生物化学第30章蛋白质降解和氨基酸的分解代谢省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件

第30章蛋白质降解和氨基酸分解代谢(Proteindegradationandaminoacidscatabolism)一、蛋白质降解二、氨基酸分解代谢三、尿素形成四、氨基酸碳骨架氧化路径五、生糖氨基酸和生酮氨基酸六、由氨基酸衍生其它主要物质七、氨基酸代谢缺点症第1页氮素循环硝化作用反硝化作用固氮作用第2页一、蛋白质降解

高等动物摄入蛋白质在消化道内被胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、羧肽酶、氨肽酶等降解，全部转变成氨基酸，被小肠吸收。机体对外源蛋白质消化吸收第3页细胞内蛋白质降解

细胞内蛋白质是处于不停地周转（turnover）。一些异常蛋白质、不需要蛋白质需要去除。对一个特定蛋白质来说，它在细胞中含量取决于合成和降解速率。经过对一些代谢路径关键酶合成和降解，控制酶含量，也是控制代谢路径运行一个主要办法。第4页细胞内蛋白质降解机构

蛋白质降解是限制在细胞内特定区域，一个是称为蛋白酶体（proteasome）大分子结构，另一个是含有单层膜细胞器溶酶体（lysosome）。

溶酶体中含有约50种水解酶，它与吞噬泡及细胞内产生一些自噬泡融合，然后将摄取各种蛋白质全部降解，对被降解蛋白质没有选择性。被降解蛋白质在进入蛋白酶体降解之前，需要被泛肽标识。第5页泛肽依赖性蛋白降解路径

泛肽依赖性蛋白降解路径(Ubiquitin-dependentproteolyticpathway)是当前已知最主要，有高度选择性蛋白质降解路径。它经过调整功效蛋白质周转(turnover)或降解不正常蛋白，实现对各种代谢过程调整。第6页泛肽泛肽（ubiquitin）又名遍在蛋白质、泛素，它是一个由76个氨基酸残基组成小蛋白质。它经过其C端Gly羧基与被降解蛋白质氨基共价结合，通常结合在Lysε氨基上，这是一个需要消耗ATP反应。这么给被降解蛋白质作了一个标识，随即将标识了靶蛋白质引入蛋白酶体中降解。普通有多个串联泛肽连接到一个靶蛋白上，形成多泛肽链，后面每一个泛肽C端羧基连接到前一个泛肽Lys48ε氨基上。第7页催化泛肽与靶蛋白连接酶

使泛肽与靶蛋白质连接包括到4种酶——E1、E2、E3、E4。E1：泛肽活化酶（ubiquitin-activatingenzyme）E2：泛肽载体蛋白（ubiquitin-carrierprotein）E3：泛肽-蛋白质连接酶（ubiquitin-proteinligase）E4：泛肽链延长因子（ubiquitinchainelongationfactor）

E2、E3和E4都分别是一个蛋白质家族，家族不一样组员分布在不一样细胞区域。第8页泛肽与靶蛋白连接泛肽活化泛肽活化酶第9页泛肽与靶蛋白连接泛肽转移及与靶蛋白连接泛肽载体蛋白泛肽-蛋白质连接酶第10页泛肽蛋白质连接酶

E3在识别和选择被降解蛋白质过程中起着主要作用。E3主要是经过备选蛋白质N端氨基酸性质来选择靶蛋白质，以Met、Ser、Ala、Thr、Val、Gly或Cys为N末端蛋白质对泛肽介导降解路径有抗性，而以Arg、Lys、His、Phe、Tyr、Trp、Leu、Asn、Gln、Asp或Glu为N末端蛋白质半寿期只有2～30分钟。

也有E3识别靶蛋白肽链中某一段序列。第11页RelationshipbetweenProtein

Half-LifeandAmino-TerminalAminoAcidResidueAmino-terminalresidueHalf-lifeStabilizingMet,Gly,Ala,Ser,Thr,Val>20hDestabilizingIle,Gln~30minTyr,Glu~10minPro~7minLeu,Phe,Asp,Lys~3minArg~2min第12页泛肽蛋白质连接酶

E3是一个蛋白质家族，依据它们识别靶蛋白质特异性位点不一样，可将它们可分为3种识别类型：类型Ⅰ识别N末端为碱性氨基酸蛋白质，如Arg、Lys或His；类型Ⅱ识别N末端为大疏水基团氨基酸蛋白质，如Phe、Tyr、Trp或Leu；类型Ⅲ识别肽链中间特异序列。

