第八章蛋白质降解和氨基酸代谢 蛋白质是生物体最重要的大分子之 是一切生命活动的物质基础。在生物体内，蛋 白质不断地进行着分解和合成代谢，使物质得到有效分配和利用，使生命得到体现。 蛋白质的降解产物氨基酸，不仅能重新合成蛋白质，而且是许多重要生物分子的前体， 例如：嘌吟、嘧啶、卟啉、某些维生素和激素等。当机体摄取的氨基酸过量时，氨基酸可 以发生脱氨基作用，产生的酮酸可以通过糖异生途径转变为葡萄糖，也可以通过三羧酸循 环氧化成二氧化碳和水，并为机体提供所需能量 不同生物体利用氨源合成氨基酸的能力不同。脊椎动物不能合成全部20种蛋白质氨 基酸。高等动物能利用铵离子合成氨基酸，但不能利用硝酸、亚硝酸和大气中的氮气。高 等植物能合成全部蛋白质氨基酸，也能利用氨、硝酸和亚硝酸作为氮源，许多豆科植物还 能通过共生关系利用大气中的氨气。微生物合成氨基酸及对氯源的利用能力差异很大，例 如溶血链球菌需要17种氨基酸，大肠杆菌能合成全部蛋白质的氨基酸， 固氮微生物能利 用大气氮合成氨及氨基酸。 第一节蛋白质的酶促降解 人和动物要不断地从食物中摄取蛋白质，食物中蛋白质进入人体后，在消化道中经过 系列复杂的水解反应降解成氨基酸才能被组织利用。 在植物体内，特别是当种子萌发时，蛋白质发生强烈的降解作用，产生的氨基酸被重 新利用形成幼苗中的蛋白质。可见蛋白质的酶促降解是生命活动的重要组成部分。1979年 闲际生化协会命名秀品会(Nomenclature of the Int onal Union of Biochemistry), 将作用于肤键的酶归属于第三大类（水解类）第四亚类（EC34) 而 根据蛋白酶水解多肽的部位可分为蛋白酶(rotn)和肽酶(eptidase)两个亚亚 一、蛋白酶 蛋白酶又称肽链内切酶(endopeptidase),它可作用于肽链内部的肽键，生成长度较短 的含氨基酸分子数较少的肽链。蛋白酶对不同氨基酸所形成的肽键有专一性。例如胰蛋白 酶水解由碱性氨基酸的羧基所形成的肽健，胰凝乳蛋白酶水解由芳香族氨基酸的羧基所形 成的肽键，而胃蛋白酶能迅速水解由芳香族氨基酸的氨基和其它氨基酸形成的肽鞋，也能 较缪梅地水解它一些氨基酸（加亮氨酸）和酸性氨基酸参与形成的肽镜。根据蛋白酶的 催化机理可将其分为4类（表81）。在生物体内，蛋白酶可将蛋白质水解为许多小的片段， 但要彻底水解为氨基酸还需要肽酶的作用。 253
253 第八章 蛋白质降解和氨基酸代谢 蛋白质是生物体最重要的大分子之一，是一切生命活动的物质基础。在生物体内，蛋 白质不断地进行着分解和合成代谢，使物质得到有效分配和利用，使生命得到体现。 蛋白质的降解产物氨基酸，不仅能重新合成蛋白质，而且是许多重要生物分子的前体， 例如：嘌呤、嘧啶、卟啉、某些维生素和激素等。当机体摄取的氨基酸过量时，氨基酸可 以发生脱氨基作用，产生的酮酸可以通过糖异生途径转变为葡萄糖，也可以通过三羧酸循 环氧化成二氧化碳和水，并为机体提供所需能量。 不同生物体利用氮源合成氨基酸的能力不同。脊椎动物不能合成全部 20 种蛋白质氨 基酸。高等动物能利用铵离子合成氨基酸，但不能利用硝酸、亚硝酸和大气中的氮气。高 等植物能合成全部蛋白质氨基酸，也能利用氨、硝酸和亚硝酸作为氮源，许多豆科植物还 能通过共生关系利用大气中的氮气。微生物合成氨基酸及对氮源的利用能力差异很大，例 如溶血链球菌需要 17 种氨基酸，大肠杆菌能合成全部蛋白质的氨基酸，固氮微生物能利 用大气氮合成氨及氨基酸。 第一节 蛋白质的酶促降解 人和动物要不断地从食物中摄取蛋白质，食物中蛋白质进入人体后，在消化道中经过 一系列复杂的水解反应降解成氨基酸才能被组织利用。 