《含氮化合物代谢》PPT课件.ppt

第十二章 含氮化合物代谢,第一节 氨基酸的分解代谢,细胞内蛋白,NH3,TCA,CO2+H2O,葡萄糖,食物蛋白,消化,内切外切酶,脂肪酸,尿素,铵盐,酰胺,一、氨基酸的分解与转化共同途径,氨基酸,核苷酸,-酮酸,蛋白酶,(二)脱羧基作用,(一)脱氨基作用,2. 非氧化脱氨基,3. 转氨基作用,(三)分解产物的去路,1. 氧化脱氨基,1、氨的去路,2. 酮酸的去路,3. 胺的去路,4.氨基酸与一碳单位,4、联合脱氨基作用,(decarboxylation),( deamination),氧化脱氨基酶,氧化脱氨基,广泛存在，活性高，最适pH值为7，辅助因子NAD+或NADP+，只催化L-谷氨酸脱氢，不需氧，产物为-酮酸、NH4+，NADH或NADPH。,(oxidative deamination),L-氨基酸氧化酶 (FAD或FMN人),最适pH为10，生理pH条件下活性不高，仅作用L-氨 基酸，需氧，产物-酮酸、氨和H2O2不是脱氨基主 要方式。,D-氨基酸氧化酶,分布广活性高，仅作用D-氨基酸，需氧，产物-酮酸、氨和H2O2但生物体的氨基酸主要由L-氨基酸组成，该E对生物无重要意义。,L-谷氨酸脱氢酶,-酮酸,NAD(P)+,NADPH+H+,氨基酸氧化酶,H2O,NH3,氨基酸,(自发进行),酶主要特征作用特点,glutamate dehydrogenase,D-amino acid oxidses,NAD+,NADH+H+,谷氨酸脱氢酶,+ NH4+,L-谷氨酸,-酮戊二酸,脊椎动物的谷氨酸脱氢酶(GDH)由6个相同亚基组成，而野生植物(拟南芥和玉米)谷氨酸脱氢酶凝胶电泳(PAGE)指纹显示两种不同的亚基(GDH1,GDH2)，但每个GDH仍然含6个亚基。,拟南芥和玉米中GDH同工酶：,(GDH1)6 (GDH1)5 :(GDH2)1 (GDH1)4:(GDH2)2,(GDH1)3:(GDH2)3 (GDH1)2:(GDH2)4 (GDH1)1:(GDH2)5,GDH属于典型的多亚基、变构酶：均受GTP，ATP和NADH的别构抑制，而受GDP和ADP别构激活。,2. 非氧化脱氨基,包括：还原脱氨基、水解脱氨基、脱水脱氨基、硫解脱氨基裂解脱氨基,还原脱氨基,水解脱氨基,裂解脱氨基,非氧化脱氨基作用多数存在微生物中,3. 转氨基作用,常见的有谷草转氨酶和谷丙转氨酶,氨基酸转氨酶德辅酶为磷酸吡哆醛 ，酶活性中心反应历程为:,+,+,+,(aminotransferation),+,4. 联合脱氨基作用分两种情况,NADH + H+NH3,NAD+H2O,谷氨酸 脱氢酶,转氨酶,转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶组成的脱氨基作用，广泛存在于动植物和微生物中。,(NADPH + H+NH3),(NADP+ +H2O),转氨基作用的特点：,已经发现50多种;广泛存在动植物和微生物细胞质及线粒体中;既能使-酮酸与-氨基酸相互转变，平衡库中各种氨基酸，又是必需氨基酸合成重要途径。,腺嘌呤核苷酸循环的联合脱氨基作用,-氨基酸,-酮戊二酸,天门冬氨酸,草酰乙酸,GOT,-酮酸,谷氨酸,转氨酶,腺苷酸代琥珀酸,IMP,延胡索酸,AMP,苹果酸,H2O,腺苷酸 脱氨酶,NH3,腺嘌呤核苷酸循环的联合脱氨基作用仅限于骨骼肌、心肌组织细胞的脱氨基方式，而不是通过联合脱氨基的方式进行。