氨 基 酸 代 谢 Metabolism of Amino Acids

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1 第九章 氨基酸代谢 Metabolism of Amino Acids

2 第一节 蛋白质的生理功能和营养价值 Physiological Function and Nutrition Value of Protein

3 一 体内蛋白质具有多方面的重要功能 ( 一 ) 蛋白质维持细胞组织的生长 更新和修补 ( 二 ) 蛋白质参与体内多种重要的生理活动 催化 ( 酶 ) 免疫( 抗原及抗体 ) 运动( 肌肉 ) 物质转运( 载体 ) 凝血( 凝血系统 ) 等 ( 三 ) 蛋白质可作为能源物质氧化供能 每克蛋白质在体内氧化分解可释放 17.19KJ (4.1 KCal) 的能量, 人体每日 18% 能量由蛋白质提供

4 二 体内蛋白质的代谢状况可用氮平衡描述 氮平衡 (nitrogen balance) 指每日氮的摄入量 ( 食物中的蛋白质 ) 与排出量 ( 粪 便和尿液 ) 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 恢复期病人 ) 氮负平衡 : 摄入氮 < 排出氮 ( 饥饿 严重烧伤 出血 消耗性疾病患者 )

5 氮平衡的意义 可以反映体内蛋白质代谢的概况 蛋白质的生理需要量 成人每日蛋白质最低生理需要量为 30g-50g, 我 国营养学会推荐成人每日蛋白质需要量为 80g

6 三 营养必需氨基酸决定蛋白质的 营养价值 营养必需氨基酸 (essential amino acid) 指体内需要而又不能自身合成, 必须由食物供给的氨基酸, 共有 8 种 :Val Ile Leu Thr Met Lys Phe Trp 其余 12 种氨基酸体内可以合成, 称为营养非必需 氨基酸

7 蛋白质的营养价值 (nutrition value) 蛋白质的营养价值是指食物蛋白质在体内的利用率, 取决于必需氨基酸的数量 种类 量质比 蛋白质的互补作用指营养价值较低的蛋白质混合食用, 其必需氨基酸可以互相补充而提高营养价值

8 第二节 蛋白质的消化 吸收和腐败 Digestion, Absorption and Putrefaction of Proteins

9 一 外源性蛋白质消化成氨基酸和 寡肽后被吸收 ( 一 ) 在胃和肠道蛋白质被消化成氨基酸和寡肽 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

10 1. 蛋白质在胃中被水解成多肽和氨基酸 胃蛋白酶原 (pepsinogen) 胃酸 胃蛋白酶自身激活作用 (autocatalysis) 胃蛋白酶 + 多肽碎片 (pepsin) 胃蛋白酶的最适 ph 为 1.5~2.5, 对蛋白质肽键的作用特异性较差, 主要水解由芳香族氨基酸 蛋氨酸和亮氨酸所形成的肽键, 产物主要为多肽及少量氨基酸 胃蛋白酶的凝乳作用 : 乳汁中的酪蛋白 (casein) 与 Ca 2+ 形成乳凝块, 胃停留时间延长, 利于消化

11 2. 蛋白质在小肠被水解成小肽和氨基酸 胰酶及其作用 小肠是蛋白质消化的主要部位 胰酶是消化蛋白质的主要酶, 最适 ph 为 7.0 左右, 包括内肽酶和外肽酶 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

12 蛋白水解酶作用示意图 氨基肽酶 内肽酶 羧基肽酶 NH NH 二肽酶 5 6 氨基酸 + 氨基酸

13 肠液中酶原的激活 肠激酶 (enterokinase) 胰蛋白酶原 胰蛋白酶 (trypsin) 糜蛋白酶原 糜蛋白酶 (chymotrypsin) 弹性蛋白酶原 弹性蛋白酶 (elastase) 羧基肽酶原 (A 或 B) 羧基肽酶 (A 或 B) (carboxypeptidase)

14 酶原激活的意义 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 小肠粘膜细胞对蛋白质的消化作用主要是寡肽酶 (oligopeptidase) 的作用, 例如氨基肽酶 (aminopeptidase) 及二肽酶 (dipeptidase) 等, 最终产物为氨基酸

15 ( 二 ) 氨基酸和寡肽通过主动转运机制被吸收 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

16 通过转运蛋白完成氨基酸和小肽的吸收 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 七种转运蛋白 (transporter) 中性氨基酸转运蛋白 酸性氨基酸转运蛋白 碱性氨基酸转运蛋白 亚氨基酸转运蛋白 β 氨基酸转运蛋白 二肽转运蛋白 三肽转运蛋白

