生物化学第30章蛋白质降解和氨基酸的分解代谢省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢,第,30,章 蛋白质降解和氨基酸分解代谢,(Protein degradation and amino acids catabolism),一、蛋白质降解,二、氨基酸分解代谢,三、尿素形成,四、氨基酸碳骨架氧化路径,五、生糖氨基酸和生酮氨基酸,六、由氨基酸衍生其它主要物质,七、氨基酸代谢缺点症,第1页,氮素循环,硝化作用,反硝化作用,固氮作用,第2页,一、蛋白质降解,高等动物摄入蛋白质在消化道内被胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、羧肽酶、氨肽酶等降解，全部转变成氨基酸，被小肠吸收。,机体对外源蛋白质消化吸收,第3页,细胞内蛋白质降解,细胞内蛋白质是处于不停地周转（turnover）。一些异常蛋白质、不需要蛋白质需要去除。对一个特定蛋白质来说，它在细胞中含量取决于合成和降解速率。经过对一些代谢路径关键酶合成和降解，控制酶含量，也是控制代谢路径运行一个主要办法。,第4页,细胞内蛋白质降解机构,蛋白质降解是限制在细胞内特定区域，一个是称为,蛋白酶体（proteasome）,大分子结构，另一个是含有单层膜细胞器,溶酶体（lysosome）,。,溶酶体中含有约50种水解酶，它与吞噬泡及细胞内产生一些自噬泡融合，然后将摄取各种蛋白质全部降解，对被降解蛋白质没有选择性。,被降解蛋白质在进入蛋白酶体降解之前，需要被泛肽标识。,第5页,泛肽依赖性蛋白降解路径,泛肽依赖性蛋白降解路径(Ubiquitin-dependent proteolytic pathway)是当前已知最主要，有高度选择性蛋白质降解路径。它经过调整功效蛋白质周转(turn over)或降解不正常蛋白，实现对各种代谢过程调整。,第6页,泛肽,泛肽,（ubiquitin）又名,遍在蛋白质,、,泛素,，它是一个由76个氨基酸残基组成小蛋白质。它经过其C端Gly羧基与被降解蛋白质氨基共价结合，通常结合在Lys氨基上，这是一个需要消耗ATP反应。这么给被降解蛋白质作了一个标识，随即将标识了靶蛋白质引入蛋白酶体中降解。,普通有多个串联,泛肽连接到一个靶蛋白上，形成多泛肽链，后面每一个泛肽C端羧基连接到前一个泛肽Lys48氨基上。,第7页,催化泛肽与靶蛋白连接酶,使泛肽与靶蛋白质连接包括到4种酶,E1,、,E2,、,E3、E4。,E1：泛肽活化酶（ubiquitin-activating enzyme）,E2：泛肽载体蛋白（ubiquitin-carrier protein）,E3：泛肽,-,蛋白质连接酶（ubiquitin-protein ligase）,E4：泛肽链延长因子（ubiquitin chain elongation,factor）,E2、E3和E4都分别是一个蛋白质家族，家族不一样组员分布在不一样细胞区域。,第8页,泛肽与靶蛋白连接,泛肽活化,泛肽活化酶,第9页,泛肽与靶蛋白连接,泛肽转移及与靶蛋白连接,泛肽载体蛋白,泛肽,-,蛋白质连接酶,第10页,泛肽蛋白质连接酶,E,3,在识别和选择被降解蛋白质过程中起着主要作用。E,3,主要是经过备选蛋白质N端氨基酸性质来选择靶蛋白质，以Met、Ser、Ala、Thr、Val、Gly或Cys为N末端蛋白质对泛肽介导降解路径有抗性，而以Arg、Lys、His、Phe、Tyr、Trp、Leu、Asn、Gln、Asp或Glu为N末端蛋白质半寿期只有230分钟。,也有E3识别靶蛋白肽链中某一段序列。,第11页,Relationship between ProteinHalf-Life and Amino-Terminal Amino Acid Residue,Amino-terminal residue,Half-life,Stabilizing,Met,Gly,Ala,Ser,Thr,Val,20 h,Destabilizing,Ile,Gln,30 min,Tyr,Glu,10 min,Pro,7 min,Leu,Phe,Asp,Lys,3 min,Arg,2 min,第12页,泛肽蛋白质连接酶,E,3,是一个蛋白质家族，依据它们识别靶蛋白质特异性位点不一样，可将它们可分为3种识别类型：类型识别N末端为碱性氨基酸蛋白质，如Arg、Lys或His；类型识别N末端为大疏水基团氨基酸蛋白质，如Phe、Tyr、Trp或Leu；类型识别肽链中间特异序列。