第30章蛋白質(zhì)降解和氨基酸的分解代謝

(Proteindegradationandaminoacidscatabolism)一、蛋白質(zhì)的降解二、氨基酸的分解代謝三、尿素的形成四、氨基酸碳骨架的氧化途徑五、生糖氨基酸和生酮氨基酸六、由氨基酸衍生的其他重要物質(zhì)七、氨基酸代謝缺陷癥2021/5/91氮素循環(huán)硝化作用反硝化作用固氮作用2021/5/92一、蛋白質(zhì)的降解

高等動物攝入的蛋白質(zhì)在消化道內(nèi)被胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、彈性蛋白酶、羧肽酶、氨肽酶等降解，全部轉(zhuǎn)變成氨基酸，被小腸吸收。機體對外源蛋白質(zhì)的消化吸收2021/5/93細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的降解

細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)是處于不斷地周轉(zhuǎn)（turnover）的。一些異常的蛋白質(zhì)、不需要的蛋白質(zhì)需要清除。對一種特定的蛋白質(zhì)來說，它在細胞中的含量取決于合成和降解的速率。通過對一些代謝途徑的關(guān)鍵酶的合成和降解，控制酶的含量，也是控制代謝途徑運行的一個重要措施。2021/5/94細胞內(nèi)蛋白質(zhì)降解的機構(gòu)

蛋白質(zhì)降解是限制在細胞內(nèi)的特定區(qū)域的，一種是稱為蛋白酶體（proteasome）的大分子結(jié)構(gòu)，另一種是具有單層膜的細胞器溶酶體（lysosome）。

溶酶體中含有約50種水解酶，它與吞噬泡及細胞內(nèi)產(chǎn)生的一些自噬泡融合，然后將攝取的各種蛋白質(zhì)全部降解，對被降解的蛋白質(zhì)沒有選擇性。被降解的蛋白質(zhì)在進入蛋白酶體降解之前，需要被泛肽標(biāo)記。2021/5/95泛肽依賴性蛋白降解途徑

泛肽依賴性蛋白降解途徑(Ubiquitin-dependentproteolyticpathway)是目前已知的最重要的，有高度選擇性的蛋白質(zhì)降解途徑。它通過調(diào)節(jié)功能蛋白質(zhì)的周轉(zhuǎn)(turnover)或降解不正常蛋白，實現(xiàn)對多種代謝過程的調(diào)節(jié)。2021/5/96泛肽

泛肽（ubiquitin）又名遍在蛋白質(zhì)、泛素，它是一個由76個氨基酸殘基組成的小蛋白質(zhì)。它通過其C端Gly的羧基與被降解的蛋白質(zhì)的氨基共價結(jié)合，通常結(jié)合在Lys的ε氨基上，這是一個需要消耗ATP的反應(yīng)。這樣給被降解的蛋白質(zhì)作了一個標(biāo)記，隨后將標(biāo)記了的靶蛋白質(zhì)引入蛋白酶體中降解。一般有多個串聯(lián)的泛肽連接到一個靶蛋白上，形成多泛肽鏈，后面的每一個泛肽的C端羧基連接到前一個泛肽的Lys48的ε氨基上。2021/5/97催化泛肽與靶蛋白連接的酶

使泛肽與靶蛋白質(zhì)連接涉及到4種酶——E1、E2、E3、E4。E1：泛肽活化酶（ubiquitin-activatingenzyme）E2：泛肽載體蛋白（ubiquitin-carrierprotein）E3：泛肽-蛋白質(zhì)連接酶（ubiquitin-proteinligase）E4：泛肽鏈延長因子（ubiquitinchainelongationfactor）

E2、E3和E4都分別是一個蛋白質(zhì)家族，家族的不同成員分布在不同的細胞區(qū)域。2021/5/98泛肽與靶蛋白的連接泛肽的活化泛肽活化酶2021/5/99泛肽與靶蛋白的連接泛肽的轉(zhuǎn)移及與靶蛋白連接泛肽載體蛋白泛肽-蛋白質(zhì)連接酶2021/5/910泛肽蛋白質(zhì)連接酶

E3在識別和選擇被降解蛋白質(zhì)的過程中起著重要的作用。E3主要是通過備選蛋白質(zhì)N端氨基酸的性質(zhì)來選擇靶蛋白質(zhì)的，以Met、Ser、Ala、Thr、Val、Gly或Cys為N末端的蛋白質(zhì)對泛肽介導(dǎo)的降解途徑有抗性，而以Arg、Lys、His、Phe、Tyr、Trp、Leu、Asn、Gln、Asp或Glu為N末端的蛋白質(zhì)的半壽期只有2～30分鐘。

