生物化学蛋白质代谢

null第11章 蛋白质降解和氨基酸的分解代谢第11章 蛋白质降解和氨基酸的分解代谢(Protein degradation and amino acids catabolism)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 五、生糖氨基酸和生酮氨基酸 六、由氨基酸衍生的其他重要物质 七、氨基酸代谢缺陷症一、蛋白质的降解一、蛋白质的降解维持细胞、组织的生长、更新和修补(主要功能)。 2.参与多种重要的生理活动 催化、物质转运、代谢调节等。 3.氧化供能（次要功能）。 人体每日18%能量由蛋白质提供。 蛋白质的营养作用 Nutritional Function of Protein null 氮平衡 (nitrogen balance) 蛋白质的含氮量平均为16%，可通过测定含氮量估算出蛋白质的量。 氮平衡:摄入食物的含氮量（摄入氮)与排泄物（尿与粪）中含氮量（排出氮）之间的关系。 氮平衡的三种情况： 氮总平衡：摄入氮 = 排出氮（正常成人） 氮正平衡：摄入氮 > 排出氮（儿童、孕妇等） 氮负平衡：摄入氮 < 排出氮（饥饿、消耗性疾病患者）null人体对蛋白质的需要量 蛋白质的生理需要量—为保持氮总平衡，每日应从食物中供给的蛋白质的数量。 成人每日最低蛋白质需要量为30～45g，我国营养学会推荐成人每日蛋白质需要量为80g。蛋白质的营养价值1、营养价值（nutrition value）： 外源性蛋白质被人体利用的程度。或吸收的食物蛋白被机体利用的几率（利用率）。2、食物蛋白质营养价值高低取决于其AA的数量及其组成与人体蛋白质接近程度和所含必需AA的种类和数量。主要取决于食物蛋白质的“质”。 一般：动物蛋白质 >植物蛋白质。null 必需氨基酸 (essential amino acid)必需氨基酸：指体内需要而又不能自身合成，必须由食物供给的氨基酸，共有8种：Val、Ile、Leu、Thr、Met、Lys、Phe、Trp。 其余12种氨基酸体内可以合成，称非必需氨基酸。 目前有人将His和Arg称为营养半必需氨基酸，因为其在体内合成量较小。 null记忆方法：null蛋白质的互补作用 指营养价值较低的蛋白质混合食用，其必需氨基酸可以互相补充而提高营养价值。其本质即为食物蛋白质之间在AA组成上的取长补短，互相补充。 如谷类含Lys少，Trp多，而豆类含Lys多，Trp少，两者混合食用可提高营养价值。 细胞内蛋白质的降解细胞内蛋白质的降解 细胞内的蛋白质是处于不断地周转的。一些异常的蛋白质、不需要的蛋白质需要清除 。对一种特定的蛋白质来说，它在细胞中的含量取决于合成和降解的速率。通过对一些代谢途径的关键酶的合成和降解，控制酶的含量，也是控制代谢途径运行的一个重要措施。蛋白质的消化、吸收和腐败 Digestion, Absorption and Putrefaction of Proteins蛋白质的消化、吸收和腐败 Digestion, Absorption and Putrefaction of Proteins蛋白质消化的生理意义 由大分子转变为小分子，便于吸收。 消除种属特异性和抗原性，防止过敏、毒性反应。 机体对外源蛋白质的消化吸收 高等动物摄入的蛋白质在消化道内被胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、羧肽酶、氨肽酶等降解，全部转变成氨基酸，被小肠吸收。 null消化过程 —自胃中开始，在小肠中完成。 （一）胃中的消化作用胃蛋白酶的最适pH为1.5～2.5，对蛋白质肽键作用特异性差，产物主要为多肽及少量氨基酸。胃蛋白酶对乳中的酪蛋白有凝乳作用，使之在 胃停留时间长，利于充分消化，对婴儿较重要。null（二）小肠中的消化 ——小肠是蛋白质消化的主要部位。1. 胰酶及其作用胰酶是消化蛋白质的主要酶，最适pH为7.0左右，包括内肽酶和外肽酶。内肽酶(endopeptidase) 水解蛋白质肽链内部的一些肽键，如胰蛋白酶、糜蛋白酶、弹性蛋白酶。外肽酶(exopeptidase) 自肽链的末段开始每次水解一个氨基酸残基，如羧基肽酶(A、B)、氨基肽酶。null肠液中酶原的激活可保护胰组织免受蛋白酶的自身消化作用。 保证酶在其特定的部位和环境发挥催化作用。 酶原还可视为酶的贮存形式。酶原激活的意义null蛋白水解酶作用示意图2. 小肠粘膜细胞对蛋白质的消化作用主要是寡肽酶(oligopeptidase)的作用，例如氨基肽酶(aminopeptidase)及二肽酶(dipeptidase)等。蛋白水解酶作用的专一性蛋白水解酶作用的专一性null二、氨基酸的吸收吸收部位：主要在小肠 吸收形式：氨基酸、二肽、三肽 吸收机制：耗能的主动吸收过程nullnull三、 蛋白质的腐败作用肠道细菌对未被消化及未吸收的蛋白质或其消化产物所起的作用。 腐败作用的产物大多有害，如胺、氨、苯酚、吲哚等；也可产生少量的脂肪酸及维生素等可被机体利用的物质。 蛋白质的腐败作用(putrefaction)null胺类(amines)的生成其它有害物质的生成酪氨酸 苯酚半胱氨酸 硫化氢 色氨酸 吲哚nullβ-羟酪胺和苯乙醇胺结构类似儿茶酚胺，它们可取代儿茶酚胺与脑细胞结合，但不能传递神经冲动，使大脑发生异常抑制。因而将其称为假神经递质(false neurotransmitter)。细胞内蛋白质降解的机构细胞内蛋白质降解的机构 蛋白质降解是限制在细胞内的特定区域的，一种是称为蛋白酶体的大分子结构，另一种是具有单层膜的溶酶体（细胞器）。 