,以酸性氨基酸为N末端蛋白质降解需要tRNA参加，将Arg-tRNAArg转移到酸性蛋白质N末端，使之转变成碱性N末端，然后与泛肽连接。,第13页,Arg-tRNA,将蛋白质酸性氨基酸,N,末端转变成碱性氨基酸,N,末端,第14页,泛肽系统梯级结构,第15页,E3与靶蛋白质各种识别模式,1.E3与靶蛋白N端识别结合。,2.E3被激活剂激活后与靶蛋白识别结合。,3.E3与磷酸化靶蛋白识别结合。,4.E3被磷酸化后与靶蛋白识别结合。,5.E3被磷酸化后与磷酸化靶蛋白识别结合。,6.E3经过一个辅助蛋白与靶蛋白识别结合。,7.E3与变性后（解折叠）靶蛋白识别结合。,第16页,被泛肽介导降解蛋白质特点,大多数含有敏感N末端氨基酸残基蛋白质不是正常细胞内蛋白质，而很可能是分泌性蛋白质，这些蛋白质经过信号肽酶作用暴露出敏感N末端氨基酸残基。可能N末端识别系统功效就是识别和去除任何入侵异质蛋白质或分泌性蛋白质。,其它触发泛肽连接和蛋白酶体降解蛋白质含有PEST序列，PEST序列是一个富含Pro、Glu、Ser和Thr残基高度保守短序列。,第17页,PEST sequence,Certain amino acid sequences appear to be signals for degradation.One such sequence is known as the,PEST,sequence because short stretch of about eight amino acids is enriched with proline(,P,),glutamic acid(,E,),serine(,S,),and threonine(,T,).An example is the transcription factor Gcn4p.This protein is 281 amino acids in length and the PEST sequence is found at positions 91-106.The normal half-life of this protein is about 5 minutes.But if the PEST sequence(and only the PEST sequence)is removed,the half-life increases to 50 minutes.,第18页,蛋白酶体,蛋白酶体是一个大寡聚体结构，有一个中空腔。古细菌,Thermoplasma acidophilum,蛋白酶体为20S、700kD桶状结构，由两种不一样亚基和组成，它们缔合成,7,7,7,7,四个堆积环。这个桶有15nm高，直径11nm，中间有一个可分为3个区域空腔，蛋白质降解就发生在这个腔中。两端,7,环,解折叠,被降解蛋白质，并将其送入中央腔内，而亚基含有蛋白裂解活性。蛋白酶体降解蛋白质产物为79个氨基酸残基寡肽。,第19页,古细菌,T.acidophilum,20S,蛋白酶体结构,顶面观 侧面观 纵剖面观,第20页,真核细胞中蛋白酶体,真核细胞含有两种蛋白酶体：20S和26S蛋白酶体。26S蛋白酶体（1700kD）是一个45nm长结构，是在20S蛋白酶体两端各加上1个19S帽结构或称PA700（Proteasome activator-700kD），这种帽结构最少由15个不一样亚基组成，其中许多有ATP酶活性。与古细菌20S蛋白酶体不一样，真核细胞蛋白酶体含有7 个不一样亚基及7 个不一样亚基。,第21页,泛肽蛋白酶体降解路径,ubiquitin,26S proteasome,19S caps,第22页,细胞周期蛋白周期性改变,在细胞周期中，细胞周期蛋白（,cyclin,）周期性合成和降解，从而调整细胞分裂。