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上海交通大学生物化学C类课件氨基酸代谢

发布时间:

第十一章 蛋白质降解和氨基酸代谢
王灿华
Tel: 34204892 生物楼4号楼314室

Email: wangcanhua@sjtu.edu.cn

Sept, 2015

总 纲

第一节 蛋白质降解和氨基酸 的分解代谢
一、蛋白质的降解 二、氨基酸的分解代谢 三、尿素的形成 四、氨基酸碳骨架的氧化途径 1. 产物进入TCA 2. 产物为生糖氨基酸和生酮氨基酸 3. 产物作为一碳单位来源

总 纲

氮 的 在获 代取 谢和 中氨 的基 位酸 置代 谢

总 括

蛋白质降解和氨 基酸代谢的总括
氨甲酰磷酸
Asp-精氨琥珀酸支路

α-酮酸

OAA
尿素(N的排泄物)

总 括

一、蛋白质的降解----优胜劣汰(有两种死法)

人和动物不断地从食物中摄取蛋白质,在消化 道中经水解反应降解成氨基酸才能被组织利用。 种子萌发时,蛋白质发生降解作用,产生的氨基 酸被重新利用形成幼苗中的蛋白质。
根据蛋白酶水解多肽的部位可分为蛋白酶 (proteinase)和肽酶(peptidase)两个亚类。

蛋白质细胞外降解
1.细胞外的途径-----只需要酶,不需要ATP

?蛋白酶又称肽链内切酶:作用于肽链内部的肽键,生成 较短的肽链。该酶对不同氨基酸所形成的肽键有专一性。

蛋白质细胞外降解
? 肽酶又称肽链端裂解酶, 从多肽链末端逐一水解成氨基 酸。作用于氨基端的称氨肽酶,作用于羧基端的称羧肽 酶,作用于二肽的称二肽酶。

蛋白质细胞外降解

蛋白质水解为氨基酸需要蛋白酶和肽酶的共同作用。 胃:胃蛋白酶将蛋白质分解为较小的肽 小肠:胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶将其分解为更小的肽 小肠粘膜:二肽酶、氨肽酶及羧肽酶将小肽再分解为氨 基酸。 氨基酸 可以被直接吸收利用; 也可进一步氧化供能。

蛋白质的消化与吸收
肠腔 小肠细胞 *

游离 氨基酸

游离 氨基酸
肽酶

蛋白水解酶

蛋白质

三或二肽

寡肽

氨肽酶

蛋白质细胞内降解

2. 细胞内的途径 ? 溶酶体的蛋白质降解途径----不需要ATP 半寿期长的蛋白质可经此途径。溶酶体是由膜包 被的一种亚细胞结构,含多种酸性蛋白水解酶类。 pH偏酸,保护细胞。 ? 蛋白酶体的降解途径----需要能量ATP 泛素介导的蛋白质降解途径 ----“ 死神之吻?的秘 密细胞内降解是由泛素介导的,是一种高效率、 指向性很强的降解过程。对探索一些疾病的发生 机理和治疗手段具有重要意义。

蛋白质细胞内降解
http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/animation.html

泛素(泛肽;泛蛋白): 由76个氨基酸组成的多肽,在需要能量(ATP)的 降解过程中起重要作用。它们常以四聚体聚集在 一起, 像标签贴在被降解蛋白质上,将要被降解蛋 白质运到细胞内的?垃圾处理厂?(蛋白酶体) 处理。蛋白质被切成由7至9个氨基酸组成的短链。

氨基酸的分解代谢

二、氨基酸的分解代谢 生物体内氨基酸的主要作用是合成蛋白质或其它 含氮化合物。但多余的氨基酸不能贮藏只能被降 解,这一点与葡萄糖和脂肪不同。
天然氨基酸分子都含有α-氨基和α-羧基,因 此各种氨基酸都有其共同的代谢途径。但个别 氨基酸由于其特殊的侧链也有特殊的代谢途径。

(1) 摄入蛋白质中的氨基酸

转氨作用

(3)来自肌肉 的Ala

氨基的分解代谢
(2)肌肉和其他组 织中来的Gln
尿素和尿酸

氨基酸脱氨作用

(一).脱氨基作用 氨基酸分解代谢的第一步就是脱氨基作用,形成 酮酸和氨。脱氨基作用主要包括以下几种方式:

1. 氧化脱氨基 α-氨基酸在氨基酸氧化酶的催化下氧化生成α-酮酸 并产生氨的过程。 L-氨基酸氧化酶 活性低分布窄 FMN/FAD辅酶 D-氨基酸氧化酶 活性高较缺少 结果:不能满足机体脱氨的需要。 两种酶在体内都不起主要作用。

