第30章 蛋白质降解和氨基酸分解代谢

第30章蛋白质降解和氨基酸分解代谢第一页，共87页。一、蛋白质的降解第二页，共87页。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、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第三页，共87页。(一)机体对食物中蛋白质的需求、消化与吸收第四页，共87页。回顾：蛋白质的生理功能组织细胞重要的组成成分，维持组织、细胞的生长，更新和修补组织参与多种重要的生理活动(如酶、激素)氧化供能（17.9KJ/g蛋白质）氨基酸为含氮化合物的合成提供氮源可转化为糖和脂肪等第五页，共87页。氮平衡*总氮平衡：摄入氮=排出氮即蛋白质分解与合成处于平衡，如成人*正氮平衡：摄入氮>排出氮即蛋白质合成量多于分解量，如儿童、孕妇*负氮平衡：摄入氮<排出氮

即蛋白质分解量多于合成量，如饥饿、消耗性疾病

食物摄入氮-(尿氮+粪氮)可反映体内蛋白质合成与分解的动态关系蛋白质的需求第六页，共87页。外源蛋白质的消化和吸收第七页，共87页。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形成的肽第八页，共87页。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。第九页，共87页。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：第十页，共87页。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第十一页，共87页。(二)细胞内蛋白质的降解第十二页，共87页。蛋白质的降解每天都有一定量的细胞内蛋白被降解：—被异常修饰的非正常蛋白、突变蛋白—需及时灭活的具调节活性的蛋白（如关键酶）蛋白降解加速—食物蛋白供应充足或过量—饥饿或糖尿病时无法获得充足的糖做燃料第十三页，共87页。蛋白质降解的反应机制1、溶酶体（lysosome）单层膜结构，含有约50种水解酶，它与吞噬泡及细胞内产生的一些自噬泡融合，然后将摄取的各种蛋白质全部降解，对被降解的蛋白质没有选择性。第十四页，共87页。2、蛋白酶体

蛋白酶体是一个大的寡聚体结构，有一个中空的腔，蛋白质降解就发生在这个腔中。真核细胞含有两种蛋白酶体：20S和26S蛋白酶体。被降解的蛋白质在进入蛋白酶体降解之前，需要被泛肽标记。26S蛋白酶体第十五页，共87页。泛素识别机制过期蛋白质泛素复合体溶酶体氨基酸泛素细胞如何选择降解“过期蛋白”，而不影响细胞的正常功能？第十六页，共87页。泛肽依赖性蛋白降解途径

泛肽依赖性蛋白降解途径(Ubiquitin-dependentproteolyticpathway)是目前已知的最重要的，有高度选择性的蛋白质降解途径。它通过调节功能蛋白质的周转(turnover)或降解不正常蛋白，实现对多种代谢过程的调节。第十七页，共87页。第十八页，共87页。泛素

泛素（ubiquitin）又名泛肽，它是一个由76个氨基酸残基组成的小蛋白质。它通过C端Gly的羧基与被降解的蛋白质的氨基共价结合（如结合在Lys的ε氨基上），这是一个需要消耗ATP的反应。这样给被降解的蛋白质作了一个标记，随后将标记了的靶蛋白质引入蛋白酶体中降解。一般有多个串联的泛肽连接到一个靶蛋白上，形成多泛肽链，后面的每一个泛肽的C端羧基连接到前一个泛肽的Lys48的ε氨基上。第十九页，共87页。催化泛肽与靶蛋白连接的酶

使泛肽与靶蛋白质连接涉及到3种酶E1：泛肽活化酶（ubiquitin-activatingenzyme）E2：泛肽载体蛋白（ubiquitin-carrierprotein）E3：泛肽-蛋白质连接酶（ubiquitin-proteinligase）

