1、 第九章 蛋白质降解和氨基酸代谢 第一节 蛋白质的消化降解 外源蛋白的消化 内源性蛋白的选择性降解 第二节 氨基酸的降解 第三节 氨基酸的生物合成 第一节 蛋白质的消化降解 一、水解蛋白质的酶 二、外源蛋白质消化吸收二、外源蛋白质消化吸收 三、 细胞内蛋白质的降解 蛋白酶(Proteinase)：肽链内切酶 肽酶（Peptidase）：肽链外切酶(氨肽酶,羧肽酶) 一、水解蛋白质的酶 蛋白质 肽段 氨基酸 蛋白酶 肽酶 消化道内几种蛋白酶的专一性 （Phe.Tyr.Trp） （Arg.Lys） （脂肪族） 胰凝乳蛋白酶 胃蛋白酶 弹性蛋白酶 羧肽酶 胰蛋白酶 氨肽酶 羧肽酶 （Phe. Trp
2、） 胃 中:胃蛋白酶 小肠中:胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、胰蛋白酶、羧肽酶、氨肽酶 ?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。 二、外源蛋白质消化吸收 （1）不依赖ATP的溶酶体途径 （2）依赖ATP的泛素途径 三、 细胞内蛋白质的降解 （1）不依赖ATP的溶酶体途径: ?溶酶体系含有约50 种水解酶。 ?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。 ?不依赖ATP，没有选择性。 ? 在胞质中进行，
3、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） ? 排除异常蛋白；排除异常蛋白； ? 排除积累过多的酶和调节蛋白，使细胞代谢得以有条不紊的进行。 在代谢调节中重要的酶大多寿命较短，这就使它们的浓度可迅速改变，因此活性也可迅速改变，从而细胞能有效地应答环境变化及代谢需求。 （2）依赖ATP的泛素途径 ?泛素是一种8.5KD（76a.a.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a.a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。 泛 素 2004年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖 Th
4、e Nobel Prize in Chemistry 2004 “for the discovery of ubiquitin -mediated protein degradation ” Aaron Ciechanover Avram Hershko Irwin Rose 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： 泛素的羧基末端以硫酯键与泛素活化酶（E1）相连。 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。 泛素-蛋白质连接酶（E3）将活化的泛素从E2转移到已结合在
5、E3上的蛋白质的赖氨酸?-氨基上，形成一个异肽键（isopetide bond）。 泛素活化酶E1 泛素携带蛋白E2 泛素连接酶E3 多聚泛素化 26S蛋白酶体 氨基酸的去向 ： （1）重新合成蛋白质 （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(动物) 氨基酸代谢概况 食物蛋白质 氨基酸 特殊途径 ? -酮酸 糖及其代谢中间产物 脂肪及其代谢中间产物 TCA 鸟氨酸循环 NH4+ NH4+ NH3 CO2 H2O 体蛋白 尿素 尿酸 激素 卟啉 尼克酰氨衍生物 肌酸胺 嘧啶 嘌呤 SO4 2 - 生物固氮硝酸还原 （次生物质代谢） CO2 胺
6、 氨基酸的分解代谢概况 氨基酸 ?-酮酸 TCA 尿素 循环 NH4+ 氨基酸,核苷酸和生物胺的合成 CO2+H2O+ATP 尿素 CO2 胺 氨甲酰磷酸 草酰乙酸 葡萄糖 第二节 氨基酸的降解 ?脱氨基作用 ?转氨基作用 ?氧化脱氨基 ?联合脱氨基 ?非氧化脱氨基作用 ?脱羧基作用 ?氨基酸的降解主要在肝脏进行 （一） 转氨基作用 ?概念:指在转氨酶催化下将-氨基酸的氨基转给另一个酮酸，结果原来的-氨基酸生成相应的-酮酸，而原来的-酮酸则形成了相应的-氨基酸 一、脱氨基作用 转氨酶 ?参与蛋白质合成的20种-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
7、化参加转氨基作用。 磷酸吡哆醛的作用机理 转氨基作用机制 ? 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。 （二） 氧化脱氨基 AA 酮酸+NH3 L-谷氨酸脱氢酶 NAD(P)+ NAD(P)H H2O NH4+ L-谷氨酸 -亚氨基戊二酸 -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- 1、L-Glu脱氢酶 ?反应不需氧。 L-谷氨酸脱氢酶在动、植、微生物体内都有。 L-氨基酸氧化酶 D-氨基酸氧化酶 | -氨基酸 氨基酸氧化酶（ FAD ） -酮酸 R-CH
