《生物化学(第2版)》教学课件11蛋白质的降解及氨基酸代谢

第十一章

蛋白质的降解与氨基酸代谢本章重点学习内容氨基酸代谢库蛋白质的酶促水解及有关酶类脱氨作用的几种方式氨的去路脱氨后碳骨架的去向氨基酸合成中的碳源、氮源个别氨基酸的代谢与健康谷氨酸合成的生化机理糖、脂肪、蛋白质代谢的相互联系第一节概述一、机体中氨基酸的来源与去向合成二、蛋白质的水解及水解酶类（一）外源性蛋白质的水解（消化）及有关酶类1.动物消化道蛋白水解酶胃蛋白酶胰蛋白酶胰凝乳蛋白酶弹性蛋白酶羧肽酶A、B氨肽酶2.植物体中蛋白酶类：种子萌发时蛋白水解旺盛。3.微生物蛋白酶类：不同微生物分泌蛋白酶种类及性质不同。碱性蛋白酶中性蛋白酶酸性蛋白酶蛋白质酶促降解：多肽寡肽二肽氨基酸（二）细胞内蛋白质的降解及有关酶类1.溶酶体的蛋白质降解体系-不依赖ATP溶酶体中的蛋白水解酶，主要降解半衰期长的蛋白质、膜蛋白及胞外蛋白，没有选择性。是细胞内蛋白质降解的主要途径。细胞自噬——是真核生物中进化保守的对细胞内物质进行周转的重要过程。该过程中一些损坏的蛋白或细胞器被双层膜结构的自噬小泡包裹后，送入溶酶体(动物）或液泡（酵母和植物

）中进行降解并得以循环利用。种子萌发时储存蛋白的降解；在动物细胞衰老反应过程中，往往发生分子伴侣介导的自噬过程，保存必须的组成细胞结构的蛋白和其他材料。营养缺乏条件下培养的细胞；小资料：2016年10月3日：瑞典卡罗琳医学院3日宣布，将诺贝尔生理学或医学奖授予日本科学家大隅良典，以表彰他在细胞自噬机制研究中取得的成就。

大隅良典生于1945年，是东京工业大学教授、分子细胞生物学家，他在细胞自噬作用的研究中取得了重要成果，为阐明细胞适应环境的机制、细胞自噬作用原理及其生理意义作出重要贡献。2.ATP-依赖性的蛋白质降解体系大肠杆菌中，这些蛋白存在时，会激活依赖ATP的蛋白酶，ATP水解促使肽键断裂，形成无活性肽，继而再在不依赖ATP的蛋白酶作用下降解。真核生物中，这条途径牵涉到一种称作泛素的小分子碱性蛋白质（76个氨基酸），它在真核生物中含量丰富，氨基酸序列保守。泛素与被选定降解的蛋白以共价键连接加以标记。连接过程需要ATP。继而蛋白酶识别泛素，降解蛋白质。在细菌和真核细胞中几乎所有半衰期短的蛋白质都经这个途径降解。包括：（1）掺入错误氨基酸的缺陷蛋白质；（2）在发挥正常功能过程中有损伤积累的蛋白质；（3）在代谢途径的关键调节点上起关键作用的酶。真核细胞中依赖ATP的蛋白质降解(1)在ATP水解的推动下，泛素的末端羧基与E1的巯基以硫酯键相连。(2)泛素随即转接到E2的巯基上（E2为泛素结合蛋白，也称泛素携带蛋白），以硫酯键相连，形成“泛素-携带蛋白”。在E3的催化下，将活化了的泛素从E2转移到被选定降解蛋白质的赖氨酸的ε-氨基上，形成了一个异肽键。在真核生物中，可周而复始重复三步反应。泛素化的蛋白质由蛋白酶体降解为短肽。E1：泛素活化酶E2：泛素结合酶E3：泛素-蛋白质结合酶第二节氨基酸的分解代谢脱氨基作用脱羧基作用既脱氨基又脱羧基※氨基酸的脱氨基作用1.氧化脱氨基作用2.转氨基作用3.联合脱氨基作用4.非氧化脱氨基作用（一）氧化脱氨基作用