在植物体内，特别是当种子萌发时，蛋白质发生强烈的降解作用，产生的氨基酸被重 新利用形成幼苗中的蛋白质。可见蛋白质的酶促降解是生命活动的重要组成部分。1979 年 国 际 生 化 协 会 命 名 委 员 会 （ Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry），将作用于肽键的酶归属于第三大类（水解酶类）第四亚类（EC 3. 4），而 根据蛋白酶水解多肽的部位可分为蛋白酶（proteinase）和肽酶（peptidase）两个亚亚类。 一、蛋白酶 蛋白酶又称肽链内切酶（endopeptidase），它可作用于肽链内部的肽键，生成长度较短 的含氨基酸分子数较少的肽链。蛋白酶对不同氨基酸所形成的肽键有专一性。例如胰蛋白 酶水解由碱性氨基酸的羧基所形成的肽键，胰凝乳蛋白酶水解由芳香族氨基酸的羧基所形 成的肽键，而胃蛋白酶能迅速水解由芳香族氨基酸的氨基和其它氨基酸形成的肽键，也能 较缓慢地水解其它一些氨基酸（如亮氨酸）和酸性氨基酸参与形成的肽键。根据蛋白酶的 催化机理可将其分为 4 类（表 8-1）。在生物体内，蛋白酶可将蛋白质水解为许多小的片段， 但要彻底水解为氨基酸还需要肽酶的作用
表8-1蛋白酶的种类 绵号 名称 作用特征 例子 EC3.4.2 丝氨酸蛋白酶类 在活性中心含组氨酸和丝氨酸 胰凝乳蛋白酶、蛋白酶、 (serine proteinase 凝血酶 EC3.4.22 硫醇蛋白酶类 在活性中心含半胱氨酸 木瓜蛋白酶、无花果蛋白 (thiol proteinac 酶、被萝蛋白酶 EC3.423 羧基（酸性）蛋白酶类 最适pH在5以下 胃蛋白酶、凝乳酶 [carboxyl (acid)proteinase EC3.4.24 金属蛋白醇类 含有催化活性所必需的金属 枯草杆菌中性蛋白酶、脊椎 (metalloproteinase 动物胶原醇 二、肽酶 肽酶又称肽链端解酶(exopeptidase),肽酶只作用于多肽链的末端，将蛋白质多肽链 从末端开始逐一水解成氨基酸。作用于氨基端的称氨肽酶(aminopeptidase),作用于羧基 分不及作用特点见表2 岸的称我肚雨(carhox eptidase),作用于二肽的称为二肽酶(dipeptidase)。还有些肽酶 每次水解下 表8-2肽酶的种类 编号 名称 作用特征 反应 EC3 4 a.氨酰肽水解酶类(a 作用于多肢链的氨基末端氨酰+H,OL氨基 (N末端)，生成氨基酸 酸+肽 EC3.4.13 水解二职 +H0 2L氨 基酸 EC3.4.14 二肽基肱水解酶类作用于多肢链的氨基末端 二肽基多肽+，0 (dipeptidylpeptide hydrolase) 《N末端)，生成一肚 =二肽+多肽 EC3.4.15 肚基一肚水解卷作用干多肚链的的其末(C 多肤基二肤+H,0 端，生成二肽 EC3.4.16 丝氨酸我肽酶类(srn 作用于多肽链的羧基末端生 肽基L氨基酸+H,0 carboxypeptidase 成氨基饺，征化部位含有对有 肽+L氨基酸 机氧砖酸敏感的丝氨酸残基 EC3.4.17金属羧肽酶类作用于多肽链的羧基末端生肽基L氨基酸+H,0 (metallo-boxypeptidas) 成氨基酸，要求二价阳离子 广肽+L氨基酸 蛋白质水解为氨基酸的过程需要蛋白醇和肽酶的共同作用。人或动物吃了蛋白质食物 后，蛋白质在胃里受到胃蛋白酶的作用，分解为分子量较小的肽。进入小肠后受到来自肤 脏的胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酯的作用，讲一步分解为更小的肽。然后小肽又被肠粘膜里的 二肽醇、氨肽酶及羧肽酶分解为氨基酸，氨基酸可以被直接吸收利用，也可以进一步氧化 供能 254
