江南大学801生物化学课件总结8蛋白质的降解与氨基酸代谢.docx

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江南大学801生物化学课件总结8蛋白质的降解与氨基酸代谢

第九章蛋白质的降解与氨基酸代谢

※固氮菌：

以N2合成蛋白质

※植物和多数微生物：

以无机氮合成蛋白质

※人、动物和少数微生物：

以有机氮合成蛋白质

第一节蛋白质的降解

一、溶酶体对蛋白质的降解作用（特点）

①无选择性：

溶酶体含有不同种类的蛋白质水解酶，统称为组织蛋白酶。

它们对蛋白质的水解无选择性。

因此所有蛋白在溶酶体内的降解速率相同。

②酶的最适pH一般为5：

溶酶体pH为5，酶的最适pH一般为5，因此溶酶体偶然泄漏或破裂不影响细胞。

③通过自体吞噬和胞吞途径起作用

二、泛肽参与的蛋白质降解

①条件：

需要泛肽（ubiquitin）参与的蛋白质降解过程，也需要ATP的供给，在无氧条件下这种过程受到抑制。

②过程：

泛肽参与的蛋白质降解过程包括两步

1、泛肽对蛋白质进行标记

1）泛肽的活化：

在ATP驱动下，泛肽活化酶催化泛肽的羧基端与泛肽活化酶的巯基偶联。

Ubiquitin+E1-SH+ATP→U-S-E1+AMP+PPi

2）泛肽的组装：

泛肽携带蛋白取代泛肽活化酶使泛肽得以组装成U-S-E2.

3）泛肽对靶蛋白的标记：

在泛肽蛋白质连接酶（E3）催化下，泛肽携带蛋白上的泛肽与靶蛋白上Lys残基的

ε-氨基偶联

2、泛肽标记蛋白发生降解：

标记蛋白在UCDEN（依赖泛肽的蛋白质水解酶）复合体催化下水解。

③图示：

三、外源蛋白质的酶促水解

1、胃的消化作用：

食物使胃分泌胃泌素、刺激分泌盐酸，导致胃蛋白酶原自体催化形成胃蛋白酶。

胃蛋白酶水解食物蛋白质为多肽、寡肽及少量氨基酸。

2、肠的消化作用

①胃液进入小肠，刺激分泌促胰液肽进入血液，进而刺激胰腺分泌碳酸，进入小肠中和胃酸。

氨基酸刺激十二指肠分泌胰蛋白酶、糜蛋白酶、羧肽酶、氨肽酶，肠中还有弹性蛋白酶。

②肽链外切酶，如羧肽酶A.羧肽酶B.氨基肽酶.二肽酶等和肽链内切酶，如胰蛋白酶.糜蛋白酶.弹性蛋白酶等

③蛋白质在肠中完全水解为氨基酸。

3、氨基酸的吸收

①主要在小肠进行，是一种主动转运过程，需由特殊载体携带。

②转运氨基酸进入细胞时，同时转运入Na+。

③此外，也可经γ-谷氨酰循环进行。

需由γ-谷氨酰基转移酶催化，利用GSH，合成γ-谷氨酰氨基酸进行转运。

消耗的GSH可重新再合成。

四、蛋白酶类

1、蛋白酶种类

①定义：

蛋白酶是催化蛋白质类化合物中肽键水解的酶。

②分类

⑴按其来源分为：

动物蛋白酶、植物蛋白酶和微生物蛋白酶

⑵按其催化作用的位点分为

内肽酶：

水解蛋白质内部肽键→生成短肽

外肽酶（端肽酶）：

水解蛋白质末端肽键

氨肽酶：

从N-末端水解

羧肽酶：

从C-末端水解羧肽酶A：

C-端为中性氨基酸

羧肽酶B：

C-端为Arg.，Lys

二肽酶：

水解二肽中肽键

⑶按其作用的最适pH分为：

碱性蛋白酶、中性蛋白酶和酸性蛋白酶

③具体酶的介绍：

1）丝氨酸蛋白酶（Serineprotease）

⑴Serineproteasesincludedigestiveenzymestrypsin,chymotrypsin,&elastase.

⑵Differentserineproteasesdifferinsubstratespecificity.Forexample:

（1）Chymotrypsinprefersanaromaticsidechainontheresiduewhosecarbonylcarbonispartofthepeptidebondto

becleaved.

（2）TrypsinprefersapositivelychargedLysorArgresidueatthisposition.

⑶图示：

⑷解释：

（1）nucleophilicattackofthehydroxylOofaserineresidueoftheproteaseonthecarbonylCofthepeptidebond.

（2）Anacyl-enzymeintermediate.