溶酶体中含有约50种水解酶，它与吞噬泡及细胞内产生的一些自噬泡融合，然后将摄取的各种蛋白质全部降解，对被降解的蛋白质没有选择性。 被降解的蛋白质在进入蛋白酶体降解之前，需要被泛肽标记。null真核生物中蛋白质的两条降解途径的比较不依赖ATP 利用组织蛋白酶(cathepsin)降解外源性蛋白、膜蛋白和长寿命的细胞内蛋白② 依赖泛素(ubiquitin)的降解过程① 溶酶体内降解过程依赖ATP 降解异常蛋白和短寿命蛋白泛肽泛肽 泛肽（ubiquitin）又名遍在蛋白质、泛素，它是一个由76个氨基酸残基组成的小蛋白质。它通过其C端Gly的羧基与被降解的蛋白质的氨基共价结合，通常结合在Lys的ε氨基上，这是一个需要消耗ATP的反应。这样给被降解的蛋白质作了一个标记，随后将靶蛋白质引入蛋白酶体中降解。 可有多个泛肽连接到靶蛋白上，形成多泛肽链，后面的每一个泛肽的C端羧基连接到前一个泛肽的Lys48的ε氨基上。The Nobel Prize in Chemistry 2004 "for the discovery of ubiquitin-mediated protein degradation" The Nobel Prize in Chemistry 2004 "for the discovery of ubiquitin-mediated protein degradation" Aaron Ciechanover Avram HershkoIrwin Rose Proteins build up all living things: plants, animals and therefore us humans. In the past few decades biochemistry has come a long way towards explaining how the cell produces all its various proteins. Aaron Ciechanover, Avram Hershko and Irwin Rose went against the stream and at the beginning of the 1980s discovered one of the cell's most important cyclical processes, regulated protein degradation. For this, they are being rewarded with this year's Nobel Prize in Chemistry.null"Kiss of Death" The proteins that are to be destructed are marked with a label - the molecule ubiquitin. Proteins so labelled are then rapidly broken down – degraded – in cellular "waste disposers" called proteasomes. 泛素泛素76个氨基酸的小分子蛋白(8.5kD) 普遍存在于真核生物而得名 一级结构高度保守1. 泛素化 (ubiquitination) 泛素与选择性被降解蛋白质形成共价连接，并使其激活。2. 蛋白酶体(proteasome)对泛素化蛋白质的降解泛素介导的蛋白质降解过程nullUbiquitinUbiquitous evolutionarily conserved 76 aa protein Contains several lysines (K6, K29, K48, K63) allowing for polyubiquitylation Becomes conjugated to target protein lysines through its carboxy terminus Ubiquitylation occurs in response to a variety of stimuli MQIFVKTLTGKTITLEVEPSDTIENVKAKIQDKEGIPPDQQRLIFAGKQLEDGRTLSDYNIQKESTLHLVLRLRGG nullUbiquitin Isopeptide BondTarget proteinTarget lysine e-amino groupUb carboxy terminusnullMonoubiquitylationMultiple monoubiquitylationK48 polyubiquitylation protein targeting to proteasomesUbiquitination ModesOther polyubiquitylation (e.g. K63) regulation of protein activity or localization nullE1:泛肽活化酶 E2:泛肽载体蛋白 E3:泛肽蛋白质连接酶泛肽Ubiquitin Conjugation: A 3 Step MechanismUbiquitin Conjugation: A 3 Step MechanismUbiquitination requires multiple proteinsUbiquitination requires multiple proteinsUb added to lysinesE1:泛肽活化酶 E2:泛肽载体蛋白 E3:泛肽蛋白质连接酶E1, E2, & E3E1, E2, & E3With each step increasing level of regulatory specificity: E1: only one (?) E2: 10-12 (homologous family) E3: many and structurally unrelated (ultimate biological specificity)泛肽蛋白质连接酶泛肽蛋白质连接酶 E3在识别和选择被降解蛋白质的过程中起着重要的作用。