氨基酸的生物合成水解蛋白质的酶

氨基酸的生物合成水解蛋白质的酶1.水解蛋白质的酶肽酶(Peptidase)作用位点为多肽链的末端氨基酸残基，作用结果是产生游离氨基酸。包括：羧肽酶：水解多肽链的羧基端氨基酸残基。氨肽酶：水解多肽链的氨基端氨基酸残基。蛋白酶（Protease）主要指蛋白内切酶，即特异性水解多肽链内部特异肽键的酶。结果是形成多个小的多肽链。19.1蛋白质的降解（①②Phe.Tyr.Trp）（④Arg.Lys）（③脂肪族）（①Phe.Trp）消化道内几种蛋白酶的专一性真核细胞中蛋白质的降解途径：不依赖ATP的降解途径:在溶酶体中进行，没有选择性，主要降解细胞通过胞吞作用摄取的外源蛋白、膜蛋白及长寿命的细胞内蛋白。（蛋白酶的pH偏低，5左右）依赖ATP和泛素的降解途径:在细胞质中进行，为选择性降解，主要降解异常蛋白和短寿命蛋白质（调节蛋白），此途径在不含溶酶体的红细胞中尤为重要。2.细胞内蛋白质降解的机制泛素(ubiquitin)是一种小分子蛋白质，76个氨基酸残基，分子量8.5KD，普遍存在于真核细胞中。一级结构高度保守，酵母与人只相差3个氨基酸残基，它能与被降解的蛋白质共价结合，使后者活化，更易于被蛋白酶降解。蛋白质是否被泛素结合而选择性降解与该蛋白N端的氨基酸残基有关，N端为Asp、Arg、Leu、Lys、Phe时，蛋白质的半寿期为2-3分钟。泛素化的蛋白质在ATP参与下被蛋白酶水解。泛素-蛋白酶体途径排除异常蛋白质翻译出错的蛋白质错误折叠的蛋白质排除积累过多的酶或调节蛋白3.细胞内蛋白质降解的生理意义人和动物体内游离的氨基酸很少，主要以蛋白质的形式存在，氨基酸是蛋白质的构件分子。人和动物一方面从食物中摄取蛋白质，在消化道内被多种蛋白酶水解成氨基酸，经小肠吸收，进入血液；另一方面，体内的蛋白质也不断地降解成氨基酸。这些分布于血液和各个组织内的全部游离氨基酸称为氨基酸代谢库。氨基酸降解包括脱氨基作用和脱羧基作用。19.2氨基酸的分解代谢氨基酸代谢库氨基酸失去氨基的作用叫脱氨基作用。脱氨基作用包括：氧化脱氨基作用非氧化脱氨基作用脱酰胺作用转氨基作用联合脱氨基作用氨基酸脱氨基作用-氨基酸在酶的作用下，氧化生成-酮酸，同时消耗氧并产生氨的过程。氧化脱氨基的反应过程包括脱氢和水解两步，脱氢反应需酶催化，而水解反应则不需酶的催化。R-CH-COOHNH2

2H

R-C-COOH+NH3

OH2OR-C-COOHNH

酶1.氧化脱氨基作用氨基酸氧化酶的种类：L-氨基酸氧化酶：催化L-AA氧化脱氨，体内分布不广泛，最适pH10左右，以FAD或FMN为辅基。D-氨基酸氧化酶：体内分布广泛，以FAD为辅基。但体内D-AA不多。L-谷氨酸脱氢酶：专一性强，分布广泛（动、植、微生物），活力强，以NAD+或NADP+为辅酶。反应通式：HNH2R-C-COOH--+O2+H2OR-C-COOH+H++NH3AA氧化酶O还原脱氨基、脱水脱氨基、水解脱氨基、脱硫氢基脱氨基等。例：脱水脱氨基（只适于含一个羟基的AA)L-Ser

