第08章氨基酸.ppt

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1、氨 基 酸 代 谢 Metabolism of Amino Acids,第 八 章,氨基酸的生理功用、营养价值及代谢概况 Nutritional Function of Protein,第一节,一、 氨基酸的生理功用,合成蛋白质以维持细胞、组织的生长、 更新和修补,2. 合成许多重要生理作用的含氮化合物,4. 氧化供能 人体每日15%能量由蛋白质提供。,3. 本身具有特殊功能 Gly为抑制性神经递质，Glu&Asp兴奋性神经递质，Ala及Gln参与氨转运 。,二、氨基酸的营养价值,（一）、氨基酸的分类,营养必需氨基酸：（自身不能合成）,营养非必需氨基酸：（自身能合成）,营养半必需氨基酸：（合成

2、消耗必需氨基酸）,Phe、Lys、Try、Thr、Leu、Ileu、Met、Val,Cys、Tyr 又称条件必需氨基酸,其余12种氨基酸,（二）、人体对氨基酸的需要 1、氨基酸模式： 定义：一种蛋白质中所含必需氨基酸的构成比例。 算法：该蛋白质中所含色氨酸含量定为1，分别计算其他必需氨基酸的比值，这一系列比值就是该种蛋白质的氨基酸模式。 意义：代表了该蛋白质的组成特点，又代表了合成时，该蛋白对必需氨基酸的需求。,2、限制性氨基酸：食物中含量相对较低的必需氨基酸，对其他氨基酸利用有不同程度的限制作用。 缺乏最多的称为第一限制性氨基酸。,3、蛋白质的互补作用,指营养价值较低的蛋白质混合食用，其必需

3、氨基酸可以互相补充而提高营养价值。缓解限制性氨基酸的限制作用(如谷类含Lys少，Trp多，豆类则含Lys多，Trp少，两者混合食用可提高营养价值),（三）、必需氨基酸的营养价值,必需氨基酸是影响和评价食物蛋白质营养价值的决定因素 蛋白质的营养价值取决于必需氨基酸的数量、种类、量质比。(必须氨基酸种类越多,数量越足,营养价值越大，动物大于植物.) 食物蛋白质的氨基酸模式越接近人体蛋白质的氨基酸模式，其营养价值就越高。 如：动物蛋白中蛋，奶，肉，鱼等，以及大豆蛋白，称为优质蛋白质。其中鸡蛋蛋白质与人体蛋白质氨基酸模式最接近。,2、必需氨基酸对氮平衡，即对体内蛋白质合成、分解代谢的影响,1）. 氮平

4、衡(nitrogen balance) 摄入食物的含氮量与排泄物（尿与粪）中含氮量之间的关系。,氮总平衡：摄入氮 = 排出氮（正常成人）,氮正平衡：摄入氮 排出氮（儿童、孕妇等）,氮负平衡：摄入氮 排出氮（饥饿、消耗性疾病患者）,氮平衡的意义：可以反映体内蛋白质代谢的慨况。,（四）、必需氨基酸对营养素的中枢感受器和基因调控的实验观察与研究,必需氨基酸的缺乏和不平衡不止是影响本身的摄取和利用。 离体实验研究发现，缺乏任何一种必需氨基酸以及精氨酸、组氨酸都能降低脂肪酸合酶mRNA的基因表达。 这些研究结果在分子水平上解释了蛋白质、能量营养不良常常相伴发生的原因。,三、 氨基酸的代谢概况,食物蛋白经

5、消化吸收的氨基酸（外源性氨基酸）与体内组织蛋白降解产生的氨基酸（内源性氨基酸）混在一起，分布于体内各处参与代谢，称为氨基酸代谢库。 “来三去四”处于动态平衡,氨基酸代谢库,氨基酸代谢概况,目 录,第二节 氨基酸的来源,一、蛋白质的消化、吸收和腐败,Digestion, Absorption and Putrefaction of Proteins,一、 蛋白质的消化,蛋白质消化的生理意义,由大分子转变为小分子，便于吸收。 消除种属特异性和抗原性，防止过敏、毒性反应。 胃肠的蛋白水解酶对蛋白质的催化作用具有专一性。有内肽酶和外肽酶。,氨基酸 +,蛋白水解酶作用示意图,消化过程,（一）胃中的消化作