E3是通过备选蛋白质N端氨基酸的性质来选择靶蛋白质的，以Met、Ser、Ala、Thr、Val、Gly或Cys为N末端的蛋白质对泛肽介导的降解途径有抗性，而以Arg、Lys、His、Phe、Tyr、Trp、Leu、Asn、Gln、Asp或Glu为N末端的蛋白质的半寿期只有2～30分钟。null E3有3个不同蛋白底物结合位点：类型Ⅰ结合碱性氨基酸末端的蛋白质，如Arg、Lys或His；类型Ⅱ结合具有大疏水基团N末端氨基酸的蛋白质，如Phe、Tyr、Trp或Leu；类型Ⅲ结合其他N末端氨基酸的蛋白质。 以酸性氨基酸为N末端的蛋白质的降解需要tRNA参与，将Arg-tRNA的Arg转移到酸性蛋白质的N末端，使之转变成碱性N末端，然后与泛肽连接。被泛肽介导降解蛋白质的特点被泛肽介导降解蛋白质的特点 大多数具有敏感N末端氨基酸残基的蛋白质不是正常的细胞内蛋白质，而很可能是分泌性蛋白质，这些蛋白质通过信号肽酶的作用暴露出敏感的N末端氨基酸残基。也许N末端识别系统的功能就是识别和清除任何入侵的异质蛋白质或分泌性蛋白质。 蛋白酶体蛋白酶体 蛋白酶体是一个大的寡聚体结构，有一个中空的腔。古细菌Thermoplasma acidophilum的蛋白酶体为20S、700kD的桶状结构，由两种不同的亚基α和β组成，它们缔合成α7β7β7α7四个堆积的环。这个桶有15nm高，直径11nm，中间有一个可分为3个区域的空腔，蛋白质降解就发生在这个腔中。两端的α7环解折叠被降解的蛋白质，并将其送入中央的腔内，而β亚基具有蛋白裂解活性。蛋白酶体降解蛋白质的产物为7～9个氨基酸残基的寡肽。古细菌T. acidophilum 20S蛋白酶体的结构古细菌T. acidophilum 20S蛋白酶体的结构 顶面观 侧面观 纵剖面观真核细胞中的蛋白酶体真核细胞中的蛋白酶体 真核细胞含有两种蛋白酶体：20S和26S蛋白酶体。26S蛋白酶体（1700kD）是一个45nm长的结构，是在20S蛋白酶体的两端各加上1个19S的帽结构或称PA700（Proteasome activator-700kD），这种帽结构至少由15个不同的亚基组成，其中许多有ATP酶活性。与古细菌20S蛋白酶体不同，真核细胞的蛋白酶体含有7 个不同的α亚基及7 个不同的β亚基。nullThe Proteasome Consists of two multisubunit components 20S proteasome sealed barrel contains protease activity digests proteins down to 7-9 aa peptides 19S caps regulatory subunit binds to both ends of 20S to form 26S complex recognizes K48 polyubiquitin removes ubiquitin so that it can be recycled associated ATPase may unfold substrates for passage into 20S compartmentnullATP consuming processnull氨基酸代谢库(metabolic pool)食物蛋白经消化吸收的氨基酸（外源性氨基酸）与体内组织蛋白降解产生的氨基酸（内源性氨基酸）混在一起，分布于体内各处参与代谢，称为氨基酸代谢库。null氨基酸代谢库氨基酸代谢概况氨基酸分解代谢氨基酸分解代谢 氨基酸是合成蛋白质和肽类物质的基本成分，可以氧化释放出能量，还可以转变成各种其他含氮物质。 氨基酸的分解一般有三步： 1.脱氨基； 2.脱下的氨基排出体外，或转变成尿素或尿酸排出体外； 3.氨基酸脱氨后的碳骨架进入糖代谢途径彻底氧化。碳骨架也可以进入其他代谢途径用于合成其他物质。氨基酸代谢概况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+NH3CO2H2O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（次生物质代谢）CO2胺null一 氨基酸的脱氨基作用定义：指氨基酸脱去氨基生成相应α-酮酸的过程。脱氨基方式：氧化脱氨基 转氨基作用 联合脱氨基 非氧化脱氨基null（一）转氨基作用(transamination) 1. 定义：在转氨酶 (transaminase) 的作用下，某一氨基酸去掉α-氨基生成相应的α-酮酸，而另一种α-酮酸得到此氨基生成相应的氨基酸的过程。 转氨基作用不仅是体内多数氨基酸脱氨基的重要方式，也是机体合成非必需氨基酸的重要途径。大多数氨基酸可参与转氨基作用，但赖氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸除外。