CH2

COO-

C-NH3+=-

CH3

COO-

C=NH2+--

COOH

CH2OHNH2-C-H--

COOH

CH3

C=O--丝氨酸脱水酶丙酮酸-H2O+H2Oα-氨基丙烯酸亚氨基丙酸NH3+2.非氧化脱氨基作用上述两种酶广泛存在于微生物、动物、植物中，有相当高的专一性。CH2-CONH2CH2-CHNH3+COO---+H2OCH2-COO-CH2-CHNH3+COO---+NH3谷氨酰胺酶CH2-CONH2CHNH3+COO---+H2O天冬酰胺酶CH2-COO-CHNH3+COO---+NH33.脱酰胺作用指α-AA和酮酸之间氨基的转移作用，α-AA的α-氨基借助转氨酶的催化作用转移到酮酸的酮基上，结果原来的AA生成相应的酮酸，而原来的酮酸则形成相应的AA。转氨基作用可以在各种氨基酸与-酮酸之间普遍进行。除Lys，Pro外，均可参加转氨基作用。4.转氨基作用迄今发现的转氨酶都是以磷酸吡哆醛(胺)为辅基。Glu＋丙酮酸ａ－酮戊二酸＋Ala

Glu＋草酰乙酸ＧＯＴａ－酮戊二酸＋Asp谷丙转氨酶：GlutamicPyruvicTransaminase(GPT)

（丙氨酸转氨酶AlanineTransaminase,ALT)在肝脏中活性最高，主要分布在细胞质中，血清中GPT的水平常用作肝炎诊断的指标之一。谷草转氨酶：GlutamicOxaloaceticTransaminase(GOT)(天冬氨酸转氨酶AspartateTransaminase,AST)在很多组织中活性都很高，存在于线粒体和细胞质中，血清中GOT的水平常用作心肌梗死诊断的指标之一。正常成人组织中GOT及GPT活性－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

组织

ＧＯＴ

ＧＰＴ

（单位／ｇ湿组织）（单位／ｇ湿组织）－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－心1560007100

骼肌990004800肾9100019000胰腺280002000脾140001200肺10000700血清

216－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－由于转氨基作用不能最后脱掉氨基，氧化脱氨中只有谷氨酸脱氢酶活力高，转氨基作用与氧化脱氨基作用联合在一起才能迅速脱氨，这种作用就称为联合脱氨基作用。转氨酶氨基酸-酮酸谷氨酸脱氢酶NH3+NAD(P)H+H+H2O+NAD(P)+

-酮戊二酸谷氨酸5.联合脱氨基作用（动物组织采取的主要方式）由氨基酸脱羧酶(decarboxyase)催化，辅酶为磷酸吡哆醛，产物为CO2和胺。所产生的胺可由胺氧化酶氧化为醛、酸，酸可由尿液排出，也可再氧化为CO2和水。氨基酸脱羧酶氨基酸胺类RCH2NH2+CO2磷酸吡哆醛氨基酸的脱羧基作用1.体内氨的来源与去向NH3氨基酸脱氨基作用肠道蛋白质的腐败(NH4+)谷氨酰胺（肾）尿素合成谷氨酰胺合成核苷酸、非必需氨基酸NH4

