氨基酸的代谢教学基本要求1掌握氨基酸生物合成的一般途径.docx

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氨基酸的代谢教学基本要求1掌握氨基酸生物合成的一般途径

第九章氨基酸的代谢

教学基本要求

1.掌握氨基酸生物合成的一般途径。

2.掌握氨基酸的脱氨基作用及氨基酸分解产物的代谢转变。

3.了解蛋白质的酶促水解、氨基酸的脱羧基作用。

第一节氨基酸的合成代谢

不同生物合成氨基酸的能力有所不同，而且在合成能力上存在很大区别。

植物和微生物20种，动物不能合成全部20种氨基酸，如人和大白鼠只能合成10种。

生物体不能合成或合成量很少不能满足需要，必须由食物供给的氨基酸叫必需氨基酸，Lys、Trp、Phe、Val、Met、Leu、Thr、Ile、Arg、His共10种。

生物体合成量很少不能满足需要，必须由食物供给的氨基酸称半必需氨基酸。

如Arg、His。

生物体自身能够合成量且能满足需要的氨基酸。

植物和绝大多数微生物能合成全部氨基酸。

一、氨基酸合成的氮源和碳源

（一）氮源

不同生物利用氮源的方式不同。

固氮生物可以直接利用大气中的N2，植物和部分微生物可以利用硝酸盐、亚硝酸盐和氨等无机物作为氮源，动物和人则只能利用氨基氮来合成蛋白质。

N2：

固氮生物

无机氮：

植物和部分微生物

有机氮：

动物和人

（二）碳源

氨基酸合成的直接碳源是相应的α-酮酸，植物能合成20种氨基酸相应的全部碳骨架或前体。

人和动物只能直接合成部分氨基酸相应的α-酮酸。

概括地说，在生物合成中，各种氨基酸碳骨架的形成主要来源于糖酵解、柠檬酸循环（TCA）、磷酸已糖支路等途径产生的关键中间代谢产物。

二、氨基酸的合成途径

不同生物体内氨基酸生物合成的途径大不相同，甚至同种生物不同组织或器官也存在很大差异。

但许多氨基酸的生物合成都有其共同特点：

合成的起始物来自机体内的几个主要代谢途径特别是糖代谢（包括糖酵解、柠檬酸循环或磷酸戊糖途径）的中间产物，其氨基主要来自谷氨酸的转氨基作用。

根据起始物不同可将氨基酸的合成划分为六大类型（表13-1）。

1.α-酮戊二酸衍生类型—谷氨酸型

合成Glu、Gln、Pro、Arg、Lys

2.草酰乙酸衍生类型—天冬氨酸型

合成Asp、Asn、Met、Thr、Ile、Lys

3.丙酮酸衍生类型—丙氨酸型

合成Ala、Val、Leu

4.甘油酸-α-磷酸衍生类型—丝氨酸型

合成Ser、Gly、Cys

5.赤藓糖-4-磷酸和烯醇丙酮酸磷酸衍生类型—芳香氨酸型

合成Phe、Tyr、Trp

6.组氨酸类型

合成His

氨基酸生物合成的六大类型

类型

氨基酸

酮戊二酸衍生类型（谷氨酸型）

谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸、精氨酸、赖氨酸*

草酰乙酸衍生类型（天冬氨酸型）

天冬氨酸、天冬酰氨、苏氨酸、甲硫氨酸、异亮氨酸、赖氨酸*

丙酮酸衍生类型（丙氨酸型）

丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸

甘油酸-3-磷酸衍生类型（丝氨酸型）

丝氨酸、甘氨酸、半胱氨酸

烯醇丙酮酸磷酸衍生类型（芳香氨酸型）

苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸

组氨酸型

组氨酸

*不同的生物组织中，赖氨酸的生物合成前体不同。

三、氨基酸合成的调节

根据机体的需要情况，氨基酸的生物合成受到严格的调节控制。

