第十章蛋白质的酶促降解和氨基酸代谢

第十章 蛋白质的酶促降解和氨基酸代谢

第一节 蛋白质的酶促降解

生物体内的蛋白质是经常处于动态的变化之中，一方面在不断地合成，另一方面又在不断地分解。例如，当种子萌发时，蛋白质发生强烈的水解，将胚乳或子叶中的储藏蛋白质分解，形成氨基酸和其他简单含氮化合物，供幼苗形成组织时用。在植物衰老时，蛋白质的分解亦很强烈，将营养器官的蛋白质分解成含氮化合物，转移到繁殖器官中，供幼胚及种子的形成之所需。

蛋白质的分解对机体生命代谢的意义并不亚于蛋白质的合成。植物体为了进行正常的生长和发育，为了适应外界条件的变化，必须经常不断地形成具有不同结构与功能的各种蛋白质。因此，早期合成的蛋白质在完成其功能之后不可避免地要分解，其分解产物将作为合成新性质蛋白质的原料。

蛋白质的分解是在蛋白（水解）酶催化下进行的，蛋白水解酶存在于植物所有的细胞与组织中。大量蛋白酶已被人们从植物种子、果实的生长器官中分离出来并进行了研究，如番木瓜汁液中的木瓜蛋白酶，菠萝茎和果实中的菠萝蛋白酶，花生种子中的花生仁蛋白酶，豌豆种子中的豌豆蛋白酶，小麦、大麦、燕麦籽粒中的相应蛋白酶。其中许多酶已制成结晶。

蛋白水解酶可分为内肽酶（肽链内切酶）和端肽酶（肽链端解酶）两大类。 （１）蛋白酶的种类和专一性 蛋白酶即内肽酶（endopeptidase ），水解蛋白质和多肽链内部的肽键，形成各种短肽。蛋白酶具有底物专一性，不能水解所有肽键，只能对特定

H 2N

Rn

C N

H CH O 1

R 1'CH

C H CH 2

O C H

CH

R 3O Rm H

氨肽酶（芳、疏）

羧肽酶

胃蛋白酶胰凝乳蛋白酶

胰蛋白酶

枯草杆菌蛋白酶

（疏）

图9-1 几种蛋白酶的专一性

的肽键发生作用。如木瓜蛋白酶只能作用于由碱性氨基酸以及含脂肪侧链和芳香侧链的氨

基酸所形成的肽键。几种蛋白水解酶的专一性见图9-1、表9-1。

蛋白酶按基催化机理又可分为四类见表9-2。

表9-2中所列的木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶及无花果蛋白酶的活性中心均含有半胱氨酸，因此能被HCN，H2S、半胱氨酸等还原剂所活化，而被H2O2等氧化剂及重金属离子所抑制。其余蛋白酶存在于大豆、菜豆、大麻、玉米、高粱的种子中。这些酶的性质与广泛分布的动物蛋白酶——胰蛋白酶和胃蛋白酶等有很多共同之处。

（２）肽酶的种类和专一性端肽酶又称为肽酶（exopeptidase），从肽链的一端开始水解，将氨基酸一个一个地从多肽链上切下来。肽酶根据其作用性质不同可分为氨肽酶、羧肽酶和二肽酶。氨肽酶从肽链的氨基末端开始水解肽链；羧肽酶从肽链的羧基末端开始水解肽链（见表9-1、图9-1）；二肽酶的底物为二肽，将二肽水解成单个氨基酸。肽酶又可分为六类，见表9-3。

