第五部分蛋白质的分解代谢教学课件.ppt

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1、第五章 蛋白质的分解代谢,第一节 蛋白质化学,（一）蛋白质 1、什么是蛋白质？ 蛋白质(protein)是由许多氨基酸（amino acid)通过肽键相连形成的高分子含氮化合物。 2、主要元素：碳（50%55%）、氢（6%8%）、氧（19%24%）、氮（13%19%）； 次要元素：硫、磷、铁、锰、锌、碘。,一、 氨基酸,（二）组成蛋白质的基本单位氨基酸(amino acids) 1、氨基酸（AA）的通式 2、特点： （1）20种基本氨基酸中，除脯氨酸为亚氨基酸外，其余19种均符合通式； （2）除甘氨酸的R基为H外，其余19种-碳原子为不对称碳原子，有L、 D型之分，但组成人体蛋白质的氨基酸均为

2、L型； （3）不同氨基酸的侧链基团不同。,3、氨基酸的分类（根据侧链基团的结构和性质不同） （1）非极性疏水性AA：R为疏水基团，无极性。 Ala、Val、Leu、Ile、Met、Phe、Pro、Trp 8种 （2）极性中性AA：R不带电荷，但显极性。 Gly、Ser、Thr、Tyr、 Cys、 Asn、Gln7种 （3）酸性AA：R可电离带负电荷，有极性。 Glu、Asp2种 （4）碱性AA：R可电离带正电荷，有极性。 Lys、Arg、His3种,4. 非标准氨基酸 4-羟脯氨酸、5-羟赖氨酸、-羧基谷氨酸和6-氮甲基赖氨酸 5. 非蛋白质氨基酸 -丙氨酸、D-苯丙氨酸、同型半胱氨酸、鸟氨酸

3、、-氨基丁酸,（三）氨基酸的性质 1、两性电离性质,氨基酸分子中既有氨基又有羧基，氨基可以接受质子呈碱性，而羧基可以给出质子呈酸性。所以氨基酸既有酸性又有碱性，这一性质称为氨基酸的两性性质。,等电点 使某种氨基酸所带正、负电荷数相等时溶液的PH值。,2、呈色反应 氨基酸可以与其它物质生成有特征颜色的化合物，利用这些性质可以定性或定量测定氨基酸，如茚三酮反应。 3、与亚硝酸反应 氨基酸能与亚硝酸反应，生成羟基酸和水，并放出氮气。 反应定量完成，通过测定生成氮气的量，可计算氨基酸的含量，此方法叫做范斯莱克（Van Slyke）氨基氮测定法。,氨基酸在营养上可分为“必需氨基酸”和“非必需氨基酸”两类

4、。 必需氨基酸：是指人体需要，但自己不能合成，或合成的速度不能满足机体需要必须由食物蛋白质供给的氨基酸。 非必需氨基酸：是指体内可以合成，或可由其它氨基酸转变而来，可以不必由食物供给的氨基酸。 人体的必需氨基酸有9种，即：亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、赖氨酸、苏氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和组氨酸。有时也把半胱氨酸和酪氨酸称为半必需氨基酸。,（四）氨基酸的营养价值,（1）纸色谱法,（五）氨基酸的分离,（2）薄层色谱法,图5-1 氨基酸纸层析图谱,二、蛋白质的结构,（一）多肽的结构 1、肽键与肽 肽键(peptide bond)：由一个AA的-氨基与另一个氨酸的 -羧基脱水缩合生成的化学键。,肽

5、peptide：AA通过肽键相连形成的化合物(二肽、三肽、寡肽和多肽)。 寡肽 oligopeptide ：一般10肽以下 多肽 polypeptide： 一般10肽以上 多肽链：由许多氨基酸借肽键相互连接而成的一种结构。 氨基酸残基：多肽链中的氨基酸，由于参与肽键的形成，已非原来完整的分子，称为。 多肽链有两端： N末端、C末端,天然存在的活性肽,类别：激素、抗菌素、辅助因子 实例：谷胱甘肽(glutathione) 短杆菌肽 促甲状腺素释放因子（TRH） -天冬氨酰-苯丙氨酸甲酯（甜味剂）,谷胱甘肽,谷胱甘肽在体内参与氧化还原过程，作为某些氧化还原酶的辅因子，或保护巯基酶，或防止过氧化物积