（3）Hydrolysisoftheesterlinkageyieldsthesecondpeptideproduct.

（4）Theactivesiteineachserineproteaseincludesaserineresidue,ahistidineresidue,&anaspartateresidue.

（5）Duringattackoftheserinehydroxyloxygen,aprotonistransferredfromtheserinehydroxyltotheimidazole

ringofthehistidine,astheadjacentaspartatecarboxylisH-bondedtothehistidine.

2）天冬氨酸蛋白酶（Aspartateprotease）

①Aspartateproteasesinclude

⑴thedigestiveenzymepepsin（胃蛋白酶）

⑵Someproteasesfoundinlysosomes

⑶thekidneyenzymerenin（血管紧张肽原酶）

⑷HIV-protease.

②Twoaspartateresiduesparticipateinacid/basecatalysisattheactivesite.

③Intheinitialreaction,oneaspartateacceptsaprotonfromanactivesiteH2O,whichattacksthecarbonyl

carbonofthepeptidelinkage.

④Simultaneously,theotheraspartatedonatesaprotontotheoxygenofthepeptidecarbonylgroup.

3）金属蛋白酶（metalloprotease）

①Metalloproteases（zincproteases）include:

⑴digestiveenzymescarboxypeptidases

⑵matrixmetalloproteases（MMPs）,secretedbycells

⑶onelysosomalprotease.

②Azinc-bindingmotifattheactivesiteofametalloproteaseincludestwo

Hisresidueswhoseimidazoleside-chainsareligandstotheZn++.

4）半胱氨酸蛋白酶（Cysteineproteases）

①Cysteineproteaseshaveacatalyticmechanismthatinvolvesacysteinesulfhydrylgroup.

②DeprotonationofthecysteineSHbyanadjacentHisresidueisfollowedbynucleophilicattackofthecysteineSon

thepeptidecarbonylcarbon. 

③Athioesterlinkingthenewcarboxy-terminustothecysteinethiolisanintermediateofthereaction（comparableto

acyl-enzymeintermediateofaserineprotease）.

④CysteineproteasesincludePapain（木瓜蛋白酶）,Cathepsins（lysosomalcysteineproteases）,Caspases（凋亡酶

programmedcelldeath）,Calpains（Ca++-activatedcysteineproteasesinvolvedincellmotilityandadhesion）.

第二节氨基酸的分解代谢

※各种氨基酸虽有其特殊的分解代谢途径，但由于氨基酸的共同结构特征，因此也有其共性,此即氨基酸分解代谢的公共途径。

一、氨基酸的脱氨基作用

1、氧化脱氨基作用

①氧化脱氨基为最主要的脱氨基方式。

②氨基酸在酶的催化下，在氧化脱氢的同时释放游离氨，生成相应的α-酮酸的过程。

③氧化脱氨基反应过程包括脱氢和水解两步。

-2H+H2O

R-CH（NH2）COOH→R-C（=NH）COOH→R-COCOOH+NH3

④催化酶：

氨基酸的氧化脱氨基反应主要由L-氨基酸氧化酶和L-谷氨酸脱氢酶所催化。

⑴L-氨基酸氧化酶（L-aminoacidoxidase）：

A、L-氨基酸氧化酶：

是一种需氧脱氢酶，以FAD或FMN为辅基，脱下的氢原子交给O2，生成H2O2

该酶活性不高，在各组织器官中分布有限，因此作用不大。

B、反应：

氨基酸+FAD+H2O→α-酮酸+NH3+FADH2FADH2+O2→FAD+H2O2

有过氧化氢酶时：

2H2O2→2H2O+O2

无过氧化氢酶时：

R-CO-COOH+H2O2→R-COOH+CO2+H2O

C、氨基酸氧化酶有L-氨基酸氧化酶和D-氨基酸氧化酶。

⑵谷氨酸脱氢酶的作用

A、最重要的氨基酸脱氢酶——L-谷氨酸脱氢酶（L-glutamatedehydro-genase）

B、L-谷氨酸脱氢酶：

是一种不需氧脱氢酶，以NAD+或NADP+为辅酶，生成的NADH或NADPH可进入

呼吸链进行氧化磷酸化。

C、特点：

L-谷氨酸脱氢酶活性高，分布广泛，因而作用较大。

该酶属于变构酶，其活性受ATP、GTP、NADH的抑制，受ADP、GDP、一些氨基酸的激活。

D、反应：

Glu+NAD（P）++H2O→α-酮戊二酸+NAD（P）H·H++NH3

GlutamateDehydrogenase解释：

（见右图）

①GlutamateDehydrogenasecatalyzesamajorreactionthateffectsnet

removalofNfromtheaminoacidpool.

