蛋白质的分解代谢''

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• 人及动物体内蛋白质处于不断降解和合成的动态平衡。成 人每天有总体蛋白的1%～2%被降解、更新。不同蛋白的 半寿期差异很大。
• 生物体内存在的两种蛋白质降解过程： – 不需要能量的，如消化道中的蛋白质降解 – 需要能量的：一种高效率、指向性强的讲解过程，蛋 白质被标记后降解。
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费城福克斯·切斯癌症研究中心
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26S 蛋白酶体包括2个19S调控 蛋白和一个20S核心蛋白
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20S 蛋白酶体至少有三种不同的蛋白酶活性
已知的20S 蛋白酶体蛋白酶 活性至少有三种，催化位点 均位于β亚基上，分别是： 类糜蛋白酶活性（β5）， 类胰蛋白酶活性（β2）， 肽-谷氨酰肽水解酶活性（β1）
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泛素-蛋白酶体途径 （Ubiquitin-Proteasome Pathway，UPP）
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• 胺类：食物中的酪氨酸、苯丙氨基酸，经肠菌脱羧酶的作 用分别转变为酪胺及苯乙胺，在肝内被单胺氧化酶分解清 除，肝功能衰竭时，清除发生障碍，此二种胺可进入脑组 织，在脑内经可羟化形成胺β-羟酪胺和苯乙醇胺。后二者 的化学结构与正常神经递质儿茶酚胺相似，但不能传递神 经冲动或作用很弱，因此称为假性神经递质，可取代正常 神经递质，阻碍神经冲动传递，使大脑发生异常抑制，出 现意识障碍与昏迷，这可能是肝性脑病（肝昏迷）发生的 原因之一。
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必需氨基酸与非必需氨基酸 • 机体需要但不能合成或合成量很少，不能满足需
要，必须由食物供给的氨基酸，称为必需氨基酸 （essential amino acid）。 • 体内能够自行合成，不必由食物供给的氨基酸就 称为非必需氨基酸 （non essential amino acid）。
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泛素的分子结构
• 约87%的肽链通过氢键形 成二级结构，包括3个α-螺 旋，5个β-折叠，7个β-转 角。
• 整个分子呈紧凑的球形， N-末端为较紧密的球状结 构域，C-末端是松散的伸 展结构，具有高度的保守 性。
• C-末端的76Gly和48Lys是重 要的功能位点
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泛素分子相关的三种酶
蛋白质降解
小肽 去泛素化
26S 蛋白酶体
泛素
泛素结合
泛素活化 目标蛋白
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• 泛素化蛋白质选择性降解的意义 – 降解对象： • 异常蛋白 • 正常的调节蛋白和酶 – 降解意义： • 清除异常蛋白 • 细胞对代谢进行调控的一种方式
• 泛素调节是机体内极为重要的一个生理活动，与 多种疾病的发生密切相关。
外
肠粘膜细胞
内
氨基酸
氨基酸 Na+
载体蛋白
氨基酸
Na+
中性氨基酸载体 碱性氨基酸载体 酸性氨基酸载体 亚氨基酸和甘氨酸载体
Na+ 钠泵 ATP
肠粘膜细胞氨基酸载体蛋白的作用
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细胞外
细胞膜
r谷氨酰转肽酶
COOH
r谷氨酰氨基酸 | CHNH2 |
(CH2) 2 COOH
|
|
C------N--CH
|| H |
S--S--
SS
糜蛋白酶 （MW 23500）
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氨基肽酶
内肽酶
羧基肽酶
H2N-CH-CO-NH-CH…NH-CH-CO-NH-CH-CO…NH-CH-CO-NH-CHCOOH
R1
R2
R3
R4
R5
R6
二肽酶
氨基酸 + H2N-CH-CO-NH-CH-COOH
R
R
氨基酸
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• 氨基酸的吸收——氨基酸吸收的载体（carrier protein)
• E1 具有高度的催化效能，在低浓度的情况下就能够激活 泛素，满足下游的级联反应过程。
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泛素结合酶（E2）
• E2在哺乳动物中至少有25 个基因，含有一个保守的大约 150 个氨基酸的核心结构域，在结构域的中央是决定E2 活性的半胱氨酸残基。
• 该结构域可能与E3s 的识别、E2s 自身的活性以及底物识 别有关。
体所必需的
克以满足人体每日的
生理需要
·蛋白质的营养价值
·必需氨基酸
·氮平衡
