氨基酸合成

nullnull10 氨基酸生物合成 10.1 氮素循环 10.2 生物固氮的生物化学 10.3 硝酸还原作用 10.4 氨的同化 10.5 氨基酸的生物合成null10.1 氮素循环 氮素是生物的必需元素之一。在生命活动中起重要作用的化合物，如蛋白质、核酸、酶、某些激素和维生素、叶绿素和血红素等均含有氮元素。因此，在动、植物和微生物的生命活动中氮素起着极其重要的作用，整个生物界在生长发育的全部过程中都进行着氮素代谢。null自然界中的不同氮化物经常发生互相转化，形成一个氮素循环(nitrogen cycle)。生物界的氮代谢是自然界氮循环的主要因素。在自然界氮循环中，还包括工业固氮和大气固氮(如闪电)等把N2转变为氨和硝酸盐的过程。nullnull10.2 生物固氮的生物化学 10.2.1 生物固氮的概念 生物固氮(biological nitrogen fixation)是微生物、藻类和与高等植物共生的微生物通过自身的固氮酶复合物把分子氮变成氨的过程。 自然界通过生物固氮的量可达每年1011kg，约占地球上的固氮量的60％，闪电和紫外辐射固定氮约15％，其余为工业固氮。null氮气中的N≡N键十分稳定，1910年Fritz Haber提出的作用条件在工业氮肥生产中一直沿用至今。500℃高温和30MPa条件下，用铁做催化剂使H2还原N2成氨。 N2+3H2＝2NH3 固氮能量耗费大，而且会污染环境，因此大力发展生物固氮对增加农作物氮肥来源有重大意义。null生物固氮是在常温常压条件下，在生物体内由酶催化进行。 目前国内外对生物固氮的生化过程及机理正在积极开展研究，在了解了固氮机理之后，就可以人工模拟，以节省能源，减少污染，开拓作物肥源。可以通过基因工程使非固氮生物转化为固氮生物。null10.2.2 固氮生物的类型 目前已发现的固氮生物近50个属，包括细菌、放线菌和蓝细菌，根据固氮微生物与高等植物和其他生物的关系，可分为自生固氮微生物和共生固氮微生物两类。10.2.2.1 自生固氮微生物(diazatrophs) 自生固氮微生物是指独立生活时能使气态氮固定为NH3的少数微生物。 固氮有两种方式： ①利用光能还原氮气。如鱼腥藻(Anabaena)、念球藻(Nostoc)，固氮过程与还原CO2类似。 null10.2.2.1 自生固氮微生物(diazatrophs) 自生固氮微生物是指独立生活时能使气态氮固定为NH3的少数微生物。 固氮有两种方式： ①利用光能还原氮气。如鱼腥藻(Anabaena)、念球藻(Nostoc)，固氮过程与还原CO2类似。null大多数固氮蓝藻均有厚壁的异型细胞(heterocyst)，在异型细胞中不含PSⅡ的色素，因此照光时不放氧。固氮是在异型细胞里进行，因为固氮过程要求无氧条件。 另一些微生物如红螺菌(Rhodospirillum)、红色极毛杆菌(Rhodopseudomonas)、绿杆菌(Chloroblium)等也能利用光能从硫、硫化物、氢或有机物取得电子进行固氮。②利用化学能固氮。如好气性固氮菌(Azotobacter)、贝氏固氮菌(Bciierinckia)及厌气的巴斯德梭菌(Clostridium pasteurzanum)和克氏杆菌(Klebsiella)等。 null10.2.2.2 共生固氮微生物 如与豆科植物共生固氮的根瘤菌(Rhizobium)，其专一性强，不同的菌株只能感染一定的植物，形成共生的根瘤。 在根瘤中植物为固氮菌提供碳源，而细菌利用植物提供的能源固氮，为植物提供氮源，形成一个很好的互利共生体系。