第二十页，共87页。①泛肽的活化泛肽活化酶泛肽C端的羧基与E1巯基以硫酯键相偶联第二十一页，共87页。②泛肽的转移泛肽载体蛋白泛肽从E1转移到E2上第二十二页，共87页。③泛肽与靶蛋白连接泛肽-蛋白质连接酶E3首先与靶蛋白结合形成复合物，然后催化泛素C端Gly的羧基与靶蛋白上的一个Lys的ε-氨基形成一个异肽键。第二十三页，共87页。泛肽蛋白质连接酶

E3是一个蛋白质家族，根据它们识别靶蛋白质特异性位点的不同，可将它们可分为3种识别类型：类型Ⅰ识别N末端为碱性氨基酸的蛋白质，如Arg、Lys或His；类型Ⅱ识别N末端为大疏水基团氨基酸的蛋白质，如Phe、Tyr、Trp或Leu；类型Ⅲ识别肽链中间的特异序列。

以酸性氨基酸为N末端的蛋白质的降解需要tRNA参与，将Arg-tRNA的Arg转移到酸性蛋白质的N末端，使之转变成碱性N末端，然后与泛肽连接。第二十四页，共87页。RelationshipbetweenProtein

Half-LifeandAmino-TerminalAminoAcidResidueAmino-terminalresidueHalf-lifeStabilizingMet,Gly,Ala,Ser,Thr,Val>20hDestabilizingIle,Gln~30minTyr,Glu~10minPro~7minLeu,Phe,Asp,Lys~3minArg~2min第二十五页，共87页。依赖于ATP的泛素降解途径第二十六页，共87页。被泛肽介导降解蛋白质的特点

大多数具有敏感N末端氨基酸残基的蛋白质不是正常的细胞内蛋白质，而很可能是分泌性蛋白质，这些蛋白质通过信号肽酶的作用暴露出敏感的N末端氨基酸残基。也许N末端识别系统的功能之一就是识别和清除任何入侵的异质蛋白质或分泌性蛋白质。

其他触发泛肽连接和蛋白酶体降解的蛋白质含有PEST序列，PEST序列是一个富含Pro、Glu、Ser和Thr残基的高度保守的短序列。第二十七页，共87页。蛋白酶体

蛋白酶体是一个大的寡聚体结构，有一个中空的腔，蛋白质降解就发生在这个腔中。蛋白酶体降解蛋白质的产物为7～9个氨基酸残基的寡肽。第二十八页，共87页。古细菌T.acidophilum20S蛋白酶体的结构侧面观700kD的桶状结构，由两种不同的亚基α和β组成，它们缔合成α7β7β7α7四个堆积的环。这个桶有15nm高，直径11nm。两端的α7环解折叠被降解的蛋白质，并将其送入中央的腔内，而β亚基具有蛋白裂解活性。第二十九页，共87页。真核细胞中的蛋白酶体

真核细胞含有两种蛋白酶体：20S和26S蛋白酶体。26S蛋白酶体（1700kD）是一个45nm长的结构，是在20S蛋白酶体的两端各加上1个19S的帽结构或称PA700（Proteasomeactivator-700kD），这种帽结构至少由15个不同的亚基组成，其中6个亚基有ATP酶活性。与古细菌20S蛋白酶体不同，真核细胞的蛋白酶体含有7个不同的α亚基及7个不同的β亚基。第三十页，共87页。真核细胞中的蛋白酶体第三十一页，共87页。二、氨基酸的分解代谢第三十二页，共87页。回顾：氨基酸的功能蛋白质的组成单位能量代谢含氮化合物的前体：血红素、胺类、谷胱甘肽、核苷酸第三十三页，共87页。氨基酸分解的基本反应氨基酸分解的三个步骤第一步：脱氨基第二步：脱下的氨基排出体外，或转变成尿素或尿酸排出体外；第三步：碳骨架转化为一般代谢中间体第三十四页，共87页。（一）脱氨基作用定义：氨基酸失去氨基的作用叫脱氨基作用。脱氨基作用是氨基酸分解代谢最主要的反应。氨基酸脱氨基的主要方式：转氨基（氨基转移）作用氧化脱氨基作用联合脱氨基作用

