《蛋白质代谢》课件.ppt

第八章第八章 蛋白质的酶促降解和氨基酸代谢蛋白质的酶促降解和氨基酸代谢山东农业大学山东农业大学 生命科学学院生命科学学院第一节第一节 蛋白质的酶促降解蛋白质的酶促降解第二节第二节 氨基酸的分解与转化氨基酸的分解与转化第三节第三节 氨基酸的生物合成氨基酸的生物合成主要内容主要内容氨基酸的来源和去路氨基酸的来源和去路 一、降解过程一、降解过程第一节第一节 蛋白质的酶促降解蛋白质的酶促降解蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸胨胨肽肽国际生化协会命名委员会将作用于蛋白质国际生化协会命名委员会将作用于蛋白质分子中肽键的酶归属于第三大类（水解酶分子中肽键的酶归属于第三大类（水解酶类）第四亚类，该亚类又分二个亚亚类，类）第四亚类，该亚类又分二个亚亚类，即蛋白酶和肽酶。即蛋白酶和肽酶。二、降解酶二、降解酶（一）肽酶（一）肽酶（肽链外切酶肽链外切酶）u氨肽酶：氨肽酶：专一性地从肽链的氨基端水解肽键专一性地从肽链的氨基端水解肽键u羧肽酶：羧肽酶：专一性地从肽链的羧基端水解肽键专一性地从肽链的羧基端水解肽键二、降解酶二、降解酶 u二肽酶：二肽酶：水解二肽水解二肽氨基酸氨基酸u植物：木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、无植物：木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、无 花果蛋白酶等。花果蛋白酶等。水解肽链内部的肽键。水解肽链内部的肽键。u动物：胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳动物：胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳 蛋白酶等蛋白酶等（二）蛋白酶（肽链内切酶）（二）蛋白酶（肽链内切酶）具有专一性具有专一性的肽链内切酶的肽链内切酶，常用于蛋白质一级结构，常用于蛋白质一级结构测定。测定。u胰蛋白酶：胰蛋白酶：对对C-端为端为Lys或或Arg的肽键水解快。的肽键水解快。u胰凝乳蛋白酶：胰凝乳蛋白酶：对芳香族对芳香族AA羧基形成的肽键，水羧基形成的肽键，水 解速度最快。解速度最快。u胃蛋白酶：胃蛋白酶：芳香族芳香族AA氨基形成的肽键。氨基形成的肽键。消化道内几种蛋白降解酶的专一性消化道内几种蛋白降解酶的专一性蛋白酶的种类及特点蛋白酶的种类及特点蛋白酶的种类及特点蛋白酶的种类及特点三、蛋白质降解的泛肽途径三、蛋白质降解的泛肽途径四、蛋白质降解的意义四、蛋白质降解的意义1 1、形成新组织：用于新蛋白质的合成，进行新陈代、形成新组织：用于新蛋白质的合成，进行新陈代 谢（自我更新）。谢（自我更新）。2 2、及时清除反常蛋白、及时清除反常蛋白3 3、短寿命蛋白的半寿期很短，便于通过基因表达和、短寿命蛋白的半寿期很短，便于通过基因表达和 降解对其含量进行精确、快速的调控。降解对其含量进行精确、快速的调控。4 4、一些蛋白酶为防御机制组成部分、一些蛋白酶为防御机制组成部分5 5、蛋白质前体的裂解加工、蛋白质前体的裂解加工第二节 氨基酸的分解与转化氨基酸的一般代谢途径RCCOOHNH2分解产物的去向分解产物的去向H（一）（一）脱氨基作用脱氨基作用 在酶的催化下，氨基酸脱掉氨基的过程称脱氨在酶的催化下，氨基酸脱掉氨基的过程称脱氨基作用基作用。动物的脱氨基作用主要在肝和肾中进动物的脱氨基作用主要在肝和肾中进行，其主要方式有：行，其主要方式有：1 1、氧化脱氨基作用（普遍存在于动、植物）、氧化脱氨基作用（普遍存在于动、植物）2 2、转氨作用、转氨作用3 3、联合脱氨基作用、联合脱氨基作用4 4、非氧化脱氨、非氧化脱氨5 5、脱酰胺基作用、脱酰胺基作用（一）氧化脱氨基作用（一）氧化脱氨基作用在有氧作用下，氨基酸进行氧化脱氨作用，产物是在有氧作用下，氨基酸进行氧化脱氨作用，产物是-酮酸和氨。