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1、第30章 蛋白质的降解和氨基酸的分解代谢,主要内容,蛋白质的降解氨基酸的分解代谢尿素循环氨基酸碳骨架的氧化途径生糖氨基酸和生酮氨基酸由氨基酸衍生的其它重要物质,一、蛋白质的降解 Degradation of protein,细胞不断地从氨基酸合成蛋白质，又不断地把蛋白质降解成氨基酸，其意义在于：一是排除不正常的蛋白质；二是通过排除累积过多的酶和调节蛋白使细胞代谢井然有序得以维持。外源蛋白质进入体内必需先经过水解成氨基酸后才被吸收利用。主要的消化酶有：胃蛋白酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶、弹性蛋白酶、羧肽酶（A和B）、氨肽酶等。,二、氨基酸的分解代谢 Degradation of amino acid,
2、-氨基酸的功能除了是蛋白质的组成单位外，还是能量代谢的物质，又是许多生物体内重要含氮化合物的前体。氨基酸的分解一般有三步：1、脱氨基，脱下的氨或转化为氨或转化为Asp/Glu；2、氨与Asp的氮原子结合，生成尿素而排出；3、脱氨后产生的酮酸转化为一般的中间代谢物。,二、氨基酸的分解代谢 Degradation of amino acid,1、氨基酸的脱氨基作用绝大多数氨基酸的脱氨基是出自转氨基作用。,氨基转移酶为了携带氨基，需要有吡哆醛-5-磷酸（PLP）参与反应，当PLP转化为吡哆胺-5-磷酸时，即接受了一个氨基。实际上PLP以共价键与酶相连，即醛基与E上的Lys的-NH2结合成希夫碱（亚氨
3、型）。,二、氨基酸的分解代谢 Degradation of amino acid,1、氨基酸的脱氨基作用,二、氨基酸的分解代谢 Degradation of amino acid,1、氨基酸的氨基转移反应机制,Step 1:a-amino group of substrate aa displaces the e-amino group of the active site Lys,forming a new Schiff base linkage；The pyridoxal phosphate-amino acid Schiff base remains bound to the enzym
4、e by non-covalent Interactions.,二、氨基酸的分解代谢 Degradation of amino acid,1、氨基酸的氨基转移反应机制,Step 2:-Rearrangement occurs,and the double bond shifts to a position between the N of the amino acids a-amino group and the aas Ca.-Rearranged“ketamine”is hydrolyzed to an a-keto acid and pyridoxamine phosphate.-A s
5、econd a-keto acid(ie.a-ketoglutarate)reacts with the enzyme-pyridoxamine phosphate complex.-Reaction“pathway”proceeds in reverse.,“ketamine”,REARRANGEMENT,COO-I CH2 I CH2 I C-COO-II O,Schiff baseof PLP andaa substrate,二、氨基酸的分解代谢 Degradation of amino acid,1、氨基酸的氨基转移反应机制,“ketamine”,REARRANGEMENT,R2 I
