复旦大学生物化学代谢部分课件-蛋白质降解与氨基酸代谢1

1、蛋白质降解和氨基酸代谢Protein Degradation and Metabolism of Amino Acids一氮循环及生物固氮二蛋白质降解三脱氨基作用四转氨基作用五联合脱氨作用六脱羧作用七氨的去路尿素循环 八. 个别氨基酸代谢 蛋白质的需要量(一)氮平衡 蛋白质的平均含氮量为16%，食物中含氮物绝大部分为蛋白质，因此，测定食物中的含氮量、以及测定尿与粪中的含氮量可以反映人体蛋白质的代谢概况。 1.氮的总平衡 摄入氮=排出氮, 收支平衡 反映正常成人的蛋白质代谢情况。 2.氮的正平衡 摄入氮 排出氮 反应儿童，孕妇及恢复期病人的代谢情况。 3.氮的负平衡 摄入氮排出氮反映饥饿或消耗性

2、疾病患者。(二)生理需要量 中国营养学会推荐成人每日蛋白质需要量是为80 g。(三)蛋白质的营养价值 必需氨基酸：体内需要但自身又不能合成，必须由食物供应的氨基酸。 8种必需氨基酸：甲硫氨酸、色氨酸、赖氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸和苏氨酸（假设来写一两本书）。蛋白质的营养价值1. 必需氨基酸的种类和数量2. 必需氨基酸的比例食物蛋白组织蛋白酶、蛋白质、激素等氨基酸库过剩的氨基酸转氨作用脱氨作用合成新肽、蛋白质等非蛋白质含氮化合物嘌呤、嘧啶、胆碱、肌酸、烟酰胺、卟啉、肾上腺素、甲状腺素、胆汁盐、黑色素等。-酮酸糖或酮体TCAATPH2O + CO2氨的来源及去路尿氨基酸糖或脂氨尿素哺

3、乳动物氨基酸分解总图蛋白质的消化 食物蛋白胃，pepsin作用为小肽小肠，肠trypsin、chymotrypsin作用，变为更小短肽，肠粘膜的dipeptidase、aminopeptidase和胰脏分泌的carboxypeptidase彻底水解为各种AA肠壁细胞肝脏血液组织、细胞。 消化系统及蛋白酶的分泌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 Phe, Trp, Tyr 的羧基端 (Chymotrypsin)胃蛋白酶(Pepsin) Phe, Trp ,Tyr的氨基端氨肽酶(aminopeptidase) 肽的氨基端羧

4、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形成的肽肠激酶(Enterokinase)对胰酶的激活胰蛋白酶原(trypsinogen )胰蛋白酶(trypsin)肠激酶糜蛋白酶原糜蛋白酶羧肽酶原A和B羧肽酶A和B弹性蛋白酶原弹性蛋白酶 胰腺最初分泌出来的各种蛋白酶和肽酶均以无活性的酶原形式存在，胰液中还存在胰蛋白酶抑制剂，能保护胰组织免受蛋白酶的自身消化作用。 小肠粘膜细胞对蛋白质的消化作用胃液：胰液中蛋白酶水解蛋白质产物：1/3氨基酸，2/3寡肽 小肠粘膜细胞的刷状象及泡液中存在寡肽酶，把寡肽水解成氨

5、基酸。多肽的吸收机制过去认为，蛋白质经消化道酶促水解后，主要以氨基酸的形式吸收。近年的研究结果表明，人体吸收蛋白质的主要形式不是以氨基酸的形式吸收的，而是以多肽的形式吸收的，这是人体吸收蛋白质机制的重大突破。科学试验证明，多肽的吸收机制具有十大特点：多肽吸收机制的特点不需消化，直接吸收吸收快速吸收时，多肽体不会被破坏多肽具有100%被人体吸收的特点多肽具有主动吸收的特点多肽具有优先被人体吸收的特点人体对多肽的吸收不需耗费能量和增加消化道，特别是胃肠功能负担的特点多肽在人体表现出载体作用多肽可在人体起运输工具的作用多肽被人体吸收后，可在人体中起信使作用体腔（腹腔）疾病（乳糜泻，Celiac di

