蛋白质酶促降解和氨基酸代谢课件

8蛋白质的酶促降解和氨基酸代谢8.1蛋白质的酶促降解8.2氨基酸的分解与转化8.3由氨基酸衍生其它化合物8.1蛋白质的酶促降解蛋白质的降解是指蛋白质在酶的作用下，使多肽键水解生成氨基酸的过程。8.1.1蛋白水解酶8.1.1.1肽链内切酶和外切酶水解肽键的酶普遍存在于生物体内，包括消化道中消化食物蛋白的蛋白酶，血液中参与血液凝固和溶解血栓的酶以及补体系统，也包括细胞内蛋白酶。蛋白水解酶可按其作用特点分为肽链内切酶(endopeptidase)和肽链外切酶(expeptidase)。几种常见的蛋白水解酶

酶位点（或底物）

胰蛋白酶(Trypsin）Lys,Arg的羧基端 胰凝乳(糜)蛋白酶(Chymotrypsin)Phe,Trp,Tyr的羧基端 胃蛋白酶(Pepsin)Phe,Trp,Tyr的氨基端 氨肽酶(aminopeptidase)肽的氨基端 羧肽酶(carboxypeptidase)肽的羧基端 二肽酶(dipeptidase)二肽 弹性蛋白酶(elastase)各种脂肪族AA形成的肽8.1.1.2丝氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶和金属蛋白酶蛋白酶按其活性部位的结构特征可以分为四类：①丝氨酸蛋白酶类(EC3.4.2.1)活性部位含有Ser残基，受二丙基氟磷酸(DIFP)的强烈抑制。胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶等均属此类。②半胱氨酸蛋白酶(EC3.4.2.2)活性部位含有Cys残基，对于碘乙酸、对-羟基汞苯甲酸等抑制剂十分敏感。植物蛋白酶和组织蛋白酶大多属于此类。8.1.2细胞内蛋白质降解8.1.2.1细胞内蛋白质降解的意义蛋白质与其它细胞组分一样，都处于不断降解和更新的周转过程中。细胞内蛋白质的周转是十分复杂和受到精密控制的过程，周转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。细胞内蛋白质降解对细胞生长发育和适应内外环境变化有重要功能：①基因突变、生物合成误差、自发变性、自由基破坏以及环境胁迫和疾病均可导致反常蛋白的产生，其中有些可以重新恢复成正常蛋白。大多数反常蛋白必须被及时地降解清除，以免干扰正常的生命活动。③维持体内氨基酸代谢库。④防御机制的组成部分。例如高等动物免疫系统的单核吞噬细胞中含有特殊的溶酶体，其中有一系列组织蛋白酶和其它水解酶，可将吞入的病原体、异物等降解和清除。⑤蛋白质前体的裂解加工。8.1.2.2胞内蛋白质降解系统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。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。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。(2004诺贝尔奖：人类细胞对无用蛋白质的“废物处理”过程。）8.1.3.3蛋白质降解的泛肽途径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。

2004年10月16日瑞典皇家科学院将本年度诺贝尔化学奖授予以色列科学家阿龙·切哈诺沃、阿夫拉姆·赫什科和美国科学家欧文·罗斯，以表彰他们在泛素调节的蛋白质降解研究领域中的卓越成就。

泛素调节的蛋白质降解概述

蛋白质的降解是一个精细控制的过程，首先有待降解的蛋白质被一种多肽（称之为泛素）所标记，接着这些蛋白质进入细胞的蛋白酶复合体中，蛋白酶复合体是一个上下有盖的圆桶状酵素，它们如同细胞的垃圾桶，专门负责蛋白质的分解及再循环利用，泛素在这一过程中释出讯号，让蛋白酶复合体分辨出有待降解的蛋白质。泛素的结构与组成

泛素含有76个氨基酸残基,广泛存在于真核生物,目前尚未发现泛素存在于原核生物中，泛素的氨基酸序列极其保守。泛素基因主要编码两种泛素前体蛋白质:一种是多聚泛素,另一种是泛素融合蛋白。泛素化和去泛素化泛素通过E1和E2被激活的过程称为泛素的活化。泛素的活化过程是一个依赖ATP的酶促反应：①首先泛素活化酶(E1)催化泛素C末端的甘氨酸(Gly)形成Ub－腺苷酸中间产物,然后激活的泛素C末端被转移至E1酶内Cys残基的－SH键上,形成高能硫酯键;②含有高能硫酯键的泛素通过转酰基作用使其进一步转移到泛素载体蛋白(E2)特异的Cys残基上,形成E2－Ub巯基酯;E2－Ub巯基酯提供泛素分子,使泛素C端甘氨酸与底物蛋白的Lys残基的氨基形成共价键,由第一个泛素单体与底物蛋白内部的Lys残基的ε氨基结合;