6、累。,（二）蛋白质分子的一级结构 1、一级结构(primary structure)：指蛋白质多肽链中氨基酸的组成及排列顺序。,2、一级结构维系键：肽键和二硫键。 3、重要性：是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。 蛋白质的一级结构的改变影响蛋白质的空间结构和生理功能，例如镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的。正常人血红蛋白由四条多肽链组成，两条链和两条链，共有574个氨基酸。镰刀状细胞贫血病的血红蛋白与正常的血红蛋白两条链完全相同，只是两条链上N-端末端开始的第6位的氨基酸不同：正常血红蛋白为谷氨酸，而镰刀状细胞贫血病为缬氨酸所代替。,（三）蛋白质分子的空间构象 蛋白质的构象指蛋白质分

7、子中原子和基团在三维空间上的排列、分布及肽链的走向。 蛋白质分子的构象可分为二、三、四级结构。 维持蛋白质构象的化学键： 次级键（副键），由蛋白质分子的主链和侧链上的极性、非极性和离子基团等相互作用而形成的。 如：氢键、疏水键、离子键、范德华力、二硫键、配位键。,1、蛋白质的二级结构 蛋白质的二级结构是指在一级结构基础上，多肽链形成的空间构象。二级结构的主要形式有-螺旋、-折叠、-转角和无规则卷曲等。 蛋白质的-螺旋结构多为右手螺旋。每3.6个氨基酸螺旋转一周，螺距为0.54nm，每个氨基酸残基的高度为0.15nm。在-螺旋中相邻螺旋间形成链内氢键，维持-螺旋结构的稳定。,-折叠,2、蛋白质的

8、三级结构 蛋白质多肽链在二级结构基础上，进一步折叠盘旋形成的更复杂的空间构象，称为蛋白质的三级结构。蛋白质三级结构反映的是蛋白质分子中所有原子的整体排列和空间关系。使蛋白质三级结构稳定的因素有：氢键、疏水相互作用、盐键、二硫键和配位键等。 3、蛋白质的四级结构 由两条或两条以上具有三级结构的多肽链结合而成的特定结构的蛋白质构象称为四级结构。其中四级结构中每个具有三级结构的多肽链称为亚基。四级结构由几个亚基组成，每个亚基单独存在时无生物活性，只有结合成完整的四级结构才有生物活性。,三、 蛋白质的性质,（一）两性性质 蛋白质两末端的氨基和羧基及侧链中某些基团在一定条件下均可解离. 蛋白质的等电点(

9、 pI):使某一蛋白质分子所带正负电荷数 相等,净电荷为零时溶液的PH值。 蛋白质的等电点沉淀、离子交换和电泳等基本原理均以蛋白质的两性解离与等电点的特性为基础。,（二）高分子性质，即胶体性质 蛋白质为分子量1万至100万的高分子物质,其在溶液中形成的质点直径在1-100nm胶体质点范围内。 蛋白质胶体稳定的因素:蛋白质颗粒表面具水化层 蛋白质颗粒表面带同性电荷 去除这两个稳定因素,蛋白质极易沉淀。 蛋白质具有分子扩散现象；布朗运动；可用超速离心法分离蛋白质；有较大的粘度，随蛋白质分子的水合作用和分子的不对称性增大而增大；不能透过半透膜，可用透析法纯化蛋白。,（三）蛋白质的变性(denatur

