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1、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,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,一、蛋白质的降解,氮平衡(nitrogen balance),蛋
2、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）,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3045g，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）
3、。,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。,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。,记忆方法：,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
4、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
5、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。,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1.52.5，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。,（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
6、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。,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,氨基酸+,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,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
7、,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),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,-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,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
8、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。,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,依赖泛素(ubiquitin)的降解过程,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（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
9、常结合在Lys的氨基上，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的氨基上。,The Nobel Prize in Chemistry 2004for the discovery of ubiquitin-mediated protein degradation,Aaron Ciechanover,Avram Hershko,Irwin Rose,Proteins build up all living things:plants,animal
10、s 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 cells most important cyc
11、lical processes,regulated protein degradation.For this,they are being rewarded with this years Nobel Prize in Chemistry.,Kiss of DeathThe 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 dis
12、posers called proteasomes.,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,Ubiquitin,Ubiquitous evolutionarily conserved 76 aa protein Contains several lysines(K6,K29,K48,K63)allowing for polyubiquitylationBecomes c
13、onjugated to target protein lysines through its carboxy terminus Ubiquitylation occurs in response to a variety of stimuli,MQIFVKTLTGKTITLEVEPSDTIENVKAKIQDKEGIPPDQQRLIFAGKQLEDGRTLSDYNIQKESTLHLVLRLRGG,Ubiquitin Isopeptide Bond,Targetprotein,Targetlysinee-aminogroup,Ubcarboxyterminus,Monoubiquitylatio
14、n,Multiple monoubiquitylation,K48 polyubiquitylationprotein targeting to proteasomes,Ubiquitination Modes,Other polyubiquitylation(e.g.K63)regulation of protein activity orlocalization,E1: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 Mechanism,Ubiquitination requires multiple proteins,
15、Ub added tolysines,E1:泛肽活化酶E2:泛肽载体蛋白E3:泛肽蛋白质连接酶,E1,E2,&E3,With 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,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、
16、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230分钟。,E3有3个不同蛋白底物结合位点：类型结合碱性氨基酸末端的蛋白质，如Arg、Lys或His；类型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,大多数具有敏感N末端
17、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，由两种不同的亚基和组成，它们缔合成7777四个堆积的环。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7环解折叠被降解的蛋白质，并将其送入中央的腔内，而亚基具有蛋白裂解活性。蛋白酶体降解蛋白质的
18、产物为79个氨基酸残基的寡肽。,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 个不同的亚基及7 个不同的亚基。,The Proteasome,Consists of two multisubunit c
19、omponents 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 p
20、assage into 20S compartment,ATP consuming process,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。,氨基酸代谢库,氨基酸代谢概况,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
21、物质。,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,（次生物质代谢）,CO2,胺,一 氨基酸的脱氨基作用,定义：指氨基酸脱去氨基生成相应-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,（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-氨基生成相应的-酮酸，而另一种-酮酸得到此氨基生成相应的氨基酸的过程。,转氨基作用不
22、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。,转氨酶：催化转氨反应的酶很多，大多数转氨酶以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，氨基酸转变成酮酸，然后氨基转到另一个酮酸的碳上，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 cycl
23、e),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。,生理意义：肌肉中氨以无毒的丙氨酸形式运输到肝。肝为肌肉提供葡萄糖。,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
24、：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,-亚氨基戊二酸,（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-氨基生成-酮酸的过程。类型：转氨基偶联氧化脱氨基作用 转氨基偶联嘌呤核苷酸循环,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。,转氨基偶联嘌呤核苷酸循环,苹果酸,腺苷酸代琥珀酸,次黄嘌呤 核苷酸(IMP),腺苷酸代琥珀酸合成酶,此种方式主要在肌肉组织进行。,（四）其他氧化脱氨作用,L氨基酸氧化酶和D氨基酸氧化酶以FAD
25、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 酮酸+NH3+FADH2FADH2+O2 FAD+H2O2,-酮酸的代谢,（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:-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,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）,氨对生物机体
26、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,（二）血氨的来源与去路,血氨的来源 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 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：在肝内合成尿素，这是最主要的去路 合成非必需氨基酸及其它含氮化合物 合成谷氨酰胺 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,氨的转运主要是通过谷氨酰胺的形式。谷氨酰胺是氨
27、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。,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