动物的脱氨主要发生在肝脏中。

第三十五页，共87页。氨基酸的转氨作用××转氨酶

α-酮酸1氨基酸2氨基酸1α-酮酸2特点：a.可逆，受平衡影响

b.氨基大多转给了α-酮戊二酸（产物谷氨酸）第三十六页，共87页。转氨基作用举例谷氨酸+丙酮酸α-酮戊二酸+丙氨酸天冬氨酸+α-酮戊二酸

草酰乙酸+谷氨酸①谷丙转氨酶(glutamicpyruvictransaminase,GPT)②谷草转氨酶(glutamicoxaloacetictransaminase,GOT)①②肝细胞中转氨酶活力比其他组织高出许多，是血液的100倍。抽血化验若转氨酶比正常水平偏高则有可能：肝组织受损破裂查肝功抽血化验转氨酶指数第三十七页，共87页。底物A先与E结合成AE二元复合物，AE→PF（修饰酶形式），释放第一个产物P，接着底物B与F形成FB，FB→EQ，释放第二个产物Q。A与Q竞争自由酶形式E，B与P竞争修饰酶形式F。整个反应历程中只有二元复合物形式，没有三元复合物形式。乒乓反应（pingpongreaction）回顾：酶学第三十八页，共87页。转氨酶催化转氨反应：氨基酸1

＋

酮酸2

→酮酸1＋

氨基酸2ABPQ第三十九页，共87页。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PLP（受氨形式)与磷酸吡哆胺(PMP，供氨形式）间进行可逆转换。PLP通常共价结合到酶的活性位点（与酶的Lys的-氨基结合）。第四十页，共87页。PLP，氨基酸转氨酶的辅基第四十一页，共87页。谷草转氨酶第四十二页，共87页。PLP[红色（带有黄色的磷酸）与酶的Lys258

（紫色）以酰胺键相连PLP与底物类似物2-甲基天冬氨酸（绿色）通过Schiffbase相连。第四十三页，共87页。II、逆反应：PMP的氨基转移给另一个α-酮酸生成一个新aa及PLP

转氨基作用的机制：

转氨酶的辅酶：迄今发现的转氨酶都以磷酸吡哆醛（PLP）为辅基，它与酶蛋白（Lys上的ε-氨基）以牢固的共价键形式结合。PLPPMPI、正反应：aa的α-氨基转移给PLP生成PMP及α-酮酸第四十四页，共87页。葡萄糖－丙氨酸循环

在肌肉中有一组转氨酶，可把肌肉中糖酵解产生的丙酮酸当作氨基的受体。形成的丙氨酸进入血液，运输到肝脏，在肝脏中再次转氨产生丙酮酸，丙酮酸可进入糖异生途径产生葡萄糖，再回到肌肉中。一举两得：将肌肉中的氨和丙酮酸运输到了肝脏；在肝脏中，氨可转变成尿素，从尿液中排出；而丙酮酸可进入糖异生途径产生葡萄糖，再回到肌肉中。第四十五页，共87页。L-氨基酸氧化酶（活性低，分布于肝及肾脏，辅基为FMN）

D-氨基酸氧化酶（活性强，但体内D-氨基酸少，辅基为FAD）氨基酸氧化脱氨的主要酶：（二）氧化脱氨基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，是别构调节酶：别构抑制剂，ATP、GTP；别构激活剂，ADP、GDP定义：-AA在酶的作用下，氧化生成-酮酸，同时消耗氧并产生氨的过程。第四十六页，共87页。谷氨酸的氧化脱氨反应谷氨酸α-亚氨基戊二酸α-酮戊二酸谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶为什么转氨基反应多将氨基转给α-酮戊二酸？来源有保证，谷氨酸可由氧化脱氨迅速降解产生α-酮戊二酸,三羧酸循环亦可产生α-酮戊二酸。该酶以NAD+作为氧化剂。而在催化逆反应时（α-酮戊二酸→谷氨酸）以NADPH为还原剂。第四十七页，共87页。（三）联合脱氨作用（transdeamination)——转氨与氧化脱氨的联合由于转氨并不能最后脱掉氨基，氧化脱氨中只有谷氨酸脱氢酶活力高，转氨基和氧化脱氨联合在一起才能迅速脱氨。1、转氨酶与谷氨酸脱氢酶的联合脱氨基作用由于两种酶活性强，分布广，是动物体内主要的氨基酸联合脱氨方式。第四十八页，共87页。