３．蛋白质的酶促降解 在内肽酶、羧肽酶、氨肽酶与二肽酶的共同作用下，蛋白质水解成蛋白眎、胨、多肽，最后完全分解成氨基酸，即

蛋白质??→?内肽酶

眎、胨、??→?内肽酶

多肽??→?端肽酶

氨基酸

这些氨基酸可以转移到蛋白质合成的地方用作合成新蛋白质的原料，也可以经脱氨作用形成氨和有机酸，或参加其他反应。

第二节 氨基酸的分解与转化

氨基酸的分解反应包括脱氨基作用、脱羧作用与羟基化作用等。

一、脱氨基作用

高等植物的脱氨基作用在发芽的种子、幼龄植物及正发育的组织中最为强烈。脱氨基作用是氨基酸分解的最重要的一步，包括氧化脱氨基、非氧化脱氨基、转氨基、联合脱氨基、脱酰胺基等作用。

（１）氧化脱氨基（oxidative deamination ） 氧化脱氨基是高等植物最基本的脱氨基方式，氨基酸脱去α-氨基后转变成相应的酮酸：

禾本科、豆科作物幼苗及马铃薯块茎中，主要是二羧基氨基酸（天冬氨酸和谷氨酸）的氧化脱氨。如谷氨酸在谷氨酸脱氢酶的催化下，氧化脱氨生成α-酮戊二酸：

CH COOH

2

R

C COOH

R

++1/2O 2

NH 3

COOH CHNH2

CH2 CH2+ NADP +

COOH

C O

CH2

CH2

COOH

+ NADPH +

COOH

谷氨酸α-酮戊二酸

H2NH3

谷氨酸脱氢酶分布很广，在动植物、微生物中都存在，广泛存在于高等植物的种子、根、胚轴、叶片等组织中。

（２）非氧化脱氨基（nonoxidative deamination）非氧化脱氨基也包括多种方式。

直接脱氨基是在氨基酸氨基裂解酶和辅助因子磷酸吡哆醛（PLP基）的催化下进行的：

COOH CH2COOH

CH

CH

COOH

+ NH3

COOH

H2N CH

天冬氨酸延胡索酸

天冬氨酸在天冬氨酸氨基裂解酶的催化下，裂解成延胡索酸和氨。

脱水酶脱氨基脱水酶只作用于含有一个羟基的氨基酸，如L-丝氨酸在丝氨酸脱水酶（serine dehydratase）作用下发生脱氨：

COOH COOH

H2N C H

CH2OH C NH

3 CH3

L-丝氨酸丙酮酸

+H2O O+

此酶以磷酸吡哆醛为辅酶，催化丝氨酸脱氨后发生分子内重排，生成丙酮酸。

解氨酶可催化氨基酸的非氧化脱氨反应，如苯丙氨酸解氨酶（Phenylalanine ammonia lyase,PAL）催化苯丙氨酸和酪氨酸脱氨：

CH2CHNH2COOH CH CH COOH

+ NH3

L-苯丙氨酸反式肉桂酸

PA L

该酶也催化酪氨酸脱氨基并形成对香豆酸反式异构体：

CH 2CHNH 2

COOH

CH COOH

+ NH 3

OH 酪氨酸

反式香豆酸

PAL

在高等植物中存在催化苯丙氨酸和酪氨酸脱氨基形成氨和不饱和芳香酸的酶，如在许多植物中发现有苯丙氨酸解氨酶。

（３）转氨基（脱氨）作用（transamination ） 一种α-氨基酸的氨基可以转移到α-酮酸上，而生成相应的α-酮酸和α-氨基酸，这种作用叫转氨基作用，也叫氨基移换作用。催化转氨基反应的酶叫转氨酶，其辅酶为磷酸吡哆醛或磷酸吡哆胺。转氨基作用的简式如下：