,第23页,G2 Phase,No DNA,synthesis.,RNA and,protein,synthesis,continue,.,M Phase,Mitosis(nuclear,division)and,cytokinesis,(cell division),yield two,daughter cells.,G,0,Phase,Terminally,differentiated,cells withdraw,from cell cycle,indefinitely.,Reentry point,A cell returning,from G0,enters at early,G1 phase.,G1 Phase,RNA and protein,synthesis.No DNA,synthesis.,Restriction point,A cell that passes this,point is committed,to pass into S phase.,S Phase,DNA synthesis,doubles the,amount of DNA,in the cell.RNA,and protein also,synthesized.,细胞周期,第24页,DBRP,及其识别序列,Destruction box of cyclin,Arg-Thr-Ala-Leu-Gly-Asp-Ile-Gly-Asn,（此序列靠近,CyclinN,端）,DBRP,Destruction box recognizing protein,CDK,Cyclin-dependent protein kinase,Cyclin,细胞周期蛋白,第25页,Cyclin-CDK,在细胞周期中改变,第26页,Cyclin,降解,CDK,第27页,细胞周期蛋白作用之一,第28页,二、氨基酸分解代谢,氨基酸是合成蛋白质和肽类物质基本成份，能够氧化释放出能量，还能够转变成各种其它含氮物质。,氨基酸分解普通有三步：,1,.脱氨基；,2,.脱下氨基排出体外，或转变成尿素或尿酸排出体外；,3,.氨基酸脱氨后碳骨架进入糖代谢路径彻底氧化。,碳骨架也能够进入其它代谢路径用于合成其它物质。,第29页,（一）氨基酸转氨作用,转氨酶,谷草转氨酶,-酮酸1 氨基酸2 氨基酸1 -酮酸2,第30页,转氨反应机制,转氨酶以磷酸吡哆醛为辅基，从氨基酸上脱下氨基先结合在磷酸吡哆醛上，氨基酸转变成酮酸，然后氨基转到另一个酮酸碳上，产生新氨基酸。结合氨反应是脱氨反应逆反应。转氨反应机制详见,P305图30,-,3。,第31页,转氨酶,（aminotransferase),催化转氨反应酶很多，大多数转氨酶以酮戊二酸为氨基受体，而对氨基供体无严格要求,。,动物和高等植物转氨酶普通,只催化L-氨基酸转氨，一些细菌中也有能够催化D-和L-两种构型氨基酸转氨转氨酶。,第32页,葡萄糖丙氨酸循环,在肌肉中有一组转氨酶，可把肌肉中糖酵解产生丙酮酸看成氨基受体。形成丙氨酸进入血液，运输到肝脏，在肝脏中再次转氨产生丙酮酸，丙酮酸可进入糖异生路径产生葡萄糖，再回到肌肉中。,经过葡萄糖丙氨酸循环，将肌肉中氨运输到了肝脏。在肝脏中，氨可转变成尿素，从尿液中排出。,第33页,葡萄糖丙氨酸循环,第34页,（二）谷氨酸氧化脱氨作用,转氨作用产生了大量谷氨酸，谷氨酸能够在,谷氨酸脱氢酶,作用下发生氧化脱氨（谷氨酸-酮戊二酸），该酶以NAD,+,作为氧化剂。而在催化逆反应时（-酮戊二酸谷氨酸）以NADPH为还原剂。谷氨酸脱氢酶由6个亚基组成，存在于细胞溶胶中，它受GTP和ATP别构抑制，受ADP别构激活。,第35页,谷氨酸氧化脱氨反应,谷氨酸,-亚氨基戊二酸,-酮戊二酸,谷氨酸脱氢酶,谷氨酸脱氢酶,第36页,（三）其它氧化脱氨作用,L,-,氨基酸氧化酶,和,D,-,氨基酸氧化酶,以FAD为辅基，催化L,-,及D,-,氨基酸氧化脱氨反应。产生FADH,2,又被O,2,氧化。