第八章 蛋白质降解与氨基酸代谢

　　一、 蛋白质消化、降解及氮平衡

　　1、 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。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。

　　2、 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。

　　3、 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。

　　4、 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。

　　氮总平衡：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、衰老。

　　二、 氨基酸分解代谢

　　氨基酸的分解代谢主要在肝脏中进行。氨基酸的分解代谢分一般分解代谢和个别氨基酸分解代谢。一般分解代谢分为脱氨基和脱羧基作用。

　　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。

　　1、 脱氨基作用

　　在动物中主要在肝脏中进行

　　1) 氧化脱氨基

　　第一步，脱氢，生成亚胺。第二步，水解。

　　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。

　　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+

　　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)。

　　2) 非氧化脱氨基作用(大多数在微生物的中进行)

　　①还原脱氨基;②水解脱氨基;③脱水脱氨基;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

　　3) 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。

　　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。

　　4) 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。

　　(2) 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

　　2、 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。

　　3、 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。

　　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。

　　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)：

　　(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。

　　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)

　　(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

　　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

　　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。

　　4、 氨基酸碳架的去向

　　20余种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余种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。

　　1) 转变成丙酮酸的途径

　　Ala、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 + FH4 + NAD+ → N5,N10-甲烯基FH4 + CO2 + NH4+ + NADH

　　(3)、 Ser 脱水、脱氢，生成丙酮酸(丝氨酸脱水酶)

　　(4)、 Thr 有3条途径

　　① 由Thr醛缩酶催化裂解成Gly和乙醛，后者氧化成乙酸 → 乙酰CoA。

　　(5)、 Cys 有3条途径

　　① 转氨，生成β-巯基丙酮酸，再脱巯基，生成丙酮酸。

　　② 氧化成丙酮酸

　　③加水分解成丙酮酸

　　2) 转变成乙酰乙酰CoA的途径

　　Phe、Tyr、Leu

　　(1)、 Phe → Tyr → 乙酰乙酰CoA

　　Phe、Tyr分解为乙酰乙酰CoA和延胡索酸的途径

　　(2)、 Tyr

　　产物：1个乙酰乙酰CoA(可转化成2个乙酰CoA。)，1个延胡索酸，1个CO2 ，

　　(3)、 Leu

　　产物：1个乙酰CoA，1个乙酰乙酰CoA，相当于3个乙酰CoA。

　　反应中先脱1个CO2 ，后又加1个CO2 ，C原子不变 。

　　(4)、 Lys

　　产物：1个乙酰乙酰CoA，2个CO2 。

　　在反应途中转氨：a. 氧化脱氨 ， b. 转氨

　　(5)、 Trp

　　产物：1个乙酰乙酰CoA，1个乙酰CoA，4个CO2 ，1个甲酸。

　　3) α-酮戊二酸途径

　　Arg、His、Gln、Pro、Glu形成α-酮戊二酸的途径

　　(1)、 Arg 产物：1分子Glu，1分子尿素

　　(2)、 His 产物：1分子Glu，1分子NH3 ,1分子甲亚氨基

　　(3)、 Gln 三条途径

　　①. Gln酶： Gln + H2O → Glu + NH3

　　② Glu合成酶： . Gln+α-酮戊二酸 + NADPH → 2Glu + NADP+

　　③ 转酰胺酶：Gln+α-酮戊二酸 → Glu + r-酮谷酰氨酸 → α-酮戊二酸 + NH4+

　　(4)、 Pro 产物：Pro → Glu

　　Hpro → 丙酮酸 + 丙醛酸

　　4) 琥珀酰CoA途径

　　Met、Ile、Val转变成琥珀酰CoA

　　(1)、 Met 给出1个甲基，将-SH转给Ser(生成Cys)，产生一个琥珀酰CoA

　　(2)、 Ile 产生一个乙酰CoA和一个琥珀酰CoA

　　(3)、 Val

　　5)草酰乙酸途径

　　Asp和Asn可转变成草酰乙酸进入TCA，Asn先转变成Asp(Asn酶)，Asp经转氨作用生成草酰乙酸.

　　6)延胡索酸途径

　　Phe、Tyr可生成延胡索酸。

　　生糖氨基酸与生酮氨基酸

　　生酮氨基酸：Phe、Tyr、Leu、Lys、Trp。在分解过程中转变为乙酰乙酰CoA，后者在动物肝脏中可生成乙酰乙酸和β-羟丁酸，因此这5种a.a.称生酮a.a.

　　生糖氨基酸：凡能生成丙酮酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸、草酰乙酸的a.a.都称为生糖a.a，它们都能生成Glc。

　　而Phe、Tyr是生酮兼生糖a.a。

　　5、 由氨基酸衍生的其它重物质

　　1)由氨基酸产生一碳单位

　　一碳单位：具有一个碳原子的基团，包括：亚氨甲基(-CH=NH)，甲酰基( HC=O-)，羟甲基(-CH2OH)，亚甲基(又称甲叉基，-CH2)，次甲基(又称甲川基，-CH=)，甲基(-CH3)

　　一碳单位不仅与a.a.代谢密切相关，还参与嘌呤、嘧啶的生物合成，是生物体内各种化合物甲基化的甲基来源。

　　Gly、Thr、Ser、His、Met 等a.a.可以提供一碳单位。

　　一碳单位的转移靠四氢叶酸(5，6，7，8-四氢叶酸)，携带甲基的部位是N 5、N 10

　　2) 氨基酸与生物活性物质

　　(1)、 Tyr与黑色素

　　(2)、 Tyr与儿茶酚胺类

　　可生成多巴、多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素，这四种统称儿茶酚胺类。前二者是神经递质，后二者是激素

