课件：蛋白质与氨基酸代谢.ppt

第八章 蛋白质的酶促降解及氨基酸代谢,本章着重讨论蛋白质在机体内的降解，以及氨基酸的分解和合成的共同代谢途径。,思考,第一节 蛋白质的酶促降解 第二节 氨基酸的分解 第三节 氨基酸分解产物的转化 第四节 氨的同化及氨基酸的生物合成,第一节 蛋白质的酶促降解,一、蛋白质降解的意义 二、蛋白质的酶促降解 三、蛋白质水解酶的种类和专一性 肽酶（Peptidase） 蛋白酶(Proteinase) 四、细胞内蛋白质降解 溶酶体途径: 无选择地降解蛋白质 泛肽（ubiguitin）途径: 给选择降解的蛋白质加以标记,一、细胞内蛋白质降解的意义,细胞内蛋白质处于不断更新过程中, 蛋白质代谢是十分复杂和受精密控制的过程，代谢速率不仅与生物体的种类、营养状况、环境因素、发育阶段等有关，还与蛋白质的种类有关。细胞内蛋白质降解是有选择性的，对细胞生长发育和适应内外环境变化有重要功能： 清除反常蛋白, 避免其干扰正常的生命活动。 控制短寿命蛋白含量, 如酶和调节蛋白，通过基因表达和降解对其含量进行精确，使细胞代谢井然有序。 此外，生长发育及细胞分化过程中代谢途径的改变，也涉及到酶蛋白的降解。 外源蛋白质的消化吸收。 维持体内氨基酸代谢库。,生物体内，蛋白质处于不断降解不断合成的动态平衡中。蛋白质周转使各种蛋白质得到自我更新，也使细胞中蛋白质组分得到转换，这对于机体新组织细胞形成及机体生长发育有十分重要的意义。 蛋白质的酶促降解是指蛋白质在酶的作用下，肽键水解生成氨基酸的过程。 蛋白质降解产生的氨基酸除用于新蛋白质的合成外，还可进一步降解、氧化或转化为其它氮化物合成前体。所产生的含氮化物是生物体内重要的生理活性物质。,二、蛋白质的酶促降解,水解蛋白质的酶普遍存在于生物体内，按其作用特点分为： 1、肽链内切(endopeptidase)：又称蛋白酶(proteinase)， 水解肽链内部的肽键，对参与形成肽键的氨基酸残基有一 定的专一性。 2、肽链外切酶(expeptidase) ：氨肽酶(aminopeptidase)和 羧肽酶(carboxypepidase)，分别从氨基端和羧基端逐一 地将肽链水解成氨基酸。羧肽酶A优先作用于中性氨基酸 为羧基端的肽键；羧肽酶B则水解以碱性氨基酸为羧基端 的肽键。,三、蛋白质水解酶的种类和专一性,肽酶的种类和专一性,编号 名 称 作 用 特 征,3、4、11,3、4、13,-氨酰肽水解酶,(-aminoacyl peptide hydrolase),作用于多肽链的N-末端,-羧肽水解酶,(-carboxyl peptide hydrolase),作用于多肽链的C-末端,3、4、14,二羧肽水解酶,(depeptide hydrolase),水解二肽,蛋白酶的种类和专一性,编号 名 称 作用特征 实例,3、4、2、1,3、4、2、2,丝氨酸蛋白酶类,(serine pritelnase),活性中心含Ser,3、4、2、3,3、4、2、4,半胱氨酸蛋白酶类,(Thiol pritelnase),活性中心含Cys,天门冬氨酸蛋白酶类,carboxyl(asid) pritelnase,活性中心含Asp,最适pH在5以下,金属蛋白酶类,(metallopritelnase),活性中心含有Zn2+ 、 Mg2+等金属,胰凝乳蛋白酶 胰蛋白酶 凝血酶,木瓜蛋白酶 无花果蛋白酶 菠萝酶,胃蛋白酶 凝乳酶,枯草杆菌蛋白酶 嗜热菌蛋白酶,细胞质膜、细胞溶胶、细胞核、溶酶体和其它细胞内膜系统都存在蛋白质降解活性。