生物化学第九章蛋白质的酶促降解和氨基酸的代谢.ppt

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1、第九章 蛋白质的酶促降解和氨基酸代谢,第一节 蛋白质的酶促降解第二节 氨基酸的分解与转化第三节 氮素循环 第四节 生物固氮的生物化学第五节 硝酸还原作用第六节 氨的同化第七节 氨基酸的生物合成,第一节 蛋白质的酶促降解,蛋白质的降解是指蛋白质在酶的作用下使肽键发生水解生成氨基酸的过程。一、蛋白水解酶1.肽链内切酶和外切酶（作用特点）肽链内切酶又称蛋白酶，水解肽链内部的肽键，对参与形成肽键的氨基酸残基有一定的专一性。肽链外切酶包括氨肽酶和羧肽酶，分别从氨基端和羧基端逐一地将肽链水解成氨基酸。,2.蛋白酶的种类和专一性（结构特征）,编号 名 称 作用特征 实例,3、4、2、1,3、4、2、2,丝氨

2、酸蛋白酶类,(serine pritelnase),活性中心含Ser,3、4、2、3,3、4、2、4,半胱氨酸蛋白酶类,(Thiol pritelnase),活性中心含Cys,天冬氨酸蛋白酶类,carboxyl(asid)pritelnase,活性中心含Asp,最适pH在5以下,金属蛋白酶类,(metallopritelnase),活性中心含有Zn2+、Mg2+等金属,胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶凝血酶,木瓜蛋白酶无花果蛋白酶菠萝酶,胃蛋白酶凝乳酶,枯草杆菌蛋白酶嗜热菌蛋白酶,3.消化道内几种蛋白酶的专一性,二、细胞内蛋白质降解,1.细胞内蛋白质降解的意义基因突变、生物合成误差、自发变性、自由基破坏以

3、及环境胁迫和疾病均可导致反常蛋白的产生，其中有些可以重新恢复成正常蛋白。短寿命蛋白虽然不到总蛋白的10，但却包括许多代谢途径的限速酶，控制细胞周期和细胞分化、细胞增殖的蛋白质，调节基因表达的转录因子等，具有十分重要的生理功能。由于它们的半寿期很短，便于通过基因表达和降解对其含量进行精确、快速的调控。另外，生长发育及细胞分化过程中代谢途径的改变，也涉及到酶蛋白的降解。维持体内氨基酸代谢库。防御机制组成部分。蛋白质前体的裂解加工。另外，为了有效地利用转基因技术生产有价值的蛋白质，也需要了解细胞内蛋白质降解机制，以免这些外来蛋白被转基因生物破坏。,2.胞内蛋白质降解系统参与细胞内蛋白质降解的蛋白酶大

4、致可分为两类：一类是相对分子质量较小、专一性较低、催化过程不需要ATP的蛋白酶和肽酶；另一类是高分子量的多酶复合物，对底物蛋白有高度选择性，催化蛋白质水解不仅需消耗ATP而且受到严密的调控。,细胞质内有两个最重要的蛋白质降解系统：溶酶体系统包括多种在酸性pH下活化的小分子量蛋白酶，因此又称为酸性系统，主要水解长寿命蛋白质和外来蛋白；泛肽系统则在pH7.2的胞液中起作用，因此又称为碱性系统，主要水解短寿命蛋白和反常蛋白。,3.蛋白质降解的泛肽途径,E1-SH,E1-SH,E2-SH,E2-SH,ATP AMP+PPi,E3,多泛肽化蛋白,ATP,26S蛋白酶体,20S蛋白酶体,ATP,19S调节

5、亚基,去折叠,水解,E1：泛肽激活酶 E2：泛肽载体蛋白 E3：泛肽-蛋白质连接酶,泛肽,第二节 氨基酸的分解与转化,一、氨基酸的来源与去路二、氨基酸的脱氨基作用三、氨基酸的脱羧基作用四、氨基酸降解产物的去向五、由氨基酸衍生的其他化合物,一、氨基酸的来源和去路,二、氨基酸的脱氨基作用,4、非氧化脱氨基作用5、脱酰胺基作用,1、氧化脱氨基作用,2、转氨基作用,3、联合脱氨基作用,1、氧化脱氨基作用,氨基酸在酶的催化下脱去氨基生成相应的-酮酸的过程称为氧化脱氨基作用。主要有以下两种类型：,谷氨酸,-酮戊二酸,2、转氨基作用,转氨酶（辅酶：磷酸吡哆醛）,在转氨酶的催化下，-氨基酸的氨基转移到-酮酸的