以酸性氨基酸为N末端蛋白质降解需要tRNA参加，将Arg-tRNAArg转移到酸性蛋白质N末端，使之转变成碱性N末端，然后与泛肽连接。第13页Arg-tRNA将蛋白质酸性氨基酸N末端转变成碱性氨基酸N末端第14页泛肽系统梯级结构第15页E3与靶蛋白质各种识别模式1.E3与靶蛋白N端识别结合。2.E3被激活剂激活后与靶蛋白识别结合。3.E3与磷酸化靶蛋白识别结合。4.E3被磷酸化后与靶蛋白识别结合。5.E3被磷酸化后与磷酸化靶蛋白识别结合。6.E3经过一个辅助蛋白与靶蛋白识别结合。7.E3与变性后（解折叠）靶蛋白识别结合。第16页被泛肽介导降解蛋白质特点

大多数含有敏感N末端氨基酸残基蛋白质不是正常细胞内蛋白质，而很可能是分泌性蛋白质，这些蛋白质经过信号肽酶作用暴露出敏感N末端氨基酸残基。可能N末端识别系统功效就是识别和去除任何入侵异质蛋白质或分泌性蛋白质。

其它触发泛肽连接和蛋白酶体降解蛋白质含有PEST序列，PEST序列是一个富含Pro、Glu、Ser和Thr残基高度保守短序列。第17页PESTsequence

Certainaminoacidsequencesappeartobesignalsfordegradation.OnesuchsequenceisknownasthePESTsequencebecauseshortstretchofabouteightaminoacidsisenrichedwithproline(P),glutamicacid(E),serine(S),andthreonine(T).AnexampleisthetranscriptionfactorGcn4p.Thisproteinis281aminoacidsinlengthandthePESTsequenceisfoundatpositions91-106.Thenormalhalf-lifeofthisproteinisabout5minutes.ButifthePESTsequence(andonlythePESTsequence)isremoved,thehalf-lifeincreasesto50minutes.第18页蛋白酶体

蛋白酶体是一个大寡聚体结构，有一个中空腔。古细菌Thermoplasmaacidophilum蛋白酶体为20S、700kD桶状结构，由两种不一样亚基α和β组成，它们缔合成α7β7β7α7四个堆积环。这个桶有15nm高，直径11nm，中间有一个可分为3个区域空腔，蛋白质降解就发生在这个腔中。两端α7环解折叠被降解蛋白质，并将其送入中央腔内，而β亚基含有蛋白裂解活性。蛋白酶体降解蛋白质产物为7～9个氨基酸残基寡肽。第19页古细菌T.acidophilum20S蛋白酶体结构顶面观侧面观纵剖面观第20页真核细胞中蛋白酶体

真核细胞含有两种蛋白酶体：20S和26S蛋白酶体。26S蛋白酶体（1700kD）是一个45nm长结构，是在20S蛋白酶体两端各加上1个19S帽结构或称PA700（Proteasomeactivator-700kD），这种帽结构最少由15个不一样亚基组成，其中许多有ATP酶活性。与古细菌20S蛋白酶体不一样，真核细胞蛋白酶体含有7个不一样α亚基及7个不一样β亚基。第21页泛肽∣蛋白酶体降解路径ubiquitin26Sproteasome19Scaps第22页细胞周期蛋白周期性改变在细胞周期中，细胞周期蛋白（cyclin）周期性合成和降解，从而调整细胞分裂。第23页G2PhaseNoDNAsynthesis.RNAandproteinsynthesiscontinue.MPhaseMitosis(nucleardivision)andcytokinesis(celldivision)yieldtwodaughtercells.G0PhaseTerminallydifferentiatedcellswithdrawfromcellcycleindefinitely.ReentrypointAcellreturningfromG0entersatearlyG1phase.G1PhaseRNAandproteinsynthesis.NoDNAsynthesis.RestrictionpointAcellthatpassesthispointiscommittedtopassintoSphase.SPhaseDNAsynthesisdoublestheamountofDNAinthecell.RNAandproteinalsosynthesized.细胞周期第24页DBRP及其识别序列DestructionboxofcyclinArg-Thr-Ala-Leu-Gly-Asp-Ile-Gly-Asn（此序列靠近CyclinN端）DBRPDestructionboxrecognizingproteinCDKCyclin-dependentproteinkinaseCyclin细胞周期蛋白第25页Cyclin-CDK在细胞周期中改变第26页Cyclin降解CDK第27页细胞周期蛋白

作用之一第28页二、氨基酸分解代谢氨基酸是合成蛋白质和肽类物质基本成份，能够氧化释放出能量，还能够转变成各种其它含氮物质。氨基酸分解普通有三步：1.脱氨基；2.脱下氨基排出体外，或转变成尿素或尿酸排出体外；3.氨基酸脱氨后碳骨架进入糖代谢路径彻底氧化。

