第一節蛋白質的酶促降解 蛋白質的降解是指蛋白質在酶的作用下 使肽鍵發生水解生成氨基酸的過程 一 蛋白水解酶1 肽鏈內切酶和外切酶 作用特點 肽鏈內切酶又稱蛋白酶 水解肽鏈內部的肽鍵 對參與形成肽鍵的氨基酸殘基有一定的專一性 肽鏈外切酶包括氨肽酶和羧肽酶 分別從氨基端和羧基端逐一地將肽鏈水解成氨基酸 2 蛋白酶的種類和專一性 結構特征 編號名稱作用特征實例 3 4 2 1 3 4 2 2 絲氨酸蛋白酶類 serinepritelnase 活性中心含Ser 3 4 2 3 3 4 2 4 半胱氨酸蛋白酶類 Thiolpritelnase 活性中心含Cys 天冬氨酸蛋白酶類 carboxyl asid pritelnase 活性中心含Asp 最適pH在5以下 金屬蛋白酶類 metallopritelnase 活性中心含有Zn2 Mg2 等金屬 胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶凝血酶 木瓜蛋白酶無花果蛋白酶菠蘿酶 胃蛋白酶凝乳酶 枯草桿菌蛋白酶嗜熱菌蛋白酶 3 消化道內幾種蛋白酶的專一性 二 細胞內蛋白質降解 1 細胞內蛋白質降解的意義 基因突變 生物合成誤差 自發變性 自由基破壞以及環境脅迫和疾病均可導致反常蛋白的產生 其中有些可以重新恢復成正常蛋白 短壽命蛋白雖然不到總蛋白的10 但卻包括許多代謝途徑的限速酶 控制細胞周期和細胞分化 細胞增殖的蛋白質 調節基因表達的轉錄因子等 具有十分重要的生理功能 由于它們的半壽期很短 便于通過基因表達和降解對其含量進行精確 快速的調控 另外 生長發育及細胞分化過程中代謝途徑的改變 也涉及到酶蛋白的降解 維持體內氨基酸代謝庫 防御機制組成部分 蛋白質前體的裂解加工 另外 為了有效地利用轉基因技術生產有價值的蛋白質 也需要了解細胞內蛋白質降解機制 以免這些外來蛋白被轉基因生物破壞 2 胞內蛋白質降解系統參與細胞內蛋白質降解的蛋白酶大致可分為兩類 一類是相對分子質量較小 專一性較低 催化過程不需要ATP的蛋白酶和肽酶 另一類是高分子量的多酶復合物 對底物蛋白有高度選擇性 催化蛋白質水解不僅需消耗ATP而且受到嚴密的調控 細胞質內有兩個最重要的蛋白質降解系統 溶酶體系統包括多種在酸性pH下活化的小分子量蛋白酶 因此又稱為酸性系統 主要水解長壽命蛋白質和外來蛋白 泛肽系統則在pH 7 2的胞液中起作用 因此又稱為堿性系統 主要水解短壽命蛋白和反常蛋白 3 蛋白質降解的泛肽途徑 E1 SH E1 SH E2 SH E2 SH ATPAMP PPi E3 多泛肽化蛋白 ATP 26S蛋白酶體 20S蛋白酶體 ATP 19S調節亞基 去折疊 水解 E1 泛肽激活酶E2 泛肽載體蛋白E3 泛肽 蛋白質連接酶 泛肽 第二節氨基酸的分解與轉化 一 氨基酸的來源與去路二 氨基酸的脫氨基作用三 氨基酸的脫羧基作用四 氨基酸降解產物的去向五 由氨基酸衍生的其他化合物 一 氨基酸的來源和去路 二 氨基酸的脫氨基作用 4 非氧化脫氨基作用5 脫酰胺基作用 1 氧化脫氨基作用 2 轉氨基作用 3 聯合脫氨基作用 1 氧化脫氨基作用 氨基酸在酶的催化下脫去氨基生成相應的 酮酸的過程稱為氧化脫氨基作用 主要有以下兩種類型 谷氨酸 酮戊二酸 2 轉氨基作用 