H C COOH + R 1

R 1

C COOH

1

C COOH + R 2

C COOH

H

NH 2NH 2O O 转氨酶

α-氨基酸

α-酮酸

α-酮酸

α-氨基酸

转氨酶的辅酶为磷酸吡哆醛或磷酸吡哆胺，它们起氨基传递体的作用，反应过程如下：

C R 1

H NH 2C R 1

COOH

O N

CHO

CH 2OP

HO H 3C

N

CH 2

CH 2OP

HO H 3C

NH C R 2

H NH 2

COOH

C R 2

COOH

O

-氨基酸1

ααα -氨基酸2

-酮酸1

-酮酸2

磷酸吡哆胺

磷酸吡哆醛

α

转氨酶的种类很多，广泛分布于动植物及微生物中，因此氨基酸的转氨基作用在生物体内是极为普遍的。转氨基作用是氨基酸脱氨的一种主要方式，在氨基酸代谢中占有重要的地位。实验证明，除赖氨酸、苏氨酸外，其余α-氨基酸都可参与转氨基作用，并各有其特异的转氨酶。

（４）联合脱氨基作用 生物体内L-氨基酸氧化酶活力不高，而L-谷氨酸脱氢酶的活力很高，转氨酶又普遍存在，因此一般认为

L-氨基酸往往不是直接氧化脱去氨基，而是先与α-酮戊二酸经转氨作用变为相应的酮酸与谷氨酸，谷氨酸再经谷氨酸脱氢酶作用重新变成α-酮戊二酸，同时放出氨。这种脱氨基作用是转氨基作用和氧化脱氨基作用配合进行的，所以叫联合脱氨基作用。其反应式如图9-2。

COOH CH 2CH 2C

COOH COOH CH 2

CH 2CHNH 谷氨酸

NH 3R CH

COOH NH 2

R COOH C

O

α-氨基酸

α-酮酸

转氨酶

-L-谷氨酸脱氢酶

+NADH 2(NADPH 2)

+(NADP +)

图9-2 联合脱氨基反应示意图

（５）脱酰胺基作用（deamidation ）酰胺也可以在脱酰胺酶（deamidase ）作用下脱去酰胺基，而生成氨：

CONH 2CH 2CH 2CHNH 2COOH + H 2O

COOH CH 2CH 2CHNH 2COOH 谷氨酰胺

谷氨酸

+ NH 3

CONH 2CH 2CHNH 2COOH + H 2O

COOH CH 2CHNH 2COOH 天冬酰胺

天冬氨酸

+ NH 3

二、脱羧基作用

（１）直接脱羧基作用 氨基酸在脱羧酶（decarboxylase ）催化下脱去羧基生成胺。通式如下：

氨基酸脱羧普遍存在于动植物及微生物组织中，其辅酶为磷酸吡哆醛。

二羧基氨基酸主要在α-位上脱羧，所生成的产物不是胺，而是另一种新的氨基酸。 天冬氨酸脱羧后生成β-丙氨酸：

HOOC

CH CH 2

CH 2COOH

2

2天冬氨酸

β-丙氨酸

CH 2

谷氨酸脱羧后生成γ-氨基丁酸：

HOOC

CH CH 2

CH 2CH 2

COOH

2

NH 2

CH 2

谷氨酸γ-氨基丁酸CH 2

γ-氨基丁酸与 -酮戊二酸进行转氨反应，生成谷氨酸和琥珀酸半醛，后者被氧化成琥珀酸后进入三羧酸循环：

CH 2NH 2

CH 2

CH 2COOH

OHC

CH 2

CH 2

COOH

HOOC

CH 2

CH 2

COOH

γ-氨基丁酸

琥珀酸半醛

琥珀酸

色氨酸在脱氨和脱羧后转变成植物生长素（吲哚乙酸）：

N 2

CH COOH

NH 23

2

C O

COOH

CH 2CHO

H H H H 色氨酸

吲哚丙酮酸

吲哚乙醛

吲哚乙酸

2COOH

丝氨酸脱羧生成乙醇胺；乙醇胺经甲基化作用生成胆碱：

CH 2

R

CH 22

R

CO 2+

CO 2

CH 2CH COOH

2CH 2CH 2CH 2CH 2NH 2

OH OH

N +(CH 3)3OH

丝氨酸

乙醇胺

胆碱

3(CH 3)