6、酮基碳原子上，结果原来的-氨基酸生成相应的-酮酸，而原来的-酮酸则形成了相应的-氨基酸，这种作用称为转氨基作用或氨基移换作用。,要点：反应可逆。体内除Lys、Gly、Thr、Pro和羟脯氨酸外，大多数氨基酸都可进行转氨基作用。转氨酶均以磷酸吡哆醛为辅酶。磷酸吡哆醛是VB6的衍生物。反应中起传递氨基的作用。,谷丙转氨酶和谷草转氨酶,谷丙转氨酶（GPT）,谷草转氨酶(GOT),磷酸吡哆醛的作用机理,3、联合脱氨基作用,（1）概念,（2）类型,a、转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶作用相偶联,b、转氨基作用与嘌呤核苷酸循环相偶联,转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶作用相偶联,转氨酶,L-谷氨酸脱氢酶,H20+NAD(P

7、)+,NH3+NAD(P)H,-酮酸,-氨基酸,-酮戊二酸,L-谷氨酸,转氨基作用与嘌呤核苷酸循环相偶联,4、非氧化脱氨基作用,（1）还原脱氨基作用,（2）脱水脱氨基作用(脱水酶以磷酸吡哆醛为辅酶)（3）由解氨酶催化的脱氨基作用（光照可激活酶）,5.脱酰胺基作用,三、氨基酸的脱羧基作用,1、概念,直接脱羧基作用,羟化脱羧基作用,酪氨酸酶是一种含铜酶。多巴进一步氧化后形成聚合物黑素。在植物体内，由多巴和多巴胺可形成生物碱。,四、氨基酸降解产物的去向,（一）氨的代谢转变（二）鸟氨酸循环（尿素循环）（三）-酮酸的代谢转变,（一）、氨的代谢转变,1、重新生成氨基酸 虽然通过脱氨基作用产生的氨再用来合成

8、氨基酸时并不能增加氨基酸的数量，但却能改变氨基酸的种类。2、谷氨酰胺和天冬酰氨的生成 生成酰胺的形式既是生物体贮藏和运输氨的主要方式，也是解除氨毒的一条主要途径。3.生成铵盐 保持细胞内正常的PH,（二）、尿 素 循 环,（1）概念,（2）总反应和过程,鸟氨酸循环,氨基酸,谷氨酸,谷氨酸,氨甲酰磷酸,鸟氨酸,瓜氨酸,瓜氨酸,精氨琥珀酸,鸟氨酸,精氨酸,延胡索酸,草酰乙酸,氨基酸,谷氨酸,-酮戊二酸,天冬氨酸,ATP,AMP+PPi,H2O,2ATP+CO2+NH3+H2O,2ADP+2Pi,基质,线粒体,胞液,尿素,尿素循环,氨基酸,谷氨酸,谷氨酸,氨甲酰磷酸,鸟氨酸,瓜氨酸,瓜氨酸,精氨琥珀

9、酸,鸟氨酸,精氨酸,延胡索酸,草酰乙酸,氨基酸,谷氨酸,-酮戊二酸,天冬氨酸,2ADP+Pi,2ATP+CO2+NH3+H2O,1,细胞溶液,线粒体,尿素,-酮戊二酸,-酮戊二酸,2,3,4,5,植物体含有脲酶，尤其是在豆科植物种子中脲酶活性较大，能专一地催化尿素水解并放出氨，反应式如下：,（三）、氨基酸碳骨架的转化途径,1、再氨基化生成氨基酸,2、转变成糖或脂肪生糖氨基酸可降解为：丙酮酸、草酰乙酸、-酮戊二酸、琥珀酰CoA和延胡索酸等糖代谢中间物。生酮氨基酸，在体内能转变为酮体经脂肪酸途径代谢,其分解产物为乙酰coA或乙酰乙酸。纯粹生酮：亮氨酸既生酮也生糖：异亮氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、色氨酸