参与细胞内蛋白质降解的蛋白酶可分为两类： 相对分子质量较小、专一性较低、催化过程不需要ATP的蛋 白酶和肽酶； 高分子量的多酶复合物，对底物蛋白有高度选择性，催化 蛋白质水解不仅需消耗ATP而且受到严密的调控。 真核细胞质内有两个最重要的蛋白质降解系统：溶酶体系统和泛肽系统。 1.溶酶体系统包括多种在酸性pH下活化的小分子量蛋白酶， 因此又称为酸性系统，主要水解长寿命蛋白质和外来蛋白。 2.泛肽系统在pH=7.2的胞液中起作用，因此又称为碱性系 统，主要水解短寿命蛋白和反常蛋白。,四、 胞内蛋白质降解系统,Hershko, A.等1978年从网织红细胞依赖ATP的蛋白质水解系统中分离出一种热稳定因子，由76个氨基酸组成，后来发现它广泛存在于各类真核细胞，因而命名为泛肽(ubiquitin)。 在泛肽激活酶(E1)、泛肽载体蛋白(E2)和泛肽蛋白连接酶(E3)的共同作用下，泛肽C-端羧基与底物蛋白中赖氨酸残基-氨基形成异肽键，后续泛肽以类似方式连接成串(至少4个)，完成对底物蛋白的多泛肽化标记，形成多泛肽化蛋白。 在同一组织中存在一种E1、数种E2和多种E3，负责识别不同类型的短寿命蛋白和反常蛋白。此外还有一类泛肽C-端水解酶，负责校正错误的泛肽化以及把成串的泛肽水解成单体以备重复利用。 被多泛肽化标记的底物蛋白由26S蛋白酶体(proteasome) 迅速降解成小的肽片段，再由其它肽酶水解成游离氨基酸。,蛋白质降解的泛肽途径,蛋白质降解的泛肽途径,E1-SH,E2-S-,E1-SH,E2-SH,E2-SH,ATP AMP+PPi,E3,多泛肽化蛋白,ATP,26S蛋白酶体,20S蛋白酶体,ATP,19S调节亚基,去折叠,水解,E1：泛肽激活酶 E2：泛肽载体蛋白 E3：泛肽-蛋白质连接酶,（ubiquitin）,第二节 氨基酸的分解与转化,一、氨基酸代谢概况,三、氨基酸的脱羧基作用,二、氨基酸的脱氨基作用,一、氨基酸代谢概况,一、氨基酸代谢概况,食物蛋白质,氨基酸,特殊途径,-酮酸,糖及其代谢中间产物,脂肪及其代谢中间产物,TCA,鸟氨酸循环,NH4+,NH3,CO2,H2O,体蛋白,尿素,尿酸,激素,卟啉,尼克酰氨衍生物,肌酸胺,嘧啶,嘌呤,（次生物质代谢）,CO2,胺,二、氨基酸的脱氨基作用,4、非氧化脱氨基作用,1、氧化脱氨基作用,2、转氨基作用,3、联合脱氨基作用,1、氧化脱氨基作用,氨基酸在酶的催化下脱去氨基生成相应的-酮酸的过程称为氧化脱氨基作用。主要有以下两种类型：,2、转氨基作用,转氨酶 （辅酶：磷酸吡哆醛）,在转氨酶的催化下， -氨基酸的氨基转移到-酮酸的酮基碳原子上，结果原来的-氨基酸生成相应的-酮酸，而原来的-酮酸则形成了相应的-氨基酸，这种作用称为转氨基作用或氨基移换作用。,谷丙转氨酶和谷草转氨酶,谷丙转氨酶（GPT）,谷草转氨酶(GOT),3、联合脱氨基作用,a、转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶作用相偶联,b、转氨基作用与嘌呤核苷酸循环相偶联,转氨基作用和氧化脱氨基作用联合进行的脱氨基作用方式。