254 表 8-1蛋白酶的种类 编 号 名 称 作 用 特 征 例 子 EC 3. 4. 21 丝氨酸蛋白酶类 （serine proteinase） 在活性中心含组氨酸和丝氨酸 胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶、 凝血酶 EC 3. 4. 22 硫醇蛋白酶类 （thiol proteinae） 在活性中心含半胱氨酸 木瓜蛋白酶、无花果蛋白 酶、菠萝蛋白酶 EC 3. 4. 23 羧基（酸性）蛋白酶类 [carboxyl（acid）proteinase] 最适 pH 在 5 以下 胃蛋白酶、凝乳酶 EC 3. 4. 24 金属蛋白酶类 （metalloproteinase） 含有催化活性所必需的金属 枯草杆菌中性蛋白酶、脊椎 动物胶原酶 二、肽酶 肽酶又称肽链端解酶（exopeptidase）， 肽酶只作用于多肽链的末端，将蛋白质多肽链 从末端开始逐一水解成氨基酸。作用于氨基端的称氨肽酶（aminopeptidase），作用于羧基 端的称羧肽酶（carboxypeptidase），作用于二肽的称为二肽酶（dipeptidase）。还有些肽酶 每次水解下一分子二肽。不同肽酶及作用特点见表 8-2。 表 8-2肽酶的种类 编 号 名 称 作 用 特 征 反 应 EC 3. 4.11 EC 3. 4.13 EC 3. 4.14 EC 3. 4.15 EC 3. 4.16 EC 3. 4.17 α - 氨 酰 肽 水 解 酶 类 （ α -aminoacyl peptide hydrolase） 二 肽 水 解 酶 类 （ dipeptide hydrolase） 二 肽 基 肽 水 解 酶 类 （dipeptidylpeptide hydrolase） 肽 基 二 肽 水 解 酶 类 （peptidyldipeptide hydrolase） 丝 氨 酸 羧 肽 酶 类 （ serine carboxypeptidase） 金 属 羧 肽 酶 类 （metallo-carboxypeptidase） 作用于多肽链的氨基末端 （N-末端），生成氨基酸 水解二肽 作用于多肽链的氨基末端 （N-末端），生成二肽 作用于多肽链的羧基末端（C- 末端），生成二肽 作用于多肽链的羧基末端生 成氨基酸，催化部位含有对有 机氟磷酸敏感的丝氨酸残基 作用于多肽链的羧基末端生 成氨基酸，要求二价阳离子 氨酰+H2O L-氨基 酸 + 肽 二肽+H2O 2 L-氨 基酸 二 肽 基 多 肽 + H2O 二肽+多肽 多 肽 基 二 肽 + H2O 二肽 + 多肽 肽 基 -L- 氨 基 酸 + H2O 肽 + L-氨基酸 肽 基 -L- 氨 基 酸 + H2O 肽 + L-氨基酸 蛋白质水解为氨基酸的过程需要蛋白酶和肽酶的共同作用。人或动物吃了蛋白质食物 后，蛋白质在胃里受到胃蛋白酶的作用，分解为分子量较小的肽。进入小肠后受到来自胰 脏的胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的作用，进一步分解为更小的肽。然后小肽又被肠粘膜里的 二肽酶、氨肽酶及羧肽酶分解为氨基酸，氨基酸可以被直接吸收利用，也可以进一步氧化 供能