6、C-COO-II,R2 IH-C-COO-I,H2O,COO-I CH2 I CH2 I C-COO-II O,2nd a-KETO ACIDeg.a-ketoglutarate,R2 IH-C-COO-I,COO-I CH2 I CH2 I C-COO-I NH2,2nd AMINO ACIDeg.GLUTAMATE,-Reaction“pathway”proceeds in reverse,producing glutamate and regenerating the covalent enzyme pyridoxal phosphate complex.,在大部分情况下，能作为氨基转移
7、酶底物的仅为-酮戌二酸或草酰乙酸，因此只可能生成谷氨酸和天冬氨酸。,二、氨基酸的分解代谢 Degradation of amino acid,1、氨基酸的转氨基作用葡萄糖-丙氨酸循环与前述以酮戌二酸和草酰乙酸作为转氨酶底物不同的是，有一组肌肉氨基转移酶，可把丙酮酸当作其-酮酸的底物，生成丙氨酸。丙氨酸进入血液运送到肝脏，在肝脏中经转氨基作用生成丙酮酸，又可用于葡萄糖的异生作用，这样形成的葡萄糖又回到肌肉中，以糖酵解方式降解为丙酮酸。此称为葡萄糖-丙氨酸循环。,二、氨基酸的分解代谢 Degradation of amino acid,2、氧化脱氨基作用：谷氨酸脱氢酶虽然大部分的脱氨基作用出自于转
8、氨基作用，但也有谷氨酸的“氧化脱氨基作用”，它是在谷氨酸脱氢酶催化下生成-酮戌二酸和氨。谷氨酸脱氢酶既可以把NAD+也可将NADP+作为其氧化还原辅酶。它是一变构调节酶，受GTP、ATP的抑制，ADP激活。,二、氨基酸的分解代谢 Degradation of amino acid,2、氧化脱氨基作用：谷氨酸脱氢酶,Citric acid cycleGlucose synthesis,COO-IH2N+=C-H I CH2 I CH2 I COO-,HYDRIDE,IMINO INTERMEDIATE,H2O,-亚氨基戌二酸,二、氨基酸的分解代谢 Degradation of amino aci
9、d,3、其它的脱氨基作用L-氨基酸氧化酶及D-氨基酸氧化酶是二个非专一性的氨基酸氧化酶，它们把FAD作为辅酶，催化L-及D-氨基酸的氧化，产生的FADH2又被O2再氧化。,氨基酸+FAD+H2O 酮酸+NH3+FADH2 FADH2+O2 FAD+H2O2,二、氨基酸的分解代谢 Degradation of amino acid,4、联合脱氨基作用,转氨酶,谷氨酸脱氢酶,联合脱氨基作用之一,二、氨基酸的分解代谢 Degradation of amino acid,4、联合脱氨基作用,联合脱氨基作用之二,Asp,草酰乙酸,苹果酸,次黄嘌呤核苷酸IMP,腺苷酸代琥珀酸延胡索酸,腺苷酸AMP,NH3
10、,H2O,催化谷氨酸与草酰乙酸转氨基作用生成Asp的酶是谷氨酸-草酰乙酸转氨酶，简称谷草转氨酶。,二、氨基酸的分解代谢 Degradation of amino acid,5、氨基酸的脱羧基作用机体内部分氨基酸可进行脱羧基作用而生成相应的一级胺。催化该反应的酶为脱羧酶，这类酶的辅酶多为磷酸吡哆醛。,a-aminoacid,PLP,H2O,醛亚胺,CO2,H2O,氨基酸脱羧酶专一性很高，一般是一种氨基酸一种脱羧酶，而且只对L-氨基酸起作用。谷氨酸脱羧生成重要的神经递质GABA,二、氨基酸的分解代谢 Degradation of amino acid,6、氨的命运氨基酸通过脱氨基作用后将氨基氮转化