尿+氨基酸脱氨基反应产物的代谢去向氨在血液中的转运形式：Gln和Ala大多数组织利用谷胺酰胺合成酶将氨整合到Glu，转化为无毒的Gln，经血液运到肝脏后再经谷氨酰胺酶水解生成Glu和氨。2）氨的转运大多数组织肝脏肌肉组织利用葡萄糖－Ala循环将氨转运到肝脏：Glu与丙酮酸经转氨生成Ala和α-酮戊二酸。Ala经血液运到肝脏后再经转氨重新生成Glu和丙酮酸，Glu在谷氨酸脱氢酶催化下生成NH3和α-酮戊二酸。肝脏中丙酮酸经糖异生生成葡萄糖，经血液又转运回肌肉作为肌肉的能源。通过葡萄糖－Ala循环，肌肉既排除了有毒的氨，又将丙酮酸转运到肝脏用于糖异生。葡萄糖－丙氨酸循环氨的转运3）氨的去向排尿酸动物：鸟类、爬行动物排氨动物：大多数水生脊椎动物，如硬骨鱼和两栖动物的幼体排尿素动物：大多数陆地脊椎动物由于氨能渗透许多生物膜，对细胞来说氨是毒性很强的物质，通常细胞内氨的浓度都维持在很低的水平：许多水生动物，如鱼，可以通过鳃组织的细胞膜直接排氨；鸟和许多爬行动物可以将过量的氨转化为尿酸排泄掉，尿酸也是鸟、爬行动物和灵长类动物嘌呤核苷酸降解的产物；陆地上的大多数脊椎动物可以在肝脏中经尿素循环途径将氨转化为毒性很小的尿素，经血液转运到肾脏后作为尿的主要成分排泄掉。也称为鸟氨酸循环，是排尿动物体内由氨合成尿素的过程，由HansKrebs和KurtHenseleit于1932年提出，合成部位主要是肝脏。催化这些反应的酶存在于细胞质和线粒体中。Krebs先后发现了：柠檬酸循环乙醛酸循环尿素循环尿素循环：氨甲酰磷酸的合成：线粒体尿素循环的准备阶段瓜氨酸的合成：线粒体精氨琥珀酸的合成：细胞质精氨酸的合成：细胞质尿素的生成：细胞质尿素NH2-C-NH2O尿素循环包括5步反应：尿素循环（1）氨甲酰磷酸的合成在肝细胞线粒体内，氨甲酰磷酸合成酶I

（CPSI）催化氨、CO2（以HCO3－形式存在）和ATP合成氨甲酰磷酸。反应中先由HCO3－与ATP的γ-磷酸形成羰酰磷酸，然后氨取代磷酸形成氨甲酸，最后通过第二个ATP分子的γ-磷酸转移形成氨甲酰磷酸。（2）尿素循环①真正尿素循环第一个反应发生在线粒体内，在鸟氨酸转氨甲酰酶的催化下，氨甲酰磷酸的氨甲酰基被转移到鸟氨酸分子上，形成瓜氨酸。②瓜氨酸进入细胞质，在精氨琥珀酸合成酶催化下与Asp缩合形成精氨琥珀酸，需要1个ATP（相当于消耗2ATP）。通过这步反应，将用于尿素合成的第二个氮原子整合到了尿素的前体分子中。此步反应为尿素循环的限速步骤。③在精氨琥珀酸裂解酶（也称为精氨琥珀酸酶）催化下，精氨琥珀酸裂解为Arg和延胡索酸，生成的延胡索酸可进入柠檬酸循环，或转换为葡萄糖。④精氨酸酶催化Arg水解生成鸟氨酸和尿素，生成的鸟氨酸又被转运到线粒体内，与氨甲酰磷酸缩合反应开始另一轮尿素循环。反

应酶发生在线粒体的2步反应：HCO3－＋NH3＋2ATP→氨甲酰磷酸＋2ADP＋Pi氨甲酰磷酸＋鸟氨酸→瓜氨酸＋Pi氨甲酰磷酸合成酶

I鸟氨酸转氨甲酰酶发生在细胞质中的3步反应：

瓜氨酸＋天冬氨酸＋ATP→精氨琥珀酸＋AMP＋PPi精氨琥珀酸→精氨酸＋延胡索酸

精氨酸+H2O→鸟氨酸＋尿素精氨琥珀酸合成酶精氨琥珀酸裂解酶精氨酸酶尿素循环反应生成1分子尿素共消耗4个ATP：生成氨甲酰磷酸时消耗了2个ATP在合成精氨琥珀酸时消耗了1个ATP分子，生成了AMP和焦磷酸，相当于消耗了2个ATP。尿素中的两个氮原子前体是氨和Asp，尿素中碳原子来自于CO2（以HCO3－），尿素合成的总反应：