　　Tyr形成多巴、多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素

　　(3)、 Trp与5-羟色胺及吲哚乙酸

　　Trp形成5-羟色胺及吲哚乙酸

　　5-羟色胺是神经递质，促进血管收缩

　　(4)、 肌酸和磷酸肌酸(Arg、Gly、Met)

　　肌酸和磷酸肌酸，在贮存和转移磷酸键能中起重要作用。它们存在于动物的肌肉、脑、血液中。Arg、Gly、Met形成磷酸肌酸

　　肌酸合成中的甲基化：S-腺苷Met

　　(5)、 His与组胺

　　His脱羧生成组胺，是一种血管舒张剂，在神经组织中是感觉神经的一种递质。

　　(6)、 Arg → 水解 → 鸟氨酸 → 脱羧 → 腐胺 → 亚精胺 → 精胺

　　(7)、 Glu与r-氨基丁酸

　　Glu本身就是一种兴奋性神经递质(还有Asp)，在脑、脊髓中广泛存在。Glu脱羧形成的r-氨基丁酸是一种抑制性神经递质。

　　(8)、 牛磺酸和Cys

　　Cys 的SH氧化成-SO3-，并脱去-COO - 就形成了牛磺酸，牛磺酸与胆汁酸结合，乳化食物。

　　6、 氨基酸代谢缺陷症

　　苯丙酮尿症(PKU)

　　三、 氨基酸合成代谢

　　1、 氨基酸合成中的氮源和碳源

　　1) 氮源(无机氮不行)

　　(1)生物固氨(微生物)

　　a.与豆科植物共生的根瘤菌

　　b.自养固氮菌 兰藻

　　在固氮酶系作用下，将空气中的N2固定，产生NH3

　　(2)硝酸盐和亚硝酸盐 (植物、微生物)

　　(3)各种脱氨基酸作用产生的NH3(所有生物)

　　2) 碳源

　　直接碳源是相应的α-酮酸，植物能合成20种a.a.相应的全部碳架或前体。人和动物只能直接合成部分a.a.相应的α-酮酸。

　　主要来源：糖酵解、TCA、磷酸已糖支路。

　　必需氨基酸：Ile、Leu、Lys、Met、Phe、Thr、Trp、Val、(Arg、His)

　　3) 植物、部分微生物a.a.合成方式

　　①α-酮戊二酸衍生类型 Glu、Gln、Pro、Arg、Lys(蕈类、眼虫)

　　与a.a.分解进入α-酮酸的途径比较，少了一种a.a.，即His。

　　②草酰乙酸衍生类型 Asp、Asn、Met、Thr、Ile(也可归入丙酮类)、Lys(植物、细菌)

　　经TCA中间产物(α-酮戊二酸、草酰乙酸)可合成10种a.a.，即Glu、Gln、Pro、Arg、Asp、Asn、Met、Thr、Ile、Lys。

　　③丙酮酸衍生类型 Ala、Val(Ile)、Leu

　　④3-磷酸甘油酸衍生类型 Ser、Gly、Cys

　　经酵解中间产物(3-磷酸甘油酸、丙酮酸)，可合成Ser、Cys、Gly、 Ala、Val、Leu等6种a.a。

　　⑤经酵解及磷酸戊糖中间产物(磷酸烯醇丙酮酸、4-磷酸赤藓糖)，可合成Phe、Tyr、Trp等3种芳香族a.a。

　　⑥His有自己独特的合成途径，与其它氨基酸之间没有关系

　　2、 脂肪族氨基酸生物合成途径

　　1) α-酮戊二酸衍生类型(Glu、Gln、Pro、Arg、Lys(蕈类、眼虫))

　　(1)、 Glu的合成

　　由α-酮戊二酸与游离氨，经L-Glu脱氢酸催化。对于植物和微生物，氨的来源是Gln的酰胺基。

　　(2)、 Gln的合成

　　由α-酮戊二酸形成Glu，由Glu可以进一步形成Gln，

　　Gln合酶是催化氨转变为有机含氮物的主要酶，活性受8种含氮物反馈调控：

　　氨基Glc-6-P、Trp、Ala、 Gly、 His和CTP、 AMP、氨甲酰磷酸。

　　除Gly、Ala，其余含氮物的氮都来自Gln。

　　(3)、 Pro的合成 (Glu环化而成)

　　(4)、 Arg合成

　　(5)、 Lys合成

　　① α-酮戊二酸衍生型(蕈类、眼虫)

　　② 天冬氨酸、丙酮酸衍生型(植物、细菌)

　　2) 草酰乙酸衍生类型(Asp、Asn、Met、Thr、Ile、Lys(植物、细菌))

　　(1)、 Asp合成

　　(2)、 Asn合成(转移酰胺基)

　　哺乳动物

　　(3)、 Met合成

　　(4)、 Thr合成

　　Lys、Met、Thr合成中，有一段共同途径，即生成Asp-β-半醛，是一个分枝点化合物。

　　(5)、 Ile合成 (与Val极为相似)

　　Ile的合成途径与Val极为相似。

　　6个C中4个来自Asp(Asp → Thr)，2个来自丙酮酸，所以也可以归入丙酮酸衍生型。

　　(6)、 Lys(植物、细菌) P267 图17-5

　　3) 丙酮酸衍生型(Ala、Val(Ile)、Leu)

　　4) 3-磷酸甘油酸衍生型(Ser、Gly、Cys)

　　3、 芳香族氨基酸及His的生成合成

　　1) Phe、Tyr、Trp的合成

　　分枝酸 ： 2磷酸烯醇丙酮酸，1个赤藓糖4-P

　　2)His合成

　　本章重点：脱氨的几种方式;氨的去路;尿素的合成;氨的转运;脱氨后碳架的去向;a.a.合成中的碳源氮源;Gln、Glu合成;一碳单位及作用