生物化学含氮化合物代谢

第十一章含氮化合物代谢 生物体内含氮化合物较多 本章重点学习蛋白质和核酸的分解代谢 重点是氨基酸和核苷酸代谢 蛋白质的分解代谢氨基酸的分解代谢氨基酸的生物合成核酸的分解代谢嘌呤和嘧啶的分解代谢核苷酸的生物合成 主要内容 第一节蛋白质的分解代谢 各种蛋白质降解速率有很大的不同 它随生理需要而发生改变 细胞中蛋白质的降解速率也随营养状况和激素水平而异 在营养缺乏的情况下 细胞提高蛋白质的降解速率 以维持必需代谢的进行 细胞不断的从氨基酸合成蛋白质 同时又将一些蛋白质分解成氨基酸 一 蛋白质的消化 催化蛋白质多肽链中肽键水解的酶统称为蛋白酶 二 蛋白酶 蛋白酶可以根据其分泌特性 来源 性质进行分类命名 1 按细胞分泌特性分类 胞内蛋白酶 胞外蛋白酶 2 按酶的来源分类 胃蛋白酶 蛇毒磷酸酶 木瓜蛋白酶 3 按其作用的pH分类 酸性蛋白酶 碱性蛋白酶 中性蛋白酶 等等 肽链内切酶 水解蛋白质内部肽键 胃蛋白酶 胰蛋白酶 糜蛋白酶 弹性蛋白酶 肽链外切酶 从肽链两端开始水解肽键 氨基肽酶 羧基肽酶 p282表蛋白酶作用特点 三 肽酶 据水解肽键部位的不同分为两类 章首 内肽酶 内肽酶 氨肽酶 羧肽酶 第二节氨基酸的分解与转化 氨基酸的去向 1 脱氨基作用 2 脱羧基作用 3 氨基酸分解产物去向 二 氨基酸的脱氨基作用 氧化脱氨基作用转氨基作用联合脱氨基作用脱酰胺作用 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 二 转氨基作用 在转氨酶的催化下 氨基酸的氨基转移到 酮酸的酮基碳原子上 使原来的 氨基酸生成相应的 酮酸 而原来的 酮酸则形成了相应的 氨基酸 这种作用称为转氨基作用或氨基移换作用 章首 节首 没有游离的氨产生 但改变了氨基酸代谢库中各种氨基酸的比例 除苏氨酸 赖氨酸外 大多数氨基酸可参与转氨基作用 转氨基作用不仅是体内多数氨基酸脱氨基的重要方式 也是机体合成非必需氨基酸的重要途径 磷酸吡哆醛的作用机理 特点 生理意义 接受氨基的主要酮酸有 只有氨基的转移 没有氨的生成 催化的反应可逆 其辅酶都是磷酸吡哆醛 是体内合成非必氨基酸的重要途径 也是联系糖代谢与氨基酸代谢的桥梁 丙酮酸 酮戊二酸草酰乙酸 转氨基作用特点及意义 章首 节首 谷丙转氨酶 GPT 临床意义 急性肝炎患者血清GPT升高 谷草转氨酶 GOT 临床意义 心肌梗死患者血清GOT升高 GPT 谷氨酸 丙酮酸 酮戊二酸 丙氨酸 GOT 谷氨酸 草酰乙酸 酮戊二酸 天冬氨酸 重要的转氨酶 转氨基作用 三 联合脱氨基作用 1 概念 2 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 转氨偶联氧化脱氨 转氨酶 L 谷氨酸脱氢酶 H20 NAD NH3 NADH 酮酸 氨基酸 酮戊二酸 L 谷氨酸 章首 节首 转氨基偶联嘌呤核苷酸循环 腺苷酸代琥珀酸 次黄嘌呤核苷酸 IMP 腺苷酸代琥珀酸合成酶 草酰乙酸 天冬氨酸 转氨酶2 此种方式主要在肌肉组织进行 三 氨基酸的脱羧基作用 氨基酸的脱羧反应普遍存在于动物 植物及微生物体内 催化氨基酸脱羧反应的酶称为脱羧酶 这类酶有以下特点 3 AA在脱羧酶作用下生成CO2和相应的胺 1 脱羧酶具有高度专一性 2 脱羧酶需磷酸吡哆醛作辅酶 组氨酸脱羧酶除外 一 氨基酸的脱羧基作用 