酮酸和氨。一、脱氨基作用一、脱氨基作用催化氧化脱氨基的酶：催化氧化脱氨基的酶：（1）L-氨基酸氧化酶：催化氨基酸氧化酶：催化L-AA氧化脱氨基；氧化脱氨基；（2）D-氨基酸氧化酶：催化氨基酸氧化酶：催化D-AA氧化脱氨基；氧化脱氨基；（3）L-谷氨酸脱氢酶（催化氨基酸氧化脱氨的主要酶谷氨酸脱氢酶（催化氨基酸氧化脱氨的主要酶系，属于系，属于L-AA氧化酶）。氧化酶）。该酶存在广泛，活性高，催该酶存在广泛，活性高，催化谷氨酸脱氨脱氢形成化谷氨酸脱氨脱氢形成酮戊二酸。酮戊二酸。转氨基作用是转氨基作用是-氨基酸与氨基酸与-酮酸之间的氨基酮酸之间的氨基的转移作用。的转移作用。（二）转氨基作用（二）转氨基作用要点：要点：反应可逆。反应可逆。体内除体内除Lys、Pro和羟脯氨酸外，大多数和羟脯氨酸外，大多数氨基酸都可进行转氨基作用。氨基酸都可进行转氨基作用。转氨酶均以转氨酶均以磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛为辅酶。磷酸吡为辅酶。磷酸吡哆醛是哆醛是VB6的衍生物。反应中起传递氨的衍生物。反应中起传递氨基的作用。基的作用。体内重要的转氨酶体内重要的转氨酶（三）联合脱氨基作用（三）联合脱氨基作用在在转氨酶转氨酶和和谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶的联合作用下，的联合作用下，使各种氨基酸使各种氨基酸脱下氨基脱下氨基的过程。它是体内的过程。它是体内各种氨基酸脱氨基的主要形式。其逆反应各种氨基酸脱氨基的主要形式。其逆反应也是体内生成非必需氨基酸的途径。也是体内生成非必需氨基酸的途径。Ala+-酮戊二酸酮戊二酸丙酮酸丙酮酸+GluGlu+NAD+H2O-酮戊二酸酮戊二酸+NADH+NH4+Ala+NAD+H2O丙酮酸丙酮酸+NADH+NH4+嘌呤核苷酸循环嘌呤核苷酸循环肌肉中的脱氨基反应肌肉中的脱氨基反应是一种特殊的联合脱是一种特殊的联合脱氨基作用氨基作用（四）（四）非氧化脱氨基非氧化脱氨基主要在微生物中进行。主要在微生物中进行。还原脱氨基还原脱氨基 （严格无氧（严格无氧)脱水脱氨基脱水脱氨基氨基酸氨基酸氢化酶氢化酶2HR-CH2-COOH+NH3 裂解脱氨基裂解脱氨基（五）脱酰胺基作用（五）脱酰胺基作用二、氨基酸的脱羧作用直接脱羧 氨基酸在脱羧酶的催化下，脱去羧基产生二氧化碳和相应的胺的过程，在氨基酸分解代谢中不是主要途径。氨基丁酸氨基丁酸GluGluLysLys尸胺尸胺Arg腐胺腐胺ArgSer乙醇胺乙醇胺Ser羟化脱羧基作用 Tyr 在Tyr 酶催化下发生羟化作用生成3，4二羟苯丙氨酸（多巴），后者进一步脱羧生成3，4二羟苯乙胺（多巴胺）。多巴进一步氧化后形成聚合物黑素。马铃薯、苹果、梨、切开长时间暴露空气变黑，形成黑色素。人体的表皮基底层及毛囊中有成黑素细胞，可将酪氨酸转变为黑素，使皮肤毛发呈黑色（可吸收紫外光）。白化病人：缺酪氨酸酶。三、氨基酸分解产物的去向三、氨基酸分解产物的去向（一）（一）NH3的代谢去路的代谢去路1、重新形成氨基酸3、生成铵盐，保持细胞pH在哺乳动物体内，氨的主要去路是在肝脏中合成尿素并在哺乳动物体内，氨的主要去路是在肝脏中合成尿素并随尿排出体外。在部分植物体内尿素的形成既能解除氨随尿排出体外。在部分植物体内尿素的形成既能解除氨毒，又是氨的一种贮存形式。毒，又是氨的一种贮存形式。