null共生固氮null10.2.3 固氮酶复合物 生物固氮过程由固氮酶复合物完成。固氮酶复合物由还原酶和固氮酶组成。 ①还原酶 还原酶也称铁蛋白，提供具有高还原势的电子，它是由两个相同亚基组成的二聚体，相对分子质量为64 000，也是一个铁硫蛋白，含有一个[Fe4S4]簇，每次可传递一个电子。此外，还有2个ATP结合位点。null②固氮酶 固氮酶也称钼铁蛋白，利用还原酶提供的高能电子还原N2成NH4+。它是由2个亚基和2个亚基组成的四聚体，相对分子质量为220000。其氧化还原中心含有2个钼原子、32个铁原子和相应数目的酸不稳定硫。 由还原酶向固氮酶的电子传递与还原酶上的ATP水解相偶联，由N2到NH3的还原过程需6个电子： N2+6e+6H+=2NH3null在N2还原过程中还形成H2，因此，N2固定过程的反应为： N2+8 e+8H+→NH3+H2 8个高能电子来自Fdred，Fdred的电子来自PSI或呼吸电子传递链。null生物固氮的总反应为： N2+8e+16ATP+16H2O+8H+→2NH3+H2+ 16ADP+16Pi 由反应式可见固氮过程消耗能量非常多，共有16个ATP被水解。10.2.4 生物固氮所需的条件 固氮酶催化的反应需要满足： ①充分的ATP供应。豌豆根系固氮细菌消耗植株ATP产量的近1/5； ②需要很强的还原剂。高还原势电子来自Fdred，其是光合链的电子载体。 Fd的再生或来自光合作用，或来自氧化过程； null③需要厌氧环境，因氮酶对氧十分敏感，只有在严格的厌氧条件下才能固氮。因此，对好气细菌来说必须有严格的防氧机制以使酶不被氧伤害。 在豆科植物根瘤中，豆血红蛋白起着降低氧浓度以保护固氮酶的作用。豆血红蛋白(1eghemoglobin)为一共生合成蛋白，其珠蛋白部分由植物合成，而血红素基团由根瘤菌(Rhizohium)合成，其对O2有很高的亲和力。null10.2.5 固氮过程的氢代谢 固氮过程常伴随有氢代谢，氢代谢比较复杂，主要包括以下内容： ①固氮酶的放氢反应 由固氮总反应式可见，固氮酶不仅还原氮，也还原H+形成出H2，反应需要ATP，CO不能抑制。 N2+8e+16ATP+16H2O+8H+→2NH3+H2+ 16ADP+16Pinull②氢酶的放氢反应 许多固氮生物均含有氢酶。氢酶也是一种铁硫蛋白，从巴斯德梭菌分离出的氢酶含有4个铁原子和4个硫原子，相对分子质量60000，氢酶催化可逆反应： 2Fdred+2H+=2Fdox+H2 可逆性氢酶既可催化氢的电子传给Fd，作为还原氮的电子供体，又可催化H+接受Fdred的电子形成氢，以消除过剩的还原力，保证细胞生理活动的正常进行。反应不需ATP，但受CO抑制。 null③吸氢酶催化H2的氧化作用 吸氢酶能以O2作为末端正电子受体进行羟基化反应，产物为H2O，并伴有ATP生成，反应受KCN抑制。氢的氧化不但提供了能量，而且由于消耗了O2，保护了固氮酶。同时由于固氮酶形成的H2对其有抑制作用，吸氢酶的吸氢还可以防止对固氮酶的抑制作用。null10.3 硝酸还原作用 植物体所需要的氮素营养除了来自生物固氮外，绝大部分是来自土壤中的氮素，主要有硝酸盐(NO3)，亚硝酸盐(NO2)以及铵盐(NH4+)。它们通过根系进入植物细胞。植物最易吸收硝态氮。 硝态氮必须被还原为氨态氮。才能被植物体利用。氮素由硝酸态氮转变成氨的过程称为代谢还原或成氨作用。 在成氨作用过程中，氮的化合价变化是： null植物体内由硝酸还原成氨的总反应式： NO3+9H++8e→NH3+3H2O 这一还原过程是在硝酸还原酶和亚硝酸还原酶的催化下分步进行的。 