6、sease） 消化酶不能分解小麦面粉中的水不溶性蛋白（麦角蛋白，醇溶朊或麸朊，gliadin），先天免疫性障碍造成对小肠黏膜的炎症和萎缩，对肠衬细胞产生不利作用，引起体腔（腹腔）疾病。 急性胰腺炎（Acute Pancteatitis） 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，死亡率为20%，有并发症者可达50%。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。 蛋白质的腐败 I肠道细菌对未被消化的蛋白质及蛋白质的消化产物起的作用称为腐败作用。（一）胺类的生

7、成 细菌蛋白酶 脱羧基蛋白质 氨基酸 胺类 脱羧基 组氨酸 组胺 脱羧基 赖氨酸 尸胺 脱羧基 色氨酸 色胺 脱羧基 酪氨酸 酪胺 脱羧基 笨丙氨酸 苯乙胺 蛋白质的腐败 II(二)氨的生成肠道氨的两个来源1.未被吸收的氨基酸在肠道细菌作用下脱氨基生成.2.血液中尿素深入肠道,受肠菌尿素酶的水解生成氨可被吸收入血液,降低肠道pH,可减少氨的吸收。(三)其它有害物质生成腐败作用还可产生其它有害物质。如:苯酚、吲哚、甲基吲哚、硫化氢，大部分有害物质随粪便排出，只有小部分被吸收经肝代谢解毒，正常情况下不会发生中毒现象。脱氨（基）作用（Deamination） 氨基酸失去氨基的作用，包括：氧化脱氨，动

8、、植物中普遍存在；非氧化脱氨，微生物中，不普遍。氨基酸的脱氨基作用由氨基酸氧化酶催化。动物的脱氨主要发生在肝脏中。 脱氨（基）作用 AA oxidase 2 AA + O22 Ketoacid + 2 NH3氧化脱氨氨基酸的氧化脱氨由氨基酸氧化酶催化，酶是一种黄素蛋白:1L-aa oxidase，分布不广、活力低，一类以FAD为辅基、另一类以FMN为辅基（人和动物）。对Gly; L-Ser, L-Thr; L-Glu, L-Asp; Lys, Arg, Ornithine（鸟氨酸）无作用。2D-aa oxidase，以FAD为辅基，分布广，但作用不大。3氧化专一aa的酶。氧化专一氨基酸的酶Gl

9、y Oxidase：Gly+1/2O2Glyoxylate+NH3Asp Oxidase：Asp+1/2O2Oxaloacetate+NH3L-谷氨酸脱氢酶L-Glu Dehydrogenase L-Glu dHE L-Glu+NAD(P)+ -ketoglutarate+NH3+NAD(P)H+H+味精生产发酵菌的L-Glu dHE活力非常高，利用糖代谢的中间产物-ketoglutarate发酵生产味精，NADPH来自于异柠檬酸脱氢。 L-Glu dHEL-Glu dHE的调节转氨(基)作用（Transamination）Transaminase催化，一个L-aa的-NH2转移到一个-酮酸上

10、使之变成相应的-aa，自身转变为相对应的-酮酸。酶均以磷酸吡哆醛为辅基。Lys, Arg, Thr, Pro不能通过转氨酶转氨。 GPT Glu + Py Ala + -ketoglutaric acid GOT Glu + oxaloacetate Asp+-ketoglutaric acid 转氨作用（Transamination)转氨基作用L-Glu dHE磷酸吡哆醛参与氨基向酮基的转移 所有的氨基转移酶都是一个共同的辅基和作用机理，辅基是磷酸吡哆醛PLP。PLP作为转氨酶活性位点的氨基中间载体起作用，在磷酸吡哆醛的受氨形式与磷酸吡哆胺的供氨形式间进行可逆转换。PLP通常共价结合到酶的活

