蛋白质化学与分解代谢

null生物化学生物化学蛋白质分解代谢张广献主要内容主要内容蛋白质化学：结构、组成、功能、理化性质 蛋白质营养作用 蛋白质消化、吸收及腐败 氨基酸的一般代谢 一些氨基酸的特殊代谢 激素对蛋白质代谢的调节目的要求目的要求 掌握 蛋白质的营养价值及其需要量、氨基酸的一般代谢 理解 蛋白质在的营养价值、体内氨的代谢，一碳单位的代谢 了解 蛋白质在消化道的变化，个别氨基酸的代谢蛋白质化学蛋白质化学Introduction Introduction 蛋白质（Protein） 蛋白质是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物 氨基酸是蛋白质的基本结构单位，所有生物蛋白质都由20种氨基酸按一定顺序组成 不同的蛋白质具有不同的生理功能Molecular constituents of proteinMolecular constituents of proteinElements C H O N S （ 50%） （7%） （23%） （16%） （0～3%）Others: P、Cu、Fe、Zn、Mn、Co、Se、I 蛋白质中氮的含量都相当接近，一般在15%—17％，平均为16％。这是凯氏定氮法测定蛋白质含量的计算基础。 Structure of amino acid (aa)Structure of amino acid (aa)20中标准氨基酸中只有Pro是亚氨基酸，其他的都是α-aa，具有手性，分为L-aa和D-aa，标准氨基酸均为L-aa氨基酸碳原子编号氨基酸碳原子编号氨基酸的手性分子特征氨基酸的手性分子特征氨基酸有多种分类氨基酸有多种分类非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸极性中性氨基酸极性中性氨基酸null酸性氨基酸碱性氨基酸几种特殊氨基酸几种特殊氨基酸Gly：无手性碳原子。 Pro：为环状亚氨基酸。 Cys：可形成二硫键。必需氨基酸与非必需氨基酸必需氨基酸与非必需氨基酸蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构不同蛋白质在生命活动中起不同作用，根本原因是它们具有不同的分子结构。肽键、肽、多肽肽键、肽、多肽游离氨基酸: 氨基酸分子，游离氨基酸缩合成肽 氨基酸残基: 肽分子中的氨基酸单位 肽键: 连接氨基酸残基的共价键 二肽: 由2个氨基酸构成的肽 寡肽: 含<10个氨基酸的肽 多肽: 含>10个氨基酸为多肽 多肽化学结构为链状也称多肽链 蛋白质的生物化学蛋白质的生物化学蛋白质的分子结构----多肽结构天然存在的活性肽天然存在的活性肽谷胱甘肽(GSH)：三肽(Glu—Cys—Gly)，含有自由的巯基，具有很强的还原性，可作为体内重要的还原剂，保护某些蛋白质或酶分子中的巯基免遭氧化，使其处于活性状态 天然存在的活性肽人类催产素抗利尿素天然存在的活性肽蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构指蛋白质分子中多肽链的氨基酸种类、数量、排列顺序，它决定蛋白质分子的二级和三级等高级结构研究一级结构的意义研究一级结构的意义一级结构是蛋白质生物活性的分子基础 一级结构是其构象的基础，包含了形成特定空间结构所需的全部信息 氨基酸组成及序列的改变是众多遗传病的分子基础（分子病） 