17 通过 γ- 谷氨酰基循环完成氨基酸的吸收 γ- 谷氨酰基循环 (γ-glutamyl cycle) 过程 : 谷胱甘肽对氨基酸的转运 谷胱甘肽再合成

18 细胞外 H 2 NCH COOH R 氨基酸 细胞膜 γ- 谷氨酰基转移酶 ADP+Pi ATP 细胞内 半胱氨酰甘氨酸 (Cys-Gly) 谷胱甘肽 GSH COOH CHNH 2 CH 2 CH 2 C O 甘氨酸 谷胱甘肽合成酶 NH γ- 谷氨酰氨基酸 肽酶 COOH CH R 半胱氨酸 γ- 谷氨酰半胱氨酸 γ- 谷氨酰半胱氨酸合成酶 γ- 谷氨酰环化转移酶 5- 氧脯氨酸 5- 氧脯氨酸酶 谷氨酸 氨基酸 H 2 NCH ATP COOH R ADP+Pi ATP ADP+Pi

19 二 未消化吸收蛋白质在大肠下段发生 腐败作用 蛋白质的腐败作用 (putrefaction) 未被消化的蛋白质及未被吸收的氨基酸, 在大肠下部受大肠杆菌的分解, 此分解作用称为腐败作用 (putrefaction) 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

20 ( 一 ) 肠道细菌通过脱羧基作用产生胺类 蛋白酶脱羧基作用蛋白质氨基酸胺类 (amines) 组氨酸色氨酸酪氨酸赖氨酸 组胺色胺酪胺尸胺

21 假神经递质 (false neurotransmitter) 某些物质结构 ( 如苯乙醇胺,β- 羟酪胺 ) 与神经递质 ( 如儿茶酚胺 ) 结构相似, 可取代正常神经递质从而影响脑功能, 称假神经递质 CH 2 NH 2 CH 2 NH 2 CH 2 NH 2 CH 2 NH 2 CH 2 H C OH CH 2 H C OH 苯乙胺 苯乙醇胺 OH 酪胺 OH β- 羟酪胺

22 ( 二 ) 肠道细菌通过脱氨基作用产生氨 未被吸收的氨基酸 脱氨基作用 氨 (ammonia) 渗入肠道的尿素 尿素酶 降低肠道 ph,nh 3 转变为 NH 4 + 以胺盐形式排出, 可减少氨的吸收, 这是酸性灌肠的依据

23 ( 三 ) 腐败作用产生其它有害物质 酪氨酸 半胱氨酸 色氨酸 苯酚 硫化氢 吲哚 正常情况下, 上述有害物质大部分随粪便排 出, 只有小部分被吸收, 经肝的代谢转变而 解毒, 故不会发生中毒现象

24 第三节 氨基酸的一般代谢 General Metabolism of Amino Acids

25 一 体内蛋白质分解生成氨基酸 成人体内的蛋白质每天约有 1%-2% 被降解, 主要是肌肉蛋白质 蛋白质降解产生的氨基酸, 大约 70%-80% 被 重新利用合成新的蛋白质

26 ( 一 ) 蛋白质以不同的速率进行降解 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 t 1/2 表示 不同的蛋白质降解速率不同, 降解速率随生 理需要而变化

27 ( 二 ) 真核细胞内蛋白质的降解有两条重要途径 1 蛋白质在溶酶体通过 ATP- 非依赖途径被降解 不依赖 ATP 和泛素 ; 利用溶酶体中的组织蛋白酶 (cathepsin) 降解 外源性蛋白 膜蛋白和长寿蛋白质

28 2 蛋白质在蛋白酶体通过 ATP- 依赖途径被降解 依赖 ATP 和泛素 降解异常蛋白和短寿蛋白质 泛素 (ubiquitin) 76 个氨基酸组成的多肽 (8.5kD) 普遍存在于真核生物而得名 一级结构高度保守

29 泛素介导的蛋白质降解过程 泛素与选择性被降解蛋白质形成共价连接, 并使其激活, 即泛素化, 包括三种酶参与的 3 步反应, 并需消耗 ATP 蛋白酶体 (proteasome) 对泛素化蛋白质的降解

30 泛素化过程 O UB C O - + HS-E 1 ATP AMP+PPi UB O C S E 1 O O UB C S E 1 HS-E 2 HS-E 1 UB C S E 2 UB O C Pr HS-E 2 O S E 2 UB C NH E 3 Pr UB: 泛素 E 1 : 泛素激活酶 E 2 : 泛素结合酶 E 3 : 泛素蛋白连接酶 Pr: 被降解蛋白质