也有的E3識別靶蛋白肽鏈中的某一段序列。2021/5/911RelationshipbetweenProtein

Half-LifeandAmino-TerminalAminoAcidResidueAmino-terminalresidueHalf-lifeStabilizingMet,Gly,Ala,Ser,Thr,Val>20hDestabilizingIle,Gln~30minTyr,Glu~10minPro~7minLeu,Phe,Asp,Lys~3minArg~2min2021/5/912泛肽蛋白質(zhì)連接酶

E3是一個蛋白質(zhì)家族，根據(jù)它們識別靶蛋白質(zhì)特異性位點的不同，可將它們可分為3種識別類型：類型Ⅰ識別N末端為堿性氨基酸的蛋白質(zhì)，如Arg、Lys或His；類型Ⅱ識別N末端為大疏水基團氨基酸的蛋白質(zhì)，如Phe、Tyr、Trp或Leu；類型Ⅲ識別肽鏈中間的特異序列。

以酸性氨基酸為N末端的蛋白質(zhì)的降解需要tRNA參與，將Arg-tRNA的Arg轉(zhuǎn)移到酸性蛋白質(zhì)的N末端，使之轉(zhuǎn)變成堿性N末端，然后與泛肽連接。2021/5/913Arg-tRNA將蛋白質(zhì)的酸性氨基酸N末端轉(zhuǎn)變成堿性氨基酸N末端2021/5/914泛肽系統(tǒng)的梯級結(jié)構(gòu)2021/5/915E3與靶蛋白質(zhì)的各種識別模式1.E3與靶蛋白的N端識別結(jié)合。2.E3被激活劑激活后與靶蛋白識別結(jié)合。3.E3與磷酸化的靶蛋白識別結(jié)合。4.E3被磷酸化后與靶蛋白識別結(jié)合。5.E3被磷酸化后與磷酸化的靶蛋白識別結(jié)合。6.E3通過一個輔助蛋白與靶蛋白識別結(jié)合。7.E3與變性后的（解折疊的）靶蛋白識別結(jié)合。2021/5/916被泛肽介導(dǎo)降解蛋白質(zhì)的特點

大多數(shù)具有敏感N末端氨基酸殘基的蛋白質(zhì)不是正常的細胞內(nèi)蛋白質(zhì)，而很可能是分泌性蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)通過信號肽酶的作用暴露出敏感的N末端氨基酸殘基。也許N末端識別系統(tǒng)的功能就是識別和清除任何入侵的異質(zhì)蛋白質(zhì)或分泌性蛋白質(zhì)。

其他觸發(fā)泛肽連接和蛋白酶體降解的蛋白質(zhì)含有PEST序列，PEST序列是一個富含Pro、Glu、Ser和Thr殘基的高度保守的短序列。2021/5/917PESTsequence

Certainaminoacidsequencesappeartobesignalsfordegradation.OnesuchsequenceisknownasthePESTsequencebecauseshortstretchofabouteightaminoacidsisenrichedwithproline(P),glutamicacid(E),serine(S),andthreonine(T).AnexampleisthetranscriptionfactorGcn4p.Thisproteinis281aminoacidsinlengthandthePESTsequenceisfoundatpositions91-106.Thenormalhalf-lifeofthisproteinisabout5minutes.ButifthePESTsequence(andonlythePESTsequence)isremoved,thehalf-lifeincreasesto50minutes.2021/5/918蛋白酶體

蛋白酶體是一個大的寡聚體結(jié)構(gòu)，有一個中空的腔。古細菌Thermoplasmaacidophilum的蛋白酶體為20S、700kD的桶狀結(jié)構(gòu)，由兩種不同的亞基α和β組成，它們締合成α7β7β7α7四個堆積的環(huán)。這個桶有15nm高，直徑11nm，中間有一個可分為3個區(qū)域的空腔，蛋白質(zhì)降解就發(fā)生在這個腔中。兩端的α7環(huán)解折疊被降解的蛋白質(zhì)，并將其送入中央的腔內(nèi)，而β亞基具有蛋白裂解活性。蛋白酶體降解蛋白質(zhì)的產(chǎn)物為7～9個氨基酸殘基的寡肽。2021/5/919古細菌T.acidophilum20S蛋白酶體的結(jié)構(gòu)

