《生物化学》-第11章

１１.１蛋白质的降解11.1.1外源蛋白质的酶促降解１９７９年,国际生化协会命名委员会将促进蛋白质降解的酶归属于第三大类(水解酶类)第四亚类(EC３.４).该亚类按酶作用的特点又分为蛋白酶(proteinase)和肽酶(peptidase)两个亚亚类.蛋白酶又称肽链内切酶(endopeptidase),能够水解蛋白质和多肽内部的肽键,生成各种多肽.蛋白酶水解肽键具有专一性,胃蛋白酶只能水解芳香族氨基酸(如Phe、Tyr)和酸性氨基酸(如-lu、Asp)形成的肽键,胰蛋白酶水解碱性氨基酸(如Lys、Ar-)的羧基形成的肽键.肽酶又称肽链端解酶(exopeptidase),能够从肽链的游离羧基端或游离氨基端开始水解,生成各种氨基酸.下一页返回１１.１蛋白质的降解从肽链的氨基末端逐个水解肽键的称为氨肽酶(aminopeptidase),从肽链的羧基末端逐个水解肽键的称为羧肽酶(Carboxypeptidase),只能将二肽水解为单个氨基酸的称为二肽酶(dipeptidase).对人和脊椎动物而言,食物中的外源蛋白质在胃、肠道内,经过来自胃液的胃蛋白酶、来自胰液的胰蛋白酶、糜蛋白酶、弹性蛋白酶和小肠分泌的肠肽酶的水解作用,最终形成各种氨基酸和短肽.这些氨基酸和短肽在小肠黏膜,主要通过主动运输和γ-谷氨酰基循环被吸收转运到细胞内.过去,一直认为蛋白质必须降解为游离氨基酸才能被吸收;目前,人们已经认识到除了游离氨基酸外,短肽更容易被小肠黏膜所吸收.动物能够吸收由１０个氨基酸残基组成的短肽,尤其是二肽、三肽.上一页下一页返回１１.１蛋白质的降解１９６０年,Newey和Smyth用令人信服的证据,证实了完整的-ly--ly被转运吸收.１９８４年,Hara等研究表明,蛋白质在消化道中的消化终产物往往是小肽,并且小肽能够完整地通过肠黏膜细胞进入体循环.近年来,编码小肽吸收转运载体Ⅰ和Ⅱ的基因已被克隆,小肽的吸收机制取得了重大的研究进展.11.1.2细胞内蛋白质的降解生活细胞内的蛋白质总是在不断地更新,保持着一种动态平衡.细胞内蛋白质的降解具有重要的意义,一是降解衰老、失活或多余的结构蛋白为新蛋白质的合成提供原料;二是清除合成错误的异常蛋白或暂时不用的酶蛋白,消除它们的积累对细胞的危害;上一页下一页返回１１.１蛋白质的降解三是在代谢需要时分解储存蛋白为组织细胞供应能量.细胞内蛋白质的降解速度与机体细胞的生理状况有关.不同蛋白质的半衰期(half-life)差别很大,短则几十分钟,长则几十天,如小鼠肝组织的鸟氨酸脱羧酶的半衰期０.２h、PEP羧化酶５.０h,人的血浆蛋白约１０d、结缔组织中的某些蛋白可达１８０d.一般来讲,在营养缺乏的条件下,细胞会加速其蛋白质的降解速度,以便为维持正常的代谢提供必要的营养物质和能量.组织蛋白的降解途径很多,主要有溶酶体降解和泛素介导的蛋白酶体降解两种途径.上一页下一页返回１１.１蛋白质的降解１.溶酶体降解溶酶体存在于细胞质中,由高尔基体断裂而成,是一种单层膜的亚细胞结构,内含５０多种水解酶,基质中pH在５左右,是其中水解酶酶促反应的最适pH.溶解体和细胞吞噬作用产生的吞噬泡或胞饮作用产生的胞内体融合,进行细胞内消化,利用蛋白酶降解蛋白质.这是细胞内蛋白质降解的主要途径,一般半衰期较长的蛋白质经此途径降解.２.泛素调节的蛋白质降解泛素由７６个氨基酸残基组成,相对分子质量Mr约８５００,在真核生物中具有高度保守性,人、鲑鱼和果蝇的泛素都相同.泛素调节的蛋白质降解包括两个步骤:(１)蛋白质的泛素化(２)蛋白酶体降解上一页下一页返回１１.