②ItisoneofthefewenzymesthatcanuseNAD+orNADP+ase-acceptor

③Oxidationatthea-carbonisfollowedbyhydrolysis,releasingNH4+.

2、非氧化脱氨基作用

①还原脱氨基反应：

氢化酶NH2-CHR-COOH+NADH+H+→CH2R-COOH+NAD++NH3

②直接脱氨基反应：

天冬氨酸酶HOOC-CH2-CH（NH2）-COOH→HOOC-CH=CH-COOH+NH3

③脱水脱氨基作用：

Thr、Ser在脱水酶催化下脱水时再水解脱氨基；

④脱巯基脱氨基作用：

Cys在脱巯基酶催化下脱巯基脱氨基；

⑤氧化还原偶联脱氨基反应：

一对氨基酸共同反应。

3、脱酰胺基作用：

①在谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶催化下：

Gln/Asn-CO-NH2+H2O→Glu/Asp-COOH+NH3

②谷氨酰胺和天冬酰胺可提供氨

4、转氨基作用

①定义：

转氨基作用是α-氨基酸和α-酮酸之间在转氨酶催化下的氨基转移作用。

②原理：

转氨基作用由转氨酶（transaminase）催化，将α-氨基酸的氨基转移到α-酮酸酮基的位置上，生成相应

的α-氨基酸，而原来的α-氨基酸则转变为相应的α-酮酸。

③转氨酶的辅基——磷酸吡哆醛（PLP）

TheprostheticgroupofTransaminaseispyridoxalphosphate（PLP）,aderivativeofvitaminB6.