,氨基酸+FAD+H,2,O 酮酸+NH,3,+FADH,2,FADH,2,+O,2,FAD+H,2,O,2,氨基酸,+,O,2,+H,2,O 酮酸+NH,3,+H,2,O,2,第37页,D,-氨基酸氧化酶作用,The primary function of D-amino acid oxidase,present at high levels in the kidney,is thought to be the detoxification of ingested D-amino acids derived from bacterial cell walls and from cooked foodstuffs(heat causes some spontaneous racemization of the,L,-amino acids in proteins).Oxalate,whether obtained in foods or produced enzymatically in the kidneys,has medical significance.Crystals of calcium oxalate account for up to 75%of all kidney stones.,第38页,（四）联合脱氨作用,（,transdeamination,),天冬氨酸 次黄嘌呤核苷酸,腺苷酸代琥珀酸,(,IMP,),在肝脏中，经过转氨反应形成谷氨酸，谷氨酸进入线粒体，在谷氨酸脱氢酶催化下发生氧化脱氨反应为联合脱氨。而在骨骼肌和心肌中，,L,-谷氨酸脱氢酶活性弱,难于进行氧化脱氨,这些组织中氨基酸主要经过嘌呤核苷酸循环进行联合脱氨作用。,第39页,腺苷酸 次黄嘌呤核苷酸,腺苷酸代琥珀酸 腺苷酸,（AMP）,延胡索酸,裂解酶,联合脱氨作用,第40页,（五）氨基酸脱羧基作用,机体内部分氨基酸可进行脱羧反应，生成对应一级胺。催化脱羧反应酶称为,脱羧酶,（,decarboxylase,），这类酶辅基为磷酸吡哆醛。,氨基酸 磷酸吡哆醛 醛亚胺,一级胺 磷酸吡哆醛,第41页,（六）氨命运,氨对生物机体是有毒物质，尤其是高等动物脑对氨极为敏感，血液中,1%,氨就可引发中枢神经系统中毒，所以氨排泄是生物体维持正常生命活动所必需。,1,.,排氨动物,：一些水生或海洋动物，如原生动物和线虫以及鱼类、水生两栖类等。,2,.,排尿酸动物,：鸟类和陆生爬行动物。,3,.,排尿素动物,：绝大多数陆生动物。,第42页,氨、尿素及尿酸结构,氨 尿酸 尿素,第43页,氨转运,氨转运主要是经过谷氨酰胺形式。多数动物细胞中有,谷氨酰胺合成酶,（glutamine synthetase），它催化氨和谷氨酸反应生成谷氨酰胺，同时消耗1个ATP。,NH,4,+,+谷氨酸+ATP,谷氨酰胺+ADP+Pi+H,+,谷氨酰胺合成酶,谷氨酰胺由血液运输到肝脏，肝细胞谷氨酰胺酶又将其分解为谷氨酸和氨。,第44页,谷氨酰胺合成,酶,酶,谷氨酰-5-磷酸,第45页,三、尿素形成,氨是经过,尿素循环,合成尿素。尿素循环是由发觉柠檬酸循环Krebs和他学生Kurt Henseleit发觉，而且比发觉柠檬酸循环还早5年。,Krebs和他学生观察到，往悬浮有肝脏切片缓冲液中加入鸟氨酸、瓜氨酸或精氨酸中任何一个时，都能够促使肝脏切片显著加紧尿素合成，而其它任何氨基酸或含氮化合物都没有这个作用。他们研究了这3种氨基酸结构关系，提出了尿素循环路径。,第46页,Krebs,和,Henseleit,最早提出尿素循环,第47页,尿素循环全图,1.氨甲酰磷酸合成酶,2.鸟氨酸转氨甲酰酶,3.精氨琥珀酸合成酶,4.精氨琥珀酸酶,5.精氨酸酶,线粒体,细胞溶胶,第48页,氨甲酰磷酸合成机理,第49页,尿素循环与柠檬酸循环联络,Krebs Bicycle,第50页,尿素循环调整,氨甲酰磷酸合成酶存在于线粒体中，它被N-乙酰谷氨酸别构激活。N-乙酰谷氨酸是由N-乙酰谷氨酸合酶催化谷氨酸和乙酰CoA合成。,当氨基酸降解加速时，谷氨酸浓度升高，N-乙酰谷氨酸也增高，激活了氨甲酰磷酸合成酶，从而使尿素循环速度加紧。,当尿素循环中一些酶遗传性不足时，除精氨酸酶外，都不会所以发生尿素重大减量，但会产生“高氨血症”。产生智力迟钝、嗜睡等症状。,第51页,四、氨基酸碳骨架氧化路径,TCA Cycle,第52页,（一）形成乙酰,CoA,路径,1.