天冬氨酸次黄嘌呤核苷酸腺苷酸代琥珀酸(IMP)2.在骨骼肌、心肌、肝脏及脑中，L-谷氨酸脱氢酶的活性弱，难于进行氧化脱氨，这些组织中的氨基酸主要通过嘌呤核苷酸循环进行联合脱氨作用。第四十九页，共87页。腺苷酸次黄嘌呤核苷酸腺苷酸代琥珀酸腺苷酸（AMP）延胡索酸裂解酶脱氨酶第五十页，共87页。脱氨酶第五十一页，共87页。（四）氨基酸的脱羧基作用

机体内部分氨基酸可进行脱羧反应，生成相应的一级胺。催化脱羧反应的酶称为脱羧酶（decarboxylase），这类酶的辅基为磷酸吡哆醛。脱羧酶的专一性很高，一般是一种aa对应一种脱羧酶。

氨基酸磷酸吡哆醛醛亚胺

一级胺磷酸吡哆醛第五十二页，共87页。第五十三页，共87页。GeneralMetabolismofAminoAcid氨基酸代谢库(metabolicpool)食物蛋白质消化吸收组织蛋白质分解合成①合成脱氨基作用NH3α-

酮酸尿素糖氧化供能酮体脱羧基作用CO2胺类含氮化合物嘌呤、嘧啶、GSH、heme转变

②

③第五十四页，共87页。（五）氨的命运

氨对生物机体是有毒物质，特别是高等动物的脑对氨极为敏感，血液中1%的氨就可引起中枢神经系统中毒，因此氨的排泄是生物体维持正常生命活动所必需的。若外环境NH3大量进入细胞，或细胞内NH3大量积累α酮戊二酸大量转化NADPH大量消耗三羧酸循环中断，能量供应受阻，某些敏感器官（如神经、大脑）功能障碍。表现：语言障碍、视力模糊、昏迷、死亡。氨中毒原理第五十五页，共87页。1、氨的转运（向动物肝脏的运输）

氨的转运主要是通过谷氨酰胺的形式。多数动物细胞中有谷氨酰胺合成酶（glutaminesynthetase），它催化氨和谷氨酸反应生成谷氨酰胺，同时消耗1个ATP。谷氨酰胺（中性，易透膜）由血液运送到肝脏，肝细胞的谷氨酰胺酶又将其分解为谷氨酸和氨。NH4++Glu+ATPGln+ADP+Pi+H+Gln+H2OGlu+NH4+Gln合成酶Gln酶尿素循环第五十六页，共87页。以Ala转运（葡萄糖-丙氨酸转运：肌肉）

NH4++-酮戊二酸+NADPH+H+Glu+NADP++H2OGlu+丙酮酸-酮戊二酸+AlaAla+-酮戊二酸Glu+丙酮酸

Glu脱氢酶

转氨酶肌肉

转氨酶肝尿素循环第五十七页，共87页。氨尿酸尿素排氨动物：某些水生或海洋动物，如原生动物和线虫以及鱼类、水生两栖类等，以Gln形式运送到排泄部位。排尿酸动物：鸟类和陆生的爬行动物。排尿素动物：绝大多数陆生动物。2、氨的排泄第五十八页，共87页。三、尿素的形成