去泛素化作用是泛素化过程的逆转。在真核细胞内已发现多种去泛素化酶,它们能够水解泛素和底物蛋白之间的硫酯键,还能把错误识别的底物从泛素化复合体中释放出来。它们又可以分为两类:（1）泛素羧端水解酶(ubiquitinC-terminalhydrolases(UCHs))：分子量为20～30KD,水解去除和泛素C末端连接的小肽,也参与泛素多聚体产生泛素单体的过程,促进泛素再循环,对泛素系统的正常运行是很有必要的。（2）泛素特异性加工酶(ubiquitin-spicificprote2ases-UBPs/USPs)：分子量大约为100KD,参与去除和解聚底物蛋白质上的多聚泛素键,从而防止多聚泛素在底物蛋白的聚集。26S蛋白酶体由20S蛋白酶体和19S调节亚基组成，20S蛋白酶体包含14个型亚基和14个型亚基，构成四个7聚体(7777)叠成的空桶状结构，两端的7构成了底物进入和产物逸出的通道及19S调节亚基结合部位，中部的77具有多种蛋白酶活性，19S调节亚基至少含有18种蛋白组分，在ATP存在下与20S组成有活性的26S蛋白酶体。黑点表示活性区域，蛋白质降解的场所泛素—蛋白酶体途径介导的蛋白水解过程

由泛素介导的蛋白水解过程,分为2个阶段。第一阶段:多个泛素分子与靶蛋白共价结合。首先,泛素经泛素活化酶E1活化,泛素上76位的Gly与泛素活化酶上特殊的Cys残基形成一个高能硫酯键,并伴有ATP水解;然后,通过转酯作用,泛素从泛素活化酶转移到泛素结合酶E2的Cys上,形成泛素结合酶-泛素；最后,在泛素连接酶E3参与下,泛素又从泛素结合酶转移到受体蛋白(靶蛋白)的Lys残基上,形成泛素-靶蛋白,使靶蛋白发生泛素化。多个泛素分子重复地附加到靶蛋白上,则形成分枝的多Ub链。泛素共有7个Lys残基,在多聚泛素链结构中,其中一个泛素的C-末端Gly与相邻的泛素之间通过Lys48、Lys63或Lys29连接。第二阶段:靶蛋白在26s蛋白酶体的作用下,由泛素介导的蛋白水解过程。经泛素活化的底物蛋白被展平后,通过两个狭孔,进入26s蛋白酶体的催化中心,蛋白降解在20s蛋白酶体内部发生。进入26s蛋白酶体的底物蛋白质被多次切割,最后形成3～22个氨基酸残基的小肽。8.2氨基酸的分解与转化蛋白质降解成的氨基酸可通过脱氨基和脱羧基作用进一步分解。8.2.1脱氨基作用包括氧化脱氨基、转氨脱氨基、联合脱氨基以及非氧化脱氨基和脱酰胺作用等。这是氨基酸主要的转化方式。8.2.1.1氧化脱氨基作用氨基酸在酶的催化下脱去氨基生成相应酮酸的过程，称作氧化脱氨基作用。催化脱氨基的酶有脱氢酶和氧化酶，脱氢酶中最重要的是谷氨酸脱氢酶，以NAD或NADP为辅酶，催化谷氨酸氧化脱氨，生成-酮戊二酸。GludHE催化的反应谷氨酸脱氢酶广泛存在于动植及微生物体内，专一性很强，只作用于谷氨酸。从肝脏中分离的谷氨酸脱氢酶为六聚体，是别构酶，相对分子质量330kD。8.2.1.2转氨基作用转氨基作用是-氨基酸和-酮酸之间的氨基转移反应。-氨基酸的氨基在转氨酶催化下转移到-酮酸的酮基碳原子上，结果使原来的氨基酸生成了相应的-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。催化转氨基作用的酶叫做转氨酶或氨基移换酶。转氨酶广泛存在于生物体内。已经发现的转氨酶至少有50多种。用15N标记的氨基酸证明，除甘氨酸、赖氨酸和苏氨酸外，其余的-氨基酸都可参加转氨基作用，其中以谷丙转氨酶(GPT)和谷草转氨酶(GOT)最重要。所有转氨酶的辅酶都是磷酸吡哆醛。磷酸吡哆醛传递氨基的机理是通过接受氨基酸分子中的氨基而变成磷酸吡哆胺，同时氨基酸变成-酮酸。磷酸吡哆胺再将其氨基转移给另一分子-酮酸生成另一种氨基酸，本身又变成磷酸吡哆醛。转氨酶催化的反应是可逆的，平衡常数为10左右，即反应可向左右两个方向进行。8.2.1.3联合脱氨基作用氨基酸的转氨作用并不能最终使氨基脱掉。同时，氧化脱氨作用也不能满足机体脱氨基的需要。因此一般认为L-氨基酸在体内不是直接氧化脱氨，而是先与-酮戊二酸经转氨作用变为相应的-酮酸和谷氨酸，谷氨酸可通过2种方式氧化脱氨。①转氨酶-谷氨酸脱氢酶的联合脱氨作用通过转氨基作用和氧化脱氨基作用偶联进行的脱氨基作用，所以称为联合脱氨基作用。②转氨酶-嘌呤核苷酸循环联合脱氨作用L-谷氨酸脱氢酶在动物组织如肝、肾等脏器中含量丰富，活力很强。但在心肌、骨肌和脑组织中该酶含量甚少，相反，在这些组织中腺苷酸脱氨酶、腺苷琥珀酸合成酶和腺苷酸琥珀酸裂解酶的含量及活性都很高。因此认为在这些组织中的脱氨基过程主要是嘌呤核苷酸循环的联合脱氨基作用。实验证明，在脑组织中有50％的氨是经过腺嘌呤核苷酸循环产生的。反应可逆，因而也是氨基酸合成的重要途径。8.2.1.4非氧化脱氨基作用微生物中主要进行非氧化脱氨基作用，方式有3种。①还原脱氨基作用在无氧条件下，某些含有氢化酶的微生物能利用还原脱氨基方式使氨基酸脱去氨基。②脱水脱氨基作用丝氨酸和苏氨酸的脱氨基也可经脱水的方式完成，催化该反应的酶以磷酸吡哆醛为辅酶。③由解氨酶催化的脱氨基反应苯丙氨酸解氨酶可催化苯丙氨酸和酪氨酸发生脱氨。8.2.1.5脱酰胺基作用谷氨酰胺和天冬酰胺可在谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶的作用下分别发生脱酰胺基作用而形成相应的氨基酸。谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶广泛存在于微生物和动植物细胞中。在花生种子发芽期，可观察到脱酰胺反应。