1、含义：氨基酸在酶的催化下消耗氧、脱去氨基，生成相应的α-酮酸的过程称为氧化脱氨基作用。主要有以下两种类型：

α-氨基酸

氨基酸氧化酶（FAD、FMN）α-酮酸

R-CH-COO-

NH+3

|

R-C-COO-+NH3O||H2O+O2H2O2

L-谷氨酸脱氢酶+H2O+NH3NAD+NADH+H+COOHCH2CH2C=OCOOHCOOHCH2CH2CHNH2COOH2、有关酶的特性酶的种类底物辅酶（或辅基）最适pH体内分布及活性L-谷氨酸脱氢酶L-谷氨酸NAD+或NADP+7.0分布广泛活力强D-氨基酸氧化酶D-氨基酸FAD5.0-8.0分布广泛但D-氨基酸少L-氨基酸氧化酶L-氨基酸FAD或FMN10.0分布不广泛活性低L-谷氨酸脱氢酶在氨基酸的代谢上占有重要地位。L-谷氨酸脱氢酶（2）在细胞溶浆里，辅酶NADPH，催化反应方向为

α-酮戊二酸谷氨酸，合成方向。（1）在线粒体基质，辅酶NAD+

；催化反应方向为谷氨酸α-酮戊二酸TCA，供能。

L-谷氨酸脱氢酶+H2O+NH3NAD(P)+NAD(P)H+H+COOHCH2CH2C=OCOOHCOOHCH2CH2CHNH2COOH（二）转氨基作用

α-氨基酸1

R1-CH-COO-

NH+3

|α-酮酸1

R1-C-COO-O||

R2-C-COO-O||α-酮酸2

R2-CH-COO-

NH+3

|α-氨基酸2转氨酶（辅酶：磷酸吡哆醛）有关转氨酶说明如下：4、两个重要的转氨酶：GPTGOT1、大多数转氨酶都需要以α-酮戊二酸为-NH2受体或以谷氨酸为-NH2供体2、转氨酶种类很多，但辅酶只一种:磷酸吡哆醛。它以牢固的共价键形式与酶蛋白结合3、催化的反应可逆，平衡常数接近1.0谷丙转氨酶（L-丙氨酸转氨酶）和谷草转氨酶（L-天冬氨酸转氨酶）谷丙转氨酶（GPT）谷草转氨酶(GOT)（三）联合脱氨基作用1.转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶作用相偶联2.转氨基作用与嘌呤核苷酸循环相偶联1.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H20+NAD+NH3+NADHα-酮酸α-氨基酸α-酮戊二酸L-谷氨酸α-氨基酸α-酮酸α-酮戊二酸谷氨酸草酰乙酸天冬氨酸腺苷酸代琥珀酸苹果酸延胡索酸腺苷酸次黄苷酸2.转氨基作用与嘌呤核苷酸循环相偶联简介非氧化脱氨（在微生物中个别AA进行,但不普遍）例1：如丝、苏：先脱水，后加水脱-NH2L-丝氨酸

CH2

COO-C-NH2=-CH3

COO-

C=NH--COOHCH2OHH2N-C-H--COOHCH3C=O--丝氨酸脱水酶+NH3丙酮酸-H2O+H2Oα-氨基丙烯酸亚氨基丙酸重排自动水解CH2CHCOOHSHNH2[CH2=CCOOH]NH2CH3CCOOHO自动水解H2ONH3例2：半胱氨酸：先脱H2S，后加水脱-NH2脱-SH酶H2S例3；天冬氨酸直接脱-NH2CHCH2COOHH2NCOOHCHHCCOOHCOOH天冬氨酸酶NH3TCA※氨基酸的脱羧基作用1、作用通式：CO2脱羧酶NH22、脱羧酶：（1）专一性强（用于测定氨基酸浓度）（2）除了组氨酸脱羧酶不需要辅酶外，均需

