蛋白质代谢protein metabolism

生物体内蛋白质的合成和分解过程。蛋白质代谢在细胞代谢中具有极重要的地位。蛋白质的生物合成需要有信使核糖核酸(mRNA) 作为模板，转移核糖核酸(tRNA)作为氨基酸载体，核糖体提供合成场所，并需有多种酶和辅助因子的参与。合成的多肽链经过修饰后成为有生物学活性的蛋白质。蛋白质的分解是在各类蛋白酶的催化下进行的，水解产物氨基酸在体内进一步代谢。
合成体系 蛋白质的生物合成体系由mRNA、tRNA、核糖体和辅助因子组成。mRNA为蛋白质生物合成的模板。原核细胞内mRNA半衰期为数秒至2分钟，真核细胞内可达数小时至1天以上。mRNA的核苷酸与相应多肽链的氨基酸间存在密码关系 （见遗传密码）。tRNA为蛋白质生物合成中单体氨基酸的转运分子（见核酸），核糖体是进行蛋白质合成的场所。在原核细胞中，核糖体呈游离的单核糖体或与mRNA结合的多核糖体状态。每个细胞平均约含1万个核糖体。在真核细胞中，核糖体或分布在细胞质中，或与内质网结合形成粗糙内质网。每个真核细胞约含106～107个核糖体。在线粒体和叶绿体内也含有核糖体。核糖体的大小亚基与mRNA有不同的结合特性。核糖体有两个位点可结合tRNA，氨酰基位点(A位点)可与新掺入的氨酰tRNA相结合，肽酰基位点(P位点)可与延伸中的多肽酰tRNA相结合，这两位点均位于大小亚基上。tRNA携带氨基酸（或肽）部分与大亚基相结合，其反密码子区段则与小亚基结合，并与mRNA接触。催化形成肽键的肽基转移酶分布在大亚基中，鸟苷三磷酸(GTP)水解部位也在大亚基上。辅助因子有各种起始因子（有助于形成转译起始复合物）、延长因子（促进肽链延长）以及终止和释放因子 （引起肽链释放）。
合成过程
氨基酸的活化 活化反应在专一的氨酰-tRNA合成酶催化下进行。活化了的氨基酸与tRNA与形成氨酰-tRNA，该反应在细胞质内完成。活化反应分两步进行：

式中ATP为腺苷三磷酸，AMP为腺苷-磷酸，ppi为焦磷酸。
氨酰-tRNA合成反应所需能量由焦磷酸水解提供，同时有足够的能量储存在所生成的氨酰基酯键中，从而使氨基酸的羧基得到活化。氨酰-tRNA合成酶对氨基酸和tRNA均有极高的专一性。
肽链合成的起始 以大肠杆菌中70S起始复合物的形成为例(图1)，通常在起始密码子AUG分侧7、8碱基处有信号顺序(常为AGGA)，可与核糖体小亚基的16 sRNA分端互补碱基配对，为起始密码子正常定位，然后在起始因子IF1、IF2和IF3 参与下，载有甲酰甲硫氨酸的 tRNA结合在mRNA的起始密码子处，当大亚基被结合时即形成完整的起始复合物，同时GTP水解成鸟苷二磷酸 (GDP) 和无机磷酸(Pi)，起始因子即被释出。此时、甲酰甲硫氨酸-tRNAf (fMet-tRNAf) 占有核糖体上的肽酰位点

图 1 大肠杆菌中肽链合成的起始

AUG: 起始密码子； IF1,IF2,IF3；起始因子；fMet: 甲酰甲硫氨酸； P位：肽酰基位点；A位：氨酰基位点

(P位点)，空着的氨酰tRNA位点(A点)准备接受下一个氨酰-tRNA。 真核生物通常依靠mRNA5'帽子结构与核糖体小亚基结合，起始密码子也是AUG，起始氨基酸也是甲硫氨酸，但不必甲酰化，起始因子9～10种。
肽链的延长 原核生物合成肽链时(图2)，每加入一个氨基酸需经3个步骤： ❶相应的氨酰基 -tRNA结合于A位，该过程需要蛋白质延长因子和GTP; 正在合成的肽链以肽酰tRNA结合于P位。
❷在肽酰转移酶催化下，肽酰tRNA移至A位，其羧端与氨酰基-tRNA 的氨基间形成肽键，此时P位的tRNA无负载，由mRNA释放。
❸在第二个延长因子和GTP作用下，新的肽酰-tRNA 由A位移至P位，mRNA与小亚基相对移动3个核苷酸。A位可与相应的氨酰基-tRNA结合。
依此方式，核糖体沿mRNA由5′移向3′。同时，多肽链由N端向C端生长。当核糖体由起始密码子沿mRNA移动时，又有核糖体起始转译。因此，一个mRNA分子可同时指令合成蛋白质很多拷贝，与一个mRNA分子相结合的多个核糖体就称作多核糖体。形成肽键的能量来自高能氨酰基-tRNA，另外，每加入一个氨基酸需消耗2个来自GTP的高能磷酸键。

