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1、第七章 氨基酸代谢二一三年十一月二日星期六目标：1.熟悉蛋白质的酶促降解过程。2.掌握氨基酸分解代谢的一般规律（脱氨基和脱羧基作用，氨基酸分解产物氨和 - 酮酸的去路，尿素的合成） 。3.掌握氨基酸合成途径的类型、必需氨基酸和一碳单位概念；了解某些重要生物活性物质的合成。导入：蛋白质是生命的物质基础，也是能源物质。蛋白质在体内首先分解为氨基酸而后再进一步代谢，所以氨基酸代谢是蛋白质分解代谢的中心内容。本章重点讲述氨基酸分解代谢。蛋白质的合成另立一章。第一节 蛋白质的酶促降解一、蛋白质的营养价值蛋白质是重要的营养素，人和动物摄食蛋白质用以维持细胞、组织的生长、更新和修补；产生酶、激素、抗体和神经
2、递质等多种重要的生理活性物质，这是糖和脂类不可替代的。每克蛋白质在体内氧气分解产生 4 千卡能量。植物和大多数细菌能够合成全部 20 种基本氨基酸。然而哺乳类不能全部合成。对于成人来说，缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸和色氨酸必须由食物供应，称为营养必需氨基酸，对婴幼儿，组氨酸和精氨酸不能满足营养需要量。可由生物机体合成的氨基酸称为非必需氨基酸。蛋白质的营养价值取决于所含氨基酸的种类、数量及其比例，如果某种食物蛋白中必需氨基酸的种类和比例与人体组织蛋白接近，其营养价值就高。营养价值较低的蛋白质混合食用，可使必需氨基酸相互补充提高其营养价值，这称为蛋白质的互补作用。蛋
3、白质的生理需要量根据氮平衡实验，我国营养学会推荐成人每日需要量为 80 克。二、蛋白质的酶促降解蛋白质大分子难以通透生物膜吸收，有时有些抗原、毒素可少量通过粘膜细胞吞饮进入体内而引起过敏、毒性反应。食物蛋白必需经过消化，水解成氨基酸才被机体利用。消化自胃中开始，主要在小肠进行。蛋白水解酶又称肽酶，包括内肽酶、外肽酶、寡肽酶和二肽酶。内肽酶有胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶，对肽链内肽键的特异性不同。胃蛋白酶对底物特异性较低，主要水解 Phe、Try C 端的肽键；胰蛋白酶水解 Lys、Arg C 端；胰凝乳蛋白酶作用 Phe、Try C 端；弹性蛋白酶作用脂肪族氨基酸 C 端。羧肽
4、酶、氨肽酶是外肽酶，羧肽酶 B 要求肽的 C 末端氨基酸残基必须是 Arg、Lys；羧肽酶 A 则水解除 Arg、Lys，Pro 或羟脯氨酸外的 C 末端氨基酸残基。胃粘膜主细胞分泌胃蛋白酶原（pepsinogen） ，经胃酸激活生成胃蛋白酶。胃蛋白酶有自身激活作用。胰酶的前体也是无活性的酶原，进入十二指肠后，胰蛋白酶原迅速被肠激酶激活；胰蛋白酶自身激活作用不强，加上胰液中存在的胰蛋白酶抑制剂，可保护胰脏免遭自身消化，但胰蛋白酶能迅速激活胰液中其他几种酶原。组织蛋白酶不同于消化道中的蛋白酶。动物死后，组织自溶和尸体腐烂与它有关。植物的种子、幼苗、叶和果实都含有蛋白酶，种子萌发时，蛋白酶的活力最
5、强。某些微生物在适当的条件下能产生大量的细胞外蛋白酶，利用工业发酵可生产蛋白酶。氨基酸的吸收主要在小肠，是一个耗能的主动吸收过程。外源性氨基酸和内源性氨基酸混合，共同组成氨基酸代谢库，其去路大部分用以合成组织蛋白质。 第二节 氨基酸的一般代谢氨基酸的一般代谢是指各种氨基酸共同的分解代谢途径。开始于脱氨作用；氨与天冬氨酸的 N 原子结合，形成尿素并被排放；氨基酸的碳骨架（脱氨基产生的 -酮酸）转化为一般的代谢中间物。一、脱氨基作用氨基酸脱氨有氧化脱氨和非氧化脱氨两种方式，氧化脱氨又和转氨作用组成联合脱氨基作用。非氧化脱氨主要在微生物体内进行。1.氧化脱氨基作用氧化脱氨是酶催化下伴随有脱氢的脱氨，