NH3＋HCO3－＋天冬氨酸＋3ATP

尿素＋延胡索酸＋2ADP＋2Pi

＋AMP＋Ppi精氨琥珀酸合成酶是尿素循环的限速酶。尿素循环的特点：从尿素循环可以看出，形成1分子尿素可清除2分子氨和1分子CO2。尿素是中性无毒物质，它不仅可消除氨的毒性，还可减少CO2溶于血液所产生的酸性。参与尿素循环的任何酶存在遗传缺陷的人都不能耐受高蛋白食物，除了必需最低氨基酸摄入量之外，多余的蛋白质脱下的氨释放到血液中，会导致高血氨症。脑对高氨浓度敏感，能造成智力障碍。AA分解产生的7种产物可进入TCA循环，进行彻底的氧化分解：丙酮酸、乙酰CoA、乙酰乙酰CoA、-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸再合成AA氨基酸碳骨架的降解氨基酸作为燃料，主要指的是氨基酸的碳骨架。人需要的10～15％能量来自于氨基酸降解：氨基酸被降解为7种常见的代谢物1)转变成糖和脂肪的氨基酸生糖AA：指能生成丙酮酸、琥珀酰CoA、草酰乙酸和-酮戊二酸的AA

AlaSerCysThrGlyAspAsnArgHisGluGlnProMetVal2)转变成酮体的氨基酸生酮AA：能生成乙酰CoA和乙酰乙酰CoA的AALeuLys:在动物肝脏中3)既能生成糖又生成酮的氨基酸Ile、Phe、Tyr和TrpPhe在苯丙氨酸羟化酶作用下转化为Tyr，经转氨、脱羧、氧化开环、异构和水化等过程生成乙酰乙酸和延胡索酸。延胡索酸可以通过糖异生转化为葡萄糖，乙酰乙酸为酮体。转氨氧化开环脱羧水化异构例：Phe和Tyr降解当缺少苯丙氨酸羟化酶时，只得经转氨生成苯丙酮酸，但苯丙酮酸不能在体内进一步代谢，造成苯丙酮酸堆积，导致病人尿中排出大量的苯丙酮酸，称为苯酮尿症。苯丙酮酸堆积，对神经有毒害，会导致智力发育障碍。缺乏尿黑酸双加氧酶会造成尿黑酸大量堆积，随尿排出，尿液在空气中放置时尿黑酸被氧化，尿液逐渐变黑，称为尿黑酸症。患有尿黑酸症的遗传缺陷个体会患关节炎，但不致于有生命危险。另外，黑色素是Tyr降解过程的中间产物，如缺乏酪氨酸酶，黑色素生成减少，头发、皮肤会变白，称为白化病。患者怕光，眼睛缺少色素。A：Tyr代谢与黑色素的形成B：Tyr形成多巴、多巴胺、去甲肾上腺素和肾上腺素的途径AB氮循环：N2在氮氧化物、氨、含氮的生物分子之间的生物循环和返回到N2的过程。19.3氨基酸的生物合成生物体将无机态的氨转化为含氮有机化合物的过程，称为氨的同化。1.生物体中氨的来源：生物固氮硝酸还原生成：植物体中的氮源食物来源的氮：人和动物的N源植物直接吸收氨NO3-NO2-NH3AA其它含氮化合物氨的同化某些微生物和藻类通过体内固氮酶系的作用将分子氮转变成氨的过程，称为生物固氮。固氮酶存在于和大豆、蚕豆、豌豆、苜蓿和红花草等豆科植物根瘤细胞共生的根瘤菌中。豆科植物根瘤蓝细菌1）生物固氮大豆根瘤切片的电子显微镜图固氮根瘤菌（红色），外周包被菌膜（篮）固氮酶由两种蛋白组成，一个是含有铁的铁蛋白，另一个是含有铁和钼的铁钼蛋白。两个金属蛋白对O2高度敏感，与氧接触就会失活，在固氮生物内，固氮酶都是与氧隔绝的。厌氧固氮菌只有在无氧条件下才能进行固氮，在豆科的根瘤内，豆血红蛋白可以结合氧，在固氮酶直接作用的环境下使氧浓度保持在非常低的水平。固氮酶催化N2还原生成NH3N2

