7动物生物化学-含氮小分子的代谢

1、第7章 含氮小分子的代谢 Metabolism of Small Molecules Containing N本章主要内容 蛋白质的营养作用 氨基酸的一般分解代谢 氨的代谢 -酮酸的代谢和非必需氨基酸的合成 个别氨基酸代谢 核苷酸的合成代谢 核苷酸的分解代谢 反映动物由饲料摄入的N和排出的N（从粪、尿等）之间的关系以衡量机体的蛋白质代谢状况。了解由饲料摄入的蛋白质是否满足机体需要。氮的总平衡：摄入氮量=排出氮量（成年动物）氮的正平衡：摄入氮量排出氮量（生长，妊娠动物）氮的负平衡：摄入氮量排出氮量（营养不良，消耗性疾病，机体损伤等）1.蛋白质的营养作用1.1 饲料蛋白质的生理功能组织细胞的生长、

2、修补和更新转变为生理活性分子氧化供能1.2 氮平衡（nitrogen balance） 对成年动物而言，在糖脂等能源物质供应充分的情况下，为维持N的总平衡所必需提供的蛋白质的量称为蛋白质的最低需要量。蛋白质的最低需要量因动物的品种和生理状况而异,尤其与饲料蛋白的种类有关. 蛋白质的生物学价值 （biological value ） 指饲料蛋白质被动物机体合成组织蛋白质的利用率 必需氨基酸（essential amino acid） 动物体内不能合成或合成量不足而需要由饲料供给的氨基酸。 约有10种，包括苏氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、组氨酸和精氨酸。对雏鸡还

3、有甘氨酸。1.3 蛋白质的最低需要量1.4 蛋白质的生理价值与必需氨基酸 饲料蛋白之所以有不同的生理价值是因为其氨基酸的组成不同，并且主要是其必需氨基酸的种类和比例不同。因为非必需氨基酸是可以通过糖代谢的中间产物在机体中自己合成的。 饲料蛋白的氨基酸组成与动物机体蛋白的氨基酸组成越接近，其生物学价值也越高。如果其必需氨基酸的含量、比例与机体蛋白组成完全一样，则生物学价值达到100。 把不同生物学价值的饲料蛋白质混合使用，其必需氨基酸可以互相补充以提高饲料蛋白质的生理价值，称为蛋白质的互补作用。 1.5 蛋白质的互补作用2 氨基酸的一般分解代谢2.1 动物体内氨基酸的一般代谢概况(主要) 指氨基

4、酸脱去氨基生成相应的-酮酸的过程。 动物的脱氨基作用主要在肝脏和肾脏中进行。 脱氨基方式 氧化脱氨基作用 转氨基作用 联合脱氨基作用2.2 氨基酸的脱氨基作用（deamination）2.2.1 氧化脱氨基作用 动物体内有L-氨基酸和D-氨基酸的氧化酶，它们属于需氧脱氢酶，其辅基分别是FMN和FAD,可以催化氨基酸的氧化脱氨。但是由于L-氨基酸氧化酶的活性低,D-氨基酸氧化酶又缺乏可利用的底物，它们的作用不大。而L-谷氨酸脱氢酶能专一地使L-谷氨酸实现氧化脱氨, 生成-酮戊二酸，且活性强、分布广。 反应如下:2.2.2 转氨作用在转氨酶(transaminase)的催化下，一种氨基酸的-氨基转

5、移到另一种-酮酸的酮基上，生成相应的氨基酸和-酮酸，这种作用称为转氨基作用。转氨酶的辅酶是磷酸吡哆醛。 -酮戊二酸常是氨基的受体而转变成L-谷氨酸。-酮戊二酸+天冬氨酸 谷氨酸+ 草酰乙酸-酮戊二酸+丙氨酸 谷氨酸+ 丙酮酸 谷丙转氨酶 GPT (肝脏)谷草转氨酶 GOT (心肌,肝脏)在临床诊断上有广泛应用的酶GOTGPTA、丙氨酸氨基转移酶（alanine trans-aminase,ALT），又称为谷丙转氨酶（GPT）。催化丙氨酸与-酮戊二酸之间的氨基移换反应，为可逆反应。该酶在肝脏中活性较高，在肝疾病时，由于细胞膜的通透性增高或组织损坏、细胞破裂时，可引起血清中GPT活性明显升高。GP