不同氨基酸的调节机制不同，即使同一种氨基酸在不同机体中的调节机制也不相同。

氨基酸合成既可通过调节酶活性或代谢过程中的代谢物，又可通过调节酶的生成量来实现。

最有效的调节是反馈抑制，即通过合成过程的终产物对其系列反应中的第一个酶的活性进行抑制，亦即通过变构效应（allostericeffect）调节第一个酶的生成物。

（一）反馈抑制调节形式

1.简单的终产物抑制（simpleendproductinhibition）

终产物E对合成途径中第一个酶活性的抑制。

例如苏氨酸合成异亮氨酸，后者可抑制苏氨酸脱氨酶的活性。

2.不同终产物的协同抑制（concertedendproductinhibition）

不同终产物既抑制合成途径中第一个酶的活性，又抑制分道后第一个产物的合成酶。

如谷氨酸合成谷氨酰胺的催化酶——谷氨酰胺合酶受到8种产物的反馈抑制。

3.不同分支产物的多重性抑制（enzymemultiplicity）

催化共同途径反应的2个酶分别受不同分支产物的特殊抑制，同时分支产物又分别抑制其分道后第一个产物的合成酶。

如由赤藓糖-4-磷酸和磷酸烯醇式丙酮酸合成3种芳香族氨基酸的反馈抑制。

4.连续产物抑制（sequentialendproductinhibition），又称连续反馈抑制（sequentialfeedbackcontrol）

共同途径的终产物抑制全合成过程的第一个酶的作用，而终产物只分别抑制分道后各自途径的第一个酶的作用。

然而，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸的生物合成并不受终产物的反馈抑制，它们依靠与其对应的酮酸的可逆反应达到平衡。

此3种氨基酸是中间代谢的关键性中间产物。

甘氨酸的合成酶可能受一碳单位和FH4的调节，也不受终产物抑制。

（二）酶的生成量对氨基酸生物合成的调节

酶生成量的调控是发生在基因表达上，通过对有关酶的编码基因的活性调节来实现，而不是通过酶分子的变构效应调节的。

在氨基酸的生物合成中，当某种氨基酸合成的量超过了所需的量时，该合成途径的酶的编码基因的表达会受到阻遏，酶的合成就受到抑制。

该酶称为阻遏酶（repressibleenzyme）。

反之，当某种氨基酸的合成量下降时，则该合成途径的相关的酶的阻遏会被解除，酶的合成量就会增加，氨基酸的合成也随即开始。

合成蛋白质的20种氨基酸的需要量都是以准确的比例提供的，因此在生物体内不仅有单一氨基酸生物合成的调控机制，而且也有使各氨基酸在合成中的比例相互协调（coordination）的调控机制。

第二节氨基酸的分解代谢

一、蛋白质的降解

（一）氮平衡

体内蛋白质的合成与分解处于动态平衡中，故每日氮的摄入量与排出量也维持着动态平衡，这种动态平衡称为氮平衡（nitrogenbalance）。

氮平衡有以下几种情况：

1.氮总平衡

每日摄入氮量与排出氮量大致相等，表示体内蛋白质的合成量与分解量大致相等，称为氮总平衡。

此种情况见于正常成人。

2.氮正平衡

每日摄入氮量大于排出氮量，表明体内蛋白质的合成量大于分解量，称为氮正平衡（positivenitrogenbalance）。

此种情况见于儿童、孕妇、病后恢复期。

3.氮负平衡

每日摄入氮量小于排出氮量，表明体内蛋白质的合成量小于分解量，称为氮负平衡（negativenitrogenbalance）。

此种情况见于消耗性疾病患者（结核、肿瘤）、饥饿者。

（二）外源蛋白的酶促消化

人体和动物从食物获取的蛋白质（外源蛋白）并不能直接进入细胞组织，而必须在消化道内经各种蛋白酶消化降解成游离的氨基酸（一部分为小肽），再由肠粘膜上皮细胞吸收进入组织，供合成生命活动所需的蛋白质之用。