１蛋白质的降解11.1.3氨基酸代谢库细胞内所有游离氨基酸组成了细胞的氨基酸代谢库(aminoacidmetabolicpool).库内的氨基酸不断被利用,又不断地得到补充,总是处于动态平衡状态.库中氨基酸的来源,主要有三个渠道:一是外源蛋白质的降解与吸收;二是细胞内蛋白质的降解;三是细胞内氨基酸的合成,植物可以合成自身需要的全部氨基酸,微生物合成氨基酸的能力差异很大,人和动物只能合成一些非必需氨基酸.库中氨基酸的利用,也包括三个方面:一是合成新的蛋白质,满足机体蛋白质的更新、组织修复和生长发育需要;二是合成核苷酸、维生素、激素等含氮化合物;三是脱氨基、脱氨基进行分解代谢.上一页返回11.2氨基酸分解代谢11.2.1氨基酸的脱氨基作用脱氨基作用(deamination)就是指α-氨基酸脱去—NH２,生成α-酮酸的过程.脱氨基作用是氨基酸分解代谢最重要的一步,包括氧化脱氨基、非氧化脱氨基、转氨基、联合脱氨基、脱酰胺基等作用.非氧化脱氨基的作用主要见于微生物体内,在动植物体内不普遍.１.氧化脱氨基作用(oxidativedeamination)氧化脱氨基作用是指氨基酸在脱去—NH２时伴随着氧化(脱氢),生成α-酮酸和NH３的过程.这个过程分两步完成,第一步是酶促脱氢生成亚氨基酸,第二步是亚氨基酸在水溶液中自发地分解为α-酮酸和NH３.下一页返回11.2氨基酸分解代谢催化氨基酸氧化脱氨基作用的酶有两类:一是氨基酸氧化酶,二是氨基酸脱氢酶上一页下一页返回11.2氨基酸分解代谢２.转氨基作用(transamination)转氨基作用是α-氨基酸和α-酮酸之间的氨基转移反应.α-氨基酸的氨基在相应的转氨酶催化下转移到α-酮酸的酮基碳原子上,结果是原来的α-氨基酸生成了相应的α-酮酸,原来的α-酮酸则生成了相应的α-氨基酸,这种作用称为转氨基作用或氨基移换作用.催化转氨基作用的酶叫作转氨酶(transaminase)或氨基移换酶.转氨酶的种类很多,广泛分布于动植物及微生物中,因此氨基酸的转氨基作用在生物体内是极为普遍的.转氨基作用是氨基酸脱氨的一种主要方式,在氨基酸代谢中占有重要的地位.上一页下一页返回11.2氨基酸分解代谢实验证明,除赖氨酸、苏氨酸、甘氨酸、脯氨酸等少数氨基酸外,其余α-氨基酸各有其特异的转氨酶,都可参与转氨基作用.一般地讲,动植物组织中的转氨酶只催化L-氨基酸和α-酮酸之间的转氨基作用;而某些细菌,如枯草杆菌(B.subtilis)的转氨酶对L-氨基酸和D-氨基酸都有催化作用.转氨基作用的简式如下:上一页下一页返回11.2氨基酸分解代谢转氨酶催化的转氨基作用是可逆的,平衡常数接近１,也就是说,通过转氨基作用,氨基酸既可以脱下氨基,α-酮酸也可以接受氨基生成其他氨基酸.因此,转氨基作用既参与氨基酸的分解代谢,也是某些氨基酸合成的重要途径.转氨酶的辅酶都是磷酸吡哆醛(PLP)和磷酸吡哆胺(PMP).它们在转氨基作用中起氨基传递体的作用.目前,已经发现的转氨酶有５０多种,多数转氨酶主要以α-酮戊二酸为氨基受体.上一页下一页返回11.2氨基酸分解代谢人体内最重要的转氨酶是谷草转氨酶和谷丙转氨酶.谷草转氨酶是谷氨酸-草酰乙酸转氨酶(-lutamic-oxaloacetictransaminase,-OT)的简称,在心肌细胞中含量最高;谷丙转氨酶是谷氨酸-丙氨酸转氨酶(-lutamic-pyruvictransaminase,-PT)的简称,在肝脏细胞中含量最高.