11、性位点（与酶的Lys的-氨基结合）。 PLP参与氨基酸、和碳原子的多种反应，碳原子上的反应包括转氨作用、脱羧作用及外消旋作用，PLP在这些反应中承担同样的作用。与碳原子连接的一个键被打断， 碳上保留一个氢或一个羧基、一个自由电子对。这种负碳离子中间物极不稳定，PLP通过提供一个高度结合的结合来起稳定作用并允许负电荷离开。维生素B6PLP，氨基酸转氨酶的辅基PLP，与天冬氨酸氨基转移酶二聚体酶的一个或两个活性位点结合PLP活性位点特写：PLP红色（带有黄色的磷酸）与酶的Lys258 （紫色）以酰胺键相连另一个活性位点特写：PLP与底物类似物2-甲基天冬氨酸（绿色）通过Schiff base相连。

12、转氨作用反应机理醛亚胺类醌中间物酮亚胺一些氨基酸-碳原子上的转化受到磷酸吡哆醛的促进转氨外消旋脱羧联合脱氨作用（United Deamination）氨基酸脱氨通过转氨作用和L-Glu dHE催化的L-Glu氧化脱氨作用联合完成。弥补L-aa oxidase分布少、活力低的缺陷。广泛存在，但并不是所有组织细胞的主要脱氨方式。通过转氨和脱氢酶联合脱氨（United Deamination)通过嘌呤核苷酸循环联合脱氨（United Deamination） 嘌呤核苷酸循环的联合脱氨作用，次黄嘌呤核苷一磷酸(IMP)与Asp形成腺苷酸代琥珀酸(adenylosuccinate)，再经裂合酶分解产生A

13、MP和延胡索酸，AMP在腺苷酸脱氨酶作用下生成NH3和IMP。骨骼肌、心肌、肝脏及脑中主要的脱氨方式。通过嘌呤核苷酸循环脱氨延胡索酸苹果酸IMPAMP脱氨酶裂解酶脱酰胺作用glutaminaseasparaginase血氨的来源 氨基酸脱氨基作用产生的氨是血氨的主要来源, 胺类的分解也可以产生氨； RCH2NH2RCHO + NH3胺氧化酶 肠道吸收的氨；氨基酸在肠道细菌作用下产生的氨尿素经肠道细菌尿素酶水解产生的氨 肾小管上皮细胞分泌的氨主要来自谷氨酰胺 谷氨酰胺谷氨酸 + NH3谷氨酰胺酶血氨的去路 在肝内合成尿素，是最主要的去路 合成非必需氨基酸及其它含氮化合物 合成谷氨酰胺谷氨酸 +

14、NH3谷氨酰胺谷氨酰胺合成酶ATPADP+Pi 肾小管泌氨分泌的NH3在酸性条件下生成NH4+，随尿排出。血氨升高的原因（l）氨清除不足：鸟氨酸循环障碍 （2）氨的产生过多： 上消化道出血蛋白质在肠道内细菌作用下产氨。 肝硬化(门静脉血流受阻、胆汁分泌） 细菌分解蛋白质产氨。 肝肾综合征氮质血症(azotemia)胃肠道的尿素 肠内细菌尿素酶作用产氨。 肌肉中腺苷酸分解肌肉收缩 血氨（3）肠道pH的影响：pH, NH3NH4+；pH, NH4+NH3脱羧(基)作用（Decarboxylation） Decarboxylase催化生成相应的一级胺，放出CO2，反应需要磷酸吡哆醛，作用专一性很高，

15、一般一种氨基酸只有一种脱羧酶，且只对L-型氨基酸起作用，只有His脱羧酶不需要辅酶。His histamine（降血压、刺激胃酸分泌） Tyr tyramine(升高血压）Glu -氨基丁酸（神经介质,强神经抑制性氨基酸，具有镇静、催眠、抗惊厥、降血压等。 ）脱羧作用氨的转运-通过Gln带到肝脏主要是通过Gln，多数动物细胞有Gln synthetase，催化 NH3+Glu+ATPGln+ADP+Pi。Gln运送到肝脏或肾脏，谷氨酰胺酶（glutaminase）催化其水解，释放NH4+。 谷氨酰胺在血液中转移氨氨的转运-Glc-Ala循环肌肉中利用Ala将氨运送到肝脏，即Glc-Ala Cy