原因是这两种组织中的谷氨酸脱氢酶含量较少活性低,(二)脱羧基作用,胺,组胺,-氨基丁酸,使血管舒张，降低血压，医学认为，过敏性鼻炎患者是因为体内组氨产生过多，引起鼻道毛细血管扩张，增加分泌，鼻涕较多之故。,中枢神经系统传导递质,氨基酸脱羧基后，产物为有机胺，多数具有很强的生理活性如：赖氨酸戊二胺(尸胺)，组氨酸组胺，酪氨酸酪胺；这些胺都具有强烈的生理作用，如组胺可降低血压，酪胺可升高血压等 。富含蛋白类食物腐败后产生胺类物质，误食会引起食物中毒-恶心、头晕、萎靡不振，严重者死亡。,(三)氨基酸分解产物的去路,(1)形成尿素(鸟氨酸循环)； (2)生成NH4+， (3)生成酰胺 ； (4)合成其他含氮化合物 (5)重新合成氨基酸。,1.氨的去路,细胞质,氨甲酰磷酸,CO2+NH3,2ADP+Pi,2ATP,鸟氨酸,瓜氨酸,Pi,鸟氨酸,瓜氨酸,ATP,AMP+PPi,天冬氨酸,精氨代琥珀酸合酶,+H2O,鸟氨酸循环,精氨酸,延胡索酸,酶？,酶？,精氨代琥珀酸,鸟氨酸循环的特点和生物学意义：,该循环又成为Krebs-尿素循环，特点为：,a.循环从瓜氨酸合成开始，前两步反应在线粒体中进行，后三步在细胞液中进行；,b.整个过程中有4种氨基酸参与：精氨酸、天冬氨酸、瓜氨酸和鸟氨酸；,c.每合成1分子尿素消耗3分子ATP，4个高能键；尿素分子中两个酰胺基，一个来自NH3，另一个来自天冬氨酸。NH3的固定发生在线粒体中。,d.反应过程的酶主要有：氨甲酰磷酸合成酶，氨甲酰磷酸转移酶、精氨琥珀酸合成酶、精氨酸裂解酶；,鸟氨酸循环主要发生部位是动物肝脏，尿素最后通过尿液排泄，有利于解除NH3的毒性，同时伴随CO2排出；在少数植物中，如马勃、洋蕈等也能合成尿素，以解除NH3 毒性，因为高浓度的NH3 是解联剂。,生物学意义：,2. 氨基酸碳架-酮酸的去路,苯丙氨酸 酪氨酸 赖氨酸 亮氨酸 色氨酸,丙氨酸 苏氨酸 甘氨酸 丝氨酸 半胱氨酸,丙酮酸,苯丙氨酸 酪氨酸,天冬氨酸 天冬酰胺,异亮氨酸 蛋氨酸 缬氨酸,谷氨酸,精氨酸 组氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺,柠檬酸,草酰乙酸,琥珀酰CoA,-酮戊二酸,乙酰CoA,乙酰乙酰CoA,延胡索酸,(1)氧化分解,CO2,NADH/FADH2,(2)再合成氨基酸,(3)生成糖或脂生糖氨基酸、生酮氨基酸,NAD+,NADH+H+,NADP+,NADPH+H+,NH4+,L-谷氨酸,-酮戊二酸,谷氨酸 脱氢酶,转氨酶,丙酮酸 草酰乙酸,丙氨酸 天冬氨酸,氨基酸,脱氨基,-酮酸,糖异生途径,糖,糖异生途径,丙酮酸,葡萄糖,G-6-P,F-6-P,F-1,6-2P,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,1,3-二磷酸甘油酸,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油醛,PEP,6-磷酸葡萄糖酶,果糖二磷酸酶,乳酸,线粒体,丙酮酸,草酰乙酸,苹果酸,苹果酸,草酰乙酸,ADP+Pi,CO2+ATP+H2O,NADH,NAD+,NADH,NAD+,GTP,GDP+Pi,CO2,天冬氨酸,Ala,糖酵解途径,氨基酸脱氨基产生的-酮酸，能够转变成丙酮酸、乙酰CoA或TCA中间产物，进而生成糖或脂肪。