31 蛋白酶体存在于细胞核和胞浆内, 主要降解 异常蛋白质和短寿蛋白质 26S 蛋白 质酶体 2 个 α 环 :7 个 α 亚基 20S 的核心颗粒 (CP) 2 个 β 环 :7 个 β 亚基 19S 的调节颗粒 (RP) : 18 个亚基, 6 个亚基具有 ATP 酶活性

32

33 泛素介导的蛋白质降解过程 :

34 二 外源性氨基酸与内源性氨基酸 组成氨基酸代谢库 食物蛋白质经消化吸收的氨基酸 ( 外源性氨基酸 ) 与体内组织蛋白质降解产生的氨基酸及体内合成的非必需氨基酸 ( 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 (metabolic pool)

35 氨基酸代谢概况 : 食物蛋白质 组织蛋白质 消化吸收 分解 合成 血液氨基酸 组织氨基酸 氨基酸代谢库 脱氨基作用 脱羧基作用 代谢转变 α- 酮酸 NH 3 胺类 + CO 2 嘌呤 嘧啶 肌酸 等含氮化合物 非必需氨基酸 糖或脂类 CO 2 +H 2 O 尿素谷氨酰胺 其它含氮物质

36 脱氨基作用 三 氨基酸分解先脱氨基 指氨基酸脱去 α- 氨基生成相应 α- 酮酸的过程 NH 3

37 ( 一 ) 氨基酸通过转氨基作用脱去氨基 1. 转氨基作用由转氨酶催化完成 转氨基作用 (transamination) 在转氨酶 (transaminase) 的作用下, 某一氨基酸去掉 α- 氨基生成相应的 α- 酮酸, 而另一种 α- 酮酸得到此氨基生成相应的氨基酸的过程

38 反应式 大多数氨基酸可参与转氨基作用, 但赖氨酸 苏氨酸 脯氨酸 羟脯氨酸除外 转氨酶的专一性强, 不同氨基酸与 α- 酮酸之间的转氨基作用只能由专一的转氨酶催化 在各种转氨酶中, 以 L- 谷氨酸和 α- 酮酸的转氨酶最为重要

39 COOH (CH 2 ) 2 CHNH 2 + COOH CH 3 C=O COOH ALT COOH (CH 2 ) 2 C=O + COOH CH 3 CHNH 2 COOH 谷氨酸 丙酮酸 α- 酮戊二酸 丙氨酸 COOH COOH COOH COOH (CH 2 ) 2 CHNH 2 COOH 谷氨酸 + CH 2 C=O COOH 草酰乙酸 AST (CH 2 ) 2 C=O + COOH α- 酮戊二酸 CH 2 CHNH 2 COOH 天冬氨酸

40 正常人各组织中 ALT 及 AST 活性 ( 单位 / 克湿组织 ) 组织 ALT AST 组织 ALT AST 肝 胰腺 肾 脾 心 肺 骨骼肌 血清 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

41 2. 各种转氨酶都具有相同的辅酶和作用机制 转氨酶的辅酶是磷酸吡哆醛 氨基酸 磷酸吡哆醛 转氨酶 谷氨酸 α- 酮酸磷酸吡哆胺 α- 酮戊二酸

42

43 转氨基作用的生理意义 转氨基作用不仅是体内多数氨基酸脱氨基 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

44 ( 二 )L- 谷氨酸通过 L- 谷氨酸脱氢酶催化脱去氨基 NH 2 CH COOH NAD(P)H+H + NH C COOH H 2 O O C COOH + NH 3 (CH 2 ) 2 COOH NAD(P) + (CH 2 ) 2 COOH (CH 2 ) 2 COOH L- 谷氨酸 催化酶 : L- 谷氨酸脱氢酶 α- 酮戊二酸 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

45 联合脱氨基作用 定义 两种脱氨基方式的联合作用, 使氨基酸 脱下 α- 氨基生成 α- 酮酸的过程

46 转氨基偶联氧化脱氨基作用 转氨基作用与谷氨酸脱氢作用的结合被称作转氨脱氨作用 (transdeamination) 氨基酸 转氨酶 α- 酮酸 α- 酮戊二酸 谷氨酸 NH 3 +NADH+H + L- 谷氨酸脱氢酶 H 2 O+NAD + 此种方式既是氨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 肾和脑组织进行

47 ( 三 ) 氨基酸通过嘌呤核苷酸循环脱去氨基 氨基酸 α- 酮戊二酸 天冬氨酸 腺苷酸代琥珀酸合成酶 次黄嘌呤核苷酸 (IMP) NH 3 腺苷酸脱氨酶 H 2 O 转氨酶 1 α- 酮酸 谷氨酸 转氨酶 2 草酰乙酸 腺苷酸代琥珀酸 延胡索酸 腺嘌呤核苷酸 (AMP) 苹果酸

