第30章-蛋白质的降解和氨基酸的分解代谢-mly.ppt

1、第30章 蛋白质降解和氨基酸的分解代谢,(Protein degradation and amino acids catabolism),一、蛋白质的降解,食物蛋白,组织蛋白酶、蛋白质、激素等,氨基酸库,过剩的氨基酸,转氨作用 脱氨作用,合成新肽、蛋白质等,非蛋白质含氮化合物嘌呤、嘧啶、肌酸、烟酰胺、卟啉、肾上腺素、甲状腺素、胆汁盐、黑色素等。,-酮酸,糖或酮体,TCA,ATP,H2O + CO2,氨的来源及去路,尿氨基酸,糖或脂,氨,尿素,(一)机体对食物中蛋白质的需求、消化与吸收,回顾：蛋白质的生理功能,组织细胞重要的组成成分，维持组织、细胞的生长，更新和修补组织 参与多种重要的生理活动(

2、如酶、激素) 氧化供能（17.9KJ/g 蛋白质） 氨基酸为含氮化合物的合成提供氮源 可转化为糖和脂肪等,氮平衡,*总氮平衡：摄入氮 = 排出氮 即蛋白质分解与合成处于平衡，如成人,*正氮平衡：摄入氮 排出氮 即蛋白质合成量多于分解量，如儿童、孕妇,*负氮平衡：摄入氮 排出氮 即蛋白质分解量多于合成量，如饥饿、消耗性疾病,食物摄入氮-(尿氮+粪氮),可反映体内蛋白质合成与分解的动态关系,蛋白质的需求,外源蛋白质的消化和吸收,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 Phe, Trp, Tyr 的羧基端 (Chymotry

3、psin) 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,肠激酶(Enterokinase)对胰酶的激活,胰蛋白酶原(trypsinogen ),胰腺最初分泌出来的各种蛋白酶和肽酶均以无活性的酶原形式存在，胰液中还存在胰蛋白酶抑制剂，能保护胰组织免受蛋白酶的自身消化作用。,多肽的吸收机制,过去认为，蛋白质经消化道酶促水解后，主要以氨基酸的形式吸收。近年的研究结果表明，人体吸收蛋

4、白质的主要形式不是以氨基酸的形式吸收的，而是以多肽的形式吸收的，这是人体吸收蛋白质机制的重大突破。科学试验证明，多肽的吸收机制具有十大特点：,多肽吸收机制的特点,不需消化，直接吸收 吸收快速 吸收时，多肽体不会被破坏 多肽具有100%被人体吸收的特点 多肽具有主动吸收的特点 多肽具有优先被人体吸收的特点 人体对多肽的吸收不需耗费能量和增加消化道，特别是胃肠功能负担的特点 多肽在人体表现出载体作用 多肽可在人体起运输工具的作用 多肽被人体吸收后，可在人体中起信使作用,(二)细胞内蛋白质的降解,蛋白质的降解,每天都有一定量的细胞内蛋白被降解： 被异常修饰的非正常蛋白、突变蛋白 需及时灭活的具调节活

5、性的蛋白（如关键酶） 蛋白降解加速 食物蛋白供应充足或过量 饥饿或糖尿病时无法获得充足的糖做燃料,蛋白质降解的反应机制,1、溶酶体（lysosome）,单层膜结构，含有约50种水解酶，它与吞噬泡及细胞内产生的一些自噬泡融合，然后将摄取的各种蛋白质全部降解，对被降解的蛋白质没有选择性。,2、蛋白酶体,蛋白酶体是一个大的寡聚体结构，有一个中空的腔，蛋白质降解就发生在这个腔中。真核细胞含有两种蛋白酶体：20S和26S蛋白酶体。被降解的蛋白质在进入蛋白酶体降解之前，需要被泛肽标记。,26S蛋白酶体,泛素识别机制,过期蛋白质,泛素,复合体,溶酶体,细胞如何选择降解“过期蛋白”，而不影响细胞的正常功能？,

