生物化学 第十一章蛋白质降解与氨基酸代谢.ppt

第十一章氨基酸的代谢,MetabolismofAminoAcids,第一节氮源及氨基酸库,一、氮源氮素是生物必不可少的营养元素;氮素利用形式：,多数微生物：无机氮（如铵盐、硝酸盐等）和有机氮（如蛋白质、氨基酸等）作氮源；,有些微生物：不能利用无机氮化合物合成某些有机氮化合物。,植物：,以无机氮（如铵盐、硝酸盐等）为氮源；,二、氨基酸库细胞内所有游离存在的氨基酸称为氨基酸库，包括从外界吸收的、细胞自身合成的、体内蛋白更新产生的氨基酸；氨基酸库处于动态平衡；微生物中结合态的氨基酸种类和量一般变化不大，而游离的氨基酸会因菌种、培养条件、菌龄差别很大。,氨基酸代谢库,氨基酸代谢概况,定义：催化蛋白质类化合物中肽键水解的一类酶的总称。,第二节蛋白酶类及蛋白质的酶促水解,作用位点,分类：,对于外源蛋白质，通过各种胞外蛋白酶协同催化水解；对于内源蛋白质，通过细胞内溶酶体中各种蛋白酶催化。微生物蛋白酶对蛋白质的水解作用与生产实践关系极为密切，在食品发酵、制革工业、医药卫生等方面都有广泛的作用。（表11-2）,蛋白质的酶促水解,第三节氨基酸分解代谢的公共途径,一、氨基酸的脱氨基作用脱氨基作用转氨基作用联合脱氨基作用二、氨基酸的脱羧基作用三、氨基酸的脱羧、脱氨基作用四、氨基酸的脱氨、羧基产物进一步代谢,一、氨基酸的脱氨基作用,1、脱氨基作用,（1）氧化脱氨基作用,氨基酸在酶的催化下氧化脱氢的同时，脱去氨基释放出游离的氨，生成相应的-酮酸。,第一步：脱氢，生成亚胺,第二步：水解,催化氧化脱氨的酶有两类：氨基酸氧化酶：黄素蛋白，是需氧脱氢酶类，以FAD或FMN为辅基，催化脱下的氢直接与氧结合，生成H2O2。,L氨基酸氧化酶、D氨基酸氧化酶,催化氧化脱氨的酶有两类：氨基酸脱氢酶：不需氧脱氢酶，以NAD或NADP为受氢体，脱下的氢不直接交给氧，而是经电子传递链产生H2O和ATP。其中最重要的是L谷氨酸脱氢酶。,L谷氨酸脱氢酶,广泛存在于动、植、微生物体内；别构酶ATP、GTP、NADH可抑制此酶活性；ADP、GDP及某些氨基酸可激活此酶活性；线粒体基质中该酶以NAD为辅酶，催化氧化脱氨反应；细胞液中该酶以NADPH为辅酶，催化合成反应；不仅使L-谷氨酸氧化脱氨，在大多数氨基酸分解代谢和合成代谢中都具有重要作用。,直接脱氨基作用,1、脱氨基作用,（2）非氧化脱氨基作用,还原脱氨基作用,（2）非氧化脱氨基作用,脱水脱氨基作用,脱硫氢基脱氨基作用,氧化-还原脱氨基作用,（2）非氧化脱氨基作用,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。,2、转氨基作用,转氨酶催化，-氨基酸的氨基转移到-酮酸的酮基位置，结果原来的-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。,体内存在多种转氨酶，多数转氨酶需要以酮戊二酸作为氨基受体或谷氨酸作为氨基供体。两种重要的转氨酶：,丙氨酸转氨酶(谷丙转氨酶，GPT),谷氨酸转氨酶(谷草转氨酶，GOT),转氨基作用生理意义,是体内多数氨基酸脱氨基的重要方式；是机体合成非必需氨基酸的重要途径；是联系糖代谢与蛋白质代谢的桥梁。,转氨基作用特点：只有氨基的转移，没有氨的生成。,3、联合脱氨基作用,转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶作用相偶联,联合脱氨基作用是由转氨基作用与氧化脱氨基作用联合进行脱氨基的作用方式。,意义是氨基酸脱氨基的最主要方式；也是体内合成非必需氨基酸的最主要方式。,转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶作用相偶联,转氨酶,L-谷氨酸脱氢酶,H2O+NAD+,NH3+NADH,-酮酸,-氨基酸,-酮戊二酸,L-谷氨酸,二、氨基酸的脱羧基作用,氨基酸在脱羧酶的作用下脱掉羧基，生成伯胺和CO2。,脱羧酶的辅酶多为磷酸吡哆醛，His脱羧酶不需辅酶；氨基酸脱羧酶专一性很强，一般一种氨基酸一种脱羧酶，利用这一性质来测定发酵液中某种氨基酸的含量。