null转氨酶：催化转氨反应的酶很多，大多数转氨酶以α－酮戊二酸为氨基受体，而对氨基供体无严格要求。 动物和高等植物的转氨酶一般只催化L-氨基酸的转氨，某些细菌中也有可以催化D-和L-两种构型氨基酸转氨的转氨酶。 转氨反应机制：转氨酶以磷酸吡哆醛为辅基，从氨基酸上脱下的氨基先结合在磷酸吡哆醛上，氨基酸转变成α－酮酸，然后氨基转到另一个α酮酸的α碳上，产生新的氨基酸。结合氨的反应是脱氨反应的逆反应。转氨酶的辅酶是磷酸吡哆醛葡萄糖－丙氨酸循环(alanine-glucose cycle) 葡萄糖－丙氨酸循环(alanine-glucose cycle) 在肌肉中有一组转氨酶，可把肌肉中糖酵解产生的丙酮酸当作氨基的受体。形成的丙氨酸进入血液，运输到肝脏，在肝脏中再次转氨产生丙酮酸，丙酮酸可进入糖异生途径产生葡萄糖，再回到肌肉中。 通过葡萄糖－丙氨酸循环，将肌肉中的氨运输到了肝脏中。肝脏中的氨可转变成尿素，从尿液中排出。null生理意义： ① 肌肉中氨以无毒的丙氨酸形式运输到肝。 ② 肝为肌肉提供葡萄糖。 null 转氨作用产生了大量的谷氨酸，谷氨酸可以在谷氨酸脱氢酶的作用下发生氧化脱氨。谷氨酸脱氢酶由6个亚基组成，存在于细胞溶胶中，它受GTP和ATP的别构抑制，受ADP的别构激活。该酶既可以用NAD+也可以用NADP + 作为氧化剂。（二）L-谷氨酸氧化脱氨基作用催化酶： L-谷氨酸脱氢酶 存在于肝、脑、肾中; 辅酶为 NAD+ 或NADP+； GTP、ATP为其抑制剂；GDP、ADP为其激活剂α-亚氨基戊二酸null（三）联合脱氨基作用 定义：两种脱氨基方式的联合作用，使氨基酸脱下α-氨基生成α-酮酸的过程。 类型：① 转氨基偶联氧化脱氨基作用 ② 转氨基偶联嘌呤核苷酸循环① 转氨基偶联氧化脱氨基作用此种方式既是氨基酸脱氨基的主要方式，也是体内合成非必需氨基酸的主要方式。 主要在肝、肾组织进行。null② 转氨基偶联嘌呤核苷酸循环此种方式主要在肌肉组织进行。（四）其他氧化脱氨作用（四）其他氧化脱氨作用α-酮酸的代谢 L－氨基酸氧化酶和D－氨基酸氧化酶以FAD为辅基，催化L－及D－氨基酸的氧化脱氨反应。产生的FADH2又被O2氧化。氨基酸 + FAD + H2O →α－酮酸 + NH3 + FADH2 FADH2 + O2 → FAD + H2O2（一）经氨基化生成非必需氨基酸 （二）转变成糖及脂类 (三）氧化供能 : α-酮酸在体内可通过TAC 和氧化磷酸化彻底氧化为H2O和CO2，同时生成ATP。（五）氨基酸的脱羧基作用（五）氨基酸的脱羧基作用 机体内部分氨基酸可进行脱羧反应，生成相应的一级胺。催化脱羧反应的酶称为脱羧酶（decarboxylase），这类酶的辅基为磷酸吡哆醛。 氨基酸 磷酸吡哆醛 醛亚胺 一级胺 磷酸吡哆醛二 氨的命运 （Metabolism of Ammonia）二 氨的命运 （Metabolism of Ammonia） 氨对生物机体是有毒物质，特别是高等动物的脑对氨极为敏感，血液中1%的氨就可引起中枢神经系统中毒，因此氨的排泄是生物体维持正常生命活动所必需的。 （一）氨、尿素及尿酸的结构null（二）血氨的来源与去路血氨的来源 ① 氨基酸脱氨基作用产生的氨是血氨主要来源，胺类的分解也可以产生氨 肠道吸收的氨：氨基酸在肠道细菌作用下产生的氨和尿素经肠道细菌尿素酶水解产生的氨 ③ 肾小管上皮细胞分泌的氨主要来自谷氨酰胺2. 血氨的去路： ① 在肝内合成尿素，这是最主要的去路 ② 合成非必需氨基酸及其它含氮化合物 ③ 合成谷氨酰胺 ④ 肾小管泌氨：分泌的NH3在酸性条件下生成NH4+，随尿排出。（三）氨的转运（三）氨的转运 氨的转运主要是通过谷氨酰胺的形式。谷氨酰胺是氨的解毒产物，也是氨的储存及运输形式。多数动物细胞中有谷氨酰胺合成酶，它催化氨和谷氨酸反应生成谷氨酰胺，同时消耗1个ATP。在脑、肌肉合成谷氨酰胺，运输到肝和肾后再分解为氨和谷氨酸，从而进行解毒。null三、尿素的形成三、尿素的形成 氨是通过尿素循环合成尿素的。尿素循环是由发现柠檬酸循环的Krebs和他的学生Kurt Henseleitfa发现的，并且比发现柠檬酸循环还早5年。 Krebs和他的学生观察到，往悬浮有肝脏切片的缓冲液中加入鸟氨酸、瓜氨酸或精氨酸中的任何一种时，都可以促使肝脏切片显著加快尿素的合成，而其他任何氨基酸或含氮化合物都没有这个作用。他们研究了这3氨基酸的结构关系，提出了尿素循环途径。尿素循环尿素循环（一）生成部位：主要在肝细胞的线粒体及胞液中。 （二）生成过程：尿素生成的过程由Hans Krebs 和Kurt Henseleit 提出，称为鸟氨酸循环(orinithine cycle)，又称尿素循环(urea cycle)或Krebs- Henseleit循环。null鸟氨酸循环线粒体胞 液尿素循环1. 氨基甲酰磷酸的合成：反应在线粒体中进行 CO2 + NH3 + H2O + 2ATP氨基甲酰磷酸合成酶Ⅰ （N-乙酰谷氨酸，Mg2+）COH2NO ~ PO32-+ 2ADP + Pi氨基甲酰磷酸尿素循环反应由氨基甲酰磷酸合成酶Ⅰ(carbamoyl phosphate synthetaseⅠ, CPS-Ⅰ)催化。 N-乙酰谷氨酸为其激活剂，反应消耗2分子ATP。null2. 瓜氨酸的合成鸟氨酸氨基甲酰转移酶H3PO4+氨基甲酰磷酸NH2(CH2)3CHCOOHNH2NH2(CH2)3CHCOOHNH2鸟氨酸NHCHCOOHNH2NH2CO瓜氨酸(CH2)3由鸟氨酸氨基甲酰转移酶(ornithine carbamoyl transferase, OCT )催化，OCT常与CPS-Ⅰ构成复合体。 