10、和酪氨酸纯粹生糖：其它14种氨基酸的。,3、氧化供能生成CO2和H2O,氨基酸碳骨架进入三羧酸循环的途径,草酰乙酸,磷酸烯醇式丙酮酸,-酮戊二酸,天冬氨酸天冬酰氨,丙酮酸,延胡索酸,琥珀酰CoA,乙酰CoA,乙酰乙酰CoA,苯丙氨酸酪氨酸亮氨酸赖氨酸色氨酸,丙氨酸苏氨酸甘氨酸丝氨酸半胱氨酸,谷氨酸谷氨酰胺精氨酸组氨酸脯氨酸,异亮氨酸亮氨酸缬氨酸,苯丙氨酸酪氨酸,异亮氨酸甲硫氨酸缬氨酸,葡萄糖,柠檬酸,琥珀酰CoA,延胡索酸,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

11、脂肪代谢的联系,T A C,五、由氨基酸衍生的其他化合物,1、多胺 多胺是生物体在代谢过程中产生的具有生物活性的低分子量的脂肪含氮碱。多胺的功能：多胺的积累可增加细胞间渗透物质浓度，调节水分丢失：腐胺可作为细胞pH缓冲剂，也可能有助于H+或其它阳离子通过质膜；更重要的是多胺可抑制RNase和蛋白酶活性，这两种酶与各种胁迫对细胞引起的伤害与衰老有密切关系。因此，多胺能保护质膜和原生质免于自发的或外界伤害引起的分解破坏。,2、生氰糖苷 生氰糖苷是植物特有的含N化合物，其是-羟基腈的碳水化合物的衍生物，也叫氰醇的糖苷。,许多植物都能合成产生氢氰酸的生氰糖苷。在活植物中，由于这种生氰糖苷和能催化它们水

12、解的酶在空间上被分隔开来所以，对植物并无毒害作用。,3、生物碱 生物碱是一类碱性的植物次生代谢产物，很多有药理作用。真生物碱：具有含氮杂环的生物碱 原生物碱：没有含氮杂环的生物碱。绝大多数生物碱的生物合成前体物质是氨基酸。生物碱的功能：1.植物体内的生物碱能作为防止它种生物危害的保护剂或威慑剂，从而具有重要的生态学功能。2.它可以作为生长调节剂，特别是作为种子萌发的抑制剂；3.由于生物碱大都具有螯合能力，在细胞内可帮助维持离子平衡；4.生物碱能作为植物的含氮分泌物；5.它们可作为植物体内贮存氮的化合物。,4、由氨基酸衍生的植物激素和动物激素 高等植物体内由氨基酸衍生的植物激素主要是生长素类和乙

13、烯。高等动物激素多数为多肽和蛋白质类，但有一些由氨基酸衍生来。,5、由氨基酸衍生的辅酶 生物体内的许多辅酶或辅基都具有核苷酸和含氮杂环的分子结构。这些核苷酸和含氮杂环又大都由氨基酸衍生或作为前体物质合成。6、卟啉类色素的生成 生物体内重要的卟啉衍生物是与铁或镁螯合形成的金属卟啉。铁卟啉类色素生物合成的前体物质是甘氨酸和琥珀酰辅酶A。镁卟啉类合成的前体是谷氨酸。,7、木质素的生物合成 木质素是一类化合物的集合名称，并不是一种特定的物质。木质素的结构单位香豆醇、松柏醇和芥子醇等，其常以糖苷形式储存，一旦需要合成木质素，它们便从糖苷中释放出来自发地进行聚合反应以形成木质素分子。由于这种聚合过程不是酶

