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蛋白質(zhì)代謝
蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的代謝途徑
基本信息
| 中文名 | 蛋白質(zhì)代謝 |
| 外文名 | protein metabolism |
| 拼音 | dàn bái zhì dài xiè |
| 定義 | 蛋白質(zhì) 在細(xì)胞內(nèi)的代謝途徑 |
| 類別 | 混合物 |
實現(xiàn)途徑
1、蛋白質(zhì)代謝以氨基酸為核心，細(xì)胞內(nèi)外液中所有游離氨基酸稱為游離氨基酸庫，其含量不足氨基酸總量的1%，卻可反映機(jī)體氮代謝的概況。食物中的蛋白都要降解為氨基酸才能被機(jī)體利用，體內(nèi)蛋白也要先分解為氨基酸才能繼續(xù)氧化分解或轉(zhuǎn)化。
2、游離氨基酸可合成自身蛋白，可氧化分解放出能量，可轉(zhuǎn)化為糖類或脂類，也可合成其他生物活性物質(zhì)。合成蛋白是主要用途，約占75%，而蛋白質(zhì)提供的能量約占人體所需總能量的10－15%。蛋白質(zhì)的代謝平衡稱氮平衡，一般每天排出5克氮，相當(dāng)于30克蛋白質(zhì)。
合成代謝
蛋白質(zhì)合成代謝是蛋白質(zhì)由氨基酸形成的過程。它依賴于五個過程：氨基酸合成，轉(zhuǎn)錄，翻譯，翻譯后修飾和蛋白質(zhì)折疊。蛋白質(zhì)由氨基酸制成。在人類中，可以使用已經(jīng)存在的中間體合成一些氨基酸。這些氨基酸被稱為非必需氨基酸。必需氨基酸需要人體中不存在的中間體。這些中間體必須攝入，主要是攝食其他生物。
多肽合成
1.轉(zhuǎn)錄
在轉(zhuǎn)錄中，RNA聚合酶讀取DNA鏈并產(chǎn)生可以進(jìn)一步翻譯的mRNA鏈。為了啟動轉(zhuǎn)錄，要轉(zhuǎn)錄的DNA片段必須是可接近的（即它不能緊密包裝）。一旦DNA片段可及，RNA聚合酶就可以通過將RNA核苷酸與模板DNA鏈配對來開始轉(zhuǎn)錄編碼DNA鏈。在初始轉(zhuǎn)錄階段期間，RNA聚合酶在DNA模板鏈上搜索啟動子區(qū)域。一旦RNA聚合酶與該區(qū)域結(jié)合，它就開始以3'至5'方向“讀取”模板DNA鏈。RNA聚合酶附著與模板DNA鏈互補(bǔ)的RNA堿基（將使用尿嘧啶代替胸腺嘧啶）。新的核苷酸堿基共價鍵合。新堿基最終與DNA堿基分離，但保持相互連接，形成新的mRNA鏈。該mRNA鏈以5'至3'方向合成。一旦RNA到達(dá)終止子序列，它就會從DNA模板鏈解離并終止mRNA序列。
通過轉(zhuǎn)錄因子在細(xì)胞中調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄因子是與DNA鏈中的調(diào)節(jié)序列結(jié)合的蛋白質(zhì)，例如啟動子區(qū)域或操縱子區(qū)域。與這些區(qū)域結(jié)合的蛋白質(zhì)可以直接停止或允許RNA聚合酶讀取DNA鏈，或者可以指示其他蛋白質(zhì)停止或允許RNA聚合酶讀取。
2.翻譯
在翻譯過程中，核糖體將mRNA序列（信使RNA）轉(zhuǎn)化為氨基酸序列。每個3堿基對長的mRNA區(qū)段是對應(yīng)于一個氨基酸或終止信號的密碼子。氨基酸可以具有與其對應(yīng)的多個密碼子。核糖體不直接將氨基酸連接至mRNA密碼子。他們也必須利用tRNA（轉(zhuǎn)移RNA）。轉(zhuǎn)移RNA可以與氨基酸結(jié)合并含有可與氫結(jié)合mRNA密碼子的反密碼子。將氨基酸與tRNA結(jié)合的過程稱為tRNA充電。這里，氨基酰基-tRNA合成酶催化兩個反應(yīng)。在第一個中，它將AMP分子（從ATP切割）附著到氨基酸上。第二反應(yīng)裂解氨?；?AMP產(chǎn)生能量以將氨基酸連接至tRNA分子。