反应在线粒体中进行，瓜氨酸生成后进入胞液。null3. 精氨酸的合成反应在胞液中进行。+天冬氨酸精氨酸代琥珀酸瓜氨酸null精氨酸延胡索酸精氨酸代琥珀酸裂解酶精氨酸代琥珀酸COOHCHCHHOOC+NH(CH2)3CHCOOHNH2NH2CNHNH(CH2)3CHCOOHNH2NH2CNCOOHCHCH2COOHNH(CH2)3CHCOOHNH2NH2CNCOOHCHCH2COOHnull4. 精氨酸水解生成尿素反应在胞液中进行尿素鸟氨酸精氨酸反应小结 原料：2 分子氨，一个来自于游离氨，另一个来自天冬氨酸。 过程：先在线粒体中进行，再在胞液中进行。 耗能：3 个ATP，4 个高能磷酸键。尿素循环全图尿素循环全图1.氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ2.鸟氨酸转氨甲酰酶3.精氨琥珀酸合成酶4.精氨琥珀酸酶5.精氨酸酶尿素循环与柠檬酸循环的联系尿素循环与柠檬酸循环的联系null尿素循环的调节尿素循环的调节高氨血症和氨中毒 氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ存在于线粒体中，它被N- 乙酰谷氨酸别构激活。N-乙酰谷氨酸是由N-乙酰谷氨酸合酶催化谷氨酸和乙酰CoA合成的。当氨基酸降解加速时，谷氨酸浓度升高，N-乙酰谷氨酸也增高，激活了氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ，从而使尿素循环速度加快。 当遗传性尿素循环中某些酶不足时，除精氨酸酶外，都不会因此发生尿素的重大减量，但会产生“高氨血症”。产生智力迟钝、嗜睡等症状。血氨浓度升高称高氨血症 ( hyperammonemia)，常见于肝功能严重损伤时，尿素合成酶的遗传缺陷也可导致高氨血症。 高氨血症时可引起脑功能障碍，称氨中毒(ammonia poisoning)。四、氨基酸碳骨架的氧化途径四、氨基酸碳骨架的氧化途径（一）形成乙酰CoA的途径（一）形成乙酰CoA的途径1.经丙酮酸到乙酰CoA的途径经此途径降解的氨基酸有：丙氨酸、丝氨酸、 甘氨酸、半胱氨酸和苏氨酸苏氨酸醛缩酶丝氨酸羟甲基转移酶苏氨酸甘氨酸丝氨酸Thr→Gly→SerSer、Cys、Ala→乙酰CoASer、Cys、Ala→乙酰CoA丝氨酸脱水酶乙酰CoA加氧 转氨 脱硫半胱氨酸丝氨酸丙氨酸甘氨酸的主要分解代谢途径甘氨酸的主要分解代谢途径H3N - CH2 - COO－ + THF + NAD+ —— N 5, N 10 -甲烯THF + CO 2 + NH 4+ + NADH + H +苏氨酸的其他分解代谢途径苏氨酸的其他分解代谢途径苏氨酸脱水酶苏氨酸脱氢酶a－酮丁酸氨基丙酮nullnull2.经乙酰乙酰CoA到乙酰CoA的途径 经此途径降解的氨基酸有：苯丙氨酸、酪氨酸、亮氨酸、赖氨酸、色氨酸null（二）α-酮戊二酸途径（二）α-酮戊二酸途径 经此途径降解的氨基酸有：精氨酸、组氨酸、脯氨酸、谷氨酰胺和谷氨酸null（三）形成琥珀酰CoA的途径（三）形成琥珀酰CoA的途径经此途径降解的氨基酸有：甲硫氨酸、异亮氨酸和缬氨酸null（四）形成延胡索酸途径（四）形成延胡索酸途径经此途径降解的氨基酸有：苯丙氨酸和酪氨酸（五）形成草酰乙酸途径经此途径降解的氨基酸有：天冬氨酸和天冬酰胺null五、生糖氨基酸和生酮氨基酸五、生糖氨基酸和生酮氨基酸 凡能形成丙酮酸、α－酮戊二酸、琥珀酸和草酰乙酸的氨基酸称为生糖氨基酸（glucogenic amino acids）。（ Arg、His、Pro、Gln、Glu、Met、Ile、Val、Asp、Asn ） 在分解过程中转变成乙酰乙酰CoA的氨基酸称为生酮氨基酸（ketogenic amino acids），因为乙酰乙酰CoA可以转变为 酮体。（Lys、Trp、Phe、Tyr、Leu ） 苯丙氨酸和酪氨酸既可生成酮体又可生成糖，称为生酮和生糖氨基酸。（ Phe、Tyr） 经丙酮生成乙酰CoA的氨基酸也是既可生酮也可生糖。（Ala、Gly、Ser、Thr、Cys） 六、由氨基酸衍生的其他重要物质 氨基酸代谢缺陷症六、由氨基酸衍生的其他重要物质 氨基酸代谢缺陷症Metabolism of Individual Amino Acids 一、氨基酸脱羧基作用脱羧基作用(decarboxylation)（一）γ-氨基丁酸：(γ-aminobutyric acid, GABA)CO2GABA是抑制性神经递质，对中枢神经有抑制作用。null（二）牛磺酸(taurine)（三）组胺 (histamine)组胺是强烈的血管舒张剂，可增加毛细血管的通透性，还可刺激胃蛋白酶及胃酸的分泌。 （四）5-羟色胺 (5-hydroxytryptamine, 5-HT)5-HT在脑内作为神经递质，起抑制作用；在外周组织有收缩血管的作用。null（五）多胺(polyamines) 鸟氨酸腐胺 S-腺苷甲硫氨酸 (SAM )脱羧基SAM 鸟氨酸脱羧酶CO2SAM脱羧酶CO2精脒 (spermidine)丙胺转移酶5'-甲基-硫-腺苷 精胺 (spermine) 多胺是调节细胞生长的重要物质。在生长旺盛的组织（如胚胎、再生肝、肿瘤组织）含量较高，其限速酶鸟氨酸脱羧酶活性较强。null 二、一碳单位的代谢（一）概述 某些氨基酸代谢过程中产生的只含有一个碳原子的基团，称为一碳单位(one carbon unit)。 