轉氨酶 輔酶 磷酸吡哆醛 在轉氨酶的催化下 氨基酸的氨基轉移到 酮酸的酮基碳原子上 結果原來的 氨基酸生成相應的 酮酸 而原來的 酮酸則形成了相應的 氨基酸 這種作用稱為轉氨基作用或氨基移換作用 要點 反應可逆 體內除Lys Gly Thr Pro和羥脯氨酸外 大多數氨基酸都可進行轉氨基作用 轉氨酶均以磷酸吡哆醛為輔酶 磷酸吡哆醛是VB6的衍生物 反應中起傳遞氨基的作用 谷丙轉氨酶和谷草轉氨酶 谷丙轉氨酶 GPT 谷草轉氨酶 GOT 磷酸吡哆醛的作用機理 3 聯合脫氨基作用 1 概念 2 類型 a 轉氨酶與L 谷氨酸脫氫酶作用相偶聯 b 轉氨基作用與嘌呤核苷酸循環相偶聯 轉氨酶與L 谷氨酸脫氫酶作用相偶聯 轉氨酶 L 谷氨酸脫氫酶 H20 NAD P NH3 NAD P H 酮酸 氨基酸 酮戊二酸 L 谷氨酸 轉氨基作用與嘌呤核苷酸循環相偶聯 4 非氧化脫氨基作用 1 還原脫氨基作用 2 脫水脫氨基作用 脫水酶以磷酸吡哆醛為輔酶 3 由解氨酶催化的脫氨基作用 光照可激活酶 5 脫酰胺基作用 三 氨基酸的脫羧基作用 1 概念 直接脫羧基作用 羥化脫羧基作用 酪氨酸酶是一種含銅酶 多巴進一步氧化后形成聚合物黑素 在植物體內 由多巴和多巴胺可形成生物堿 四 氨基酸降解產物的去向 一 氨的代謝轉變 二 鳥氨酸循環 尿素循環 三 酮酸的代謝轉變 一 氨的代謝轉變 1 重新生成氨基酸雖然通過脫氨基作用產生的氨再用來合成氨基酸時并不能增加氨基酸的數量 但卻能改變氨基酸的種類 2 谷氨酰胺和天冬酰氨的生成生成酰胺的形式既是生物體貯藏和運輸氨的主要方式 也是解除氨毒的一條主要途徑 3 生成銨鹽保持細胞內正常的PH 二 尿素循環 1 概念 2 總反應和過程 鳥氨酸循環 氨基酸 谷氨酸 谷氨酸 氨甲酰磷酸 鳥氨酸 瓜氨酸 瓜氨酸 精氨琥珀酸 鳥氨酸 精氨酸 延胡索酸 草酰乙酸 氨基酸 谷氨酸 酮戊二酸 天冬氨酸 ATP AMP PPi H2O 2ATP CO2 NH3 H2O 2ADP 2Pi 基質 線粒體 胞液 尿素 尿素循環 氨基酸 谷氨酸 谷氨酸 氨甲酰磷酸 鳥氨酸 瓜氨酸 瓜氨酸 精氨琥珀酸 鳥氨酸 精氨酸 延胡索酸 草酰乙酸 氨基酸 谷氨酸 酮戊二酸 天冬氨酸 2ADP Pi 2ATP CO2 NH3 H2O 1 細胞溶液 線粒體 尿素 酮戊二酸 酮戊二酸 2 3 4 5 植物體含有脲酶 尤其是在豆科植物種子中脲酶活性較大 能專一地催化尿素水解并放出氨 反應式如下 三 氨基酸碳骨架的轉化途徑 1 再氨基化生成氨基酸 2 轉變成糖或脂肪生糖氨基酸可降解為 丙酮酸 草酰乙酸 酮戊二酸 琥珀酰CoA和延胡索酸等糖代謝中間物 生酮氨基酸 在體內能轉變為酮體 經脂肪酸途徑代謝 其分解產物為乙酰coA或乙酰乙酸 純粹生酮 亮氨酸既生酮也生糖 異亮氨酸 賴氨酸 苯丙氨酸 色氨酸和酪氨酸純粹生糖 其它14種氨基酸的 3 氧化供能生成CO2和H2O 氨基酸碳骨架進入三羧酸循環的途徑 草酰乙酸 磷酸烯醇式丙酮酸 酮戊二酸 天冬氨酸天冬酰氨 丙酮酸 延胡索酸 琥珀酰CoA 乙酰CoA 乙酰乙酰CoA 苯丙氨酸酪氨酸亮氨酸賴氨酸色氨酸 丙氨酸蘇氨酸甘氨酸絲氨酸半胱氨酸 谷氨酸谷氨酰胺精氨酸組氨酸脯氨酸 異亮氨酸亮氨酸纈氨酸 苯丙氨酸酪氨酸 異亮氨酸甲硫氨酸纈氨酸 