参与氮代谢 的重要酶

(一).脱氨基作用 1. 氧化脱氨基

氨基酸脱氨作用

L-谷氨酸脱氢酶:活性很高,体内分布广。

该酶为别构酶: 6个亚基组成 辅酶NAD(P)+ 抑制剂: GTP和ATP 激活剂: GDP和ADP 机体能量水*低时,氨基酸的氧化分解速度增加。

氨基酸脱氨作用

2. 非氧化脱氨基 多在微生物中,动物体内不普遍。 ? 脱水脱氨基作用 如Ser, Thr 催化此反应的酶以磷酸吡哆醛(PLP)为辅酶。

氨基酸脱氨作用

3.水解脱氨基作用

4.直接脱氨基作用

氨基酸转氨作用

(二)转氨作用 指在转氨酶(辅酶为PLP)的催化下,α-氨基酸和α-酮 酸之间发生的氨基转移反应。使原来的氨基酸转变 成相应的酮酸,而原来的酮酸转变成相应的氨基酸。

PLP

Gly, Thr, Pro, Lys不能进行转氨基作用。

氨基酸转氨作用
目的:1.不同的氨基酸以Glu形式收集氨基。作为生物合成或排泄 途径中的一种氨基供体起作用,有利于含废物尿素的清除。 2. 用于生成新的氨基酸,使体内氨基酸达到*衡。 结果:不能最终脱去氨。

氨基酸转氨作用

转氨酶以磷酸吡哆醛(PLP,维生素B6)为辅酶

联合脱氨作用

(三) 联合脱氨基作用 在转氨酶和谷氨酸脱氢酶的作用下,将转氨基 作用和氧化脱氨基作用偶联在一起的脱氨方式。 辅助 因子: PLP和NAD(P)+。 大多数氨基酸都通过联合脱氨基作用脱去氨基。

走向何处?

氨的命运

(四)氨的命运
通过氨基酸代谢将氨基氮转变为氨。氨对生物体有毒, 1%可引起动物脑中枢神经系统中毒。可能: (1) 脑细胞线粒体的氨与α-KG作用形成Glu。此反应由谷氨 酸脱氢酶(GDH)催化。大量消耗了α-kG, 影响TCA, 引起大脑功能*锤位杳园敝卸狙Щ M毕 NADPH,严重影响还原力反应的正常进行。 (2) 铵离子浓度高则Gln也高,高浓度Gln产生渗透效应,直 接导致大脑膨胀。 故*中的氨维持在有限水*,否则引起高血氨症。

氨的命运

GDH

谷氨酸脱氢酶(GDH)催化的反应

氨的运输

(五)氨的运输
氨在*中主要以Ala和Gln两种形式输出。 1) Gln的运氨作用——肝外大多数组织, 通过*运输
由谷氨酰胺合成酶(GS)催化。Glu的γ位羧基磷酸化,形 成中间产物γ-磷酸Glu, 其上的磷酯键是活泼键,易脱下磷 酸基而与氨结合生成Gln, Gln通过*将氨运输到肝脏, 进行尿素循环。
Gln既是氨的解毒产物,也是氨的储存及运输形式。临床上 对氨中毒病人可服用和输入谷氨酸盐,以降低氨的浓度。 Gln在高等动物中作为通用的氨基供体。

氨的运输
谷氨酰胺 合成酶

参与氮代谢 的重要酶
*中的

γ-磷酸Glu

Gln无毒物质,易透过细胞 膜,是氨的主要运输形式

Gln酶 (肝脏线粒体)

尿素

以Gln形 式转运氨

氨的运输 2) Ala-葡萄糖循环—骨骼肌组织, “一箭双雕?
蛋白代谢与糖代谢联系在一起,与Cori循环相似。 不同之处在 于丙酮酸没有被NADH还原成乳酸(消耗NADH),因此有更 多高能电子用于氧化磷酸化。

