生物化学教学课件第九章氨基酸代谢2015秋

1、第 九 章氨 基 酸 代 谢Metabolism of Amino Acids,2,主要内容 第三节 氨基酸的一般代谢 1.氨基酸在体内代谢的动态:氨基酸代谢库,氨基酸代谢概况 2.氨基酸的脱氨基作用：氧化脱氨基；转氨基作用；联合脱氨基作用 3.a-酮酸代谢：生成非必需氨基酸；转变成糖和脂肪(生糖、生酮和 生糖兼生酮氨基酸）；氧化供能 第四节 氨的代谢 1.氨的来源和去路 2.氨的转运：丙氨酸-葡萄糖循环；谷氨酰胺的运氨作用 3.尿素的生成：鸟氨酸循环；尿素合成的调节 第五节 个别氨基酸的代谢 1.氨基酸脱羧基作用：g-氨基丁酸、牛磺酸、组胺、5-羟色胺、多胺 2.一碳单位代谢：概念、种类、载

2、体、代谢及意义,3,蛋白质的营养作用Nutritional Function of Protein,第一节,4,一、 体内蛋白质具有多方面的重要功能,（一）维持细胞组织的生长、更新和修补,（二）参与体内多种重要的生理活动,催化（酶）、免疫（抗原及抗体）、运动（肌肉）、物质转运（载体）、凝血（凝血系统）等。,每克蛋白质在体内氧化分解可释放17.19kJ (4.1 kcal)的能量，人体每日18%能量由蛋白质提供。,（三）可作为能源物质氧化供能,5,二、体内蛋白质的代谢状况可用氮平衡描述,氮平衡(nitrogen balance) 摄入食物的含氮量与排泄物（尿与粪）中含氮量之间的关系, 反映体内蛋

3、白质代谢的概况.,氮总平衡：摄入氮 = 排出氮（正常成人）,氮正平衡：摄入氮 排出氮（儿童、孕妇等）,氮负平衡：摄入氮 排出氮（饥饿、消耗性疾病）,蛋白质的生理需要量 成人每日蛋白质最低生理需要量为30g50g，我国营养学会推荐成人每日蛋白质需要量为80g。,6,其余12种aa体内可以合成，称为营养非必需aa. 其中精aa和组aa合成量少，也被作为必需aa. 尿毒症体内合成组aa和酪aa原料缺乏，所以这两种aa对肾病患者也成为必需aa.,三、蛋白质的营养价值,（口诀：借、一、两、本、单、色、书、来）,7,蛋白质的营养价值(nutrition value),蛋白质的营养价值是指食物蛋白质在体内的

4、利用率，取决于必需氨基酸的数量、种类、量质比。例如：动物蛋白含的必需aa种类和人体接近，营养价值高。,蛋白质的互补作用,指营养价值较低的蛋白质混合食用，其必需氨基酸可以互相补充而提高营养价值。,例如：谷类：富含色氨酸，赖氨酸少 豆类：赖氨酸多，色氨酸少,8,第二节 蛋白质的消化、吸收和腐败,Digestion, Absorption and Putrefaction of Proteins,9,一、外源性蛋白质消化和吸收,蛋白质消化的生理意义,由大分子转变为小分子，便于吸收。 消除种属特异性和抗原性，防止过敏、毒性反应。,（一）蛋白质在胃和肠道消化,10,1.在胃中水解成多肽和氨基酸,胃蛋白酶

5、的最适pH为1.5-2.5，对蛋白质肽键的作用特异性较差，主要水解由芳香族氨基酸、蛋氨酸和亮氨酸所形成的肽键，产物主要为多肽及少量氨基酸。,自身激活,11,2、小肠是蛋白质消化的主要部位,内肽酶(endopeptidase)：水解蛋白质肽链内部的一些肽键。如：胰蛋白酶：水解碱性aa的羧基形成的肽键 胰凝乳蛋白酶(糜蛋白酶)：芳香族aa的羧基形成的肽键 弹性蛋白酶：脂肪族aa的羧基形成的肽键,外肽酶(exopeptidase)：自肽链的末段开始，每次水解一个氨基酸残基。 如：羧基肽酶A: 除碱性aa和脯aa以外的aa形成的羧基末端肽键 羧基肽酶B: 碱性aa形成的羧基末端肽键,小肠粘膜C内存在二

