蛋白質分解及氨基酸代謝.ppt

第九章 蛋白質分解及氨基酸代謝,溫州醫(yī)學院生物化學教研室 李春洋,所謂蛋白質代謝，即為蛋白質的周轉，包括蛋白質的分解代謝和蛋白質的合成代謝。 蛋白質的分解代謝是指蛋白質分解為氨基酸及氨基酸繼續(xù)分解為含氮的代謝產(chǎn)物、二氧化碳和水并釋放出能量的過程。 人體利用外源氨基酸及自身合成的氨基酸在遺傳信息的指導下生成蛋白質的過程即為蛋白質的生物合成。,第一節(jié) 蛋白質的生理功能 和營養(yǎng)作用,一、蛋白質在生命過程中的主要生理功能,維持組織的結構、生長、更新和修補有重要作用； 代謝中可以產(chǎn)生一些生理活性物質，參與接受和傳遞信息、調(diào)節(jié)機體的生長和分化； 某些蛋白質具有特殊的生理功能； 某些蛋白質可以起到生物催化作用和免疫保護作用； 蛋白質也可以提供能量。,二、蛋白質的營養(yǎng)作用,（一）氮平衡和蛋白質的需要量 人體必須經(jīng)常補充足夠質和量的蛋白質才能維持正常的生理活動，常用于確定人體蛋白需要量的方法為氮平衡法。 氮平衡是指攝入蛋白質的含氮量與排泄物（主要是糞便和尿）中含氮量之間的關系，它反映體內(nèi)蛋白質的合成與分解代謝的情況。,氮平衡的幾種類型：,氮的總平衡：攝入氮排出氮，即攝入蛋白質的量等于蛋白質的排出量稱為氮的總平衡，反映正常成人的蛋白質代謝狀況； 氮的正平衡：攝入氮排出氮，此種氮平衡情況常見于嬰幼兒、青少年、孕婦、乳母以及病后恢復期的患者; 氮的負平衡：攝入氮排出氮，常見于膳食中蛋白質的質欠佳或量不足，或體內(nèi)長期大量耗損，如饑餓、營養(yǎng)不良、消耗性疾病、大面積燒傷及大量失血等情況。,（二）營養(yǎng)必需氨基酸與蛋白質的營養(yǎng)價值,必需氨基酸是指體內(nèi)需要，但人體本身不能合成或合成速度不足以滿足需要，必須由食物蛋白質提供的氨基酸，包括纈氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、蘇氨酸、甲硫氨酸、賴氨酸、苯丙氨酸和色氨酸等8種。 組氨酸和精氨酸（酪氨酸）在嬰幼兒和兒童時期因其體內(nèi)合成量常不能滿足生長發(fā)育的需要，也必須由食物提供，稱為半必需氨基酸。,非必需氨基酸是指體內(nèi)需要的，但不是必須要從食物中攝取，可以在體內(nèi)通過一定的途徑合成的氨基酸。 食物蛋白質的營養(yǎng)價值的高低，主要決定于其所含必需氨基酸的種類、數(shù)量以及其相互比例是否與人體內(nèi)的蛋白質相似。 實際上評定食物蛋白質的營養(yǎng)價值還應包括食物蛋白質含量、蛋白質的消化率、蛋白質的利用率三個方面。,（三）蛋白質的互補作用,多種食物蛋白質混合食用時，其所含氨基酸之間可取長補短，發(fā)揮互補作用，稱為食物蛋白的互補作用。 發(fā)揮蛋白質的互補作用遵循原則：各種食物的生物化學屬性相距越遠越好；搭配的食物種類越多越好；各種食物同時食用。,（四）臨床應用上靜脈補液的氨基酸制劑,臨床上在治療因各種原因如燒傷、攝食困難、嚴重腹瀉或外科手術等引起的低蛋白質血癥時，為保證氨基酸的需要，?？山?jīng)靜脈補充氨基酸制劑。 臨床比較常用的氨基酸制劑包括：14氨基酸-800、6氨基酸-520等。,第二節(jié) 蛋白質的消化、吸收 與腐敗,一、蛋白質的消化,蛋白質的消化是指蛋白質在胃及腸道內(nèi)經(jīng)多種蛋白酶及肽酶協(xié)同作用水解為氨基酸及小肽后再被吸收的過程。,堿性氨基酸,芳香族氨基酸,脂肪族氨基酸,二、氨基酸的吸收,蛋白質的消化產(chǎn)物主要是游離氨基酸及一些小肽（主要是二肽和三肽），可被小腸粘膜所吸收（在小腸粘膜中被肽酶水解為游離氨基酸）。 