葡萄糖 檸檬酸 琥珀酰CoA 延胡索酸 草酰乙酸 酮戊二酸 檸檬酸 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 酮體 CO2 CO2 氨基酸 糖及脂肪代謝的聯系 TAC 五 由氨基酸衍生的其他化合物 1 多胺多胺是生物體在代謝過程中產生的具有生物活性的低分子量的脂肪含氮堿 多胺的功能 多胺的積累可增加細胞間滲透物質濃度 調節水分丟失 腐胺可作為細胞pH緩沖劑 也可能有助于H 或其它陽離子通過質膜 更重要的是多胺可抑制RNase和蛋白酶活性 這兩種酶與各種脅迫對細胞引起的傷害與衰老有密切關系 因此 多胺能保護質膜和原生質免于自發的或外界傷害引起的分解破壞 2 生氰糖苷生氰糖苷是植物特有的含N化合物 其是 羥基腈的碳水化合物的衍生物 也叫氰醇的糖苷 許多植物都能合成產生氫氰酸的生氰糖苷 在活植物中 由于這種生氰糖苷和能催化它們水解的酶在空間上被分隔開來 所以 對植物并無毒害作用 3 生物堿生物堿是一類堿性的植物次生代謝產物 很多有藥理作用 真生物堿 具有含氮雜環的生物堿原生物堿 沒有含氮雜環的生物堿 絕大多數生物堿的生物合成前體物質是氨基酸 生物堿的功能 1 植物體內的生物堿能作為防止它種生物危害的保護劑或威懾劑 從而具有重要的生態學功能 2 它可以作為生長調節劑 特別是作為種子萌發的抑制劑 3 由于生物堿大都具有螯合能力 在細胞內可幫助維持離子平衡 4 生物堿能作為植物的含氮分泌物 5 它們可作為植物體內貯存氮的化合物 4 由氨基酸衍生的植物激素和動物激素高等植物體內由氨基酸衍生的植物激素主要是生長素類和乙烯 高等動物激素多數為多肽和蛋白質類 但有一些由氨基酸衍生來 5 由氨基酸衍生的輔酶生物體內的許多輔酶或輔基都具有核苷酸和含氮雜環的分子結構 這些核苷酸和含氮雜環又大都由氨基酸衍生或作為前體物質合成 6 卟啉類色素的生成生物體內重要的卟啉衍生物是與鐵或鎂螯合形成的金屬卟啉 鐵卟啉類色素生物合成的前體物質是甘氨酸和琥珀酰輔酶A 鎂卟啉類合成的前體是谷氨酸 7 木質素的生物合成木質素是一類化合物的集合名稱 并不是一種特定的物質 木質素的結構單位香豆醇 松柏醇和芥子醇等 其常以糖苷形式儲存 一旦需要合成木質素 它們便從糖苷中釋放出來自發地進行聚合反應以形成木質素分子 由于這種聚合過程不是酶促反應 各種游離基的聚合又是隨機的 這就使得木質素分子的結構非常復雜 8 兒茶酚類和黑色素植物體內的酚類化合物包括簡單的酚 酚酸 酚丙烷 丹寧 木脂素 黑色素類和木質素 常見的酚有對羥基醌 兒茶酚 間苯三酚等 動物體內的黑素 一般稱為真黑素 因為動物黑素含有氮 而植物體的兒茶酚黑素不含氮 動物黑素是由酪氨酸的衍生物吲哚 5 6 醌聚合形成的 第三節自然界的氮素循環 硝酸鹽 亞硝酸 NH3 生物固氮 工業固氮 固氮生物 動植物 硝酸鹽還原 大氣固氮 大氣氮素 巖漿源的固定氮 火成巖 反硝化作用 氧化亞氮 蛋白質 入地下水 動植物廢物死的有機體 第四節生物固氮的生物化學 一 生物固氮的概念生物固氮是微生物 藻類和與高等植物共生的微生物通過自身的固氮酶復合物把分子氮變成氨的過程 自然界通過生物固氮的量且可達每年1011kg 約占地球上的固氮量的60 閃電和紫外輻射固定氮約15 其余為工業固氮 