氨基酸的代謝

1、第九章 氨基酸的代謝,本章重點(diǎn)：蛋白質(zhì)在機(jī)體內(nèi)的降解，以及氨基酸的分解和合成的共同代謝途徑。,第一節(jié) 蛋白質(zhì)的酶促降解,第二節(jié) 氨基酸的分解與轉(zhuǎn)化,第三節(jié) 氨的同化及氨基酸的生物合成,氨基酸代謝概況,食物蛋白質(zhì),氨基酸,特殊途徑,?-酮酸,糖及其代謝中間產(chǎn)物,脂肪及其代謝中間產(chǎn)物,,TCA,,鳥氨酸循環(huán),NH4+,NH4+,NH3,CO2,H2O,體蛋白,尿素,尿酸,激素,卟啉,尼克酰氨衍生物,肌酸胺,嘧啶,嘌呤,SO4 2 -,

2、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,生物固氮硝酸還原,,（次生物質(zhì)代謝）,,,,CO2,胺,,第一節(jié) 蛋白質(zhì)的酶促降解,1.1 外源蛋白質(zhì)的消化與吸收 外源蛋白質(zhì)在胃內(nèi)酸性條件下首先被胃蛋白酶水解為小分子多肽，然后進(jìn)入小腸，被胰臟和小腸分泌的胰蛋白酶、糜蛋白酶、羧肽酶、氨肽酶等降解為氨基酸，并吸收入血液，通過血液運(yùn)輸供給細(xì)胞合成或轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌衔锏取?,1.2 胞內(nèi)蛋白質(zhì)降解系統(tǒng)： 蛋白質(zhì)

3、的壽命通常用半壽期表示。即蛋白質(zhì)降解到其原有濃度一半時(shí)所需要的時(shí)間，從幾分鐘到幾個(gè)月不等。在正常生理狀態(tài)下，組織蛋白質(zhì)的合成與降解處于動(dòng)態(tài)平衡。 細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)降解的場(chǎng)所包括溶酶體、細(xì)胞質(zhì)及線粒體等。,胞內(nèi)蛋白質(zhì)降解系統(tǒng)溶酶系統(tǒng)：溶酶體是由高爾基體的囊泡發(fā)育而成的單層膜細(xì)胞器，內(nèi)含60多種水解酶，可清除無用蛋白質(zhì)、核酸、多糖、脂類等生物大分子及衰老、損傷和死亡的細(xì)胞。主要降解細(xì)胞外蛋白質(zhì)和細(xì)胞膜上的膜蛋白。蛋白泛素

4、化降解途徑：泛素、E1、E2、E3 、26S蛋白酶體等，選擇性降解目標(biāo)蛋白為短肽。短半壽期蛋白質(zhì)幾乎都是依賴這條途徑降解的。,蛋白質(zhì)降解的泛素化途徑,E1-SH,E1-SH,,,,E2-SH,E2-SH,,ATP AMP+PPi,,,,,,E3,,多泛素化蛋白,ATP,26S蛋白酶體,20S蛋白酶體,ATP,19S調(diào)節(jié)亞基,,,去折疊,水解,E1：泛肽激活酶 E2：泛肽載體蛋白 E3：泛肽-蛋白質(zhì)連接酶,（ubiquit

5、in）,1,蛋白的泛素降解途徑,第二節(jié) 氨基酸的分解與轉(zhuǎn)化,,二、氨基酸的脫羧基作用,三、氨基酸分解產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化,一、氨基酸的脫氨基作用,一、氨基酸的脫氨基作用,1、氧化脫氨基作用,2、轉(zhuǎn)氨基作用,3、聯(lián)合脫氨基作用,1. 氧化脫氨基作用,,氨基酸在氧化酶或脫氫酶的催化下脫去氨基生成相應(yīng)的α-酮酸和氨的過程稱為脫氨基作用。主要在肝臟中進(jìn)行，表現(xiàn)為氧化脫氨基方式。,1. 1 氨基酸氧化酶,1.2 L-谷氨酸脫氫酶 廣泛存在于動(dòng)植物和微生