6、用,胃蛋白酶的最适pH为1.52.5，对蛋白质肽键作用特异性差，产物主要为多肽及少量氨基酸。,（二）小肠中的消化 小肠是蛋白质消化的主要部位。,内肽酶(endopeptidase) 水解蛋白质肽链内部的一些肽键，如胰蛋白酶、糜蛋白酶、弹性蛋白酶。,外肽酶(exopeptidase) 自肽链的末段开始每次水解一个氨基酸残基，如羧基肽酶(A、B)、氨基肽酶。,肠液中酶原的激活,可保护胰组织免受蛋白酶的自身消化作用。 保证酶在其特定的部位和环境发挥催化作用。 酶原还可视为酶的贮存形式。,酶原激活的意义,氨基酸 +,蛋白水解酶作用示意图,2. 小肠粘膜细胞对蛋白质的消化作用,主要是寡肽酶(oligop

7、eptidase)的作用，例如氨基肽酶(aminopeptidase)及二肽酶(dipeptidase)等。,二、氨基酸的吸收,吸收部位：主要在小肠 吸收形式：氨基酸、寡肽、二肽 吸收机制：耗能的主动吸收过程,（一）氨基酸吸收载体,载体蛋白与氨基酸、Na+组成三联体，由ATP供能将氨基酸、Na+转入细胞内，Na+再由钠泵排出细胞。,载 体类型,中性氨基酸载体 碱性氨基酸载体 酸性氨基酸载体 亚氨基酸与甘氨酸载体,（二）-谷氨酰基循环对氨基酸的转运作用,-谷氨酰基循环(-glutamyl cycle)过程：,谷胱甘肽对氨基酸的转运 谷胱甘肽再合成,半胱氨酰甘氨酸 (Cys-Gly),细胞外,-谷

8、 氨酰 基转 移酶,细胞膜,谷胱甘肽 GSH,细胞内,-谷氨酰基循环过程,氨基酸,目 录,关键酶,利用肠粘膜细胞上的二肽或三肽的转运体系 此种转运也是耗能的主动吸收过程 吸收作用在小肠近端较强,（三）肽的吸收,三、 蛋白质的腐败作用,肠道细菌对未被消化和吸收的蛋白质及其消化产物所起的作用,腐败作用的产物大多有害，如胺、氨、苯酚、吲哚等；也可产生少量的脂肪酸及维生素等可被机体利用的物质。,蛋白质的腐败作用(putrefaction),（一）胺类(amines)的生成,假神经递质(false neurotransmitter),某些物质结构与神经递质结构相似，可取代正常神经递质从而影响脑功能，称假

9、神经递质。,-羟酪胺和苯乙醇胺结构类似儿茶酚胺，它们可取代儿茶酚胺与脑细胞结合，但不能传递神经冲动，使大脑发生异常抑制。,（二） 氨的生成,降低肠道pH，NH3转变为NH4+以胺盐形式排出，可减少氨的吸收，这是酸性灌肠的依据。,（三）其它有害物质的生成,二、体内蛋白质分解,（一）体内原有蛋白质的降解是体内氨基酸另一重要来源（2%） （二）不同蛋白质降解的速率各不相同，短寿蛋白质多带有快速降解的结构信号 （三）真核生物细胞内蛋白降解的两条主要途径,蛋白质的半寿期(half-life),蛋白质降低其原浓度一半所需要的时间，用t1/2表示,具有快速降解的结构信号，如链中有PEST序列，即脯-谷-丝-

10、苏四氨基酸结构域，N末端有起标识或调节作用的氨基酸，如精氨酸等,短寿期蛋白质,E3:泛素蛋白连接酶,真核生物中蛋白质的降解有两条途径,不依赖ATP 利用组织蛋白酶(cathepsin)降解外源性蛋白、膜蛋白和长寿命的细胞内蛋白, 依赖泛素(ubiquitin)的降解过程, 溶酶体内降解过程,依赖ATP 降解异常蛋白和短寿命蛋白及癌基因蛋白,泛素,76个氨基酸的小分子蛋白(8.5kD) 普遍存在于真核生物而得名 一级结构高度保守，N-末端为蛋氨酸残基，C末端多为甘氨酸残基，链中有多个赖氨酸残基 C末端甘氨酸残基和48位的赖氨酸残基与泛素的活化，转运，靶蛋白的泛素化成泛素链有关 被降解的蛋白质而言

11、，泛素只起标记作用,3. 整个降解过程在碱性条件（pH7.8）下进行的， 对降解的蛋白有严格的选择性。,泛素化过程,E1：泛素活化酶,E2：泛素携带蛋白,E3：泛素蛋白连接酶,可以讲活化的泛素通过48位的赖氨酸与76号位的Gly形成聚泛素，这样如同贴在靶蛋白上进入蛋白酶体降解的“死亡”标签。,RP,如基因表达、细胞增殖、炎症反应、诱发癌瘤（促进抑癌蛋白P53降解）,体内蛋白质降解参与多种生理、病理调节作用,三、营养非必需氨基酸的生物合成,（一）-酮戊二酸还原氨化生成谷氨酸,意义： 1、从代谢中间物-酮戊二酸形成L-谷氨酸外； 2、构成了许多其他氨基酸生物合成途径中的关键性的第一步。,（二）谷氨