遺傳學、轉運實驗和分子克隆研究證明：氨基酸主要通過小腸粘膜的刷狀緣上的載體蛋白轉運吸收。已證實的氨基酸載體蛋白目前有6種。,氨基酸,谷胱甘肽, -谷氨酰轉肽酶,半胱氨酰甘氨酸,-谷氨酰氨基酸, -谷氨酰環(huán)化轉移酶,5-氧脯氨酸,氨基酸, 5-氧脯氨酸酶,ATP,谷氨酸,ADP+Pi, 肽酶,甘氨酸,半胱氨酸,ATP, -谷氨酰半胱氨酸合成酶,ADP+Pi,-谷氨酰半胱氨酸, 谷胱甘肽合成酶,ATP,谷胱甘肽,ADP+Pi,（二）-谷氨?；h(huán),三、蛋白質的腐敗,腐敗作用是指食物中未被消化的蛋白質及未被吸收的氨基酸和小肽在大腸下部受腸道細菌的作用，發(fā)生一些化學變化、產(chǎn)生一系列產(chǎn)物的過程。 腐敗作用是細菌本身對氨基酸及蛋白質的代謝作用。 腐敗產(chǎn)物中有些是有一定營養(yǎng)價值的，如維生素K、泛酸、生物素、葉酸等；其他大多數(shù)腐敗產(chǎn)物對人體有害，如胺類、酚類、吲哚、硫化氫、氨等。,（一）脫羧基生成胺類,蛋白質,氨基酸,胺類,組氨酸,組胺,賴氨酸,尸胺,色氨酸,色胺,酪氨酸,酪胺,CO2,氨基酸脫羧酶,（二）腸道細菌產(chǎn)生氨,2H,腸 菌,H2O,尿素酶,（三）腐敗作用產(chǎn)生其他有害物質,第三節(jié) 蛋白質的降解,一、體內(nèi)蛋白質的轉換更新,人體內(nèi)的蛋白處于分解與合成的動態(tài)平衡之中，正常成人每日約更新整體總蛋白質質量的12%。 體內(nèi)各種組織蛋白的更新速率很不一致，它們的半壽期（蛋白質濃度減少到開始值的50%所需要的時間）相差很懸殊。 各種蛋白質更新率的調(diào)節(jié)機制目前尚不清楚，有研究顯示富含脯氨酸、谷氨酸、絲氨酸及蘇氨酸序列模體的蛋白質，其半壽期都較短。,二、體內(nèi)蛋白質降解機制,（一）ATP-非依賴的降解機制（溶酶體途徑） 體內(nèi)蛋白降解的溶酶體途徑無需ATP的參與，故又稱為ATP-非依賴性蛋白降解途徑。 溶酶體是一種具有單層膜結構的細胞器，含有50多種水解酶，稱為組織蛋白酶（最適pH偏酸性）。 通過這一途徑降解的主要是一些膜結合蛋白、胞內(nèi)長半壽期蛋白質及細胞外的蛋白質。,（二）ATP-依賴的降解機制（胞液途徑）,ATP-依賴的蛋白質降解機制既需要ATP，也需要泛素。 泛素是一種小分子蛋白質，普遍存在于所有真核細胞內(nèi)，是許多細胞內(nèi)蛋白質降解的標志。 參與此降解途徑的蛋白水解酶的最適pH為7.8，稱堿性蛋白酶類； 通過此途徑降解的為異常蛋白質、損傷的蛋白質和細胞內(nèi)短半衰期的蛋白質。,HS-E1,E1：泛素活化酶,ATP,AMP+PPi,HS-E2,E2：泛素攜帶蛋白,HS-E1,蛋白質,E3,E3：泛素蛋白連接酶,HS-E2,E4,E4：泛素-連接降解酶,氨基酸,三、氨基酸代謝庫,由食物蛋白質經(jīng)消化而被吸收的氨基酸（外源性氨基酸）與體內(nèi)組織蛋白質降解產(chǎn)生的氨基酸（內(nèi)源性氨基酸）混在一起，存在于細胞內(nèi)液、血液和其他體液中而參與代謝，稱為氨基酸代謝庫。 氨基酸的分解代謝過程主要在肝臟中進行，骨骼肌則是支鏈氨基酸分解的主要場所。 氨基酸代謝庫中氨基酸的主要功能是重新合成蛋白質和多肽，也可以通過一定途徑轉變?yōu)槠渌暮镔|。,氨基酸代謝庫的來源與去路,組織蛋白質,合成氨基酸,NH3,-酮酸,胺類,某些含氮化合物,組織蛋白質,食物蛋白質,第四節(jié) 氨基酸的分解代謝,體內(nèi)氨基酸分解代謝,氨基酸的脫氨基作用，這是氨基酸分解的主要反應； 氨與天冬氨酸來源的氮結合，形成尿素而排出體外； 氨基酸的碳骨架（即-酮酸）轉化為其他中間代謝物； 氨基酸也可以進行脫羧基作用而產(chǎn)生胺類。