硝酸盐的还原，在植物的根和叶内都可以进行，但以叶内还原为主。在种子萌发的早期，或在缺氧条件下根部还原为主。null10.3.1 硝酸还原酶 硝酸还原酶的作用是把硝酸盐还原成亚硝酸盐。 硝酸还原酶广泛存在于高等植物、藻类、细菌和酵母中。在植物的绿色组织中该酶的活性较大。根据还原反应中电子供体的不同可分为两个类型。 null 10.3.1.1 Fd-硝酸还原酶 此类硝酸还原酶以铁氧还蛋白作为电子供体。还原过程可简单表示为： NO3+2Fdred+2H+→NO2+Fdox+H2O 此酶存在于蓝绿藻、光合细菌和化能合成细菌中。从组囊藻属(Anacystis)分离出的硝酸还原酶是一种含钼的蛋白质，只有一条多肽链，相对分子质量为75000，不含黄素蛋白和细胞色素。null10.3.1.2 NAD(P)H-硝酸还原酶 这类硝酸还原酶以NADH或NADPH为电子供体，它存在于真菌、绿藻和高等植物中。 按其对电子供体的专一性要求又可区分为对NADH专一的、对NAD(P)H专一的以及对NADH和NAD(P)H都可利用的硝酸还原酶。 催化反应： NO3+NAD(P)H +H+→NO2+ NAD(P )++H2OnullNAD(P)H-硝酸还原酶为寡聚蛋白，所含亚基数因植物而异。它是以FAD、细胞色素b-557和钼为电子传递体。电子从NAD(P)H传递到NO3。 null10.3.1.3 硝酸还原酶是诱导酶 当将水稻幼苗培养在含硝酸盐的溶液中时，幼苗体内便诱导形成硝酸还原酶；若用不含硝酸盐的培养液时，则幼苗内不含硝酸还原酶。同样在土壤中增施硝酸盐氮肥时，往往测到作物体内硝酸还原酶的活性增高，作物蛋白质含量也随之而增加。光照对硝酸还原酶活性有很大影响，酶活性随光照强度增大而升高，在遮荫或黑暗中则活性减小，原因在于光合产物的氧化为NO3还原提供所需的NADH及还原型Fd。 null10.3.2 亚硝酸还原酶 在植物细胞内，硝酸还原生成的亚硝酸在亚硝酸还原酶的催化下，进一步还原成氨： NO2+7H++6e→NH3+2H2O 从高等植物和绿藻中分离出的亚硝酸还原酶是一条多肽链，相对分子质量约为60000～70000，它的辅基是一种铁卟啉的衍生物，分子中还有一个Fe4S4中心，起电子传递作用。null亚硝酸还原酶存在于绿色组织的叶绿体中，它的直接电子供体是铁氧还蛋白。光合作用的非环式光合磷酸化可为亚硝酸还原酶提供还原态的铁氧还蛋白。结合在铁卟啉衍生物辅基上的亚硝酸离子，可直接被还原型铁氧还蛋白还原成氨。 在铁氧还蛋白-NADPH还原酶的作用下，也可将氧化态的铁氧还蛋白转变为还原型。nullnull光照对亚硝酸还原有促进作用，可能与照光时生成还原态的铁氧还蛋白有关。 当植物缺铁时，亚硝酸的还原即受阻，可能与铁氧还蛋白及铁卟啉衍生物的合成减少有关。亚硝酸还原时需要氧，因而在厌氧条件下，亚硝酸的还原会受到阻碍。 null10.4 氨的同化 10.4.1 谷氨酸合成 在氮素循环中，生物固氮和硝酸盐还原形成了无机态NH3，进一步NH3便被同化转变成含氮有机化合物。所有生物都通过谷氨酸脱氢酶(glutamate dehydrogenase)或谷氨酰胺合成酶(glutamin synthetase)催化形成谷氨酸和谷氨酰胺的方式同化氨。谷氨酸和谷氨酰胺中的氮可通过进一步生化反应形成其他有机含氮化合物，因此谷氨酸和谷氨酰胺在氮素合成代谢中起关键作用。 null10.4.1.1 谷氨酰胺合成酶 谷氨酰胺合成酶催化谷氨酸和氨反应形成谷氨酰胺，此酶对NH3有高亲和性，完成反应还需ATP水解提供的能量。null形成谷氨酰胺既是氨同化的一种方式，又可消除过高氨浓度带来的毒害，还可作为氨的供体，用于谷氨酸的合成。