＋8H＋

+8e－＋16ATP→2NH3

＋H2

＋16ADP＋16Pi在固氮酶的作用下，1分子N2可被还原为2分子NH3，同时2H＋也被还原为H2：在闪电时，高压放电催化N2的氧化，N2与大气中的O2反应生成生物可利用的硝酸盐（NO3－）和亚硝酸盐（NO2－），随雨水进入土壤。大多数植物和微生物含有硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶。硝酸盐还原酶可以使硝酸盐还原为亚硝酸盐：2）硝酸还原生成氨在亚硝酸盐还原酶的催化下，亚硝酸盐被还原为NH3：某些细菌可以将氨转化为亚硝酸盐，另外一些细菌可以将亚硝酸盐转化为硝酸盐。硝酸盐的形成称为硝化作用（Nitrification）。还有一些细菌可以将硝酸盐转换为亚硝酸盐或N2，称为去硝化作用(Denitrification)。NO2-NH3亚硝酸盐还原酶氨同化主要通过Glu、Gln合成途径和氨甲酰磷酸合成途径来实现：1）Glu和Gln合成途径：氨的pK值为，在中性水溶液中，氨主要是以氨离子（NH4＋）形式存在。在植物和动物中，在谷氨酸脱氢酶催化下使α-酮戊二酸结合氨形成Glu（细菌中氨同化的主要途径）。2.氨的同化谷氨酰胺合成酶催化Glu和氨形成Gln：高等植物中氨同化的主要途径，Gln可做为NH3的供体进行NH3的转移。原核生物可利用谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶所催化的偶联反应将氨整合到Glu中，再将其用于其他代谢途径。微生物和动物氨同化的主要途径原料：NH3CO2ATP可通过两种酶催化：（1）氨甲酰激酶NH3+CO2+ATPMg2+

O

H2N-C-OPO3H2+ADP=氨甲酰磷酸（2）氨甲酰磷酸合成酶NH3+CO2+2ATPMg2+辅因子

O

H2N-C-OPO3H2+2ADP+Pi=2）氨甲酰磷酸合成途径：主要通过转氨基作用许多氨基酸可以作为氨基的供体，其中最主要的是Glu，其被称为氨基的“转换站”。AA-R1α-酮酸R1转氨酶AA-R2α-酮酸R2氨基酸的合成C骨架（α-酮酸）AA提供氨基(最主要为谷氨酸)氨基酸的生物合成按照生物合成途径将氨基酸分为六组：Glu组、Ser组、丙酮酸组、Asp组、芳香类组和His组。包括Glu、Gln、Pro、Arg、Hyp五种氨基酸共同碳架：TCA中的α-酮戊二酸由α-酮戊二酸转化为Glu，为还原同化作用几种氨基酸的关系：α-酮戊二酸GluGlnProHyp鸟AA瓜AAArg1.Glu组氨基酸的合成包括Gly、Ser、CysGly碳架：光呼吸乙醇酸途径中的乙醛酸三种氨基酸的关系：乙醛酸GlySerCys3-磷酸甘油酸2.Ser组氨基酸的合成包括Asp、Asn、Lys、Thr、Met、Ile六种氨基酸共同碳架：TCA循环中的草酰乙酸几种氨基酸的关系：3.Asp组氨基酸的合成包括Ala、Val、Leu共同碳架：糖酵解中的丙酮酸几种氨基酸的关系：2丙酮酸α-酮异戊酸

缩合CO2转氨基Valα-酮异己酸