48 ( 四 ) 氨基酸通过氨基酸氧化酶脱去氨基 α- 氨基酸 O 2 +FMNH 2 L- 氨基酸氧化酶 α- 酮酸 NH + 4+H 2 O 2

49 四 氨基酸碳链骨架可进行转换或分解 氨基酸脱氨基后生成的 - 酮酸 ( -keto acid) 主要有三条代谢去路 ( 一 )α- 酮酸可彻底氧化分解并提供能量 ( 二 )α- 酮酸经氨基化生成营养非必需氨基酸 ( 三 )α- 酮酸可转变成糖及脂类化合物

50 氨基酸生糖及生酮性质的分类 类别生糖氨基酸生酮氨基酸生糖兼生酮氨基酸 氨基酸甘氨酸 丝氨酸 缬氨酸 组氨酸 精氨酸 羟脯氨酸 丙氨酸 谷氨酸 谷氨酰胺 蛋氨酸 天冬氨酸 天冬酰胺 脯氨酸 半胱氨酸亮氨酸 赖氨酸异亮氨酸 苯丙氨酸 酪氨酸 苏氨酸 色氨酸 2L: Leu, Lys 2e: Ile, Phe 3T: Tyr, Thr, Trp

51 氨基酸分解代谢的中间产物主要有 3 类 : 丙酮酸 可进入线粒体氧化产生乙酰 CoA, 进入三羧酸循环而彻底氧化 酮体 可直接分解产生乙酰 CoA 或乙酰乙酰 CoA 三羧酸循环的中间产物 通过三羧酸循环中的反应转变成苹果酸, 运输到线粒体外, 在胞质内依次转变成草酰乙酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸, 然后进入线粒体彻底氧化

52 氨基酸 糖及脂肪代谢的联系 糖 丙氨酸半胱氨酸丝氨酸苏氨酸色氨酸 天冬氨酸天冬酰胺 葡萄糖或糖原 磷酸丙糖 PEP 丙酮酸 异亮氨酸亮氨酸色氨酸 草酰乙酸 延胡索酸 乙酰 CoA T A C α- 磷酸甘油脂肪酸 柠檬酸 甘油三酯 α- 酮戊二酸 乙酰乙酰 CoA CO 2 脂肪 亮氨酸赖氨酸酪氨酸色氨酸苯丙氨酸苏氨酸 谷氨酸 酮体 苯丙氨酸酪氨酸 琥珀酰 CoA CO 2 异亮氨酸蛋氨酸丝氨酸苏氨酸缬氨酸 精氨酸组氨酸 谷氨酰胺缬氨酸

53 一般在下列 3 种代谢状况下, 氨基酸才氧化降解 : 1 细胞的蛋白质进行正常的合成和降解时, 蛋白质合成并 不需要蛋白质降解释放出的某些氨基酸, 这些氨基酸会 进行氧化分解 2 食品富含蛋白质, 消化产生的氨基酸超过了蛋白质合成 的需要, 由于氨基酸不能在体内储存, 过量的氨基酸在 体内被氧化降解 3 机体处于饥饿状态或未控制的糖尿病状态时, 机体不能 利用或不能合适地利用糖作为能源, 细胞的蛋白质被用 做重要的能源

54 第四节 氨的代谢 Metabolism of Ammonia

55 血氨 (blood ammonia) 体内代谢产生的氨及消化道吸收的氨进入血液, 形成血氨 血氨水平 正常生理情况下, 血氨水平在 47~65 mol/l

56 一 血氨有三个重要来源 ( 一 ) 氨基酸脱氨基作用和胺类分解均可产生氨 胺氧化酶 RCH 2 NH 2 RCHO + NH 3 氨基酸脱氨基作用产生的氨是体内氨的 主要来源

57 ( 二 ) 肠道细菌腐败作用产生氨 蛋白质和氨基酸在肠道细菌作用下产生的氨 尿素经肠道细菌尿素酶水解产生的氨 ( 三 ) 肾小管上皮细胞分泌的氨主要来自谷 氨酰胺 谷氨酰胺酶谷氨酰胺谷氨酸 + NH 3 H 2 O

58 二 氨在血液中以丙氨酸及谷氨酰胺的 形式转运 ( 一 ) 氨通过丙氨酸 - 葡萄糖循环从骨骼肌运往肝 生理意义 肌肉中氨以无毒的丙氨酸形式运输到肝 肝为肌肉提供葡萄糖

59 肌肉 血液 肝 肌肉蛋白质 氨基酸 NH 3 谷氨酸 α- 酮戊二酸 葡萄糖 丙酮酸 丙氨酸 糖酵解途径 葡萄糖 丙氨酸 葡萄糖 糖异生 丙酮酸 丙氨酸 尿素 尿素循环 NH 3 谷氨酸 α- 酮戊二酸 丙氨酸 - 葡萄糖循环