游离氨基酸进入血液循环，运送到肝脏后进行分解代谢。

蛋白酶又称肽酶，分肽链内切酶、外切酶和二肽酶三类，具有特异性水解肽键的能力。

胃蛋白酶：

芳香族氨基酸（Phe、Tyr）—NH2形成的肽键。

内切酶胰蛋白酶：

碱性氨基酸（Lys、Arg）—COOH形成的肽键

胰凝乳蛋白酶：

芳香族氨基酸（Phe、Tyr）—COOH形成的肽键

弹性蛋白酶：

脂肪族氨基酸—COOH形成的肽键

氨肽酶

外切酶

羧肽酶

二肽酶

植物虽不从外界获取氨基酸以合成自身所需的蛋白质，但当植物生长及种子萌发时，部分蛋白质仍需要水解成游离的氨基酸，才能转变成其他物质。

高等植物体中亦含有蛋白酶类，例如种子及幼苗内皆含有活性蛋白酶，叶和幼芽中含有肽酶，木瓜中有木瓜蛋白酶（papain），菠萝中有菠萝蛋白酶（bromelin），无花果中有无花果酶（ficin）等，均可使相关蛋白质水解。

植物组织中蛋白质的酶水解作用以种子萌发时最旺盛。

发芽时，种子中储存的蛋白质即水解成氨基酸，可用于合成植物生长所需的蛋白质。

微生物也含有能将蛋白质水解为氨基酸的蛋白酶，游离的氨基酸经脱氨生成氨。

（三）胞内蛋白的降解

不同的蛋白质存活时间有很大差异，短则几分钟，长则几周甚至几个月。

其存活时间通常以半衰期（half-life）来表示，即蛋白质降解至初始浓度一半所需的时间。

细胞内蛋白质的降解具有以下特性：

①细胞或细菌对非正常蛋白质的降解是有选择性的；

②酶对降解的敏感性与其催化活性和变构性质有关，以便细胞对环境变化和代谢需求作出有效地应答。

因为降解最迅速的酶往往都位于代谢的重要调控位点，而那些相对稳定的酶在所有生理条件下有着较为稳定的催化活性。

③胞内蛋白质的降解速度与其个性有关，与其存活寿命无关；同时还与细胞的营养和激素水平有关。

例如在营养缺乏时，细胞通过提高蛋白质降解的速率为那些不可或缺的代谢过程提供必需的营养源。

真核细胞对蛋白质的降解途径主要有以下两种：

1.溶酶体的蛋白质降解途径

细胞的溶酶体（lysosomes）含有各种蛋白水解酶，称为组织蛋白酶，它们可催化蛋白质的降解。

这是胞内蛋白的主要降解途径，一般不依赖ATP，利用组织蛋白酶可降解外源性蛋白、膜蛋白和细胞内半寿期较长的蛋白质。

溶酶体可降解细胞通过自体吞噬泡（autophagicvacuole）或胞吞作用（endocytosis）摄取的物质。

在营养充足的条件下，溶酶体对蛋白质的降解是无选择性的。

但在饥饿的细胞中，因一些必需的酶和调节蛋白会降解，所以溶酶体也有一种选择性途径，即引入和降解含有Lys-Phe-Glu-Arg-Gln（KFERQ）五肽或密切相关序列的胞内蛋白质，该途径仅在长期禁食后才被激活。

因禁食而萎缩的组织（如肝脏和肾）中含有KFERQ的蛋白质被选择性地降解，而不会从不萎缩的组织（如脑和睾丸）中降解。

2.泛素介导的蛋白质降解途径

真核细胞降解蛋白质还有一种ATP依赖性的由泛素（ubiquitin，Ub）介导的降解途径，几乎所有的异常蛋白和短半衰期的蛋白质都经此途径降解。

泛素又称为泛肽，是一个含有76个氨基酸残基的小分子碱性蛋白质（Mr为8.5kD）。

由于其普遍存在于真核细胞且含量丰富而得名。

泛素的氨基酸序列高度保守、极少发生变化，在不同种属生物中是同一的，如人、蟾蜍、鳟鱼和果蝇中的泛素都是相同的。

在蛋白质降解过程中，泛素通过3步反应与选择性被降解的蛋白质形成共价连接，即加以标记或泛素化，从而使其激活。

（1）活化。

在一个需要ATP的反应中，泛素的末端羧基以硫酯键与泛素-活化酶（ubiquitin-activatingenzyme，E1）偶联。

（2）转移。

泛素被转移到泛素结合蛋白或称泛素携带蛋白（ubiquitin-carrierprotein，E2）的巯基上。

（3）连接。

在泛素-蛋白质连接酶（ubiquitin-proteinligase，E3）的催化下，将活化了的泛素从E2转移到被选择的蛋白质（即待降解的蛋白质）的ε-NH2-Lys上，形成一个异肽键（isopeptidebond）。

