生物化学蛋白质的酶促降解和氨基酸的代谢

生物化学蛋白质的酶促降解和氨基酸的代谢第1页/共81页第一节蛋白质的酶促降解第二节氨基酸的分解与转化第三节氮素循环第四节生物固氮的生物化学第五节硝酸还原作用第六节氨的同化第七节氨基酸的生物合成第2页/共81页第一节蛋白质的酶促降解

蛋白质的降解是指蛋白质在酶的作用下．使肽键发生水解生成氨基酸的过程。一、蛋白水解酶1.肽链内切酶和外切酶（作用特点）肽链内切酶又称蛋白酶，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。肽链外切酶包括氨肽酶和羧肽酶，分别从氨基端和羧基端逐一地将肽链水解成氨基酸。第3页/共81页第4页/共81页2.蛋白酶的种类和专一性（结构特征）编号名称作用特征实例3、4、2、13、4、2、2丝氨酸蛋白酶类(serinepritelnase)活性中心含Ser3、4、2、33、4、2、4半胱氨酸蛋白酶类(Thiolpritelnase)活性中心含Cys天冬氨酸蛋白酶类[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第5页/共81页3.消化道内几种蛋白酶的专一性（Phe.Tyr.Trp）（Arg.Lys）（脂肪族）胰凝乳蛋白酶胃蛋白酶弹性蛋白酶羧肽酶胰蛋白酶氨肽酶羧肽酶（Phe.Trp）第6页/共81页二、细胞内蛋白质降解1.细胞内蛋白质降解的意义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。②短寿命蛋白虽然不到总蛋白的10％，但却包括许多代谢途径的限速酶，控制细胞周期和细胞分化、细胞增殖的蛋白质，调节基因表达的转录因子等，具有十分重要的生理功能。由于它们的半寿期很短，便于通过基因表达和降解对其含量进行精确、快速的调控。另外，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。③维持体内氨基酸代谢库。④防御机制组成部分。⑤蛋白质前体的裂解加工。另外，为了有效地利用转基因技术生产有价值的蛋白质，也需要了解细胞内蛋白质降解机制，以免这些外来蛋白被转基因生物破坏。第7页/共81页2.胞内蛋白质降解系统参与细胞内蛋白质降解的蛋白酶大致可分为两类：一类是相对分子质量较小、专一性较低、催化过程不需要ATP的蛋白酶和肽酶；另一类是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。第8页/共81页细胞质内有两个最重要的蛋白质降解系统：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；泛肽系统则在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。第9页/共81页3.蛋白质降解的泛肽途径E1-S-E1-SHE2-S-E1-SHE2-SHE2-SHATPAMP+PPiE3多泛肽化蛋白ATP26S蛋白酶体20S蛋白酶体ATP19S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-蛋白质连接酶泛肽第10页/共81页第二节氨基酸的分解与转化

一、氨基酸的来源与去路二、氨基酸的脱氨基作用三、氨基酸的脱羧基作用四、氨基酸降解产物的去向五、由氨基酸衍生的其他化合物第11页/共81页一、氨基酸的来源和去路

第12页/共81页二、氨基酸的脱氨基作用

4、非氧化脱氨基作用5、脱酰胺基作用1、氧化脱氨基作用

2、转氨基作用3、联合脱氨基作用第13页/共81页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α-酮酸的过程称为氧化脱氨基作用。主要有以下两种类型：

α-氨基酸

氨基酸氧化酶（FAD、FMN）α-酮酸

R-CH-COO-

NH+3

|

R-C-COO-+NH3O||H2O+O2H2O2

L-谷氨酸脱氢酶+H2O+NH3NAD(P)+NAD(P)H+H+COOHCH2CH2C=OCOOHCOOHCH2CH2CHNH2COOH谷氨酸α-酮戊二酸第14页/共81页2、转氨基作用

α-氨基酸1

R1-CH-COO-

NH+3

|α-酮酸1

R1-C-COO-O||

R2-C-COO-O||α-酮酸2

R2-CH-COO-

NH+3

|α-氨基酸2转氨酶（辅酶：磷酸吡哆醛）

在转氨酶的催化下，α-氨基酸的氨基转移到α-酮酸的酮基碳原子上，结果原来的α-氨基酸生成相应的α-酮酸，而原来的α-酮酸则形成了相应的α-氨基酸，这种作用称为转氨基作用或氨基移换作用。第15页/共81页