正常情况下,-OT和-PT在血清中的浓度很低,当心脏或肝脏出现病变时,由于细胞膜通透性增强,转氨酶会大量涌入血液,使血清中-OT和-PT活性升高,因此-OT和-PT可用于临床上诊断心脏或肝脏病变的指标.３.联合脱氨基作用(combineddeamination)联合脱氨基作用是生物体内主要的脱氨基方式,主要有两种反应途径:(１)转氨酶-谷氨酸脱氢酶偶联的联合脱氨基作用α上一页下一页返回11.2氨基酸分解代谢(２)转氨酶-腺苷酸脱氨酶偶联的联合脱氨基作用４.脱酰胺基作用(deamidation)谷氨酰胺、天冬酰胺可以在相应的脱酰胺酶(deamidase)作用下脱去酰胺基,生成氨和谷氨酸或天冬氨酸.谷氨酰胺酶(-lutaminase)和天冬酰胺酶(aspara-inase)在微生物和动植物中广泛存在,具有高度专一性.５.非氧化脱氨基(nonoxidativedeamination)∗非氧化脱氨基作用主要在微生物中进行,在动物、高等植物组织中并不普遍.非氧化脱氨基作用主要有直接脱氨基作用、还原脱氨基作用、水解脱氨基作用、脱水脱氨基作用、脱硫化氢脱氨基作用等几种方式.上一页下一页返回11.2氨基酸分解代谢11.2.2氨基酸的脱羧基作用氨基酸在脱羧酶(decarboxylase)的作用下脱掉羧基,生成CO２和相应的胺类化合物的过程,称为氨基酸的脱羧基作用(aminoaciddecarboxylation).氨基酸脱羧酶普遍存在于动、植物组织及微生物中,专一性很高,一般是一种氨基酸脱羧酶只对一种L-氨基酸起催化作用,其辅酶为磷酸吡哆醛(His脱羧酶除外).氨基酸的脱羧基作用包括直接脱羧和羟化脱羧两种类型.上一页下一页返回11.2氨基酸分解代谢11.2.3氨的代谢去路氨主要来自氨基酸代谢,也可由胺类分解产生,机体各种来源的游离氨对人体和动、植物组织是有害的,细胞中浓度过高会引起中毒.在正常情况下细胞中游离氨浓度非常低,这是因为机体通过各种途径使氨发生转变.动植物组织转变氨的途径主要有以下两个方面:一是氨的转移和再利用,二是排出体外.１.氨的转移和再利用机体转移氨的主要途径是合成酰胺化合物.在人体和动、植物组织中谷氨酰胺合成酶(-lutaminesynthetase)催化NH３和谷氨酸(-lu)生成谷氨酰胺(-ln).上一页下一页返回11.2氨基酸分解代谢-ln是无毒的中性物质,容易穿过细胞膜,利于转运.在人体中,-ln通过血液循环运送到肝脏和肾脏,经谷氨酰胺酶(-lutaminase)催化水解为-lu和NH３.NH３在肝内合成尿素,在肾内与肾小管中的酸结合成铵盐由尿排出.-ln的合成与分解是在两个不同酶的作用下完成的,反应是不可逆的,合成反应需要消耗ATP.上一页下一页返回11.2氨基酸分解代谢谷氨酰胺还可以在天冬酰胺合成酶(aspara-inesynthetase)的作用下,将酰胺基转移到天冬氨酸上生成天冬酰胺,天冬酰胺经天冬酰胺酶(aspara-inase)催化也可以将氨释放出去.因此,酰胺化合物既是氨的运输形式,也是氨的储存形式,谷氨酰胺还可以为嘌呤、嘧啶等含氮化合物的合成提供氮源.此外,生物体内含有大量的有机酸,如柠檬酸、异柠檬酸、苹果酸、酒石酸、草酰乙酸、延胡索酸等,都可以和氨结合生成铵盐,保持细胞正常的pH.上一页下一页返回11.2氨基酸分解代谢２.氨的排泄游离氨对机体来讲是有毒的,尤其是人和动物的脑组织对氨极其敏感.人体血液中氨的来源主要包括:①氨基酸脱氨作用产生的氨;②肠道吸收的氨(包括蛋白质食物腐败所产生的氨、尿素渗入肠道被脲酶水解产生的氨等);③肾脏谷氨酰胺分解产生被回流入血的氨;④药物及体内其他含氮物质氧化分解产生的氨.