5、合成其他含N物质（如形成嘧啶环）生成生成GlnGln和和AsnAsn，一方面是生物体贮藏和运输氨的主要，一方面是生物体贮藏和运输氨的主要形式，也是解除氨毒害的最主要途径。另一方面还可形式，也是解除氨毒害的最主要途径。另一方面还可作为蛋白质合成的原料。作为蛋白质合成的原料。2、形成酰胺（消除NH3毒害，贮存NH3）4、生成尿素尿素的生成尿素的生成 尿素是哺乳动物利用尿素是哺乳动物利用NH3、CO2和和H2O在肝脏在肝脏中经中经鸟氨酸循环鸟氨酸循环途径合成的无毒物质，它可随途径合成的无毒物质，它可随尿排除体外，是动物体清除氨的重要方式。尿排除体外，是动物体清除氨的重要方式。分以下分以下4个步骤：个步骤：（1）氨甲酰磷酸的生成）氨甲酰磷酸的生成 （2）瓜氨酸的生成）瓜氨酸的生成 （3）精氨酸的生成）精氨酸的生成 （4）精氨酸的水解）精氨酸的水解 鸟氨酸循环的详细步骤鸟氨酸循环的详细步骤1.线粒体内的反应步骤线粒体内的反应步骤两步反应均两步反应均不可逆不可逆；氨甲酰磷酸合成酶氨甲酰磷酸合成酶-(carbamoyl phos-phate synthetase，CPS-)为变构酶，为变构酶，N-乙酰谷氨酸（乙酰谷氨酸（N-AGA）为此酶的变构激）为此酶的变构激活剂；活剂；此阶段此阶段消耗消耗2个个ATP；2.胞液内反应步骤胞液内反应步骤总反应式：总反应式：NH3+CO2+3ATP+Asp+2H2O尿素尿素+2ADP+2Pi+AMP+PPi+延胡索酸延胡索酸 天冬氨酸的再生天冬氨酸的再生鸟氨酸循环要点鸟氨酸循环要点尿素分子中的氮，一个来自氨甲酰磷酸尿素分子中的氮，一个来自氨甲酰磷酸（或游离的（或游离的NH3），另一个来自），另一个来自Asp；每合成每合成1分子尿素需消耗分子尿素需消耗4个个P；循环中消耗的循环中消耗的Asp可通过延胡索酸转变为可通过延胡索酸转变为草酰乙酸，再通过转氨基作用，从其他草酰乙酸，再通过转氨基作用，从其他-氨基酸获得氨基而再生；氨基酸获得氨基而再生；精氨酸代琥珀酸合成酶（精氨酸代琥珀酸合成酶（ASS）为尿素合）为尿素合成的限速酶。成的限速酶。（二）-酮酸的代谢去向形成新的氨基酸参加TCA，分解供能转变成糖和脂类 生糖氨基酸：凡能生成丙酮酸、琥珀酸、凡能生成丙酮酸、琥珀酸、草酰乙酸和草酰乙酸和-酮戊二酸的酮戊二酸的AA，有，有1种种。生酮氨基酸：凡能生成乙酰乙酸、乙酰凡能生成乙酰乙酸、乙酰CoA的的AA，有，有Leu和和Lys。生糖兼生酮氨基酸：既能转变成糖也能转既能转变成糖也能转变成酮体的氨基酸变成酮体的氨基酸，有，有Ile、Thr、Phe、Tyr、Trp。氨基酸碳骨架进入三羧酸循环的途径氨基酸碳骨架进入三羧酸循环的途径第三节 氨基酸的生物合成合成原料：NH3、H2S、C 架。NH3H2SC架生物合成氨基酸一、氨的来源氮素循环植物：生物固氮 NO3-N 还原 含N 有机物分解动物：主要来源是含氮有机物的分解，如AA 的脱氨基作用，此外嘌呤、嘧啶的分解也生成氨。（一）生物固氮是氨的重要来源，自然界每年生物固氮量2 亿吨，远远超过工业固氮。生物固氮：部分微生物通过自身的固氮酶复合物把分子氮变成氨的过程。具有这种固氮性能的微生物，则称为固氮微生物。只有一部分微生物能进行生物固氮，动、植物和大多数微生物都不能进行生物固氮。为什么？1.生物固氮原理 N2+16ATP+8e+8H+2NH3+H2+16ADP+Pi固氮酶复合物N2+6e+6H+2NH3N2+8e+8H+2NH3+H2 呼吸链光合链还原酶oxFdredFdox还原酶red2ADPPi2ATP固氮酶ox固氮酶redN28Heee2NH3H2重复8次固氮酶复合物铁蛋白（还原酶）钼铁蛋白（固氮酶）铁蛋白：电子供体与钼铁蛋白之间的电子传递体。能提供高还原能力的电子。钼铁蛋白：利用铁蛋白传来的电子还原N2 或 其它底物形成NH3等还原物。