氨基酸脱羧酶的辅酶是磷酸吡哆醛 氨基酸脱羧酶一般是具有绝对专一性的酶 1 直接脱氨基作用 氨基丁酸 GABA 2 羟化脱羧基作用 多胺 是由鸟氨酸和Met参与生成的 胺的代谢 氨基酸脱羧形成的胺可在胺氧化酶的催化下生成醛 醛在醛脱氢酶的催化下 加水脱氢生成有机酸 有机酸再经 氧化生成乙酰CoA 乙酰CoA进入三羧酸循环 最后被氧化成CO2和H2O 二 氨基酸脱羧基的生理意义P288表 胺类的功能 2 组氨酸的脱羧基生成组胺 1 谷氨酸脱羧生成 氨基丁酸 GABA 3 色氨酸脱羧基生成5 羟色胺 5 HT 4 酪氨酸脱羧生成儿茶酚胺 四 氨基酸分解产物的去向 氨基酸 胺 CO2 脱羧基作用 脱氨基作用 酮酸 NH4 生理活性物质 释放或重新利用 尿素和嘧啶等 进一步氧化或转变为糖 脂肪 2 NH2的去路a 再合成AAb 成酰胺c 生成氨甲酰磷酸 合成碱基的原料 d 生成尿素排泄 鸟氨酸 尿素 循环 5 合成尿素 节首 章首 NH3 CO2的代谢 1 氨基酸脱羧后形成的CO2大部分直接排出细胞外2 小部分可通过丙酮酸羧化支路被固定 生成草酰乙酸或苹果酸 章首 节首 二 a 酮酸的代谢 氨基酸碳骨架的代谢 琥珀酰CoA 延胡索酸 草酰乙酸 酮戊二酸 柠檬酸 乙酰CoA 丙酮酸 PEP 磷酸丙糖 葡萄糖或糖原 糖 磷酸甘油 脂肪酸 脂肪 甘油三酯 乙酰乙酰CoA 酮体 CO2 CO2 氨基酸 糖及脂肪代谢的联系 TAC 第三节氮源与氨基酸的生物合成 五 氨基酸的生物合成 四 氨的同化 四 氨的同化 四 氨的同化途径 谷氨酸 一 二 五 氨基酸的生物合成 除苏氨酸和赖氨酸外 其它18种氨基酸均可用这种方式合成 各种氨基酸的合成参看p294 298 直接合成 谷氨酰胺 H NADPH 谷氨酸 NADP 酮戊二酸 L 谷氨酸 NH4 NADPH H NADP H2O 谷氨酸合成酶 谷氨酸脱氢酶 第四节核酸的分解代谢 核酸酶 核酸酶的分类 根据对底物的专一性分为 根据切割位点分为 核糖核酸酶 RNase 脱氧核糖核酸酶 DNase 非特异性核酸酶 S1 核酸内切酶 核酸外切酶 水解单链DNA或RNA 一 核酸外切酶 5 OH B 3 B B B B B B B 牛脾磷酸二酯酶 5 端外切5得3 蛇毒磷酸二酯酶 3 端外切3得5 非特异性 对RNADNA都起作用 二 核酸内切酶 5 OH Py Pu Py Py G C A U Pu A 3 RNaseI3 内切 RNaseA5 内切 RNaseT1 枯草杆菌RNase Pu 嘌呤Py 嘧啶 RNaseT2 三 限制性核酸内切酶 限制性核酸内切酶 是一类能识别双链DNA分子特异性核酸序列的DNA水解酶 它是基因工程中用于体外剪切基因片段的重要工具酶 第五节核苷酸的分解代谢 核苷酸酶 磷酸单脂酶 非特异性磷酸单酯酶 能水解磷酸基在戊糖2 3 5 的核苷酸 特异性磷酸单酯酶 只能水解3 核苷酸或5 核苷酸 3 核苷酸酶 5 核苷酸酶 核苷水解酶 主要存在于植物 微生物中 只水解核苷 不可逆 一 核苷的分解 核苷磷酸化酶 广泛存在 反应可逆 核苷 磷酸 核苷磷酸化酶 碱基 戊糖 1 磷酸 核苷 H2O 核苷水解酶 碱基 核糖 次黄嘌呤 尿素 NH3 CO2 G RNH2 微生物 黄嘌呤 尿酸 醇式 二 嘌呤的分解 H2N O C N C C N N C HO OH O C NH2 C C N H2N N