研究氨基酸序列的相似性可以阐明物种之间的进化关系蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构是指多肽链中主链原子在各局部的空间排列分布状况，不涉及各R侧链的空间排布，多肽链本身有规则绕曲折叠形成重复结构 α-螺旋 β-折叠 β-转折 无规则卷曲蛋白质的二级结构α-螺旋的结构模型蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构同向β-折叠蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构β-转折蛋白质的二级结构超二级结构超二级结构指蛋白质中相邻的二级结构单位（-螺旋或-折叠或-转角）组合在一起，形成有规则的、在空间上能够辨认的二级结构组合体 超二级结构的基本类型   null超二级结构类型 (motif)蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构定义：整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即构成蛋白质多肽链的所有原子的空间排布 主要的化学键： 疏水键 离子键 氢键 Van der Waals力等蛋白质的三级结构肌红蛋白 (Mb) : 153 aa，1个血红素辅基。A、B、C、D、E、F、G、H8个螺旋区，螺旋之间有无规卷曲，pro（100、120）位于转角处。 疏水作用、盐键、氢键、Van der Waals力稳定。脯蛋白质的三级结构结构域（Domain）结构域（Domain）对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往由两个或两个以上相对独立的三维实体缔合成特定的空间结构，这种相对独立的三维实体称结构域。 结构域的概念有三种不同而又相互联系的涵义:即独立的结构单位、独立的功能单位和独立的折叠单位 类型：α-螺旋域、β-折叠域、α+β域、α/β域、无规则卷曲+β-回折域、无规则卷曲+α-螺旋域 等结构域（Domain）结构域1结构域2-折叠-转角随即卷曲-螺旋卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域结构域（Domain）随即卷曲结构域（Domain）结构域（Domain）绿色荧光蛋白-桶结构域（Domain）结构域（Domain）结构域（Domain）结构域（Domain）结构域（Domain）结构域（Domain）大分子蛋白质的三级结构中的致密结构实体称为结构域(domain) 。结构域同时也是功能单位。Ig的结构域Ig的结构域分子伴侣(molecular chaperon)分子伴侣(molecular chaperon)定义：一类在序列上没有相关性但有共同功能的蛋白质，它们在细胞内帮助其他新生的或错误折叠的多肽完成正确的组装，而且在组装完毕后与之分离，不构成这些蛋白质结构执行功能时的组份 如：热休克蛋白（heat shock protein，HSP）null分子伴侣帮助新生肽链正确折叠分子伴侣 新生肽链正确 折叠 的蛋 白质蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构有些蛋白质由几条甚至几十条肽链构成，彼此没有共价键连接；每一条肽链都形成相对独立的三级结构，称为该蛋白质的一个亚基；该蛋白称为多亚基蛋白，也叫多聚体蛋白，含亚基少的又称为低聚体 多亚基蛋白的亚基按特定的空间排布结合在一 起，构成该蛋白质的四级结构。