生化08 Protein Degradation

＞200
真核细胞内蛋白质主要降解途径
A.溶酶体途径－无选择的降解蛋白质 溶酶体中进行，不需要ATP，主要降解外 源蛋白、膜蛋白和长寿命的胞内蛋白。
B.泛肽（ubiquitin）- 蛋白酶体途径 细胞质中进行，需要ATP，主要降解异常 蛋白和短寿命蛋白。细胞内80%～90% 的蛋白通过泛肽-蛋白酶体途径降解
谷丙转氨酶
Ala + α-酮戊二酸
丙酮酸 + 谷氨酸
（2）Gly先转化成Ser，再由Ser转变成丙酮酸
Gly + N5N10-甲烯基四氢叶酸
丝氨酸转羟甲基酶 Mn2+
Ser + 四氢叶酸
Gly与Ser互变灵活，是Ser生物合成的重要 途径。
1900-1981
尿素循环途径－ 1
氨甲酰磷酸
鸟氨酸
瓜氨酸
尿素循环途径－2 精氨琥珀酸
（1）合成氨甲酰磷酸（氨甲酰磷酸合酶 I ）
肝细胞质中的氨基酸经转氨作用，与α-酮戊 二酸生成Glu，并进入线粒体基质，经Glu脱 氢酶催化脱下氨基，游离的氨（NH4+）与 TCA产生的CO2生成氨甲酰磷酸。
小肠粘膜吸收氨基酸，进入血液循环
胃衬中的胃腺 壁细胞→HCl 主细胞→胃蛋白酶原 粘膜细胞→胃泌素 胰腺外分泌细胞
酶原粒 小肠绒毛 绒毛 小肠粘膜
三、蛋白质营养价值与氮平衡
1.蛋白质、氨基酸的生理功能 结构、催化、调节、转运、储存、运动、
防御、信号（蛋白质） 合成蛋白质（氨基酸） 氨基酸氧化供能（17.9KJ/g 蛋白质） 合成其它含氮化合物（核酸） 生成一碳单位 转化成糖和脂肪
氨基转移反应
PLP：磷酸吡哆醛
转氨基反应机理－1 酶－希夫碱的生成
磷酸吡哆醛 PLP
亲核氨基
磷酸吡哆胺 PMP
转氨基反应机理－2 醛亚胺的生成
醛亚胺
转氨基反应机理－3 酮亚胺的生成
酮亚胺
磷酸吡哆胺
转氨基反应机理
2.氧化脱氨基反应 谷氨酸氧化脱氨基反应
Glu脱氢酶是脱氨基活力最强的别构酶， NAD和NADP都可以作为辅酶。
骨骼肌、心肌、肝脏、脑以嘌呤核苷 酸循环的脱氨基方式为主。
通过嘌呤核苷酸循环的联合脱氨基-1
通过嘌呤核苷酸循环的联合 此反应广泛存在于生物体内，生成胺，具 有重要生理功能。 脑组织中L-Glu脱羧生成r-氨基丁酸，是重 要的神经递质。 His脱羧生成组胺，降低血压。 Tyr脱羧生成酪胺，升高血压。 大多数胺类化合物对动物有毒。
二、蛋白质的消化吸收
哺乳动物消化道中的胃蛋白酶、胰蛋白 酶、胰凝乳蛋白酶、羧肽酶、氨肽酶和 弹性蛋白酶水解食物蛋白，生成的氨基 酸在小肠被吸收。
动物消化道蛋白酶
消化道中蛋白质降解与吸收
食物→胃泌素→壁细胞→盐酸 主细胞→胃蛋白酶原→胃蛋白酶
胰蛋白酶原、糜蛋白酶原→胰蛋白酶、糜蛋白酶 羧肽酶、氨肽酶、弹性蛋白酶
同时释放游离的可重新利用的泛肽
蛋白质降解的化学信号
降解决定子（degron）：决定某一蛋 白发生降解或部分降解的一个氨基酸或 一段氨基酸序列
E3识别靶蛋白的降解决定子，调节靶蛋 白的降解
蛋白质降解的化学信号－1
N末端氨基酸 1986年，Varshavsky提出N末端氨基酸决 定蛋白质半衰期。 Ser：t1/2 = 20小时 Asp: t1/2 = 3分钟 此外，Phe、Tyr、Trp、Lys、Arg、Leu 也是短寿命蛋白的标记。
主要功能：清除异常、损伤和老化的蛋白质 清除过量的酶和调控蛋白
蛋白质的半衰期 t1/2
半衰期差异很大，动物肝脏蛋白的t1/2 约1～8天，结缔组织蛋白的t1/2约180天， 许多关键性调节酶的t1/2 很短。
大鼠肝脏蛋白质 t1/2（小时）
鸟氨酸脱羧酶
0.2
酪氨酸转氨酶
2.0
乳酸脱氢酶
130
组蛋白
（二）氨的释放
1.直接释放 排氨动物将氨以Gln形式运至释放部位， 经Gln酶分解，直接释放NH3。
2.合成尿素（尿素循环）
1 9 3 2 年 Krebs 发 现 ， 向 悬 浮有肝切片的缓冲液中加入 鸟氨酸、瓜氨酸、Arg中的 任何一种，都可促进尿素的 合成。
排尿素动物在肝脏中合成尿 素的过程称尿素循环。
负平衡：摄入氮＜排出氮，饥锇、疾病