代谢的整合:长时间运动和饥饿状 态下,肌肉利用氨基酸作为燃料。

Cori循环
糖异生

糖异生活跃 有Glu-6P酶
乳酸脱氢酶

糖酵解 糖异生低下 没有Glu-6P酶

乳酸脱氢酶

尿素循环

三、尿素的形成(NH2CONH2---1C+2N)
延胡索酸

尿素循环也称为鸟氨酸循环。反应共消耗4ATP,概括为:
精氨酸

尿素
精氨琥珀酸

鸟氨酸 氨甲酰磷酸
*彼

胞质

线粒体

提出:Krebs 部位:肝脏 定位:胞质 线粒体 进入:* 汇集:肾脏 排出:尿液

尿素循环总括

线粒体基质

胞质

尿素循环(一)
肝外

Ala运输

Gln运输

L-Glu脱氢酶

(CPSI)氨甲酰 磷酸合成酶
线粒体基质 鸟氨酸氨甲 酰转移酶

氨甲酰磷酸

鸟氨酸
胞质

*彼

尿素循环(一)
1. 氨甲酰磷酸合成—尿素(NH2CONH2---1C2N)第一个氮从NH+4 获取线粒体中,由氨甲酰磷酸合成酶I(CPSI,限速酶)催化合 成氨甲 酰磷酸。其中CO2来自糖代谢,反应消耗2分子ATP。
+ 4

氨甲酰磷酸

第1、2步反应将NH3严格限制在线粒体中,防止氨对机体的 毒害作用。其它在细胞质中进行。
GPS

线粒体:CPS1, NH4+作氮供体,参与尿素循环。 细胞质:CPSII, Gln作氮供体,参与嘧啶核苷酸从头合成。

尿素循环(一)

2.*彼岷铣 氨甲酰磷酸和鸟氨酸生成*彼幔从τ赡癜彼嶙 氨甲酰酶催化。氨甲酰磷酸的氨甲酰基经酶催化转 给鸟氨酸形成*彼帷

线粒体基质

氨甲酰磷酸

尿素循环(二)
*彼

鸟氨酸
胞质

精氨琥珀 酸合成酶

生化反应常见模式: PPi的水解驱动着许 多生物合成反应。 使反应变成不可逆。

鸟氨酸

尿素

精氨酸酶

汇集肾脏 经尿液排除 TCA
延胡索酸

精氨琥珀 酸合成酶
精氨琥珀 酸裂解酶

精氨琥珀酸

尿素循环(二)

3.精氨琥珀酸合成——尿素第二个氮原子从Asp中获取 *彼嵬ü辩晁岷铣擅(限速酶)的催化与Asp 结合生成精氨琥珀酸。Asp在此作为氨基的供体,反 应需要Mg2+。 消耗2个高能磷酸键(相当于2ATP)。

线粒体中:

氨甲酰磷酸 合成酶(CPSI)

两个氮原子获取
CPSI

羰基离子
羰基磷酸

氨基甲酸盐

胞质中:

消耗2ATP

氨甲酰磷酸

精氨琥珀 酸合成酶 *彼 *彼-AMP

精氨琥珀 酸合成酶 精氨琥珀酸

消耗2个高能磷酸键(2ATP)

尿素循环(二)
4.精氨琥珀酸的裂解
精氨琥珀酸通过精氨琥珀酸酶的作用,分解为精氨 酸和延胡索酸,延胡索酸可进入三羧酸循环进一步降解。

OAA TCA

尿素循环(二)

5. 尿素形成 精氨酸在精氨酸酶的作用下分解为尿素和鸟氨酸。

精氨琥珀酸支路
延胡索酸 苹果酸 精氨酸

尿素

天冬氨酸-精氨 琥珀酸旁路

精氨琥珀酸 Asp*彼

尿素循环

鸟氨酸

胞质溶胶
鸟氨酸

草酰乙酸

Asp *彼 α-酮戊二酸 谷氨酸

氨甲酰磷酸
线粒体基质

苹果酸 三羧酸循环 延胡索酸

尿素循环和TCA的联系--精氨琥珀酸支路

氨的排泄

(3)氨的排泄
氨(胺离子),水可稀释

尿素, 有水才能排泄

水生脊椎动物

陆地脊椎动物、鲨鱼

在生命进化过程 中N原子所采用 的外排途径取决 于生物的栖息地。
尿酸,排泄无需水

鸟类,爬行类

尿素循环调节

7. 尿素循环的调节
? 食物蛋白的影响:蛋白含量高尿素合成加快, 反之减慢。
? 氨甲酰磷酸合成酶(CPSI) :N-乙酰谷氨酸 (AGA)是 CPSI 的别构激活剂。而 Arg又是 AGA 合成酶的激活剂,故Arg浓度高,可加速。

? 尿素合成酶系的调节:精氨琥珀酸合成酶

尿素循环调节

N-乙酰谷氨酸合酶

(AGA)