14、促反应，各种游离基的聚合又是随机的，这就使得木质素分子的结构非常复杂。8、儿茶酚类和黑色素植物体内的酚类化合物包括简单的酚、酚酸、酚丙烷、丹宁、木脂素、黑色素类和木质素。常见的酚有对羟基醌、儿茶酚、间苯三酚等。动物体内的黑素，一般称为真黑素，因为动物黑素含有氮，而植物体的儿茶酚黑素不含氮。动物黑素是由酪氨酸的衍生物吲哚5，6醌聚合形成的。,第三节 自然界的氮素循环,硝酸盐,亚硝酸,NH3,生物固氮,工业固氮,固氮生物,动植物,硝酸盐还原,大气固氮,大气氮素,岩浆源的固定氮,火成岩,反硝化作用,氧化亚氮,蛋白质,入地下水,动植物废物死的有机体,第四节 生物固氮的生物化学,一、生物固氮的概念 生物

15、固氮是微生物、藻类和与高等植物共生的微生物通过自身的固氮酶复合物把分子氮变成氨的过程。自然界通过生物固氮的量且可达每年1011kg，约占地球上的固氮量的60，闪电和紫外辐射固定氮约15，其余为工业固氮。,6e-,二、固氮生物的类型 1自生固氮微生物是指独立生活时能使气态氮固定为NH3的少数微生物。它们固氮有两种方式：第一种方式是利用光能还原氮气。如鱼腥藻、念球藻，固氮过程与还原CO2类似。蓝藻固氮是在异型细胞里进行，因为固氮过程要求无氧条件。另一些微生物如红螺菌、红色极毛杆菌、绿杆菌等也能利用光能从硫、硫化物、氢或有机物取得电子进行固氮。第二种方式是利用化学能固氮。如好气性固氮菌、贝氏固氮菌及

16、厌气的巴斯德梭菌和克氏杆菌等。,2 共生固氮微生物 如与豆科植物共生固氮的根瘤菌，其专一性强，不同的菌株只能感染一定的植物，形成共生的根瘤。在根瘤中植物为固氮菌提供碳源，而细菌利用植物提供的能源固氮，为植物提供氮源，形成一个很好的互利共生体系。,三、固氮酶复合物 生物固氮过程由固氮酶复合物完成。1.固氮酶复合物由两种蛋白组分构成：还原酶，它提供具有高还原势的电子；二聚体、含Fe和S，形成Fe4S4簇 固氮酶，它利用还原酶提供的高能电子还原N2成NH4+。四聚体（22），含Mo、Fe和S,2.作用机理：3.生物固氮的总反应式：,四、生物固氮所需的条件充分的ATP供应。豌豆根系固氮细菌消耗植株AT

17、P产量的近五分之一；需要很强的还原剂。高还原势电子来自还原型铁氧还蛋白，其是光合链的电子载体。铁氧还蛋白的再生或来自光合作用，或来自氧化过程；需要厌氧环境，固氮酶对氧十分敏感，只有在严格的厌氧条件下才能固氮。豆红蛋白,五、固氮过程的氢代谢 1固氮酶的放氢反应 固氮的同时还原氢，这一反应需要ATP，CO不能抑制。2氢酶的放氢反应 氢酶也是一种铁硫蛋白，这一反应不需要ATP，受CO抑制。3.吸氢酶催化H2的氧化作用 产物为H2O并伴有ATP生成，反应受KCN抑制。,第五节 硝酸还原作用,硝酸还原作用的化学本质植物体内由硝酸还原成氨的总反应式如下:,一、硝酸还原酶（硝酸盐和光照可诱导其活性）,a、铁

18、氧还蛋白硝酸还原酶,b、NAD(P)H-硝酸还原酶,+,+,+,+,+,+,+,+,二、亚硝酸还原酶,2H2O,a、铁氧还蛋白亚硝酸还原酶,NO-2,+,6Fd还原态,+,8H+,NH+4,+,6Fd氧化态,+,2H2O,b、NAD(P)H亚硝酸还原酶,NO-2,+,3NAD(P)H+,+,NH+4,+,3NAD(P)+,+,5H+,调控：光照对亚硝酸还原有促进作用 当植物缺铁时，亚硝酸的还原即受阻。亚硝酸还原时需要氧，因而在厌氧条件下，亚硝酸的还原会受到阻碍。,第六节 氨的同化,一、谷氨酸合成1.谷氨酰胺合成酶 谷氨酰胺合成酶催化谷氨酸和氨反应形成谷氨酰胺，此酶对NH3有高亲和性，完成反应还