11、为氨，而氨对生物机体是有毒物质，必需排泄出。NH4+-酮戌二酸+NADPH+H+Glu+NADP+H2O此反应：一方面大量消耗了-酮戌二酸，从而破坏了柠檬酸循环的进行；另一方面对NADPH的大量消耗，严重影响了需要还原力（NADPH+H+）反应的正常进行。,二、氨基酸的分解代谢 Degradation of amino acid,6、氨的命运氨基酸通过脱氨基作用后将氨基氮转化为氨，而氨对生物机体是有毒物质，必需排泄出。氨的排泄有三种：（I）直接以氨的形式排泄，如水生或海洋动物；（II）将氨转化为尿素排泄，如大部分动物均如此；（III）将氨转化为固体的尿酸排泄，如鸟类和陆生的爬虫类。氨在生物体内
12、的运输形式通常是谷氨酰胺，因为它对生物机体是无毒的。,二、氨基酸的分解代谢 Degradation of amino acid,6、氨的命运氨的转运,谷氨酸,谷氨酰-5-磷酸,谷氨酰胺,ATP,ADP,NH4+,Pi+H+,E:谷氨酰胺合成酶,三、尿素循环 Urea Cycle,尿素循环部分发生在线粒体，部分发生在细胞溶胶,Glu,三、尿素循环 Urea Cycle,1、氨甲酰磷酸合成酶,1,2,3,该反应发生在线粒体中；反应基本是不可逆的，因此是尿素 循环的限速反应。反应形成的氨甲酰磷酸中的氨即是尿素循环终产物尿素的一 个氮的来源。反应机理:HCO3-接受ATP而活化，形成羰基磷酸；氨对 羰
13、基磷酸进攻形成氨基甲酸酯；受第2个ATP作用，发生 磷酸化，形成氨甲酰磷酸和ADP。,三、尿素循环 Urea Cycle,2、鸟氨酸转氨甲酰酶,该反应发生在线粒体中；但是鸟氨酸产生于细胞溶胶，因此 它必需通过特异运送体系进入线粒体。催化该反应的酶是鸟氨酸转氨甲酰酶，生成瓜氨酸。反应不需要ATP的消耗。,三、尿素循环 Urea Cycle,3、精氨琥珀酸合成酶,该反应发生在细胞溶胶中；催化瓜氨酸与天冬氨酸合成精氨琥珀酸。反应形成的中是产物是瓜氨酸-AMP。反应消耗1分子ATP的二个高能磷酸键。,三、尿素循环 Urea Cycle,4、精氨琥珀酸酶,该反应发生在细胞溶胶中；催化精氨琥珀酸裂解，形成
14、精氨酸和延胡索酸。反应生成的延胡索酸进入TCA循环。TCA中草酰乙酸可通过转氨基作用形成天冬氨酸而进入尿素循环。,三、尿素循环 Urea Cycle,5、精氨酸酶,该反应发生在细胞溶胶中；催化精氨酸裂解，形成鸟氨酸和尿素。生成的鸟氨酸经特异运输体系进入线粒而又回到循环中去。到此，循环一次结束。整个循环，消耗4个高能磷酸键。,三、尿素循环 Urea Cycle,尿素循环与TCA的联系,三、尿素循环 Urea Cycle,6、尿素循环的调节 氨甲酰磷酸合成酶I 受N-乙酰谷氨酸变构激活，尿素循环中其它酶则由其底物控制。,Accumulateswhen urea cyleslows down!,四、
15、氨基酸碳骨架的氧化途径,20种氨基酸碳骨架进入TCA的途径,通过五种物质进入TCA,四、氨基酸碳骨架的氧化途径,1、形成乙酰CoA的途径 氨基酸形成成乙酰CoA有三条途径：其一是经丙酮酸形成，如Ala、Gly、Thr、Ser、Cys；其二是经乙酰乙酰CoA途径，如Phe、Tyr、Leu、Trp、Lys；其三是直接形成乙酰CoA，如Ile、Met、Val。（1）经丙酮酸生成乙酰CoAAla:经与-酮戌二酸转氨基作用，生成丙酮酸。Gly：先转变成Ser，再由Ser转化成丙酮酸。,四、氨基酸碳骨架的氧化途径,1、形成乙酰CoA的途径（1）经丙酮酸生成乙酰CoAGly：先转变成Ser，再由Ser转化成
