糖Glc Phe Tyr是生酮兼生糖a a 三 由氨基酸衍生的其它重要物质 一 氨基酸与一碳单位一碳单位 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 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及磷脂的生物合成 包括 亚氨甲基 CH NH 甲酰基 HC O 羟甲基 CH2OH 次甲基 又称甲川基 CH 亚甲基 又称甲叉基 CH2 甲基 CH3 一碳基团的转移由相应的一碳基团转移酶催化 其辅酶为FH4四氢叶酸 5 6 7 8 四氢叶酸 携带甲基的部位是N5 N10FH4结构一碳基团和氨基酸代谢Gly Ser Thr His Met等a a 可以提供一碳单位 一碳基团的来源与转变 S 腺苷蛋氨酸 N5 CH3 FH4 N5 N10 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 甲硫氨酸与转甲基作用 甲硫氨酸 ATPS 腺苷甲硫氨酸 S CH3 腺苷转移酶 PPi Pi SAM SAMS 腺苷同同型半胱氨酸型半胱氨酸 甲基转移酶 RHR CH3 腺苷 由SAM参加的一些转甲基作用 甲基接受体甲基化产物 去甲肾上腺素肾上腺素瓜乙酸肌酸磷脂酰乙醇胺磷脂酰胆碱RNA甲基化的RNADNA甲基化的DNA蛋白质甲基化的蛋白质 蛋氨酸代谢 S 腺苷蛋氨酸循环 1 循环过程 2 循环意义 将其他来源的一碳单位转变为活性甲基 参与体内各种甲基化反应 提供活性甲基 S 腺苷蛋氨酸 参与体内各种甲基化反应 肾上腺素 胆碱 肉毒碱等合成 叶酸和B12缺乏 二 氨基酸与生物活性物质 1 Tyr与黑色素P333图30 34 2 Tyr与儿茶酚胺类可生成多巴 多巴胺 神经递质 去甲肾上腺素 肾上腺素 激素 这四种统称儿茶酚胺类 3 Trp与5 羟色胺及吲哚乙酸Trp形成5 羟色胺及吲哚乙酸5 羟色胺是神经递质 促进血管收缩 4 肌酸和磷酸肌酸 Arg Gly Met 肌酸和磷酸肌酸 在贮存和转移磷酸键能中起重要作用 它们存在于动物的肌肉 脑 血液中 Arg Gly Met形成磷酸肌酸肌酸合成中的甲基化 S 腺苷Met 5 His与组胺His脱羧生成组胺 是一种血管舒张剂 在神经组织中是感觉神经的一种递质 6 Arg 水解 鸟氨酸 脱羧 腐胺 亚精胺 精胺 7 Glu与r 氨基丁酸Glu本身就是一种兴奋性神经递质 还有Asp 在脑 脊髓中广泛存在 Glu脱羧形成的r 氨基丁酸是一种抑制性神经递质 8 牛磺酸和CysCys的SH氧化成 SO3 并脱去 COO 就形成了牛磺酸 牛磺酸与胆汁酸结合 乳化食物 四 氨基酸代谢缺陷症 先天性氨基酸代谢缺陷症苯丙酮尿症 PKU 1902年英国医生加洛特 A Garrod 从家族病史 发现并研究了第一例遗传病 尿黑酸症 并发现该病在家族中的遗传遵循孟德尔规律 是由单个隐性基因控制的 尤其难得是 加洛特预测 尿黑酸病病人缺乏一种酶 而正常人有 加洛特把这种遗传病症状称为 先天性代谢差错 后来的研究证明加洛特的预见是对的 苯病酮尿症 PKU 亦是苯丙氨酸代谢紊乱病症 但是疾病后果的严重程度远大于尿黑酸症 因为脑发育受阻 严重脑力呆滞 智商0 50 白化病是苯丙氨酸代谢途径中又一种 遗传病 也是常染色体隐性遗传 白化病 白化病鳄鱼 第五节氨基酸的生物合成 一 氨基酸合成概论 1 氮源 1 生物固氨 微生物 a 与豆科植物共生的根瘤菌b 自养固氮菌兰藻在固氮酶系作用下 将空气中的N2固定 产生NH3 2 硝酸盐和亚硝酸盐 植物 微生物 3 各种脱氨基作用产生的NH3 所有生物 氨的固定方式 NH3 有机化合物 氨甲酰磷酸合成酶谷氨酸脱氢酶谷氨酰胺合成酶 2 碳源直接碳源是相应的 酮酸 植物能合成20种a a 相应的全部碳架或前体 人和动物只能直接合成部分a a 相应的 酮酸 主要来源 糖酵解 TCA 磷酸已糖支路 必需氨基酸 Ile Leu Lys Met Phe Thr Trp Val Arg His 3 a a 生物合成的概貌 1 丙氨酸族丙酮酸Ala Val Leu 2 丝氨酸族甘油酸 3 磷酸Ser Gly Cys 3 谷氨酸族 酮戊二酸Glu Gln Pro Arg 4 天冬氨酸族草酰乙酸Asp Asn Lys Thr Ile Met 5 组氨酸和芳香氨基酸族磷酸核糖His磷酸赤藓糖 PEPPhe Tyr Trp 二 脂肪族氨基酸生物合成途径 一 丙酮酸衍生型 Ala Val Leu 二 丝氨酸族的生物合成 3 磷酸甘油酸衍生型Ser Gly Cys 三 谷氨酸族 酮戊二酸衍生类型 Glu Gln Pro Arg Lys 蕈类 眼虫 1 Glu的合成由 酮戊二酸与游离氨 经L