碳骨架也能够进入其它代谢路径用于合成其它物质。第29页（一）氨基酸转氨作用××转氨酶谷草转氨酶

α-酮酸1氨基酸2氨基酸1α-酮酸2第30页转氨反应机制转氨酶以磷酸吡哆醛为辅基，从氨基酸上脱下氨基先结合在磷酸吡哆醛上，氨基酸转变成α－酮酸，然后氨基转到另一个α酮酸α碳上，产生新氨基酸。结合氨反应是脱氨反应逆反应。转氨反应机制详见P305图30-3。第31页转氨酶（aminotransferase)

催化转氨反应酶很多，大多数转氨酶以α－酮戊二酸为氨基受体，而对氨基供体无严格要求。动物和高等植物转氨酶普通只催化L-氨基酸转氨，一些细菌中也有能够催化D-和L-两种构型氨基酸转氨转氨酶。第32页葡萄糖－丙氨酸循环在肌肉中有一组转氨酶，可把肌肉中糖酵解产生丙酮酸看成氨基受体。形成丙氨酸进入血液，运输到肝脏，在肝脏中再次转氨产生丙酮酸，丙酮酸可进入糖异生路径产生葡萄糖，再回到肌肉中。经过葡萄糖－丙氨酸循环，将肌肉中氨运输到了肝脏。在肝脏中，氨可转变成尿素，从尿液中排出。第33页葡萄糖∣丙氨酸循环第34页（二）谷氨酸氧化脱氨作用转氨作用产生了大量谷氨酸，谷氨酸能够在谷氨酸脱氢酶作用下发生氧化脱氨（谷氨酸→α-酮戊二酸），该酶以NAD+作为氧化剂。而在催化逆反应时（α-酮戊二酸→谷氨酸）以NADPH为还原剂。谷氨酸脱氢酶由6个亚基组成，存在于细胞溶胶中，它受GTP和ATP别构抑制，受ADP别构激活。第35页谷氨酸氧化脱氨反应谷氨酸α-亚氨基戊二酸α-酮戊二酸谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶第36页（三）其它氧化脱氨作用

L-氨基酸氧化酶和D-氨基酸氧化酶以FAD为辅基，催化L-及D-氨基酸氧化脱氨反应。产生FADH2又被O2氧化。氨基酸+FAD+H2O→α－酮酸+NH3+FADH2FADH2+O2→FAD+H2O2氨基酸+

O2+H2O→α－酮酸+NH3+H2O2第37页D-氨基酸氧化酶作用

TheprimaryfunctionofD-aminoacidoxidase,presentathighlevelsinthekidney,isthoughttobethedetoxificationofingestedD-aminoacidsderivedfrombacterialcellwallsandfromcookedfoodstuffs(heatcausessomespontaneousracemizationoftheL-aminoacidsinproteins).Oxalate,whetherobtainedinfoodsorproducedenzymaticallyinthekidneys,hasmedicalsignificance.Crystalsofcalciumoxalateaccountforupto75%ofallkidneystones.第38页（四）联合脱氨作用（transdeamination)天冬氨酸次黄嘌呤核苷酸腺苷酸代琥珀酸(IMP)在肝脏中，经过转氨反应形成谷氨酸，谷氨酸进入线粒体，在谷氨酸脱氢酶催化下发生氧化脱氨反应为联合脱氨。而在骨骼肌和心肌中，L-谷氨酸脱氢酶活性弱,难于进行氧化脱氨,这些组织中氨基酸主要经过嘌呤核苷酸循环进行联合脱氨作用。第39页腺苷酸次黄嘌呤核苷酸腺苷酸代琥珀酸腺苷酸（AMP）延胡索酸裂解酶联合脱氨作用第40页（五）氨基酸脱羧基作用机体内部分氨基酸可进行脱羧反应，生成对应一级胺。催化脱羧反应酶称为脱羧酶（decarboxylase），这类酶辅基为磷酸吡哆醛。

氨基酸磷酸吡哆醛醛亚胺

一级胺磷酸吡哆醛第41页（六）氨命运氨对生物机体是有毒物质，尤其是高等动物脑对氨极为敏感，血液中1%氨就可引发中枢神经系统中毒，所以氨排泄是生物体维持正常生命活动所必需。1.排氨动物：一些水生或海洋动物，如原生动物和线虫以及鱼类、水生两栖类等。2.排尿酸动物：鸟类和陆生爬行动物。3.排尿素动物：绝大多数陆生动物。第42页氨、尿素及尿酸结构氨尿酸尿素第43页氨转运

氨转运主要是经过谷氨酰胺形式。多数动物细胞中有谷氨酰胺合成酶（glutaminesynthetase），它催化氨和谷氨酸反应生成谷氨酰胺，同时消耗1个ATP。NH4++谷氨酸+ATP——————→