大多数氨基酸可以使尿液中糖含量增加，少数几种可使葡萄糖和酮体的含量同时增加，而亮氨酸只能使酮体增加。,氨基酸脱氨后的 -酮酸能沿糖异生途径能够转变成糖氨基酸称为生糖氨基酸，能够生成酮体的，并按照脂肪酸代谢途径分解的称为生酮氨基酸。既能生成糖，又能生成酮体的称为生糖兼生酮氨基酸。,生糖与生酮氨基酸,3. 胺的去路,(2)转化为其它含氮化合物。胺可转化为生物碱、生长刺激素等等。如色氨酸经脱氨基后可生成植物生长激素吲哚乙酸。,(1)氧化,二、个别氨基酸的分解代谢,(一)甘氨酸的分解代谢,1.脱氨基作用,甘氨酸氧化酶,FAD,FADH2,H2O,NH3,-酮戊二酸,HCOOH,甲酸,氧化脱羧,CO2,氧化,谷氨酸,甘氨酸氨 基转移酶,转氨酶,-酮酸,-氨基酸,酪氨酸,2.转变其他化合物,甘氨酸,丝氨酸 甘氨胆酸 马尿酸 血红蛋白 乙醇胺 胆碱 肌酸 嘌呤,谷胱甘肽,GSH,GSSG,谷氨酰-半胱氨酸合成酶,谷胱甘肽合成酶,Glu+Cys+2ATP,2ADP+2Pi,(二)芳香族氨基酸的分解代谢,DOPA,多巴,多巴胺,去甲肾上腺素,肾上腺素,+1/2O2,CO2,酪氨酸酶,黑色素,-酮戊二酸,谷氨酸,转氨酶,CO2,色氨酸,吲哚丙酮酸,吲哚乙酸,CO2,氧化,植物生长素促进高等植物发育激素之一。,色胺,第二节 氨基酸的生物合成,一、氮素循环,氮素：蛋白质、核酸、酶、部分激素(吲哚乙酸、胰岛素)、维生素(VitB1B2B3B5B6)、叶绿素和血红素元素组份。因此对于动植物十分重要。,N2大量存在空气中，但是动植物不能直接利用。生态系统中的初级生产者-植物所必需的铵盐、硝态盐在自然界为数不多，限制生物的发展。只有将分子态氮进行转化和循环，才能满足植物体对氮素营养需要。,硝酸还原作用,NO3-,NO2-,NH4+,NO2-,NO,N2O,N2,硝化作用,反硝化作用,固氮作用,氨基作用化,有机态氮,生物固氮占2/3,工业固氮占1/3,氮素循环,二、生物固氮,生物固氮固氮酶的组成：有两种成分，即铁蛋白和钼铁蛋白，二者均为铁硫蛋白，其中铁蛋白的功能是接受供电子体的电子并转移给钼铁蛋白，钼铁蛋白的功能是直接还原氮。供电子体是NADPH。该过程每还原1N2消耗大量12ATP。,生物固氮机理,氧化态 Fdox,还原态 Fdred,3 NADPH+ H+,3 NADP+,铁氧还蛋白,12 ATP,12 ADP+ Pi,固氮酶,N2,2 NH3,铁蛋白,钼铁蛋白,固氮酶作用特点：,b.固氮需要ATP供能；,a.需要严格的厌氧环境；,c.需要较多的NADPH作还原；,d.需要钼和铁元素。,分为两步：第一步硝酸还原酶催化NO3还原为NO2，第二步亚硝酸还原酶催化NO2还原为NH3。,三、硝酸还原,NiR,RN催化硝酸根还原的电子供体为NADPH或NADH(高等植物、真菌、蓝藻)。过程示意如下：,NAD(P)H,NAD(P)+,FAD,FADH2,2Cytb557red,2Cytb557ox,2Mn6+,2Mn6+,硝酸还原酶,NR,NO3,NO2 + H2O,亚硝酸还原酶作用时电子供体为还原态铁氧还蛋白：,2Fd-Fe3+,2Fd-Fe2+,光合环式磷酸化,NO2,NADP+,NADPH,NH4+,叶片,白质体,是指将氨转化为有机物中的氮的过程氨的同化有三条途径,(2)谷氨酸脱氢酶途径,四、氨的同化作用,(1)氨甲酰磷酸合成酶(CPSI),(见鸟氨酸循环),(3)谷氨酰胺合成酶,(glutamine synthetase,GS),+NH3,谷氨酸,谷氨酰胺,ATP,ADP+Pi,谷氨酰胺合成酶,-酮戊二酸,谷氨酰胺,+,2,谷氨酸合成酶,谷氨酸,NAD(P)H+H+ NAD(P)+,五、氨基酸的生物合成,2. 