蛋白质的酶促降解和氨基酸代谢

第二节 氨基酸的降解和转化
❖食物蛋白中，经消化而被吸收的氨基酸（外源 性AA）与体内组织蛋白降解产生的氨基酸（内源 性AA）混在一起，分布于体内各处，参与代谢， 称为氨基酸代谢库。
氨基酸的去向 ：
（1）重新合成蛋白质（蛋白质周转） （2）合成其它含氮化合物，如血红素、活性胺、
GSH、核苷酸、辅酶等 （3）彻底分解，提供能量
（3）排出体外：动物通过尿素循环将NH3生成尿素
尿素的生成
a、概念
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。
b、总反应和过程
NH3+CO2+3ATP+天冬氨酸+2H2O NH2-CO-NH2 + 2ADP +2AMP +PPi+延胡索酸
尿 素 循 环
2004年6日瑞典皇家科学院宣布，2004年诺贝 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 彰他们发现了泛素调节的蛋白质降解。
泛素的羧基末端的Gly与将被送去降解 的蛋白质的Lys的-氨基共价连接，而 使将被降解的蛋白质携带了降解标记， 这个过程分三步进行： ① 泛素的羧基末端以硫酯键与泛素活 化酶（E1）相连。 ② 泛素然后被转移到被称为泛素结合 酶（E2）的许多同源小蛋白质的中某一 小蛋白的巯基上。 ③ 泛素-蛋白质连接酶（E3）将活化的 泛素从E2转移到已结合在E3上的蛋白质 的赖氨酸-氨基上，形成一个异肽键（ isopetide bond）。
脱羧基作用
一、脱氨基作用
（一） 氧化脱氨基 1、L-Glu脱氢酶
L-谷氨酸脱氢酶
AA
酮酸+NH3
➢反应不需氧。
L-谷氨酸脱氢 酶在动、植、
微生物体内都 有。
H2O NH4+
NAD(P)+ NAD(P)H
L-谷氨酸
α-亚氨基戊二酸
α-酮戊二酸
在体内，谷氨酸脱氢酶催化可逆反应。一般情况下偏向于谷 氨酸的合成，因为高浓度氨对机体有害。但当谷氨酸浓度高 而NH3浓度低时，则有利于脱氨和α-
★氨中毒的机理：脑细胞的线粒体可将氨与α-酮 戊二酸作用生成Glu，大量消耗α-酮戊二酸，影响 TCA，同时大量消耗NADPH，产生肝昏迷。
NH3去向
（1）重新利用 ： 合成AA、核酸。
（2）贮存 ：高等植物将氨基氮以Gln，Asn的 形式储存在体内。
谷氨酰胺合成酶
NH4++谷AA+ATP
谷氨酰胺+ADP+Pi+H+
（2）通过谷氨酸脱氢酶（细菌）
谷AA脱氢酶
α-酮戊二酸+NH3
谷氨酸
NADH NAD++H2O
（3）通过谷氨酰胺合成酶
谷氨酰胺合成酶
谷AA+NH3
谷氨酰胺
ATP
ADP+Pi+H2O
谷氨酸合酶
谷氨酰胺+ α-酮戊二酸
2谷AA + H2O
谷氨酸作为氨基供体，通过转氨基作用参与 其它氨基酸的合成
2、碳架
（2）依赖ATP的泛素途径，在胞质中进行，主要 降解异常蛋白和短寿命蛋白（调节蛋白），此途径 在不含溶酶体的红细胞中尤为重要。（选择性降解）
意义：（1）清除异常蛋白； （2）细胞对代谢进行调控的一种方式
泛素是一种8.5KD（76AA残基）的小分子蛋白 质，普遍存在于真核细胞内。一级结构高度保 守，酵母与人只相差3个AA残基，它能与被降 解的蛋白质共价结合，使后者活化，然后被蛋 白酶降解。
第一节 蛋白质消化、降解
一、水解蛋白质的酶的种类
肽酶（Peptidase）：肽链外切酶 蛋白酶(Proteinase)：肽链内切酶
消化道内几种蛋白酶的专一性
氨肽酶
（Phe.Tyr.Trp）
（Arg.Lys）
羧羧肽肽酶酶
（Phe. Trp）
（脂肪族）
胃蛋白酶
胰凝乳 弹性蛋白酶 胰蛋白酶 蛋白酶
二、 外源蛋白质消化吸收
ATP瓜氨酸天冬氨酸 Nhomakorabea-酮戊二酸
草酰乙酸
谷氨酸
氨基酸
AA
2、 酮酸（碳架）去向
酮酸+NH3
R-CO-COOH
（1）重新氨基化生成氨基酸 （2）氧化成CO2和水（TCA） （3）生糖、生酮
氨基酸碳骨架进入TCA
20种AA的碳架可转化成7种物质： 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。
✓ Arg → 水解 → 鸟氨酸 → 脱羧 → 腐胺 → 亚精胺 → 精 胺，亚精胺和精胺总称为多胺。多胺存在于精液及细胞 核糖体中，是调节细胞生长的重要物质，
