生化课件 第十章 氨基酸.docx
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生化课件第十章氨基酸
第十章氨基酸代谢
植物、微生物从环境中吸收氨、铵盐、亚硝酸盐、硝酸盐等无机氮,合成各种氨基酸、蛋白质、含氮化合物。
人和动物消化吸收动、植物蛋白质,得到氨基酸,合成蛋白质及含氮物质。
有些微生物能把空气中的N2转变成氨态氮,合成氨基酸。
第一节蛋白质消化、降解及氮平衡
一、蛋白质消化吸收
哺乳动物的胃、小肠中含有胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、羧肽酶、氨肽酶、弹性蛋白酶。
经上述酶的作用,蛋白质水解成游离氨基酸,在小肠被吸收。
被吸收的氨基酸(与糖、脂一样)一般不能直接排出体外,需经历各种代谢途径。
肠粘膜细胞还可吸收二肽或三肽,吸收作用在小肠的近端较强,因此肽的吸收先于游离氨基酸。
二、蛋白质的降解
人及动物体内蛋白质处于不断降解和合成的动态平衡。
成人每天有总体蛋白的1%~2%被降解、更新。
不同蛋白的半寿期差异很大,人血浆蛋白质的t1/2约10天,肝脏的t1/2约1~8天,结缔组织蛋白的t1/2约180天,许多关键性的调节酶的t1/2均很短。
真核细胞中蛋白质的降解有两条途径:
一条是不依赖ATP的途径,在溶酶体中进行,主要降解外源蛋白、膜蛋白及长寿命的细胞内蛋白。
另一条是依赖ATP和泛素的途径,在胞质中进行,主要降解异常蛋白和短寿命蛋白,此途径在不含溶酶体的红细胞中尤为重要。
泛素是一种8.5KD(76a.a.残基)的小分子蛋白质,普遍存在于真核细胞内。
一级结构高度保守,酵母与人只相差3个a.a残基,它能与被降解的蛋白质共价结合,使后者活化,然后被蛋白酶降解。
三、氨基酸代谢库
食物蛋白中,经消化而被吸收的氨基酸(外源性a.a)与体内组织蛋白降解产生的氨基酸(内源性a.a)混在一起,分布于体内各处,参与代谢,称为氨基酸代谢库。
氨基酸代谢库以游离a.a总量计算。
肌肉中a.a占代谢库的50%以上。
肝脏中a.a占代谢库的10%。
肾中a.a占代谢库的4%。
血浆中a.a占代谢库的1~6%。
肝、肾体积小,它们所含的a.a浓度很高,血浆a.a是体内各组织之间a.a转运的主要形式。
氨基酸代谢库
图
四、氮平衡
食物中的含氮物质,绝大部分是蛋白质,非蛋白质的含氮物质含量很少,可以忽略不计。
氮平衡:
机体摄入的氮量和排出量,在正常情况下处于平衡状态。
即,摄入氮=排出氮。
氮正平衡:
摄入氮>排出氮,部分摄入的氮用于合成体内蛋白质,儿童、孕妇。
氮负平衡:
摄入氮<排出氮。
饥锇、疾病。
第二节氨基酸分解代谢
氨基酸的分解代谢主要在肝脏中进行。
氨基酸的分解代谢一般是先脱去氨基,形成的碳骨架可以被氧化成CO2和H2O,产生ATP,也可以为糖、脂肪酸的合成提供碳架。
一、脱氨基作用
主要在肝脏中进行
(一)氧化脱氨基
第一步,脱氢,生成亚胺。
第二步,水解。
P219反应式:
生成的H2O2有毒,在过氧化氢酶催化下,生成H2O+O2↑,解除对细胞的毒害。
1、催化氧化脱氨基反应的酶(氨基酸氧化酶)
(1)、L—氨基酸氧化酶
有两类辅酶,E—FMN
E—FAD(人和动物)
对下列a.a不起作用:
Gly、β-羟氨酸(Ser、Thr)、二羧a.a(Glu、Asp)、二氨a.a(Lys、Arg)
真核生物中,真正起作用的不是L-a.a氧化酶,而是谷氨酸脱氢酶。
(2)、D-氨基酸氧化酶E-FAD
有些细菌、霉菌和动物肝、肾细胞中有此酶,可催化D-a.a脱氨。
(3)、Gly氧化酶E-FAD
使Gly脱氨生成乙醛酸。
(4)、D-Asp氧化酶E-FAD
E-FAD兔肾中有D-Asp氧化酶,D-Asp脱氨,生成草酰乙酸。
(5)、L-Glu脱氢酶E-NAD+E-NADP+