,广泛存在于动、植物和微生物中；某些产物具有重要生理功能；脑组织中L-Glu脱羧生成r-氨基丁酸，是重要的神经介质；His脱羧生成组胺，有降低血压的作用；Tyr脱羧生成酪胺，有升高血压的作用。大多数胺类对动物有毒，体内有胺氧化酶，能将胺氧化为醛和氨。,某些细菌和酵母的氨基酸可脱氨同时脱羧的方式进行分解代谢，生成少一个碳原子的伯醇、NH3和CO2。如：异亮氨酸生成活性戊醇亮氨酸生成异戊醇缬氨酸生成异丁醇,三、氨基酸的脱氨、脱羧基作用,(一)-酮酸的代谢（氨基酸碳骨架的转化途径）再合成氨基酸：经氨基化生成非必需氨基酸氧化生成CO2和H2O转变为糖和脂,四、氨基酸脱氨、脱羧产物的进一步代谢,氨基酸碳骨架进入三羧酸循环的途径,草酰乙酸,-酮戊二酸,延胡索酸,琥珀酰CoA,乙酰CoA,柠檬酸,氧化生成CO2和H2O,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。(Asp,Asn,Ser,Gly,Ala,Cys,Glu,Gln,His,Arg,Pro,Val,Met13种)生酮AA:凡能生成乙酰CoA或乙酰乙酸的AA。(Leu,Lys2种,在动物肝脏中转变成酮体)生糖兼生酮AA：二者兼有的AA。(Trp,Thr,Tyr,Ile,Phe5种),1、形成酰胺贮存,重要酰胺：天冬酰胺与谷酰胺,（二）氨的代谢,3、合成氨甲酰磷酸,由氨甲酰磷酸合成酶催化，需要N-乙酰谷氨酸作辅助因子。,氨甲酰磷酸是高能化合物，可作为氨甲酰基的供体，是微生物能量代谢的重要高能化合物之一；氨甲酰磷酸是合成嘧啶、精氨酸、尿素的重要前体物质；无机氮合成有机含氮物的重要反应，是同化氮的重要途径。,2、合成新氨基酸,4、尿素的生成,动物形成尿素后排出体外，解毒；植物与微生物形成尿素，贮存氨，以供合成的需要。,尿素生成的过程由HansKrebs和KurtHenseleit提出，称为鸟氨酸循环，又称尿素循环或Krebs-Henseleit循环。,1932年德国学者克雷布斯（Krebs）等首先提出尿素生成的鸟氨酸循环学说。,NH3+CO2+H2O,2ATP,2ADP+Pi,氨甲酰磷酸,鸟氨酸瓜氨酸,瓜氨酸天冬氨酸,ATP,AMP+PPi,精氨琥珀酸,精氨酸,延胡索酸,+H2O,尿素,鸟氨酸,Pi,鸟氨酸循环,线粒体,鸟氨酸循环的中间步骤,1）氨甲酰磷酸的合成,CO2+NH3+H2O+2ATP,氨甲酰磷酸合成酶(肝mito）,N-乙酰谷氨酸，Mg2+,NH2-C-O-P=O+2ADP+Pi,O,OH,OH,氨甲酰磷酸(真核生物有2类氨甲酰磷酸合成酶，酶I存在于线粒体，参与尿素合成；酶II存在于胞质，参与嘧啶环的合成),（调节酶）,尿素合成限速酶(活性最低),说明：关于氨甲酰磷酸中NH3的来源此NH3是在细胞质中由谷氨酸脱氢酶产生,2）瓜氨酸的合成,NH2COPO,NH2（CH2）3CHNH2COOH,OCT,NH2C=ONH（CH2）3CH-NH2COOH,+,+,H3PO4,氨甲酰磷酸鸟氨酸瓜氨酸,OCT：鸟氨酸氨甲酰转移酶（线粒体）,3）精氨酸的合成,NH2C=ONH（CH2）3CH-NH2COOH,COOHCH-NH2CH2COOH,精氨琥珀酸合成酶（胞液）,ATPAMP+PPiH2O,+,NH2COOHC=NC-HNHCH2（CH2）3COOHCH-NH2COOH,瓜氨酸,天冬氨酸,精氨琥珀酸,第二个氨的来源,精氨琥珀酸裂合酶,NH2C=NHNH（CH2）3CH-NH2COOH,+,COOHCHCHCOOH,精氨酸延胡索酸,联系尿素与三羧酸循环,4）精氨酸水解生成尿素,NH2C=NHNH（CH2）3CH-NH2COOH,精氨酸酶(胞液),+H2O,NH2C=ONH2,NH2（CH2）3CHNH2COOH,精氨酸尿素鸟氨酸,+,线粒体,尿素生成总反应式,2NH3+CO2+3ATP+3H2O,CO(NH2)2+2ADP+AMP+2Pi+PPi,尿素合成小结,1.原料:2NH3(Glu-NH3，Asp-NH3)、CO22.产物:1尿素3.部位:肝4.过程:鸟氨酸循环5.排泄:肾6.意义:解除氨毒,并消耗部分CO27.耗能：4个高能键,2NH3+CO2+3ATP+3H2O,CO(NH2)2+2ADP+AMP+2Pi+PPi,8.