✓ 牛C磺ys酸的与S胆H氧汁化酸成结-合SO，3-乳，化并食脱物去。-COO - 就形成了牛磺酸，
✓Tyr形成多巴、多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素， 这四种统称儿茶酚胺类
尿素形成后由 氨基酸
血液运到肾脏
-酮戊二酸
胞液
随尿排除。
O
谷氨酸
NH2-尿C素-NH2
谷氨酸
鸟氨酸
H2O
5
精氨酸
延胡索酸
4
精氨琥珀酸
-酮戊二酸
NH3
鸟氨酸 1 2ATP+CO2++H2O 2ADP+Pi
氨甲酰磷酸
2
线 粒
Pi
体
瓜氨酸
3
AMP+PPi
基质
（1）形成一分子尿素 消耗4个高能磷酸键
（2）两个氨基分别来 自游离氨和Asp，一 个环.CO2 来 自 TCA 循
（四） 联合脱氨基
➢ 单靠转氨基作用不能最终脱掉氨基，单靠氧化脱 氨基作用也不能满足机体脱氨基的需要，因为只 有Glu脱氢酶活力最高，其余L-氨基酸氧化酶的活 力都低。
➢ 机体借助联合脱氨基作用可以迅速脱去氨基 。
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
转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶作用相偶联
脱羧酶
AA
胺类化合物
（辅酶为磷酸吡哆醛）
AA脱羧反应广泛存在于 动、植物和微生物中， 有些产物具有重要生理 功能： L-Glu→γ-氨基丁酸,是重
要的抑制性神经介质，对中枢神 经元有普遍性抑制作用 。
His →组胺,是一种强烈的血
管舒张剂，有降低血压的作用。
➢ 生物体内大部分AA可进行脱羧作用，生成相应的一级胺。
➢ 生酮氨基酸：Phe、Tyr、 Trp 、Leu、Lys在分解过程中转变为乙 酰乙酰CoA，后者在动物肝脏中可生成乙酰乙酸和β-羟丁酸。
➢ 生糖氨基酸：凡能生成丙酮酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、延胡索 酸、草酰乙酸的AA都称为生糖AA ，它们都能生成Glc。
➢ Phe、Tyr是生酮兼生糖AA 。
二 、脱 羧 基 作 用
组氨酸 甘氨酸
FH4
N5， N10 = CH-FH4
参与嘌呤合成
HCOOH FH4
H2O 环水化酶
H+
N10 -CHO-FH4
参与嘌呤合成
第三节 氨基酸的生物合成
▪ 氨基酸合成概述 ▪ 氨基酸的合成
一、 氨基酸合成概述 1、 氮源
氮流入氨基酸 分子，起始于 无机氮，如 N2，NH3
➢N2固定（生物固氨）——微生物 与豆科植物共生的根瘤菌、自养固氮菌---兰藻
➢ 哺乳动物的胃、小肠中含有胃蛋白酶、胰蛋白 酶、胰凝乳蛋白酶、羧肽酶、氨肽酶、弹性蛋 白酶。经上述酶的作用，蛋白质水解成游离氨 基酸，在小肠被吸收。
➢ 被吸收的氨基酸（与糖、脂一样）一般不能直 接排出体外，需经历各种代谢途径。
三、 细胞内蛋白质的降解
真核细胞中蛋白质的降解途径
（1）不依赖ATP的溶酶体途径，没有选择性，主 要降解细胞通过胞吞作用摄取的外源蛋白、膜蛋 白及长寿命的细胞内蛋白。
两个氨基酸互相发生氧化还原反应 ⑤水解脱氨基作用
----
脱酰胺基作用
CONH2
CH2 CH2
谷氨酰胺酶
+H2O
CH+NH3
COO-
----
COO-
CH2 CH2 +NH3 CH+NH3 COO-
---
CONH2
天冬酰胺酶
CH2 +H2O
CH+NH3
COO-
---
COO-
CH2 +NH3 CH+NH3 COO-
亚氨甲基（-CH=NH）， 甲酰基（ HC=O-）， 羟甲基（-CH2OH）， 亚甲基（又称甲叉基，-CH2）， 次甲基（又称甲川基，-CH=）， 甲基（-CH3） Gly、 Ser、 Thr、His、Met 等AA可以提供一碳单位。 一碳单位的转移靠四氢叶酸（5，6，7，8-四氢叶酸）， 携带甲基的部位是N 5、N 10
氨 基 酸 的 前 体 及 相 互 关 系
非必需 必需
丝氨 酸族
天冬氨 酸族
His 和 芳香族
丙氨 酸族
谷氨酸族
二 、氨基酸的合成
1、 丙氨酸族氨基酸的合成 2、 丝氨酸族氨基酸的合成 3、 天冬氨酸族氨基酸的合成 4、 谷氨酸族氨基酸的合成 5、 组氨酸族和芳香族氨基酸的合成