6、T丙氨酸+-酮戊二酸丙酮酸+谷氨酸谷丙转氨酶B、天冬氨酸氨基转移酶（aspartate transaminase,AST），又称为谷草转氨酶（GOT）。催化天冬氨酸与-酮戊二酸之间的氨基移换反应，为可逆反应。该酶在心肌中活性较高，故在肝、心肌疾患时，血清中GOT活性明显升高。谷草转氨酶COOHCOCH2COOHCOOHCH2CHNH2COOHGOT天冬氨酸+ -酮戊二酸草酰乙酸 + 谷氨酸天冬氨酸草酰乙酸转氨作用氧化脱氨基作用2.2.3 联合脱氨基作用（combinant deamination）（肝、肾）指转氨基作用和氧化脱氨基作用联合反应. 氨基酸与-酮戊二酸经转氨作用生成-酮酸和L-谷氨

7、酸，后者经L-谷氨酸脱氢酶作用脱去氨生成-酮戊二酸。大部分氨基酸的脱氨借助于转氨酶和L-谷氨酸脱氢酶的协同作用或称联合转氨基作用完成。其逆反应也是非必需氨基酸合成的途径。2.2.4 嘌呤核苷酸循环(purine nucleotide cycle) 骨骼肌和心肌中存在的一种氨基酸的联合脱氨基作用氨基酸在脱羧酶的作用下形成胺类的反应。磷酸吡哆醛是脱羧酶的辅酶。生成的胺类常有特殊的生理和药理作用。 2.3 氨基酸的脱羧作用（decarboxylation）（少量氨基酸有此途径）来 源胺 类功 能谷氨酸-氨基丁酸(GABA)抑制性神经递质组氨酸组胺血管舒张剂，促胃液分泌色氨酸5-羟色胺抑制性神经递质，

8、缩血管半胱氨酸牛磺酸形成牛磺胆汁酸，促进脂类消化鸟氨酸、精氨酸腐胺，精胺等促进细胞增殖等胺类的来源与功能但大多数胺类对动物有毒，体内有胺氧化酶，所产生的胺可由胺氧化酶氧化为醛、酸，酸可由尿液排出，也可再氧化为CO2和水。氨的来源 脱氨基作用 嘌呤和嘧啶的分解 饲料添加 肠道细菌分解氨基酸 高水平的血氨是有毒性的，可以引起脑功能紊乱氨的去路 再与-酮酸合成氨基酸 转变成无毒的谷氨酰胺 合成尿素 合成嘌呤,再分解成尿酸排出 直接排氨3.氨的代谢3.1 氨的来源和去路3.2.1 谷氨酰胺的运氨作用 Gln无毒，脑和肌肉组织等可以合成Gln，它是动物血液中最丰富的氨基酸之一，氨的运载体, 积极参与合成

9、代谢。在肾中，Gln在谷氨酰胺酶的作用下释放氨，然后与质子结合随尿排出。3.2 氨的转运脑、肌肉等肝、肾3.2.2 丙氨酸-葡萄糖循环 （alanine-giucose cycle） 丙氨酸也是氨的运载体,它把氨从肌肉运送到肝脏, 脱氨后生成的丙酮酸又异生转变成葡萄糖运回到肌肉 Krebs的实验证据 切除肝脏的狗的血液和尿中的尿素浓度显著下降。 切除狗的肾而保留肝，血液中的尿素浓度显著增加。 同时切除肾和肝脏，狗的血液氨浓度显著上升。 此外，临床上急性肝坏死的患者，血液和尿中几乎不含尿素，而含高浓度的氨。3.3 尿素的合成体内氨的主要代谢去路是用于合成无毒的尿素（哺乳动物）。 合成尿素的主要器