19、需ATP水解提供的能量。形成谷氨酰胺既是氨同化的一种方式，又可消除过高氨浓度带来的毒害，还可作为氨的供体，用于谷氨酸的合成。可见，在谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶的共同作用下，可由一分子氨和一分子酮戊二酸净合成一分子谷氨酸。,2、谷氨酸脱氢酶 谷氨酸脱氢酶存在于所有生物体内但对氨同化来说，谷氨酸脱氢酶的作用不甚重要，它主要参与氨基酸的降解代谢。,二、氨甲酰磷酸 同化氨的另一途径是氨甲酰磷酸的形成。在植物体内，氨甲酰磷酸中的氨基来自谷氨酰胺而不是氨。氨甲酰激酶催化的反应：氨甲酰磷酸合成酶催化的反应：,第七节 氨基酸的生物合成,一、氨基酸的合成与转氨基作用,二、各族氨基酸的合成1.丙氨酸族：包括丙氨酸

20、、缬氨酸和亮氨酸，碳架来源于丙酮酸。,2.丝氨酸族：包括丝氨酸、甘氨酸和半胱氨酸。a.,b.,（3-磷酸甘油酸）,由丝氨酸转变成半胱氨酸,硫酸盐还原中间物,3.谷氨酸类：包括谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸和精氨酸。碳架来源于-酮戊二酸。a.脯氨酸的合成：,b.精氨酸的合成（1）,b.精氨酸的合成（2）,这一族几种氨基酸的合成关系如下：,4.天冬氨酸族：包括天冬氨酸、天冬酰胺、赖氨酸、苏氨酸、异亮氨酸和蛋氨酸。碳架来自草酰乙酸或延胡索酸。a.天冬氨酸的合成,b.天冬酰胺的合成,c.赖氨酸的合成,d.苏氨酸的合成,e.异亮氨酸的合成,f.蛋氨酸的合成,这一族氨基酸生物合成的关系简单表示如下：,5.组氨酸

21、和芳香氨基酸族：包括组氨酸、酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸。碳架主要来自磷酸戊糖途径的中间产物核糖-5-磷酸。a.组氨酸的合成,5-磷酸核糖-AMP,5-磷酸核糖-ATP,磷酸核糖亚氨甲基咪唑核苷酸,磷酸核酮糖亚氨甲基咪唑核苷酸,咪唑磷酸甘油,咪唑磷酸丙酮糖,L-组氨酸,5-磷酸核糖-1-焦磷酸,b.芳香族氨基酸的合成途径,各种氢基酸生物合成及其相互关系,小 结,1 蛋白质的酶促降解1）蛋白水解酶2）食物中蛋白质的消化吸收3）细胞内蛋白质降解2 氨基酸的分解与转化1）脱氨基作用2）脱羧基作用3）氨基酸分解产物的去向4）由氨基酸衍生的含氮化合物,3 氮素循环4 生物固氮的生物化学1）生物固氮概念2）固

22、氮生物的类型 自生固氮微生物，共生固氮生物3）固氮酶复合物4）固氮所需的条件5）固氮过程的氢代谢：固氮酶放氢、氢酶放氢、吸氢酶催化的H2氧化作用。,5 硝酸还原作用1）硝酸还原酶：铁氧还蛋白-硝酸还原酶，NAD(P)H-硝酸还原酶，硝酸还原酶是诱导酶。2）亚硝酸还原酶6 氨的同化1）谷氨酸合成:谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合酶、谷氨酸脱氢酶。2）氨甲酰磷酸的形成7 氨基酸的生物合成1）氨基酸合成与转氨基作用2）各族氨基酸合成 丙氨酸族；丝氨酸族；谷氨酸族；天冬氨酸族；组氨酸和芳香氨基酸族。,习 题,1 酶促降解蛋白质的酶有哪几类？它们的作用特点如何？2 氨基酸脱氨后和-酮酸各有哪些主要的去路？生物固氮 氧化脱氨基作用 转氨作用 酰胺化作用 必需氨基酸,