6、肽酶和氨基肽酶,12,6肽,肠液中酶原的激活,胰蛋白酶(trypsin),肠激酶 (十二指肠粘膜细胞),胰蛋白酶原,弹性蛋白酶(elastase),弹性蛋白酶原,糜蛋白酶(chymotrypsin),糜蛋白酶原,羧基肽酶(A或B) (carboxypeptidase),羧基肽酶原(A或B),13,蛋白水解酶作用示意图,14,（二）氨基酸吸收,吸收部位：主要在小肠 吸收形式：氨基酸、寡肽、二肽 吸收机制：耗能的主动吸收过程,15,-谷氨酰基循环对氨基酸的转运作用,-谷氨酰基循环过程 (-glutamyl cycle or Meister cycle) ：,谷胱甘肽对氨基酸的转运 谷胱甘肽再合成,

7、部位：小肠粘膜、肾小管细胞、脑组织,16,氨基酸吸收载体,载体蛋白与氨基酸、Na+组成三联体，转入细胞内，由ATP供能，Na+再由钠泵排出细胞。,七种转运蛋白 (小肠粘膜、肾小管细胞、肌细胞),中性氨基酸转运蛋白 酸性氨基酸转运蛋白 碱性氨基酸转运蛋白 亚氨基酸转运蛋白 b-氨基酸转运蛋白 二肽转运蛋白 三肽转运蛋白,17,(-谷氨酰基循环：小肠粘膜、肾小管细胞、脑组织),18,利用肠粘膜细胞上的二肽或三肽转运体系 此种转运也是耗能的主动吸收过程 吸收作用在小肠近端较强,肽的吸收,19,蛋白质的腐败作用(putrefaction),腐败作用的产物大多有害 如：胺、氨、苯酚、吲哚、硫化氢等； 也

8、可产生少量的脂肪酸及维生素等可被机体利用的物质。,（三）蛋白质在肠道发生腐败作用,肠道细菌对未被消化的蛋白质及其消化产物所起的作用。,20,1. 肠道细菌通过脱羧基作用产生胺类,通过肝脏转化成无毒的形式排出体外,21,某些物质结构(如苯乙醇胺，-羟酪胺）与神经递质（如儿茶酚胺）结构相似，可取代正常神经递质从而影响脑功能，称假神经递质。,假神经递质(false neurotransmitter),儿茶酚胺,22,2. 肠道细菌通过脱氨基或尿素酶的作用产生氨,降低肠道pH，NH3转变为NH4+以胺盐形式排出，可减少氨的吸收，这是酸性灌肠的依据。,23,3.腐败作用产生其它有害物质,正常情况下，上述

9、有害物质大部分随粪便排出，只有小部分被吸收，经肝的代谢转变而解毒，故不会发生中毒现象。,24,第三节氨基酸的一般代谢 General Metabolism of Amino Acids,25,（一）体内蛋白质的降解与合成处于动态平衡. 蛋白质的降解速率(每天约1%-2%) 半衰期：体内蛋白质降低其原浓度一半所需要的时间（t1/2） 不同的蛋白质降解速率不同：胆固醇合成的关键酶0.5-5h 血浆蛋白质：约10天 结缔组织：约180天 蛋白质更新的生理意义 1.蛋白质的转换速度直接影响代谢过程与生理功能。 2.异常或损伤的蛋白质通过更新被清除。,一、体内蛋白质分解,26,溶酶体内的ATP-非依赖途

10、径 溶酶体:含有多种蛋白酶-组织蛋白酶。 对蛋白的选择性较差：细胞外来的蛋白 膜蛋白 细胞内长寿命蛋白 蛋白酶体内的ATP-依赖途径 蛋白酶体：细胞核和胞浆内，蛋白复合物。 依赖泛素(ubiquitin)；依赖ATP；蛋白酶体(proteasome) 对蛋白的选择性：异常蛋白 短寿命蛋白,（二） 真核生物中蛋白质的降解,27,泛素(ubiquitin),76个氨基酸组成的多肽(8.5kD) 普遍存在于真核生物而得名 一级结构高度保守,28,1.泛素化（ubiquitination） 泛素与被选择降解的蛋白质形成共价连接，使被标记并激活。 包括三种酶参与的3步反应，并需消耗ATP。2. 蛋白酶体