一碳单位的生理功能作为合成嘌呤和嘧啶的原料 把氨基酸代谢和核酸代谢联系起来null种类甲基 (methyl)-CH3甲烯基 (methylene)-CH2-甲炔基 (methenyl)-CH=甲酰基 (formyl)-CHO亚胺甲基 (formimino)-CH=NH null（二）四氢叶酸是一碳单位的载体FH4的生成叶酸和四氢叶酸（FH4或THFA）叶酸和四氢叶酸（FH4或THFA）叶酸四氢叶酸H H105N5，N10-CH2-FH4null FH4携带一碳单位的形式 （一碳单位通常是结合在FH4分子的N5、N10位上）N5—CH3—FH4N5、N10—CH2—FH4N5、N10=CH—FH4N10—CHO—FH4N5—CH=NH—FH4null一碳单位主要来源于氨基酸代谢（三）一碳单位与氨基酸代谢null（四）一碳单位的互相转变N10—CHO—FH4N5, N10=CH—FH4N5, N10—CH2—FH4N5—CH3—FH4N5—CH=NH—FH4H+H2ONADPH+H+NADP+NADH+H+NAD+NH3一碳基团的来源与转变一碳基团的来源与转变S-腺苷蛋氨酸N5-CH3-FH4N5 ，N10 - CH2-FH4N5， N10 = CH-FH4 N10 -CHO-FH4N5 ， N10 -CH2-FH4还原酶N5 ， N10 -CH2-FH4脱氢酶环水化酶 丝氨酸 组氨酸苷氨酸参与 甲基化反应为胸腺嘧啶合成提供甲基参与嘌呤合成FH4FH4FH4 HCOOHH2ONAD+NDAH+H+NAD+NDAH+H+H+参与嘌呤合成null 三、含硫氨基酸的代谢胱氨酸甲硫氨酸半胱氨酸 含硫氨基酸null（一）甲硫氨酸的代谢1. 甲硫氨酸与转甲基作用腺苷转移酶PPi+Pi+甲硫氨酸ATPS—腺苷甲硫氨酸(SAM)null甲基转移酶RHRH—CH3腺苷SAMS—腺苷同型半胱氨酸同型半胱氨酸SAM为体内甲基的直接供体null2. 甲硫氨酸循环(methionine cycle)甲硫氨酸S-腺苷同型 半胱氨酸S-腺苷甲硫氨酸同型半胱氨酸FH4N5—CH3—FH4N5—CH3—FH4 转甲基酶(VitB12)H2O腺苷RHATPPPi+Pinullnull3. 肌酸的合成肌酸(creatine)和磷酸肌酸(creatine phosphate)是能量储存、利用的重要化合物。 肝是合成肌酸的主要器官。 肌酸以甘氨酸为骨架，由精氨酸提供脒基，SAM提供甲基而合成。 肌酸在肌酸激酶的作用下，转变为磷酸肌酸。 肌酸和磷酸肌酸代谢的终产物为肌酸酐(creatinine)。nullnull（二）半胱氨酸与胱氨酸的代谢1. 半胱氨酸与胱氨酸的互变22. 硫酸根的代谢含硫氨基酸分解可产生硫酸根，半胱氨酸是主要来源。PAPS为活性硫酸，是体内硫酸基的供体null 四、芳香族氨基酸的代谢null（一）苯丙氨酸和酪氨酸的代谢此反应为苯丙氨酸的主要代谢途径。null1. 儿茶酚胺(catecholamine)与黑色素(melanin)的合成null帕金森病(Parkinson disease)患者多巴胺生成减少。 在黑色素细胞中，酪氨酸可经酪氨酸酶等催化合成黑色素。 人体缺乏酪氨酸酶，黑色素合成障碍，皮肤、毛发等发白，称为白化病(albinism)。null2. 酪氨酸的分解代谢 体内代谢尿黑酸的酶先天缺陷时，尿黑酸分解受阻，可出现尿黑酸症。null3. 苯酮酸尿症(phenyl keronuria, PKU)体内苯丙氨酸羟化酶缺陷，苯丙氨酸不能正常转变为酪氨酸，苯丙氨酸经转氨基作用生成苯丙酮酸、苯乙酸等，并从尿中排出的一种遗传代谢病。苯丙酮尿症苯丙酮尿症 苯丙酮尿症是一种先天性的苯丙氨酸代谢的缺陷，它有严重的影响。患苯丙酮尿症的人不经治疗几乎总是在智力发育上严重迟滞。这些病人的脑重量低于正常，他们的神经鞘化不完全，而且他们的反射过分活跃。未经治疗的苯丙酮尿症患者的估计寿命很短，一半在二十岁以前死亡，四分之三在三十岁数以前死亡。 苯丙酮尿症是由于没有或缺少苯丙氨酸羟化酶而引起的，或者更少见是由于缺少四氢生物喋呤辅助因子而引起的。苯丙氨酸不能转变成酪氨酸。因而所有体液中均积累苯丙氨酸。在正常人体内微不足道的一些苯丙氨酸的变化在苯丙酮尿症患者体内变得很突出。这些变化中最明显的是苯丙氨酸发生转氨作用形成苯丙酮酸。苯丙酮尿症患者的治疗苯丙酮尿症患者的治疗 苯丙酮尿症患者初生时看起来是正常的，但若不经治疗，到一周岁以前就会有严重的缺陷。苯丙酮尿症的疗法就是低苯丙氨酸饮食。其目的是只提供刚好满足生长和代谢所需要的苯丙氨酸。将原来苯丙氨酸含量低的蛋白质，如奶中的酪蛋白进行水解，并用吸附法除去苯丙氨酸。 通过大规模的普查发现，出现苯丙酮尿的频率大约是0.5/万新生儿。这种病是常染色体隐性遗传的。 nullnull琥珀酰CoA 延胡索酸草酰乙酸α-酮戊二酸柠檬酸乙酰CoA丙酮酸PEP磷酸丙糖葡萄糖或糖原糖α-磷酸甘油脂肪酸脂肪甘油三酯乙酰乙酰CoA酮体CO2CO2氨基酸、糖及脂肪代谢的联系T A C第12章 氨基酸及其重要衍生物的 生物合成第12章 氨基酸及其重要衍生物的 生物合成 (Biosynthesis of amino acids and its important derivates)一、概论 二、脂肪族氨基酸的生物合成 三、芳香族氨基酸及组氨酸的生物合成 四、氨基酸生物合成的调节 五、氨基酸转化为其他氨基酸及其他代谢物氨基酸合成代谢氨基酸合成代谢不同生物合成氨基酸的能力不同， 以合成原料为例，有的能利用二氧化碳，有的能利用有机酸，有的能利用单糖。 