6、-氨基酸转变为 -酮酸。主要的酶有 L-氨基酸氧化酶、D-氨基酸氧化酶和 L-谷氨酸脱氢酶。前二类是黄素蛋白酶，辅基为 FMN 和或FAD，在动物体内作用都不大，所形成的 FMNH2 或 FADH2 被氧分子氧化，产生毒性的过氧化氢，可由过氧化氢酶分解为水和氧。L-谷氨酸脱氢酶广泛分布于动物、植物和微生物，辅酶为 NAD+或 NADP+。L-谷氨酸脱氢酶活性高，专一性强，只催化 L-谷氨酸氧化脱氨生成 -酮戊二酸、NH3、NADH 或NADPH，反应是可逆的。此酶是一种变构酶，ATP、GTP 和 NADH 是变构抑制剂，而 ADP、GDP是变构激活剂。味精生产即利用微生物体内的 L-谷氨酸脱氢
7、酶将 -酮戊二酸转变为谷氨酸，进而转化为谷氨酸钠。2.转氨基作用一种 -氨基酸的氨基在转氨酶催化下转移到 -酮酸上，生成相应的 -酮酸和另一-氨基酸，反应是可逆的。转氨作用沟通了糖与蛋白质的代谢。大多数转氨酶以 -酮戊二酸作为氨基的受体，这样许多氨基酸的氨基通过转氨作用转化为谷氨酸，再经 L-谷氨酸脱氢酶的催化使氨基酸氧化分解。所以谷氨酸在很多氨基酸合成和降解代谢反应中是一个关键的中间代谢物。已发现 50 种以上转氨酶。谷丙转氨酶（GPT）在肝脏中活性最高，谷草转氨酶（GOT）在心脏中活性最高，都是细胞内酶。肝细胞受损，血清 GPT 明显升高。而心肌梗死患者 GOT 显著上升。转氨酶的辅酶只有
8、一种，即磷酸吡哆醛，是 VB6 的磷酸酯。在转氨过程中，磷酸吡哆醛及磷酸吡哆胺之间相互转变，起着传递氨基的作用，类似于打乒乓球，所以称为乒-乓反应机制。3.联合脱氨基作用两种或两种以上的酶联合催化氨基酸的 -氨基脱下，并产生游离氨的过程，称为联合脱氨基作用。动物体内大部分氨基酸是通过这种方式脱氨的，常见的有两种途径：（1）转氨酶与 L-谷氨酸脱氢酶的联合主要在肝、肾等组织，转氨酶与 L-谷氨酸脱氢酶的联合作用，可使大部分氨基酸脱去氨基，全过程是可逆的，其逆过程可以合成新的氨基酸。在这一过程中，-酮戊二酸是一种氨基传递体，可由三羧酸循环中大量产生。（2）连续转氨偶联嘌呤核苷酸循环主要在心肌、骨骼
9、肌和脑进行。活动的肌肉会生氨是因为肌肉内 L-谷氨酸脱氢酶活性不高，氨基酸通过连续脱氨，将氨基转移给草酰乙酸，生成天冬氨酸，再与次黄嘌呤核苷酸（IMP）生成 AMP。AMP 在腺苷酸脱氢酶催化下，生成 IMP 并释放氨，完成联合脱氨基作用。IMP 既是接受天冬氨酸的起始物，又是释放氨基后的再生物，于是构成了嘌呤核苷酸循环。二、氨的去路1.氨对动物是有毒的氨在 pH7.4 时主要以 NH4的形式存在，在兔体内，血氨达到 5mg/100mL，兔即死亡，正常人血氨浓度小于 60mol/L,血氨升高会引起脑功能紊乱，出现中毒症状，是肝昏迷发病的重要机制之一。血氨的去路 ： 合成尿素（人体 80%90%
10、的氨以尿素形式排出，鸟类和生活在比较干燥环境中的爬虫类以尿酸形式排出，水生动物可直接排出） ；合成谷氨酰胺（这是神经组织解氨毒的重要方式，也是氨的储存、运输方式。在植物体内，氨的运输、储存和利用形式是天冬酰胺） ；合成非必需氨基酸或其他含氮物（嘌呤或嘧啶碱） 。2.尿素的合成（1）部位：肝脏线粒体和胞液。（2）机理：1932 年，德国学者 Krebs 和 Hensleit 根据实验研究，提出了鸟氨酸循环（ornithine cycle）合成尿素的学说，这比三羧酸循环发现早 5 年。实验的根据是：将鼠肝切片置于胺盐和重碳酸盐介质中，有氧条件下保温数小时，发现胺盐含量减少，而尿素增多。当加入少量鸟
11、氨酸、瓜氨酸或精氨酸能大大加速尿素的合成。肝脏又含有精氨酸酶，可催化精氨酸水解生成鸟氨酸和尿素。于是一个循环机制就出现。（3）反应过程：有 5 步反应，前 2 步在肝细胞线粒体，其他 3 步在胞质溶液中进行。尿素循环本身是四步酶促反应组成。氨甲酰磷酸合成酶（CPS-）激活氨结合 CO2 形成氨甲酰磷酸。鸟氨酸转氨甲酰酶催化氨甲酰磷酸转移到鸟氨酸上生成瓜氨酸。精氨琥珀酸合成酶催化瓜氨酸与天冬氨酸缩合生成精氨琥珀酸。这是尿素中第 2 个氮原子的来源。精氨琥珀酸酶催化精氨琥珀酸裂解为精氨酸和延胡索酸（后者可进入三羧酸循环，并转变为草酰乙酸，转氨后又形成天冬氨酸） 。精氨酸酶水解精氨酸生成尿素，并重新