10、ation) 1.概念：在某些理化因素的作用下，蛋白质特定的空间构象发生改变或破坏，从而导致其生物学活性的丧失和一些理化性质的改变的现象，称为蛋白质的变性。 2.变性因素： 理：加热、高压、紫外线、超声波、剧烈震荡等 化：强酸、强碱、重金属离子、尿素、乙醇、丙酮等 3.变性的本质：蛋白质分子空间构象的改变或破坏（二硫键和非共价键破坏），不涉及一级结构改变或肽键的断裂。,4.变性作用的特征：生物活性丧失；某些理化性质改变（溶解度降低，粘度增加，结晶能力消失，易被蛋白酶水解。） 5.变性作用的应用举例： 变性因素应用于消毒及灭菌，制备、保存蛋白质制剂需防止变性。 6.复性：去除变性因素后，有些变性

11、程度较轻的蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能。 许多蛋白质的变性为不可逆变性。 变性的蛋白质易于沉淀，而沉淀的蛋白质不一定发生变性。,（四）蛋白质颜色反应（可做定性或定量测定） 1.茚三酮反应 2.双缩脲反应 氨基酸无此反应 3.酚试剂反应,小结 蛋白质的组成元素. 氨基酸的通式. 组成蛋白质的氨基酸的种类. 肽、多肽链、氨基酸残基. 蛋白质的一级结构及空间构象. 蛋白质的理化性质,如两性游离、等电点及某些呈色反应等. 蛋白质变性的理化因素和本质及其在实践中的作用.,第五章 蛋白质的分解代谢,第二节 蛋白质的降解和 消化吸收,细胞中的蛋白质不断降解和重新合成是所有生命形式中的一个重要的

12、生理过程。人体每日周转蛋白质的1%2%，其中主要是肌肉蛋白质。蛋白质降解生成的氨基酸有75%80%被利用重新合成蛋白质，其余转变成其它物质或分解供能。人体从外界摄入的氮量与蛋白质分解排除的氮量相等称为氮平衡，健康的成人一般处于氮平衡状态。为了保持健康，成人在正常情况下每日需要蛋白质30至60克才能保持氮平衡状态。,一、 蛋白质的营养价值,组成蛋白质的氨基酸有20种，其中有一些氨基酸人和动物体内不能合成，必须由食物供给称为必须氨基酸。 对于人体必须氨基酸有9种，即：缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、组氨酸。此外精氨酸在儿童体内合成不足，称为半必须氨基酸。,蛋白质

13、的营养价值与其所含氨基酸的比例有关，必须氨基酸组成比例越接近人体蛋白质的组成，食物的营养价值越高。由于不同食物蛋白质氨基酸的比例不同，所以将多种蛋白质食物一起食用，可以保证各种氨基酸的适当比例，保持营养均衡。,例如谷类蛋白质含赖氨酸较少而含色氨酸较多，豆类蛋白质与之相反，两者混合食用可提高营养价值。,（一）蛋白质的降解作用 各种蛋白质降解速率有很大的不同，它随生理需要而发生改变。细胞中蛋白质的降解速率也随营养状况和激素水平而异。在营养缺乏的情况下，细胞提高蛋白质的降解速率，以维持必须的代谢过程的进行。细胞不断的从氨基酸合成蛋白质，同时又将一些蛋白质分解成氨基酸。,二、 蛋白质的降解,蛋白质的这

14、种周转过程主要有三个功能： 第一，以蛋白质形式贮存养分，并在代谢需要时将其分解，这一过程主要发生在肌肉组织； 第二，去除对人体有害的异蛋白质； 第三，通过去除多余的酶及调节蛋白质调节细胞的代谢。 因此，调控一种蛋白质的降解速度与调控其合成速度对细胞同样重要。,鼠肝中某些酶的半衰期,（二）溶酶体降解,细胞内蛋白质可在溶酶体内降解。溶酶体中含50多种水解酶类，包括多种蛋白质水解酶。溶酶体中酶的最适pH为5，在细胞溶胶的pH下溶酶体中的酶是无活性的，这可避免溶酶体中的酶偶然泄漏对细胞造成的破坏。溶酶体通过胞吞作用摄取细胞内的物质。这些物质被包裹在液泡中，并与溶酶体融合而被降解。在营养充分的细胞中，溶