60 ( 二 ) 氨通过谷氨酰胺从脑和骨骼肌等组织运 往肝或肾 反应过程 ATP 谷氨酰胺合成酶 ADP+Pi 谷氨酸 + NH 3 谷氨酰胺酶 谷氨酰胺 + H2O 生理意义 谷氨酰胺是氨的解毒产物, 也是氨的储 存及运输形式

61 天冬酰胺酶 (asparaginase) 治疗白血病机理 : 减少血中天冬酰胺 CONH 2 COOH (CH 2 ) 2 CH 2 CHNH 2 COOH Gln COOH (CH 2 ) 2 白血病细胞不能 CHNH 2 COOH Asp CONH 2 CH 2 NH 3 天冬酰胺酶 H 2 O CHNH 2 COOH Glu CHNH 2 COOH Asn Protein

62 三 氨在肝合成尿素是氨的主要去路 体内氨的去路有 : 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 谷氨酸 + NH 3 谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺 ATP ADP+Pi 肾小管泌氨分泌的 NH 3 在酸性条件下生成 NH 4+, 随尿排出

63 ( 一 )Krebs 提出尿素是通过鸟氨酸循环合成 的学说 尿素生成的过程由 Hans Krebs 和 Kurt Henseleit 提出, 称为鸟氨酸循环 (orinithine cycle), 又称尿素循环 (urea cycle) 或 Krebs- Henseleit 循环 * 组织切片技术 * 同位素示踪技术

64 ( 二 ) 肝中鸟氨酸循环详细步骤 1. NH 3 CO 2 和 ATP 缩合生成氨基甲酰磷酸 (carbamoyl phosphate) 反应在线粒体中进行 CO 2 + NH 3 + H 2 O + 2ATP O 氨基甲酰磷酸合成酶 Ⅰ(CPS-I) (N- 乙酰谷氨酸,Mg 2+ ) H 2 N C O ~ PO ADP + Pi 氨基甲酰磷酸

65 反应由氨基甲酰磷酸合成酶 Ⅰ(carbamoyl phosphate synthetaseⅠ, CPS-Ⅰ) 催化 N- 乙酰谷氨酸为其激活剂, 反应消耗 2 分子 ATP COOH N- 乙酰谷氨酸 (AGA) CH 3 C-NH-CH O (CH 2 ) 2 COOH

66 2. 氨基甲酰磷酸与鸟氨酸反应生成瓜氨酸 NH 2 C O NH 2 (CH 2 ) 3 CH NH 2 COOH 鸟氨酸 + NH 2 C O O ~PO 2-3 氨基甲酰磷酸 鸟氨酸氨基甲酰转移酶 OCT H 3 PO 4 NH (CH 2 ) 3 CH NH 2 COOH 瓜氨酸

67 反应由鸟氨酸氨基甲酰转移酶 (ornithine carbamoyl transferase, OCT) 催化,OCT 常与 CPS-Ⅰ 构成复合体 反应在线粒体中进行, 瓜氨酸生成后进入胞液

68 3. 瓜氨酸与天冬氨酸反应生成精氨酸代琥珀酸 反应在胞液中进行 NH 2 C O NH (CH 2 ) 3 + CH NH 2 COOH 瓜氨酸 COOH H C H 精氨酸代琥珀酸合成酶 2 N CH 2 COOH Mg 2+ ATP H 2 O AMP+PPi NH 2 COOH C N C H NH (CH 2 ) 3 CH CH 2 COOH NH 2 COOH 天冬氨酸精氨酸代琥珀酸

69 4. 精氨酸代琥珀酸裂解生成精氨酸和延胡索酸 反应在胞液中进行 NH 2 COOH NH 2 C N NH (CH 2 ) 3 C H CH 2 COOH 精氨酸代琥珀酸裂解酶 C NH NH (CH 2 ) 3 + COOH CH CH CH NH 2 CH NH 2 HOOC COOH COOH 精氨酸代琥珀酸 精氨酸 延胡索酸

70 5. 精氨酸水解释放尿素并再生成鸟氨酸 反应在胞液中进行 H2O 精氨酸 尿素 鸟氨酸

71 CO 2 + NH 3 + H 2 O 2ATP 2ADP+Pi N- 乙酰谷氨酸 氨基甲酰磷酸 Pi 鸟氨酸 瓜氨酸 线粒体 鸟氨酸循环 鸟氨酸 尿素 精氨酸 ATP AMP + PPi 瓜氨酸 精氨酸代琥珀酸 延胡索酸 天冬氨酸 草酰乙酸 苹果酸 α- 酮戊二酸 谷氨酸 氨基酸 α- 酮酸 胞液