蛋白质的四级结构血红蛋白蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构血红蛋白蛋白质的四级结构维持蛋白质构象的化学键维持蛋白质构象的化学键蛋白质的生理功能蛋白质的生理功能蛋白质是生物体的重要组成成分 蛋白质具有重要的生物学功能 酶的催化作用 免疫保护 激素-受体系统 信号传到及其调节 协调动作与机械支持 运载和储存 氧化供能蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系一级结构与功能的关系 一级结构决定蛋白质构象及其生理功能 一级结构是其构象的基础，包含了形成特定空间结构所需的全部信息 同源蛋白质存在序列同源现象（保守/不变残基和可变残基） 基因突变导致的氨基酸组成及序列的改变是众多遗传病（分子病）的分子基础镰刀型贫血病 Glu6 Val6镰刀型贫血病 Glu6 Val6 Glu在生理pH值下带负电荷R基aa，而Val是非极性R基aa，就使得HbS分子表面的电荷发生改变，引起等电点改变，溶解度降低，使之不正常地聚集成纤维状血红蛋白，致使红细胞变形成镰刀状,输氧功能下降,细胞脆弱易溶血.蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系构象与功能的关系----构象决定功能 构象不同----理化性质和生理功能不同 纤维状蛋白---细胞骨架和外保护成分 球状蛋白---酶和调控蛋白 构象改变----活性改变（朊病毒）蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质紫外吸收特征----OD280色氨酸酪氨酸蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质两性解离与等电点蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质茚三酮反应 蛋白质的理化性质----大分子特征蛋白质的理化性质----大分子特征半透膜与透析 利用不同孔径大小的半透膜，可以去除杂质从而纯化分离得到目的蛋白称透析 沉降与沉降系数 沉降系数(S)=沉降速度/离心加速度 蛋白质溶液是胶体溶液 多数蛋白质的直径位于胶体颗粒的范围(1~100nm) 电荷和水化膜是蛋白质形成胶体溶液的主要因素null蛋白质的理化性质----大分子特征蛋白质的理化性质----大分子特征沉淀---蛋白分子从溶液中析出的现象 盐析：中性盐可使蛋白从溶液中析出 重金属离子：可结合带负电的蛋白并沉淀 生物碱试剂及某些酸类：可结合带正电的蛋白并使其变性沉淀析出 有机溶剂：能破坏蛋白颗粒表面的水化膜，在等电点条件下可使蛋白沉淀析出null水化膜溶液中蛋白质的聚沉蛋白质的理化性质----大分子特征蛋白质的理化性质----大分子特征变性与复性 在一些因素下，蛋白质的天然构象被破坏，从而导致其理化性质改变，生物活性丧失的现象称蛋白质变性 将蛋白质溶液加热可使其形成不溶于强酸强碱的凝块，这种现象称蛋白质凝固 当除去变性因素，蛋白质能恢复或部分恢复其原来构象和功能的现象称蛋白质复性，蛋白质的分解代谢蛋白质的分解代谢蛋白质的营养作用蛋白质的营养作用氮平衡（Nitrogen balance）氮平衡（Nitrogen balance）概念：摄入食物蛋白的含氮量（摄入氮）与经粪、尿排出氮量（排出氮）之间的对比关系称氮平衡。它反映体内蛋白质的合成与分解代谢的情况。 