6、泛肽依赖性蛋白降解途径,泛肽依赖性蛋白降解途径(Ubiquitin-dependent proteolytic pathway)是目前已知的最重要的，有高度选择性的蛋白质降解途径。它通过调节功能蛋白质的周转(turn over)或降解不正常蛋白，实现对多种代谢过程的调节。,泛 素,泛素（ubiquitin）又名泛肽，它是一个由76个氨基酸残基组成的小蛋白质。它通过C端Gly的羧基与被降解的蛋白质的氨基共价结合（如结合在Lys的氨基上），这是一个需要消耗ATP的反应。这样给被降解的蛋白质作了一个标记，随后将标记了的靶蛋白质引入蛋白酶体中降解。 一般有多个串联的泛肽连接到一个靶蛋白上，形成多泛肽链

7、，后面的每一个泛肽的C端羧基连接到前一个泛肽的Lys48的氨基上。,催化泛肽与靶蛋白连接的酶,使泛肽与靶蛋白质连接涉及到3种酶 E1：泛肽活化酶（ubiquitin-activating enzyme） E2：泛肽载体蛋白（ubiquitin-carrier protein） E3：泛肽-蛋白质连接酶（ubiquitin-protein ligase）, 泛肽的活化,泛肽活化酶,泛肽C端的羧基与E1巯基以硫酯键相偶联,泛肽的转移,泛肽载体蛋白,泛肽从E1转移到E2上,泛肽与靶蛋白连接,泛肽-蛋白质连接酶,E3首先与靶蛋白结合形成复合物，然后催化泛素C端Gly的羧基与靶蛋白上的一个Lys的-氨基

8、形成一个异肽键。,泛肽蛋白质连接酶,E3是一个蛋白质家族，根据它们识别靶蛋白质特异性位点的不同，可将它们可分为3种识别类型：类型识别N末端为碱性氨基酸的蛋白质，如Arg、Lys或His；类型识别N末端为大疏水基团氨基酸的蛋白质，如Phe、Tyr、Trp或Leu；类型识别肽链中间的特异序列。 以酸性氨基酸为N末端的蛋白质的降解需要tRNA参与，将Arg-tRNA的Arg转移到酸性蛋白质的N末端，使之转变成碱性N末端，然后与泛肽连接。,Relationship between ProteinHalf-Life and Amino-Terminal Amino Acid Residue,依赖于ATP

9、的泛素降解途径,被泛肽介导降解蛋白质的特点,大多数具有敏感N末端氨基酸残基的蛋白质不是正常的细胞内蛋白质，而很可能是分泌性蛋白质，这些蛋白质通过信号肽酶的作用暴露出敏感的N末端氨基酸残基。也许N末端识别系统的功能之一就是识别和清除任何入侵的异质蛋白质或分泌性蛋白质。 其他触发泛肽连接和蛋白酶体降解的蛋白质含有PEST序列，PEST序列是一个富含Pro、Glu、Ser和Thr残基的高度保守的短序列。,蛋 白 酶 体,蛋白酶体是一个大的寡聚体结构，有一个中空的腔，蛋白质降解就发生在这个腔中。蛋白酶体降解蛋白质的产物为79个氨基酸残基的寡肽。,古细菌T. acidophilum 20S蛋白酶体的结构

10、,侧面观,700kD的桶状结构，由两种不同的亚基和组成，它们缔合成7777四个堆积的环。这个桶有15nm高，直径11nm。两端的7环解折叠被降解的蛋白质，并将其送入中央的腔内，而亚基具有蛋白裂解活性。,真核细胞中的蛋白酶体,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长的结构，是在20S蛋白酶体的两端各加上1个19S的帽结构或称PA700（Proteasome activator-700kD），这种帽结构至少由15个不同的亚基组成，其中6个亚基有ATP酶活性。与古细菌20S蛋白酶体不同，真核细胞的蛋白酶体含有7 个不同的亚基及7 个不同的亚基。