72 反应小结 : 原料 :2 分子氨, 一个来自于游离氨, 另一个来自天冬氨酸 过程 : 通过鸟氨酸循环, 先在线粒体中进行, 再在胞液中进行 耗能 :3 个 ATP,4 个高能磷酸键 2NH 3 + CO 2 + 3ATP + 3H 2 O H 2 N CO NH 2 + 2ADP + AMP + 4Pi

73 ( 三 ) 尿素合成受膳食蛋白质和两种关键酶活性的调节 1. 高蛋白质膳食促进尿素合成 2.AGA 激活 CPS-Ⅰ 启动尿素合成 3. 精氨酸代琥珀酸合成酶活性促进尿素合成

74 正常成人肝尿素合成酶的相对活性 酶氨基甲酰磷酸合成酶鸟氨酸氨基甲酰转移酶精氨酸代琥珀酸合成酶精氨酸代琥珀酸裂解酶精氨酸酶 相对活性

75 ( 四 ) 尿素合成障碍可引起高血氨症与氨中毒 血氨浓度升高称高血氨症 (hyperammonemia) 常见于肝功能严重损伤或尿素合成相关酶 的遗传缺陷 高血氨症时可引起脑功能障碍, 称氨中毒 (ammonia poisoning)

76 氨中毒的可能机制 1 高血氨可减少脑内 α- 酮戊二酸, 导致能量代谢障碍 NH 3 NH 3 α- 酮戊二酸谷氨酸谷氨酰胺 脑内 α- 酮戊二酸 TAC 脑供能不足

77 2 脑星状细胞内谷氨酰胺增多, 可导致水份渗入细胞, 引起脑水肿 3 谷氨酸以及由谷氨酸产生的 γ- 氨基丁酸都是主要的信号分子 过多谷氨酸用于合成谷氨酰胺, 可导致脑内谷氨酸和 γ- 氨基丁酸减少, 影响脑的功能

78 第五节 个别氨基酸的代谢 Metabolism of Individual Amino Acids

79 一 氨基酸的脱羧基作用产生特殊的 胺类化合物 脱羧基作用 (decarboxylation) 磷酸吡哆醛

80 ( 一 ) 谷氨酸经谷氨酸脱羧酶催化生成 γ- 氨基 丁酸 (γ-aminobutyric acid, GABA) COOH (CH2)2 CHNH2 COOH L- 谷氨酸 L- 谷氨酸脱羧酶 CO 2 COOH (CH2)2 CH2NH2 GABA GABA 是抑制性神经递质, 对中枢神经有 抑制作用

81 ( 二 ) 组氨酸经组氨酸脱羧酶催化生成 组胺 (histamine) HN N CH 2 CHCOOH NH 2 组氨酸脱羧酶 CO 2 CH 2 CH 2 NH 2 HN N L- 组氨酸组胺 组胺是强烈的血管舒张剂, 可增加毛细血管的 通透性, 还可刺激胃蛋白酶原及胃酸的分泌

82 ( 三 ) 色氨酸经 5- 羟色胺酸生成 5- 羟色胺 (5-hydroxytryptamine, 5-HT) CH 2 CHCOOH HO CH 2 CHCOOH HO CH 2 CH 2 NH 2 NH 2 NH 2 5- 羟色氨酸脱羧酶 色氨酸 色氨酸羟化酶 CO 2 5- 羟色氨酸 5-HT 5-HT 在脑内作为神经递质起, 抑制作用 ; 在外周组织有收缩血管的作用

83 ( 四 ) 某些氨基酸的脱羧基作用可产生多胺类 (polyamines) 物质 H 2 N-(CH 2 ) 4 -COOHNH 2 鸟氨酸 腺苷 -S-(CH 2 ) 3 -NH 2 COOH (SAM ) H 2 N- (CH 2 ) 3 -NH- (CH 2 ) 4 - NH- (CH 2 ) 3 -NH 2 精胺 (spermine) 鸟氨酸脱羧酶 CO 2 SAM 脱羧酶 CO 2 丙胺转移酶 H 2 N-(CH 2 ) 4 -NH 2 腐胺 腺苷 -S-(CH 2 ) 3 -NH 2 脱羧基 SAM 多胺是调节细胞生长的重要物质 丙胺转移酶 5'- 甲基 - 硫 - 腺苷 H 2 N-(CH 2 ) 4 -NH-(CH 2 ) 3 -NH 2 精脒 (spermidine)