氮总平衡：摄入氮 ＝ 排出氮（蛋白质合成=分解） 氮正平衡：摄入氮 ＞ 排出氮（蛋白质合成＞分解） 氮负平衡：摄入氮 ＜ 排出氮（蛋白质合成＜分解）蛋白质的生理需要量蛋白质的生理需要量成人每天至少分解 20g 蛋白质 最低生理需要量：30～50g 营养学会推荐的需要量：70～80g 常用食物中蛋白质含量(%)常用食物中蛋白质含量(%)蛋白质的营养价值 (Nutrition value of Pr)蛋白质的营养价值 (Nutrition value of Pr)蛋白质的营养价值取决于组成蛋白质的必需氨基酸的种类、含量和比例与人体蛋白质的氨基酸组成接近程度 必须氨基酸: 体内需要而自身又不能合成的、必须由食物供给的氨基酸 Val, Leu, Ile, Thr, Lys, Met, Phe, Trp （携一两本单色书来） 非必须氨基酸： Arg, His半必须氨基酸成人、儿童和婴儿必需氨基酸的每天最低需要量(mg/kg)成人、儿童和婴儿必需氨基酸的每天最低需要量(mg/kg)蛋白质的营养价值 (Nutrition value of Pr)食物蛋白质的互补作用食物蛋白质的互补作用概念:营养价值较低的食物蛋白可以通过混合膳食、互相弥补而提高营养价值的作用 营养膳食结构营养膳食结构蛋白质的消化、吸收和腐败蛋白质的消化、吸收和腐败蛋白质的消化蛋白质的消化蛋白质的分解蛋白质的分解各类胰酶作用的特异性及其产物各类胰酶作用的特异性及其产物 名称 最适PH 水解肽键的特异性 产物 胰蛋白酶 8.0~9.0 碱性氨基酸的羧基与其他 以碱性氨基酸作为羧基 氨基酸的氨基所形成的 末端的多肽和少量碱性 肽键 氨基酸 糜蛋白酶 8.0~9.0 芳香族氨基酸的羧基与其 以芳香族氨基酸作为羧基 他氨基酸的氨基所形成的 末端的多肽和少量芳香族 肽键 氨基酸 弹性蛋白酶 8.8 脂肪族氨基酸的羧基与其 以脂肪族氨基酸作为羧基 他氨基酸的氨基所形成的 末端的多肽和少量脂肪族 肽键 氨基酸 羧基肽酶A 7.4 中性氨基酸羧基末端的肽键 寡肽和中性氨基酸 羧基肽酶B 8.0 碱性氨基酸羧基末端的肽键 寡肽和碱性氨基酸氨基酸的吸收和转运氨基酸的吸收和转运主动运输 （Carrier + ATP + Na+） 中性氨基酸载体（主要载体） 碱性氨基酸载体 酸性氨基酸载体 亚氨基酸和甘氨酸载体蛋白质的腐败作用（Putrefaction）蛋白质的腐败作用（Putrefaction）概念:肠道内未被消化蛋白质及未吸收的氨基酸，在大肠下部受肠道细菌作用，产生一系列对身体有害的物质（胺类、吲哚、H2S、NH3、酚类、 CH4）的过程常见腐败产物常见腐败产物蛋白质 NH3R-CH2-COOHCO2R-CH2-NH2分解生成酚类、吲哚、 甲基吲哚、H2S、 NH3等肠菌常见腐败产物常见腐败产物举例：胺类的毒性（假神经递质的形成）举例：胺类的毒性（假神经递质的形成）氨基酸的一般代谢氨基酸的一般代谢氨基酸代谢概况氨基酸代谢概况胺CO2肾排出氨基酸代谢概况氨基酸代谢概况氨基酸的来源和去路通常维持动态平衡以适应生理需要L-α-氨基酸的结构L-α-氨基酸的结构氨基酸的脱氨基作用(deamination)氨基酸的脱氨基作用(deamination)氨基酸在体内的分解代谢主要是脱氨基，生成α-酮酸和氨。 氨基转移作用 氧化脱氨基作用 联合脱氨基作用 其他脱氨基作用氨基转移(转氨基)作用氨基转移(转氨基)作用概念:AA在转氨酶催化下将α-氨基转移到1个α-酮酸的酮基位置上，从而生成相应的α-酮酸和1个新的AA，此过程只发生氨基转移，而无游离NH3产生。