,（1）概念,（2）类型,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+NADH,-酮酸,-氨基酸,-酮戊二酸,L-谷氨酸,转氨基作用与嘌呤核苷酸循环相偶联,4、非氧化脱氨基作用（自学）,（1）直接脱氨基作用 （2）还原脱氨基作用 （3）水解脱氨基作用 （4）脱水脱氨基作用 （5）氧化还原脱氨基作用,三、氨基酸的脱羧基作用,1、概念,3、脱羧产物的进一步转化（次生物质代谢）,第三节 氨基酸分解产物的转化,一、氨的代谢转变,二、氨基酸碳骨架的转化途径,三、有机胺转化,四、氨基酸与生物活性物质,2019/8/6,27,可编辑,一、氨的代谢转变,1、重新生成氨基酸,2、谷氨酰胺和天冬酰氨的生成,3、尿素的生成尿素循环,4、生成铵盐,谷氨酸的重新生成,谷氨酰胺的生成和利用,+NH2,+H2O,ATP ADP+Pi,谷氨酰胺合成酶,Mg2+,尿 素 的 生 成,（1）概念,（2）总反应和过程,在排尿动物体内由NH3合成 尿素是在肝脏中通过一个循环机制完成的，这一个循环称为尿素循环,尿素的生成,二、氨基酸碳骨架的转化途径,1、重新生成氨基酸 还原氨基化 转氨作用,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 4、一碳单位,氨基酸碳骨架进入三羧酸循环的途径,草酰乙酸,磷酸烯醇式酸,-酮戊二酸,天冬氨酸天冬酰氨,丙酮酸,延胡索酸,琥珀酰CoA,乙酰CoA,乙酰乙酰CoA,苯丙氨酸 酪氨酸 亮氨酸 赖氨酸 色氨酸,丙氨酸 苏氨酸 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 缬氨酸,苯丙氨酸 酪氨酸 天冬氨酸,异亮氨酸 甲硫氨酸 缬氨酸,葡萄糖,柠檬酸,脂肪酸,-酮酸可以转变为糖和脂肪。根据氨基酸代谢的碳骨架，可将氨基酸分为生糖氨基酸和生酮氨基酸两类。 生糖氨基酸可降解为丙酮酸、草酰乙酸、-酮戊二酸、琥珀酰CoA和延胡索酸等糖代谢中间物。 生酮氨基酸在体内能转变为酮体，按脂肪酸途径代谢，其分解产物为乙酰CoA或乙酰乙酸。乙酰CoA可进入脂肪酸合成途径。 20种氨基酸中，只有亮氨酸是纯粹生酮的，异亮氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸是既生酮也生糖的，其它14种氨基酸纯粹是生糖的。,转变为糖和脂肪,一碳基团,-CH=NH 亚氨甲基 H-CO- 甲酰基 -CH2OH 甲醇基 -CH= 次甲基 -CH2- 亚甲基 -CH3 甲基,三、有机胺的转化,四、氨基酸衍生为其他化合物,第 四节 氨的同化及氨基酸的生物合成,一、氨的来源 二、碳架来源 三、氨基酸的生物合成,一、氨基酸的生物合成的氨源 1生物固氮作用 某些微生物，例如与豆科类植物共生的根瘤菌以及自生固氮菌等能将空气中的氮固定还原成氨。固氮酶是一种复杂的多亚基酶（22）, 约220kD，固氮酶催化这一复杂反应： N2 + 8H +8e + 16ATP + 16H2O 2NH3 + H2 + 16ADP +16Pi 2.硝酸盐、亚硝酸盐还原为氨 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，能催化硝酸盐和亚硝酸盐转变成氨： NO3 + NADPH + H NADP + NO2 + H2O NO2 + 3NADPH + 4H 3NADP +H2O + NH3 3氨基酸脱氨基作用产生的氨,二氨基酸的生物合成的碳源 直接碳源是-酮酸。