12、酸在谷氨酰胺合成酶催化下合成谷氨酰胺,（三）丙酮酸和草酰乙酸通过转氨基作用生成丙氨酸 和天冬氨酸 （ALT，AST）,（四）天冬氨酸在天冬酰胺合成酶催化下形成天冬酰胺,铵源为Gln,（五）丝氨酸从糖酵解的中间产物D-3-磷酸甘油酸形成,经过脱氢、转氨及水解去磷酸化过程,（六）甘氨酸在哺乳动物中有几条合成途径,（七）脯氨酸是从谷氨酸形成的,（八）半胱氨酸可由蛋氨酸和丝氨酸合成,（九）苯丙氨酸在苯丙氨酸羟化酶的催化下形成酪氨酸,第三节 氨基酸的一般代谢,General Metabolism of Amino Acids,R,脱氨基作用 脱羧基作用,一、 氨基酸的脱氨基作用,定义 指氨基酸脱去氨基生

13、成相应-酮酸的过程。,脱氨基方式,氧化脱氨基 转氨基作用 联合脱氨基 非氧化脱氨基,（一）转氨基作用(transamination),1. 定义 在转氨酶(transaminase)的作用下，某一氨基酸去掉-氨基生成相应的-酮酸，而另一种-酮酸得到此氨基生成相应的氨基酸的过程。,2. 反应式,大多数氨基酸可参与转氨基作用，但赖氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸除外。,3. 转氨酶,正常人各组织AST及ALT活性 (单位/克湿组织),血清转氨酶活性，临床上可作为疾病诊断和预后的指标之一。ALT诊断急性肝炎，AST诊断心肌梗死。,4. 转氨基作用的机制,转氨酶的辅酶是磷酸吡哆醛,目 录,转氨基作用不仅是体内多

14、数氨基酸脱氨基的重要方式，也是机体合成非必需氨基酸的重要途径。,通过此种方式并未产生游离的氨。,5. 转氨基作用的生理意义,（二）L-谷氨酸氧化脱氨基作用,存在于肝、脑、肾中 辅酶为 NAD+ 或NADP+ GTP、ATP为其抑制剂 GDP、ADP为其激活剂,催化酶： L-谷氨酸脱氢酶,L-谷氨酸,NH3,-酮戊二酸,NAD(P)+,NAD(P)H+H+,H2O,（三）联合脱氨基作用,两种脱氨基方式的联合作用，使氨基酸脱下-氨基生成-酮酸的过程。,2. 类型, 转氨基偶联氧化脱氨基作用,1. 定义, 转氨基偶联嘌呤核苷酸循环, 转氨基偶联氧化脱氨基作用,H2O+NAD+,转氨酶,此种方式既是氨

15、基酸脱氨基的主要方式，也是体内合成非必需氨基酸的主要方式。 主要在肝、肾组织进行。, 转氨基偶联嘌呤核苷酸循环,苹果酸,腺苷酸 代琥珀酸,次黄嘌呤 核苷酸 (IMP),腺苷酸代琥 珀酸合成酶,此种方式主要在肌肉组织进行。,三、-酮酸的代谢,（一）经氨基化生成非必需氨基酸,（二）转变成糖及脂类,（三）氧化供能,-酮酸在体内可通过TAC 和氧化磷酸化彻底氧化为H2O和CO2，同时生成ATP。,琥珀酰CoA,延胡索酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,柠檬酸,乙酰CoA,丙酮酸,PEP,磷酸丙糖,葡萄糖或糖原,糖,-磷酸甘油,脂肪酸,脂肪,甘油三酯,乙酰乙酰CoA,酮体,CO2,CO2,氨基酸、糖及脂肪代谢的联

16、系,T A C,目 录,第四节 氨 的 代 谢,Metabolism of Ammonia,氨是机体正常代谢产物，具有毒性。 体内的氨主要在肝合成尿素(urea)而解毒。 正常人血氨浓度一般不超过 60mol/L。,一、血氨的来源与去路,1. 血氨的来源, 氨基酸脱氨基作用产生的氨是血氨主要来源, 胺类的分解也可以产生氨, 肠道吸收的氨, 肾小管上皮细胞分泌的氨主要来自谷氨酰胺,2. 血氨的去路, 在肝内合成尿素，这是最主要的去路, 合成非必需氨基酸及其它含氮化合物, 合成谷氨酰胺, 肾小管泌氨,分泌的NH3在酸性条件下生成NH4+，随尿排出。,二、氨的转运,1. 丙氨酸-葡萄糖循环(alan