,一、氨基酸的脫氨基作用,（一）轉氨基作用 1.轉氨基作用與轉氨酶 轉氨基作用指在轉氨酶或氨基轉移酶的催化下，一種-氨基酸的氨基轉移到另一種的-酮酸的酮基上，使該-酮酸生成相應的-氨基酸，原來的-氨基酸則轉變?yōu)?酮酸的過程。 催化轉氨基反應的酶稱為轉氨酶或氨基轉移酶。,轉氨酶催化的反應是可逆的，平衡常數(shù)接近1.0，因此轉氨基作用也是體內(nèi)合成非必需氨基酸的重要途徑。 同位素標記實驗表明：20種編碼氨基酸中，除甘氨酸、脯氨酸、賴氨酸及蘇氨酸之外都可以參與轉氨基作用。,2.轉氨基作用的機制,（二）L-谷氨酸氧化脫氨基作用,氧化脫氨基作用是指氨基酸在脫氨的過程中伴隨有氧化的過程。,NAD+,NADH+H+,（三）聯(lián)合脫氨基作用,1.轉氨酶與谷氨酸脫氫酶的聯(lián)合脫氨基作用,NH3+NADH+H+,NAD+H2O,轉氨酶,L-谷氨酸脫氫酶,2.嘌呤核苷酸循環(huán),氨基酸,-酮酸,-酮戊二酸,L-谷氨酸,天冬氨酸,草酰乙酸,蘋果酸,延胡索酸,腺苷酸代琥珀酸,IMP,AMP,NH3,H2O,（四）非氧化脫氨基作用,直接脫氨基 脫水脫氨基 脫硫氫基脫氨基 水解脫氨基 還原脫氨基 解氨酶催化的脫氨基,二、-酮酸的代謝,（一）合成非必需氨基酸 （二）轉變?yōu)樘腔蛑?生糖氨基酸：體內(nèi)能轉變?yōu)樘堑陌被幔灿?3種； 生酮氨基酸：能轉變?yōu)橥w的氨基酸，如亮氨酸和賴氨酸； 生糖兼生酮氨基酸：既能轉變?yōu)樘怯帜苻D變?yōu)橥w的氨基酸，如異亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、蘇氨酸和酪氨酸。 （三）氧化供能,蛋白質,氨基酸,天冬氨酸,天冬酰胺,酪氨酸,苯丙氨酸,草酰乙酸,延胡索酸,琥珀酰CoA,檸檬酸,谷氨酸,乙酰乙酰CoA,酮體,淀粉、糖原,甘油,脂肪酸,脂肪,生糖氨基酸 生酮氨基酸 生糖兼生酮氨基酸,三、氨基酸的脫羧基作用,氨基酸可以通過脫羧基作用生成相應的胺類； 催化脫羧基反應的酶稱為脫羧酶，其輔酶是磷酸吡哆醛； 氨基酸脫羧酶的專一性很高，一般一種氨基酸對應一種脫羧酶，且只針對L-氨基酸起作用。,RCHO,RCOOH,CO2,O2 H2O,NH3 H2O2,1/2O2,（一）-氨基丁酸,-氨基丁酸（GABA）在腦中濃度較高，是一種抑制性神經(jīng)遞質； -氨基丁酸可與-酮二酸進行轉氨基作用，再氧化生成琥珀酸進入三羧酸循環(huán)代謝。,谷氨酸脫羧酶,CO2,（二）5-羥色胺,5-羥色胺（血清素）在腦的視丘下部、大腦皮層及神經(jīng)細胞的突觸小泡內(nèi)含量很高，它是一種抑制性神經(jīng)遞質； 5-羥色胺是一種強血管收縮劑和平滑肌收縮刺激劑。,色氨酸羥化酶,5-羥色氨酸脫羧酶,CO2,（三）?；撬??；撬崾墙Y合膽汁酸的組成成分，而膽汁酸在脂類的消化吸收、維持膽固醇在膽汁中的溶解狀態(tài)等方面起重要作用。 現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)腦組織中含有較多?；撬?，這表明其對腦的功能也有影響，可能也是一種抑制性神經(jīng)遞質。,CO2,（四）組胺,組胺在體內(nèi)分布廣泛，主要存在于胃腸粘膜、腦、肝和肌肉等組織中。 組胺具有強烈的血管擴張作用，毛細血管通透性增加，可誘發(fā)蕁麻疹等過敏反應。 在機體的炎癥及創(chuàng)傷部位常有組胺釋放，還具有促進平滑肌收縮主促進胃粘膜分泌胃蛋白酶與胃酸等作用。