核糖體有兩個亞基，一個大，一個小。這些亞基圍繞mRNA鏈。較大的亞基含有三個結(jié)合位點：A（氨基?；琍（肽基）和E（出口）。在翻譯起始后（其在原核生物和真核生物中不同），核糖體進(jìn)入延長期，其遵循重復(fù)循環(huán)。首先，具有正確氨基酸的tRNA進(jìn)入A位點。核糖體將肽從P位點的tRNA轉(zhuǎn)移到A位點的tRNA上的新氨基酸。來自P位點的tRNA將被轉(zhuǎn)移到E位點，在那里它將被彈出。這種情況持續(xù)發(fā)生，直到核糖體到達(dá)終止密碼子或接收到停止的信號。A.肽鍵與P位點中與tRNA連接的氨基酸和與A位點中的tRNA連接的氨基酸形成。肽鍵的形成需要能量輸入。兩個反應(yīng)分子是一個氨基酸的α氨基和另一個氨基酸的α羧基。這種鍵形成的副產(chǎn)物是水的釋放（氨基提供質(zhì)子，而羧基提供羥基）。
翻譯可以下調(diào)的miRNA的（微RNA）。這些RNA鏈可以切割它們互補(bǔ)的mRNA鏈，從而停止翻譯。翻譯也可以通過輔助蛋白進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，稱為真核起始因子-2（eIF-2）的蛋白質(zhì)可以與核糖體的較小亞基結(jié)合，開始翻譯。當(dāng)elF-2被磷酸化時，它不能與核糖體結(jié)合并停止翻譯。
3.翻譯后修飾
一旦肽鏈合成，它仍然必須被修飾。翻譯后修飾可以在蛋白質(zhì)折疊之前或之后發(fā)生。翻譯后修飾肽鏈的常見生物學(xué)方法包括甲基化，磷酸化和二硫鍵形成。甲基化通常發(fā)生于精氨酸或賴氨酸和涉及將甲基的氮（置換氫）。這些氨基酸上的R基團(tuán)可以被甲基化只要與氮的鍵不超過4，就會多次。甲基化降低了這些氨基酸形成氫鍵的能力，因此甲基化的精氨酸和賴氨酸具有與其標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)物不同的性質(zhì)。磷酸化通常發(fā)生在絲氨酸，蘇氨酸和酪氨酸上，并涉及用磷酸基團(tuán)取代R基團(tuán)末端的醇基上的氫。這增加了R基團(tuán)的負(fù)電荷，因此將改變氨基酸與其標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)物相比的行為方式。二硫鍵形成是二硫鍵（共價鍵）的產(chǎn)生）在鏈中的兩個半胱氨酸氨基酸之間，其增加了折疊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
肽鏈的盤曲折疊
4.蛋白質(zhì)折疊
細(xì)胞中的多肽鏈不必保持線性；它可以變成分支或折疊在自身上。多肽鏈以特定方式折疊，這取決于它們所處的溶液。所有氨基酸含有具有不同性質(zhì)的R基團(tuán)的事實是蛋白質(zhì)折疊的主要原因。在諸如胞質(zhì)溶膠的親水環(huán)境中，疏水性氨基酸將集中在蛋白質(zhì)的核心，而親水性氨基酸將在外部。這是熵有利的因為水分子可以比疏水性氨基酸更自由地在親水性氨基酸周圍移動。在疏水環(huán)境中，親水性氨基酸將集中在蛋白質(zhì)的核心，而疏水性氨基酸將在外部。由于親水性氨基酸之間的相互作用強(qiáng)于疏水性-親水性相互作用，因此這在焓方面是有利的。一旦多肽鏈完全折疊，它就被稱為蛋白質(zhì)。盡管存在僅含有一條多肽鏈的生理蛋白，但通常許多亞基將組合形成功能完整的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)還可以結(jié)合其他分子，如血紅素基團(tuán)中的血紅蛋白，一種負(fù)責(zé)攜帶血液中氧氣的蛋白質(zhì)。
分解代謝
酶的蛋白質(zhì)
1.蛋白酶
最初被認(rèn)為僅破壞酶促反應(yīng)，蛋白酶（也稱為肽酶）實際上通過切割幫助分解代謝蛋白質(zhì)并產(chǎn)生之前不存在的新蛋白質(zhì)。蛋白酶也有助于調(diào)節(jié)代謝途徑。他們這樣做的一種方法是在不需要運(yùn)行的途徑中切割酶（即當(dāng)血糖濃度高時糖原異生）。這有助于節(jié)省盡可能多的能量并避免徒勞無功的循環(huán)。當(dāng)分解代謝和合成代謝途徑在相同時間和相同反應(yīng)的速率下都有效時，發(fā)生無效循環(huán)。由于產(chǎn)生的中間體被消耗，因此身體不會產(chǎn)生凈增益。能量通過徒勞的循環(huán)而消失。蛋白酶通過改變其中一種途徑的速率來阻止這種循環(huán)，或者通過切割關(guān)鍵酶，它們可以阻止其中一種途徑。當(dāng)與底物結(jié)合時，蛋白酶也是非特異性的，允許細(xì)胞和其他蛋白質(zhì)內(nèi)的大量多樣性，因為它們可以以能量有效的方式更容易地裂解。