图 2 原核生物肽链延长过程

EF1,EF2: 延长因子； fMet: 甲酰甲硫氨酸；Pi: 无机磷酸； Ala: 丙氨酸； Ser: 丝氨酸；Tyr: 酪氨酸。

肽链延长的终止 多肽链合成至A位上有终止密码子(UAG、UAA或UGA)、释放因子（可溶性蛋白）和GTP时，肽酰转移酶由催化作用转变为水解作用，使肽链从tRNA上分离出来，释放出一条多肽链。tRNA离开核糖体，核糖体两亚基相分离以准备再一次与有关组分形成起始复合物，起始多肽链的合成。真核生物和原核生物蛋白质合成体系的抑制物不同，白喉毒素和蓖麻蛋白可抑制真核生物的蛋白质合成，而链霉素、四环素可抑制原核生物的蛋白质合成。
蛋白质合成后的修饰 有些由mRNA转译合成的多肽链需经化学修饰后才形成最后产物。原核生物多肽链N端的甲酰甲硫氨酸，其甲酰基可于合成后被酶切除，一个或多个N端氨基酸也可于转译后切除，外运蛋白质N端的疏水氨基酸顺序经膜运输后被切除。另外，内部酶切可使无活性的或有部分活性的蛋白质转变为完全有活性的形式，见于前胰岛素、胰蛋白酶原和胰凝乳蛋白酶原相应地转变为胰岛素、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶。在一些特殊的蛋白质，如胶元中某些脯氨酸和赖氨酸可经羟化生成羟脯氨酸和羟赖氨酸。真核生物中大多数外运蛋白质和面向外部的质膜蛋白质合成后进入内质网腔时，即有专一的糖分子修饰某些丝氨酸、苏氨酸或天冬酰胺残基，在高尔基体中糖链伸长并有分支而形成糖蛋白。
分解 在动物体内，摄入食物中的蛋白质，在消化道内由胃、胰和小肠分泌的蛋白质水解酶类水解为氨基酸。在植物体内，蛋白质也常被酶分解。分解蛋白质的酶分为两类，即肽酶和蛋白酶。肽酶作用于肽链的羧基末端（羧肽酶）或氨基末端（氨肽酶），每次分解出一个氨基酸或二肽：蛋白酶则作用于肽链的内部，生成长度较短含氨基酸较少的多肽链。在生物体内，蛋白质在蛋白酶作用下分解为许多小片段，然后在肽酶作用下进一步分解为氨基酸。家禽、家畜屠宰后，由于组织蛋白酶水解肌肉蛋白质，肉质嫩。屠宰前后使用木瓜蛋白酶和霉菌蛋白酶也可使肉质嫩化。

蛋白质代谢metabolism of protein

生物体内蛋白质合成和分解的化学过程。蛋白质的生物合成主要在细胞内的核糖核蛋白体上进行，按照信使核糖核酸上所含有的遗传密码，由转运核糖核酸携带所需的氨基酸，在多种酶和蛋白因子参与下，合成相应的蛋白质分子。但原核细胞与真核细胞在氨基酸的活化、肽链的起始、延长和终止以及合成后的加工等细节方面有所差异。蛋白质的分解，主要指它在细胞内的各种蛋白酶和肽酶作用下，水解成氨基酸的过程。生物体内的蛋白质处于不断地分解和合成的动态平衡之中。人和动物摄入的蛋白质，在消化道内必须先水解成氨基酸，然后才能被吸收和利用。当食物中缺少蛋白质，或食用不完全蛋白质，或患某些消耗性疾病时，体内的组织蛋白质分解会加强。人和动物必须不断地从食物中摄取蛋白质，才能使体内原有蛋白质不断地更新。植物和微生物一般不直接利用蛋白质作为营养物，但在某些情况下，如种子（尤其豆科植物种子）萌发或叶片衰老时，原有蛋白质会强烈地被水解成各种氨基酸，然后被再利用以形成幼苗组织或种子的胚和胚乳或子叶中的蛋白质等。

蛋白质代谢danbaizhi daixie

指蛋白质在细胞内的代谢途径。各种生物均含有水解蛋白质的蛋白酶或肽酶，这些酶的专一性不同，但均能破坏肽键，使各种蛋白质水解成其氨基酸成分的混合物。氨基酸进一步分解，主要是脱去其氨基。根据目前所获得的资料，这个脱氨基过程分两步进行，其中谷氨酸及其脱掉氨基后生成的α-酮戊二酸起着关键的作用。先是各种氨基酸经专一的转氨酶催化，将其氨基转移到α-酮戊二酸分子上，使之转变成谷氨酸，而氨基酸本身则转变成相应的酮酸。转氨酶的辅基为维生素B6的磷酸酯。然后
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谷氨酸在活力很强、以NAD⁺（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）为辅酶的谷氨酸脱氢酶的催化下，进行氧化脱氨作用：NADH+H⁺。这两步反应偶联进行的总过程是：