要点：①反应可逆。②体内除Lys、Gly、Thr、Pro和羟脯氨酸外，大多数氨基酸都可进行转氨基作用。③转氨酶均以磷酸吡哆醛为辅酶。磷酸吡哆醛是VB6的衍生物。反应中起传递氨基的作用。第16页/共81页谷丙转氨酶和谷草转氨酶谷丙转氨酶（GPT）谷草转氨酶(GOT)第17页/共81页磷酸吡哆醛的作用机理第18页/共81页3、联合脱氨基作用

（1）概念（2）类型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。第19页/共81页转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶作用相偶联转氨酶L-谷氨酸脱氢酶H20+NAD(P)+NH3+NAD(P)Hα-酮酸α-氨基酸α-酮戊二酸L-谷氨酸第20页/共81页转氨基作用与嘌呤核苷酸循环相偶联

α-氨基酸α-酮酸α-酮戊二酸谷氨酸草酰乙酸天冬氨酸腺苷酰琥珀酸苹果酸延胡索酸腺苷酸次黄苷酸第21页/共81页4、非氧化脱氨基作用（1）还原脱氨基作用第22页/共81页（2）脱水脱氨基作用(脱水酶以磷酸吡哆醛为辅酶)（3）由解氨酶催化的脱氨基作用（光照可激活酶）第23页/共81页5.脱酰胺基作用第24页/共81页三、氨基酸的脱羧基作用

1、概念

氨基酸在脱羧酶的作用下脱掉羧基生成相应的一级胺类化合物的作用。脱羧酶的辅酶为磷酸吡哆醛。直接脱羧胺羟化脱羧羟胺

2、类型:第25页/共81页直接脱羧基作用第26页/共81页羟化脱羧基作用

酪氨酸酶是一种含铜酶。多巴进一步氧化后形成聚合物黑素。在植物体内，由多巴和多巴胺可形成生物碱。第27页/共81页四、氨基酸降解产物的去向（一）氨的代谢转变（二）鸟氨酸循环（尿素循环）（三）-酮酸的代谢转变第28页/共81页（一）、氨的代谢转变1、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、谷氨酰胺和天冬酰氨的生成

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.生成铵盐保持细胞内正常的PH第29页/共81页（二）、尿素循环（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。NH3+CO2+3ATP+天冬氨酸+2H2ONH2-CO-NH2+

2ADP+

AMP+2PPi+延胡索酸第30页/共81页鸟氨酸循环氨基酸谷氨酸谷氨酸氨甲酰磷酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸精氨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+2Pi基质线粒体胞液NH2-C-NH2O尿素第31页/共81页尿素循环氨基酸谷氨酸谷氨酸氨甲酰磷酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸精氨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2ADP+Pi2ATP+CO2+NH3+H2O1细胞溶液线粒体NH2-C-NH2O尿素-酮戊二酸-酮戊二酸H2N-C-PO2345第32页/共81页

植物体含有脲酶，尤其是在豆科植物种子中脲酶活性较大，能专一地催化尿素水解并放出氨，反应式如下：第33页/共81页（三）、氨基酸碳骨架的转化途径1、再氨基化生成氨基酸2、转变成糖或脂肪生糖氨基酸可降解为：丙酮酸、草酰乙酸、α-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．经脂肪酸途径代谢,其分解产物为乙酰coA或乙酰乙酸。纯粹生酮：亮氨酸既生酮也生糖：异亮氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸纯粹生糖：其它14种氨基酸的。3、氧化供能生成CO2和H2O第34页/共81页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丙酮酸-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异亮氨酸甲硫氨酸缬氨酸葡萄糖柠檬酸第35页/共81页第36页/共81页琥珀酰CoA延胡索酸草酰乙酸α-酮戊二酸柠檬酸乙酰CoA丙酮酸PEP磷酸丙糖葡萄糖或糖原糖α-磷酸甘油脂肪酸脂肪甘油三酯乙酰乙酰CoA丙氨酸半胱氨酸丝氨酸苏氨酸色氨酸异亮氨酸亮氨酸色氨酸天冬氨酸天冬酰胺苯丙氨酸酪氨酸异亮氨酸蛋氨酸丝氨酸苏氨酸缬氨酸酮体亮氨酸赖氨酸酪氨酸色氨酸苯丙氨酸谷氨酸精氨酸谷氨酰胺组氨酸缬氨酸CO2CO2氨基酸、糖及脂肪代谢的联系TAC第37页/共81页五、由氨基酸衍生的其他化合物1、多胺

多胺是生物体在代谢过程中产生的具有生物活性的低分子量的脂肪含氮碱。多胺的功能：①多胺的积累可增加细胞间渗透物质浓度，调节水分丢失：②腐胺可作为细胞pH缓冲剂，也可能有助于H+或其它阳离子通过质膜；③更重要的是多胺可抑制RNase和蛋白酶活性，这两种酶与各种胁迫对细胞引起的伤害与衰老有密切关系。因此，多胺能保护质膜和原生质免于自发的或外界伤害引起的分解破坏。第38页/共81页2、生氰糖苷