6、物內(nèi)，是脫氨活力最高的酶，催化L-谷氨酸脫氨生成?-酮戊二酸?；钚允軇e構(gòu)調(diào)節(jié)。谷氨酸脫氫酶催化可逆反應(yīng)，發(fā)酵工業(yè)中，味精的生產(chǎn)就是利用微生物體內(nèi)的谷氨酸脫氫酶將?-酮戊二酸轉(zhuǎn)變?yōu)楣劝彼帷?,谷氨酰胺的生成和利用,,,,,天冬酰胺酶,1.3 谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶,谷氨酰胺和天冬酰胺在酰胺酶的作用下脫掉酰胺基生成相應(yīng)的氨基酸，具有高度專一性。,,谷氨酰胺酶,2. 轉(zhuǎn)氨基作用,,在轉(zhuǎn)氨酶的催化下， α-氨基酸的氨基轉(zhuǎn)移到α-酮

7、酸的酮基碳原子上，結(jié)果原來的α-氨基酸生成相應(yīng)的α-酮酸，而原來的α-酮酸則形成了相應(yīng)的α-氨基酸，這種作用稱為轉(zhuǎn)氨基作用。主要在肝臟中進(jìn)行。,,體內(nèi)轉(zhuǎn)氨酶種類很多，專一性很強(qiáng)，除甘氨酸、賴氨酸、蘇氨酸、脯氨酸等少數(shù)氨基酸外，都有專一催化轉(zhuǎn)氨作用的酶。其中最為重要的是天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（谷草轉(zhuǎn)氨酶）和丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（谷丙轉(zhuǎn)氨酶）。谷草轉(zhuǎn)氨酶在心肌含量最高，谷丙轉(zhuǎn)氨酶在肝細(xì)胞中含量最高。,磷酸吡哆醛的作用機(jī)理,轉(zhuǎn)氨酶的輔酶為磷酸吡哆醛,

8、3. 聯(lián)合脫氨基作用,（1）概念,（2）類型,轉(zhuǎn)氨酶與L-谷氨酸脫氫酶作用相偶聯(lián)以嘌呤核苷酸循環(huán)為核心的聯(lián)合脫氨方式,,,轉(zhuǎn)氨基作用和氧化脫氨基作用偶聯(lián)進(jìn)行的脫氨基作用方式。,a.轉(zhuǎn)氨酶與L-谷氨酸脫氫酶作用相偶聯(lián),轉(zhuǎn)氨酶,L-谷氨酸脫氫酶,H20+NAD+,NH3+NADH,α-酮酸,α-氨基酸,α-酮戊二酸,L-谷氨酸,,尿素循環(huán)等,b. 以嘌呤核苷酸循環(huán)為核心的聯(lián)合脫氨方式,嘌呤核苷酸循環(huán)指次黃嘌呤核苷酸與天冬氨酸反應(yīng)產(chǎn)生腺苷

9、酰琥珀酸，后者被腺苷酰琥珀酸裂合酶催化產(chǎn)生腺嘌呤核苷酸和延胡索酸，而后AMP水解脫氨又形成IMP，IMP再繼續(xù)參與上述反應(yīng)的循環(huán)過程。,二、氨基酸的脫羧基作用,,1.概念：,R-CH-COO- R-CH2-NH2+CO2,,NH3+,,脫羧酶,氨基酸,胺,2. 反應(yīng)：,三、氨基酸分解產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化,,氨對(duì)人體有毒，氨基酸脫掉的氨除一小部分被用于合成含氮化合物，大部分氨需經(jīng)特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)方式運(yùn)到肝臟，在肝臟合成尿素后隨