11、,真核细胞中的蛋白酶体,二、氨基酸的分解代谢,回顾：氨基酸的功能 蛋白质的组成单位 能量代谢 含氮化合物的前体：血红素、胺类、谷胱甘肽、核苷酸,氨基酸分解的基本反应,氨基酸分解的三个步骤 第一步：脱氨基 第二步：脱下的氨基排出体外，或转变成尿素或尿酸排出体外； 第三步：碳骨架转化为一般代谢中间体,（一）脱氨基作用,定义：氨基酸失去氨基的作用叫脱氨基作用。 脱氨基作用是氨基酸分解代谢最主要的反应。,氨基酸脱氨基的主要方式： 转氨基（氨基转移）作用 氧化脱氨基作用 联合脱氨基作用,动物的脱氨主要发生在肝脏中。,氨基酸的转氨作用,转氨酶,-酮酸1 氨基酸2 氨基酸1 -酮酸2,特点：a. 可逆，受平

12、衡影响 b. 氨基大多转给了-酮戊二酸（产物谷氨酸）,转氨基作用举例,谷氨酸 + 丙酮酸,-酮戊二酸 + 丙氨酸,谷丙转氨酶 (glutamic pyruvic transaminase, GPT) 谷草转氨酶 (glutamic oxaloacetic transaminase,GOT),肝细胞中转氨酶活力比其他组织高出许多，是血液的100倍。抽血化验若转氨酶比正常水平偏高则有可能：肝组织受损破裂,查肝功抽血化验转氨酶指数,底物A先与E结合成AE二元复合物，AE PF（修饰酶形式），释放第一个产物P，接着底物B与F形成FB，FB EQ，释放第二个产物Q。 A与Q 竞争自由酶形式E ，B与P竞

13、争修饰酶形式F。 整个反应历程中只有二元复合物形式，没有三元复合物形式。,乒乓反应（ping pong reaction）,回顾：酶学,转氨酶催化转氨反应： 氨基酸1 酮酸2 酮酸1 氨基酸2,A B P Q,磷酸吡哆醛参与氨基向酮基的转移,所有的氨基转移酶都是一个共同的辅基和作用机理，辅基是磷酸吡哆醛(PLP)。PLP作为转氨酶活性位点的氨基中间载体起作用，在PLP（受氨形式)与磷酸吡哆胺(PMP，供氨形式）间进行可逆转换。PLP通常共价结合到酶的活性位点（与酶的Lys的-氨基结合）。,PLP，氨基酸转氨酶的辅基,谷草转氨酶,PLP红色（带有黄色的磷酸）与酶的Lys258 （紫色）以酰胺键相

14、连,PLP与底物类似物2-甲基天冬氨酸（绿色）通过Schiff base相连。,II、逆反应： PMP的氨基转移给另一个-酮酸生成一个新aa及PLP,转氨基作用的机制： 转氨酶的辅酶：迄今发现的转氨酶都以磷酸吡哆醛（PLP）为辅基，它与酶蛋白（Lys上的-氨基）以牢固的共价键形式结合。,PLP,PMP,I、正反应：aa的-氨基转移给PLP生成PMP及-酮酸,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的丙酮酸当作氨基的受体。形成的丙氨酸进入血液，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途径产生葡萄糖，再回到肌肉中。 一举两得：将肌肉中的氨和丙酮酸运输到了肝脏；

15、在肝脏中，氨可转变成尿素，从尿液中排出；而丙酮酸可进入糖异生途径产生葡萄糖，再回到肌肉中。,L-氨基酸氧化酶（活性低，分布于肝及肾脏，辅基为FMN）,D-氨基酸氧化酶（活性强，但体内D-氨基酸少，辅基为FAD）,氨基酸氧化脱氨的主要酶：,（二）氧化脱氨基,L-谷氨酸脱氢酶 专一性强，分布广泛（动、植、微生物），活力强，以NAD+或NADP+为辅酶，是别构调节酶： 别构抑制剂，ATP、GTP；别构激活剂，ADP、GDP,定义：-AA在酶的作用下，氧化生成-酮酸，同时消耗氧并产生氨的过程。,谷氨酸的氧化脱氨反应,谷氨酸,-亚氨基 戊二酸,-酮戊二酸,谷氨酸脱氢酶,谷氨酸脱氢酶,为什么转氨基反应多将