null-酮戊二酸来源于TCA的中间产物，还原剂为NADPH或还原态铁氧还蛋白。催化此反应的酶为谷氨酸合酶(glutamate synthase)，与合成酶(synthetase)不同的是，它不需要ATP。 在谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶的共同作用下，可由1分子氨和1分子-酮戊二酸净合成1分子谷氨酸。 null10.4.1.2谷氨酸脱氢酶 谷氨酸还可在谷氨酸脱氢酶(glutamate dehydrogenase)催化下，使-酮戊二酸通过还原性氨基化形成。null谷氨酸脱氢酶存在于所有生物体内，它主要参与氨基酸的降解代谢。因为谷氨酰胺合成酶较谷氨酸脱氢酶的Km(NH3)低得多，因此通常当生物体细胞的氨水平低时，谷氨酸脱氢酶在与谷氨酰胺合成酶竞争时不起主要作用。 生物体内谷氨酸主要是通过谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶这条双酶途径合成的。null10.4.2 氨甲酰磷酸的合成 同化氨的另一途径是氨甲酰磷酸的形成：有2种酶能够催化NH3、CO2、ATP共同作用合成氨甲酰磷酸。 在氨甲酰激酶催化下：null氨甲酰磷酸合成酶催化的反应 在植物体内，氨甲酰磷酸中的氨基来自谷氨酰胺而不是氨。null10.5 氨基酸的生物合成 10.5.1氨基酸的合成与转氨基作用 生物机体内各种转氨酶催化的反应都是可逆的，所以转氨基过程既发生在氨基酸分解过程，也发生在氨基酸合成。反应方向与当时细胞中具体代谢的需要有关。null转氨酶广泛存在于动植物体内。许多氨基酸都可作为氨基的供体，其中最重要的是谷氨酸，它可由-酮戊二酸与无机态氨合成，然后，再通过转氨基作用转给其他-酮酸合成相应的氨基酸。这样，谷氨酸便作为氨基的转换站。各种-酮酸主要来自糖代谢，因而-酮酸的还原性氨基化作用与转氨基作用就成为糖代谢与氨基酸、蛋白质代谢密切联系的一种重要方式。 nullnull10.5.2 各族氨基酸的合成 动植物和微生物的氨基酸合成可能具有相同的途径。植物和微生物能合成所有氨基酸，而动物只能合成非必需氨基酸。 根据氨基酸合成的碳架来源不同，可将氨基酸分为若干族。在每一族里的几种氨基酸都有共同的碳架来源。①丙氨酸族 丙氨酸族包括丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸。 它们的共同碳架来源是糖酵解生成的丙酮酸。 nullnull②丝氨酸族 包括丝氨酸、甘氨酸和半胱氨酸。 由光呼吸乙醇酸途径形成的乙醛酸经转氨作用可生成甘氨酸，甘氨酸还可缩合为丝氨酸。丝氨酸还有其他合成途径： 磷酸化途径：丝氨酸的碳架来自糖酵解中间产物3-磷酸甘油酸(PGA)。3-磷酸甘油酸经脱氢、转氨、脱磷酸生成丝氨酸。 非磷酸化途径：3-磷酸甘油酸脱去磷酸生成甘油酸，再经氧化、转氨而生成丝氨酸。 nullnullnull由丝氨酸转变成半胱氨酸null半胱氨酸的一SH来自硫酸盐还原中间物null③谷氨酸族 谷氨酸族的氨基酸有谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸和精氨酸。 它们的碳架都是来自TCA的中间产物-酮戊二酸。 关于谷氨酸及其酰胺的合成过程，前面已进行了叙述，谷氨酸转变为脯氨酸和精氨酸的反应如下。nullnull这一族几种氨基酸的合成关系如下④天冬氨酸族 天冬氨酸族包括天冬氨酸、天冬酰胺、赖氨酸、苏氨酸、异亮氨酸和蛋氨酸。 