磷酸吡哆醛作为辅酶RCHCOOHRCH2NH23、脱羧反应举例：谷氨酸γ-氨基丁酸(抑制性神经递质)+CO2天冬氨酸β-丙氨酸+CO2

组氨酸组胺（舒张血管）+CO2酪氨酸酪胺+CO2丝氨酸乙醇胺胆碱卵磷脂

CO2

4、胺的氧化RCH2NH2+O2+H2O

RCHO+H2O2+NH3RCHO+1/2O2RCOOHCO2+H2O氨基酸尿素※氨基酸代谢产物的去向1、再生成新的氨基酸2、转变成糖或脂肪

生糖氨基酸

生酮氨基酸3、氧化供能生成CO2和H2O（一）α-酮酸的代谢去向1、再合成氨基酸：通过转氨或还原氨基化转氨酶NH3L-谷氨酸脱氢酶H2ONADPH+H+

NADP+COOHC=OCH2CH2COOHCOOHCHNH2CH2CH2COOH

α-酮酸谷氨酸α-氨基酸

α-酮戊二酸2、转变成糖和脂肪使用四氧嘧啶破坏犬的胰岛β-细胞，或切除胰腺，建立人工糖尿病犬的模型。待其体内糖原和脂肪耗尽后，用某种氨基酸饲养，并检查犬尿中糖与酮体的含量。若饲某种氨基酸后尿中排出葡萄糖增多，称此氨基酸为称生糖氨基酸(glucogenicaminoacid)；若尿中酮体含量增多，则称为生酮氨基酸(ketogenicaminoacid)。尿中二者都增多者称为生糖兼生酮氨基酸(glucogenicandketogenicaminoacid)。实验依据：生糖氨基酸和生酮氨基酸的概括凡能生成丙酮酸、

-酮戊二酸、琥珀酰CoA

、延胡索酸、草酰乙酸的氨基酸，沿EMP的逆途径合成葡萄糖。凡能分解成乙酰乙酰辅酶A和乙酰辅酶A的氨基酸在肝脏中能生成酮体。（1）生糖氨基酸（2）生酮氨基酸其中亮氨酸和赖氨酸是专一生酮氨基酸，色、酪、苯丙、异亮氨酸既是生酮氨基酸又是生糖氨基酸（3）生糖兼生酮氨基酸TCA3、氧化成CO2和H2O氨基酸分解分别产生5种产物：乙酰CoA

-酮戊二酸琥珀酰CoA延胡索酸草酰乙酸CO2CO2NADH,FADH2H2O乙酰CoA草酰乙酸

-酮戊二酸延胡索酸琥珀酰CoA乙酰CoA柠檬酸氨基酸碳骨架进入三羧酸循环的途径

磷酸烯醇式丙酮酸天冬氨酸天冬酰胺丙酮酸乙酰乙酰CoA苯丙氨酸酪氨酸色氨酸亮氨酸赖氨酸丙氨酸色氨酸甘氨酸丝氨酸半胱氨酸谷氨酸谷氨酰胺精氨酸组氨酸脯氨酸异亮氨酸亮氨酸色氨酸苯丙氨酸酪氨酸异亮氨酸甲硫氨酸缬氨酸苏氨酸葡萄糖（二）NH3的代谢反应大量消耗α-酮戊二酸，影响TCA，同时大量消耗NADPH，影响需要还原力反应的正常进行。1、氨气的中毒机理血中1%的氨会引起中枢神经中毒。主要原因:脑细胞的线粒体可将NH3与α-酮戊二酸作用生成GluNH4++α-酮戊二酸+NADPH+H+

谷氨酸+NADP++H2O不同生物处理氨毒方式不同，可以重新利用；也可以直接或转化后排出体外。2、氨的去向（1）形成酰胺储存a、动物体内主要形成谷酰胺b、植物体内主要形成天冬酰胺谷氨酸+NH3谷氨酰胺Gln合成酶ATPADP+pi天冬氨酸+NH3天冬酰胺Asn合成酶ATPADP+pi（2）合成氨基酸、核苷酸等a、通过还原氨基化和转氨-合成新的氨基酸b、形成的酰胺可用于嘌呤、嘧啶的合成α-酮戊二酸谷氨酸NH3