脱氨基作用是氨基酸分解代谢的主要途径体内重要的转氨酶体内重要的转氨酶ALT、AST的临床意义ALT、AST的临床意义氧化脱氨基作用(Oxidation deamination)氧化脱氨基作用(Oxidation deamination)氧化脱氢 水解脱氨L-谷氨酸脱氢酶的氧化脱氨基 (肌外)L-谷氨酸脱氢酶的氧化脱氨基 (肌外)体内催化氧化脱氨基作用的酶主要是L-谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶的特点谷氨酸脱氢酶的特点以NAD+/NADP+为辅酶的不需氧脱氢酶 活性高、分布广，（肌肉中活性很低） 催化的反应可逆，逆过程可合成谷氨酸 别构酶 氧化脱氨基作用的局限性—仅谷氨酸经此脱氨基GTP （-）别构抑制剂 ADP （+）别构激活剂联合脱氨基作用(United deamination)联合脱氨基作用(United deamination)概念:AA在转氨基作用和谷氨酸的氧化脱氨进行下，脱去氨基生成α-酮酸和NH3 联合脱氨基作用的意义联合脱氨基作用的意义联合转氨是肌外组织的主要形式(肝、肾) 使体内许多AA能真正脱氨 其逆反应是合成非必需AA的重要途径嘌呤核苷酸循环—肌肉中联合脱氨基作用嘌呤核苷酸循环—肌肉中联合脱氨基作用其他脱氨基作用其他脱氨基作用氨的代谢氨的代谢氨的来源和去路血氨氨的转运氨的转运氨有毒尤其是对脑组织，使脑血管收缩影响脑的供血量及能量代谢，严重时导致昏迷—肝昏迷 血中NH3主要以无毒Ala和Gln两种形式运输 Gln合成与分解 Gln的运氨作用Gln的运氨作用 脑组织中的NH3通过合成Gln运出，防止NH3 对脑的毒性。所以临床上对NH3中毒患者用谷氨酸钠盐以解除氨毒。氨的转运 — G-Ala Cycle氨的转运 — G-Ala Cycle 意义：①实现肌氨的无毒运输；②为肌肉活动提供能量尿素的合成 —鸟氨酸循环(Ornithine cycle)尿素的合成 —鸟氨酸循环(Ornithine cycle)尿素合成过程（肝脏）尿素合成过程（肝脏）1. 线粒体内的反应步骤2. 胞液内反应步骤2. 胞液内反应步骤 尿素合成的小结及意义尿素合成的小结及意义尿素主要由肝脏合成，是解除氨毒的主要方式 尿素分子中的氮，一个来自氨甲酰磷酸（或游离的NH3），另一个来自Asp 合成1分子尿素需消耗4个ATP 精氨酸代琥珀酸合成酶（ASS）为尿素合成的限速酶 鸟氨酸循环中间物的浓度（鸟氨酸、瓜氨酸和精氨酸）可以影响尿素合成的速率，所以临床常输注精氨酸以促进尿素合成，从而降低血氨浓度高血氨和氨中毒高血氨和氨中毒进入脑组织NH3 + α-酮戊二酸 = 谷氨酸+ NH3 = 谷氨酰胺TCA循环中α-酮戊二酸被大量消耗谷氨酸NADH+H+ATPα-酮酸的代谢α-酮酸的代谢生糖和生酮氨基酸种类生糖和生酮氨基酸种类氨基酸的脱羧基作用氨基酸的脱羧基作用氨基酸氨基酸脱羧酶磷酸吡哆醛胺+CO2(堆积)神经系统、心血管功能紊乱几种重要的生物活性胺类几种重要的生物活性胺类谷氨酸——γ-氨基丁酸（GABA） 色氨酸——5-羟色胺（5-HT） 褪黑素 组氨酸——组胺 半胱氨酸——牛磺酸 胆汁酸 鸟氨酸、甲硫氨酸——多胺（精胺和亚精胺） 细胞生长几种重要的生物活性胺类几种重要的生物活性胺类γ-氨基丁酸（GABA）脑组织活性最高抑制性神经递质几种重要的生物活性胺类几种重要的生物活性胺类5-羟色胺（5-HT）抑制性神经递质，与调节睡眠 体温和镇痛等有关强烈的血管收缩剂5-羟色胺（5-HT）null几种重要的生物活性胺类几种重要的生物活性胺类组胺组胺的生理功能组胺的生理功能主要存在肥大细胞中 