高等植物体中也含有蛋白酶类。例如种子及幼苗内部都含有活性蛋白酶，种子萌发时 蛋白酶的水解作用最旺盛，可将胚乳中贮藏的蛋白质水解为氨基酸，然后再利用氨基酸来 重新合成蛋白质，以组成植物自身的细驹。某些植物的果实中也含有丰官的蛋白酶，如木 瓜中的木瓜蛋白酶，菠萝中的菠萝蛋白酶，无花果中的无花果蛋白酶等。此外，微生物也 含有多种多样的蛋白酶，能将蛋白质水解为氨基酸。 第二节氨基酸的降解与转化 生物体内氨基酸的主要作用是合成蛋白质或其它含氮化合物。但多余的氢基酸不能贮 藏只能被降解，这一点与葡萄糖和脂肪不同。 天然氨基酸分子都含有ā氨基和ā-我基，因此各种氨基酸都有其共同的代谢途径。 但个别氨基酸由于其特殊的侧链结构也有特殊的代谢途径。 一、脱氨基作用 氨基酸分解代谢的第一步就是脱氨基作用(deamination),氨基酸脱去氨基后，形成 酮酸和氨。脱氨基作用主要包括以下几种方式： 一)每化脱氮其 1氨基酸在氨基酸氧化酶的催化下氧化生成 酮酸并产生氨的过程称为氧化脱氨基 作用(oxidative deamination)。动物体内有两种氨基酸氧化酵，即对L-氨基酸有专一性的 L-氨基酸氧化酶和对D-氨基酸有专一性的D-氨基酸氧化醉，它们都是以FMN和FAD为 辅酶的氧化脱氨爾。 R-9-COO+-FAIXFMN+H0氢基覆氧画， R-C-COO+FADHXFMNH)+NH ,氨基酸氧化酶也能催化辅酶的氧化，反应产生有毒性的过 FADHEMNH+O,氢KR化FADFMN+HO 2H.0. 过氧化氢能，20+0： 由于L氨基酸氧化酶在体内分布不广泛，活性也不高，D氨基酸氧化酶活性虽高，但 体内缺少D氨基酸，所以这两种氨基酸氧化酶在体内都不起主要作用。在氨基酸代谢中 起重要作用的脱氨酶是L谷氨酸脱氢酶。L一谷氨酸脱氢酶在动植物及大多数微生物中普运 存在，是脱氨活力最高的醇，它催化L谷氨酸脱氨生成a酮成二酸，其辅酶是NAD广或 NADP。谷氨酸脱氢酶是由6个亚基组成的变构调节酶，GTP和ATP是它的变构抑制剂， GDP和ADP是它的变构激活剂，所以当机体能量水平低时，氨基酸的氧化分解速度增加。 25
255 高等植物体中也含有蛋白酶类。例如种子及幼苗内部都含有活性蛋白酶，种子萌发时 蛋白酶的水解作用最旺盛，可将胚乳中贮藏的蛋白质水解为氨基酸，然后再利用氨基酸来 重新合成蛋白质，以组成植物自身的细胞。某些植物的果实中也含有丰富的蛋白酶，如木 瓜中的木瓜蛋白酶，菠萝中的菠萝蛋白酶，无花果中的无花果蛋白酶等。此外，微生物也 含有多种多样的蛋白酶，能将蛋白质水解为氨基酸。 第二节 氨基酸的降解与转化 生物体内氨基酸的主要作用是合成蛋白质或其它含氮化合物。但多余的氨基酸不能贮 藏只能被降解，这一点与葡萄糖和脂肪不同。 天然氨基酸分子都含有α-氨基和α-羧基，因此各种氨基酸都有其共同的代谢途径。 但个别氨基酸由于其特殊的侧链结构也有特殊的代谢途径。 一、脱氨基作用 氨基酸分解代谢的第一步就是脱氨基作用（deamination），氨基酸脱去氨基后，形成 酮酸和氨。脱氨基作用主要包括以下几种方式： （一）氧化脱氨基 α-氨基酸在氨基酸氧化酶的催化下氧化生成α-酮酸并产生氨的过程称为氧化脱氨基 作用（oxidative deamination）。动物体内有两种氨基酸氧化酶，即对 L-氨基酸有专一性的 L-氨基酸氧化酶和对 D-氨基酸有专一性的 D-氨基酸氧化酶，它们都是以 FMN 和 FAD 为 辅酶的氧化脱氨酶。 