➢ 直接碳架是相应的α-酮酸： ➢ 主要来源：糖酵解——丙酮酸
TCA——草酰乙酸、 α-酮戊二酸 磷酸戊糖途径——磷酸核糖
二 、氨基酸的合成
必需氨基酸：许多氨基酸的合成途径只存在于植 物和微生物，哺乳动物必须从食物中获得这些氨 基酸 ，称为必需氨基酸——
Ile、Leu、Lys、Met、Phe、Thr、Trp、 Val、（Arg、His）
上述两种酶广泛存在于微生物、动物、植物中， 有相当高的专一性。
（三） 转氨基作用
➢ 概念:指在转氨酶催化下将α-氨基酸的氨基转给另一个 α－酮酸，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
R1-C| H-COONH+3
α-氨基酸1
R2-C|| -COOO
α-酮酸2
一碳基团的利用：参与合成反应， 如磷脂、核苷酸等的合成。
一碳基团的 S-腺苷蛋氨酸 来源与转变
参与 甲基化反应
N5-CH2-FH4
丝氨酸 FH4
NAD+
NDAH+H+ N5 ， N10 -CH2-FH4还原酶
N5 N10 - CH2-FH4
为胸腺嘧啶合 成提供甲基
NAD+ NDAH+H+
N5 ， N10 -CH2-FH4脱氢酶
➢ Trp形成5-羟色胺， 5-羟色胺是神经 递质，促进血管收缩
➢ 但大多数胺类对动物有毒，体内有胺氧化酶， 能将胺氧化为醛和氨，醛进一步氧化成脂肪酸。
RCH2NH2+O2+H2O
AA
RCHO+H2O2+NH3 尿素
RCHO+1/2O2
RCOOH CO2+H2O
三、由氨基酸产生一碳单位
➢ 一碳单位(one carbon unit)：在代谢过程中，某些 化合物（如氨基酸）可以分解产生具有一个碳原 子的基团（不包括CO2）
2、氨基酸氧化酶
R-CH-COON| H+3
α-氨基酸
氨基酸氧化酶（ FAD ）
FAD
FADH2
R-C-COO ||
-
+
NH3
O
α-酮酸
FADH2 +O2
FAD +H2O2
Ｌ—氨基酸氧化酶 D-氨基酸氧化酶
（二）非氧化脱氨基作用
（大多在微生物中进行）
①脱酰胺基作用 ②脱水脱氨基作用 ③ 还原脱氨基作用（严格无氧条件下） ④氧化-还原脱氨基作用
在固氮酶系作用下，将空气中的N2固定，产生NH3
➢硝酸还原——植物、微生物 将硝酸盐（NO3-) 还原为NH3
氨的同化---生物体将NH3转化为含氮 有机化合物的过程。
氨同化的途径
（1）通过氨甲酰磷酸合成酶
在植物体中，氨甲酰磷酸中的氮来自 谷氨酰胺的酰胺基，不是由氨来的。
氨甲酰磷酸参与尿素循环中的精氨酸的合成 及嘧啶合成
R1-C|| -COOO
α-酮酸1
转氨酶
R2-C| H-COONH+3
α-氨基酸2
（辅酶：磷酸吡哆醛）
参与蛋白质合成的20种α-氨基酸中，除Gly、 Lys、Thr和Pro不参加转氨基作用，其余均可由 特异的转氨酶催化参加转氨基作用。
转氨基作用机制
磷酸吡哆醛的作用机理
▪迄今发现的转氨酶都以磷酸吡哆醛为辅基， 它与酶蛋白以牢固的共价键形式结合。
氨基酸代谢概况
食物蛋白质
体蛋白
氨基酸
特殊途径 （次生物质代谢）
生物固氮 硝酸还原
NH4+
-酮酸 CO2 胺
NH3 糖及其代谢
鸟氨酸 中间产物 循环
脂肪及其代谢 中间产物
TCA
激素 卟啉 嘧啶
嘌呤
尼克酰氨 SO4 2 衍生物
NH4+ 尿素
CO2
H2O
尿酸
肌酸胺
➢氨基酸的分解代谢主要在肝脏中进行
脱氨基作用 ✓ 氧化脱氨基 ✓ 非氧化脱氨基作用 ✓ 转氨基作用 ✓ 联合脱氨基
➢ AA脱羧酶专一性很强，每一种AA都有一种脱羧酶，辅 酶都是磷酸吡哆醛。
➢ AA脱羧反应广泛存在于动、植物和微生物中，有些产物 具有重要生理功能：
✓ 如脑组织中L-Glu脱羧生成r-氨基丁酸，是重要的抑制性 神经介质，对中枢神经元有普遍性抑制作用 。
✓ His脱羧生成组胺（又称组织胺），组胺是一种强烈的血 管舒张剂，有降低血压的作用。
大多数转氨酶，优先利用α-酮戊二酸作为氨 基的受体，生成Glu。
因为生成的谷氨酸可在谷氨酸脱氢酶的催化 下氧化脱氨，使α-酮戊二酸再生。
（五）产物去向 AA
酮酸+NH3
R-CO-COOH
1、NH3去向
➢氨对生物机体有毒，特别是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， 脱去的氨必须排出体外。