蛋白质酶促降解和氨基酸代谢

9蛋白质的酶促降解和氨基酸代谢9.1蛋白质的酶促降解9.2氨基酸的分解与转化9.3由氨基酸衍生其它化合物,蛋白质周转指已有蛋白质的降解和新蛋白质的合成。在生物体内，蛋白质处于不断降解不断合成的动态平衡中。蛋白质周转使各种蛋白质得到自我更新，也使细胞中蛋白质组分得到转换，这对于机体新组织细胞形成及机体生长发育有十分重要的意义。氮平衡：正氮平衡，负氮平衡。,9.1蛋白质的酶促降解蛋白质的降解是指蛋白质在酶的作用下，使多肽键水解生成氨基酸的过程。,9.1.1蛋白水解酶9.1.1.1肽链内切酶和外切酶水解肽键的酶普遍存在于生物体内，包括消化道中消化食物蛋白的蛋白酶，血液中参与血液凝固和溶解血栓的酶以及补体系统，也包括细胞内蛋白酶。蛋白水解酶可按其作用特点分为肽链内切酶(endopeptidase)和肽链外切酶(expeptidase)。,肽链内切酶又称蛋白酶(proteinase)，水解肽链内部的肽键，对参与形成肽键的氨基酸残基有一定的专一性，如胰蛋白酶、凝血酶作用于精氨酸或赖氨酸的羧基形成的肽键；肽链外切酶包括氨肽酶(aminopeptidase)和羧肽酶(carboxypepidase)，分别从氨基端和羧基端逐一地将肽链水解成氨基酸。,几种常见的蛋白水解酶,酶位点（或底物）胰蛋白酶(Trypsin）Lys,Arg的羧基端胰凝乳(糜)蛋白酶(Chymotrypsin)Phe,Trp,Tyr的羧基端胃蛋白酶(Pepsin)Phe,Trp,Tyr的氨基端氨肽酶(aminopeptidase)肽的氨基端羧肽酶(carboxypeptidase)肽的羧基端二肽酶(dipeptidase)二肽弹性蛋白酶(elastase)各种脂肪族AA形成的肽,9.1.1.2丝氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶和金属蛋白酶蛋白酶按其活性部位的结构特征可以分为四类：丝氨酸蛋白酶类(EC3.4.2.1)活性部位含有Ser残基，受二丙基氟磷酸(DIFP)的强烈抑制。胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶等均属此类。半胱氨酸蛋白酶(EC3.4.2.2)活性部位含有Cys残基，对于碘乙酸、对-羟基汞苯甲酸等抑制剂十分敏感。植物蛋白酶和组织蛋白酶大多属于此类。,天冬氨酸蛋白酶(EC3.4.2.3)活性中心含有两个Asp残基，最适pH一般为24。抑胃肽(pepstatin)专一地抑制这类酸性蛋白酶。胃蛋白酶、凝乳酶均属此类。金属蛋白酶(EC3.4.2.4)含有Zn2+、Mg2+等金属离子，受金属螯合剂如EDTA等的抑制。嗜热菌蛋白酶、信号肽酶以及氨肽酶、羧肽酶等属于这一类。,9.1.2食物中蛋白质的消化吸收胃中食物蛋白的消化是在胃蛋白酶作用下进行的。胃腺分泌的胃蛋白酶原(pepsmogen)受胃酸和自身激活作用，切去氨基端42个氨基酸残基活化为胃蛋白酶(pepsin)。胃蛋白酶最适pH为1.52.5，主要水解色氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、蛋氨酸、亮氨酸等氨基酸残基的氨基组成的肽键，生成多肽及少量氨基酸。,在小肠内，食物蛋白由胰液（含有胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、羧肽酶A和B）和小肠中的肠激酶(enterokinase)、氨肽酶和二肽酶(dipeptidase)进一步消化。