10、尿排出體外。,一） 氨的代謝轉(zhuǎn)變,① 在肝內(nèi)合成尿素，這是最主要的去路,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 生成尿酸,1. 氨的去路,肝外組織產(chǎn)生的氨向肝內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)主要有兩種方式：一種是以丙氨酸的形式轉(zhuǎn)運(yùn)，另一種是以谷氨酰胺的形式轉(zhuǎn)運(yùn)。,2. 氨的轉(zhuǎn)運(yùn),,丙氨酸,葡萄糖,肌肉蛋白質(zhì),,氨基酸,NH3,,谷氨酸,,α-酮戊 二酸,丙酮酸,,糖酵解途徑,肌肉,,丙氨酸,,血液,,丙氨酸,葡萄糖,α-酮戊二酸

11、,谷氨酸,丙酮酸,NH3,尿素,,,尿素循環(huán),,糖異生,肝,葡萄糖,,,1）丙氨酸式轉(zhuǎn)運(yùn)：丙氨酸-葡萄糖循環(huán)(alanine-glucose cycle),,2）谷氨酰胺的運(yùn)輸和貯存作用,反應(yīng)過程,在腦、肌肉合成谷氨酰胺，運(yùn)輸?shù)礁魏湍I后再分解為氨和谷氨酸，從而進(jìn)行解毒。,3.尿素的生成,1）生成部位 主要在肝細(xì)胞的線粒體及胞液中。,2）生成過程,尿素生成的過程由Hans Krebs 和Kurt Henseleit 1932年提出，稱為鳥

12、氨酸循環(huán)(orinithine cycle)，尿素循環(huán)(urea cycle)或Krebs- Henseleit循環(huán)。,不同動(dòng)物氨的排泄方式不同，鳥類以尿酸的形式排出，一些魚類和兩棲類課直接將氨排出體外。人類及其他哺乳動(dòng)物以尿素形式將氨排出。,（1） 氨甲酰磷酸的合成,,,反應(yīng)在線粒體中進(jìn)行,反應(yīng)由氨基甲酰磷酸合成酶Ⅰ(carbamoyl phosphate synthetaseⅠ, CPS-Ⅰ)催化。N-乙酰谷氨酸為其激活劑，反應(yīng)

13、消耗2分子ATP。,N-乙酰谷氨酸(AGA),（2) 瓜氨酸的合成,,鳥氨酸氨甲?；D(zhuǎn)移酶,,H3PO4,+,氨基甲酰磷酸,,反應(yīng)在線粒體中進(jìn)行，瓜氨酸生成后進(jìn)入胞液。,(3) 精氨酸的合成,反應(yīng)在胞液中進(jìn)行。,+,天冬氨酸,精氨酸代琥珀酸,,精氨酸,延胡索酸,,精氨酸代琥珀酸裂解酶,精氨酸代琥珀酸,(4) 精氨酸水解生成尿素,反應(yīng)在胞液中進(jìn)行,尿素,鳥氨酸,精氨酸,,H2O,,鳥氨酸循環(huán),氨基酸,草酰乙酸,蘋果酸,α-酮戊 二酸

14、,谷氨酸,α-酮酸,鳥氨酸,尿素,線粒體,胞 液,3）反應(yīng)小結(jié),原料：2 分子氨，一個(gè)來自于游離氨，另一個(gè)來自天冬氨酸。合成1分子尿素可從體內(nèi)清除2分子氨和一分子CO2。過程：先在線粒體中進(jìn)行，再在胞液中進(jìn)行。耗能：3 個(gè)ATP，4 個(gè)高能磷酸鍵。,總反應(yīng)：,4）尿素生成的調(diào)節(jié),(1）食物蛋白質(zhì)的影響,,高蛋白膳食 合成↑,低蛋白膳食 合成↓,（2）CPS-Ⅰ的調(diào)節(jié)：AGA、精氨酸為其激活劑,（3）尿素生成酶系的調(diào)節(jié),二、氨