11、（proteasome） 多种蛋白质构成的极大复合体，作用是对泛素化的蛋白质进行降解。,泛素介导的蛋白质降解过程,29,E1：泛素活化酶 E2：泛素携带蛋白 E3：泛素蛋白连接酶,+,HS-E1,ATP,AMP+PPi,HS-E2,被降解蛋白质,C,O,E3,泛素化过程,泛素,HS-E1,HS-E2,HS-E2,30,多聚泛素化修饰的靶蛋白(如变性、错误折叠或过量表达的蛋白质以及细胞中的许多调控蛋白)被蛋白酶体降解,31,32,泛素介导的蛋白质降解过程：,E1：泛素活化酶 E2：泛素携带蛋白 E3：泛素蛋白连接酶,33,泛素连接酶E3-识别靶蛋白的机制,识别靶蛋白的特定Lys残基 特定位点的磷

12、酸化并且要达到一定的磷酸化阈值 识别靶蛋白N端的不稳定氨基酸(N.end规则) 若N端第一个氨基酸是Ile、Leu、Phe、Arg、Trp、Tyr、Lys和His等时此蛋白质为不稳定蛋白质)，然后将泛素连接到靶蛋白特定或非特定的Lys残基的侧链的氨基上。,34,二、氨基酸代谢概况,35,外源性氨基酸和内源性氨基酸组成氨基酸代谢库 食物蛋白经消化被吸收的氨基酸 （外源性氨基酸）与体内组织蛋白降解产生的氨基酸及体内合成的非必需氨基酸（内源性氨基酸）混在一起，分布于体内各处，参与代谢，称为氨基酸代谢库。,氨基酸代谢库 (metabolic pool),氨基酸分布：体内分布不均匀。 主要功能：合成蛋白

13、质 转变成含氮类物质,36,三、氨基酸的脱氨基作用,定义 指氨基酸脱去氨基生成相应-酮酸的过程。,脱氨基方式,转氨基作用 氧化脱氨基 嘌呤核苷酸循环,转氨基和氧化脱氨基偶联 转氨基和嘌呤核苷酸循环偶联,联合脱氨基,37,（一）转氨基作用(transamination) 在转氨酶(transaminase)的作用下，某一氨基酸的-氨基转移到另一种-酮酸的羰基上，生成相应的氨基酸；原来的氨基酸则转变成相应的-酮酸，此反应称为转氨基作用。,38,反应通式,体内各组织都有转氨酶 都是由专一的转氨酶催化 大多数氨基酸可参与转氨基作用 赖氨酸、苏氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸除外 所有反应都是可逆的 既是氨基酸的

14、合成代谢也是分解代谢,39,谷氨酸+丙酮酸,a-酮戊二酸+丙氨酸,谷氨酸+草酰乙酸,a-酮戊二酸+天冬氨酸,GPT or ALT,GOT or AST,谷丙转氨酶：glutamic pyruvic transaminase, GPT 丙氨酸转氨酶：alanine transaminase, ALT谷草转氨酶：glutamic oxaloacetic transaminase, GPT天冬氨酸转氨酶：aspartate transaminase, AST,40,正常人各组织GOT及GPT活性 (单位/克湿组织),血清转氨酶活性，临床上可作为疾病诊断和预后的指标之一 血中正常参考值：GPT5-35