这一过程基本是可逆的，因而不仅是氨基酸脱氨的主

要途径，也是氨与α-酮酸生成氨基酸的一种途径。氨对动物是有毒的，在细胞中不能高浓度存在。多种组织，可将氨在谷氨酰胺合成酶的催化下，形成无毒的谷氨酰胺。反应中需要消耗ATP。谷氨酰胺是氨的一种储存形式。氨基酸脱下的氨一部分可以合成某些含氮物质如嘌呤及嘧啶化合物等，但其最主要的部分则排出体外。各种动物的排氨方式极不相同。水生动物是排氨的，所产生的氨可随时排到周围的水中。鸟类及爬虫类是排尿酸的，其体内的氨转变成溶解度较小的尿酸随粪排出体外。哺乳动物几乎都是排尿素的，氨主要变为溶解度较大的尿素随尿排出体外。尿素是在动物肝脏中通过尿素循环生成的。这是一个由系列酶促反应组成的循环机制，环上有鸟氨酸、瓜氨酸和精氨

图526 尿素循环的简单过程

酸3种物质，故又称鸟氨酸循环。这3种氨基酸都有催化作用，只需少量便可推动循环运转。每循环一周，两分子NH₃和1分子CO₂合成1分子尿素。各种氨基酸脱氨后的碳氢骨架通过不同的分解途径，转变成乙酰辅酶A(乙酰CoA)或三羧酸循环上的物质，经三羧酸循环及呼吸链彻底氧化成二氧化碳和水。在这个过程中，也产生一些可供机体利用的三磷酸腺苷(ATP)。高等植物能利用氨或硝酸盐合成自身需要的全部氨基酸。微生物合成氨基酸的能力大不相同，如大肠杆菌能合成全部所需要的氨基酸，但乳酸菌不能合成某些种氨基酸，必须从环境中直接摄取。人和动物只能合成某些种氨基酸（非必需氨基酸），其他种氨基酸（必需氨基酸）只能从食物中获得。非必需氨基酸，可以通过不同的反应生成。比较普遍的反应是转氨作用。如：

必需氨基酸的生成途径比较复杂，只在微生物和植物体内进行。各种生物都有从氨基酸合成自身特有蛋白质的能力。蛋白质的生物合成又称翻译(参见“有氧氧化”、“翻译”条)。

图527 氨基酸的碳链可进入三羧酸循环分解

蛋白质代谢proteometabolism

机体不断合成蛋白质又不断分解蛋白质，即不断摄入蛋白质又不断排出蛋白质，叫做蛋白质代谢。血含蛋白质60～80g/L(6～8g/dl)含氮60～80mg/L(6～8mg/dl)。每日从食物中摄入的氨基酸在机体组织内重新合成蛋白质，使分解消耗的蛋白质得到补充；体内的蛋白质又不断分解为氨基酸，氨基酸再分解最后可产生二氧化碳、水、氨等并产生能量供机体需要。人体正常蛋白质代谢是在神经体液调节下和各种酶的参加下进行的，蛋白质的代谢是处于一种动的相对的平衡状态。蛋白质代谢障碍对组织、器官及其功能可造成影响，属于蛋白代谢异常性疾病。

蛋白质代谢

蛋白质是生命的物质基础。食物中的蛋白质经消化变成氨基酸后被吸收，随血液循环运送到全身各组织参与蛋白质的更新。同时，构成人体组织的蛋白质又不断分解，使血液中的氨基酸处于动态平衡状态。组成蛋白质的氨基酸有二十多种，但其基本分解途径大致相同，主要是通过转氨基作用，在酶的催化下，将氨基酸分子中的氨基转移到酮酸分子上。如谷氨酸和丙酮酸在谷丙转氨酶(GPT)的催化下，生成α-酮戊二酸和丙氨酸。氨基酸通过脱氨基作用生成的酮酸，进入糖代谢途径（三羧循环）被氧化成二氧化碳和水，并放出能量；也可转变成糖及脂类；还可再被氨基化生成非必需氨基酸。体内蛋白质不断地分解，又不断地再合成。在儿童少年期，合成代谢大于分解代谢，使蛋白质大量合成，于是身体各器官、组织逐渐成长、成熟，体重增加。成人的合成代谢和分解代谢基本相等，处在一个动态平衡状态。到了老年，分解代谢大于合成代谢，蛋白质消耗增多，称为蛋白质代谢负平衡，因而老年人各器官机能下降，体力衰退。