氨是通过尿素循环合成尿素的。尿素循环是由发现柠檬酸循环的Krebs和他的学生KurtHenseleit发现的，并且比发现柠檬酸循环还早5年。

Krebs和他的学生观察到，往悬浮有肝脏切片的缓冲液中加入鸟氨酸、瓜氨酸或精氨酸中的任何一种时，都可以促使肝脏切片显著加快尿素的合成，而其他任何氨基酸或含氮化合物都没有这个作用。他们研究了这3种氨基酸的结构关系，提出了尿素循环途径。第五十九页，共87页。Krebs和Henseleit最早提出的尿素循环场所：肝脏原料：CO2、NH3产物：尿素第六十页，共87页。氨进入尿素循环的反应第六十一页，共87页。1.氨甲酰磷酸的合成（线粒体）氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ（CPS-Ⅰ）：线粒体中，用氨做氮的供体，参与尿素的合成。氨甲酰磷酸合成酶Ⅱ（CPS-Ⅱ

）：细胞质中，用谷氨酸做氮的供给体，参与嘧啶生物合成。HCO3-第六十二页，共87页。2.瓜氨酸的合成（线粒体）第六十三页，共87页。3、4.精氨琥珀酸和精氨酸的合成（细胞质）精氨琥珀酸合成酶精氨酸代琥珀酸精氨琥珀酸酶第六十四页，共87页。5.精氨酸水解生成尿素（细胞质）第六十五页，共87页。

尿素的两个氨基，一个来源于氨，另一个来源于天冬氨酸；一个碳原子来源于HCO3-，共消耗4个高能磷酸键，是一个需能过程，但谷氨酸脱氢酶催化谷氨酸反应生成1分子NADH；延胡索酸经草酰乙酸转化为天冬氨酸也形成1分子NADH。两个NADH再氧化，可产生5个ATP。总反应第六十六页，共87页。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。第六十七页，共87页。尿素循环与柠檬酸循环的联系Krebs’Bicycle精氨酸精氨酸代琥珀酸鸟氨酸氨基甲酰磷酸瓜氨酸天冬氨酸延胡索酸苹果酸第六十八页，共87页。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。

关键酶：氨甲酰磷酸合成酶I被N-乙酰谷氨酸变构激活。第六十九页，共87页。高血氨症和氨中毒血氨浓度↑高血氨症常见原因：①肝功能严重损害②尿素合成的酶缺陷肝昏迷氨中毒的机理：肝损害解氨能力↓血NH3↑NH3＋α-酮戊二酸GluGlnATP↓脑功能障碍NH3血脑屏障脑组织血液智力迟钝、嗜睡肝昏迷第七十页，共87页。四、氨基酸碳骨架的氧化途径TCACycle第七十一页，共87页。生糖氨基酸和生酮氨基酸生糖氨基酸:凡能形成丙酮酸、α－酮戊二酸、琥珀酸和草酰乙酸的氨基酸称为生糖氨基酸（glucogenicaminoacids）。Arg、His、Pro、Gln、Glu、Met、Ile、Val、Asp、Asn、Phe、Tyr、Ala、Gly、Ser、Thr、Cys

生酮氨基酸：在分解过程中转变成乙酰乙酰CoA的氨基酸称为生酮氨基酸（ketogenicaminoacids），因为乙酰乙酰CoA可以转变为酮体（乙酰乙酸和β-羟丁酸）。Lys、Trp、Phe、Tyr、Leu

生酮和生糖氨基酸：既可生成酮体又可生成糖，称为生酮和生糖氨基酸。Phe、Tyr、Ala、Gly、Ser、Thr、Cys

第七十二页，共87页。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PyorAcetylCoA,-Ketoglutaricacid,SuccinylCoA,Fumarate,Oxaloacetate）彻底氧化为H2O和CO2、还可以糖元异生、生酮或生脂。

第七十三页，共87页。氨基酸转变成糖类或脂类co2co2ketonebodiesAspAsnglycerolglucosetriose-pfatacidTGPheTyrLeuLysPheTyrTrpArgGlnHisProIieMetSerThrValIleLeuTrpAlaCysGlySerThrTrpPEPpyruvateGluacetoacetyl-CoAacetyl-CoAcitrate¦Á-ketoglutara