12、产生鸟氨酸，进入第二轮循环。总反应式：NH3 + HCO3- +天冬氨酸 +3ATP CO( N H 2)2 + 延胡索酸 + 2ADP+2Pi+AMP+PPi尿素的合成是一个耗能的过程，循环中使用了 4 个高能磷酸键（3 分子 ATP 水解为2ADP 及 Pi、一个 AMP 和 PPi，后者随之水解为 Pi） 。尿素循环产生的延胡索酸可进入 TCA，精氨酸与甘氨酸缩合形成瓜基乙酸，进而合成肌酸磷酸（肌肉中的一种高能仓库） 。（4）调节：氨甲酰磷酸合成酶是变构酶，乙酰谷氨酸（AGA）是该酶的激活剂，而精氨酸又是 AGA 合成酶的激活剂，因此，精氨酸浓度增高时，尿素生成加速。精氨琥珀酸合成酶活性
13、最低，是限速酶。三、-酮酸的去路-酮酸的去路：氨基化生成非必需氨基酸（如丙氨酸、谷氨酸和天冬氨酸由一步转氨反应合成，其它的也是通过短的，不太耗能的途径合成） ；转变成糖和脂肪；氧化供能。脊椎动物体内的 20 种氨基酸的碳骨架由各自的酶系进行氧化分解，途径各异，但集中形成 5 种产物进入柠檬酸循环。这 5 种产物是乙酰 CoA、-酮戊二酸、琥珀酰 CoA、延胡索酸和草酰乙酸。它们最后氧化成 CO2 和 H2O，释放能量。降解为柠檬酸循环中间代谢物的氨基酸还可以进入糖异生途径生成葡萄糖，这样的氨基酸称为生糖氨基酸；那些形成乙酰 CoA 氨基酸可以成为脂肪酸和酮体的前体，称生酮氨基酸；既可生成柠檬酸
14、循环中间代谢物，又可生成乙酰 CoA 的氨基酸称为生糖兼生酮氨基酸。氨基酸碳骨架进入 TCA 的途径如下图。第三节 氨基酸合成代谢的概况一、氨基酸的 N 原子及碳骨架的来源不同的生物合成氨基酸的能力不同,合成氨基酸的种类也有差异。只有少数生物（能合成固氮酶的微生物和藻类）可以利用 N2 和简单的碳化合物合成氨基酸。氨可以被所有生物所利用，由 N2 衍生的氨通过谷氨酸和谷氨酰胺整合到氨基酸等代谢物中，它们的碳骨架来自糖酵解、柠檬酸循环和戊糖磷酸途径。氨基酸生物合成途径不是分解途径的逆转，是多酶体系催化的多步骤反应。所有自身能合成的非必需氨基酸都是生糖氨基酸。而必需氨基酸有生糖和生酮氨基酸，因为它
15、们转变成糖和转变成酮体的过程是不可逆的，所以脂肪很少或不能用来合成氨基酸。不同氨基酸的生物合成途径不同，按相关代谢途径的中间物提供的起始物的不同分为六个类型： 二、氨基酸与一碳单位生物体内许多物质的代谢和含有一个碳原子的基团有关，如卵磷脂的生物合成中有由S-腺苷甲硫氨酸提供甲基的反应。某些氨基酸在分解代谢过程中可以产生一碳单位。1.概念：甲基、亚甲基（-CH2-） 、次甲基（-CH=） 、甲酰基、亚胺甲基（-CH=NH）等，称为一碳单位。但 CO2 不属于这种类型。2.产生和转运：一碳单位主要来源于丝氨酸、甘氨酸、组氨酸及色氨酸的代谢。一碳单位不能游离存在，必须与载体四氢叶酸（FH4 或 TH
16、FA）结合转运和参与代谢。叶酸为 B族维生素，在体内经二氢叶酸还原酶作用，加氢形成 FH4。一碳单位通常结合在 FH4 分子的 N5、N10 位上，如 N5，N10 -甲烯四氢叶酸。丝氨酸在羟甲基转移酶催化下，生成甘氨酸的过程中产生 N5，N10CH2-FH4，而甘氨酸在甘氨酸裂解酶作用下，也会产生 N5，N10CH2-FH4。组氨酸在体内经酶促分解产生 N-亚氨甲基谷氨酸，进而转化为谷氨酸。 （FH4 接受亚氨甲基生成 N5-CH=NH-FH4，再生成 N5，N10=CH-FH4，后者可参与合成嘌呤碱 C8 原子。 ）色氨酸在分解过程中产生甲酸，结合 FH4，生成 N10-甲酰四氢叶酸，参与合成嘌呤碱C2 原子。不同形式的一碳单位可通过氧化还原反应而彼此转变。其中 N5-甲基四氢叶酸的生成是不可逆的，它的含量较多，成为细胞内四氢叶酸的储存形式和甲基的间接供体，即将甲基转移给同型半胱氨酸生成甲硫氨酸（Met） ，在腺苷转移酶催化下生成 S-腺