P220反应式:
真核细胞的Glu脱氢酶,大部分存在于线粒体基质中,是一种不需O2的脱氢酶。
此酶是能使a.a直接脱去氨基的活力最强的酶,是一个结构很复杂的别构酶。
在动、植、微生物体内都有。
ATP、GTP、NADH可抑制此酶活性。
ADP、GDP及某些a.a可激活此酶活性。
因此当ATP、GTP不足时,Glu的氧化脱氨会加速进行,有利于a.a分解供能(动物体内有10%的能量来自a.a氧化)。
(二)非氧化脱氨基作用(大多数在微生物的中进行)
P221
①还原脱氨基(严格无氧条件下)
图
②水解脱氨基
图
③脱水脱氨基
图
④脱巯基脱氨基
⑤氧化-还原脱氨基
两个氨基酸互相发生氧化还原反应,生成有机酸、酮酸、氨。
⑥脱酰胺基作用
谷胺酰胺酶:
谷胺酰胺+H2O→谷氨酸+NH3
天冬酰胺酶:
天冬酰胺+H2O→天冬氨酸+NH3
谷胺酰胺酶、天冬酰胺酶广泛存在于动植物和微生物中
(三)转氨基作用
转氨作用是a.a脱氨的重要方式,除Gly、Lys、Thr、Pro外,a.a都能参与转氨基作用。
转氨基作用由转氨酶催化,辅酶是维生素B6(磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺)。
转氨酶在真核细胞的胞质、线粒体中都存在。
转氨基作用:
是α-氨基酸和α-酮酸之间氨基转移作用,结果是原来的a.a生成相应的酮酸,而原来的酮酸生成相应的氨基酸。
P223结构式:
不同的转氨酶催化不同的转氨反应。
大多数转氨酶,优先利用α-酮戊二酸作为氨基的受体,生成Glu。
如丙氨酸转氨酶,可生成Glu,叫谷丙转氨酶(GPT)。
肝细胞受损后,血中此酶含量大增,活性高。
肝细胞正常,血中此酶含量很低。
动物组织中,Asp转氨酶的活性最大。
在大多数细胞中含量高,Asp是合成尿素时氮的供体,通过转氨作用解决氨的去向。
转氨作用机制P224图16-2
此图只画出转氨反应的一半。
(四)联合脱氨基
单靠转氨基作用不能最终脱掉氨基,单靠氧化脱氨基作用也不能满足机体脱氨基的需要,因为只有Glu脱氢酶活力最高,其余L-氨基酸氧化酶的活力都低。
机体借助联合脱氨基作用可以迅速脱去氨基。
1、以谷氨酸脱氢酶为中心的联合脱氨基作用
氨基酸的α-氨基先转到α-酮戊二酸上,生成相应的α-酮酸和Glu,然后在L-Glu脱氨酶催化下,脱氨基生成α-酮戊二酸,并释放出氨。
P225图16-3以谷氨酸脱氢酶为中心的联合脱氨基作用
2、通过嘌呤核苷酸循环的联合脱氨基做用
P225结构式:
次黄嘌呤核苷一磷酸(IMP)、腺苷酸代琥珀酸、腺苷酸
P226图16-4通过嘌呤核苷酸循环的联合脱氨基做用
骨骼肌、心肌、肝脏、脑都是以嘌呤核苷酸循环的方式为主
二、脱羧作用
生物体内大部分a.a可进行脱羧作用,生成相应的一级胺。
a.a脱羧酶专一性很强,每一种a.a都有一种脱羧酶,辅酶都是磷酸吡哆醛。
a.a脱羧反应广泛存在于动、植物和微生物中,有些产物具有重要生理功能,如脑组织中L-Glu脱羧生成r-氨基丁酸,是重要的神经介质。
His脱羧生成组胺(又称组织胺),有降低血压的作用。
Tyr脱羧生成酪胺,有升高血压的作用。
但大多数胺类对动物有毒,体内有胺氧化酶,能将胺氧化为醛和氨。
三、氨的去向
氨对生物机体有毒,特别是高等动物的脑对氨极敏感,血中1%的氨会引起中枢神经中毒,因此,脱去的氨必须排出体外。
氨中毒的机理:
脑细胞的线粒体可将氨与α-酮戊二酸作用生成Glu,大量消耗α-酮戊二酸,影响TCA,同时大量消耗NADPH,产生肝昏迷。
氨的去向:
(1)重新利用合成a.a、核酸。
(2)贮存Gln,Asn
高等植物将氨基氮以Gln,Asn的形式储存在体内。
(3)排出体外
排氨动物:
水生、海洋动物,以氨的形式排出。
排尿酸动物:
鸟类、爬虫类,以尿酸形式排出。
排尿动物:
以尿素形式排出。