总反应式:,（三）CO2的去向,脱羧形成的CO2大部分直接排到细胞外，小部分通过丙酮酸羧化支路被固定，生成草酰乙酸或苹果酸。,（四）胺的代谢,脱羧形成的胺可在氧化酶作用下生成醛，醛在脱氢酶作用下，加水脱氢生成有机酸，有机酸氧化生成乙酰CoA，乙酰CoA进入TCA。,氨基酸分解代谢小结,氨基酸,第四节氨基酸的合成代谢,氨基酸可分为：必需氨基酸：机体不能自己合成，必须自外界获取的氨基酸。人体必需氨基酸：缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、色氨酸、苏氨酸、赖氨酸。非必需氨基酸：机体能自身合成的氨基酸。,口诀：1.“一两色素本来淡些”（异亮氨酸、亮氨酸、色氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、缬氨酸）。2.携苏丹来奔以色列缬苏蛋赖苯丙异亮色亮有人将组氨酸和精氨酸称作半必需氨基酸,一、氨基酸合成的公共途径,氨基化作用,1、还原氨基化作用由L-氨基酸脱氢酶催化-酮酸与氨生成氨基酸过程。其中最主要的是谷氨酸脱氢酶，普遍存在于动、植物及微生物中。,缩合脱水,还原,2、直接氨基化作用有些有机酸，如延胡索酸，在L-天冬氨酸酶催化下，可以直接进行氨基化反应，生成天冬氨酸。,氨基化作用,3、酰胺化作用动、植物及微生物中普遍存在谷酰胺合成酶和天冬酰氨合成酶。,氨基化作用,大多数生物中天冬酰胺的合成是由谷酰胺提供氨基，细菌是直接利用NH3。,天冬酰胺,3、酰胺化作用,生物界最普遍的合成谷氨酸的途径：由谷氨酸合成酶催化-酮戊二酸接受谷酰胺酰胺基的氨生成谷氨酸。,转氨作用,在转氨酶作用下，将一种氨基酸上氨基转移给-酮酸，生成新的氨基酸。是分解代谢的重要途径也是合成代谢重要途径。只有苏氨酸、赖氨酸不参加转氨。生物体转氨酶对谷氨酸和-酮戊二酸专一性高，易接受谷氨酸的氨基转给其它酮酸，生成其他氨基酸。转氨作用与谷氨酸合成反应联合时，可生成生物体内大部分氨基酸。,各种氨基酸的前体及相互关系,谷氨酸族,天冬氨酸族,丙酮酸族,丝氨酸族,His和芳香族,二、一般氨基酸的生物合成,1、脯氨酸、鸟氨酸和精氨酸合成谷氨酸、谷酰胺、脯氨酸和精氨酸的碳骨架都是来自-酮戊二酸，因此这几种氨基酸为谷氨酸族氨基酸。,脯氨酸的合成,鸟氨酸和精氨酸的合成,谷氨酸,鸟氨酸循环,2、丝氨酸、甘氨酸、半胱氨酸合成碳骨架都来自糖酵解途径的3-磷酸甘油酸。,丝氨酸,甘氨酸,半胱氨酸,这三种氨基酸是丝氨酸族氨基酸。,3、组氨酸的合成起始物是磷酸核糖焦磷酸(PRPP),PRPP,ATP,磷酸核糖ATP,Gln,Glu,咪唑磷酸甘油,组氨酸,4、丙氨酸的合成可由丙酮酸通过转氨作用从谷氨酸获得氨基生成。,某些细菌可通过L-丙氨酸脱氢酶催化丙酮酸还原氨基化生成丙氨酸。,非必需氨基酸的生物合成,谷氨酰胺,天冬酰胺,三、人体必需氨基酸的生物合成,1、苏氨酸、赖氨酸和蛋氨酸合成在植物、细菌中，苏氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、赖氨酸都是由天冬氨酸衍生出来的，因些称这些为天冬氨酸族氨基酸。,苏氨酸、赖氨酸和蛋氨酸合成,天冬氨酸,2、芳香族氨基酸合成苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸。由4-磷酸赤藓糖和磷酸烯醇式丙酮酸缩合形成3-脱氧-D-阿拉伯庚酮糖酸-7-磷酸（DAHP）开始。,芳香族氨基酸合成,预苯酸,苯丙氨酸,酪氨酸,邻氨基苯甲酸,色氨酸,合成途径类似，都要通过变位、还原、脱水反应形成相应的酮酸，再经转氨作用，生成相应的氨基酸。,3、缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸合成,缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸合成,乙酰CoA,异丙基苹果酸合酶,各种氨基酸的前体及相互关系,谷氨酸族,天冬氨酸族,丙酮酸族,丝氨酸族,His和芳香族,第五节发酵生产谷氨酸的生化机理,一、谷氨酸生物合成途径二、谷氨酸生产菌具有的生化特点三、环境条件对谷氨酸发酵的影响,一、谷氨酸生物合成途径,葡萄糖,