乙醇胺和胆碱分别是脑磷脂和卵磷脂的成分。 某些胺的氨基酸前体见表9-4。

这些胺类在植物体内进一步转化所形成的产物都具有一定的生理作用。胺可经氨氧化酶氧化成醛和氨；醛经脱氢酶作用氧化成脂肪酸；脂肪酸经 -氧化生成乙酰辅酶A 而进入三羧酸循环彻底氧化：

RCH 2NH 2

222RCOOH

CO 2 + H 2O

胺

醛酸

（２）羟化脱羟基作用（hydroxylation ）酪氨酸在酪氨酸酶（tyrosinase ）催化下发生羟化而生成3，4-二羟苯丙氨酸，简称多巴，后者可脱羧生成3，4-二羟苯乙胺，简称多巴胺：

CH 2

CH COOH

NH 2

CH 2

CH NH 2

2CH 2HO

OH OH + 1/2O 2NH 2

酪氨酸

多巴

多巴胺

多巴进一步氧化聚合成黑素。马铃薯、苹果、梨等切开后由于形成黑素而变黑。人的表皮及毛囊有形成黑素的细胞，使皮肤及毛发呈黑色；在植物体内，由多巴和多巴胺可以生成生物碱；在动物体内可生成激素——去甲肾上腺素和肾上腺素。

三、氨基酸分解产物的去向

氨基酸经过脱氨、脱羧作用所生成的 -酮酸、氨、胺和CO 2，将进一步参加代谢或排出体外。

（１）尿素的形成和尿素循环 氨基酸脱氨产生的游离氨，对植物组织是有毒害作用的，因此必须将氨转变为无毒的含氨化合物，以消除氨的毒害。高等植物均具有保留氨并重新利用氨的能力。植物可以通过尿素循环，将游离氨转变为尿素，其反应如下：

2NH 3 + CO 2 + 3ATP + 2H 2O

尿素循环

尿素

CO(NH 2)2+3ADP 3H 3PO 4

+

尿素循环是消除植物体内过量氨毒害的重要途径，也是储备氮的主要形式。尿素循环见图9-3。

天冬氨酸延胡索酸

图9-3 尿素循环

当需要时，尿素可经脲酶水解放出氨，以供合成各种含氮化合物：

NH 2CO 2 + 2NH 3

脲酶

NH 2

尿素

O + H 2O C

（２）合成其他含氮化合物 植物可将游离氨转变成氨基酸、酰胺、有机酸铵盐及氨甲酰磷酸等含氮化合物，以消除氨的毒害和储存以备再度利用。

如果植物组织中含有足够的碳水化合物，氨可与碳水化合物转化的酮酸进行氨基化反应，重新生成氨基酸。

在植物体中，消除氨的毒害作用的途径主要是生成酰胺化合物。天冬酰胺和谷氨酰胺是动植物共有的储氮形式。当体内酮酸增多时，再经转氨作用放出氨，生成氨基酸。

有些植物组织中含有大量的有机酸，如秋海棠、酸模、大黄等含有柠檬酸、草酰乙酸、苹果酸等，氨便与有机酸形成有机酸的铵盐。

氨与CO 2（来自三羧酸循环）在ATP 参与下，经酶催化形成氨基甲酰磷酸：

NH 3CO 2ATP

H 2N

O

O P

ADP 2+

+++

氨甲酰磷酸是合成嘧啶、瓜氨酸、精氨酸和尿素的主要代谢物，也是植物和微生物保存氮的重要方式。

（３）氨基酸碳架的氧化 氨基酸脱氨后余下的碳架要进一步转化，最后生成各种有机酸。各种氨基酸的代谢产物列于表9-5中。

三羧酸循环的中间产物，而乙酰乙酰辅酶A 也可以分解为乙酰辅酶A ，所以这些中间产物最后均可通过三羧酸循环而氧化分解，如图9-4所示。

（４）转变成糖和脂类 氨基酸脱氨后的碳架，根据有机体代谢的需要，即可经过三羧酸循环彻底氧化。生