10、官是肝脏，但在肾及脑中也可少量合成。 尿素合成是经称为鸟氨酸循环的反应过程来完成的。催化这些反应的酶存在于胞液和线粒体中。 尿素合成过程氨甲酰磷酸的生成（线粒体中进行）瓜氨酸的生成（线粒体中进行）氨甲酰磷酸是高能化合物，可作为氨甲酰基的供体。在线粒体内进行，由鸟氨酸氨基甲酰转移酶（ornithine carbamoyl trans-ferase,OCT）催化（该酶需生物素作辅基），将氨基甲酰基转移到鸟氨酸的-氨基上，生成瓜氨酸。瓜氨酸形成后就离开线粒体，进入细胞液。关键酶精氨酸的生成（胞液中进行） （氨基供给体）此时Asp的氨基转移到Arg上。来自Asp的碳架被保留下来，生成延胡索酸。延胡索素

11、酸可以经苹果酸、草酰乙酸再生为天冬氨酸，精氨酸的水解和尿素的生成（胞液中进行） 尿素循环的总反应尿素形成后由血液运到肾脏随尿排除。尿素的生成鸟氨酸/精氨酸循环氨甲酰磷酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸精氨酸代琥珀酸鸟氨酸精氨酸延胡索酸草酰乙酸氨基酸谷氨酸-酮戊二酸天冬氨酸ATPAMP+PPiH2O2ATP+CO2+NH3+H2O2ADP+Pi基质线粒体胞液NH2-C-NH2O尿素氨甲酰基转移酶Pi精氨酸代琥珀酸合成酶裂解酶2ATP精氨酸酶特异的鸟氨酸转运系统 尿素合成的小结 尿素的生成是一个耗能的过程。氨甲酰磷酸合成酶I（线粒体)是关键酶。每生成1分子的尿素消耗4个高能磷酸键的能量。尿素分子中的1个氨基来自

12、游离氨，另一个氨基来自天冬氨酸（实际上由其他氨基酸通过转氨作用提供），碳原子来自CO2 尿素循环不仅消除了氨的毒性，也减少了CO2积累造成的酸性，因此对动物有重要的生理意义。 氨在家禽体内也可以合成谷氨酰胺以及用于其他一些氨基酸和含氮物质的合成，但不能合成尿素，而是首先利用氨基酸提供的氨基合成嘌呤，再由嘌呤分解产生出尿酸（详见嘌呤的合成与分解） 尿酸为微溶于水的白色粉状物，可在禽类排泄物中见到。嘌呤合成代谢异常，引起血液尿酸水平过高，在人类导致痛风。3.4 尿酸的生成和排出4 -酮酸的代谢和非必需氨基酸的合成 4.1 -酮酸的代谢碳骨架的氧化（肝脏中）20种氨基酸降解可以产生7种碳骨架，它们分

13、别是异亮氨酸亮氨酸缬氨酸？ 根据氨基酸碳骨架代谢的去向,有的可以异生转变为糖, 有的则转变为酮体,有的则是既生糖又生酮,是兼生的. 生糖氨基酸有 14 种Ser，Gly，Thr，Ala，Cys 代谢转变为丙酮酸Asp，Asn 代谢转变为草酰乙酸Met， Val 代谢转变为琥珀酸Glu，Gln，His，Pro，Arg 代谢转变为-酮戊二酸 生酮氨基酸 2 种Lys 代谢转变为乙酰乙酸Leu 代谢转变为乙酰乙酸和乙酰CoA 生糖生酮兼生氨基酸 4 种Ile 代谢转变为乙酰乙酸和丙酰CoAPhe 代谢转变为乙酰乙酸和延胡索酸Tyr 和 Trp 代谢转变为乙酰乙酸和丙酮酸谷氨酸彻底氧化生成二氧化碳和水

14、，可以生成多少ATP？解析：（1）谷氨酸通过脱氢（由NAD+为氢受体）产生-酮戊二酸，从而进入TCA循环，产生1分子草酰乙酸。在此过程中，产生3个NADH+H+、1个FADH2和1分子GTP，合计共10个ATP。（2）产生的1分子草酰乙酸再经以下途径：草酸乙酸+GTP磷酸烯醇式丙酮酸+GDP+CO2；磷酸烯醇式丙酮酸+ADP烯醇式丙酮酸+ATP烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸再氧化为乙酰CoA,乙酰CoA进入TCA循环彻底氧化为二氧化碳和水。在此过程中共产生4个NADH+H+、1个FADH2和1分子GTP，合计共12.5个ATP。综合（1）和（2），谷氨酸彻底氧化生成二氧化碳和水，可以生成ATP数量为10+12.5=