,Pepsin,Chymotrypsin,trypsin,andexopeptidases,Aminoacids,急性胰腺炎（Acutepancteatitis）,胰液分泌到肠内的分泌途径障碍，蛋白水解酶酶原预先成熟转变为催化的活性形式，这些活性水解酶在胰腺细胞内攻击自身组织，损伤器官，严重时可致命。,食物蛋白过敏,有时体内蛋白酶受抑制或缺失，少量蛋白可直接被吸收进入血液，导致食物蛋白过敏。,9.1.3细胞内蛋白质降解9.1.3.1细胞内蛋白质降解的意义蛋白质与其它细胞组分一样，都处于不断降解和更新的周转过程中。细胞内蛋白质的周转是十分复杂和受到精密控制的过程，周转速率不仅与生物体的种类、营养状况、环境因素、发育阶段等有关，还与蛋白质的种类有关。,例如，大鼠肝中鸟氨酸脱羧酶的半寿期只有11min；5-氨基乙酰丙酸合酶的半寿期约1h，磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的半寿期约13h；精氨酸酶的半寿期约96h；3-磷酸甘油醛脱氢酶的半寿期约130h。,细胞内蛋白质降解对细胞生长发育和适应内外环境变化有重要功能：基因突变、生物合成误差、自发变性、自由基破坏以及环境胁迫和疾病均可导致反常蛋白的产生，其中有些可以重新恢复成正常蛋白。大多数反常蛋白必须被及时地降解清除，以免干扰正常的生命活动。,短寿命蛋白虽然不到总蛋白的10，但却包括许多代谢途径的限速酶，控制细胞周期和细胞分化、细胞增殖的蛋白质，调节基因表达的转录因子等，具有十分重要的生理功能。由于它们的半寿期很短，便于通过基因表达和降解对其含量进行精确、快速的调控。另外，生长发育及细胞分化过程中代谢途径的改变，也涉及到酶蛋白的降解。,维持体内氨基酸代谢库。体重70kg的健康成人，体内约有组织蛋白14000g，每日分解和重新合成的蛋白质约300500g，由食物提供的氨基酸约70100g，自己合成的氨基酸约3040g，血液和组织内的氨基酸(代谢库)约300700g。,防御机制的组成部分。例如高等动物免疫系统的单核吞噬细胞中含有特殊的溶酶体，其中有一系列组织蛋白酶和其它水解酶，可将吞人的病原体、异物等降解和清除。蛋白质前体的裂解加工。另外，为了有效地利用转基因技术生产有价值的蛋白质，也需要了解细胞内蛋白质降解机制，以免这些外来蛋白被转基因生物破坏。,9.1.3.2胞内蛋白质降解系统细胞质内有两个最重要的蛋白质降解系统：溶酶体系统和泛肽系统。溶酶体系统包括多种在酸性pH下活化的小分子量蛋白酶，因此又称为酸性系统，主要水解长寿命蛋白质和外来蛋白。泛肽系统在pH=7.2的胞液中起作用，因此又称为碱性系统，主要水解短寿命蛋白和反常蛋白。,9.1.3.3蛋白质降解的泛肽途径Hershko,A.等1978年从网织红细胞依赖ATP的蛋白质水解系统中分离出一种热稳定因子，由76个氨基酸组成，后来发现它广泛存在于各类真核细胞，因而命名为泛肽(ubiquitin)。在泛肽激活酶(E1)、泛肽载体蛋白(E2)和泛肽蛋白连接酶(E3)的共同作用下，泛肽C-端羧基与底物蛋白中赖氨酸残基-氨基形成异肽键，后续泛肽以类似方式连接成串(至少4个)，完成对底物蛋白的多泛肽化标记，形成多泛肽化蛋白。