C HO O OH 腺嘌呤 鸟嘌呤 乙醛酸 尿素 4NH3 CO2 A脱氨酶 G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 尿囊素 尿囊酸 尿酸 次黄嘌呤 黄嘌呤 脲酶 嘌呤分解途径 不同生物分解嘌呤碱的终产物排尿酸动物 灵长类 鸟类 昆虫 排尿酸爬虫类排尿囊素动物 哺乳动物 灵长类除外 腹足类排尿囊酸动物 硬骨鱼类排尿素动物 大多数鱼类 两栖类排NH3和CO2 某些低等动物植物分解嘌呤的途径与动物相似 产生各种中间产物 尿囊素 尿囊酸 尿素 NH3 微生物分解嘌呤类物质 生成NH3 CO2及有机酸 甲酸 乙酸 乳酸等 痛风症 血中尿酸正常值为2 6mg 含量超过8mg 时 尿酸盐结晶沉积于软组织 软骨及关节等处 而导致关节炎 尿路结石及肾脏疾病 原因 先天性代谢疾病 嘌呤合成过量 为原发性痛风肾脏疾病引起的肾功能衰退 尿酸排泄减少 血液及肿瘤病人体内核酸大量分解 长期大量摄入富含核酸的食物 嘌呤核苷酸代谢紊乱 痛风症的治疗机制 N N C N N O H N N N C N O H 次黄嘌呤 黄嘌呤 尿酸 黄嘌呤氧化酶 黄嘌呤氧化酶 鸟嘌呤 腺嘌呤 机制 别嘌呤醇与次黄嘌呤结构相似 是黄嘌呤氧化酶的竞争性抑制剂 其氧化产物别黄嘌呤可以牢固地结合在黄嘌呤氧化酶的活性中心上 抑制酶的活性 从而减少尿酸的产生 达到治疗痛风的目的 二者又叫 自杀作用物 别嘌呤醇 三 嘧啶的分解 是一个还原降解过程 胞嘧啶 NH3 尿嘧啶 二氢尿嘧啶 H2O CO2 NH3 丙氨酸 胸腺嘧啶 脲基异丁酸 氨基异丁酸 H2O 丙二酸单酰CoA 乙酰CoA TCA 肝 尿素 甲基丙二酸单酰CoA 琥珀酰CoA TCA 糖异生 第六节核苷酸的合成代谢 核糖 氨基酸 CO2 NH3 核糖核苷酸 脱氧核苷酸 辅酶 RNA 核苷 碱基 脱氧核苷 DNA 补救途径从头合成 从头合成途径 用氨基酸 一碳单位 二氧化碳和磷酸核糖等简单物质原料 经一系列酶促反应 合成嘌呤或嘧啶核苷酸的途径 补救途径 主要以核苷酸降解的中间物为原料 一 嘌呤核苷酸的生物合成 从5 磷酸核糖开始 IMP 生成 AMP GMP 嘌呤核苷酸从头合成途经先合成次黄嘌呤核苷酸 IMP IMP再转化变成腺嘌呤核苷酸 AMP 与鸟嘌呤核苷酸 GMP R 5 P 5 磷酸核糖 ATP AMP 磷酸核糖焦磷酸激酶 PP 1 R 5 P 磷酸核糖焦磷酸 在谷氨酰胺 甘氨酸 一碳单位 二氧化碳及天冬氨酸的逐步参与下 IMP H2N 1 R 5 P 5 磷酸核糖胺 谷氨酰胺 谷氨酸 酰胺转移酶 磷酸核糖酰胺转移酶 GAR合成酶 转甲酰基酶 FGAM合成酶 AIR合成酶 1 2 IMP的合成要点 1 在磷酸核糖分子上逐步合成嘌呤环 2 PRPP是重要的中间代谢物 是5 磷酸核糖的活性供体 它不仅参与两类核苷酸的从头合成 而且还参与补救合成 3 PRPP合成酶和酰胺转移酶为关键酶 AMPS合成酶 IMP脱氢酶 AMPS裂解酶 GMP合成酶 AMP和GMP的生成 AMPS 3 AMP ADP ATP ADP ATP 激酶 ADP ATP 激酶 GMP GDP GTP ADP ATP 激酶 ADP ATP 激酶 ATP和GTP的生成 二 嘌呤核苷酸的补救合成 嘌呤核苷 Pi 嘌呤 R 1 P 核苷磷酸化酶 核苷酸 ADP 嘌呤核苷 ATP 核苷磷酸激酶 