(一)氨的转运(肝外→肝脏)
1、Gln转运Gln合成酶、Gln酶(在肝中分解Gln)
Gln合成酶,催化Glu与氨结合,生成Gln。
Gln中性无毒,易透过细胞膜,是氨的主要运输形式。
Gln经血液进入肝中,经Gln酶分解,生成Glu和NH3。
2、丙氨酸转运(Glc-Ala循环)
肌肉可利用Ala将氨运至肝脏,这一过程称Glc-Ala循环。
丙氨酸在PH7时接近中性,不带电荷,经血液运到肝脏
在肌肉中,糖酵解提供丙酮酸,在肝中,丙酮酸又可生成Glc。
肌肉运动产生大量的氨和丙酮酸,两者都要运回肝脏,而以Ala的形式运送,一举两得。
(二)氨的排泄
1、直接排氨
排氨动物将氨以Gln形式运至排泄部位,经Gln酶分解,直接释放NH3。
游离的NH3借助扩散作用直接排除体外。
2、尿素的生成(尿素循环)
排尿素动物在肝脏中合成尿素的过程称尿素循环
1932年,Krebs发现,向悬浮有肝切片的缓冲液中,加入鸟氨酸、瓜氨酸、Arg中的任一种,都可促使尿素的合成。
尿素循环途径(鸟氨酸循环):
P230图16-6
(1)、氨甲酰磷酸的生成(氨甲酰磷酸合酶I)
肝细胞液中的a.a经转氨作用,与α-酮戊二酸生成Glu,Glu进入线粒体基质,经Glu脱氢酶作用脱下氨基,游离的氨(NH4+)与TCA循环产生的CO2反应生成氨甲酰磷酸。
氨甲酰磷酸是高能化合物,可作为氨甲酰基的供体。
氨甲酰磷酸合酶I:
存在于线粒体中,参与尿素的合成。
氨甲酰磷酸合酶II:
存在于胞质中,参与尿嘧啶的合成。
N-乙酰Glu激活氨甲酰磷酸合酶I、II
(2)、合成瓜氨酸(鸟氨酸转氨甲酰酶)
鸟氨酸接受氨甲酰磷酸提供的氨甲酰基,生成瓜氨酸。
P231反应式:
鸟氨酸转氨甲酰酶存在于线粒体中,需要Mg2+作为辅因子。
瓜氨酸形成后就离开线粒体,进入细胞液。
(3)、合成精氨琥珀酸(精氨琥珀酸合酶)
P231结构式
(4)、精氨琥珀酸裂解成精氨酸和延胡索素酸(精氨琥珀酸裂解酶)
精氨琥珀酸→精氨酸+延胡索素酸
P232结构式
此时Asp的氨基转移到Arg上。
来自Asp的碳架被保留下来,生成延胡索酸。
延胡索素酸可以经苹果酸、草酰乙酸再生为天冬氨酸,
(5)、精氨酸水解生成鸟氨酸和尿素
P232结构式
尿素形成后由血液运到肾脏随尿排除。
尿素循环总反应:
NH4++CO2+3ATP+Asp+2H2O→尿素+2ADP+2Pi+AMP+Ppi+延胡索酸
形成一分子尿素可清除2分子氨及一分子CO2,消耗4个高能磷酸键。
联合脱-NH2合成尿素是解决-NH2去向的主要途径。
尿素循环与TCA的关系:
草酰乙酸、延胡素酸(联系物)。
肝昏迷(血氨升高,使α-酮戊二酸下降,TCA受阻)可加Asp或Arg缓解。
3、生成尿酸(见核苷酸代谢)
尿酸(包括尿素)也是嘌呤代谢的终产物。
四、氨基酸碳架的去向
20种aa有三种去路
(1)氨基化还原成氨基酸。
(2)氧化成CO2和水(TCA)。
(3)生糖、生脂。
20种a.a的碳架可转化成7种物质:
丙酮酸、乙酰CoA、乙酰乙酰CoA、α-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸。
它们最后集中为5种物质进入TCA:
乙酰CoA、α-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸。
234图16-7氨基酸碳骨架进入TCA的途径
1、转变成丙酮酸的途径
P236图16-8Ala、Gly、Ser、Thr、Cys形成丙酮酸的途径
(1)、Ala经与α-酮戊二酸转氨(谷丙转氨酶)
(2)、Gly先转变成Ser,再由Ser转变成丙酮酸。
Gly与Ser的互变是极为灵活的,该反应也是Ser生物合成的重要途径。
Gly的分解代谢不是以形成乙酰CoA为主要途径,Gly的重要作用是一碳单位的提供者。
Gly+