8、-COOR-CH-COO- NH NH+3 | R-C-COO - + NH3 O FAD FADH2 FADH2 +O2 FAD +H2O2 2、氨基酸氧化酶 ? 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 。 （三） 联合脱氨基 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 ?大多数转氨酶，优先利用 -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-酮戊二酸再生。 转
9、氨酶与L-谷氨酸脱氢酶作用相偶联 脱酰胺基作用 脱水脱氨基作用 还原脱氨基作用（严格无氧条件下） 氧化-还原脱氨基作用 两个氨基酸互相发生氧化还原反应 水解脱氨基作用 （大多在微生物中进行） （四）非氧化脱氨基作用 脱酰胺基作用 CH2 - CONH2 CH2 - CH+NH3 COO- - - +H2O CH2 - COO- CH2 - CH+NH3 COO- - - +NH3 谷氨酰胺酶 CH2 - CONH2 CH+NH3 COO- - - +H2O 天冬酰胺酶 CH2 - COO- CH+NH3 COO- - - +NH3 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。
10、丙氨酸、甘氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、色氨酸和苏氨酸的分解代谢途径 丝氨酸羟甲基转移酶 丝氨酸羟甲基转移酶 丝氨酸脱水酶 丙酮酸脱氢酶 丙氨酸转氨酶 ?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、-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸。 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。 （五）产物去向 AA AA 酮酸酮酸 + NH + NH3 3 R-CO-COOH R-CO-COOH TAC 脑供能不足 -酮戊二酸 谷氨酸 谷氨酰胺 NH3 NH3 脑内 -酮戊二酸 氨中毒的可能机制氨
11、中毒的可能机制 （1）重新利用 ：合成a.a、核酸。 （2）贮存 ：动植物将氨基氮以 Gln的形式储存在体内，在一系列生物合成中提供氨基。 NH3去向 谷氨酰胺合成酶 （3）排出体外：动物通过尿素循环将NH3生成尿素 尿素循环 a.概念 b.总反应和过程 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。 NH3+CO2+3ATP+天冬氨酸+2H2O ? NH2-CO-NH2 + 2ADP +2+ AMP +PPi+延胡索酸 氨基酸 谷氨酸 谷氨酸 氨甲酰磷酸 鸟氨酸 瓜氨酸 瓜氨酸 精氨琥珀酸 鸟氨酸 精氨酸 延胡索酸 草酰乙酸 氨基酸 谷氨酸
12、? -酮戊二酸 天冬氨酸 ATP AMP+PPi H2O 2ATP+CO2+H2O 2ADP+Pi 基质 线粒体 胞液 NH2-C-NH2 O 尿素 1 2 3 4 5 Pi NH3 ? -酮戊二酸 尿素形成后由血液运到肾脏随尿排除。 ? -酮戊二酸 （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CO2来自TCA循环. 尿素循环 瓜氨酸 精氨琥珀酸 合成酶 天冬氨酸 精氨琥珀酸 延胡索酸 精氨琥珀酸裂解酶 精氨酸 精氨酸酶 鸟氨酸 鸟氨酸 瓜氨酸 氨甲酰 磷酸 氨甲酰磷酸合成酶 （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
13、个CO2来自TCA循环. 鸟氨酸氨甲酰转移酶 尿素形成后由血液运到肾脏随尿排除。 尿素循环 线粒体 胞液 The synthesis of The synthesis of Carbamoyl （氨甲酰） phosphate requires requires two activation steps, consuming steps, consuming two ATP molecules: one molecules: one for activating HCO3-, the other to the other to phosphorylate carbamate. carbamate
14、. an anhydride 丙氨酸、甘氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、色氨酸和苏氨酸的分解代谢途径 丝氨酸羟甲基转移酶 丝氨酸羟甲基转移酶 丝氨酸脱水酶 丙酮酸脱氢酶 丙氨酸转氨酶 2. 酮酸（碳架）去向 ?20种aa的碳架可转化成7种物质 ?可通过TCA循环氧化分解 ?重新氨基化生成氨基酸 ? 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-羟丁酸。 ? 生糖氨基酸：凡能生成丙酮酸、 -酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸、草酰乙酸的a.a都能生成Glc。 ? Phe、Tyr是生酮兼生糖a.a。 酮酸（碳架）去向 （1）重新氨基化生成