16、氨基转给-酮戊二酸？ 来源有保证，谷氨酸可由氧化脱氨迅速降解产生-酮戊二酸,三羧酸循环亦可产生-酮戊二酸。,该酶以NAD+作为氧化剂。而在催化逆反应时（-酮戊二酸谷氨酸）以NADPH为还原剂。,（三）联合脱氨作用（transdeamination),转氨与氧化脱氨的联合,由于转氨并不能最后脱掉氨基，氧化脱氨中只有谷氨酸脱氢酶活力高，转氨基和氧化脱氨联合在一起才能迅速脱氨。,1、转氨酶与谷氨酸脱氢酶的联合脱氨基作用 由于两种酶活性强，分布广，是动物体内主要的氨基酸联合脱氨方式。,天冬氨酸 次黄嘌呤核苷酸,腺苷酸代琥珀酸,(IMP),2. 在骨骼肌、心肌、肝脏及脑中，L-谷氨酸脱氢酶的活性弱，难于

17、进行氧化脱氨，这些组织中的氨基酸主要通过嘌呤核苷酸循环进行联合脱氨作用。,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,脱氨酶,脱氨酶,（四）氨基酸的脱羧基作用,机体内部分氨基酸可进行脱羧反应，生成相应的一级胺。催化脱羧反应的酶称为脱羧酶（decarboxylase），这类酶的辅基为磷酸吡哆醛。脱羧酶的专一性很高，一般是一种aa对应一种脱羧酶。,氨基酸 磷酸吡哆醛 醛亚胺,一级胺 磷酸吡哆醛,General Metabolism of Amino Acid,氨基酸代谢库 (metabolic pool),食物蛋白质,消化吸收,组织蛋白质,分解,合成,合成,脱氨基作

18、用,NH3,- 酮酸,尿素,糖,氧化供能,酮体,脱羧基作用,CO2,胺类,含氮化合物 嘌呤、嘧啶、GSH、heme,转变,（五）氨的命运,氨对生物机体是有毒物质，特别是高等动物的脑对氨极为敏感，血液中1%的氨就可引起中枢神经系统中毒，因此氨的排泄是生物体维持正常生命活动所必需的。,若外环境NH3大量进入细胞，或细胞内NH3大量积累,酮戊二酸大量转化 NADPH大量消耗 三羧酸循环中断，能量供应受阻，某些敏感器官（如神经、大脑）功能障碍。 表现：语言障碍、视力模糊、昏迷、死亡。,氨中毒原理,1、氨的转运（向动物肝脏的运输）,氨的转运主要是通过谷氨酰胺的形式。多数动物细胞中有谷氨酰胺合成酶（glu

19、tamine synthetase），它催化氨和谷氨酸反应生成谷氨酰胺，同时消耗1个ATP。谷氨酰胺（中性，易透膜）由血液运送到肝脏，肝细胞的谷氨酰胺酶又将其分解为谷氨酸和氨。,以Ala转运（葡萄糖-丙氨酸转运：肌肉） NH4+ -酮戊二酸+NADPH+H+ Glu+NADP+H2O Glu+丙酮酸 -酮戊二酸+Ala Ala+ -酮戊二酸 Glu+丙酮酸,Glu 脱氢酶,转氨酶 肌肉,转氨酶 肝,尿素循环,氨 尿酸 尿素,排氨动物：某些水生或海洋动物，如原生动物和线虫以及鱼类、水生两栖类等，以Gln形式运送到排泄部位。 排尿酸动物：鸟类和陆生的爬行动物。 排尿素动物：绝大多数陆生动物。,2、