84 二 某些氨基酸在分解代谢中产生一碳单位 ( 一 ) 四氢叶酸作为一碳单位的运载体参与一碳单位代谢 一碳单位的定义某些氨基酸在分解代谢过程中产生的含有一个碳原子的基团, 称为一碳单位 (one carbon unit)

85 一碳单位的种类 甲基 (methyl) -CH 3 甲烯基 (methylene) -CH 2 - 甲炔基 (methenyl) 甲酰基 (formyl) 亚胺甲基 (formimino) -CH= -CHO -CH=NH

86 四氢叶酸的结构 5 FH 4 的生成 FH 2 还原酶 FH 2 还原酶 F FH 2 FH 4 NADPH+H + NADP + NADPH+H + NADP +

87 FH 4 携带一碳单位的形式 ( 一碳单位通常是结合在 FH 4 分子的 N 5 N 10 位上 ) N 5 CH 3 FH 4 N 5,N 10 CH 2 FH 4 N 5,N 10 =CH FH 4 N 10 CHO FH 4 N 5 CH=NH FH 4

88 ( 二 ) 由氨基酸产生的一碳单位可相互转变 一碳单位主要来源于丝氨酸 甘氨酸 组氨酸 及色胺酸的分解代谢 丝氨酸 N 5, N 10 CH 2 FH 4 甘氨酸 N 5, N 10 CH 2 FH 4 组氨酸 N 5 CH=NH FH 4 色氨酸 N 10 CHO FH 4

89

90 一碳单位的互相转变 N 10 CHO FH 4 H + H 2 O NH 3 N 5, N 10 =CH FH 4 N 5 CH=NH FH 4 NADPH+H + NADP + N 5, N 10 CH 2 FH 4 NADH+H + NAD + N 5 CH 3 FH 4

91 ( 三 ) 一碳单位的主要功能是参与嘌呤 嘧啶的合成 N 10 -CHO-FH 4 与 N 5,N 10 =CH-FH 4 分别为嘌呤 合成提供 C 2 与 C 8,N 5,N 10 -CH 2 -FH 4 为胸腺嘧 啶核苷酸合成提供甲基 把氨基酸代谢和核酸代谢联系起来 甲烯基

92 三 含硫氨基酸的代谢是相互联系的 含硫氨基酸 半胱氨酸 胱氨酸 甲硫氨酸 CH 2 SH CH 2 S S CH 2 S CH 3 CHNH 2 CHNH 2 CHNH 2 CH 2 COOH COOH COOH CH 2 CHNH 2 COOH

93 ( 一 ) 甲硫氨酸参与甲基转移 1. 甲硫氨酸转甲基作用与甲硫氨酸循环有关 + 腺苷转移酶 PPi+Pi 甲硫氨酸 ATP S 腺苷甲硫氨酸 (SAM)

94 SAM 为体内甲基的直接供体 RH R CH 3 腺苷 甲基转移酶 SAM S- 腺苷同型半胱氨酸 同型半胱氨酸

95 S- 腺苷甲硫氨酸在甲基转移酶 ( methyl transferase) 催化下, 将甲基转移至其他物质使其甲基化 修饰 DNA 的结构而控制基因表达 修饰非营养物质而使之失活 合成反应中通过加甲基而生成胆碱 肌酸 肉碱以及肾上腺素等生物活性物质

96 甲硫氨酸循环 (methionine cycle) FH 4 同型半胱氨酸 (VitB 12 ) 甲硫氨酸 N 5 CH 3 FH 4 N 5 CH 3 FH 4 转甲基酶 ATP PPi+Pi S- 腺苷甲硫氨酸 腺苷 RH H 2 O S- 腺苷同型 半胱氨酸 R -CH 3

97 甲硫氨酸循环生理意义 : 1. 为体内广泛存在的甲基化反应提供甲基 2. 促进 FH 4 再生 维生素 B12 不足 : 巨幼红细胞性贫血 高同型半胱氨酸血症 : 动脉粥样硬化和冠心病

98 同型半胱氨酸与疾病 浓度升高的原因 致病机制 所致疾病 遗传性疾病 损伤血管内皮细胞 心脏病发作 B 族维生素缺乏 促进血小板的激活 中风 ( 叶酸 B 6 及 B 12 ) 增强凝血功能 静脉栓塞 雌激素缺乏 促进血管平滑肌增殖 反复流产 过度摄入无过滤咖啡 刺激 LDL 氧化 新生儿缺陷 神经管缺陷 吸烟 细胞毒作用 老年性痴呆

99 2. 甲硫氨酸为肌酸合成提供甲基 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)