,26S蛋白酶体由20S蛋白酶体和19S调节亚基组成，20S蛋白酶体包含14个型亚基和14个型亚基，构成四个7聚体(7777)叠成的空桶状结构，两端的7构成了底物进入和产物逸出的通道及19S调节亚基结合部位，中部的77具有多种蛋白酶活性19S调节亚基至少含有18种蛋白组分，在ATP存在下与20S组成有活性的26S蛋白酶体。,9.2氨基酸的分解与转化蛋白质降解成的氨基酸可通过脱氨基和脱羧基作用进一步分解。9.2.1脱氨基作用包括氧化脱氨基、转氨脱氨基、联合脱氨基以及非氧化脱氨基和脱酰胺作用等。这是氨基酸主要的转化方式。,9.2.1.1氧化脱氨基作用氨基酸在酶的催化下脱去氨基生成相应酮酸的过程，称作氧化脱氨基作用。催化脱氨基的酶有脱氢酶和氧化酶，脱氢酶中最重要的是谷氨酸脱氢酶，以NAD或NADP为辅酶，催化谷氨酸氧化脱氨，生成-酮戊二酸。,GludHE催化的反应,谷氨酸脱氢酶广泛存在于动植及微生物体内，专一性很强，只作用于谷氨酸。从肝脏中分离的谷氨酸脱氢酶为六聚体，是别构酶，相对分子质量330kD。,9.2.1.2转氨基作用转氨基作用是-氨基酸和-酮酸之间的氨基转移反应。-氨基酸的氨基在转氨酶催化下转移到-酮酸的酮基碳原子上，结果使原来的氨基酸生成了相应的-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。催化转氨基作用的酶叫做转氨酶或氨基移换酶。,转氨酶广泛存在于生物体内。已经发现的转氨酶至少有50多种。用15N标记的氨基酸证明，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(GPT)和谷草转氨酶(GOT)最重要。,所以的转氨酶的辅酶都是磷酸吡哆醛。磷酸吡哆醛传递氨基的机理是通过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。转氨酶催化的反应是可逆的，平衡常数为10左右，即反应可向左右两个方向进行。,9.2.1.3联合脱氨基作用氨基酸的转氨作用并不能最终使氨基脱掉。同时，氧化脱氨作用也不能满足机体脱氨基的需要。因此一般认为L-氨基酸在体内不是直接氧化脱氨，而是先与-酮戊二酸经转氨作用变为相应的-酮酸和谷氨酸，谷氨酸可通过2种方式氧化脱氨。,转氨酶谷氨酸脱氢酶的联合脱氨作用通过转氨基作用和氧化脱氨基作用偶联进行的脱氨基作用，所以称为联合脱氨基作用。,转氨酶嘌呤核苷酸循环联合脱氨作用L-谷氨酸脱氢酶在动物组织如肝、肾等脏器中含量丰富，活力很强。但在心肌、骨肌和脑组织中该酶含量甚少，相反，在这些组织中腺苷酸脱氨酶、腺苷琥珀酸合成酶和腺苷酸琥珀酸裂解酶的含量及活性都很高。因此认为在这些组织中的脱氨基过程主要是嘌呤核苷酸循环的联合脱氨基作用。实验证明，在脑组织中有50的氨是经过腺嘌呤核苷酸循环产生的。,反应可逆，因而也是氨基酸合成的重要途径。,9.2.1.4非氧化脱氨基作用微生物中主要进行非氧化脱氨基作用，方式有3种。还原脱氨基作用在无氧条件下，某些含有氢化酶的微生物能利用还原脱氨基方式使氨基酸脱去氨基。,脱水脱氨基作用丝氨酸和苏氨酸的脱氨基也可经脱水的方式完成，催化该反应的酶以磷酸吡哆醛为辅酶。,由解氨酶催化的脱氨基反应苯丙氨酸解氨酶可催化苯丙氨酸和酪氨酸发生脱氨。,9.2.1.5脱酰胺基作用谷氨酰胺和天冬酰胺可在谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶的作用下分别发生脱酰胺基作用而形成相应的氨基酸。谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶广泛存在于微生物和动植物细胞中，具有很高的性。在花生种子发芽期，可观察到脱酰胺反应。,9.2.2脱羧基作用9.2.2.1直接脱羧基作用氨基酸在脱羧酶作用下，进行脱羧反应生成胺类化合物。氨基酸脱羧酶广泛存在于动植物和微生物体内，以磷酸吡哆醛作为辅酶。,9.2.2.2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)，它可进一步脱羧生成3,4-二羟苯乙胺，简称多巴胺(dopamine)。,9.2.3氨基酸降解产物的去向氨基酸降解时，通过脱氨和脱羧作用生成了各种降解产物，如NH3、-酮酸和胺类等。这些产物在体内进一步发生代谢转变。9.2.3.1氨的代谢转变游离氨对动、植物机体是有毒害作用的，在正常情况下细胞中游离氨浓度非常低。随着根系对氨的吸收和脱氨基作用的进行，细胞不断地将氨转变为无毒(或毒性较小)的化合物。,动植物机体内氨的代谢转变主要方式重新合成氨基酸当组织细胞中碳水化合物代谢旺盛时，氨可与碳水化合物转化成的-酮酸发生氨基化反应重新生成氨基酸。虽然通过脱氨基作用产生的氨再用来合成氨基酸时并不能增加氨基酸的数量，但却能改变氨基酸的种类。,生成谷氨酰胺和天冬酰胺氨可以通过谷氨酰胺合成酶或天冬酰胺合成酶催化生成相应的酰胺，这些酰胺又可以经过谷氨酰胺酶或天冬酰胺酶的作用，将NH3重新释放出来。因此，生成酰胺的形式既是生物体贮藏和运输氨的主要方式，也是解除氨毒的一条主要途径。,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、酒石酸和草酰乙酸等，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。,9.2.3.2鸟氨酸循环（尿素循环ureacycle)哺乳类动物体内氨的主要去路是在肝脏中合成尿素并随尿排出体外。某些植物如洋蕈、马勃中也能利用氨合成尿素，其含量占干物质重量的10以上。尿素在部分植物体内起着与谷氨酰胺类似的作用，既能解除氨毒，又是氨的一种贮存形式。,由氨合成尿素是通过鸟氨酸循环进行的。在哺乳动物体内，这个过程在肝脏中进行。肝脏中反应从鸟氨酸生成瓜氨酸开始直到精氨酸水解成鸟氨酸和尿素为止，形成了一个鸟氨酸循环。每经过一次循环需要2个氨基(一个来自游离氨，另一个来自天冬氨酸的氨基)和1分子CO2，并生成1分子尿素。,由鸟氨酸循环合成一分子尿素需要消耗4个高能磷酸键水解释放的自由能，是一个耗能的过程。尿素易溶于水，毒性较小，在动物肝脏中形成后，即随尿排出体外。,高等植物体内也存在着鸟氨酸循环的酶类，如精氨酸酶等，说明植物中也存在着鸟氨酸循环的过程，但其活性低，主要作用与精氨酸合成有关。与动物不同，植物体含有脲酶，尤其是在豆科植物种子中脲酶活性较大，能专一地催化尿素水解并放出氨。释放出的氨，可被再循环利用合成氨基酸或进入其它代谢途径。,9.2.3.3-酮酸的代谢转变氨基酸氧化脱氨或经过复杂的降解过程后。生成多种不同的-酮酸。,酮酸的代谢途径总括有3条去路：再合成新的氨基酸；转变为糖和脂肪；彻底氧化成二氧化碳和水并放出能量供机体利用。还原氨基化合成新氨基酸生物体内氨基酸的脱氨作用与。酮酸的还原氨基化是一对可逆反应，并在生理条件下处于动态平衡中。当体内氨基酸过剩时，脱氨作用相应地加强，相反，在需要氨基酸时，氨基化作用又会加强，以满足细胞对