16、cle，循环中氨在Glu dHE作用下转变为Glu，进一步在GPT的作用下把氨转移给Py生成Ala，Ala随血液运送到肝脏，在肝脏GPT作用下转回到Py和Glu。肌肉中Py由糖酵解提供，肝脏中的Py可异生为Glc。 葡萄糖-丙氨酸循环Ala-Glc循环氨的排泄1. 排氨，氨经Gln运送到排泄部位（如鱼鳃），Gln酶裂解出游离氨借助扩散运动排出体外。2.排尿素尿素（鸟氨酸）循环。3.排尿酸，爬虫类和鸟类以尿酸作为氨的主要排泄形式（灵长类、鸟类和陆生爬虫类嘌呤代谢的产物也是尿酸）。4.自然界还有许多其他排氨方式，蜘蛛以鸟嘌呤作为氨基氮的排泄方式；许多鱼类以氧化三甲胺排氮；高等植物则以Gln和Asn

17、的形式把氨基氮储存于体内。生成Gln解除氨氨的去路尿素循环（Urea Cycle, 鸟氨酸循环） Hans Krebs, Kurt Henseleit1932发现，氨基酸代谢产生的氨在肝脏中代谢为尿素解毒，必须有精氨酸酶Arginase，水解精氨酸为尿素而实现在肝脏中解除氨的毒性，被称为尿素循环鸟氨酸循环或Krebs-Henseleit Cycle。氨进入尿素循环的反应尿素循环简图 Enzymes: 1: carbamoyl phosphate synthetase-I (CPS-I) 2: ornithine transcarbamoylase (OTC) 3: argininosuccin

18、ate synthetase 4: argininosuccinase 5: arginase氨甲酰磷酸的合成氨甲酰磷酸合成酶I催化的反应碳磷酸酐氨甲酸氨甲酰磷酸尿素循环的遗传缺陷危及生命 任何尿素循环酶遗传缺陷的人都不能耐受蛋白质丰富的食物，超过蛋白质合成需要的过多的氨基酸在肝中脱氨，产生的氨不能被转化为尿素而进入血液引起氨的毒性。人类不能离开无蛋白质的食物生存，我们不能合成20种氨基酸中近一半的氨基酸，必须由食物中获得。 尿素循环缺陷的个体治疗，服食含芳香酸苯甲酸或苯乙酸的食物可以降低血浆中氨的水平。氨甲酰磷酸合成酶缺失的治疗N-苯甲酰基甘氨酸，马尿酸其他治疗方法 其他治疗更为特异，要针对

19、缺陷的个别酶，如N-乙酰谷氨酸合成酶缺陷，因而缺乏氨甲酰磷酸合成酶I的激活剂，用N-乙酰谷氨酸的类似物氨甲酰谷氨酸治疗，可以激活氨甲酰磷酸合成酶I的活性。食物中添加Arg也是一种有效的治疗鸟氨酸转氨甲酰酶、精氨琥珀酸合成酶及精氨琥珀酸裂解酶缺陷的手段。 所有这些治疗手段必须伴随严格的食物控制和补充必须氨基酸。在极少可能的精氨酸酶缺陷时，补充的精氨酸必须排除在外。瓜氨酸合成精氨琥珀酸合成Arg的合成尿素生成Arg裂解生成尿素柠檬酸循环和尿素循环相连接 精氨酸裂解酶生成的延胡索酸也是TCA的中间产物，原则上说，两个循环是相互连接的。然而两个循环可以独立进行，也可以相互连接，取决于线粒体和细胞质间关