頂面觀側(cè)面觀縱剖面觀2021/5/920真核細胞中的蛋白酶體

真核細胞含有兩種蛋白酶體：20S和26S蛋白酶體。26S蛋白酶體（1700kD）是一個45nm長的結(jié)構(gòu)，是在20S蛋白酶體的兩端各加上1個19S的帽結(jié)構(gòu)或稱PA700（Proteasomeactivator-700kD），這種帽結(jié)構(gòu)至少由15個不同的亞基組成，其中許多有ATP酶活性。與古細菌20S蛋白酶體不同，真核細胞的蛋白酶體含有7個不同的α亞基及7個不同的β亞基。2021/5/921泛肽∣蛋白酶體降解途徑ubiquitin26Sproteasome19Scaps2021/5/922細胞周期蛋白的周期性變化

在細胞周期中，細胞周期蛋白（cyclin）周期性的合成和降解，從而調(diào)節(jié)細胞的分裂。2021/5/923G2PhaseNoDNAsynthesis.RNAandproteinsynthesiscontinue.MPhaseMitosis(nucleardivision)andcytokinesis(celldivision)yieldtwodaughtercells.G0PhaseTerminallydifferentiatedcellswithdrawfromcellcycleindefinitely.ReentrypointAcellreturningfromG0entersatearlyG1phase.G1PhaseRNAandproteinsynthesis.NoDNAsynthesis.RestrictionpointAcellthatpassesthispointiscommittedtopassintoSphase.SPhaseDNAsynthesisdoublestheamountofDNAinthecell.RNAandproteinalsosynthesized.細胞周期2021/5/924DBRP及其識別序列DestructionboxofcyclinArg-Thr-Ala-Leu-Gly-Asp-Ile-Gly-Asn（此序列靠近Cyclin的N端）DBRPDestructionboxrecognizingproteinCDKCyclin-dependentproteinkinaseCyclin細胞周期蛋白2021/5/925Cyclin-CDK在細胞周期中的變化2021/5/926Cyclin的降解CDK2021/5/927細胞周期蛋白的

作用之一2021/5/928二、氨基酸分解代謝

氨基酸是合成蛋白質(zhì)和肽類物質(zhì)的基本成分，可以氧化釋放出能量，還可以轉(zhuǎn)變成各種其他含氮物質(zhì)。氨基酸的分解一般有三步：1.脫氨基；2.脫下的氨基排出體外，或轉(zhuǎn)變成尿素或尿酸排出體外；3.氨基酸脫氨后的碳骨架進入糖代謝途徑徹底氧化。

碳骨架也可以進入其他代謝途徑用于合成其他物質(zhì)。2021/5/929（一）氨基酸的轉(zhuǎn)氨作用××轉(zhuǎn)氨酶谷草轉(zhuǎn)氨酶

α-酮酸1氨基酸2氨基酸1α-酮酸22021/5/930轉(zhuǎn)氨反應(yīng)機制

轉(zhuǎn)氨酶以磷酸吡哆醛為輔基，從氨基酸上脫下的氨基先結(jié)合在磷酸吡哆醛上，氨基酸轉(zhuǎn)變成α－酮酸，然后氨基轉(zhuǎn)到另一個α酮酸的α碳上，產(chǎn)生新的氨基酸。結(jié)合氨的反應(yīng)是脫氨反應(yīng)的逆反應(yīng)。轉(zhuǎn)氨反應(yīng)機制詳見P305圖30-3。2021/5/931轉(zhuǎn)氨酶（aminotransferase)

催化轉(zhuǎn)氨反應(yīng)的酶很多，大多數(shù)轉(zhuǎn)氨酶以α－酮戊二酸為氨基受體，而對氨基供體無嚴格要求。動物和高等植物的轉(zhuǎn)氨酶一般只催化L-氨基酸的轉(zhuǎn)氨，某些細菌中也有可以催化D-和L-兩種構(gòu)型氨基酸轉(zhuǎn)氨的轉(zhuǎn)氨酶。2021/5/932葡萄糖－丙氨酸循環(huán)

在肌肉中有一組轉(zhuǎn)氨酶，可把肌肉中糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸當(dāng)作氨基的受體。形成的丙氨酸進入血液，運輸?shù)礁闻K，在肝臟中再次轉(zhuǎn)氨產(chǎn)生丙酮酸，丙酮酸可進入糖異生途徑產(chǎn)生葡萄糖，再回到肌肉中。通過葡萄糖－丙氨酸循環(huán)，將肌肉中的氨運輸?shù)搅烁闻K。在肝臟中，氨可轉(zhuǎn)變成尿素，從尿液中排出。2021/5/933葡萄糖∣丙氨酸循環(huán)2021/5/934（二）谷氨酸氧化脫氨作用