16、丙酮酸。,甘氨酸+N5,N10-甲烯基四氢叶酸,L-丝氨酸+四氢叶酸,丝氨酸转羟甲基酶,H3N+-CH2-COO-+THF+NAD+,N5,N10-甲烯THF+CO2+NH4+NADH+H+,Gly作为C1单位提供者,四、氨基酸碳骨架的氧化途径,1、形成乙酰CoA的途径（1）经丙酮酸生成乙酰CoASer：Ser经脱水、脱氨生成丙酮酸。催化反应的酶为丝氨酸脱水酶，它PLP（磷酸吡哆醛）为辅基。,四、氨基酸碳骨架的氧化途径,1、形成乙酰CoA的途径（1）经丙酮酸生成乙酰CoAThr：由苏氨酸醛缩酶催化其裂解成甘氨酸和乙醛，后者氧化成乙酸，乙酸继续氧化成乙酰CoA。Cys:,Cys二加氧酶,半胱氨酸
17、硫酸,转氨,-亚磺酰丙酮酸,脱硫,丙酮酸,四、氨基酸碳骨架的氧化途径,1、形成乙酰CoA的途径（2）经乙酰乙酰CoA生成乙酰CoAPhe：在分解代谢中先转变成Tyr，然而进入Tyr的分解代谢。,O2+四氢生物蝶呤,四氢生物蝶呤,H2O,NADPH,NADP+,苯丙氨酸-4-单加氧酶,Phe,Tyr,四、氨基酸碳骨架的氧化途径,Lys,Trp,-酮己二酸,Phe,Tyr,乙酰乙酸,乙酰乙酰CoA,乙酰CoA,Leu,Acetyl CoA,延胡索酸,四、氨基酸碳骨架的氧化途径,2、形成-酮戌二酸的途径,Arg,谷氨酸-半醛,Pro,Glu,a-Ketoglutamate,Gln,His,TCA c
18、ycle,四、氨基酸碳骨架的氧化途径,3、形成琥珀酰-CoA的途径,Succinyl-CoA,TCA cycle,甲基丙二酰CoA,丙酰CoA,Met,Ile,Val,L-methymalonyl-CoA,L-methymalonyl-CoA mutase,四、氨基酸碳骨架的氧化途径,4、形成延胡索酸途径 主要是Phe和Tyr。,Phe,Tyr,乙酰乙酸,延胡索酸,TCA cycle,四、氨基酸碳骨架的氧化途径,5、形成草酰乙酸途径 主要是sp和Asn。,Asn,Asp,Oxaloacetate,谷草转氨酶,酮戌二酸,谷氨酸,TCA Cycle,五、生糖和生酮氨基酸,1、生糖氨基酸 凡能形成丙
19、酮酸、酮戌二酸、琥珀酸和草酰乙酸的氨基酸称为生糖氨基酸，因为这些物质可导致生成葡萄糖和糖原。2、生酮氨基酸 Phe、Tyr、Leu、Trp、Lys等分解成乙酰乙酰-CoA，后者在动物肝脏中转变成乙酰乙酸和-羟丁酸。因此称为生酮氨基酸。3、生糖和生酮氨基酸 如Phe和Tyr既可生成酮体又可生成糖，故称生糖和生酮氨基酸。,六、氨基酸和一碳单位,1、一碳单位 亚氨甲基-HC=NH-甲酰基 H-C-羟甲基-CH2OH 亚甲基-CH2-次甲基-CH=甲基-CH3 许多氨基酸都可作为一碳单位的来源。一碳单位不仅与氨基酸代谢密切，也与嘌呤和嘧啶的生成合成及S-腺苷甲硫氨酸(SAM)的生物合成相关。SAM是许多生物合成的甲基来源。,O,六、氨基酸和一碳单位,2、一碳单位的转移 一碳单位的转移主要靠四氢叶酸（THF），一碳单位与THF的N5,N10以共价键相连。,六、氨基酸和一碳单位,2、一碳单位的转移 一碳单位的转移主要靠四氢叶酸（THF），一碳单位与THF的N5,N10以共价键相连。,六、氨基酸和一碳单位,2、一碳单位的转移 一碳单位的转移主要靠四氢叶酸（THF），一碳单位与THF的N5,N10以共价键相连。,N5,N10-亚甲基THF,THF,丝氨酸羟甲基转移酶,