氨基酸氧化酶 R─CH─COO － +FAD(FMN) + H2O R─C─COO － + FADH2 (FMNH2 ) + NH3 │ ║ NH3 + O 氨基酸 α-酮酸 在有分子氧存在的情况下，氨基酸氧化酶也能催化辅酶的氧化，反应产生有毒性的过 氧化氢（H2O2），可被过氧化氢酶降解： 氨基酸氧化酶 FADH2 (FMNH2 ) + O2 FAD(FMN) + H2O2 过氧化氢酶 2H2O2 2 H2O + O2 由于 L-氨基酸氧化酶在体内分布不广泛，活性也不高，D-氨基酸氧化酶活性虽高，但 体内缺少 D-氨基酸，所以这两种氨基酸氧化酶在体内都不起主要作用。在氨基酸代谢中 起重要作用的脱氨酶是 L-谷氨酸脱氢酶。L-谷氨酸脱氢酶在动植物及大多数微生物中普遍 存在，是脱氨活力最高的酶，它催化 L-谷氨酸脱氨生成α-酮戊二酸，其辅酶是 NAD +或 NADP +。谷氨酸脱氢酶是由 6 个亚基组成的变构调节酶，GTP 和 ATP 是它的变构抑制剂， GDP 和 ADP 是它的变构激活剂，所以当机体能量水平低时，氨基酸的氧化分解速度增加
CH:-CH:-C.COO +NH,+NAD(P)H+H NH." coo- 0 谷氨酸 a-酮酸 (一)非每化脱氮基 除氧化脱氨基作用以外，还有不同方式的非氧化脱氨基作用(non-ative deamination)。非氧化脱氨基作用大多在微生物中进行，动物体内也有发现，但不普遍。 1.脱水脱氨基作用 L-丝氨酸和L苏氨酸的脱氨基是利用脱水方式完成的。催化此反应的酶以磷酸吡哆醛 为辅醇。 CHOH NH,题 C -NH 自发水解 -0+NH -H0 00H +H0 COOH COOH COOH 业氨 2.水解脱氨基作用 氨基酸在水解酶的作用下脱氨产生羟酸。 R CHNTS H.O HOH NH 3.直接脱氨基作用 天冬氨酸酶可催化天冬氨酸直接脱下氨基生成延胡索酸和NH CHNH> 天冬氨酸酯 CH NH CH COOH COOH 天冬氨酸 延胡索酸 又比如苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia lyase,PAL)催化的脱氨反应： CH,-CHNH,-COOH CH-CH-COOH 苯氨酸解氨 L一苯丙氨酸 反式肉桂酸 在植物体中，生成的反式肉桂酸可进一步转化为香豆素、木质素、单宁等次生物质。 (三)转氨作用 氨基酸的转氨基作用是指在转氨酶()的催化下，a-氨基酸和a 酮酸之间发生 的氨基转移反应。使原来的氨基酸转变成相应的酮酸，而原来的酮酸转 变成相应的氨基酸。 256
256 L-谷氨基酸脱氢酶 CH2─CH2─CH─COO － +NAD(P) + CH2─CH2─C─COO － +NH3+ NAD(P)H+H + │ │ │ ║ COO － NH3 + COO － O 谷氨酸 α-酮酸 （二）非氧化脱氨基 除氧化脱氨基作用以外，还有不同方式的非氧化脱氨基作用（non-oxidative deamination）。非氧化脱氨基作用大多在微生物中进行，动物体内也有发现，但不普遍。 1． 脱水脱氨基作用 L-丝氨酸和 L-苏氨酸的脱氨基是利用脱水方式完成的。催化此反应的酶以磷酸吡哆醛 为辅酶。 CH2OH CH2 CH3 CH3 │ 丝氨酸脱水酶 ‖ 分子重排 │ 自发水解 │ CHNH2 C NH2 C═NH C═O + NH3 │ -H2O │ │ +H2O │ COOH COOH COOH COOH 丝氨酸 α-氨基丙烯酸 亚氨基酸 丙酮酸 2． 水解脱氨基作用 氨基酸在水解酶的作用下脱氨产生羟酸。 R R │ 水解酶 │ CHNH2 + H2O CHOH + NH3 │ │ COOH COOH 氨基酸 羟酸 3． 直接脱氨基作用 天冬氨酸酶可催化天冬氨酸直接脱下氨基生成延胡索酸和 NH3。 