轉(zhuǎn)氨作用產(chǎn)生了大量的谷氨酸，谷氨酸可以在谷氨酸脫氫酶的作用下發(fā)生氧化脫氨（谷氨酸→α-酮戊二酸），該酶以NAD+作為氧化劑。而在催化逆反應(yīng)時（α-酮戊二酸→谷氨酸）以NADPH為還原劑。谷氨酸脫氫酶由6個亞基組成，存在于細胞溶膠中，它受GTP和ATP的別構(gòu)抑制，受ADP的別構(gòu)激活。2021/5/935谷氨酸的氧化脫氨反應(yīng)谷氨酸α-亞氨基戊二酸α-酮戊二酸谷氨酸脫氫酶谷氨酸脫氫酶2021/5/936（三）其他氧化脫氨作用

L-氨基酸氧化酶和D-氨基酸氧化酶以FAD為輔基，催化L-及D-氨基酸的氧化脫氨反應(yīng)。產(chǎn)生的FADH2又被O2氧化。氨基酸+FAD+H2O→α－酮酸+NH3+FADH2FADH2+O2→FAD+H2O2氨基酸+

O2+H2O→α－酮酸+NH3+H2O22021/5/937D-氨基酸氧化酶的作用

TheprimaryfunctionofD-aminoacidoxidase,presentathighlevelsinthekidney,isthoughttobethedetoxificationofingestedD-aminoacidsderivedfrombacterialcellwallsandfromcookedfoodstuffs(heatcausessomespontaneousracemizationoftheL-aminoacidsinproteins).Oxalate,whetherobtainedinfoodsorproducedenzymaticallyinthekidneys,hasmedicalsignificance.Crystalsofcalciumoxalateaccountforupto75%ofallkidneystones.2021/5/938（四）聯(lián)合脫氨作用（transdeamination)天冬氨酸次黃嘌呤核苷酸腺苷酸代琥珀酸(IMP)

在肝臟中，通過轉(zhuǎn)氨反應(yīng)形成谷氨酸，谷氨酸進入線粒體，在谷氨酸脫氫酶催化下發(fā)生氧化脫氨的反應(yīng)為聯(lián)合脫氨。而在骨骼肌和心肌中，L-谷氨酸脫氫酶的活性弱,難于進行氧化脫氨,這些組織中的氨基酸主要通過嘌呤核苷酸循環(huán)進行聯(lián)合脫氨作用。2021/5/939腺苷酸次黃嘌呤核苷酸腺苷酸代琥珀酸腺苷酸（AMP）延胡索酸裂解酶聯(lián)合脫氨作用2021/5/940（五）氨基酸的脫羧基作用

機體內(nèi)部分氨基酸可進行脫羧反應(yīng)，生成相應(yīng)的一級胺。催化脫羧反應(yīng)的酶稱為脫羧酶（decarboxylase），這類酶的輔基為磷酸吡哆醛。

氨基酸磷酸吡哆醛醛亞胺

一級胺磷酸吡哆醛2021/5/941（六）氨的命運

氨對生物機體是有毒物質(zhì)，特別是高等動物的腦對氨極為敏感，血液中1%的氨就可引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)中毒，因此氨的排泄是生物體維持正常生命活動所必需的。1.排氨動物：某些水生或海洋動物，如原生動物和線蟲以及魚類、水生兩棲類等。2.排尿酸動物：鳥類和陸生的爬行動物。3.排尿素動物：絕大多數(shù)陸生動物。2021/5/942氨、尿素及尿酸的結(jié)構(gòu)氨尿酸尿素2021/5/943氨的轉(zhuǎn)運

氨的轉(zhuǎn)運主要是通過谷氨酰胺的形式。多數(shù)動物細胞中有谷氨酰胺合成酶（glutaminesynthetase），它催化氨和谷氨酸反應(yīng)生成谷氨酰胺，同時消耗1個ATP。NH4++谷氨酸+ATP——————→

谷氨酰胺+ADP+Pi+H+

谷氨酰胺合成酶

谷氨酰胺由血液運送到肝臟，肝細胞的谷氨酰胺酶又將其分解為谷氨酸和氨。2021/5/944谷氨酰胺的合成酶酶谷氨酰-5-磷酸2021/5/945三、尿素的形成

氨是通過尿素循環(huán)合成尿素的。尿素循環(huán)是由發(fā)現(xiàn)檸檬酸循環(huán)的Krebs和他的學(xué)生KurtHenseleit發(fā)現(xiàn)的，并且比發(fā)現(xiàn)檸檬酸循環(huán)還早5年。