Glu脱氢酸催化 对于植物和微生物 氨的来源是Gln的酰胺基 2 Gln的合成由 酮戊二酸形成Glu 由Glu可以进一步形成Gln Gln合酶是催化氨转变为有机含氮物的主要酶 活性受9种含氮物反馈调控 氨基Glc 6 P Trp Ala Gly Ser His和CTP AMP 氨甲酰磷酸 除Gly Ala 其余含氮物的氮都来自Gln 3 Pro的合成 Glu环化而成 4 Arg合成 四 天冬氨酸族 草酰乙酸衍生类型 Asp Asn Met Thr Ile Lys 植物 细菌 1 天冬氨酸 2 Asn合成 转移酰胺基 3 Met合成4 Thr合成Lys Met Thr合成中 有一段共同途径 即生成Asp 半醛 是一个分枝点化合物 5 Ile合成 与Val极为相似 P271图17 9Ile的合成途径与Val极为相似 6个C中4个来自Asp Asp Thr 2个来自丙酮酸 所以也可以归入丙酮酸衍生型 6 Lys 酮戊二酸衍生型 蕈类 眼虫 P264图17 4 天冬氨酸 丙酮酸衍生型 植物 细菌 P267图17 5 三 芳香族氨基酸及His的生成合成 一 Phe Tyr Trp的合成起始物 磷酸烯醇丙酮酸 赤藓糖 4 P 二 His合成 二十种氨基酸的生物合成概况 谷氨酸族 天冬氨酸族 丙氨酸族 丝氨酸族 His和芳香族 四 氨基酸生物合成的调节 最有效的调节是通过合成过程的终端产物 反馈抑制反应系列中第一个酶的活性 即通过别构效应调节第一个酶的活性 一 通过终端产物对aa合成的反馈抑制 1 简单的终端产物反馈抑制如由Thr合成Ile 2 不同终端产物对共同合成途径的协同抑制 3 不同分枝产物对多个同工酶的抑制 4 顺序反馈抑制sequentialfeedbackinhibition 终端产物E和H 只分别抑制分道后自己的分支途径中第一个酶的活性 二 通过酶量调节 终产物的反馈阻遏P362图31 25E coli中Met反馈阻遏同工酶A BIle反馈阻遏同工酶C 五 氨基酸转化为其他氨基酸及其他代谢物 1 谷光苷肽 2 肌酸 3 卟啉血红素 细胞色素 叶绿素 卟啉由Gly和琥珀酰CoA合成 4 短杆菌肽 第六节生物固氮 一 生物固氮作用及固氮生物类型通过微生物将分子氮转化为含氮化合物的过程 虽然地球大气层的80 是氮气 但是有能力直接利用这种氮源的却仅限于几类原核生物 细菌 放线菌 蓝细菌 蓝藻 等原核微生物 固氮微生物 共生型 自生型 非豆科植物根瘤菌 蓝藻 光合细菌 厌氧巴氏细菌 需氧固氮杆菌等 豆科植物的根瘤菌 1 自生固氮微生物利用光能进行氮素还原 鱼腥藻 念珠藻等蓝藻 红螺菌 红色极毛杆菌 绿杆菌等 利用化学能进行固氮 如贝氏固氮菌 德氏固氮菌 厌气性的巴斯德梭菌 兼厌气性的克氏杆菌 2 共生固氮微生物根瘤菌与豆科植物 蓝藻与蕨类植物红萍 根瘤则是寄主植物为适应共生固氮所产生的一种特化的器官 便于容纳类菌体并为其提供合适的环境和养分 维持氮的固定 二 固氮酶的结构与功能研究 20世纪60年代初期 有科学家将晾干的厌氧微生物芽孢梭菌细胞溶于稀盐溶液中 离心后取上清 加入15N2 一定时间后发现反应体系中产生了15NH3 进一步研究发现 无细胞提取液中的固氮酶活性会很快地 完全地被空气所破坏 固N酶 ATP酶活性 能催化ATP分解 从中获取能量推动电子向还原底物上转移 2 作用机理 3 特点 是一种多功能酶 氧化还原酶 不仅能催化N2还原 还可催化N2O化合物等还原 1 结构组成 铁硫蛋白 二聚体 含Fe和S 还原酶 形成 Fe4S4 簇 钼铁蛋白 固氮酶 四聚体 2 2 含Mo Fe和S 固氮酶复合物的酶和辅助因子 铁钼中心 Mo Fe S ADP 反应条件 A 还原剂 铁氧还蛋白 由NADPH H 供氢B ATP 每传递两个电子约消耗4 5个ATP 还原N2需12ATP 因此豆科植物在固氮的同时 还要提高淀粉 PRO产量是一个挑战 因为根系消耗了ATP总量的1 5用于固氮 C 厌氧环境 因固氮酶对氧十分敏感 需严格厌氧 固氮酶具有防氧机理 固氮菌通过呼吸消耗氧 根瘤菌的豆血红蛋白与氧结合 生物固氮总反应 厌氧环境 氢酶 在还原氮的同时 固氮酶还有一个次要的活性 它能把氢质子还原成分子氢 这一反应不利于提高固氮酶活性 因为它既消耗了能量又产生了能竞争性抑制固氮活性的氢分子 根瘤菌中有些株系 Hup 能通过氢化酶的作用催化氢和氧的结合 从而利用反应中释放的氢 这一反应使得在质子还原过程中丢失的某些ATP再生 还有助于除去固氮酶附近的分子氧 氢代谢A 固氮酶的放氢反应 2H 2e H2要求ATP 不为CO抑制 B 氢酶的放氢反应氢酶存在于固氮生物中 也是一种铁硫蛋白 2铁氧还蛋白氧化态 H22铁氧还蛋白还原态 2H 不需ATP 可被CO抑制 三 固氮的基因表达调控 通过对