生物化学-氨基酸代谢

现代生物化学的第十四章氨基酸代谢思维导图。

氨基酸代谢

• 蛋白质的降解
  • 外源蛋白的消化与吸收
    • 食物中蛋白质进入人体内后，首先在消化道中被水解为氨基酸，通过血液运输供给细胞合成蛋白质或转变为其他含氮化合物如卟啉，含氮激素，嘌呤，嘧啶等。也有部分氨基酸经脱氨基后进一步氧化供能，脱掉的氨基以尿素的形式排出体外。 在胃酸环境下变性被胃蛋白酶水解为小分子多肽。然后进入小肠，被胰脏和小肠分泌的胰蛋白酶，糜蛋白酶，羧肽酶，氨肽酶等降解为氨基酸，吸收入血。
  • 组织蛋白质的胞内降解
    • 溶酶体组织蛋白酶降解途径
      • 长半寿期蛋白
    • 依赖于ATP的泛素降解途径
      • 泛素是由76个氨基酸组成的，高度保守的小分子蛋白。广泛存在于真核生物，作为无用蛋白质降解的标签。 首先，在ATP存在下，泛素与需要降解的蛋白质共价连接。连接方式是泛素分子的C端甘氨酸的羧基与目标蛋白中赖氨酸的ε-氨基形成异肽键。在霸蛋白泛素化过程中总共有三个酶参与（E1/E2/E3），分别负责把蛋白的特异性识别和连接。 靶蛋白一旦被泛素化就会被蛋白酶体识别并降解，则这一过程中泛素分子本身不被降解，而是被释放重新参加反应。 蛋白酶体是26S的多亚基蛋白酶复合物。结构高度保守，有两个相同的亚单位组成。
      • 短半寿期蛋白
• 氨基酸分解代谢
  • 氨基酸分解的基本反应
    • 脱氨基
      • 场所：肝脏 酶：L-谷氨酸脱氢酶（脱氨活力最高），辅酶NAD+。抑制剂（GTP/ATP） 谷氨酸脱氢酶催化可逆反应。 谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶具有高度专一性。 丝氨酸脱水酶和苏氨酸脱水酶催化专一反应。
      • 生成相应的α-酮酸
    • 转氨基
      • 氨基酸的转氨基作用是在转氨酶的催化下，α氨基酸和α酮酸间氨基的转移作用，结果α氨基酸转变为相应α酮酸，原来的α酮酸在接受氨基后转变为相应的氨基酸。 场所：肝脏 甘氨酸，赖氨酸，苏氨酸，脯氨酸无专一的转氨酶。 天冬氨酸氨基转移酶（谷草转氨酶）（GOT）：心肌细胞含量高。 丙氨酸氨基转移酶（谷丙转氨酶）（GPT）：肝细胞含量高。 当心机和肝细胞受损时，细胞膜通透性增加，使胞内的GOT和GPT外漏进入血液。临床上根据他们在血清中含量的变化来诊断心肌细胞或者肝细胞损伤程度。 转氨酶的辅酶都是磷酸吡哆醛。 转氨酶催化的反应是乒乓机制的双底物反应。α-酮戊二酸为氨基受体，因为α-酮戊二酸接受氨基后生成谷氨酸，可借助高活性的谷氨酸脱氢酶将氨基脱掉，进入氨排泄途径。然后谷氨酸为氨基酸合成的主要氨基供体。
    • 联合脱氨基
      • 转氨基与脱氨基偶联。
      • 嘌呤核苷酸循环
        • 场所：骨骼肌，脑。 过程：通过转氨作用形成了天冬氨酸经这种方式脱去氨基形成延胡索酸，延胡索酸可回补柠檬酸循环途径
    • 脱羧基
      • 在脱羧酶作用下，脱去羧基形成一级胺和二氧化碳。专一性高，辅酶为磷酸吡哆醛
  • 氨的排泄
    • 转运
      • 以谷氨酰胺形式转运