28、,（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。,鸟氨酸循环,线粒体,胞 液,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（N-乙酰谷氨酸，Mg2+）,C,O,H2N,O 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(carbamoyl phosphate synthetase,CPS-)催化。
29、N-乙酰谷氨酸为其激活剂，反应消耗2分子ATP。,2.瓜氨酸的合成,鸟氨酸氨基甲酰转移酶,H3PO4,+,氨基甲酰磷酸,NH,2,(CH,2,),3,CH,COOH,NH,2,NH,2,(CH,2,),3,CH,COOH,NH,2,鸟氨酸,NH,CH,COOH,NH,2,NH,2,C,O,瓜氨酸,(CH,2,),3,由鸟氨酸氨基甲酰转移酶(ornithine carbamoyl transferase,OCT)催化，OCT常与CPS-构成复合体。反应在线粒体中进行，瓜氨酸生成后进入胞液。,3.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,精氨酸,延胡索酸,精氨酸代琥珀
30、酸裂解酶,精氨酸代琥珀酸,COOH,CH,CH,HOOC,+,NH,(CH,2,),3,CH,COOH,NH,2,NH,2,C,NH,NH,(CH,2,),3,CH,COOH,NH,2,NH,2,C,N,COOH,C,H,CH,2,COOH,NH,(CH,2,),3,CH,COOH,NH,2,NH,2,C,N,COOH,C,H,CH,2,COOH,4.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,1.氨甲酰磷酸合成酶,2.鸟
31、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,尿素循环的调节,氨甲酰磷酸合成酶存在于线粒体中，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，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。,高氨血症和氨中毒,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
32、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,（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,ThrGlySer,Ser、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,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,苏氨酸脱水酶,苏氨酸
33、脱氢酶,a酮丁酸,氨基丙酮,2.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,（二）-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,（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,（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,五、生糖氨基酸和生酮氨基酸,凡能形成丙酮酸、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、P
34、ro、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,Metabolism of Individual Amino Acids,一、氨基酸脱羧基作用,脱羧基作用(decarboxylatio
35、n),（一）-氨基丁酸：(-aminobutyric acid,GABA),CO2,GABA是抑制性神经递质，对中枢神经有抑制作用。,（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。,（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,CO2,SAM脱羧酶,CO2,精脒(spermidine),丙胺转移酶,5
36、-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。,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,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,（二）四氢叶酸是一碳单位的载体,F
37、H4的生成,叶酸和四氢叶酸（FH4或THFA）,叶酸,四氢叶酸,H,H,10,5,N5，N10-CH2-FH4,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）,N5CH3FH4,N5、N10CH2FH4,N5、N10=CHFH4,N10CHOFH4,N5CH=NHFH4,一碳单位主要来源于氨基酸代谢,（三）一碳单位与氨基酸代谢,（四）一碳单位的互相转变,N10CHOFH4,N5,N10=CHFH4,N5,N10CH2FH4,N5CH3FH4,N5CH=NHFH4,H+,H2O,NADPH+H+,NADP+,NADH+H+,NAD+,NH3,一碳基团的来源与转变,
38、S-腺苷蛋氨酸,N5-CH3-FH4,N5，N10-CH2-FH4,N5，N10=CH-FH4,N10-CHO-FH4,N5，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,FH4,FH4,FH4,HCOOH,H2O,NAD+,NDAH+H+,NAD+,NDAH+H+,H+,参与嘌呤合成,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,（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,ATP,S腺苷甲硫氨酸(SAM),甲基转移酶,RH,R
39、HCH3,腺苷,SAM,S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,2.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,FH4,N5CH3FH4,N5CH3FH4 转甲基酶,(VitB12),H2O,腺苷,RH,ATP,PPi+Pi,3.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(
40、creatinine)。,+,（二）半胱氨酸与胱氨酸的代谢,1.半胱氨酸与胱氨酸的互变,2,2.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,四、芳香族氨基酸的代谢,（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。,1.儿茶酚胺(catecholamine)与黑色素(melanin)的合成,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)。,2.酪氨酸的分解代谢,体内代谢尿
41、黑酸的酶先天缺陷时，尿黑酸分解受阻，可出现尿黑酸症。,3.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
42、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。,琥珀酰CoA,延胡索酸
43、,草酰乙酸,-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,-磷酸甘油,脂肪酸,脂肪,甘油三酯,乙酰乙酰CoA,酮体,CO2,CO2,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,(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,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
44、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,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。,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
45、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）,氮的来源,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（22）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
46、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,（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,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,1.谷AA脱氢酶（细菌）,NH3 谷AA 其它AA,+NH3+NADH,+NAD+H2O,-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,谷AA合成途径,谷氨酰胺(贮存了氨）可做为NH3的供体将其转移,2.谷氨酰胺合成酶（高等植物的主要途径）,+
47、2H,2,谷AA合酶,+,谷氨酰胺-酮戊二酸 谷氨酸,氨甲酰磷酸合成途径（微生物和动物）,原料：NH3 CO2 ATP,1 氨甲酰激酶,NH3+CO2+ATP,Mg2+,氨甲酰磷酸,2 氨甲酰磷酸合成酶,NH3+CO2+2ATP,Mg2+,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。,返回,氨基酸合成简
48、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,（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,（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-酮戊二酸,-酮戊二酸,Glu为还原同化作用,1.谷氨酸生物合成,谷氨酸合酶,氨的同化中已介绍的通
49、过谷氨酸脱氢酶合成 谷氨酸。通过酮戊二酸和其他氨基酸的转氨反应 合成谷氨酸。,2.谷氨酸和谷氨酰胺合成示意图,3.由酮戊二酸合成脯氨酸,-酮戊二酸 谷氨酸-谷氨酰磷酸,谷氨酸-半醛-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,谷氨酸 N 乙酰谷氨酸 N 乙酰-谷氨酰磷酸,N 乙酰谷氨酸-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,（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
50、也叫天冬氨酸谷氨酸转氨酶,2.天冬酰胺生物合成,天冬酰胺合成酶,天冬酰胺合成酶,哺乳动物中,细菌中,酶的区别在于：催化酰基断裂；对游离氨有高亲和力,3.天冬氨酸族其它氨基酸的合成,ATP,ADP,天冬氨酸激酶,CH2,-,C-O-P=O,CHNH2,COOH,-,-,O=,OH,OH,NADPH+H+,NADP+,天冬氨酸激酶,天冬氨酰磷酸,-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）,-二氨基庚二酸,赖氨酸,CO2,天冬氨酸,（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：