17、ine-glucose cycle),反应过程,丙 氨 酸,葡 萄 糖,肌肉 蛋白质,氨基酸,NH3,谷氨酸,-酮戊 二酸,丙酮酸,糖酵解途径,肌肉,丙氨酸,血液,丙氨酸,葡萄糖,-酮戊二酸,谷氨酸,丙酮酸,NH3,尿素,尿素循环,糖异生,肝,丙氨酸-葡萄糖循环,葡萄糖,目 录,2. 谷氨酰胺的运氨作用,反应过程,在脑、肌肉合成谷氨酰胺，运输到肝和肾后再分解为氨和谷氨酸，从而进行解毒。,三、尿素的生成,（一）生成部位 主要在肝细胞的线粒体及胞液中。,（二）生成过程,尿素生成的过程由Hans Krebs 和Kurt Henseleit 提出，称为鸟氨酸循环(orinithine cycle)，又

18、称尿素循环(urea cycle)或Krebs- Henseleit循环。,1. 氨基甲酰磷酸的合成,反应在线粒体中进行,反应由氨基甲酰磷酸合成酶(carbamoyl phosphate synthetase, CPS-)催化。 N-乙酰谷氨酸为其激活剂，反应消耗2分子ATP。,N-乙酰谷氨酸(AGA),2. 瓜氨酸的合成,鸟氨酸氨基甲酰转移酶,H3PO4,+,氨基甲酰磷酸,由鸟氨酸氨基甲酰转移酶(ornithine carbamoyl transferase,OCT)催化，OCT常与CPS-构成复合体。,反应在线粒体中进行，瓜氨酸生成后进入胞液。,3. 精氨酸的合成,反应在胞液中进行。,+,

19、天冬氨酸,精氨酸代琥珀酸,关键酶,精氨酸,延胡索酸,精氨酸代琥珀酸裂解酶,精氨酸代琥珀酸,4. 精氨酸水解生成尿素,反应在胞液中进行,尿素,鸟氨酸,精氨酸,鸟氨酸循环,线粒体,胞 液,目 录,（三）反应小结,合成场所：肝脏，在肝细胞线粒体和胞浆中 过程：先在线粒体中进行，再在胞液中进行 每循环一周产生1分子尿素。尿素分子中的2个氮原子，一个来自NH3，另一个则来自氨基酸 关键酶：精氨酸代琥珀酸合成酶 耗能：4个ATP（4 个高能磷酸键）。,关联作用及意义： 尿素合成可通过延胡索酸与三羧酸循环联系起来，形成一个产、耗能量紧密偶联的Krebs双循环，确保机体解毒尿素合成的能量供给。 延胡索酸通过三

20、羧酸循环再转变成草酰乙酸，草酰乙酸又再生成天冬氨酸，不断的向尿素合成提供氨基，确保尿素合成的原料供给。 此外，通过精氨酸与NO的生成作用的紧密相连，即是把尿素生成与NO功能作用联系了起来。,（四）尿素生成的调节,1. 食物蛋白质的影响,高蛋白膳食 合成,低蛋白膳食 合成,2. CPS-的调节：AGA、精氨酸为其激活剂,3. 尿素生成酶系的调节：,（五）高氨血症和氨中毒,血氨浓度升高称高氨血症 ( hyperammonemia)，常见于肝功能严重损伤时，尿素合成酶的遗传缺陷也可导致高氨血症。,高氨血症时可引起脑功能障碍，称氨中毒(ammonia poisoning)。,TAC ,脑供能不足,脑内

21、 -酮戊二酸,氨中毒的可能机制,第五节 个别氨基酸的代谢,Metabolism of Individual Amino Acids,一、氨基酸脱羧基作用,脱羧基作用(decarboxylation),（一）-氨基丁酸 (-aminobutyric acid, GABA),GABA是抑制性神经递质，对中枢神经有抑制作用。,（二）牛磺酸(taurine),牛磺酸是结合胆汁酸的组成成分。,（三）组胺 (histamine),组胺是强烈的血管舒张剂，可增加毛细血管的通透性，还可刺激胃蛋白酶及胃酸的分泌。,（四）5-羟色胺 (5-hydroxytryptamine, 5-HT),5-HT在脑内作为神经递