个别氨基酸的代谢,磷酸戊糖途径,4-磷酸赤藓糖,4-磷酸核糖,组氨酸,色氨酸,酪氨酸,苯丙氨酸,谷氨酸,脯氨酸 精氨酸 谷氨(NH2),丝氨酸,甘氨酸 半胱氨酸,天冬氨酸,天冬酰氨 赖氨酸 蛋氨酸 苏氨酸 异亮氨酸,葡萄糖,3-磷酸甘油酸,PEP,丙酮酸,-酮戊二酸,草酰乙酸,1. 转氨作用,六、氨基酸与一碳单位,概念：一碳单位是指仅含一个碳原子的基团。一碳单位可来源于甘氨酸、苏氨酸、丝氨酸、组氨酸等，即在一碳单位转移酶催化下由四氢叶酸(FH4)携带一碳单位，从一种化合物转移到另一种化合物，进而合成生物活性物质，如腺嘌呤等。,FH4,一碳基团 转移酶,HCOOH,FH4携带甲基的部位是N5 ，N10位,N5N10=CH-FH4+H2O,(四氢叶酸),第三节核苷酸分解代谢,核苷酸是核酸的基本组成单位，是生物体一类重要的生物小分子化学成分。几乎所有化学反应中，核苷酸都起着重要作用，主要表现在：,合成DNA、RNA的前体； UDPG、ADPG是葡萄糖残基的供体，用于合成多糖； CDP-甘油二脂、S-腺苷甲硫氨酸参与磷脂的合成； ATP生成与利用是生物能的生成、储存、转运的中心； NAD+NADP+HSCoAFADFMN都是腺苷酸的衍生物； cAMPcGMP分别是ATP、GTP转变的重要第二信使； GTP是生物大分子移位反应的主要驱动力。,(自习为主，课堂不讲),1、核酸酶(nuclease),水解核酸中的磷酸二酯键的酶称为核酸酶(nuclease)。根据分解底物的不同可分为：DNA酶(deoxyribonuclease,DNAase)和RNA酶(ribonuclease,RNAase)。按水解方式有：核酸内切酶(endonuclease)和核酸外切酶(exonuclease)；按酶专一性有:随机水解酶和限制性内切酶；,特异性酶:限制性内切酶：可识别DNA上的专一性位点，其碱基长度是48个碱基，将两条链同时切开，可形成粘性末端(如EcoRI)或平末端(如HaeIII)，在基因工程中它们就象一流外科大夫手中的手术刀。,一、核酸的酶促降解,EcoRI,HaeIII,粘性末端,平末端,催化水解多核苷酸内部的磷酸二酯键非特异性核酸酶：可水解DNA和RNA，产物为3-磷酸寡聚核苷酸(小球菌核酸酶)或5-磷酸寡聚核苷酸(链孢霉菌核酸酶)。,脱氧核糖核酸酶：水解DNA的磷酸二酯键，产物为3-磷酸寡聚核苷酸(牛胰脱氧核糖核酸酶)或5-磷酸寡聚核苷酸(牛脾核糖核酸酶)。,核酸外切酶,水解DNA和RNA 3或5末端的磷酸二酯键，如蛇毒磷酸二酯酶从底物的3-端逐个水解下5-核苷酸，牛脾磷酸二酯酶从底物的5-端逐个水解下3-核苷酸。,核酸内切酶,碱基降解是复杂的过程，在不同的生物其降解过程也不同。,核苷+ H2O,核苷酶,磷酸解,核苷+磷酸,核苷磷酸化酶,嘌呤碱+嘧啶碱+戊糖,含氮碱+1-磷酸-戊糖,2. 嘌呤碱分解,嘌呤脱氢酶,次黄嘌呤氧化酶,尿酸,N,N,N,N,NH2