生氰糖苷是植物特有的含N化合物，其是α-羟基腈的碳水化合物的衍生物，也叫氰醇的糖苷。

许多植物都能合成产生氢氰酸的生氰糖苷。在活植物中，由于这种生氰糖苷和能催化它们水解的酶在空间上被分隔开来．所以，对植物并无毒害作用。第39页/共81页3、生物碱

生物碱是一类碱性的植物次生代谢产物，很多有药理作用。真生物碱：具有含氮杂环的生物碱原生物碱：没有含氮杂环的生物碱。绝大多数生物碱的生物合成前体物质是氨基酸。生物碱的功能：1.植物体内的生物碱能作为防止它种生物危害的保护剂或威慑剂，从而具有重要的生态学功能。2.它可以作为生长调节剂，特别是作为种子萌发的抑制剂；3.由于生物碱大都具有螯合能力，在细胞内可帮助维持离子平衡；4.生物碱能作为植物的含氮分泌物；5.它们可作为植物体内贮存氮的化合物。第40页/共81页4、由氨基酸衍生的植物激素和动物激素

高等植物体内由氨基酸衍生的植物激素主要是生长素类和乙烯。高等动物激素多数为多肽和蛋白质类，但有一些由氨基酸衍生来。第41页/共81页5、由氨基酸衍生的辅酶生物体内的许多辅酶或辅基都具有核苷酸和含氮杂环的分子结构。这些核苷酸和含氮杂环又大都由氨基酸衍生或作为前体物质合成。6、卟啉类色素的生成生物体内重要的卟啉衍生物是与铁或镁螯合形成的金属卟啉。铁卟啉类色素生物合成的前体物质是甘氨酸和琥珀酰辅酶A。镁卟啉类合成的前体是谷氨酸。第42页/共81页7、木质素的生物合成

木质素是一类化合物的集合名称，并不是一种特定的物质。木质素的结构单位香豆醇、松柏醇和芥子醇等，其常以糖苷形式储存，一旦需要合成木质素，它们便从糖苷中释放出来自发地进行聚合反应以形成木质素分子。由于这种聚合过程不是酶促反应，各种游离基的聚合又是随机的，这就使得木质素分子的结构非常复杂。8、儿茶酚类和黑色素植物体内的酚类化合物包括简单的酚、酚酸、酚丙烷、丹宁、木脂素、黑色素类和木质素。常见的酚有对羟基醌、儿茶酚、间苯三酚等。动物体内的黑素，一般称为真黑素，因为动物黑素含有氮，而植物体的儿茶酚黑素不含氮。动物黑素是由酪氨酸的衍生物吲哚—5，6—醌聚合形成的。第43页/共81页第三节自然界的氮素循环硝酸盐亚硝酸NH3生物固氮工业固氮固氮生物动植物硝酸盐还原大气固氮大气氮素岩浆源的固定氮火成岩反硝化作用氧化亚氮蛋白质入地下水动植物废物死的有机体第44页/共81页第四节生物固氮的生物化学一、生物固氮的概念

生物固氮是微生物、藻类和与高等植物共生的微生物通过自身的固氮酶复合物把分子氮变成氨的过程。

自然界通过生物固氮的量且可达每年1011kg，约占地球上的固氮量的60％，闪电和紫外辐射固定氮约15％，其余为工业固氮。6e-第45页/共81页二、固氮生物的类型

1．自生固氮微生物是指独立生活时能使气态氮固定为NH3的少数微生物。它们固氮有两种方式：

第一种方式是利用光能还原氮气。如鱼腥藻、念球藻，固氮过程与还原CO2类似。蓝藻固氮是在异型细胞里进行，因为固氮过程要求无氧条件。另一些微生物如红螺菌、红色极毛杆菌、绿杆菌等也能利用光能从硫、硫化物、氢或有机物取得电子进行固氮。

第二种方式是利用化学能固氮。如好气性固氮菌、贝氏固氮菌及厌气的巴斯德梭菌和克氏杆菌等。

第46页/共81页2共生固氮微生物

如与豆科植物共生固氮的根瘤菌，其专一性强，不同的菌株只能感染一定的植物，形成共生的根瘤。在根瘤中植物为固氮菌提供碳源，而细菌利用植物提供的能源固氮，为植物提供氮源，形成一个很好的互利共生体系。第47页/共81页三、固氮酶复合物