15、酶体对蛋白质的降解是无选择性的。,许多正常和病理过程都伴有溶酶体活性的增加，由于不被使用、神经切除或者外伤引起的肌肉损耗都是溶酶体活性增高引起的。例如：在分娩后出现的子宫回缩，这个肌肉器官的重量在9天内从2kg减少到50g。风湿性关节炎就涉及溶酶体的细胞外释放，从而降解周围组织。,（三）泛素,真核细胞蛋白质可以不通过溶酶体降解，而通过与泛素连接被降解。泛素是一个由76个氨基酸组成的蛋白质，因存在广泛且含量丰富而得名。泛素经三步反应与被降解的蛋白质共价键相连接，使蛋白质携带了降解标记。泛素连接的蛋白质通过一个依赖ATP的过程被水解。,天然蛋白质被选择为降解蛋白质与其N端末端有关。N末端为天冬氨酸

16、、精氨酸、亮氨酸、赖氨酸和苯丙氨酸残基的蛋白质，半衰期只有23分钟；N末端为丙氨酸、甘氨酸、蛋氨酸、丝氨酸和缬氨酸的蛋白质，半衰期超过10小时。这一规律称为N末端规则。,三、蛋白质的消化吸收,（一）胃的消化作用 食物中的蛋白质必须经过消化水解成氨基酸才能被人体吸收。蛋白质的消化从胃中开始，食物进入胃后，胃黏膜分泌胃泌素，在胃泌素的刺激下，胃壁细胞分泌盐酸，胃腺主细胞分泌胃蛋白酶原。盐酸使胃的pH约为1，在胃酸的作用下，蛋白质变性，多肽链伸展，使其更易水解。胃蛋白酶原在自身催化作用下，从肽链氨基端去掉42个氨基酸残基变成有活性的胃蛋白酶。在胃蛋白酶的催化下蛋白质被水解成各种多肽的混合物。,（二）

17、小肠中的消化 蛋白质在胃中消化后，同胃液一起进入小肠，多肽的继续消化在小肠中进行。胰腺分泌的碳酸氢根离子中和胃液中的盐酸，使pH升高到7以上。胰腺分泌胰蛋白酶原、胰凝乳蛋白酶原、弹性蛋白酶原和羧肽酶原进入肠道。胰蛋白酶原被小肠细胞分泌的肠肽酶转化成具有活性的形式。然后游离的胰蛋白酶将其余的胰蛋白酶原转化成胰蛋白酶。同时，胰蛋白酶也可以活化胰凝乳蛋白酶原、羧肽酶原和弹性蛋白酶原。,胰腺以非活性酶原形式分泌各种消化酶，保护自身细胞免受蛋白酶的破坏。胰腺还合成一种称为胰蛋白酶抑制剂的蛋白质，它能有效阻止具有活性的蛋白酶在胰腺细胞中的成熟以抵抗自身消化作用。,急性胰腺炎是一种由于胰腺分泌物进入小肠的正

18、常通道受阻而引发的疾病。原因是胰腺分泌的蛋白酶原在胰腺细胞中提前转化成具有催化活性的蛋白酶，使胰腺自身蛋白质水解，从而引起极度的疼痛和对胰腺器官的损害。,经胃蛋白酶水解进入小肠中的多肽，在胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、羧肽酶和氨肽酶的共同作用下，水解成游离氨基酸。在人体中，大部分来自动物性食物的球蛋白在肠道几乎完全水解成氨基酸，但有些纤维蛋白如角蛋白只被部分消化。有些植物性食物中的蛋白质由于有不可消化的纤维素外壳，不被消化。蛋白质消化产生的游离氨基酸被运送到小肠表面的上皮细胞中，进入小肠绒毛的毛细血管输送到肝脏。,第五章 蛋白质的分解代谢,第三节 氨基酸的分解代谢,动物体内氨基酸以相同的