因為許多蛋白酶是非特異性的，它們在細(xì)胞中受到高度調(diào)節(jié)。沒有調(diào)節(jié)，蛋白酶會破壞生理過程中的許多必需蛋白質(zhì)。身體調(diào)節(jié)蛋白酶的一種方法是通過蛋白酶抑制劑。蛋白酶抑制劑可以是其他蛋白質(zhì)，小肽或分子。有兩種類型的蛋白酶抑制劑：可逆和不可逆。可逆蛋白酶抑制劑與限制其功能的蛋白酶形成非共價相互作用。它們可以是競爭性抑制劑，非競爭性抑制劑和非競爭性抑制劑。競爭性抑制劑與肽競爭結(jié)合蛋白酶活性位點。當(dāng)競爭肽結(jié)合時，非競爭性抑制劑與蛋白酶結(jié)合，但不讓蛋白酶切割肽鍵。非競爭性抑制劑可以做到這兩點。不可逆的蛋白酶抑制劑共價修飾蛋白酶的活性位點，因此它不能切割肽。
2.外肽酶
外肽酶是主要通過添加水來切割氨基酸側(cè)鏈末端的酶。這些酶有兩類：氨肽酶和羧肽酶。氨肽酶是從蛋白質(zhì)的氨基末端去除氨基酸的酶。它們存在于所有生命形式中并且對于生存至關(guān)重要，因為它們?yōu)榱吮３址€(wěn)定而執(zhí)行許多細(xì)胞任務(wù)。這種形式的肽酶是鋅金屬酶，它被過渡態(tài)類似物抑制。該模擬類似于實際的過渡狀態(tài)因此它可以使酶與其結(jié)合而不是實際的過渡態(tài)，從而防止底物結(jié)合并降低反應(yīng)速率。羧肽酶在蛋白質(zhì)的羧基末端裂解。雖然它們可以使蛋白質(zhì)分解代謝，但它們更常用于轉(zhuǎn)錄后修飾。
3.內(nèi)肽酶
內(nèi)肽酶是指到內(nèi)部加水酶肽鍵在肽鏈和打破鍵。三種常見的內(nèi)肽酶是胃蛋白酶，胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶。胰凝乳蛋白酶進(jìn)行水解反應(yīng)，在芳香族殘基后裂解。涉及的主要氨基酸是絲氨酸，組氨酸和天冬氨酸。它們都在切割肽鍵中起作用。這三種氨基酸被稱為催化三聯(lián)體，這意味著這三種氨基酸必須全部存在才能正常發(fā)揮作用。胰蛋白酶在長的帶正電荷的殘基后切割，并在活性位點具有帶負(fù)電荷的結(jié)合口袋。兩者都作為酶原產(chǎn)生，意味著它們最初以其無活性狀態(tài)存在，并且在通過水解反應(yīng)裂解后，它們被激活。非共價相互作用，如肽骨架和催化三聯(lián)體之間的氫鍵有助于提高反應(yīng)速率，使這些肽酶有效地切割許多肽。
環(huán)境變化
1.pH
細(xì)胞蛋白質(zhì)保持在相對恒定的pH中，以防止氨基酸質(zhì)子化狀態(tài)的變化。如果pH下降，如果其R基團(tuán)的pka高于新的pH，則多肽鏈中的一些氨基酸可以質(zhì)子化。質(zhì)子化可以改變這些R基團(tuán)的電荷。如果pH升高，鏈中的一些氨基酸可以去質(zhì)子化（如果R基團(tuán)的pka低于新的pH）。這也改變了R組的費(fèi)用。由于許多氨基酸基于靜電吸引力與其他氨基酸相互作用，改變電荷可以打破這些相互作用。這些相互作用的喪失改變了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，但最重要的是它改變了蛋白質(zhì)功能，這可能是有益的或有害的。pH的顯著變化甚至可以破壞氨基酸產(chǎn)生的許多相互作用并使蛋白質(zhì)變性（展開）。
2.溫度
隨著環(huán)境溫度的升高，分子移動得更快。氫鍵和疏水相互作用是蛋白質(zhì)中重要的穩(wěn)定力。如果溫度升高并且含有這些相互作用的分子移動得太快，則相互作用會受到損害甚至破壞。在高溫下，不能形成這些相互作用，并且功能性蛋白質(zhì)變性。但是，它依賴于兩個因素;使用的蛋白質(zhì)類型和施加的熱量。施加的熱量決定了蛋白質(zhì)的這種變化是永久性的還是可以轉(zhuǎn)變回其原始形式。
消化過程
降解蛋白
營養(yǎng)吸收
2、基團(tuán)轉(zhuǎn)運(yùn)，需要谷胱甘肽，每轉(zhuǎn)運(yùn)一個氨基酸消耗3個ATP，而用載體轉(zhuǎn)運(yùn)只需三分之一個。此途徑為備用的旁路，一般無用。
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