生物固氮过程由固氮酶复合物完成。1.固氮酶复合物由两种蛋白组分构成：

还原酶，它提供具有高还原势的电子；二聚体、含Fe和S，形成[Fe4S4]簇固氮酶，它利用还原酶提供的高能电子还原N2成NH4+。四聚体（α2β2），含Mo、Fe和S第48页/共81页2.作用机理：3.生物固氮的总反应式：第49页/共81页四、生物固氮所需的条件①充分的ATP供应。豌豆根系固氮细菌消耗植株ATP产量的近五分之一；②需要很强的还原剂。高还原势电子来自还原型铁氧还蛋白，其是光合链的电子载体。铁氧还蛋白的再生或来自光合作用，或来自氧化过程；③需要厌氧环境，固氮酶对氧十分敏感，只有在严格的厌氧条件下才能固氮。豆红蛋白第50页/共81页五、固氮过程的氢代谢

1．固氮酶的放氢反应

固氮的同时还原氢，这一反应需要ATP，CO不能抑制。

2．氢酶的放氢反应

氢酶也是一种铁硫蛋白，这一反应不需要ATP，受CO抑制。3.吸氢酶催化H2的氧化作用产物为H2O．并伴有ATP生成，反应受KCN抑制。第51页/共81页第五节硝酸还原作用

硝酸还原作用的化学本质植物体内由硝酸还原成氨的总反应式如下:NH+4NO-32e-6e-硝酸还原酶亚硝酸还原酶NO-2第52页/共81页一、硝酸还原酶（硝酸盐和光照可诱导其活性）a、铁氧还蛋白——硝酸还原酶b、NAD(P)H-硝酸还原酶+++NO-3H2O2Fd还原态2H+NO-22Fd氧化态+++++H2ONAD(P)HH+NO-2NAD(P)+NO3-第53页/共81页二、亚硝酸还原酶2H2Oa、铁氧还蛋白——亚硝酸还原酶NO-2+6Fd还原态+8H+NH+4+6Fd氧化态+2H2Ob、NAD(P)H——亚硝酸还原酶NO-2+3NAD(P)H++NH+4+3NAD(P)++5H+调控：光照对亚硝酸还原有促进作用当植物缺铁时，亚硝酸的还原即受阻。亚硝酸还原时需要氧，因而在厌氧条件下，亚硝酸的还原会受到阻碍。第54页/共81页第六节氨的同化一、谷氨酸合成1.谷氨酰胺合成酶

谷氨酰胺合成酶催化谷氨酸和氨反应形成谷氨酰胺，此酶对NH3有高亲和性，完成反应还需ATP水解提供的能量。形成谷氨酰胺既是氨同化的一种方式，又可消除过高氨浓度带来的毒害，还可作为氨的供体，用于谷氨酸的合成。可见，在谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶的共同作用下，可由一分子氨和一分子—酮戊二酸净合成一分子谷氨酸。第55页/共81页第56页/共81页2、谷氨酸脱氢酶

谷氨酸脱氢酶存在于所有生物体内．但对氨同化来说，谷氨酸脱氢酶的作用不甚重要，它主要参与氨基酸的降解代谢。第57页/共81页二、氨甲酰磷酸

同化氨的另一途径是氨甲酰磷酸的形成。在植物体内，氨甲酰磷酸中的氨基来自谷氨酰胺而不是氨。氨甲酰激酶催化的反应：氨甲酰磷酸合成酶催化的反应：第58页/共81页第七节氨基酸的生物合成一、氨基酸的合成与转氨基作用第59页/共81页二、各族氨基酸的合成1.丙氨酸族：包括丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸，碳架来源于丙酮酸。第60页/共81页2.丝氨酸族：包括丝氨酸、甘氨酸和半胱氨酸。a.第61页/共81页b.（3-磷酸甘油酸）第62页/共81页由丝氨酸转变成半胱氨酸硫酸盐还原中间物第63页/共81页3.谷氨酸类：包括谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸和精氨酸。碳架来源于

-酮戊二酸。a.脯氨酸的合成：第64页/共81页b.精氨酸的合成（1）第65页/共81页b.精氨酸的合成（2）这一族几种氨基酸的合成关系如下：第66页/共81页4.天冬氨酸族：包括天冬氨酸、天冬酰胺、赖氨酸、苏氨酸、异亮氨酸和蛋氨酸。碳架来自草酰乙酸或延胡索酸。a.天冬氨酸的合成

第67页/共81页b.天冬酰胺的合成第68页/共81页c.赖氨酸的合成第69页/共81页d.苏氨酸的合成第