6e 二 固氮生物的類型1 自生固氮微生物是指獨立生活時能使氣態氮固定為NH3的少數微生物 它們固氮有兩種方式 第一種方式是利用光能還原氮氣 如魚腥藻 念球藻 固氮過程與還原CO2類似 藍藻固氮是在異型細胞里進行 因為固氮過程要求無氧條件 另一些微生物如紅螺菌 紅色極毛桿菌 綠桿菌等也能利用光能從硫 硫化物 氫或有機物取得電子進行固氮 第二種方式是利用化學能固氮 如好氣性固氮菌 貝氏固氮菌及厭氣的巴斯德梭菌和克氏桿菌等 2共生固氮微生物如與豆科植物共生固氮的根瘤菌 其專一性強 不同的菌株只能感染一定的植物 形成共生的根瘤 在根瘤中植物為固氮菌提供碳源 而細菌利用植物提供的能源固氮 為植物提供氮源 形成一個很好的互利共生體系 三 固氮酶復合物生物固氮過程由固氮酶復合物完成 1 固氮酶復合物由兩種蛋白組分構成 還原酶 它提供具有高還原勢的電子 二聚體 含Fe和S 形成 Fe4S4 簇固氮酶 它利用還原酶提供的高能電子還原N2成NH4 四聚體 2 2 含Mo Fe和S 2 作用機理 3 生物固氮的總反應式 四 生物固氮所需的條件 充分的ATP供應 豌豆根系固氮細菌消耗植株ATP產量的近五分之一 需要很強的還原劑 高還原勢電子來自還原型鐵氧還蛋白 其是光合鏈的電子載體 鐵氧還蛋白的再生或來自光合作用 或來自氧化過程 需要厭氧環境 固氮酶對氧十分敏感 只有在嚴格的厭氧條件下才能固氮 豆紅蛋白 五 固氮過程的氫代謝1 固氮酶的放氫反應固氮的同時還原氫 這一反應需要ATP CO不能抑制 2 氫酶的放氫反應氫酶也是一種鐵硫蛋白 這一反應不需要ATP 受CO抑制 3 吸氫酶催化H2的氧化作用產物為H2O 并伴有ATP生成 反應受KCN抑制 第五節硝酸還原作用 硝酸還原作用的化學本質植物體內由硝酸還原成氨的總反應式如下 一 硝酸還原酶 硝酸鹽和光照可誘導其活性 a 鐵氧還蛋白 硝酸還原酶 b NAD P H 硝酸還原酶 二 亞硝酸還原酶 2H2O a 鐵氧還蛋白 亞硝酸還原酶 NO 2 6Fd還原態 8H NH 4 6Fd氧化態 2H2O b NAD P H 亞硝酸還原酶 NO 2 3NAD P H NH 4 3NAD P 5H 調控 光照對亞硝酸還原有促進作用當植物缺鐵時 亞硝酸的還原即受阻 亞硝酸還原時需要氧 因而在厭氧條件下 亞硝酸的還原會受到阻礙 第六節氨的同化 一 谷氨酸合成1 谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶催化谷氨酸和氨反應形成谷氨酰胺 此酶對NH3有高親和性 完成反應還需ATP水解提供的能量 形成谷氨酰胺既是氨同化的一種方式 又可消除過高氨濃度帶來的毒害 還可作為氨的供體 用于谷氨酸的合成 可見 在谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶的共同作用下 可由一分子氨和一分子 酮戊二酸凈合成一分子谷氨酸 2 谷氨酸脫氫酶谷氨酸脫氫酶存在于所有生物體內 但對氨同化來說 谷氨酸脫氫酶的作用不甚重要 它主要參與氨基酸的降解代謝 二 氨甲酰磷酸同化氨的另一途徑是氨甲酰磷酸的形成 在植物體內 氨甲酰磷酸中的氨基來自谷氨酰胺而不是氨 氨甲酰激酶催化的反應 氨甲酰磷酸合成酶催化的反應 第七節氨基酸的生物合成