④氨基转移过程——氨基转移过程分两步进行。

⑴氨基酸的氨基转移到PLP上：

磷酸吡哆醛（pyridoxal-5'-phosphate,PLP）的醛基以共价键方式和酶的

Lysε-氨基结合成为希夫碱，当PLP接受氨基后，PLP转变为磷酸吡哆氨（pyridoxamine-5'-phosphate,PMP）

不再以共价键和酶相连。

⑵PMP分子上的氨基转移到酮酸受体上：

※PMP与α酮酸形成希夫碱，α酮酸-PMP希夫碱互变异构为氨基酸-PLP希夫碱，Lys残基的ε-氨基向

氨基酸-PLP希夫碱进攻，再生成活泼的酶-PLP希夫碱。

※一般接受氨基的是α-酮戊二酸或草酰乙酸，因此最后生成谷氨酸或天冬氨酸。

两者可互变，谷氨酸可

经氧化脱氨生成α-酮戊二酸和氨，Asp和氨是尿素循环中的氨受体。

⑤转氨酶（aminotransferase）

⑴定义：

催化转氨基反应的酶叫做转氨酶。

⑵氨基受体：

大多数转氨酶需要α－酮戊二酸作为氨基的受体。

⑶反应：

动物和高等植物的转氨酶一般只催化L-氨基酸转氨基反应

微生物的也可以催化D-氨基酸的转氨基反应。

⑷转氨基反应是可逆的，平衡常数为1左右。

⑸场所：

转氨酶在真核生物的细胞质基质和线粒体中。

⑹过程：

细胞质基质富集氨基酸，转氨基生成谷氨酸后运入线粒体。

在线粒体中转氨基生成Asp，为鸟氨酸循环提供氨，又是形成腺苷酸代琥珀酸的重要物质。

⑺种类：

1）L-丙氨酸转氨酶（alaninetransaminase,ALT）又称为谷丙转氨酶（GPT）。

催化丙氨酸与α-酮戊二酸之间的氨基

移换反应，为可逆反应。

该酶在肝脏中活性较高，在肝脏疾病时，可引起血清中ALT活性明显升高

2）天冬氨酸转氨酶（aspartatetransaminase,AST）又称为谷草转氨酶（GOT）。

催化天冬氨酸与α-酮戊二酸之

间的氨基移换反应,为可逆反应。

该酶在心肌中活性较高,故在心肌疾患时,血清中AST活性明显升高

5、联合脱氨基作用

①定义：

转氨基作用与氧化脱氨基作用联合进行，从而使氨基酸脱去氨基并氧化为α-酮酸（α-ketoacid）的过程，

称为联合脱氨基作用。

②联合脱氨基作用可在大多数组织细胞中进行，是体内主要的脱氨基的方式。

③联合脱氨基作用主要有：

（种类）

⑴转氨酶与谷氨酸脱氢酶的联合脱氨

⑵嘌呤核苷酸参与的联合脱氨

1）转氨酶与谷氨酸脱氢酶的联合脱氨作用

⑴大部分氨基酸通过转氨酶与谷氨酸脱氢酶的联合脱氨方式脱去氨基←仅转氨酶、L-谷氨酸脱氢酶活力强。

⑵联合脱氨基的逆反应是氨基酸生物合成的重要反应。

2）嘌呤核苷酸参与的联合脱氨作用——嘌呤核苷酸循环（purinenucleotidecycle,PNC）

①嘌啉核苷酸循环是存在于骨骼肌和心肌中的一种特殊的联合脱氨基作用方式。

②在骨骼肌和心肌中，由于谷氨酸脱氢酶的活性较低，而腺苷酸脱氨酶（adenylatedeaminase）的活性较高，故采

用此方式进行脱氨基。

⑴腺苷酸代琥珀酸合酶催化：

Asp+次黄嘌呤核苷酸（IMP）→腺苷酸代琥珀酸

⑵AMP-琥珀酸裂合酶催化：

AMP-琥珀酸→AMP+延胡索酸

⑶AMP脱氨酶（adenylatedeaminase）催化：

AMP→IMP+NH3

③嘌呤核苷酸循环的脱氨基作用：

腺苷酸脱氨酶（adenylatedeaminase）可催化AMP脱氨基，此反应与转氨基反

应相联系，即构成嘌呤核苷酸循环的脱氨基作用。

④图示：

6、氨的代谢去向——氨对机体有毒，尤其是高等动物的脑对氨极为敏感。

血液中1％的氨可引起中枢神经中毒。

因此氨的代谢和排泄十分重要。

①形成酰胺：

氨→Asn、Gln→新的氨基酸,蛋白质,嘌呤,嘧啶,核苷酸等

②合成新氨基酸：

如Glu

⑴在氨甲酰磷酸合成酶、Mg2+催化下：

NH3+CO2+H2O+2ATP→NH2COO～P+2ADP+Pi

③合成氨甲酰磷酸⑵氨甲酰磷酸→嘧啶、精氨酸、尿素

⑶合成尿素（见尿素循环）

⑴排氨：

许多水生动物可直接排氨。

④氨的排泄⑵排尿素：

绝大多数陆生脊椎动物经代谢将氨转化为尿素排出体外。

⑶排尿酸：

鸟类和陆生爬行动物通过转化为尿酸的形式排出氨。

⑷受环境影响：

有些生物在水供应受限制时，由排氨转变为排尿素或排尿酸。

二、氨基酸的脱羧基作用

①氨基酸在脱羧酶催化下脱去羧基，生成伯胺和CO2。

即：

R-CH（NH2）-COOH→R-CH2-NH2+CO2。

②氨基酸脱羧酶多需要辅酶——磷酸吡哆醛。

⑴谷氨酸→γ-氨基丁酸，γ-氨基丁酸是重要的神经递质

⑵组氨酸→组胺，组胺具有降低血压的作用，还可刺激胃酸分泌

⑶酪氨酸→酪胺，酪胺具有升高血压的作用

⑷赖氨酸→尸胺

⑸胺氧化转化为醛，可进一步氧化并转化成脂肪酸

③氨基酸脱羧酶专一性强→可用谷氨酸脱羧酶测定Glu含量

④CO2排出体外、或经丙酮酸羧化支路→草酰乙酸或苹果酸