100

101 肌酸激酶 ((creatine kinase, CK) 两种亚基 :M 亚基 ( 肌型 ) 与 B 亚基 ( 脑型 ) 3 种同工酶 :MM MB 和 BB MM 主要在骨骼肌,MB 主要在心肌, 而 BB 主要在脑 心肌梗死时, 血中 MB-CK 增高, 可作为辅助诊断的指标之一 肌酐 (creatinine) 肌酐随尿排出, 正常人每日尿中肌酐的排出量恒定 当肾功能障碍时, 肌酐排出受阻, 血中浓度升高 血中肌酐的测定有助于肾功能不全的诊断

102 ( 二 ) 半胱氨酸代谢可产生多种重要的生理 活性物质 1. 半胱氨酸与胱氨酸可以互变 2 CH 2 SH CHNH 2 COOH -2H +2H CH 2 S CHNH 2 COOH S CH 2 CHNH 2 COOH 二硫键对于维持蛋白质空间构象的稳定性具 有重要作用

103 2. 半胱氨酸可转变成牛磺酸 CH 2 SH 2 CHNH 2 COOH 半胱氨酸 CH 2 -SO 3 H CH 2 NH 2 牛磺酸 牛磺酸是结合胆汁酸的组成成分之一

104 3. 半胱氨酸可生成活性硫酸根 SO ATP AMP - SO 3 - ( 腺苷 -5 - 磷酸硫酸 ) 3-PO 3 H 2 -AMP-SO 3 - (3 - 磷酸腺苷 -5 - 磷酸硫酸,PAPS) PAPS 为活性硫酸根, 是体内硫酸基的供体

105 四 芳香族氨基酸代谢可产生神经递质 芳香族氨基酸 苯丙氨酸酪氨酸色氨酸

106 ( 一 ) 苯丙氨酸和酪氨酸代谢有联系又有区别 1. 苯丙氨酸羟化生成酪氨酸 苯丙氨酸羟化酶 + O 2 四氢生物蝶呤 二氢生物蝶呤 + H 2 O 苯丙氨酸 NADP+ NADPH+H+ 酪氨酸 此反应为苯丙氨酸的主要代谢途径

107 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

108 2. 酪氨酸转变为儿茶酚胺和黑色素或彻底氧化分解 黑色素 (melanin) 的生成 多巴醌 黑色素 聚合 吲哚醌

109 儿茶酚胺 (catecholamine) 的生成 S- 腺苷同型半胱氨酸

110 帕金森病 (Parkinson disease) 患者多巴胺生成减少 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)

111 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, 可出现尿黑酸尿症

112 苯丙氨酸和酪氨酸的代谢过程总结

113 ( 二 ) 色氨酸的分解代谢可产生丙酮酸和 乙酰乙酰 CoA 5- 羟色胺 色氨酸 一碳单位 丙酮酸 + 乙酰乙酰 CoA 维生素 PP

114 五 支链氨基酸的分解有相似的代谢过程 支链氨基酸 亮氨酸异亮氨酸缬氨酸 COOH CHNH 2 CH 2 COOH CHNH 2 CH CH 3 COOH CHNH 2 CH CH 3 CH CH 3 CH 3 CH 2 CH 3 CH 3

115 支链氨基酸的分解代谢

116 表 9-3 氨基酸的重要含氮衍生物 氨基酸 衍生化合物 生理功能 Asp Gln Gly 嘌呤碱 含氮碱基 核酸成分 Asp 嘧啶碱 含氮碱基 核酸成分 Gly 卟啉化合物 血红素 细胞色素 Gly Arg Met 肌酸 磷酸肌酸 能量储存 Trp 烟酸 5- 羟色胺 维生素 神经递质 Tyr Phe 儿茶酚胺 神经递质 激素 Tyr Phe 黑色素 皮肤色素 Cys 牛磺酸 结合胆汁酸成分 His 组胺 血管舒张剂 Glu γ- 氨基丁酸 神经递质 Orn Met 精胺 精脒 细胞增殖促进剂 Arg 一氧化氮 (NO) 细胞信号转导分子

117 NH2 C=NH NH (CH 2)3 NADPH+H + NADP + O 2 NO NOS NH2 C=O NH (CH 2)3 CH-NH 2 COOH 精氨酸 CH-NH 2 COOH 胍氨酸

118 思考题 1. 简述体内氨基酸的来源和主要代谢去路 2. 试列出谷氨酸转变成葡萄糖及氧化成 CO 2 H 2 O 和产生能量的代谢途径 3. 何谓一碳单位? 有何生物学意义? 哪些氨基酸在代谢过程中可产生一碳单位? 4. 列举血氨的来源与去路, 并分析谷氨酸和精氨酸治疗肝性脑病 ( 肝昏迷 ) 的生化基础 5. 何谓转氨基作用? 体内重要的转氨酶有哪几种? 测定血清中这些转氨酶的活性有何意义?

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