在被选择的蛋白质发生降解的过程中，E3似乎起着关键性作用。

通常，由若干（20或更多）个泛素分子与待降解的蛋白质相连，形成多泛素链，其中每个泛素分子的Lys48与后一泛素分子的C末端羧基相连形成异肽键。

多泛素化对于某些蛋白质的降解来说是必需的。

泛素化的蛋白质由蛋白酶体（proteasome）又称泛素-连接的降解酶（ubiquitin-conjugatingenzyme，UCDEN）降解（图13-8）。

该酶为多蛋白质复合体，存在于细胞核和胞浆内，含多种具有催化功能的酶，只对待降解的泛素化蛋白质有效，降解过程需要ATP。

蛋白酶体的组成如下：

二、氨基酸的分解代谢

Aa都具有α-COOH和α-NH2，因此各种Aa都有共同的代谢途径包括脱氨基作用和脱羧基作用。

但由于不同的Aa侧链基团不同，因此，不同Aa还有自身的特殊代谢途径。

脱氨基

R—CH—COOH一般代谢

脱羧基

NH2自身特殊代谢

（一）一般代谢

1.脱氨基作用

（1）转氨基作用

①概念

在转氨酶的作用下，某一氨基酸脱掉α-氨基生成相应的α-酮酸，而另一种α-酮酸得到此氨基生成相应的氨基酸的过程。

②举例

③特点

A是Aa分解代谢和非必需Aa合成代谢的重要步骤；

B大多数需α-酮戊二酸为受体；

C除Lys、Thr、Pro、羟Pro外，其它Aa都可参加转氨基作用；

D多以磷酸吡哆醛为辅酶。

④机理

（2）氧化脱氨作用

Aa在氨基酸氧化酶催化下脱氢生成亚氨基酸，再水解生成酮酸和氨。

反应如下：

酶：

①L-Aa氧化酶（FAD、FMN）分布不普遍活力低

②D-Aa氧化酶（FAD）分布广活力强

③L-Glu脱氢酶（NAD+、NADP+）分布广活力强

（3）联合脱氨基作用

①概念

两种脱氨基方式的联合作用，使氨基酸脱下α-氨基生成α-酮酸的过程。

②类型

A转氨基偶联氧化脱氨基作用—肝脏、肾脏

B转氨基偶联嘌呤核苷酸循环—骨骼肌、心肌和脑组织

①转氨酶；②谷草转氨酶；③腺苷酸琥珀酸合成酶；④腺苷酸琥珀酸裂解酶；⑤腺苷酸脱氨酶；⑥延胡索酸酶；⑦苹果酸脱氢酶

（4）非氧化脱氨基作用

氨基酸的脱氨基作用，除上述3种方式外，某些氨基酸还可以进行非氧化脱氨基作用（non-oxidativedeamination）。

这种脱氨基方式，主要在微生物体内进行。

动物体内也有，但并不普遍。

非氧化脱氨基作用又可区分为脱水脱氨基、脱硫化氢脱氨基、直接脱氨基和水解脱氨基等4种方式。

2.脱羧基作用

（1）概念

（2）重要胺类

①His组胺舒张血管，降低血压

②Gluγ-氨基丁酸抑制C.N.S传导

③Aspβ-丙氨酸泛酸的组分

④Trp5-HT增高血压

⑤Lys尸胺

⑥Orn腐胺

（3）胺的氧化

绝大多数胺类对动物有毒。

如果体内生成大量胺类，能引起神经或心血管等系统的功能紊乱，但体内的胺氧化酶能催化胺类氧化成醛，继而醛氧化成脂肪酸，再分解成二氧化碳和水。

（二）氨基酸分解产物的代谢

氨

脱氨基

α-酮酸

RCH（NH2）COOH

胺—氧化

脱羧基

CO2—肺

1.氨的代谢转变

氨基酸经脱氨基作用产生氨是有毒的，正常人血氨的浓度不超过0.1mg/100mL。

由此看来，氨在动物体内能迅速代谢而不致累积。

氨的来源与去路如下：

Aa脱氨生成尿素—体外