正常人血浆中氨的质量分数一般不超过０.１％,如果血液中的氨达到１％,就会引起中枢神经中毒.氨中毒的机理是,高浓度的氨与α-酮戊二酸结合生成-lu,一方面,大脑中α-酮戊二酸减少,导致三羧酸循环无法正常运转,ATP生成受阻,引起脑功能障碍;另一方面,-lu增多,也会引起脑损伤,氨中毒严重者可导致昏迷.上一页下一页返回11.2氨基酸分解代谢因此,在人和动物体内,氨不能大量积累,虽然机体可以利用氨合成无毒的酰胺,却不能将体内的氨全部再利用,机体内多余的氨必须排出体外.动物在进化过程中,由于适应不同的环境生活,不同动物排出氨的方式不尽相同,最主要的是合成尿素或尿酸排出.11.2.4α-酮酸的代谢去路α-酮酸的代谢主要有三条途径,即重新合成氨基酸、氧化分解和转变成糖或脂肪.１.再合成氨基酸通过氨基酸脱氨基作用的逆途径,α-酮酸可生成相应的氨基酸.由于必需氨基酸在体内没有相应的α-酮酸骨架,这个过程合成的氨基酸都是非必需氨基酸.由α-酮酸合成氨基酸主要有三种方式:上一页下一页返回11.2氨基酸分解代谢(１)直接氨基化按照直接脱氨基反应的逆过程,个别氨基酸在专一酶的催化下可以将α-酮酸氨基化生成氨基酸.如延胡索酸与氨反应,由L-天冬氨酸酶催化,可以直接生成L-天冬氨酸.目前,只在某些植物和细菌中发现了这种酶.(２)还原氨基化作用还原氨基化作用是指经过L-氨基酸脱氢酶催化完成的,氨和α-酮酸反应生成氨基酸的过程.这是氨基酸分解代谢中,由L-氨基酸脱氢酶催化的氧化脱氨基作用的逆过程.上一页下一页返回11.2氨基酸分解代谢高等植物以NAD＋为辅酶,动物则NAD＋和NADP＋均可,酵母和细菌只以NADP＋作辅酶.(３)转氨基与联合氨基化反应酰胺是体内氨的储存形式,谷氨酸是α-酮酸合成氨基酸的主要氨供体,谷氨酸合成酶可以催化α-酮戊二酸接受酰胺提供的氨基生成谷氨酸,由谷氨酸和其他α-酮酸经转氨基作用生成相应的α-氨基酸,这就是联合氨基化,可以看作是联合脱氨基反应的逆过程.现在普遍认为,生物体内除了苏氨酸、赖氨酸外,其余各种氨基酸都可以通过这种方式合成.上一页下一页返回11.2氨基酸分解代谢２.氧化分解生成二氧化碳和水氨基酸脱氨后余下的碳架,经过一系列转化,集中形成７种化合物.在机体需要能量补充时,有些氨基酸的碳骨架可以分别通过乙酰CoA、α-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸等五种途径进入三羧酸循环,进一步脱去羧基产生CO２,脱氢形成FADH２或NADH＋H,经电子传递链,与活性氧结合形成H２O并释放能量.３.转变成糖和脂类氨基酸脱氨后的碳架,根据机体代谢的需要,不需要合成氨基酸且体内能量充足时,还可以转变成糖和脂肪储存起来.上一页下一页返回11.2氨基酸分解代谢在体内转变为糖的氨基酸称为生糖氨基酸(-luco-enicaminoacid),包括丙氨酸、精氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、半胱氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、组氨酸、甲硫氨酸、脯氨酸、丝氨酸、缬氨酸等１３种.这些氨基酸的碳架经过转变,可以通过生成丙酮酸、α-酮戊一酸、琥珀酰辅酶A、草酰乙酸,或者与这几种物质有关的化合物,能够沿着EMP途径,糖异生合成葡萄糖.