15、基酸碳骨架的代謝途徑,（一）經(jīng)氨基化生成非必需氨基酸,（二）轉(zhuǎn)變成糖及脂類,,20種aa的碳骨架可轉(zhuǎn)化成7種物質(zhì),丙酮酸、乙酰CoA、乙酰乙酰CoAα-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸,根據(jù)氨基酸降解產(chǎn)物的不同，凡能在分解過程中轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴oA和乙酰乙酰CoA的氨基酸稱為生酮氨基酸（此兩種物質(zhì)在肝臟可轉(zhuǎn)變?yōu)橥w）。（賴亮）凡能在分解過程中轉(zhuǎn)變?yōu)楸帷?-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸和草酰乙酸的氨基酸稱為生糖氨基酸（這

16、些TCA中間產(chǎn)物和丙酮酸都可以轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟牵?（其他） 有些氨基酸代謝產(chǎn)生的中間產(chǎn)物既可以產(chǎn)生酮體，也可以產(chǎn)生葡萄糖，這些氨基酸歸類為生糖生酮氨基酸。 (苯酪色異),生糖氨基酸及生酮氨基酸,氨基酸生糖及生酮性質(zhì)的分類,,氨基酸與糖、脂肪代謝的關(guān)系,三、個(gè)別氨基酸代謝,一）氨基酸的脫羧基作用,1. 作用模式,,（ R-NH2 ）,? - 氨基酸,生物胺類,,,2. 介紹幾種重要胺類物質(zhì)的生成,1）組胺,組氨酸,作 用,—— 擴(kuò)血管（

17、降血壓）、收縮平滑?。ㄒ渍T發(fā)哮喘） 促進(jìn)胃液分泌,主菜單,2）5- 羥色胺,色氨酸,作用,—— 收血管（升血壓）、抑制性神經(jīng)遞質(zhì),3）? - 氨基丁酸,谷氨酸,作用,—— 抑制性神經(jīng)遞質(zhì),（常作鎮(zhèn)靜劑）,4）多胺,（精脒 / 精胺）,—— 精脒和精胺是調(diào)節(jié)細(xì)胞生長的重要物質(zhì),作用,腫瘤標(biāo)志物,5）兒茶酚胺,（腎上腺髓質(zhì)激素）,酪氨酸,三者統(tǒng)稱為兒茶酚胺，均為神經(jīng)遞質(zhì),,返 回,,主菜單,四）芳香族氨基酸的代謝,（一）苯

18、丙氨酸和酪氨酸,苯丙氨酸,(T3 和 T4),（黑色素）,酪氨酸,酪氨酸酶,,（白化?。?（二）色氨酸,色氨酸,5- 羥色胺,Vitpp,（尼克酰胺）,,返 回,,2、半胱氨酸,半胱氨酸,?；撬?谷胱甘肽,（維持巰基酶類的活性）,（參與結(jié)合膽汁酸的合成）,苯丙酮酸,（隨尿排出）,主菜單,一、氮素循環(huán)二、生物固氮三、硝酸還原作用四、氨的同化五、氨基酸的生物合成,第三節(jié) 氨基酸的生物合成,氮是生物的必需元素之一。在生命活動(dòng)中起重要作

19、用的蛋白質(zhì)、核酸、酶及某些激素、維生素、葉綠素和血紅素等均含有氮元素?？梢哉f，整個(gè)生物界的生命活動(dòng)全部過程，都無時(shí)無刻不在進(jìn)行著氮素代謝。,一、氮素循環(huán),氮素循環(huán)(nitrogen cycle) ：氮原子在大氣與生物圈的流動(dòng) 。,大氣,大氣固氮(閃電輻射) 15％,生物固氮(固氮生物) 60％,工業(yè)固氮25％,,,,,動(dòng)物不能!!!,動(dòng)物從食物中的蛋白質(zhì)或氨基酸中獲得氨,生物固氮的概念生物固氮(biological nitroge