肠道吸收氨血氨合成Gln和Ala

肾脏合成其它含氮物质（嘌呤、嘧啶）

（1）尿素的生成

①生成部位—主要在肝脏

②生成过程

1932年，由HansKrebs和KurtHenseleit提出，称为鸟氨酸循环或尿素循环。

A.CO2、NH3与Orn合成Cit—线粒体

B.Cit与Asp作用产生Arg—胞浆

C.Arg水解生成尿素—胞浆

③总反应式

④特点

A、延胡羧酸是Orn循环和三羧酸循环的连接物；

B、每生成1mol尿素要消耗4molATP；

C、尿素是人体和哺乳动物体内氨基酸代谢的终产物。

不同动物排氨的方式各不相同。

水生动物产生的氨可随水直接排出体外，也有部分转变成氧化三甲胺再排泄的；鸟类及爬行类是将氨转变成尿酸排出体外的；两栖类是排尿素的。

各类动物排泄氨的方式

动物类型

排泄方式

大部分水生脊椎动物（硬骨鱼、两栖类幼虫）

主要是排氨，部分排三甲胺

鸟类及生活在比较干燥环境中的爬虫类

尿酸

两栖类（成虫）

尿素

人和哺乳类动物

尿素

D、氨基甲酰磷酸合成酶I是一个别构酶，该酶只有在别构激活剂AGA存在时才能被激活。

AGA与酶结合可诱导酶的构象改变，进而增加合成酶对ATP的亲和力。

氨基甲酰磷酸合酶I的活性是由其别构激活剂AGA的稳态浓度所决定。

这种稳态水平又是由乙酰CoA和谷氨酸合成AGA的速率以及将AGA水解生成乙酸和谷氨酸的速率所决定。

由于AGA是乙酰CoA和谷氨酸在N-乙酰谷氨酸合成酶（N-acetylglutamatesynthase）的催化下形成的，所以氨基酸分解速度加快可导致谷氨酸浓度的升高，AGA浓度也随之增加。

通过AGA对氨甲酰磷酸合成酶I的激活作用可以使鸟氨酸循环的氨甲酰磷酸的量增加。

另外，精氨酸可别构激活N-乙酰谷氨酸合成酶。

所以，当精氨酸浓度升高时，尿素合成加快。

临床上常用补充精氨酸来治疗高氨血症，以促进尿素合成，降低血氨含量。

（2）合成Gln和Ala

①合成Gln

②合成Ala—葡萄糖-丙氨酸循环

在骨骼肌中，氨还可以和丙酮酸作用（转氨基或联合脱氨基方式）生成丙氨酸，后者被释放入血，经血液运至肝脏后再经联合脱氨基作用释放出氨用于合成尿素。

丙酮酸则在肝脏中经糖异生作用转变成葡萄糖，后者再运至肌肉中，在肌肉收缩时又转变成丙酮酸，加氨再转变为丙氨酸，此即葡萄糖-丙氨酸循环（glucose-alaninecycle）。

通过这一循环，可使肌肉中的氨以无毒的丙氨酸形式运输到肝。

与此同时，肝脏又为肌肉组织提供了能生成丙酮酸的葡萄糖。

所以丙氨酸亦是氨的一种暂时储存和运输的形式。

（3）嘧啶环的合成

2.α-酮酸的代谢转变

（1）再合成氨基酸—还原氨基化

（2）转变成糖及脂肪

生糖氨基酸：

在体内可以转变为糖的氨基酸。

生酮氨基酸：

在体内可以转变为酮体的氨基酸。

生糖兼生酮氨基酸：

在体内可以转变为糖和酮体的氨基酸。

（3）氧化成CO2和H2O

当体内需能时，α-酮酸可通过TCA被氧化生成CO2、H2O并释放能量。

不同Aa尽管有不同的侧链，各自的代谢途径不同，但最终通过乙酰CoA、α-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸和草酰乙酸这5种中间产物进入TCA被彻底氧化的。