+NADPH+H+

H2O+NADP+α-酮酸α-氨基酸L-谷氨酸脱氢酶转氨酶（3）排出体外排尿酸动物：鸟类、陆生爬行类排氨动物：水生动物，排泄时需少量水排尿素动物：陆生脊椎动物NH3H2N-C-NH2O尿素氨氨甲酰磷酸的合成线粒体内的合成：CPS-l胞浆内的合成:CPS-ll~CPS-Ⅰ在线粒体基质中，游离的氨气与TCA循环产生的CO2反应生成氨甲酰磷酸。形成的氨甲酰磷酸进一步参与尿素的合成。在胞浆中，以谷酰胺作为N源，形成的氨甲酰磷酸进一步参与嘧啶的合成。嘧啶合成2ATP谷酰胺+CO2

氨甲酰磷酸CPS-II2ADP+Pi尿素合成分布部位氮源激活剂

进一步合成的产物消耗ATPCPS-I线粒体NH3N-乙酰谷氨酸尿素2ATPCPS-II胞浆谷酰胺不需要N-乙酰谷氨酸激活嘧啶2ATP氨甲酰磷酸合酶Ⅰ与氨甲酰磷酸合酶Ⅱ比较：酶项目尿素的合成1.哺乳动物体内NH3转运形式通过谷氨酰胺和丙氨酸两种形式在血液中运输，（1）通过谷氨酰胺转运氨肝中合成尿素，肾中以铵盐形式排出肝，肾细胞脑组织等（2）通过葡萄糖-丙氨酸循环转运氨丙酮酸接收-NH2氧化脱氨肌肉细胞内游离NH3可通过还原氨基化（L-谷氨酸脱氢酶催化），产生谷氨酸，然后在谷-丙转氨酶催化下将-NH2转移给丙酮酸，产生丙氨酸。丙氨酸通过血液循环运送至肝脏，产生尿素。尿素循环谷氨酸谷氨酸氨甲酰磷酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸精氨酰琥珀酸鸟氨酸精氨酸延胡索酸草酰乙酸氨基酸谷氨酸天冬氨酸+2ADP+Pi2ATP+CO2+NH3+H2O1胞液线粒体H2N-C-NH2O尿素

-酮戊二酸

-酮戊二酸H2N-C-PO2345*****转氨酶L-谷氨酸脱氢酶+~苹果酸谷氨酸

-酮戊二酸H2N-C-OHNH2.尿素的生成途径例题：在鸟氨酸循环中，尿素由下列哪种物质水解而得（）（1）鸟氨酸（2）瓜氨酸（3）精氨酸（4）精氨酰琥珀酸

-酮戊二酸氨基酸三羧酸循环和尿素循环之间的联接（Krebs自行车）转氨酶2ATP+CO2+NH3+H2O★尿素循环小结1.尿素循环一部分反应在肝细胞线粒体进行，一部分在肝细胞胞浆进行。2.尿素循环中有四种氨基酸参与循环，但参与蛋白质组成的氨基酸只有两种——？3.尿素形成后由血液运到肾脏随尿排出。4.总反应：NH4+