8.2.2脱羧基作用8.2.2.1直接脱羧基作用氨基酸在脱羧酶作用下，进行脱羧反应生成胺类化合物。氨基酸脱羧酶广泛存在于动植物和微生物体内，以磷酸吡哆醛作为辅酶。8.2.2.2羟化脱羧基作用酪氨酸在酪氨酸酶的催化下可发生羟化作用而生成3,4-二羟苯丙氨酸，简称多巴(dopa)，它可进一步脱羧生成3,4-二羟苯乙胺，简称多巴胺(dopamine)。8.2.3氨基酸降解产物的去向氨基酸降解时，通过脱氨和脱羧作用生成了各种降解产物，如NH3、-酮酸和胺类等。这些产物在体内进一步发生代谢转变。8.2.3.1氨的代谢转变游离氨对动、植物机体是有毒害作用的，在正常情况下细胞中游离氨浓度非常低。随着根系对氨的吸收和脱氨基作用的进行，细胞不断地将氨转变为无毒(或毒性较小)的化合物。动植物机体内氨的代谢转变主要方式①重新合成氨基酸当组织细胞中碳水化合物代谢旺盛时，氨可与碳水化合物转化成的-酮酸发生氨基化反应重新生成氨基酸。虽然通过脱氨基作用产生的氨再用来合成氨基酸时并不能增加氨基酸的数量，但却能改变氨基酸的种类。②生成谷氨酰胺和天冬酰胺氨可以通过谷氨酰胺合成酶或天冬酰胺合成酶催化生成相应的酰胺，这些酰胺又可以经过谷氨酰胺酶或天冬酰胺酶的作用，将NH3重新释放出来。因此，生成酰胺的形式既是生物体贮藏和运输氨的主要方式，也是解除氨毒的一条主要途径。③生成铵盐有些植物组织中含有大量的有机酸，如异柠檬酸、柠檬酸、苹果酸、酒石酸和草酰乙酸等，氨可以和这些有机酸结合生成铵盐，以保持细胞内正常的pH。8.2.3.2鸟氨酸循环（尿素循环ureacycle)哺乳类动物体内氨的主要去路是在肝脏中合成尿素并随尿排出体外。某些植物如洋蕈、马勃中也能利用氨合成尿素，其含量占干物质重量的10％以上。尿素在部分植物体内起着与谷氨酰胺类似的作用，既能解除氨毒，又是氨的一种贮存形式。由氨合成尿素是通过鸟氨酸循环进行的。在哺乳动物体内，这个过程在肝脏中进行。肝脏中反应从鸟氨酸生成瓜氨酸开始直到精氨酸水解成鸟氨酸和尿素为止，形成了一个鸟氨酸循环。每经过一次循环需要2个氨基(一个来自游离氨，另一个来自天冬氨酸的氨基)和1分子CO2，并生成1分子尿素。由鸟氨酸循环合成一分子尿素需要消耗4个高能磷酸键水解释放的自由能，是一个耗能的过程。尿素易溶于水，毒性较小，在动物肝脏中形成后，即随尿排出体外。高等植物体内也存在着鸟氨酸循环的酶类，如