20、n fixation)是微生物、藻類或與高等植物共生的微生物(如根瘤菌)在常溫常壓下通過體內(nèi)復(fù)雜的固氮酶系統(tǒng)把大氣中的分子態(tài)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)體可以利用的氨態(tài)氮的作用過程。,二、生物固氮,一）固氮生物的類型 目前已發(fā)現(xiàn)的固氮生物近50個(gè)屬，包括細(xì)菌、放線菌和藍(lán)細(xì)菌，根據(jù)固氮微生物與高等植物和其他生物的關(guān)系，可分為自生固氮微生物和共生固氮微生物兩類。,自生固氮微生物是指獨(dú)立生活時(shí)能使氮?dú)夤潭镹H3的少數(shù)微生物。固氮有兩種方式：

21、①利用光能還原氮?dú)?。如魚腥藻、念球藻等；②利用化學(xué)能固氮。如好氣性固氮菌、貝氏固氮菌等。,1、自生固氮微生物,如與豆科植物共生固氮的根瘤菌(Rhizobium)，其專一性強(qiáng)，不同的菌株只能感染一定的植物，形成共生的根瘤。在根瘤中植物為固氮菌提供碳源，而細(xì)菌利用植物提供的能源固氮，為植物提供氮源，形成一個(gè)很好的互利共生體系。,2、共生固氮微生物,,,,二）固氮酶復(fù)合物,,N2,NH3,NH3,,2,2,生物固氮的總反應(yīng)式為：N2+

22、8e?+16ATP+8H+→ 2NH3+H2+16ADP+16Pi,固氮酶系統(tǒng)中N2還原機(jī)理,三）生物固氮所需的條件固氮酶催化的反應(yīng)需要滿足：①充分的ATP供應(yīng)。豌豆根系固氮細(xì)菌消耗植株ATP產(chǎn)量的近1/5；②需要很強(qiáng)的還原劑。高還原勢(shì)電子來自Fdred，其是光合鏈的電子載體。 Fd的再生或來自光合作用，或來自氧化過程；③需要厭氧環(huán)境。固氮酶對(duì)氧十分敏感，只有在嚴(yán)格的厭氧條件

23、下才能固氮。因此，對(duì)好氣細(xì)菌來說必須有嚴(yán)格的防氧機(jī)制以使酶不被氧傷害。,,三、,三、硝酸還原作用,閃電能將大氣中的氮素氧化，產(chǎn)生NO2-、NO3-，并以硝酸和亞硝酸的形式進(jìn)入土壤和水中，土壤中主要以硝酸鹽形式存在。微生物和植物利用自身的硝酸還原酶和亞硝酸還原酶將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氨鹽。,四、氨的同化,在氮素循環(huán)中，生物固氮和硝酸鹽還原形成了無機(jī)態(tài)NH3，NH3進(jìn)一步被同化轉(zhuǎn)變成含氮有機(jī)化合物。在生物體內(nèi)，主要有三種氨的同化方式(即三個(gè)主要的氨

24、供體分子)：,,,另外，也可在氨甲酰激酶催化下：,,,①谷氨酰胺合成酶,,三種氨的同化方式,谷氨酸脫氫酶,谷氨酰胺合成酶,氨甲酰磷酸轉(zhuǎn)移酶,,,,谷氨酰胺是最重要的貯氨分子,NADPH+H+,谷氨酸合酶,一）氨基酸的合成與轉(zhuǎn)氨基作用氨基酸的生物合成需要三個(gè)基本條件：1、碳骨架2、氨供體3、酶(轉(zhuǎn)氨酶)有了碳骨架和氨供體，就可在轉(zhuǎn)氨酶的催化下，合成相應(yīng)的氨基酸。生物機(jī)體內(nèi)各種轉(zhuǎn)氨酶催化的反應(yīng)都是可逆的，反應(yīng)方向與當(dāng)時(shí)細(xì)胞中具體代