不同生物能够合成氨基酸的种类也不完全相同，有的可以合成构成蛋白质的全部氨基酸，有的则不能全部合成，这些生物所需的氨基酸必需从其他生物获得。 一、概论必需氨基酸和非必需氨基酸必需氨基酸和非必需氨基酸高等植物有能力合成自己所需的全部氨基酸，而且既可利用氨又可利用硝酸根作为合成氨基酸的氮源。 微生物合成氨基酸的能力有很大的差异，例如，大肠杆菌可合成全部所需氨基酸，而乳酸菌却需从外界获取某些氨基酸。 虽然生物合成氨基酸的能力有种种差异，但仍可总结出氨基酸生物合成的某些共性，本节着重讨论它们的共性。氮的来源氮的来源另一方面植物还能利用NH4＋或硝酸化合物（NO2－、NO3－）作为所需氮源，通过生物固氮作用合成氨。 动物体内氨基酸的脱氨基作用产生的氨. 这些氨的来源都可作为生物体合成氨基酸的原料。 一方面在自然界中的大量的蛋白质、氨基酸、尿素以及其他的有机含氮化合物由微生物作用，通过氨化作用生成氨。生物体N的来源 食物来源的N（食物中的蛋白质和氨基酸）：人和动物的N源 生物固N（某些微生物和藻类通过体内固氮酶系的作用将分子氮转变成氨的过程，1862年发现） null生物固N的化学本质生物固N的化学本质固N酶（1）结构组成二聚体、含Fe和S 形成[Fe4S4]簇 四聚体（α2β2） 含Mo、Fe和S（2）作用机理：N2还原剂铁蛋白钼铁蛋白（3）特点：是一种多功能酶 氧化还原酶：不仅能催化N2还原，还可催化N2O化合物等还原。 ATP酶活性：能催化ATP分解，从中获取能量推动电子向还原底物上转移。硝酸还原作用硝酸还原作用（2）硝酸还原酶 (3) 亚硝酸还原酶（1）硝酸还原作用的化学本质氨的同化氨的同化谷氨酸的形成途径和氨甲酰磷酸的生成生物体将无机态的氨转化为含氮有机化合物的过程氨甲酰磷酸合成酶谷氨酸脱氢酶谷氨酰胺合成酶null1.谷AA脱氢酶（细菌）NH3 谷AA 其它AA+NH3 +NADH+NAD+ +H2O α-酮戊二酸 （TCA循环产生的） 此反应要求有较高浓度的NH3，足以使光合磷酸化解偶联，所以它不可能是无机氨转为有机氮的主要途径㈠ 谷AA合成途径2.谷氨酰胺合成酶（高等植物的主要途径）2.谷氨酰胺合成酶（高等植物的主要途径） 谷氨酰胺(贮存了氨）可做为NH3的供体将其转移+2H2 谷AA合酶+谷氨酰胺 α-酮戊二酸 谷氨酸㈡ 氨甲酰磷酸合成途径（微生物和动物）㈡ 氨甲酰磷酸合成途径（微生物和动物）原料：NH3 CO2 ATP1 氨甲酰激酶NH3 + CO2 + ATPMg2+ 氨甲酰磷酸2 氨甲酰磷酸合成酶NH3 + CO2 + 2ATPMg2+辅因子O H2N-C-OPO3H2 + 2ADP+Pi 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。氨基酸的合成氨基酸的合成 氨基酸的合成需要有氨基和碳架。氨基是由转氨基作用已有的氨基酸（主要是谷氨酸）提供的，碳架则有不同的来源，先形成α－酮酸，然后通过转氨基作用合成不同的氨基酸。根据氨基酸合成的碳架来源不同，可将氨基酸分为若干类型。 氨基酸合成的碳骨架来源于糖分解返回氨基酸合成简介氨基酸合成的碳骨架来源于糖分解氨基酸生物合成的分族情况氨基酸生物合成的分族情况（1）丙氨酸族 丙酮酸 Ala、Val、Leu （2）丝氨酸族 甘油酸-3-磷酸 Ser、Gly、Cys （3）谷氨酸族 -酮戊二酸 Glu、Gln、Pro、Arg （4）天冬氨酸族 草酰乙酸 Asp、Asn、Lys、Thr、Ile、Met （5）组氨酸和芳香氨基酸族 磷酸核糖 His 磷酸赤藓糖+PEP Phe、Tyr、Trp二、脂肪族氨基酸的生物合成二、脂肪族氨基酸的生物合成（一）谷氨酸族氨基酸的生物合成 Glu、Gln、Pro、Arg、Lys共同碳架：TCA中的α-酮戊二酸 α-酮戊二酸 Glu为还原同化作用 1.谷氨酸生物合成1.谷氨酸生物合成谷氨酸合酶① 氨的同化中已介绍的通过谷氨酸脱氢酶合成 谷氨酸。 ② 通过α－酮戊二酸和其他氨基酸的转氨反应 合成谷氨酸。 ③2.谷氨酸和谷氨酰胺合成示意图2.谷氨酸和谷氨酰胺合成示意图3.由α－酮戊二酸合成脯氨酸3.由α－酮戊二酸合成脯氨酸α-酮戊二酸 谷氨酸 γ-谷氨酰磷酸谷氨酸-γ-半醛 Δ’ -二氢吡咯-5-羧酸 脯氨酸 激酶 还原酶自发环化 还原酶4.精氨酸生物合成4.精氨酸生物合成谷氨酸 N – 乙酰谷氨酸 N – 乙酰 –γ-谷氨酰磷酸 N – 乙酰谷氨 酸 -γ-半醛 N – 乙酰鸟氨酸 鸟氨酸进入尿素循环产生精氨酸N -乙酰化 激酶 还原酶转氨酶nullnull1.天冬氨酸生物合成 （二）天冬氨酸族氨基酸的生物合成 Asp、Asn、Met、Thr （Lys and Ile)共同碳架：TCA中的草酰乙酸1.天冬氨酸生物合成 谷草转氨酶草酰乙酸 天冬氨酸酶： 谷草转氨酶也叫天冬氨酸－谷氨酸转氨酶2.天冬酰胺生物合成2.天冬酰胺生物合成天冬酰胺合成酶天冬酰胺合成酶① 哺乳动物中② 细菌中酶的区别在于：①催化酰基断裂； ②对游离氨有高亲和力3.天冬氨酸族其它氨基酸的合成3.天冬氨酸族其它氨基酸的合成ATPADP天冬氨酸激酶CH2-C-O-P=OCHNH2COOH--O=OHOHNADPH+H+NADP+ 天冬氨酸激酶天冬氨酰磷酸β-天冬氨酸半醛L-高丝氨酸 甲硫氨酸苏氨酸异亮氨酸（4个C来自Asp,2个C来自丙酮酸）α,ε-二氨基庚二酸赖氨酸CO2天冬氨酸nullnull1.