成人每日需要摄入的蛋白量:30～50g/d 我国营养学会推荐成人每日摄入量:80g/d
3.蛋白质的营养价值
必需氨基酸（essential）： 机体不能自己合成，必须从外界获取的氨 基酸。
高等植物可以合成全部氨基酸；微生物合 成氨基酸的能力差异很大，大肠杆菌可以 合成全部氨基酸，乳酸菌只能合成部分氨 基酸；人和大鼠只能合成11种氨酸。
Gln合 成酶
通过Gln转运－2
Gln酶
2. 丙氨酸转运（Glc-Ala循环） Ala可将肌肉中的氨运至肝脏。肌细胞糖 酵解产生的丙酮酸与氨生成Ala。 丙酮酸通过糖异生生成Glc，氨用来合成 尿素。
肌肉运动产生大量的丙酮酸和氨，两者都 要运回肝脏，以Ala的形式运送可以提高 效率。
葡 萄 糖 － 丙 氨 酸 循 环
1. 溶酶体降解机制（lysosomal mechanism ） 溶酶体内的多种酸性蛋白酶称为组织蛋白酶
（cathepsin），在pH 5左右活性最高。
溶酶体融合细胞质中的自体吞噬泡 （autophagic vacuol），降解其内容物； 还可以与吞噬小体融合，降解胞外蛋白和膜 蛋白。
溶酶体途径主要降解外源性蛋白和衰老的细 胞器、细胞膜受体（如胰岛素受体、乙酰胆 碱受体）。
2.泛肽-蛋白酶体途径（ubiquitinproteasome) 1980年，以色列科学家阿龙·切哈诺沃和阿 夫拉姆·赫什科，美国欧文·罗斯发现了泛肽调 节的蛋白质降解途径。
共同获得2004年诺贝尔化学奖
泛肽（或泛素）
76个氨基酸组成，普遍存在于真核细胞 内，一级结构高度保守，酵母与人相差3个 氨基酸。 泛肽与靶蛋白共价结合，使之带上死亡标 记，然后被蛋白酶体降解，特异性高。
合成1分子尿素可清除2分子氨及1分子CO2 ， 消耗4个高能磷酸键。
通过联合脱氨合成尿素是解决氨去向的主要 途径。
延胡索酸
精氨琥珀酸 瓜氨酸
鸟氨酸
尿素循环与三羧酸循环
3.生成尿酸（见核苷酸代谢） 尿酸也是嘌呤代谢的终产物
四、氨基酸碳架的去向 A.氨基化－重新生成氨基酸 B.氧化成CO2－TCA C.生糖、生脂 20种氨基酸的碳架可转化成7种化合物：
氨基酸分解代谢
脱氨基－氨基转化成氨 合成尿素－氨转成尿素 氨基酸碳骨架的代谢－进入TCA 脱羧基－生成胺
哺乳动物 氨基酸分解 代谢简图
一、脱氨基作用 1.氨基转移反应
转氨基反应：α-氨基酸和α-酮酸之间氨 基转移，使原来的氨基酸生成酮酸，原来 的酮酸生成氨基酸。 除Gly、Lys、Thr、Pro以外，氨基酸都 能发生转氨基反应。 转氨酶的辅酶是磷酸吡哆醛和磷酸吡哆 胺。
Asp的氨基转移后生成Arg
来自Asp的碳架被保留下来，生成延 胡索酸。延胡索酸可以经过苹果酸、 草酰乙酸再合成天冬氨酸。
（5）精氨酸水解生成鸟氨酸和尿素 尿素生成后，由血液运到肾脏随尿排除。
尿素循环总反应： NH4+ + CO2 + 3ATP + Asp + 2H2O →
尿素 + 2ADP + 2Pi + AMP + PPi + 延胡索 酸
排氨动物：水生、海洋动物 排尿酸动物：鸟类、爬虫类
排尿动物：尿素
（一）氨的转运（肝外→肝脏） 1.利用Gln转运 Gln合成酶：催化氨与Glu结合，生成Gln。 Gln中性无毒，易透过细胞膜，是氨的主 要运输形式。 Gln酶：Gln经血液进入肝，被Gln酶分解， 生成Glu和NH3。
通过Gln转运－1
靶蛋白上的结合位点：Lys-ε-NH2 泛肽结合位点: C末端羧基
泛肽串连-Lys-48
泛肽-蛋白酶体途径
泛肽活化酶 E1
泛
肽
与
靶
泛肽携带蛋白 E2
蛋
白
结
合
泛肽-蛋白连接酶 E3 （关键酶）
泛肽－蛋白酶体降解途径
(a) 泛肽活化 (b) 识别并与靶蛋白结合，多个泛肽聚合 (c) 蛋白酶体（26s复合物）降解靶蛋白，
丙酮酸、乙酰CoA、乙酰乙酰CoA、α-酮 戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙 酸 它们最后生成乙酰CoA、α-酮戊二酸、琥
2 1
3 4
6
5 氨基酸碳架进入TCA