三、氨基酸的脱氨脱羧作用

①在某些细菌和酵母菌中，氨基酸可同时脱氨脱羧生成少一个C的伯醇、NH3和CO2。

R-CH（NH2）-COOH+H2O→R-CH2-OH+NH3+CO2。

②酿造酒中高级醇的来源：

⑴氨基酸脱氨脱羧作用

⑵氨基酸合成途径：

糖→R-CO-COOH→R-CHO→RCH2OH。

③酒中的高级醇既是芳香成分、又是呈味成分。

④啤酒中的高级醇：

异戊醇←Leu，活性戊醇←Ile，异丁醇←Val。

四、氨基酸碳骨架的分解代谢

①合成新的氨基酸

②转变为糖和脂α-酮酸：

丙酮酸及TCA循环中间产物→糖异生作用→糖←生糖氨基酸（除Leu外）

α-酮酸：

→乙酰CoA→脂肪酸→脂肪←生酮氨基酸

③氧化生成CO2和H2O

1、经丙酮酸形成乙酰辅酶A

①丙氨酸经转氨基作用形成丙酮酸。

②甘氨酸经丝氨酸转羟甲基酶催化形成丝氨酸，羟甲基由四氢叶酸（THF）提供，磷酸吡哆醛为辅基。

然后丝氨酸脱水酶催化丝氨酸脱水脱氨，生成丙酮酸。

Gly→Ser

③半胱氨酸经两步反应也可以转变成丙酮酸。

④由苏氨酸到乙酰辅酶A

⑴苏氨酸经苏氨酸醛缩酶催化生成Gly和乙醛

乙醛氧化形成乙酰辅酶A。

⑵苏氨酸经脱水酶催化生成α酮丁酸。

⑶苏氨酸经脱氢酶催化形成α-氨基-β-酮丁酸，再脱羧形成氨基丙酮。

2、形成乙酰乙酰辅酶A：

苯丙氨酸、酪氨酸、亮氨酸（及乙酰CoA）、赖氨酸、色氨酸（及乙酰CoA）

3、形成TCA循环中间产物

①形成α-酮戊二酸：

精氨酸、组氨酸、谷氨酰胺和谷氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸

②形成琥珀酰辅酶A：

Met、Ile（及乙酰CoA）、Val、Thr

③形成延胡索酸：

Phe、Tyr

④形成草酰乙酸：

Asp、Asn

4、生酮氨基酸和生糖氨基酸

①生酮氨基酸：

在代谢过程中转变为乙酰乙酰辅酶A的氨基酸为生酮氨基酸，生成的乙酰乙酰辅酶A在动物

肝脏中可转变为乙酰乙酸和β-羟基丁酸（Phe,Tyr,Trp），即酮体，而不能转变成葡萄糖。

糖尿

病人肝脏中形成的酮体：

一部分来源于脂肪酸，一部分来源于生酮氨基酸。

②生糖氨基酸：

凡是经代谢能转变为丙酮酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸和草酰乙酸而又不生成乙酰乙酰

辅酶A的氨基酸为生糖氨基酸。

这些中间产物可以经糖异生作用转变成葡萄糖。

5、由氨基酸衍生的其它重要化合物

1）一碳单位

①定义：

具有一个碳原子的基团为“一碳单位”。

②种类：

甲基-CH3、亚甲基/甲叉基-CH2-、次甲基/甲川基-CH=

羟甲基-CH2OH、甲酰基-CH=O、亚氨甲基-CH=NH

③载体：

一碳单位的载体为四氢叶酸THF。

④氨基酸与一碳单位

⑴某些氨基酸代谢后可生成一碳单位：

A、甘氨酸：

氧化脱氨生成N5,N10-亚甲基THFGly+THF+NAD+→N5,N10-亚甲基THF+NH4++CO2+NADH

B、丝氨酸：

Ser+THF→Gly+N5,N10-亚甲基THF+H2O

C、组氨酸：

分解形成亚氨甲基THF，脱氨后形成次甲基THF

⑵一碳单位还参与嘌啉、嘧啶、S-腺苷Met的生物合成。

2）氨基酸衍生的生物活性物质

①酪氨酸代谢生成黑色素、肾上腺素、去甲肾上腺素、多巴、多巴胺。

②色氨酸代谢生成5-羟色胺及吲哚乙酸。

③精氨酸、甘氨酸、甲硫氨酸参与肌酸合成。

④组氨酸脱羧形成组胺。

⑤多胺的形成：

精氨酸水解形成鸟氨酸，鸟氨酸脱羧形成腐胺，腐胺经S－腺苷Met转入丙氨基生成亚精胺，

再转入丙氨基形成精胺。

⑥谷氨酸脱羧形成γ-氨基丁酸。

⑦半胱氨酸氧化脱羧形成牛磺酸。

五、尿素的形成——尿素循环

※尿素循环在肝脏中完成，释放的尿素分泌到血液，被肾汇集从尿中排出。

①Mostterrestriallandanimalsconvertexcessnitrogentourea,priortoexcretingit.

②Ureaislesstoxicthanammonia.

③TheUreaCycleoccursmainlyinliver.

※尿素循环UreaCycle（鸟氨酸循环）

①参与尿素循环的细胞区域：

线粒体、细胞质基质。

②尿素循环的过程

③线粒体mitochondria：

形成氨甲酰磷酸→形成瓜氨酸

④细胞质基质cytosol：

转入Asp中氨形成精氨琥珀酸→裂解形成精氨酸→生成尿素、鸟氨酸再生

⑤图示

1、氨甲酰磷酸的合成：

反应在线粒体中进行，由氨甲酰磷酸合酶I（carbamoylphosphatesynthetase-I,CPS-I）催化，该酶需N-乙酰谷氨酸（AGA）作为变构激活剂，需Mg2+，反应不可逆。

此步获取尿素的第一个氮原子。

※CarbamoylPhospha