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氮平衡（nitrogen balance)
人体每日须分解一定量 的组织蛋白质，并以含 氮终产物的形式排出体 外。同时，须从食物中 摄取一定量的蛋白质， 以维持正常生理活动之 需。由于食物中的含氮 物主要是蛋白质，故可 用氮的摄入量来代表蛋 白质的摄入量。
• E1 和E3s 通过相同的基序与E2s 连接，在反应循环过程中 ，E2s 在E1和E3s 之间穿梭往返运行。
• E2s / Ub 非共价结合的亲和力非常低，说明其在转移泛素 分子到靶蛋白上起着重要的作用。
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泛素-蛋白连接酶（E3s）
• 泛素化途径最重要的特征就是底物的多样性和选择性，这 一功能由E3s 直接决定。
• 氨：肠道细菌使未被吸收的氨基酸脱氨基生成氨，是肠道 氨的重要来源之一；另一来源是血液中尿素渗入肠道，受 肠道细菌尿素酶的水解而生成氨。这些氨大部分被吸收进 入血液，在肝中合成尿素。
• 维生素：肠道大肠杆菌合成的维生素K2
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第三节 细胞内的蛋白质降解
内源性蛋白质的选择性降解 ——依赖ATP的泛素化蛋白质标记系统
2. 肠液中肠激酶的作用和小肠粘膜细胞的消化作用
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胃蛋白酶、HCl 氨基末端 胃蛋白酶原 （MW 40000） 42 aa
肠激酶（或胰蛋白酶） 胰蛋白酶原 （MW 24000）
糜蛋白酶原 （MW 24000）
胰蛋白酶
S— S
S
S
胃蛋白酶 （MW 33000）
胰蛋白酶 （MW 23200）
胰蛋白酶
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蛋白质的营养价值
食物蛋白质在体内的利用率，以氮的保留量与 氮的吸收量的百分率表示
氮的保留量
• 蛋白质的生理价值＝
×100
氮的吸收量
氮的吸收量＝食入氮－粪中氮 氮的保留量＝食入氮－粪中氮－尿中氮
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• 蛋白质营养价值的高低取决于所含氨基酸的种类、数 量及其比例，尤其是： – 必需氨基酸的含量； – 必需氨基酸的种类； – 必需氨基酸的比例，即具有与人体需求相符的氨 基酸组成。 实际评定食物蛋白质营养价值包括：食物蛋白质含 量、蛋白质的消化率和蛋白质的利用率
• 参与合成重要的含氮化合物并参与物质代谢及 生理功能的调控 ——胺类、神经递质、激素、嘌呤、 嘧啶等
• 氧化功能 ——17.19KJ/g protein
• 其他功能：如转运、凝血、免疫、记忆、识别 等均与蛋白质有关
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如何拥有满足人体需要的蛋白质
质：
量：
每日补充的蛋白质应为身
中国营养学会推荐成 人每天补充蛋白质80
合成代谢——DNA的复制，转录和翻译 遗传信息的传递与表达
蛋白质的代谢 分解代谢——氨基酸的分解代谢
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蛋白质的分解代谢
——氨基酸的分解代谢
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第一节 蛋白质的营养
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食物蛋白的生理功能
维持细胞组织的生长、发育和修补作用 ——蛋白质特有的生理功能,是构成组织细胞的重要成分并参与
组织细胞的更新和修补。
O
R
半胱氨酰甘氨酸
AA
甘氨酸
半胱氨酸
细胞内 AA
5羟脯氨酸 ATP ADP + Pi
谷氨酸
GSH ATP
ADP
+ Pi
r谷氨酰半胱氨酸 ATP
ADP + Pi
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γ谷氨酰基循环对氨基酸的转运作用
蛋白质的腐败作用 （Putrefaction）
——未被吸收的氨基酸和小肽及未被消化的蛋白质，在大肠 下部受肠道菌群的作用发生分解。是肠道细菌自身的代谢 过程 ✓ 腐败作用的主要化学反应： 脱羧基作用、还原脱氨作用 ✓ 腐败作用的产物： 有毒物质：氨、胺、苯酚、吲哚、甲烷、 硫化氢 有营养意义的物质：维生素K及少量脂肪酸
• E1：泛素活化酶
•
• E2：泛素结合酶
• E3：泛素蛋白连接酶
•
•
泛素的活化：泛素C端Gly的 羧基连接到E1的巯基上，形成 一个泛素和泛素活化酶E1之间 的硫酯键。该步骤需要消耗 ATP。
E1将活化后的泛素通过交酯化 过程交给E2。
E3将结合E2的泛素连接到目 标蛋白上，当蛋白上已经存在 泛素的时候，结合了E2的泛素 可以直接连接在其上而不通过 E3。
体内蛋白质的合成与分解 处于动态平衡中，故每 日氮的摄入量与排出量 也维持着动态平衡，这 种动态平衡就称为氮平 衡，反映了体内蛋白质 的合成与分解代谢的总 结果。
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氮平衡的种类
• 氮总平衡——食入氮量等于排泄氮量 营养正常的成年人