在体内能够转变成酮体(acetonebody,包括乙酰乙酸、β-羟基丁酸和丙酮)的氨基酸,称为生酮氨基酸(keto-enicaminoacid),只有亮氨酸、赖氨酸２种上一页下一页返回11.2氨基酸分解代谢.这些氨基酸的代谢中产物为乙酰辅酶A和乙酰乙酰辅酶A,在动物体内只能按照脂肪代谢途径转变为脂肪.生酮氨基酸和生糖氨基酸的区分不是非常明确,有些氨基酸既可生成脂肪又可生成糖,称为生糖兼生酮氨基酸(-luco-enicandketo-enicaminoacids),包括色氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸５种.上一页返回11.3氨基酸合成代谢11.3.1丙酮酸型氨基酸的生物合成丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸４种氨基酸的生物合成,都是以丙酮酸为基本骨架.丙氨酸由丙酮酸和谷氨酸经转氨作用直接获得.缬氨酸和异亮氨酸有共同的合成酶系,亮氨酸和缬氨酸有共同的前体物质,都是α-酮异戊酸.由α-酮异戊酸合成亮氨酸的过程为:下一页返回11.3氨基酸合成代谢

11.3.2丝氨酸型氨基酸的生物合成丝氨酸、甘氨酸和半胱氨酸３种氨基酸生物合成的基本碳骨架,来自糖酵解途径产生的３-磷酸甘油酸.３-磷酸甘油酸经脱氢、转氨、水解磷酸生成L-丝氨酸,３-磷酸甘油酸也可以水解磷酸后,再脱氢、转氨生成合成L-丝氨酸.L-丝氨酸是甘氨酸和半胱氨酸的前体.半胱氨酸的合成,在哺乳动物体内可由非必需氨基酸Ser转化而来,也可由必需氨基酸Met产生;大多数植物和某些微生物可以把乙酰CoA的乙酰基转移给Ser生成O-乙酰丝氨酸,然后乙酰基被巯基取代生成半胱氨酸有些微生物,也可由丝氨酸和H２S反应,经半胱氨酸合成酶催化合成半胱氨酸.上一页下一页返回11.3氨基酸合成代谢

L-丝氨酸在丝氨酸转羟甲基酶(serinetranshydroxymethylase)作用下,将β-C原子转移到四氢叶酸(FH４)后,形成甘氨酸.在动物体内,甘氨酸也可以经甘氨酸合成酶的作用,由CO２和NH３合成,这可能是脊椎动物肝脏合成甘氨酸的主要途径.在植物体内,由光呼吸乙醇酸途径形成的乙醛酸经转氨作用可生成甘氨酸.11.3.3天冬氨酸型氨基酸的生物合成天冬氨酸、天冬酰胺、赖氨酸、苏氨酸和甲硫氨酸５种氨基酸的碳骨架均来源于草酰乙酸.在大多数生物体内,草酰乙酸经谷草转氨酶催化,可以接受L--lu的氨基生成L-Asp.上一页下一页返回11.3氨基酸合成代谢

11.3.4谷氨酸型氨基酸的生物合成谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸和精氨酸４种氨基酸的碳架来源于α-酮戊二酸,多以谷氨酸为前体进一步合成而得.α-酮戊二酸和α-氨基酸经转氨作用可直接生成L-谷氨酸,α-酮戊二酸也可以在L-谷氨酸脱氢酶(L--lutamatedehydro-enase)作用下还原氨基化生成L-谷氨酸.L-谷氨酸和NH３在谷氨酰胺合成酶(-lutaminesynthetase)催化下,由ATP提供能量,可形成谷氨酰胺.L-谷氨酸在转乙酰基酶(transacetylase)作用下,可以和乙酰CoA反应生成N-乙酰谷氨酸(N-acetyl-lutamate),然后磷酸化、还原形成N-乙酰谷氨酸半醛(N-acetyl--lutamatesemialdehyde),上一页下一页返回11.3氨基酸合成代谢