+HCO3-+3ATP+Asp+2H2O→尿素+2ADP+AMP+2Pi+PPi+延胡索酸（1）形成一分子尿素消耗4个高能磷酸键（2）尿素两个氨基分别直接来自游离NH3合成的氨甲酰磷酸和Asp，一个CO2来自TCA循环。（3）通过延胡索酸把氨基酸代谢和糖代谢联系起来。小资料HansKrebs生于德国，是犹太人，在20世纪30年代早期，纳粹统治期间被迫逃亡英国，1935年加入谢菲尔德大学（UniversityofSheffield），在谢菲尔德大学期间完成了他一生中最重要的发现，也就是获得诺奖的工作。他是1953年的诺贝尔奖医学和生理奖得主，主要的成就是发现柠檬酸循环（也称Krebscycle）(四)氨基酸分解代谢途径小结氨基酸的脱氨作用氨气α-酮酸再利用排泄：排NH3、尿素、尿酸合成酰胺进而合成嘌呤、嘧啶或蛋白质通过还原氨基化和转氨-再合成氨基酸再合成氨基酸合成糖、脂肪分解成CO2和H2O氨基酸的脱羧作用：CO2+伯胺1.写出谷氨酸在细胞内转化成糖的代谢途径。2.写出谷氨酸在细胞内完全氧化分解成CO2、H2O的代谢途径；并计算在哺乳动物体内1mol谷氨酸氧化脱氨后完全氧化分解产生ATP的数目（计NH3的排泄）（按P/O=3或2计算）计NH3的排泄：23ATP练习题NH3的排泄经尿素循环消耗4个“~”谷氨酸α-酮戊二酸草酰乙酸丙酮酸葡萄糖乙酰辅酶ATCA循环第三节氨基酸的合成代谢1、必需氨基酸、半必需氨基酸2、氨基酸合成中碳骨架的形成：代谢的几条“主要干线”（TCA、EMP、HMP等）中的关键中间体为氨基酸生物合成提供起始物。3、氨基酸合成中-NH2可由NH3、谷酰胺等提供。根据氨基酸合成中碳骨架的起始物不同分为六大类型4、合成的基本方式：（1）还原氨基化（2）转氨基作用（3）氨基酸间的转化（一）α-酮戊二酸衍生类型可以合成的氨基酸：谷氨酸、谷酰胺、脯氨酸、精氨酸1、Glu的合成起始物：α-酮戊二酸（1）α-酮戊二酸经L-Glu脱氢酶催化，进行还原氨基化。α-酮戊二酸NADPH+H+

谷氨酸NADP+L-谷氨酸脱氢酶（胞浆）NH3H2O（2）由α-酮戊二酸与谷酰胺，经Glu合成酶催化合成2、Gln的合成3、脯氨酸、精氨酸的合成（了解）α-酮戊二酸谷酰胺谷氨酸谷氨酸Glu合成酶NADPH+H+NADP+L-谷氨酸+NH3谷酰胺合成酶ATPADP+PiL-谷酰胺（二）草酰乙酸衍生类型可以合成的氨基酸：天冬氨酸、天冬酰胺、赖氨酸、

甲硫氨酸、苏氨酸、异亮氨酸1、Asp的合成（转氨基合成）2、Asn的合成大多数生物中天冬酰胺的合成是由谷酰胺提供氨基，在细菌中直接由NH3提供氨基。反应如下：起始物：草酰乙酸谷氨酸天冬氨酸α-酮戊二酸谷草转氨酶草酰乙酸Asn合成酶Asp+Gln+ATPAsn+Glu+ADP+PiMg2+（哺乳动物）Asn合成酶Asp+NH4++ATPAsn+ADP+Pi植物、细菌3、赖、苏、甲硫氨酸的合成途径（了解）4、异亮氨酸的合成（了解）在天冬氨酸的基础上合成苏氨酸，进而合成异亮氨酸（三）丙酮酸衍生类型合成的氨基酸：L-丙氨酸、L-缬氨酸、L-亮氨酸1、丙氨酸的合成（转氨基合成）2、L-缬氨酸、L-亮氨酸的生物合成（了解）起始物：丙酮酸α-酮戊二酸丙酮酸谷氨酸丙氨酸谷丙转氨酶（四）、3-磷酸甘油酸衍生型可以合成的氨基酸：丝氨酸、甘氨酸、半胱氨酸起始物：3-磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸脱氢酶谷氨酸α-酮戊二酸磷酸丝氨酸氨基转移酶3-磷酸羟基丙酮酸3-磷酸丝氨酸（转氨基作用）甘氨酸丝氨酸磷酸丝氨酸磷酸丝氨酸羟甲基转移酶半胱氨酸（五）4-磷酸赤藓糖和磷酸烯醇式丙酮酸衍生类型可以合成的氨基酸：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸起始物：4-磷酸赤藓糖（HMP）和磷酸烯醇式