• 氮正平衡——食入氮量大于排泄氮量 儿童，孕妇，恢复期病人
• 氮负平衡——食入氮量小于排泄氮量 营养不良，消耗性疾病患者
• 目前主要有3种类型的E3s，即含有HECT（ homologous to E6- associatedprotein carboxyl terminus）结构域的E3s 、含有环指状（RING finger）结构域的E3s 和含有U-box 结构域的E3s。在高等生物E3 的总数从几百到一千以上， 新的E3 亚家族仍不断被发现。正是由于这些复杂多变的 E3s 家族成员可以对不同的底物进行特异性的识别，才呈 现出蛋白降解的高度选择性。
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泛素化调节与肿瘤的发生及治疗
exopeptidases
Amino acids
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• 胃中的消化 • 小肠中的消化
1. 胰液中的蛋白酶 • 内肽酶(endopeptidase)： • 胰蛋白酶(trypsin) • 糜蛋白酶(chymotrypsin) • 弹性蛋白酶(elastase) • 外肽酶(exopeptidase) • 羧基肽酶A(carboxypeptidase A) • 羧基肽酶B(carboxypeptidase B) • 氨基肽酶(aminopeptidase)
Aaron Ciechanover
Avram Hershko
Irwin Rose
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
泛素（Ubiquitin）
• 是一种存在于大多数真核细 胞中的小分子蛋白，由 76个 氨基酸组成，分子量大约 8500道尔顿，在真核生物中 具有高度保留性。
• 主要功能是标记需要分解掉 的蛋白质，使其被水解。通 过与蛋白质的赖氨酸残基连 接，形成多聚泛素，导致被 结合的蛋白质被细胞溶胶中 的蛋白酶体所识别并降解之 ，但一些特定抑制剂可抑制 其降解。
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• 蛋白质的消化
– 外源性蛋白质的消化吸收
• 消除蛋白质的种属特异性和抗原性，变为小分 子肽和氨基酸，易于机体吸收和利用
– 内源性蛋白质的选择性降解
• 清除异常蛋白 • 调控代谢
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外
源
未吸收部分
性
蛋
白
质
消
化
过
程
及
部
位
未吸收部分
大肠
腐败 21
Pepsin
Chymotrypsin trypsin
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蛋白质的互补作用 (complementary action) ——几种营养价值较低的蛋白质混合食用，互
相补充必需氨基酸的种类和数量，从而 提高蛋白质在体内的利用率
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• 蛋白质营养对疾病的防治具有重要意义： – 改善临床手术后出现的氮负平衡
• 高营养剂疗法
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第二节 蛋白质的消化、吸收和腐败
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泛素活化酶（E1）
• E1 是一种广泛表达的多肽，大约1100 个氨基酸，含有位 置固定的保守的半胱氨酸残基。
• E1 有2 个亚型，是由同一个mRNA 在不同的起始位点翻 译而成的，存在于细胞浆和细胞核中。
• 酵母的E1 基因失活后是致命的，说明这个蛋白对于细胞 的生存是至关重要的。
• E1 可以水解ATP，与泛素的羧基末端形成高能硫酯键而 激活泛素。
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蛋白酶体（proteasome）
• 1979年分离出来，由20S 核心蛋白酶（core protease， CP）和19S 调节颗粒（regulatory particle，RP）构成
• 蛋白酶体是一个桶状的复合物，包括一个由四个堆积在 一起的环所组成的“核心”（20S复合物），形成一个 空腔。其中，每一个环由七个蛋白质分子组成。中间的 两个环各由七个β亚基组成，并含有六个蛋白酶的活性位 点。这些位点位于环的内表面，所以蛋白质必须进入到 蛋白酶体的“空腔”中才能够被降解。蛋白质进入“空 腔” 的必由之路是两端的帽状结构（19S复合物）。
衡量蛋白质价值的必需氨基酸
• 人体必需氨基酸有8种： 赖氨酸 Lys 色氨酸 Trp 缬氨酸 Val 苯丙氨酸 Phe 苏氨酸 Thr 亮氨酸 Leu 异亮氨酸 Ile 甲硫氨酸 Met
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• 半必需氨基酸： – 精氨酸：成人非必需，婴儿必需，参与鸟氨酸循环 – 组氨酸：10岁以下儿童不能合成，需由食物供给。 – 半胱氨酸、酪氨酸：在体内能分别由蛋氨酸和苯丙氨酸 合成，如果膳食中能够直接提供两种氨基酸，则人体对 蛋氨酸和苯丙氨酸的需要减少30%和50%，故为半必需 氨基酸，也称为条件必需氨基酸。