        • 在谷氨酰胺合成酶的作用下，氨与谷氨酸合成谷氨酰胺，由血液运送到肝脏后又在谷氨酰胺酶的作用下分解为谷氨酸和氨，氨进入尿素合成途径。 消耗ATP。
      • 以丙氨酸形式转运
        • 丙酮酸在转氨酶作用下，接受其他氨基酸的氨基形成丙氨酸，经血液到达肝脏，在谷丙转氨酶作用下，将氨基移交给α-酮戊二酸生成丙酮酸和谷氨酸。谷氨酸在谷氨酸脱氢酶作用下脱去氨基，氨进入尿素合成途径。丙酮酸在肝细胞中异生为葡萄糖，再运回肌肉细胞供能。
    • 尿素的合成（尿素循环）（鸟氨酸循环）
      • 小结：①合成尿素是一个耗能过程，合成一摩尔尿素需要消耗4个高能磷酸键。 ②合成一摩尔尿素可以从体内清除掉两摩尔的氨和1摩尔二氧化碳。 ③ 尿素合成途径的前两步，即氨甲酰磷酸和瓜氨酸的合成是在线粒体中完成的。这样有利于将氨严格控制在线粒体中，防止其扩散进入血液，引起氨中毒。 ④尿素循环中形成的延胡索酸使尿素循环和三羧酸循环密切联系在一起。精氨琥珀酸裂解生成的延胡索酸转变为苹果酸。苹果酸进一步氧化为草酰乙酸，草酰乙酸可以进入三羧酸循环。也可以经转氨作用再次形成天冬氨酸进入尿素循环。所以被称为Krebs bicycle，又称为尿素－柠檬酸双循环。 ⑤尿素循环的调节：严重饥饿状况下，尿素循环的速度加快。然后低蛋白或者高碳水化合物，尿素循环的水平降低。
      • 氨甲酰磷酸合成
        • 场所：线粒体。 酶：氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ，调节酶，正调节剂是N-乙酰谷氨酸，精氨酸（可激活N-乙酰谷氨酸合酶） 消耗2个高能磷酸键 不可逆反应
      • 瓜氨酸的合成
        • 在鸟氨酸转氨甲酰酶的作用下，氨甲酰基被转移至鸟氨酸形成瓜氨酸。
      • 精氨琥珀酸的合成
        • 瓜氨酸在胞液中，在精氨琥珀酸合成酶的作用下与天冬氨酸结合为精氨琥珀酸。
      • 精氨琥珀酸的裂解
        • 精氨琥珀酸在精氨琥珀酸酶的作用下，裂解为精氨酸和延胡索酸，延胡索酸进入三羧酸循环进行代谢。
      • 尿素的形成
        • 在精氨酸酶的作用下，精氨酸水解为尿素和鸟氨酸，尿素排除体外，鸟氨酸进入下一次循环
  • 氨基酸碳架的氧化
    • ①一碳单位。一碳单位是指仅含有一个碳原子的基团。如甲基，亚甲基，羟甲基。主要来源于甘氨酸，丝氨酸，组氨酸的分解代谢。 一碳单位需要在载体四氢叶酸（FH4）的携带下，先参与各种生物分子的合成与生物活性的修饰。一碳单位结合在FH4的第五位和第十位N上。 先转移给同型半胱氨酸形成甲硫氨酸，然后再经ATP进一步活化。形成S-腺苷甲硫氨酸后才能将甲基最终转移到甲基受体分子上。 ②由氨基酸衍生的生物活性物质：Glu，Asp在神经活动中起重要作用，是脑和脊髓广泛存在的具有兴奋作用的神经介质。Gly是抑制性神经介质。 有些氨基酸可脱羧衍生为生物活性物质，有组氨酸脱羧生成组胺，而组胺具有扩张血管的作用，在神经组织中是感觉神经递质，与外周神经感觉传导有关。 色氨酸经羟化脱羧生成5’-羟色胺。5’-羟色胺是脊椎动物中的一种神经递质，也是一种高效血管收缩剂。在植物中，是植物生长素合成的前体。 谷氨酸脱羧后生成γ-氨基丁酸（GABA）。γ-氨基丁酸是脑组织中具有抑制作用的神经递质。癫痫病的发作与GABA水平低下有关。 酪氨酸可以转变为儿茶酚胺类物质（包括肾上腺素，去甲肾上腺素，多巴和多巴胺）。帕金森综合征的多巴胺水平低下。精神分裂症多巴胺水平过高。 精氨酸在一氧化氮合酶的作用下生成瓜氨酸和一氧化氮。一氧化氮是重要的生物信息分子，可以促进血管平滑肌的松弛。 鸟氨酸和甲硫氨酸脱羧生成的多胺类物质：精胺和亚精胺参与DNA的组装。 此外，氨基酸还可以衍生为肌酸磷酸，谷胱甘肽。卟啉等重要生物分子。