经丙酮酸到乙酰CoA路径,经此路径降解氨基酸有：,丙氨酸,丝氨酸,甘氨酸,半胱氨酸,苏氨酸,第53页,Thr,Gly,Ser,苏氨酸醛缩酶,丝氨酸羟甲基转移酶,甘氨酸,苏氨酸,丝氨酸,N,5,N,10,-甲烯基FH4,第54页,Ser、Cys、Ala,乙酰,CoA,半胱氨酸,丙氨酸,丝氨酸,丝氨酸脱水酶,乙酰CoA,加氧,转氨,脱硫,丙酮酸,第55页,丝氨酸脱水酶催化机理,第56页,甘氨酸主要分解代谢路径,H,3,N,-,CH,2,-,COO,+THF+NAD,+,N,5,N,10,-,甲叉THF+CO,2,+NH,4,+,+NADH+H,+,第57页,苏氨酸其它分解代谢路径,苏氨酸脱水酶,苏氨酸脱氢酶,-酮丁酸,-氨基-酮丁酸 氨基丙酮,第58页,（一）形成乙酰,CoA,路径,2.经乙酰乙酰CoA到乙酰CoA路径,经此路径降解氨基酸有：,苯丙氨酸,酪氨酸,亮氨酸,赖氨酸,色氨酸,第59页,Lys、Trp、Phe、Tyr、Leu,经乙酰乙酰,CoA,到乙酰,CoA,色氨酸,苯丙氨酸,亮氨酸,赖氨酸,酪氨酸,乙酰CoA,乙酰乙酰CoA,延胡索酸,go,单加氧酶,4步反应,第60页,（二）-酮戊二酸路径,经此路径降解氨基酸有：,精氨酸,组氨酸,脯氨酸,谷氨酰胺,谷氨酸,第61页,Arg、His、Pro、Gln、Glu,酮戊二酸,脯氨酸,精氨酸,谷氨酰胺,组氨酸,谷氨酸,酮戊二酸,谷氨酸-半醛,第62页,（三）形成琥珀酰,CoA,路径,经此路径降解氨基酸有：,甲硫氨酸,异亮氨酸,缬氨酸,第63页,Met、Ile、Val,琥珀酰,CoA,异亮氨酸,甲硫氨酸,缬氨酸,琥珀酰CoA,羧化,第64页,（四）形成延胡索酸路径,back,经此路径降解氨基酸有：,苯丙氨酸,酪氨酸,苯丙氨酸,酪氨酸,苯丙氨酸羟化酶,第65页,（五）形成草酰乙酸路径,经此路径降解氨基酸有：,天冬氨酸,天冬酰胺,第66页,Asp、Asn 草酰乙酸,天冬酰胺,天冬氨酸,草酰乙酸,天冬酰胺酶,第67页,五、生糖氨基酸和生酮氨基酸,凡能,形成丙酮酸、酮戊二酸、琥珀酸和草酰乙酸氨基酸称为生糖氨基酸（glucogenic amino acids）。（,Arg、His、Pro、Gln、Glu、Met、Ile、Val、Asp、Asn,）,在分解过程中转变成乙酰乙酰CoA氨基酸称为生酮氨基酸（ketogenic amino acids），因为乙酰乙酰CoA能够转变为 酮体。（,Lys,、,Trp,、,Phe,、,Tyr,、,Leu,）,苯丙氨酸和酪氨酸既可生成酮体又可生成糖，称为生酮和生糖氨基酸。（,Phe,、,Tyr,）,经丙酮生成乙酰,CoA,氨基酸也是既可生酮也可生糖。（,Ala、Gly、Ser、Thr、Cys,）,第68页,六、由氨基酸衍生其它主要物质,见P332表30-2,第69页,七、氨基酸代谢缺点症,见P336表30-3,第70页,苯丙酮尿症,苯丙酮尿症是一个先天性苯丙氨酸代谢缺点，它有严重影响。患苯丙酮尿症人不经治疗几乎总是在智力发育上严重迟滞。这些病人脑重量低于正常，他们神经鞘化不完全，而且他们反射过分活跃。未经治疗苯丙酮尿症患者预计寿命很短，二分之一在二十岁以前死亡，四分之三在三十岁以前死亡。,（Phenylketonuria，,PKU,）,第71页,苯丙酮尿症病因,苯丙酮尿症是因为没有或缺乏苯丙氨酸羟化酶而引发，或者更少见是因为缺乏四氢生物喋呤辅助因子而引发。苯丙氨酸不能转变成酪氨酸。因而全部体液中均积累苯丙氨酸。在正常人体内微不足道一些苯丙氨酸改变在苯丙酮尿症患者体内变得很突出。这些改变中最显著是苯丙氨酸发生转氨作用形成苯丙酮酸。,第72页,苯丙酮尿症患者治疗,苯丙酮尿症患者初生时看起来是正常，但若不经治疗，到一周岁以前就会有严重缺点。苯丙酮尿症疗法就是低苯丙氨酸饮食。其目标是只提供刚好满足生长和代谢所需要苯丙氨酸。将原来苯丙氨酸含量低蛋白质，如奶中酪蛋白进行水解，并用吸附法除去苯丙氨酸。,第73页,苯丙酮尿症患者治疗,必须在出生后很快就开始用低苯丙氨酸饮食以预防对脑不可逆损害。在一项研究中，出生后数周内就治疗苯丙酮尿症患者平均智商为93,而在一岁时开始治疗患者平均智商为53。,经过大规模普查发觉，出现,苯丙酮尿频率大约是0.5/万新生儿。这种病是常染色体隐性遗传。,第74页,苯丙酮尿症女孩,第75页,白化症女孩,遗传性缺乏酪氨酸酶，不能生成黑色素。,第76页,