19、方式进行分解代谢，大多数氨基酸在肝脏中进行代谢。该过程产生的氨有一部分在一系列不同生物合成过程中得到重新利用，多余的氨转化成其它物质排除体外。肝外组织的过量氨以氨基酸的形式被运送到肝脏进行代谢。氨基酸首先脱去氨基形成酮酸和氨。 氨基酸脱去氨基主要有转氨基作用、氧化脱氨基作用、联合脱氨基作用和非氧化脱氨基作用。,（一）转氨基作用 在转氨酶的催化下，L-氨基酸的氨基可以转移到-酮酸的碳原子上，形成新的L-氨基酸和-酮酸，这一过程称为转氨基作用。 催化转氨基反应的酶称为转氨酶。细胞中含有大量不同的转氨酶，在动物的心、脑、肾及肝脏中含量都很高。,一、 氨基酸的脱氨基作用,体内重要的转氨酶有谷丙转氨酶（

20、GPT）和谷草转氨酶（GOT），它们分别催化下列反应。,在正常情况下，催化转氨反应的转氨酶存在于细胞内，在血浆中的活性很低。当组织受到炎症损害时，细胞受损或细胞膜的通透性改变时，存在于细胞内的转氨酶即释放入血液，使血清转氨酶活性升高。 如肝炎或其它肝病时血清内谷丙转氨酶（GPT）活性增加，心肌梗塞等心肌疾患时血清内谷草转氨酶（GOT）活性增加。临床上用转氨酶的活性作为诊断肝脏和心脏疾病的重要指标。,（二）氧化脱氨基作用 氨基酸在L-氨基酸脱氢酶的催化下，脱去氨基生成-酮酸称为氧化脱氨基作用。 最重要的酶是L-谷氨酸脱氢酶，它可以NAD+或NADP+为氢的接受体，使谷氨酸氧化成-酮戊二酸。,（三

21、）联合脱氨基作用 在氨基酸脱氨作用中，转氨基作用只能发生氨基的转移，而没有真正氨基的脱落。在生物体中氨基酸主要是通过联合脱氨基作用脱去氨基。 联合脱氨基作用有两种方式，一种是转氨基作用与谷氨酸氧化脱氨反应相偶联，即通过转氨基作用形成谷氨酸，谷氨酸在谷氨酸脱氢酶的作用下脱去氨基， 这一过程主要发生在肝脏。,另一种联合脱氨基方式是转氨基作用与次黄嘌呤核苷酸（IMP）循环相偶联。这种方式通过转氨基作用形成天冬氨酸，在腺苷酸代琥珀酸合成酶的催化下，天冬氨酸与次黄嘌呤核苷酸结合生成腺苷酸代琥珀酸，腺苷酸代琥珀酸在裂合酶的催化下生成腺苷酸，腺苷酸水解脱去氨基生成氨和次黄嘌呤核苷酸（图5-4）。生成的次黄嘌

22、呤核苷酸可以进行下一个循环反应。这一过程主要发生在脑中。,氨基酸通过联合脱氨基作用脱去氨基生成NH3，在哺乳动物中，氨在肝脏中转变为尿素进入血液，经过肾脏排除体外。,二、氨的代谢,尿素主要在肝脏中形成，形成后通过血液运送到肾脏排除体外。形成尿素是到达肝脏的氨的主要去向。人体中排除氮的80%到90%是通过形成尿素排除的。氨在肝脏中转变成尿素是通过“尿素循环”形成的。这条循环途径由克雷布斯（Hans Krebs）和它的学生在1932年发现。,尿素循环的反应过程,尿素循环共有5步反应，前两个反应发生在肝脏的线粒体中，后3个反应在肝脏的细胞溶胶中进行。 尿素合成的第一步反应是由氨、碳酸和ATP合成氨基

23、甲酰磷酸，此反应由存在于线粒体中的氨基甲酰合成酶催化。氨基甲酰合成酶有两种，另一种氨基甲酰合成酶存在于细胞溶胶中，在嘧啶的生物合成中起催化作用。氨基甲酰合成酶是尿素循环的关键调节酶，它通过别构效应调节酶的活性，进而调节尿素循环的反应速率。,尿素合成的第二个反应是氨基甲酰磷酸将氨基甲酰提供给鸟氨酸形成瓜氨酸，这个反应发生在线粒体中，由鸟氨酸氨基甲酰转移酶催化。,瓜氨酸形成后从肝脏的线粒体转移到细胞溶胶中，在精氨琥珀酸合成酶的催化下，与天冬氨酸结合形成精氨琥珀酸。此反应需要消耗ATP。精氨琥珀酸在精氨琥珀酸裂解酶（也称精氨琥珀酸酶）的催化下生成精氨酸和延胡索酸，此反应是可逆反应。,精氨酸在精氨酸酶