,CO2,（五）多胺,精胺與精脒能促進核酸和蛋白的生物合成，其最重要的生理功能是與細胞增殖及生長相關。 臨床上試用測定病人血或尿中多胺水平來作為腫瘤輔助診斷及病情變化的生化指標。,L-鳥氨酸,腐 胺,SAM,脫羧基SAM,CO2,CO2,精 脒,甲硫腺苷,甲硫腺苷,精 胺,第五節(jié) 氨 的 代 謝,一、二、體內(nèi)氨的來源和去路,其他含氮物分解,腎小管泌氨,氨基酸脫氨,直接經(jīng)尿排出體外,合成其他含氮物,合成尿素,合成酰胺,合成非必需氨基酸,腸道吸收氨,三、氨在體內(nèi)的運輸,（一）谷氨酰胺轉運氨,谷氨酰胺主要是從腦和肌肉等組織運送氨到肝和腎臟。 谷氨酰胺被認為是氨的解毒產(chǎn)物，也是氨的貯存和運輸形式。,NH3+ATP,ADP+Pi,H2O,NH3,（二）葡萄糖-丙氨酸循環(huán),四、尿素的生成,在人體，尿素是氨代謝的最終產(chǎn)物，無毒性，水溶性強，可由腎臟排出。 尿素是氨的主要去路，是氨或蛋白質中的氮的最主要終產(chǎn)物。成人排出氮的8090%是尿素中的氮。 尿素主要在肝中合成，其他器官如腎及腦等雖也能合成，但其含量極少。,（一）尿素合成的鳥氨酸循環(huán)學說,1932年Hans Krebs等根據(jù)一系列實驗，首先提出了尿素的鳥氨酸循環(huán)（尿素循環(huán)）。 由實驗分析提出：鳥氨酸與 氨及CO2結合生成瓜氨酸，瓜 氨酸再結合一分子氨生成精 氨酸，精氨酸水解生成尿素 及鳥氨酸。,（二）鳥氨酸循環(huán)過程,氨基甲酰磷酸,2ATP,N-乙酰谷氨酸,Pi,鳥氨酸,瓜氨酸,精氨酸,延胡索酸,氨基酸,草酰乙酸,蘋果酸,-酮戊 二酸,谷氨酸,-酮酸,精氨酸代 琥珀酸,瓜氨酸,天冬氨酸,ATP,AMP+PPi,鳥氨酸,尿素,2ADP+Pi,（三）尿素合成的調(diào)節(jié),食物蛋白質的影響 氨基甲酰磷酸合成酶-I（CPS-I）的影響 鳥氨酸循環(huán)的中間產(chǎn)物的影響 限速酶的影響,（四）高血氨和氨中毒,正常生理條件下，血氨的來源和去路保持動態(tài)平衡，血氨保持低濃度水平，氨在肝中合成尿素是維持該平衡的關鍵。 各種因素導致的鳥氨酸循環(huán)障礙，均可使血氨濃度升高，稱為高氨血癥，嚴重時甚至引起肝昏迷，可能的機制就是肝昏迷的氨中毒學說。 腦組織僅能合成極少量尿素，故在腦組織中解除氨毒性的主要機制是形成谷氨酰胺。,第六節(jié) 個別氨基酸的代謝,一、一碳單位的代謝,一碳單位又稱一碳基團，是指某些氨基酸在分解代謝中產(chǎn)生的含有一個碳原子的有機基團，包括甲基（-CH3）、亞甲基（-CH2-）、次甲基（-CH=）、甲?；∣=CH-）、羥甲基（-CH2-OH）和亞氨甲基（ HN=CH-）等。,（一）一碳單位的輔酶,一碳單位不能游離存在，四氫葉酸是這類基團的載體。 一碳單位由氨基酸生成的同時即結合在FH4的N5和/或N10位。 一碳單位主要來自甘氨酸、絲氨酸、色氨酸、組氨酸以及甲硫氨酸等。,（二）一碳單位的來源及轉換, 由絲氨酸和甘氨酸生成, 由組氨酸生成,N5-亞氨甲基-FH4,NH3,N5,N10-次甲基-FH4, 由色氨酸代謝生成,犬尿氨酸,HCOOH,N5-甲酰-FH4,FH4,SAM,甲基化產(chǎn)物,（三）一碳單位的功能,一碳單位是合成嘌呤和嘧啶的原料，在核酸生物合成中有重要作用； SAM提供甲基可參與體內(nèi)多種物質的合成，如腎上腺素、膽堿、膽酸等。,二、含硫氨基酸的代謝,（一）甲硫氨酸代謝,轉甲基作用與甲硫氨酸循環(huán),甲硫氨酸,S-腺苷甲硫氨酸,S-腺苷同型半胱氨酸,同型半胱氨酸,ATP,Pi+PPi,RH,RCH3