22、质，起抑制作用；在外周组织有收缩血管的作用。,（五）多胺(polyamines),鸟氨酸,腐胺,S-腺苷甲硫氨酸 (SAM ),脱羧基SAM,鸟氨酸脱羧酶,CO2,SAM脱羧酶,CO2,精脒 (spermidine),丙胺转移酶,5-甲基-硫-腺苷,精胺 (spermine),多胺是调节细胞生长的重要物质。在生长旺盛的组织（如胚胎、再生肝、肿瘤组织）含量较高，其限速酶鸟氨酸脱羧酶活性较强。,二、一碳单位的代谢,定义,（一）概述,某些氨基酸代谢过程中产生的只含有一个碳原子的基团，称为一碳单位(one carbon unit)。,种类,甲基 (methyl),-CH3,甲烯基 (methylene

23、),-CH2-,甲炔基 (methenyl),-CH=,甲酰基 (formyl),-CHO,亚胺甲基 (formimino),-CH=NH,（二）四氢叶酸是一碳单位的载体,FH4的生成,FH4携带一碳单位的形式,（一碳单位通常是结合在FH4分子的N5、N10位上）,N5CH3FH4,N5、N10CH2FH4,N5、N10=CHFH4,N10CHOFH4,N5CH=NHFH4,一碳单位主要来源于氨基酸代谢,（三）一碳单位与氨基酸代谢,（四）一碳单位的互相转变,N10CHOFH4,N5, N10=CHFH4,N5, N10CH2FH4,N5CH3FH4,N5CH=NHFH4,H+,H2O,NADP

24、H+H+,NADP+,NADH+H+,NAD+,NH3,（五）一碳单位的生理功能,作为合成嘌呤和嘧啶的原料 把氨基酸代谢和核酸代谢联系起来,三、含硫氨基酸的代谢,胱氨酸,甲硫氨酸,半胱氨酸,（一）甲硫氨酸的代谢,1. 甲硫氨酸与转甲基作用,腺苷转移酶,PPi+Pi,+,甲硫氨酸,ATP,S腺苷甲硫氨酸(SAM),甲基转移酶,RH,RHCH3,腺苷,SAM,S腺苷同型半胱氨酸,同型半胱氨酸,SAM为体内甲基的直接供体,2. 甲硫氨酸循环(methionine cycle),甲硫氨酸,S-腺苷同型 半胱氨酸,S-腺苷甲硫氨酸,同型半胱氨酸,FH4,N5CH3FH4,N5CH3FH4 转甲基酶,(V

25、itB12),H2O,腺苷,RH,ATP,PPi+Pi,3. 肌酸的合成,肌酸(creatine)和磷酸肌酸(creatine phosphate)是能量储存、利用的重要化合物。 肝是合成肌酸的主要器官。 肌酸以甘氨酸为骨架，由精氨酸提供脒基，SAM提供甲基而合成。 肌酸在肌酸激酶的作用下，转变为磷酸肌酸。 肌酸和磷酸肌酸代谢的终产物为肌酸酐(creatinine)。,+,目 录,（二）半胱氨酸与胱氨酸的代谢,1. 半胱氨酸与胱氨酸的互变,2,2. 硫酸根的代谢,含硫氨基酸分解可产生硫酸根，半胱氨酸是主要来源。,PAPS为活性硫酸， 是体内硫酸基的供体,四、芳香族氨基酸的代谢,（一）苯丙氨酸和

26、酪氨酸的代谢,此反应为苯丙氨酸的主要代谢途径。,1. 儿茶酚胺(catecholamine)与黑色素(melanin)的合成,帕金森病(Parkinson disease)患者多巴胺生成减少。 在黑色素细胞中，酪氨酸可经酪氨酸酶等催化合成黑色素。 人体缺乏酪氨酸酶，黑色素合成障碍，皮肤、毛发等发白，称为白化病(albinism)。,2. 酪氨酸的分解代谢,体内代谢尿黑酸的酶先天缺陷时，尿黑酸分解受阻，可出现尿黑酸症。,3. 苯酮酸尿症(phenyl keronuria, PKU),体内苯丙氨酸羟化酶缺陷，苯丙氨酸不能正常转变为酪氨酸，苯丙氨酸经转氨基作用生成苯丙酮酸、苯乙酸等，并从尿中排出的一种遗传代谢病。,（二）色氨酸代谢,色氨酸,5-羟色胺,一碳单位,丙酮酸 + 乙酰乙酰CoA,维生素 PP,五、支链氨基酸的代谢,支链氨基酸,氨基酸的重要含氮衍生物,目 录,+ NO,+ O2,NADPH+H+ NADP+,一氧化氮合酶 （NOS）,精氨酸,瓜氨酸,一氧化氮,目 录,