固氮条件：还原剂 铁氧还蛋白（Fd）黄素氧还蛋白(Fld)、NADPH ATP 厌氧条件*自生固氮微生物对植物没有依存关系，能够独立进行固氮。2.固氮生物的的类型自养共生固氮微生物必须与其它生物共生在一起时才能固氮，且与其它生物共生时具有专一性。根瘤菌属中的每一种细菌都与某几种豆科植物专一地对应，每一种根瘤菌只和与其有专一性对应的几种豆科植物建立共生关系而形成根瘤，不与其他种类的植物共生形成根瘤。?豆科植物的根毛能够分泌一种特殊的蛋白质，根瘤菌细胞的表面存在着多糖物质，只有同族豆科植物根毛分泌的蛋白质与同族根瘤菌细胞表面的多糖物质才能产生特异性结合。豆血红蛋白起着降低氧浓度的能力。3、固氮过程中的氢代谢（氢代谢有益于生物 固氮）固氮生物种催化氢代谢的酶：固氮酶 可逆性氢酶 单向性氢酶（吸氢酶）氢代谢的意义：有益于生物固氮 H2 氧化生成ATP，用于固氮。吸氢酶催化的羟化反应消耗大量O2，从而保护固氮酶系统免受O2 的破坏 吸氢酶防止H2 的积累，避免H2对固氮酶的抑制 H2的利用可间接产生还原力。植物体所需要的氮素营养除了生物固氮外，绝大部分来自土壤中的氮素。（二）NO3-N 还原土壤中的氮素硝态氮（NO3）氨态氮（NH4）有机氮（尿素、aa等）无机氮植物最易吸收的是土壤中的NO3，但硝态氮并不能直接被植物体利用来合成各种aa和其它有机氮化合物，必须在硝酸还原酶和亚硝酸还原酶的作用形成氨态氮。1、硝酸还原酶 诱导酶，环境中须有NO3-，需光照条件。根据反应中电子供体不同又分为：铁氧还蛋白-硝酸还原酶NAD（P）H硝酸还原酶NO3-+2Fdred+2H+NO2-+2Fdox+H2ONO3-+NAD(P)H+H+NO2-+NAD(P)+H2O2、亚硝酸还原酶正常情况下，NO2-在植物细胞内很少积累，很快在亚硝酸还原酶催化下，进一步还原成氨。亚硝酸还原酶存在于绿色组织的叶绿体中。电子供体：Fd（铁氧还蛋白）NAD（P）HNO2-+7H+6eNH3+2H2O（三）含氮有机物的分解主要指蛋白质分解，少量的抗生素、维生素、核酸分解。二、二、S的来源的来源细胞、藻类、高等植物能吸收细胞、藻类、高等植物能吸收SO42-在体内还原成在体内还原成H2S，用于含硫氨基酸的合成。用于含硫氨基酸的合成。（一）硫酸离子的活化（分两步）（一）硫酸离子的活化（分两步）第一步是硫酸离子在第一步是硫酸离子在ATPATP硫酸化酶催化下与硫酸化酶催化下与ATP ATP 反应，生成反应，生成腺苷酰硫酸（腺苷酰硫酸（APSAPS）第二步，第二步，APSAPS在相应的激酶催化下，在在相应的激酶催化下，在3-3-位形成磷酸酯，即位形成磷酸酯，即磷磷酸腺苷酰硫酸（酸腺苷酰硫酸（PAPSPAPS）。）。（二）还原载体 SH载体SHSH然后还原APS或或PAPS将其磺酰基转移给一个含将其磺酰基转移给一个含巯基巯基的的载体，再被铁氧还蛋白还原产生载体，再被铁氧还蛋白还原产生H2S，即可用，即可用于合成半胱氨酸。于合成半胱氨酸。三、C 架的来源糖酵解三羧酸循环PPP 途径光呼吸等代谢途径的中间产物。四、氨基酸的合成（一）氨的同化（二）转氨基作用（三）各族氨基酸的合成（一）氨的同化（酮酸氨基化）在氮素循环中，生物固氮和硝酸盐还原形成了无机态NH3，进一步NH3便被同化成含氮有机化合物，这一过程叫做氨的同化。1、谷氨酸合成2、氨甲酰磷酸合成 1、谷氨酸合成途径谷氨酸NH3GlnGln合成酶ATPADPGln 酮戊二酸2GluGlu合酶NADPHHNADPu现有试验证明，谷氨酸的合成，主要通过谷氨酰现有试验证明，谷氨酸的合成，主要通过谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶这条双酶途径催化的。胺合成酶和谷氨酸合酶这条双酶途径催化的。