丙氨酸生物合成（三）丙酮酸族氨基酸的生物合成 Ala、Val、Leu、Ile异亮氨酸由苏氨酸提供4个碳，丙酮酸提供2个碳共同碳架：EMP中的丙酮酸1.丙氨酸生物合成谷AA 谷丙转氨酶：GPT 反应特点：无抑制，可逆反应2.亮氨酸生物合成2.亮氨酸生物合成α-异丙基 苹果酸合酶α-异丙基 苹果酸异构酶异丙基苹果酸 脱氢酶亮氨酸转氨酶α-酮异戊酸 α-异丙基苹果酸β-异丙基苹果酸 α-酮异己酸 亮氨酸 3.丙氨酸族其它氨基酸的合成 3.丙氨酸族其它氨基酸的合成2丙酮酸α-酮异戊酸 缩合CO2 转氨基 缬氨酸α-酮异己酸 亮氨酸转氨基 -CH3C=OCOO---CH2-CH3CH3-CH-C=OCOOH--CH3-CHα-酮异戊酸 null1.甘氨酸的合成1.甘氨酸的合成（四）丝氨酸族氨基酸的生物合成 Ser、Gly、Cys甘AA碳架：光呼吸乙醇酸途径中的乙醛酸丝氨酸碳架:EMP中的3-磷酸甘油酸++α-酮戊二酸 甘AA谷AA 乙醛酸 2.丝氨酸和甘氨酸生物合成2.丝氨酸和甘氨酸生物合成磷酸甘油酸脱氢酶 磷酸丝氨酸转氨酶丝氨酸 转羟甲基酶磷酸丝氨酸 磷酸酶甘油酸-3-磷酸 3-磷酸羟基丙酮酸3-磷酸丝氨酸 丝氨酸 甘氨酸nullH2O Pi磷酸酶转氨基氧化H2O Pi转氨磷酸化途径非磷酸化途径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3.半胱氨酸生物合成（植物或微生物）3.半胱氨酸生物合成（植物或微生物）硫氢解酶转乙酰基酶丝氨酸O – 乙酰丝氨酸半胱氨酸硫氢基的来源：H2SO4转化为某种硫化物半胱氨酸生物合成（动物）半胱氨酸生物合成（动物）胱硫醚 -γ- 水解酶胱硫醚 -β-合酶高半胱氨酸 胱硫醚α-酮丁酸半胱氨酸nullnull（四）芳香族氨基酸的生物合成 Phe、Tyr、Trp见P356图31-20、P357图31-21、P358图31-22组AA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)1.莽草酸合成Ⅰ1.莽草酸合成Ⅰ或磷酸烯醇式丙酮酸赤藓糖-4-磷酸3-脱氧阿拉伯庚酮糖酸-7-磷酸3-脱氧阿拉伯庚酮 糖酸-7-磷酸合酶莽草酸合成Ⅱ莽草酸合成Ⅱ脱氢奎尼酸合酶莽草酸脱氢酶5’-脱氢奎尼酸5’-脱氢莽草酸 莽草酸3-脱氧阿拉伯庚酮糖酸-7-磷酸脱氢奎尼酸脱水酶2.从莽草酸合成分支酸2.从莽草酸合成分支酸莽草酸 莽草酸-5-磷酸3-烯醇式丙酮酸基 莽草酸-5-磷酸分支酸（分支点）激酶合酶合酶3.分支酸→苯丙氨酸和酪氨酸3.分支酸→苯丙氨酸和酪氨酸分支酸预苯酸苯丙酮酸苯丙氨酸4-羟基苯丙酮酸酪氨酸变位酶 变位酶脱水酶脱氢酶转氨酶转氨酶双功能酶双功能酶（具有变位酶和脱水、脱羧）芳香族氨基酸的关系芳香族氨基酸的关系色氨酸 若将莽草酸看作芳香族氨基酸合成的前体，芳香族氨基酸合成时相同的一段过程叫莽草酸途径。null组氨酸生物合成Ⅰ （9种酶和10步特殊反应）组氨酸生物合成Ⅰ （9种酶和10步特殊反应）5-磷酸核糖 -1-焦磷酸ATPN1-(5’-磷酸核糖)-ATP N1-(5’-磷酸核糖)-AMP组氨酸生物合成Ⅱ组氨酸生物合成ⅡN1-(5’-磷酸核 糖)-AMPN1-5’-磷酸核酮糖亚氨甲基 -5-氨基咪唑-4-羧酰胺核苷酸N1-5’-磷酸核糖亚氨甲基 -5-氨基咪唑-4-羧酰胺核苷酸组氨酸生物合成Ⅲ组氨酸生物合成ⅢN1-5’-磷酸核酮糖亚氨甲基 -5-氨基咪唑-4-羧酰胺核苷酸咪唑甘油磷酸5’-磷酸核糖-4-羧酰胺 -5-氨基咪唑核苷酸嘌呤类的合成组氨酸生物合成Ⅳ组氨酸生物合成Ⅳ咪唑丙酮醇磷酸 组氨醇磷酸咪唑甘油磷酸nullnullnull3、氨基酸生物合成的调节 3、氨基酸生物合成的调节 通过终端产物对氨基酸生物合成的抑制（终端产物抑制第一个酶） Amino acid biosynthesis is under allosteric regulation (2) 通过酶生成量的改变调节氨基酸的生物合成Allosteric regulation of Ile synthesis (如由Thr合成Ile)Allosteric regulation of Ile synthesis (如由Thr合成Ile)1、简单的终端产物反馈抑制 2、不同终端产物对共同合成途径的协同抑制2、不同终端产物对共同合成途径的协同抑制In concerted inhibition (协同抑制), one enzyme is inhibited by two or more modulators, with effect more than additive.Interlocking regulation (连锁调节)Interlocking regulation (连锁调节)3、不同分支产物对多个同工酶的抑制Enzyme multiplicity (酶的多样性): Several isozymes are present to catalyze a common step of reaction: each isozyme responds to a different allosteric modulator, avoiding the inhibition of a common reaction by only one end product. Interlocking regulatory mechanisms in the biosynthesis of several amino acids derived from Asp in E. coli4、顺序反