    • 降解产物不同
      • 生酮氨基酸
        • 转变为乙酰辅酶A和乙酰乙酰辅酶A的氨基酸。
          • 精氨酸，赖氨酸
      • 生糖氨基酸
        • 转变为丙酮酸，α－酮戊二酸，琥珀酰辅酶A，延胡索酸和草酰乙酸的氨基酸。
          • 天冬氨酸。天冬酰胺，甘氨酸，丝氨酸，丙氨酸。苏氨酸，半胱氨酸，谷氨酸，组氨酸。脯氨酸和精氨酸。
      • 生酮生糖氨基酸
        • 异亮氨酸，苯丙氨酸，色氨酸，酪氨酸
• 氨基酸的生物合成
  • 11种非必需氨基酸（人体自身可以合成的）：丙氨酸，天冬氨酸，天冬酰胺，谷氨酸，谷氨酰胺，精氨酸，甘氨酸，脯氨酸，丝氨酸，半胱氨酸，酪氨酸。 9种必需氨基酸（必须从食物中所获取）：赖氨酸，组氨酸，甲硫氨酸，色氨酸，苏氨酸，亮氨酸，异亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸。 氨基酸生物合成的研究主要是因为微生物作为材料。因为取材方便，最大的优越性是可以应用遗传突变技术获得各种突变株，为氨基酸合成途径和调节机理的研究提供了有利条件。 各种氨基酸合成途径各不相同，但是都有一个共同的特征，就是所有氨基酸都不是以二氧化碳和氨为起始材料从头合成，而且起始于三羧酸循环，糖酵解途径及磷酸戊糖途径的中间代谢物。
  • 氨基酸生物合成途径（根据起始物不同。）
    • α酮戊二酸衍生类型
      • 谷氨酸，谷氨酰胺，脯氨酸和精氨酸。
    • 草酰乙酸衍生类型
      • 天冬氨酸，天冬酰胺，甲硫氨酸，苏氨酸和赖氨酸。
    • 丙酮酸衍生类型
      • 丙氨酸，缬氨酸，亮氨酸和异亮氨酸。
    • 3-磷酸甘油醛衍生类型
      • 丝氨酸，甘氨酸，半胱氨酸。
    • 磷酸烯醇式丙酮酸和4-磷酸赤藓糖衍生类型
      • 酪氨酸，苯丙氨酸，色氨酸。
    • 组氨酸是以5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP）为前体合成的。PRPP是核苷酸生物合成的前体。
  • 几种氨基酸合成的简单途径
    • P421
  • 氨基酸生物合成途径中的反馈调节
    • 慢反应
      • 基因水平调控酶的生成量
    • 反馈调节（产物对氨基酸合成途径中的限速酶进行别构调节）
      • 单向途径终末产物的反馈抑制
        • 苏氨酸合成异亮氨酸（产物抑制限速反应）
      • 顺序反馈抑制
        • 枯草杆菌中芳香族氨基酸
      • 酶的多重性抑制
        • 大肠杆菌的芳香氨基酸的合成
      • 协同反馈调节
        • 同时存在抑制