20、键中间物的运输。TCA的几个酶，包括延胡索酸酶和苹果酸脱氢酶在细胞质中也有同工酶存在。细胞质精氨酸合成中生成的延胡索酸可以被转化为苹果酸，草酰乙酸。这些中间物可以进一步在胞质中被代谢或运输到线粒体中参与TCA循环。线粒体中生产的Asp可被运输到胞质作为氮供体参与尿素循环。尿素循环与TCA尿素循环与TCA的连接尿素循环的活性在两个水平被调节 通过尿素循环的氮流量因生物体的食物而不同，以蛋白质为主要食物，碳架作为“燃料”，产生更多的尿素。过分饥饿时肌肉分解蛋白质供能，尿素产生也多。 尿素循环的五个酶在饥饿的动物和高蛋白质食物动物肝脏的合成速率更高，尿素产生多，缺乏蛋白质食物的动物的尿素循环活性低。

21、 关键酶氨甲酰磷酸合成酶I被N-乙酰谷氨酸变构激活。N-乙酰谷氨酸的合成及对氨甲酰磷酸合成酶I的激活。N-乙酰谷氨酸合成酶是植物及微生物中精氨酸由谷氨酸全程合成的第一步反应的催化酶。然而哺乳动物的肝脏中存在此酶的活性，但缺乏其他转化Glu合成Arg的酶。因此用N-乙酰谷氨酸激活哺乳动物尿素循环的第一步反应是高深莫测的。高血氨症与氨中毒血氨氨基酸脱氨肠道吸收肾小管分泌合成尿素合成合成氨基酸等 含氮化合物铵盐生成排出合成谷氨酰胺高血氨症与肝昏迷氨中毒尿素脲酶高血氨症和氨中毒血氨浓度 高血氨症常见原因：肝功能严重损害、尿素合成的酶缺陷肝昏迷氨中毒的机理：肝损害解氨毒血NH3NH3- 酮戊二酸GluG

22、lnATP脑功能障碍NH3血脑屏障血液脑组织肝昏迷（Hepatic coma） 肝脏病变不能解除AA代谢产生的氨的毒性，一般通过在脑中与Glu形成Gln实现解毒，Glu用于解毒，须消耗TCA的中间产物-酮戊二酸而导致TCA中间产物的流失，阻滞TCA的进行，影响脑中能量代谢，造成昏迷肝昏迷。 氨对脑组织的毒性作用（1）干扰脑组织的能量代谢ATP（2）使脑内神经递质发生改变兴奋性神经递质（谷氨酸、乙酸胆碱）抑制性神经递质（-氨基丁酸、谷氨酰胺）（3）氨对神经细胞膜的抑制作用氨干扰神经细胞膜上的Na+、K+-ATP酶的活性氨基酸转化为糖或脂类物质氨基酸的分解分类生糖氨基酸（Glycogenic AA

23、），分解产物为糖代谢的中间物（除乙酰CoA），如Py, Oxaloacetate, -Ketoglutaric acid, Fumarate 等。15AAs。生酮氨基酸（Ketogenic AA），分解产物为Acetyl CoA, 或Acetoacetate。Leu。生糖生酮氨基酸，Ile, Lys, Phe, Tyr。 生糖生酮氨基酸总图氨基酸转变成糖类或脂类co2co2ketonebodiesAsp Asnglycerolglucosetriose-pfat acidTGPhe TyrLeu Lys PheTyr TrpArg Gln His ProIie Met Ser Thr ValIle Leu TrpAla Cys GlySer Thr TrpPEPpyruvateGluacetoacetyl-CoAacetyl-CoAcitrate-ketoglutaratesuccinyl-CoAfumarateoxaloacetate氨基酸碳架的氧化途径人体10-15%的能量可来自于氨基酸的氧化分解，氨基酸的碳架以5种产物形式进入TCA（分别为Py or Acetyl CoA, -Ketoglutaric acid, Succinyl CoA, Fumarate, Oxaloacetate）彻底氧化为H2O和CO