各种氨基酸的碳架不同，其形成过程也不同。有些生物能合成20种氨基酸的全部碳骨架，有些只能部分合成。碳骨架的来源是糖酵解、磷酸戊糖途径和TCA循环的中间物。不同生物利用这些中间物的能力是不同的，因而导致有些生物能合成20种全部氨基酸，有些只能部分合成。 三氨是如何参入到碳骨架上去的 Glu和Gln的合成是氨基酸合成中的最重要的过程 1. 谷氨酸脱氢酶催化NH3参入到-酮戊二酸上生成Glu 该酶催化的反应是可逆的，它催化合成谷氨酸的能力在不同生物中是不同的。在E.coli中，当过量的NH3存在时，该酶主要催化Glu合成。在哺乳动物中，该酶倾向于分解反应。在植物中，该酶的主要作用是催化谷氨酸的氧化脱氨基反应。但在某些特殊的条件下，例如在高NH3浓度下，也能催化-酮戊二酸的还原氨基化，生成谷氨酸。,2.谷氨酰胺合成酶（Glutamine synthetase ,GS）是氨同化重要的酶 Gln是许多生物合成反应的氨基的供体，而且也是NH3的一种贮存形式。GS对氨有很高的亲和力，在低浓度的NH3的存在下即可起催化反应。因此，该酶是氨同化的重要酶。 GS催化的反应是一种消耗Glu的反应。在植物和许多微生物中存在另外一种与谷氨酸合成有关的酶，即谷氨酸合酶（GOGAT），该酶催化谷氨酰胺上的酰胺基转移到-酮戊二酸上，生成两分子的谷氨酸。 3.转氨酶（Aminotransferases ）催化-氨基酸和-酮戊二酸 之间的可逆反应 Glu在氨基酸代谢中是一个关键的中间物。它上面的-氨基可以转移到许多-酮酸上，生成相应的氨基酸。,在氮源（NH3）丰富时，氨的参入可按下面的反应顺序进行（GDH-GS途径） NH4 + -酮戊二酸 + NADPH Glu + NADP + H2O Glu + NH4 + ATP Gln + ADP +Pi 总反应： 2NH4 + -酮戊二酸 + NADPH + ATP Gln + ADP +Pi + NADP 转氨酶和GS催化的氨同化 -酮戊二酸 + Gln Glu + Amino acid Glu + NH4 + ATP Gln + ADP + Pi GS-GOGAT 循环是高等植物和许多微生物同化氨的主要途径 Glu + NH4 + ATP Gln + ADP + Pi Gln + -酮戊二酸 + Reductant 2 Glu + Oxidant 总反应： NH4 + ATP + -酮戊二酸 + Reductant Glu + ADP + Pi + Oxidant,NH3同化成氨基酸的途径,二十种氨基酸的生物合成概况,谷氨酸族,天冬氨酸族,丙氨酸族,丝氨酸族,His 和芳香族,氨基酸生物合成的分族情况,（1）丙氨酸族 丙酮酸 Ala、Val、Leu （2）丝氨酸族 甘油酸-3-磷酸 Ser、Gly、Cys （3）谷氨酸族 -酮戊二酸 Glu、Gln、Pro、Arg （4）天冬氨酸族 草酰乙酸 Asp、Asn、Lys、Thr、Ile、Met （5）组氨酸和芳香氨基酸族 磷酸核糖 His 磷酸赤藓糖+PEP Phe、Tyr、Trp,氨基酸生物合成的调节,(1) 通过终端产物对氨基酸 生物合成的抑制 (2) 通过酶生成量的改变调节 氨基酸的生物合成,氨基酸合成的反馈调控,反硝化作用,氧化亚氮,氨甲酰磷酸,分支酸,脱氧庚酮糖酸-7-磷酸,天冬氨酸,天冬氨酰磷酸,赤藓糖-4-磷酸,脱氢奎尼酸,莽草酸,谷氨酸,磷酸烯醇式丙酮酸