脑内作为中枢神经递质，与控制觉醒和睡眠、调节情感和记忆等有关 有血管舒张作用，增加毛细血管通透性 引起支气管痉挛，产生哮喘 促进胃粘膜细胞分泌胃蛋白酶原及胃酸几种重要的生物活性胺类几种重要的生物活性胺类牛磺酸几种重要的生物活性胺类—多胺几种重要的生物活性胺类—多胺血、尿中的多按水平是癌瘤诊断和预后的辅助指标活性胺类：活性胺类：总结一些氨基酸的特殊代谢一些氨基酸的特殊代谢一些氨基酸的特殊代谢一些氨基酸的特殊代谢一碳单位代谢 含硫氨基酸代谢 芳香族氨基酸代谢 支链氨基酸代谢 一碳单位代谢的种类和来源一碳单位代谢的种类和来源一碳单位：某些氨基酸在体内分解代谢过程中,可产生含有1C的活性基团 (-CHO, -CH=, -CH=NH, -CH3, -CH2-)甘氨酸、组氨酸、丝氨酸、色氨酸、甲硫氨酸一碳单位被四氢叶酸（FH4） 结合携带用于嘌呤和嘧 啶碱的合成来源去路载体一碳单位与四氢叶酸一碳单位与四氢叶酸一碳单位的结合点一碳单位存在形式一碳单位存在形式null一碳单位的相互转变一碳单位代谢的生理意义一碳单位代谢的生理意义一碳单位为嘌呤及嘧啶合成提供原料，在核酸代谢中占重要地位，并将核酸代谢与氨基酸代谢密切联系起来 一碳单位代谢障碍可造成某些疾病，如巨幼红细胞性贫血等 含硫氨基酸代谢含硫氨基酸代谢含硫氨基酸甲硫氨酸（蛋氨酸）半胱氨酸胱氨酸甲硫氨酸代谢甲硫氨酸代谢+（ATP）（SAM）S-腺苷同型半胱氨酸-CH3肌酸、胆碱、肾上腺素－ＰＰＰＳ－腺苷甲硫氨酸甲硫氨酸循环甲硫氨酸循环RHR-CH3（VitB12）CH3-甲硫氨酸循环的生理意义甲硫氨酸循环的生理意义为体内甲基化反应提供甲基 使四氢叶酸得到再生 同型半胱氨酸堆积，引起同型半胱氨酸血症半胱氨酸与胱氨酸代谢半胱氨酸与胱氨酸代谢胱氨酸半胱氨酸氧化脱羧牛磺酸氧化脱氨丙酮酸 + 氨 + H2SH2SO4PAPS谷胱甘肽合成互变半胱氨酸氧化分解为活性硫酸半胱氨酸氧化分解为活性硫酸↓ATP芳香族氨基酸的代谢芳香族氨基酸的代谢芳香族氨基酸苯丙氨酸酪氨酸色氨酸苯丙氨酸、酪氨酸代谢苯丙氨酸、酪氨酸代谢苯丙氨酸酪氨酸甲状腺激素黑色素儿茶酚胺氧化分解苯丙氨酸羟化为酪氨酸苯丙氨酸羟化为酪氨酸苯丙酮酸尿症苯丙酮酸尿症苯丙氨酸苯丙氨酸羟化酶酪氨酸苯丙酮酸转氨基苯丙酮酸尿症（PKU）对中枢神经系统有毒性,智力发育障碍缺乏苯丙酮酸尿症苯丙酮酸尿症PKU患者智力低下，60%患儿有脑电图异常，头发细黄，皮肤色淡和虹膜淡黄色，惊厥，尿有“发霉”臭味或鼠尿味。酪氨酸转变为甲状腺激素酪氨酸转变为甲状腺激素二碘酪氨酸酪氨酸一碘酪氨酸二碘酪氨酸碘化酪氨酸转变为黑色素酪氨酸转变为黑色素白化病白化病皮肤乳白色，毛发淡黄或银白色，瞳孔淡红，虹膜淡灰或淡红，半透明视网膜缺乏色素。酪氨酸转变为黑色素酪氨酸转变为儿茶酚胺酪氨酸转变为儿茶酚胺帕金森病合成不足（DOPA）（DA）（NE）（E）酪氨酸的氧化分解酪氨酸的氧化分解苯丙氨酸、酪氨酸代谢小结苯丙氨酸、酪氨酸代谢小结支链氨基酸代谢支链氨基酸代谢支链氨基酸分解代谢主要在骨骼肌中进行激素对蛋白质代谢的调节激素对蛋白质代谢的调节激素对蛋白质代谢的调节激素对蛋白质代谢的调节促进蛋白质合成的激素 胰岛素、 生长素、 性激素、适量甲状腺素 促进蛋白质分解的激素 大量甲状腺素、肾上腺素、肾上腺皮质素nullE-mail : zhangguangxian@gzhtcm.edu.cn Cell phone : 13570212885Thank you