（1 1）谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶催化合成）谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶催化合成（2 2）谷氨酸脱氢酶催化的反应（非主要途径）谷氨酸脱氢酶催化的反应（非主要途径）-酮戊二酸酮戊二酸谷氨酸谷氨酸2 2、氨甲酰磷酸的形成、氨甲酰磷酸的形成有二种酶能催化有二种酶能催化 NH3、CO2、ATP共同合共同合成氨甲酰磷酸。成氨甲酰磷酸。在转氨酶的作用下，谷氨酸的氨基转给其它-酮酸，形成相应的氨基酸。转氨酶催化可逆反应，既在氨基酸分解代谢起作用，也在氨基酸合成代谢中起作用。（二）转氨基作用（二）转氨基作用谷氨酸为氨基的转换站谷氨酸为氨基的转换站（三）各族氨基酸的合成1、谷氨酸族（Glu、Gln、Pro、Arg）2、丝氨酸族（Ser、Gly、Gys）3、天冬氨酸族（Asp Asn Lys Ile Thr Met）4、丙氨酸族（Ala、Val、Leu）5、His 和芳香氨基酸族（His Tyr Phe Trp）1、丙氨酸族、丙氨酸族（Ala Val Leu）C架：丙酮酸（来自架：丙酮酸（来自EMP途径）途径）2、丝氨酸族（、丝氨酸族（Ser、Gly、Gys）C C架：架：3-3-磷酸甘油酸（来自磷酸甘油酸（来自EMPEMP及光合碳循环）；及光合碳循环）；乙醛酸（来自光呼吸乙醇酸途径）。乙醛酸（来自光呼吸乙醇酸途径）。3、谷氨酸族（、谷氨酸族（Glu、Gln、Pro、Arg）C架：架：-酮戊二酸（来自酮戊二酸（来自TCA循环）循环）C架：草酰乙酸（来自架：草酰乙酸（来自TCA循环）循环）4、天冬氨酸族（、天冬氨酸族（Asp、Asn、Lys、Ile、Thr、Met）5、组氨酸和芳香氨基酸族（、组氨酸和芳香氨基酸族（His、Tyr、Phe、Trp）芳香氨基酸芳香氨基酸 C架：架：PEP（来自（来自EMP途径）途径）及及E-4-P（来自（来自PPP途径）途径）His C架：架：R-5-P（来自（来自PPP途径）途径）各种氨基酸合成的各种氨基酸合成的C C架来源总结架来源总结氨基酸合成过程示意图氨基酸合成过程示意图氨基酸合成过程示意图氨基酸合成过程示意图一碳基团代谢概念：在代谢过程中，某些化合物可以分解产生具有一个碳原子的基团，称为“一碳基团”或“一碳单位”。但不包括CO2与CH4的代谢。辅酶：FH4（四氢叶酸）一碳转移过程中起辅酶作用。一碳基团形式 1）亚氨甲基（-CH=NH）2）甲酰基（-CHO）3）羟甲基（-CH2OH）4）亚甲基（-CH2-）5）甲炔基或次甲基（-CH=）6）甲基（-CH3）一碳基团的的载体一碳基团的的载体 一碳基团的来源及相互转变一碳基团的来源及相互转变 一碳基团的来源一碳基团的来源 甘氨酸、苏氨酸、丝氨酸、组氨酸、色氨酸及甘氨酸、苏氨酸、丝氨酸、组氨酸、色氨酸及蛋氨酸都可作为一碳单位的直接来源。蛋氨酸都可作为一碳单位的直接来源。一碳基团的相互转变一碳基团的相互转变u一碳基团的转移与许多氨基酸代谢有直接关系。一碳基团的转移与许多氨基酸代谢有直接关系。一碳基团代谢的生物学意义一碳基团代谢的生物学意义例：肌酸、卵磷脂、例：肌酸、卵磷脂、S-S-腺苷蛋（甲硫）氨酸（腺苷蛋（甲硫）氨酸（SAMSAM）等）等的生物合成，都和一碳基团的转移有关。这些化合物的生物合成，都和一碳基团的转移有关。这些化合物中都含有活性甲基。中都含有活性甲基。u参与生物体内许多活性物质的生物合成参与生物体内许多活性物质的生物合成u参与嘌呤和胸腺嘧啶的生物合成参与嘌呤和胸腺嘧啶的生物合成例例GlyGly、SerSer、ThrThr、HisHis等都可作为一碳基团的供体。等都可作为一碳基团的供体。