1. 生成丙酮酸的途径（5种氨基酸） Ala、Gly、Ser、Thr、Cys生成丙酮酸
（1）Ala与α-酮戊二酸转氨（谷丙转氨酶）
——————————————————————
豆腐
42
65
77
面筋
58
67
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小麦
39
67
小米
13
57
89
牛肉
26
69
大豆
22
64
—————————————————
第二节 氨基酸分解代谢
本节主要内容
氨基酸脱氨基反应 氨基酸脱羧基反应 尿素循环 氨基酸碳架的氧化
主要内容
蛋白质降解 氨基酸分解 尿素循环 糖、脂 三羧酸循环 完全氧化 氨基酸合成 蛋白质合成
第一节 蛋白质降解及氮平衡
本节主要内容
内源蛋白的降解 蛋白质的消化吸收 蛋白质的营养价值与氮平衡
一、内源蛋白的降解 1940年，Henry和Rudolf证明细胞内蛋 白质不断更新（turnover）。 蛋白质的降解和合成是动态平衡的，成人 每天有1%左右的蛋白被更新。
氨甲酰磷酸是高能化合物，作为氨甲酰 基的供体。
氨甲酰磷酸合酶I：在线粒体中，催化尿 素合成。
氨甲酰磷酸合酶II：在胞质中，催化尿嘧 啶合成。
（2）合成瓜氨酸（鸟氨酸转氨甲酰酶） 线粒体内鸟氨酸接受氨甲酰磷酸提供的
氨甲酰基，生成瓜氨酸，进入细胞质。
（3）合成精氨琥珀酸（精氨琥珀酸合酶）
（4）精氨琥珀酸裂解成精氨酸和延胡索素酸 （精氨琥珀酸裂解酶）
在动物、植物和微生物体内都有，真核 Glu脱氢酶大部分在线粒体基质中。
抑制剂：ATP、GTP；激活剂：ADP 当ATP、GTP不足时，Glu氧化脱氨加速， 碳架分解提供能量（动物约10%能量来自 氨基酸碳骨架的氧化）
3.联合脱氨基作用 （1）通过转氨基和谷氨酸氧化联合脱氨基
（2）通过嘌呤核苷酸循环的联合脱氨基
蛋白质的营养价值取决于必需氨基酸种类 和含量
人和大鼠的必须氨基酸
蛋白质的生理价值（BV）：蛋白质所含 人体必须氨基酸的种类、含量及其比例 是否与人体的需要相近，越相近生理价 值就越高。
蛋白质的互补作用：若将几种营养价值 较低的蛋白混合食用，则可能提高营养 价值。
混合食物蛋白质的互补作用
蛋白来源 重量% 单食时BV 混食时BV
蛋白质降解的化学信号－2
PEST序列 短寿命蛋白中通常有一段8个氨基酸左右 的保守序列，富含Pro、Glu、Ser、Thr。
例如，转录因子Gcn4p的PEST序列位 于91～106,正常的半衰期是5 min。如果 将此PEST序列切除,半衰期增加到50 min。
蛋白质降解的化学信号－3
个别氨基酸的氧化 Lys、Arg或Pro被Fe2+氧化。例如，大肠 杆菌和鼠肝中的谷氨酰胺合成酶。 蛋白质以天然状态存在时，信号被隐藏；当 蛋白结构变化，信号暴露而被泛素系统发现 并降解。这就是折叠异常、突变或老化蛋白 易被降解的原因。
2.氨基酸代谢库与氮平衡
氨基酸代谢库（池 pool）－生物体内游 离氨基酸的总量，包括外源性和内源性氨 基酸。
以人为例，肌肉中氨基酸50％左右
肝脏 10％
肾脏
4％
血浆 1～6％
氨基酸代谢
1
2
1
3
5
2 4
4 3
氮平衡：在正常情况下生物体摄入的氮量和 排出的氮量相等
正平衡：摄入氮＞排出氮，氮用于合成蛋白 质和核酸，儿童、孕妇
第八章 蛋白质降解和氨基酸代谢
Protein Degradation and Amino Acid Metabolism
要求
蛋白质降解机理（掌握） 蛋白质的营养价值与氮平衡（了解） 氨基酸分解代谢（掌握）
脱氨基作用、尿素循环、 氨基酸碳骨架的氧化 氨基酸的合成（理解） 氨基酸衍生物的生物学功能（了解）
脱羧反应
三、氨的去向 氨对生物体有毒，高等动物的脑对氨极敏 感，血中1%的氨会引起中枢神经中毒，因 此，脱下的氨必须排出体外。
氨中毒：脑细胞线粒体内的氨与α-酮戊二 酸生成Glu，大量消耗α-酮戊二酸，影响 TCA，同时大量消耗NADPH。
氨的去向 （1）重新利用（合成氨基酸和核酸） （2）贮存 植物以Gln、Asn的形式储存 氨 （3）排出体外