后者经乙酰鸟氨酸转氨酶(acetyl-ornithinetransaminase)催化,从谷氨酸获得氨基形成乙酰鸟氨酸,然后脱去乙酰基生成L-鸟氨酸,经尿素循环合成精氨酸.L-谷氨酸也可以直接还原形成谷氨酸半醛(-lutamatesemialdehyde),后者无须酶的催化可直接环化成二氢吡咯-５-羧酸,以NADP为辅酶,经还原生成L-脯氨酸,可见脯氨酸的五个C原子均来自谷氨酸.４-羟基脯氨酸,不能由脯氨酸直接羟化生成,只能是多肽链中的脯氨酸残基,经脯氨酸-４-单加氧酶催化,以α-酮戊二酸为还原剂,在Fe３＋和抗坏血酸辅助下形成.上一页下一页返回11.3氨基酸合成代谢

另外,谷氨酸半醛在鸟氨酸转氨酶(ornithinetransaminase)作用下可直接生成L-鸟氨酸,然后按照尿素循环路径合成精氨酸.人和动物体内不能合成赖氨酸,植物和细菌体内赖氨酸的合成属于天冬氨酸型,在真菌体内由α-酮戊二酸和乙酰CoA反应,形成同型异柠檬酸,后者经脱氢、脱羧等多步酶促反应形成α-酮己二酸,这个过程类似于三羧酸循环中异柠檬酸到α-酮戊二酸,α-酮己二酸接受谷氨酸的氨基,生成α-氨基己二酸.而后经过两次还原(NADPH),接受一分子谷氨酸形成ε-N-(２-戊二酸)赖氨酸(又称酵母氨酸),最后在脱氢酶作用下脱去α-酮戊二酸生成L-赖氨酸.上一页下一页返回11.3氨基酸合成代谢

11.3.5芳香族氨基酸及组氨酸的生物合成芳香族氨基酸包括苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸,它们的碳骨架来源于糖代谢的中间产物磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和４-磷酸赤藓糖,这两种化合物经几步反应生成莽草酸(shikimicacid).由莽草酸生成芳香氨基酸和其他多种芳香族化合物的过程,称为莽草酸途径(shikimicacidpathway).莽草酸经磷酸化,再与PEP反应,生成分枝酸(chorismicacid).分枝酸可以合成色氨酸,也可以转变为预苯酸(prephenicacid),由预苯酸进一步生成苯丙氨酸和酪氨酸.上一页下一页返回11.3氨基酸合成代谢

组氨酸往往参与酶的活性中心构成,具有特殊的作用,组氨酸的生物合成,曾是生物化学研究的难题,最终在细菌内搞清楚.组氨酸的合成途径非常复杂,以５-磷酸核糖-１-焦磷酸(５-phosphoribosyl-１-pyrophosphate,PRPP)和三磷酸腺苷酸ATP为起始物,经过了１０步特殊的酶促反应.组氨酸中的C３侧链和咪唑环中的两个C原子来自５-磷酸核糖,ATP的腺嘌呤提供了咪唑环的—N.CH—结构,在第五步时由-ln提供了另一个N原子,生成咪唑甘油磷酸,以后又经过脱水、转氨基作用,获得氨基生成L-组胺醇,其α-氨基醇在组胺醇脱氢酶作用下,经两次脱氢(NAD＋)被氧化为羧基,最终合成了组氨酸.上一页下一页返回11.3氨基酸合成代谢

11.3.6氨基酸生物合成的调节氨基酸代谢中主要是氨基酸合成代谢.氨基酸的合成受细胞内蛋白质合成的制约,蛋白质合成不仅要求氨基酸种类齐全、数量充足,也要求各种氨基酸比例适当.因此,细胞基酸合成存在着严格的调控机制.氨基酸合成代谢的调控是在酶水平上进行的,包括对酶活性的调节和酶生成量的调节两个方面.１.酶活性的调节上一页下一页返回11.3氨基酸合成代谢

氨基酸合成代谢中对酶活性的调节是反馈调节(feedbackregulation).反馈调节包括正反馈(positivefeedback)和负反馈(negativefeedback)两种方式,