谷氨酰胺+ADP+Pi+H+

谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺由血液运输到肝脏，肝细胞谷氨酰胺酶又将其分解为谷氨酸和氨。第44页谷氨酰胺合成酶酶谷氨酰-5-磷酸第45页三、尿素形成

氨是经过尿素循环合成尿素。尿素循环是由发觉柠檬酸循环Krebs和他学生KurtHenseleit发觉，而且比发觉柠檬酸循环还早5年。

Krebs和他学生观察到，往悬浮有肝脏切片缓冲液中加入鸟氨酸、瓜氨酸或精氨酸中任何一个时，都能够促使肝脏切片显著加紧尿素合成，而其它任何氨基酸或含氮化合物都没有这个作用。他们研究了这3种氨基酸结构关系，提出了尿素循环路径。第46页Krebs和Henseleit最早提出尿素循环第47页尿素循环全图1.氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ2.鸟氨酸转氨甲酰酶3.精氨琥珀酸合成酶4.精氨琥珀酸酶5.精氨酸酶线粒体细胞溶胶第48页氨甲酰磷酸合成机理第49页尿素循环与柠檬酸循环联络Krebs’Bicycle第50页尿素循环调整

氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ存在于线粒体中，它被N-乙酰谷氨酸别构激活。N-乙酰谷氨酸是由N-乙酰谷氨酸合酶催化谷氨酸和乙酰CoA合成。

当氨基酸降解加速时，谷氨酸浓度升高，N-乙酰谷氨酸也增高，激活了氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ，从而使尿素循环速度加紧。

当尿素循环中一些酶遗传性不足时，除精氨酸酶外，都不会所以发生尿素重大减量，但会产生“高氨血症”。产生智力迟钝、嗜睡等症状。第51页四、氨基酸碳骨架氧化路径TCACycle第52页（一）形成乙酰CoA路径1.经丙酮酸到乙酰CoA路径经此路径降解氨基酸有：丙氨酸丝氨酸甘氨酸半胱氨酸苏氨酸第53页Thr→Gly→Ser苏氨酸醛缩酶丝氨酸羟甲基转移酶甘氨酸苏氨酸丝氨酸N5,N10-甲烯基FH4第54页Ser、Cys、Ala→乙酰CoA半胱氨酸丙氨酸丝氨酸丝氨酸脱水酶乙酰CoA加氧转氨脱硫丙酮酸第55页丝氨酸脱水酶催化机理第56页甘氨酸主要分解代谢路径H3N

-

CH2-

COO－+THF+NAD+——→

N

5,N

10

-甲叉THF+CO

2+NH

4++NADH+H

+第57页苏氨酸其它分解代谢路径苏氨酸脱水酶苏氨酸脱氢酶α-酮丁酸α-氨基-β-酮丁酸氨基丙酮第58页（一）形成乙酰CoA路径2.经乙酰乙酰CoA到乙酰CoA路径经此路径降解氨基酸有：苯丙氨酸酪氨酸亮氨酸赖氨酸色氨酸第59页Lys、Trp、Phe、Tyr、Leu经乙酰乙酰CoA到乙酰CoA色氨酸苯丙氨酸亮氨酸赖氨酸酪氨酸乙酰CoA乙酰乙酰CoA延胡索酸go单加氧酶4步反应第60页（二）α-酮戊二酸路径经此路径降解氨基酸有：精氨酸组氨酸脯氨酸谷氨酰胺谷氨酸第61页Arg、His、Pro、Gln、Glu→α－酮戊二酸脯氨酸精氨酸谷氨酰胺组氨酸谷氨酸α－酮戊二酸谷氨酸γ-半醛第62页（三）形成琥珀酰CoA路径经此路径降解氨基酸有：甲硫氨酸异亮氨酸缬氨酸第63页Met、Ile、Val→琥珀酰CoA异亮氨酸甲硫氨酸缬氨酸琥珀酰CoA羧化第64页（四）形成延胡索酸路径back经此路径降解氨基酸有：苯丙氨酸酪氨酸苯丙氨酸—————————→酪氨酸→→→苯丙氨酸羟化酶第65页（五）形成草酰乙酸路径经此路径降解氨基酸有：天冬氨酸天冬酰胺第66页Asp、Asn→草酰乙酸天冬酰胺天冬氨酸草酰乙酸天冬酰胺酶第67页五、生糖氨基酸和生酮氨基酸

凡能形成丙酮酸、α－酮戊二酸、琥珀酸和草酰乙酸氨基酸称为生糖氨基酸（glucogenicaminoacids）。（Arg、His