24、的催化下水解生成尿素和鸟氨酸，这是尿素合成的最后一个反应。反应产生的鸟氨酸进入肝细胞线粒体，进行下一次尿素循环反应。,三、氨基酸的脱羧基作用,氨基酸的脱羧反应普遍存在于动物、植物及微生物体内，催化氨基酸脱羧反应的酶称为脱羧酶，这类酶的辅酶为磷酸吡哆醛，但组氨酸脱羧酶不需要辅酶。在动物的肝、肾、脑中有氨基酸脱羧酶存在，氨基酸脱羧酶的专一性很高，一般一种氨基酸有一种脱羧酶。,在动物体内由氨基酸脱羧转变而成的具有重要生理功能的物质主要有-氨基丁酸、组胺、5-羟色胺、精胺、亚精胺（精脒）及儿茶酚胺类物质。,-氨基丁酸（GABA）是由谷氨酸脱羧产生的一种抑制性神经递质，它的合成不足可导致羊角风发作。组胺

25、由组氨酸脱羧产生，它具有扩张血管、降低血压、促进平滑肌收缩及胃液分泌等作用。过敏反应或烧伤时组胺大量释放。在神经组织中它是感觉神经的一种递质，与周围神经的感觉与传递有关。 5-羟色胺是由色氨酸转变而成的神经递质，它在神经系统的含量与神经的兴奋和抑制状态有关，它是一种强血管收缩剂。,多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素称为儿茶酚胺类物质，它们由酪氨酸脱羧产生，儿茶酚胺含量与血压有关。帕金森氏症与体内多巴胺合成不足相关，而脑内多巴胺合成过多也可能出现生理异常如精神分裂症。 精胺和亚精胺来源于甲硫氨酸和鸟氨酸，多胺化合物能促进核酸和蛋白质的生物合成，是细胞生长及分裂所必须的。鸟氨酸脱羧酶是合成多胺的关键酶

26、。肿瘤细胞及胚胎组织中鸟氨酸脱羧酶活性高，多胺生成增加，使细胞生长和分裂加速。目前临床上测定癌症病人血、尿中多胺含量作为观察病情的指标之一。,四、氨基酸碳骨架的代谢,在人体中，氨基酸分解代谢产生的能量只占人体所需能量的10%至15%。动物体内用于合成蛋白质的20种氨基酸脱去氨基后，碳骨架在酶的催化下氧化分解。脊椎动物体内氨基酸的分解主要在肝脏中进行，肾脏也比较活跃，肌肉中氨基酸分解很少。虽然氨基酸的氧化分解途径不同，但它们最后只形成5种产物进入三羧酸循环。通过三羧酸循环氨基酸的碳骨架可以进入糖异生过程、酮体生成过程或被彻底氧化成CO2和H2O。 20氨种氨基酸的分解产物如下图：,氨基酸分解生成柠檬酸循的中间产物进入柠檬酸循环，其中被降解为丙酮酸、-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸或草酰乙酸的氨基酸，可以作为合成葡萄糖的前体，称为生糖氨基酸；被降解为乙酰CoA或乙酰乙酸的氨基酸可以转化为脂肪酸或酮体，称为生酮氨基酸。有些氨基酸既是生糖氨基酸又是生酮氨基酸。,五、氨基酸代谢缺陷症,氨基酸代谢途径中的某种酶缺乏时所引起的疾病称为氨基酸代谢缺陷症。氨基酸代谢缺陷症与DNA突变有关，是先天性遗传疾病，这种代谢缺陷属于分子病。,先天性氨基酸代谢缺陷症,