COOH COOH │ │ CHNH2 天冬氨酸酶 CH │ ║ + NH3 CH2 HC │ │ COOH COOH 天冬氨酸 延胡索酸 又比如苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia lyase，PAL）催化的脱氨反应： CH2―CHNH2―COOH CH═CH―COOH │ 苯丙氨酸解氨酶 │ + NH3 L-苯丙氨酸 反式肉桂酸 在植物体中，生成的反式肉桂酸可进一步转化为香豆素、木质素、单宁等次生物质。 （三）转氨作用 氨基酸的转氨基作用是指在转氨酶（aminotransferase）的催化下，α-氨基酸和α -酮酸之间发生的氨基转移反应。使原来的氨基酸转变成相应的酮酸，而原来的酮酸转 变成相应的氨基酸
R R2 R R2 CHNH+ 租酸 。柱 转氨醇种类很多，在动物、植物及微生物中分布很广。大多数转氨酶对ā酮 酸或谷氨酸是专一的，而对另外一个底物则无专一性。如最为重要并且分布最广泛的 天冬氨酸氨基转移酶（也称谷草转氨酶，glutamate-oxaloacetate transaminase,GOT)和 丙氢酸氨基转移酶（也称谷丙转氨酶，glutamate-pyruvate transaminase,.GPT)它们催 化下列反应： COOH COOH (CH2) C-0 谷丙转氨 (CHa) CHa CHNH2+ ±C-0+ CHNH OOH Coo 谷氨酸 丙酮酸 a-酮戊二酸 丙氨酸 COOH COOH COOH CH2)2 H CH2 h 谷草转氨酶 CHNH.+ + 4 0 CHNH COOH COOH COOH COOH 天冬氨酸 a-戊二酸 草酰乙酸 谷氨酸 转氨酶催化可逆反应，平衡常数约为1.0左右，说明催化反应可以向两个方向进行， 但在生物体中转氨作用与氨基酸氧化分解作用相偶联，最终使氨基酸的转氨基作用向一个 方向进行 HO CHO HO CHNH, (E=-PO-) 酸 聪时感底 257
257 R1 R2 R1 R2 │ │ 转氨酶 │ │ CHNH2 + C═O C═O + CHNH2 │ │ │ │ COOH COOH COOH COOH α-氨基酸 α-酮酸 α-酮酸 α-氨基酸 转氨酶种类很多，在动物、植物及微生物中分布很广。大多数转氨酶对α-酮戊二 酸或谷氨酸是专一的，而对另外一个底物则无专一性。如最为重要并且分布最广泛的 天冬氨酸氨基转移酶（也称谷草转氨酶，glutamate-oxaloacetate transaminase,GOT）和 丙氨酸氨基转移酶（也称谷丙转氨酶，glutamate-pyruvate transaminase,GPT）它们催 化下列反应： COOH COOH │ │ (CH2 )2 CH3 (CH2 )2 CH3 │ │ 谷丙转氨酶 │ │ CHNH2 + C═O C═O + CHNH2 │ │ │ │ COOH COOH COOH COOH 谷氨酸 丙酮酸 α-酮戊二酸 丙氨酸 COOH COOH COOH COOH │ │ │ │ CH2 (CH2 )2 CH2 (CH2 )2 │ │ 谷草转氨酶 │ │ CHNH2 + C═O C═O + CHNH2 │ │ │ │ COOH COOH COOH COOH 天冬氨酸 α-酮戊二酸 草酰乙酸 谷氨酸 转氨酶催化可逆反应，平衡常数约为 1.0左右，说明催化反应可以向两个方向进行， 但在生物体中转氨作用与氨基酸氧化分解作用相偶联，最终使氨基酸的转氨基作用向一个 方向进行