15、U/L；GOT:5-40U/L,42,43,氨基酸在氧化酶的作用下，发生氧化反应的同时脱去氨基。 催化酶：L-氨基酸氧化酶(活性低、肝、肾组织） （需氧脱氢酶，FMN，FAD， 产物：-酮戊二酸+H2O2+NH+4） D-氨基酸氧化酶(活性低、D-aa含量少） L-谷氨基酸脱氢酶（不需氧脱氢酶）,2. 氧化脱氨基作用(oxidative deamination),44,L-谷氨酸氧化脱氨基作用,存在于肝、脑、肾中 辅酶为 NAD+ 或NADP+ GTP、ATP为其抑制剂 GDP、ADP为其激活剂,L-谷氨酸脱氢酶 (6个相同的亚基),45,3. 嘌呤核苷酸循环（心肌和骨骼肌肉）,心肌，骨骼肌,

16、46,4. 联合脱氨基作用,转氨基作用与其它脱氨基方式联合作用，使氨基酸脱下-氨基生成-酮酸的过程。,2. 类型, 转氨基偶联氧化脱氨基作用,1. 定义, 转氨基偶联嘌呤核苷酸循环,47, 转氨基偶联氧化脱氨基作用 （肝、肾、脑）,氨基酸,谷氨酸,-酮酸,-酮戊二酸,H2O+NAD+,转氨酶,此种方式既是氨基酸脱氨基的主要方式，也是体内合成非必需氨基酸的主要方式。 主要在肝、肾、脑组织进行。,48,氨基酸,a-酮酸,氨,氨基酸的脱氨基作用,49,经氨基化或转氨基作用生成非必需氨基酸 转变成糖和脂类 氧化供能,二、-酮酸的代谢,50,降解产物：乙酰乙酸 乙酰CoA 丙酮酸 -酮戊二酸 琥珀酸Co

17、A 延胡索酸 草酰乙酸,生糖氨基酸,生酮氨基酸,生糖兼生酮氨基酸, 转变成糖和脂类,使用四氧嘧啶破坏犬的胰岛-细胞，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，观察尿中产物变化。,51,氨基酸与糖及脂肪代谢的联系,53,第四节氨 的 代 谢,Metabolism of Ammonia,54,概 述： 氨是机体正常代谢产物，具有毒性，脑组织尤为敏感； 正常人血氨浓度：47-65mol/L。,55,一、血氨的来源与去路,1. 血氨的来源, 氨基酸脱氨基作用产氨是血氨主要来源 胺类的分解也可以产生氨, 肠道吸收的氨, 肾小管上皮细胞分泌的氨主要来自谷氨酰胺,56,2. 血氨的

18、去路, 在肝内合成尿素，这是最主要的去路, 合成非必需氨基酸及其它含氮化合物, 合成谷氨酰胺（脑、骨骼肌）, 肾小管泌氨,分泌的NH3在酸性条件下生成NH4+，随尿排出。,运到肝肾,57,二、氨的转运,1. 丙氨酸-葡萄糖循环(alanine-glucose cycle),反应过程,丙 氨 酸,葡 萄 糖,肌肉 蛋白质,氨基酸,NH3,谷氨酸,-酮戊 二酸,丙酮酸,糖酵解途径,肌肉,丙氨酸,血液,丙氨酸,葡萄糖,-酮戊二酸,谷氨酸,丙酮酸,NH3,尿素,尿素循环,糖异生,肝脏,丙氨酸-葡萄糖循环,葡萄糖,目 录,59,2. 谷氨酰胺的运氨作用,反应过程,在脑、肌肉合成谷氨酰胺，运输到肝和肾后再

19、分解为氨和谷氨酸，从而进行解毒。,60,三、尿素的生成,（一）生成部位 主要在肝细胞的线粒体及胞液中。,（二）生成过程,尿素生成的过程由1932年德国科学家Krebs提出，称为鸟氨酸循环(orinithine cycle)，又称尿素循环(urea cycle)或Krebs- Henseleit循环。,61,1. 氨基甲酰磷酸的合成（线粒体）,62,2. 瓜氨酸的合成（线粒体）,鸟氨酸氨基甲酰转移酶,H3PO4,+,氨基甲酰磷酸,63,+,天冬氨酸,3. 精氨酸代琥珀酸,3. 精氨酸代琥珀酸生成（胞液中）,64,精氨酸,延胡索酸,精氨酸代琥珀酸裂解酶,精氨酸代琥珀酸,4. 精氨酸的合成（胞液中）