它们的碳架都来自TCA中的草酰乙酸或延胡索酸。 null天冬氨酸及其酰胺的合成 天冬氨酸可由草酰乙酸和谷氨酸经转氨基作用而生成：null在某些植物体内，也可通过类似于-酮戊二酸的还原性氨基化反应，使草酰乙酸与谷酰胺直接作用，生成天冬氨酸。 在微生物体内，天冬酰胺的合成是在天冬酰胺合成酶催化下进行的。null在某些高等植物中，天冬酰胺合成酶以谷氨酰胺为氨基供体。由天冬氨酸可以转变为赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸和异亮氨酸，这些反应过程都非常复杂冗长。 nullnullnull天冬氨酸族生物合成null⑤组氨酸和芳香氨基酸族 包括组氨酸、酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸。 组氨酸的合成过程较复杂，它的碳架主要来自磷酸戊糖途径的中间产物核糖-5-磷酸。另外还有ATP、谷氨酸和谷氨酰胺的参与。nullnull芳香氨基酸的碳架来自磷酸戊糖途径的中间产物4-磷酸赤藓糖和糖酵解的中间产物磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)。这两者化合后经几步反应生成莽草酸(shkimkadd)，再由莽草酸生成芳香氨基酸和其他多种芳香族化合物，称为莽草酸途径。nullnull氨基酸的生物合成中的碳架均来自呼吸作用或光呼吸作用的中间产物，经一系列不同的反应，生成相应的酮酸，最后经转氨作用而形成相应的氨基酸。nullnull10.5.3 一碳基团代谢 ①一碳基团的概念及生物学意义 在代谢过程中，某些化合物可以分解产生具有一个碳原子的基团，称为“一碳基团”或“一碳单位”。 在一碳基团转移过程中起辅酶作用的是四氢叶酸(FH4)。在专一性的一碳基团转移酶作用下，携带着一碳基团的四氢叶酸可将其一碳基团转移给其他化合物。另外，S-腺苷甲硫氨酸也是重要的活化甲基供体。null常见的一碳基团： 亚氨甲基 CH=NH 甲酰基  CHO 甲基  CH3 羟甲基  CH2OH 亚甲基  CH2  次甲基  CH=null一碳基团的转移除与许多氨基酸的代谢有直接关系外，还参与嘌呤和胸腺嘧啶的生物合成；生物体内许多活性物质，如肌酸、卵磷脂、S-腺苷蛋氨酸等的生物合成，都和一碳基团的转移有关。这些化合物中都含有活性甲基。 ②一碳基团和氨基酸代谢 许多氨基酸都和一碳基团有关。如甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、组氨酸等，都可作为一碳基团的供体。 例如，甘氨酸经脱氨基作用，生成乙醛酸，即可在酶的催化下，与四氢叶酸反应，生成N5，N10=CH-FH4。 null丝氨酸既可直接与FH4作用形成一碳基团，又可通过甘氨酸途径形成N5，N10=CH-FH4。null一碳基团的来源与转变可以总结null10.5.4 SO42还原 半胱氨酸的合成反应中，有硫化物 的参与，此处的硫化物是由硫酸还原而成的，与硝酸的还原相类似。在细菌、藻类和高等植物中均存在着硫酸盐的还原过程。植物由外界吸收的硫酸盐(SO4)先经活化，然后被还原。null 活化分两步进行：①硫酸离子在ATP硫酸化酶催化下与ATP反应，生成腺苷酰硫酸(APS)；②APS在相应的激酶催化下，在3-位形成磷酸酯，即磷酸腺苷酰硫酸(PAPS)。APS(或PAPS，视不同生物而异)的还原可以有不同途径，在小球澡和高等植物内，APS将其硫酰基转移给一个含巯基的载体，再被铁氧还蛋白还原成载体-S-SH，即可用于合成半胱氨酸。 null