磷酸核糖转移酶 嘌呤 PRPP 嘌呤核苷酸 PPi ATPADP AMP 腺苷激酶 腺嘌呤核苷 补救合成节省从头合成时的能量和一些氨基酸的消耗 体内某些组织器官 如脑 骨髓等只能进行补救合成 因此对于这些组织 补救合成具有重要的意义 如Lesch Nyhan综合症 自毁容貌综合症 补救合成的生理意义 利用体内游离的碱基 嘌呤 嘧啶 或核苷作原料 经过简单反应过程 合成核苷酸的途径 嘌呤核苷酸的相互转变 酶 嘌呤核苷酸合成的总结 特点 嘌呤碱的合成一开始就沿着合成核苷酸的途径进行 即在磷酸核糖分子上逐步合成嘌呤核苷酸 而不是首先单独合成嘌呤碱后再与磷酸核糖结合的 这是嘌呤核苷酸从头合成的一个重要特点 肝是体内从头合成嘌呤核苷酸的主要器官 其次是小肠粘膜和胸腺 嘌呤核苷酸的抗代谢抑制物 嘌呤核苷酸的抗代谢物是一些嘌呤 氨基酸或叶酸等的类似物 它们主要以竞争性抑制或 以假乱真 等方式干扰或阻断嘌呤核苷酸的合成代谢 从而进一步阻止核酸以及蛋白质的生物合成 嘌呤的类似物 6 巯基嘌呤 6MP 6 巯基鸟嘌呤 8 氮杂鸟嘌呤 氨基酸类似物 氮杂丝氨酸及6 重氮 5 氧正亮氨酸 结构与谷氨酰胺类似 二 嘧啶核苷酸的合成代谢 一 嘧啶碱的从头合成途径合成过程 首先合成UMP 由UTP合成CTP UMP转变为dUMP后 再合成dTMP H N N O O COOH H N N H O O COOH H N C N H CH CH2 C O O COOH NH2 C N H CH CH2 C O O COOH HO NH2 C H 2 N CH CH2 C O O COOH HO O P 氨基甲酰磷酸 天冬氨酸 氨甲酰天冬氨酸 H2O 二氢乳清酸 NAD NADH H 二氢乳清酸脱氢酶 乳清酸 PRPP PPi 乳清酸核苷酸 OMP CO2 脱羧酶 尿嘧啶核苷酸 UMP Pi R 5 P H N N O O R 5 P 天冬氨酸转氨甲酰酶 二氢乳清酸酶 磷酸核糖转移酶 嘧啶核苷酸从头合成途径 氨基甲酰磷酸合成酶I II的区别 嘧啶核苷酸合成特点 先合成嘧啶环 再与PRPP连接 先合成UMP 再转变成其他嘧啶核苷酸 真核生物中 合成途径的前三个酶和后两个酶各为一个多功能酶 更有利于以均匀的速度合成UMP 原核生物各酶独立存在 二 嘧啶核苷酸的补救合成 尿嘧啶 PRPP UMP PPi 尿嘧啶磷酸核糖转移酶 尿苷 胞苷 ATP 尿苷激酶 嘧啶核苷 Pi 核苷磷酸化酶 UMP CMP ADP 嘧啶 1 磷酸核糖 胞嘧啶不能直接与PRPP反应生成核苷酸 从头合成的调节 ATP CO2 谷氨酰胺 氨基甲酰磷酸 UMP 氨基甲酸天冬氨酸 UTP CTP 天冬氨酸 嘌呤核苷酸 ATP 5 磷酸核糖 嘧啶核苷酸 PRPP CTP的合成 在核苷三磷酸水平上进行 UMP UDP UTP CTP NH3 大肠杆菌 Gln 哺乳动物 Glu ATP C T P 合 成 酶 N N NH2 O R 5 P P P 二磷酸核苷激酶 尿苷酸激酶 ATP ATP 嘧啶核苷酸的抗代谢物 嘧啶类似物 5 氟尿嘧啶氨基酸类似物 叶酸类似物 三 脱氧核糖核苷酸的合成 SH SH 硫氧还蛋白 硫氧还蛋白 S S NADPH NADP 核糖核苷酸还原酶 NDP dNDP 硫氧化还原蛋白还原酶 三 脱氧核糖核苷酸的合成 NADPH H NADP dTMP的合成 在核苷一磷酸水平上进行 d