20、,65,5. 精氨酸水解生成尿素（胞液中）,尿素,鸟氨酸,精氨酸,67,（三）尿素循环小结,原料：2 分子氨，一个来自于游离氨 另一个来自天冬氨酸. 过程：2步在线粒体中进行，3步在胞液中进行. 耗能：3个ATP，4个高能磷酸键. 反应不可逆.,68,（四）尿素生成的调节,1.食物蛋白质的影响,高蛋白膳食 合成,低蛋白膳食 合成,2.CPS-的调节:启动时的限速酶 AGA是激活剂； 精氨酸是AGA合成酶的激活剂,3.尿素合成启动后的限速酶,精氨酸代琥珀酸合成酶,69,血氨浓度升高称高血氨症(hyperammonemia),高血氨症时可引起脑功能障碍，称氨中毒(ammonia poisoning

21、).,（四）尿素合成障碍可引起高血氨症与氨中毒,常见于肝功能严重损伤或尿素合成相关酶的遗传缺陷。,氨中毒的可能机制,渗透压 脑水肿,70,第五节 个别氨基酸的代谢,Metabolism of Individual Amino Acids,71,一、氨基酸脱羧基作用,脱羧基作用(decarboxylation),72,（一）-氨基丁酸 (-aminobutyric acid, GABA),L- 谷氨酸脱羧酶:在肾和脑中活性最高 GABA是抑制性神经递质，强中枢神经抑制性氨基酸,具有镇静、催眠、抗惊厥、降血压的生理作用,73,（二）牛磺酸(taurine),牛磺酸是结合胆汁酸的组成成分,L-半胱氨

22、酸,磺酸丙氨酸,牛磺酸,磺酸丙氨酸脱羧酶,CO2,氧化,74,（三）组胺 (histamine),组胺是强烈的血管舒张剂； 可增加毛细血管的通透性； 可使平滑肌收缩引起支气管哮喘； 刺激胃蛋白酶及胃酸的分泌。,75,（四）5-羟色胺 (5-hydroxytryptamine, 5-HT),脑内5-HT作为神经递质，起抑制作用； 在外周组织有收缩血管的作用。,76,（五）多胺(polyamines),鸟氨酸,腐胺,S-腺苷甲硫氨酸 (SAM ),脱羧基SAM,鸟氨酸脱羧酶,CO2,SAM脱羧酶,CO2,精脒 (spermidine),丙胺转移酶,5-甲基-硫-腺苷,精胺 (spermine),多

23、胺是调节细胞生长的重要物质。在生长旺盛的组织（如胚胎、再生肝、肿瘤组织）含量较高。 限速酶鸟氨酸脱羧酶。 血中或尿中鸟氨酸脱羧酶、多胺是肿瘤的诊断指标。,77,种类,某些氨基酸代谢过程中产生的只含有一个碳原子的基团，称为一碳单位(one carbon unit)。,二、一碳单位(one carbon unit),78,一碳单位主要来源,丝氨酸,N5, N10CH2FH4,甘氨酸,N5, N10CH2FH4,组氨酸,N5CH=NHFH4,色氨酸,N10CHOFH4,丝氨酸羟甲基转移酶,甘氨酸,甘氨酸裂解酶,CO2+ NH3,亚氨甲基转移酶酶,谷氨酸,N10CHOFH4合成酶,79,一碳单位的互相

24、转变 不同形式的一碳单位可通过氧化还原反应互相转变。,N10CHOFH4,N5, N10=CHFH4,N5, N10CH2FH4,N5CH3FH4,N5CH=NHFH4,H+,H2O,NADPH+H+,NADP+,NADPH+H+,NADP+,NH3,80,一碳单位的载体,FH4的生成,81,FH4携带一碳单位的形式,（一碳单位通常是结合在FH4分子的N5、N10位上）,N5CH3FH4,N5、N10CH2FH4,N5、N10=CHFH4,N10CHOFH4,N5CH=NHFH4,82,83,磺胺药：对抗对氨基苯甲酸、抑制细菌叶酸的合成。 氨甲喋呤：和喋呤结构相似，抑制叶酸和四氢叶酸的合成，而抗肿瘤。,84,三、