15、氨基酸 （2）氧化成CO2和水（TCA） （3）生糖、生酮 小结 二 、脱 羧 基 作 用 AA 胺类化合物 脱羧酶脱羧酶 （辅酶为磷酸吡哆醛）（辅酶为磷酸吡哆醛） a.a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-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。 ?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 ? 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。
16、RCH2NH2+O2+H2O RCHO+H2O2+NH3 RCHO+1/2O2 RCOOH CO2+H2O AA 尿素 三、由氨基酸产生一碳单位 ?一碳单位：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） 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） ?一碳基团的利用：参与合成反应， 如磷脂、核苷酸等的合成。 -CO2 The three types of one-carbon unit one-carbon unit carriers
17、丝氨酸羟甲基转移酶 Ser,Gly Gly His N5, N10-亚甲基四氢叶酸还原酶 N5, N10-亚次甲基四氢叶酸还原酶 N10-甲酰四氢叶酸合成酶 环化水解酶 环化脱氨酶 N5甲酰四氢叶酸 N5, N10-亚甲基四氢叶酸 一碳单位在四氢叶酸上的转换 为胸腺嘧啶合成提供甲基 参与嘌呤合成 参与嘌呤合成 N5-亚氨甲基四氢叶酸 N5, N10-次甲基四氢叶酸 N10-甲酰基四氢叶酸 甲酸 丝氨酸羟甲基转移酶 Gly, Ser His THF also works in the biosyntheses of amino acids (Ser, Gly, Met), purines and
18、 pyrimidines. N5, N10-亚甲基四氢叶酸还原酶 N5, N10-亚次甲基四氢叶酸还原酶 N10-甲酰四氢叶酸合成酶 环化水解酶 环化脱氨酶 N5甲酰四氢叶酸 N5, N10-亚甲酰四氢叶酸 一碳单位在四氢叶酸上的转换 第三节 氨基酸的生物合成 ?氨基酸合成概述 ?氨基酸的合成 1、 氮源 一、 氨基酸合成概述 氮流入氨基酸分子，起始于无机氮: ?N2固定生成NH3（生物固氨）微生物 ?硝酸还原生成NH3植物、微生物 将硝酸盐（NO3-) 还原为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 在固氮酶系作用下，将空气中的N2固定，产生NH3 根瘤
19、 N2 + 8H+ + 8e- 2NH3 + H2 氨 同 化 （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。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 ?概念: 生物体将NH3转化为含氮有机化合物的过程。 ? 氨同化的途径: 谷氨酰胺+ -酮戊二酸 2谷AA + H2O 谷氨酸合酶 （2）通过谷氨酸脱氢酶（细菌） （3）通过谷氨酰胺合成酶 -酮戊二酸+NH3 谷氨酸 NADH NAD+H2O 谷AA脱氢酶 谷AA+NH3 谷氨酰胺 ATP ADP+Pi+H2O 谷氨酰胺合成酶
20、 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 ? 直接碳架是相应的-酮酸： ? 主要来源： 糖酵解丙酮酸 T C A 草 酰 乙酸,-酮戊二酸 磷酸戊糖途径磷酸核糖 2、碳架 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 。 Ile、Leu、Lys、Met、Phe、Thr、Trp、Val、（Arg、His,幼小动物必需） 谷氨酸族 天冬氨酸族 丙氨酸族 丝氨酸族 His 和芳香族 氨基酸的前体及相互关系 必需必需 非必需非必需 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、
21、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 ?包括：Ala、Val 、Leu 1、 丙氨酸族氨基酸的合成 -丙酮酸衍生型 COOH CH3 C=O - - CH2 - COOH CH2 - CHNH2 COOH - - COOH CH3 CHNH2 - - CH2 - COOH CH2 - C=O COOH - - 转氨酶 + + 丙酮酸 谷AA 丙AA -酮戊二酸 （1）Ala的合成 （2）其它氨基酸的合成 2丙酮酸 -酮异戊酸 缩合 CO2 缬氨酸 丙氨酸丙氨酸 -酮异己酸 亮氨酸 - CH3 C=O COO- - - CH2 - CH3 CH3-CH - C=O COOH