25、謝的需要有關(guān)。,Met (甲) 、Trp (色) 、Lys (賴) 、 Val (纈) 、Ile (異) 、Leu (亮) 、Phe (苯) 、Thr(蘇)（假設(shè)來寫一兩本書） 對(duì)兒童來說，Arg(精)也是必需氨基酸 。,凡是機(jī)體不能自己合成，必需來自外界的氨基酸，稱為必需氨基酸。,,人體必需的氨基酸：,四、氨基酸的生物合成,各族氨基酸的合成動(dòng)植物和微生物的氨基酸合成可能具有相同的途徑。注意：植物和微生物能合成所有氨基酸，而動(dòng)物只能

26、合成非必需氨基酸。根據(jù)氨基酸合成的碳架來源不同，可將氨基酸分為若干族。在每一族里的幾種氨基酸都有共同的碳架來源。,,氨供體：①氨甲酰磷酸②谷氨酰胺③谷氨酸(最重要),碳骨架：來自中間代謝產(chǎn)物,非必需氨基酸的生物合成 根據(jù)起始物的不同20種氨基酸歸為6個(gè)族： a、丙氨酸族：丙酮酸衍生類型（丙纈亮異） b、天冬氨酸族：草酰乙酸衍生類型（天天甲蘇賴異 c、谷氨酸族：α-酮酸衍生類型（谷谷精脯） d、絲氨酸

27、族：3-磷酸甘油酸衍生類型（絲甘半） e、芳香族：磷酸烯醇式丙酮酸和4-磷酸赤鮮糖衍生類型（芳香族--酪苯色）f、組氨酸族：5-磷酸核糖類型（組氨酸）,各種氨基酸的前體及相互關(guān)系,谷氨酸族,天冬氨酸族,丙氨酸族,絲氨酸族,His 和芳香族,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,氨基的轉(zhuǎn)換站,,六條氨基酸合成途徑,,,①,④,③,②,⑤,⑥,①丙氨酸族②絲氨酸族③谷氨酸族④天冬氨酸族⑤組氨酸⑥芳香氨基酸族,,,,,,,,

28、,,,,,,,,,一碳單位的代謝,1. 概念和種類,個(gè)別氨基酸,（一碳單位）,一碳單位來源,：絲、甘、組、色氨酸　的分解代謝,一碳單位種類：,-CH3 甲基,-CH2OH 羥甲基,-CH2 - 亞甲基,-CH=NH 亞氨甲基,-CHO 甲?；?2. 一碳單位的來源轉(zhuǎn)運(yùn),載 體,—— 四氫葉酸（FH4）,轉(zhuǎn)運(yùn)形式,一碳單位-- FH4,（FH4上的 N5、N10 是攜帶一碳單位的位點(diǎn)）,實(shí) 例,N5 - CH3 ? F

29、H4,N5, N10 - CH2 - FH4,N10 - CHO ? FH4,3. 一碳單位代謝的意義,一碳單位是嘌呤及嘧啶等合成的重要原料,（故與細(xì)胞的增殖、組織生長和機(jī)體發(fā)育等有關(guān)鍵）,,來源：Gly、Ser、Thr、His等個(gè)別氨基酸代謝產(chǎn)生。,,一碳基團(tuán)的載體：四氫葉酸（FH4或THFA）,一碳基團(tuán)的來源與轉(zhuǎn)變,S-腺苷蛋氨酸,N5-CH3-FH4,N5 ，N10 - CH2-FH4,N5， N10 = CH-FH4,N10 -

30、CHO-FH4,,,,,N5 ， N10 -CH2-FH4還原酶,N5 ， N10 -CH2-FH4脫氫酶,環(huán)水化酶,絲氨酸,組氨酸甘氨酸,參與 甲基化反應(yīng),為胸腺嘧啶合成提供甲基,參與嘌呤合成,,,,FH4,,,,FH4,FH4,HCOOH,,H2O,,NAD+,NDAH+H+,,NAD+,NDAH+H+,H+,,參與嘌呤合成,,返 回,,含硫氨基酸的代謝,含硫氨基酸 —— 蛋氨酸、半胱氨酸,1、蛋氨酸代謝 —— S-腺苷