Krebs和他的學(xué)生觀察到，往懸浮有肝臟切片的緩沖液中加入鳥氨酸、瓜氨酸或精氨酸中的任何一種時，都可以促使肝臟切片顯著加快尿素的合成，而其他任何氨基酸或含氮化合物都沒有這個作用。他們研究了這3種氨基酸的結(jié)構(gòu)關(guān)系，提出了尿素循環(huán)途徑。2021/5/946Krebs和Henseleit最早提出的尿素循環(huán)2021/5/947尿素循環(huán)全圖1.氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ2.鳥氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶3.精氨琥珀酸合成酶4.精氨琥珀酸酶5.精氨酸酶線粒體細胞溶膠2021/5/948氨甲酰磷酸合成機理2021/5/949尿素循環(huán)與檸檬酸循環(huán)的聯(lián)系Krebs’Bicycle2021/5/950尿素循環(huán)的調(diào)節(jié)

氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ存在于線粒體中，它被N-乙酰谷氨酸別構(gòu)激活。N-乙酰谷氨酸是由N-乙酰谷氨酸合酶催化谷氨酸和乙酰CoA合成的。

當(dāng)氨基酸降解加速時，谷氨酸濃度升高，N-乙酰谷氨酸也增高，激活了氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ，從而使尿素循環(huán)速度加快。

當(dāng)尿素循環(huán)中某些酶遺傳性不足時，除精氨酸酶外，都不會因此發(fā)生尿素的重大減量，但會產(chǎn)生“高氨血癥”。產(chǎn)生智力遲鈍、嗜睡等癥狀。2021/5/951四、氨基酸碳骨架的氧化途徑TCACycle2021/5/952（一）形成乙酰CoA的途徑1.經(jīng)丙酮酸到乙酰CoA的途徑經(jīng)此途徑降解的氨基酸有：丙氨酸絲氨酸甘氨酸半胱氨酸蘇氨酸2021/5/953Thr→Gly→Ser蘇氨酸醛縮酶絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶甘氨酸蘇氨酸絲氨酸N5,N10-甲烯基FH42021/5/954Ser、Cys、Ala→乙酰CoA半胱氨酸丙氨酸絲氨酸絲氨酸脫水酶乙酰CoA加氧轉(zhuǎn)氨脫硫丙酮酸2021/5/955絲氨酸脫水酶的催化機理2021/5/956甘氨酸的主要分解代謝途徑H3N

-

CH2-

COO－

+THF+NAD+——→

N

5,N

10

-甲叉THF+CO

2+NH

4++NADH+H

+2021/5/957蘇氨酸的其他分解代謝途徑蘇氨酸脫水酶蘇氨酸脫氫酶α-酮丁酸α-氨基-β-酮丁酸氨基丙酮2021/5/958（一）形成乙酰CoA的途徑2.經(jīng)乙酰乙酰CoA到乙酰CoA的途徑經(jīng)此途徑降解的氨基酸有：苯丙氨酸酪氨酸亮氨酸賴氨酸色氨酸2021/5/959Lys、Trp、Phe、Tyr、Leu經(jīng)乙酰乙酰CoA到乙酰CoA色氨酸苯丙氨酸亮氨酸賴氨酸酪氨酸乙酰CoA乙酰乙酰CoA延胡索酸go單加氧酶4步反應(yīng)2021/5/960（二）α-酮戊二酸途徑經(jīng)此途徑降解的氨基酸有：精氨酸組氨酸脯氨酸谷氨酰胺谷氨酸2021/5/961Arg、His、Pro、Gln、Glu→α－酮戊二酸脯氨酸精氨酸谷氨酰胺組氨酸谷氨酸α－酮戊二酸谷氨酸γ-半醛2021/5/962（三）形成琥珀酰CoA的途徑經(jīng)此途徑降解的氨基酸有：甲硫氨酸異亮氨酸纈氨酸2021/5/963Met、Ile、Val→琥珀酰CoA異亮氨酸甲硫氨酸纈氨酸琥珀酰CoA羧化2021/5/964（四）形成延胡索酸途徑back經(jīng)此途徑降解的氨基酸有：苯丙氨酸酪氨酸苯丙氨酸—————————→酪氨酸→→→苯丙氨酸羥化酶2021/5/965（五）形成草酰乙酸途徑經(jīng)此途徑降解的氨基酸有：天冬氨酸天冬酰胺2021/5/966Asp、Asn→草酰乙酸天冬酰胺天冬氨酸草酰乙酸天冬酰胺酶2021/5/967五、生糖氨基酸和生酮氨基酸

凡能形成丙酮酸、α－酮戊二酸、琥珀酸和草酰乙酸的氨基酸稱為生糖氨基酸（glucogenicaminoacids）。（Arg、His、Pro、Gln、Glu、Met、