22、- - CH3-CH -酮异戊酸酮异戊酸 2、 丝氨酸族氨基酸的合成 -3-磷酸甘油酸衍生型 ?包括：Ser、Gly、Cys COOH HO-CH CH2O-P - - COOH CHNH2 CH2O-P - - COOH CH2OH CHNH2 - COOH C=O CH2O-P - - COOH HO-CH CH2OH - - COOH C=O CH2OH - - H2O Pi H2O Pi 3-磷酸甘油酸 3-磷酸羟基丙酮酸3-磷酸丝氨酸 甘油酸 3-羟基丙酮酸 丝氨酸 碳架 COOH CH2NH2 - COOH CH2OH CHNH2 - +NH3+CO2 +2H+ + 2e- 2 H
23、2O 丝AA 甘AA CH2 - COOH CH2 - CHNH2 COOH - - COOH CHO - + COOH CH2NH2 - CH2 - COOH CH2 - C=O COOH - - + -酮戊二酸 甘AA 谷AA 乙醛酸 碳架 Cys Cys的合成的合成 丝AA+乙酰-CoA O- 乙酰丝AA+CoA O-乙酰丝AA+硫化物 半胱氨酸+乙酸 ? 三种氨基酸的关系 乙醛酸 甘AA 丝AA 半胱AA 3-磷酸甘油酸 3、 天冬氨酸族氨基酸的合成 -草酰乙酸衍生类型 ?包括：Asp、Asn、Lys、Thr、Met、Ile CH2 - COO- C=O COO- - - CH2 -
24、COO- CH2 - CH+NH3 COO- - - CH2 - COO- CH+NH3 COO- - - CH2 - COO- CH2 - C=O COO- - - + + 天冬AA (1) Asp的合成 （2）Asn的合成 天冬酰胺合成酶 天冬AA+NH3 + ATP Mg2+ 天冬酰胺+H2O + AMP+PPi 天冬AA+谷氨酰胺+ATP Mg2+ 天冬酰胺+谷AA+AMP+PPi （植，细菌） （动） CH2 - COOH CHNH2 COOH - - （3） 其它氨基酸的合成其它氨基酸的合成 ATP ADP 天冬氨酸激酶 CH2 - C-O-P=O CHNH2 COOH - - O
25、= OH OH 天冬氨酰磷酸 CH2 - CHO CHNH2 COOH - - -天冬氨酸半醛 L-高丝氨酸 甲硫氨酸 苏氨酸 异亮氨酸 ,-二氨基庚二酸 赖氨酸 CO2 天冬氨酸 几种氨基酸的关系 赖氨酸赖氨酸 草酰乙酸草酰乙酸 苏氨酸苏氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸 异亮氨酸 天冬酰胺天冬酰胺 天冬氨酸 4、 谷氨酸族氨基酸的合成 -酮戊二酸衍生类型 ?包括：Glu、Gln、Pro、 Arg （1）Glu的合成 +NH3 +NADH +NAD+ +H2O ?-酮戊二酸 谷AA 脱H酶 （真菌） ?谷AA +NH3 +ATP 谷氨酰胺+ADP+Pi+H2O 谷氨酰胺+ -酮戊二酸 2谷AA+H2O
26、合成酶 （植物） （2） Pro的合成 CH2 - COOH CH2 - CHNH2 COOH - - CH2 - COOH CH2 - CHNH2 CHO - - Mg2+ H2C CH2 HC N CHCOOH H2C CH2 H2C NH CHCOOH 1/2O2 C CH2 H2C NH CHCOOH H HO (谷AA) (谷氨酰半醛) ( -二氢吡咯-5-羧酸) (脯AA) (羟脯AA) CH2 - COOH CH2 - CHNH2 COOH - - CH2 - CH2NH2 CH2 - CHNH2 COOH - - CH2 - COOH CH2 - HC-NH-C-CH3 COO
27、H - - O= CH2 - CHO CH2 - HC-NH-C-CH3 COOH - - O= - - C=O CH2 - CH2 CH2 - CHNH2 COOH - - NH NH2 - CH2 - CH2 CH2 - CHNH2 COOH - - NH NH2 - CH2 - CH2 CH2 - CHNH2 COOH - - NH NH - C=N-CH - - C-NH2 - - - COOH CH2 COOH - - = 转乙酰酶 乙酰COA COA 转甲酰酶 氨甲酰磷酸 磷酸 天冬氨酸 延胡索酸 裂解酶 精氨酸 精氨酰琥珀酸 瓜氨酸 鸟氨酸 N-乙酰谷氨酰半醛 （3）其它AA的合成 几种氨基酸的关系 -酮戊二酸 谷AA 谷氨酰胺 脯AA 羟脯AA 鸟AA 瓜AA 精AA 5、组氨酸族和芳香族氨基酸的合成 ?包括：His、Trp、Tyr、Phe ?His族碳架：PPP中的磷酸核糖 ?芳香族AA碳架：4-磷酸-赤藓糖(PPP)和PEP(EMP) CH2 HC C CH-NH2 COOH - - NH CH N 来自核糖 来自谷氨酰胺的酰胺基 从谷氨酸经转氨作用而来 来自ATP PEP 4-磷酸赤藓糖 莽草酸 分支酸 色氨酸 预苯酸 酪氨酸 苯丙氨酸 芳香族氨基酸