尿素循环中氨 甲酰磷酸合成 酶I的调节

氨甲酰磷酸合成酶I

氨甲酰磷酸

蛋白能源
机体每日产生的能量只有约18%来自氨基酸的氧化分解。 这些氨基酸不直接氧化供能,而是转变成为葡萄糖或酮体。

下列三种代谢状况下,氨基酸的碳骨架才氧化降解: (1)细胞的蛋白质进行正常的合成时并不需要蛋白质降解 释放出的某些氨基酸。 (2)富含蛋白质的食品,消化产生的氨基酸超过了蛋白质 合成的需要,过量的氨基酸必须在体内氧化分解。 (3)机体处于饥饿或未控制的糖尿病状态时,不能利用或 不能合适地利用糖作为能源,细胞的蛋白质就被用做 重要的能源物质。

四、氨基酸碳骨架的氧化途径
20种常见氨基酸有各自特 定的碳骨架, 它们经历不同 的降解途径,生成7种代谢 乙酰乙酰-CoA 的中间产物:

碳骨架氧化总括

α-酮戊二酸 琥珀酰-CoA

乙酰-CoA 乙酰乙酰-CoA 丙酮酸(Pyr.) 草酰乙酸(OAA) 延胡索酸 琥珀酰-CoA α-KG
这些产物进入TCA, 最后氧化成CO2和H2O.

乙酰-CoA

草酰乙酸
延胡索酸 丙酮酸

生糖的 生酮的

碳骨架氧化-产物进TCA

尿黑酸

Tyr代谢病:腹泻、呕吐和‘卷心菜’气味。 6-8月死于肝衰竭。慢性的一般10岁后死亡。 尿黑酸症: Tyr代谢紊乱,尿接触空气后颜色加 深,后期结缔组织广泛沉着和关节炎。 白化病: Tyr代谢的另一途径是合成黑色素,即 吲哚醌的聚合物。合成*蚱し裘⒎住
乙酰乙酰-CoA
CoA-SH

乙酰-CoA

乙酰乙酸

延胡索酸

Tyr代谢

Phe代谢

苯基丙氨酸-4-单 加氧酶 (混合功能氧化酶)

苯丙酮氨酸羟化酶

苯 丙 酮 氨 酸 羟 化 酶 催 化 的 反 应

Phe代谢*-PUK

Phe代谢的遗传缺陷 —Phe酮尿症(PUK) 苯丙酮氨酸羟化酶缺失 人类发现的第一个遗传 缺陷症 临床症状: 癫痫、精神病、湿疹 和‘鼠臭’气味,6岁 以前适宜的饮食预防 可改善脑发育迟缓。

约有1%的精神病患者 也有苯丙酮尿症

碳骨架氧化-产物生酮和糖

2、产物为生酮氨基酸和生糖氨基酸
① 生酮氨基酸:氨基酸脱氨后的碳架可转化为乙酰 -CoA 或乙酰乙酸 -CoA ,它们是合成脂肪的前体。可转变为 酮体,Leu和Lys是严格生酮的。 ② 生糖氨基酸:氨基酸的碳架可生成丙酮酸和三羧酸循环 的中间产物,经糖异生作用可转化为葡萄糖,有13种。
③ 生糖兼生酮:Tyr、 Trp 、Thr 、Ile、Phe(tttip)。

氨基酸与活性物质 2.氨基酸与生物活性物质

氨基酸与活性物质

COOH

COOH

色氨酸羟化酶

5-羟色氨酸脱羧酶

色氨酸

5-羟色氨酸

5-羟色胺

5-羟色胺(血清素):让人变得心*气和

有利
1)脂肪 储能效率高 需氧

不利
动员较慢

2)糖原

易动员(非还原端多) 有氧无氧均可 短期饥饿时迅速分解 升血糖

储能效率低

饥饿约24小时耗完 氨基酸分解产生氨 尿素循环耗能 形成尿液需水

3)蛋白质 机体最后的储备能源 不轻易动用 长期饥饿分解产生氨基酸 氨基酸异生为糖

一、蛋白质的降解 胞外:蛋白酶和肽酶 胞内:溶酶体和泛素 二、氨基酸的分解代谢 脱氨基作用、转氨作用、联合脱氨基作用、脱羧基作用 氨的命运: Ala-葡萄糖循环、 Gln的运氨作用、氨的排泄 三、尿素的形成: 精氨酸、鸟氨酸、*彼帷⒕辩晁帷奔柞A姿 精氨琥珀酸合成酶、氨甲酰磷酸合成酶(CPSI) 四、氨基酸碳骨架的氧化途径 1. 7种中间物进TCA 2. 生糖氨基酸和生酮氨基酸 作业:P274-1,2,3,4,7 生糖氨基酸:13种 生酮氨基酸:Leu和Lys 生酮生糖氨基酸: Phe、Tyr、Ieu、Thr、Trp。 3. 作为一碳单位来源:Ser-Gly转换

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