20、氨的排泄,三、尿素的形成,氨是通过尿素循环合成尿素的。尿素循环是由发现柠檬酸循环的Krebs和他的学生Kurt Henseleit发现的，并且比发现柠檬酸循环还早5年。 Krebs和他的学生观察到，往悬浮有肝脏切片的缓冲液中加入鸟氨酸、瓜氨酸或精氨酸中的任何一种时，都可以促使肝脏切片显著加快尿素的合成，而其他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种氨基酸的结构关系，提出了尿素循环途径。,Krebs和Henseleit最早提出的尿素循环,场所：肝脏 原料：CO2、NH3 产物：尿素,氨进入尿素循环的反应,1. 氨甲酰磷酸的合成（线粒体）,氨甲酰磷酸合成酶（CPS-） ：线粒体中，用

21、氨做氮的供体，参与尿素的合成。 氨甲酰磷酸合成酶（CPS- ）：细胞质中，用谷氨酸做氮的供给体，参与嘧啶生物合成 。,HCO3-,2. 瓜氨酸的合成（线粒体）,3、4. 精氨琥珀酸和精氨酸的合成（细胞质）,精氨琥珀酸合成酶,精氨酸代琥珀酸,精氨琥珀酸酶,5. 精氨酸水解生成尿素（细胞质）,尿素的两个氨基，一个来源于氨，另一个来源于天冬氨酸；一个碳原子来源于HCO3-，共消耗4个高能磷酸键，是一个需能过程，但谷氨酸脱氢酶催化谷氨酸反应生成1分子NADH；延胡索酸经草酰乙酸转化为天冬氨酸也形成1分子NADH。两个NADH再氧化，可产生5个ATP。,总反应,柠檬酸循环和尿素循环相连接,精氨酸裂解酶生

22、成的延胡索酸也是TCA的中间产物，原则上说，两个循环是相互连接的。然而两个循环可以独立进行，也可以相互连接，取决于线粒体和细胞质间关键中间物的运输。 TCA的几个酶，包括延胡索酸酶和苹果酸脱氢酶在细胞质中也有同工酶存在。细胞质精氨酸合成中生成的延胡索酸可以被转化为苹果酸，草酰乙酸。这些中间物可以进一步在胞质中被代谢或运输到线粒体中参与TCA循环。线粒体中生产的Asp可被运输到胞质作为氮供体参与尿素循环。,尿素循环与柠檬酸循环的联系,Krebs Bicycle,精氨酸,精氨酸代琥珀酸,鸟氨酸,氨基甲酰磷酸,瓜氨酸,天冬氨酸,延胡索酸,苹果酸,尿素循环的活性在两个水平被调节,通过尿素循环的氮流量因

23、生物体的食物而不同，以蛋白质为主要食物，碳架作为“燃料”，产生更多的尿素。过分饥饿时肌肉分解蛋白质供能，尿素产生也多。 尿素循环的五个酶在饥饿的动物和高蛋白质食物动物肝脏的合成速率更高，尿素产生多，缺乏蛋白质食物的动物的尿素循环活性低。 关键酶：氨甲酰磷酸合成酶I被N-乙酰谷氨酸变构激活。,高血氨症和氨中毒,常见原因：肝功能严重损害尿素合成的酶缺陷,肝昏迷氨中毒的机理：,肝损害,解氨能力,血NH3,NH3- 酮戊二酸,Glu,Gln,ATP,脑功能障碍,脑组织,血液,智力迟钝、嗜睡肝昏迷,四、氨基酸碳骨架的氧化途径,TCA Cycle,生糖氨基酸和生酮氨基酸,生糖氨基酸: 凡能形成丙酮酸、酮戊二酸、琥珀酸和草酰乙酸的氨基酸称为生糖氨基酸（glucogenic amino acids）。 Arg、His、Pro、Gln、Glu、Met、Ile、Val、Asp、Asn、 Phe、Tyr、Ala、Gly、Ser、Thr、Cys 生酮氨基酸： 在分解过程中转变成乙酰乙酰CoA的氨基酸称为生酮氨基酸（ketogenic amino acids），因为乙酰乙酰CoA可以转变为酮体（乙酰乙酸和-羟丁酸 ）。 Lys、Trp、Phe、Tyr、Leu 生酮和生糖氨基酸： 既可生成酮体又可生成糖，称为生酮和生糖氨基酸。 Phe、Tyr、Al