氨的同化及氨基酸的生物合成

第十二章氨的同化及氨基酸生物合成基本要求：（1）掌握氨的同化、各族氨基酸的合成（2）了解一碳基团代谢教学重点及难点：（1）各族氨基酸的合成本章内容：氮素循环生物固氮硝酸还原作用氨的同化氨基酸的生物合成一、氮循环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(nitrogencycle)。生物界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。生物固氮约占总固氮2/3，工业或其他途径占1/3。土壤中含量丰富硝化细菌氧化氨形成NO3,土壤中几乎所有氨都转化成硝酸盐的过程称为硝化作用。二、生物固氮生物固氮(biologicalnitrogenfixation)是微生物及藻类通过自身的固氮酶复合物把分子氮变成氨的过程。1910年FritzHaber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,用铁催化使H2还原N2成氨。N2+3H2＝2NH3固氮能量耗费大,而且污染环境,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。1.固氮生物的类型：自生固氮微生物：独立生活时能使气态氮固定为NH3的少数微生物。共生固氮微生物：具有固氮能力的，与植物形成共生关系的微生物。植物为其提供碳源，其为植物提供直接氮源。①利用光能还原氮气②利用化学能固氮2.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（铁蛋白）和固氮酶（钼铁蛋白）组成。生物固氮的总反应为：N2+8e+16ATP+16H2O+8H+→2NH3+H2+16ADP+16Pi固氮过程共有16个ATP被水解。三、硝酸还原作用绝大部分植物吸收的氮素来自土壤,主要有硝酸盐(NO3),亚硝酸盐(NO2),铵盐(NH4+)。其中最易吸收的是硝态氮。植物只有将吸收的硝态氮转变为氨态氮才能被自身利用，这一转变过程称成氨作用。该过程是在硝酸还原酶和亚硝酸还原酶催化下完成的。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。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及还原型铁氧还蛋白(Fdred)。四、氨的同化氮素循环中，生物固氮和硝酸盐还原形成无机态NH3，进一步NH3便被同化转变成含氮有机物。所有生物基本上都通过Glu脱氢酶(glutamatedehydrogenase)或Gln合成酶(glutaminsynthetase)催化形成Glu和Gln的方式同化氨。Glu和Gln中的氮，通过进一步生化反应形成其他有机含氮化合物。1.谷氨酰胺，谷氨酸合成生物体内Glu主要通过Gln合成酶和Glu合酶的双酶途径合成。Glu脱氢酶存在于所有生物，主要参与AA的降解代谢。2.氨甲酰磷酸的合成有2种酶能够催化NH3、CO2、ATP共同作用合成氨甲酰磷酸。式中的氨来自谷氨酰胺。氨甲酰激酶氨甲酰磷酸合成酶五、氨基酸的生物合成丙氨酸族氨基酸的合成丙氨酸族氨基酸包括：丙氨酸Ala，缬氨酸Val，亮氨酸Leu。碳架来源是糖酵解生成的丙酮酸。AlaLeuVal2.丝氨酸族氨基酸的合成丝氨酸族氨基酸包括：丝氨酸Ser，甘氨酸Gly，半胱氨酸Cys。碳架来源是已醛酸或3-磷酸甘油酸PGA。SerCysGly3.谷氨酸族氨基酸的合成丝氨酸族氨基酸包括：谷氨酸Glu，谷氨酰胺Gln，脯氨酸Pro，精氨酸Arg。碳架来源是三羧酸循环中的α-酮戊二酸。ArgGluGlnPro4.天冬氨酸族氨基酸的合成包括：天冬氨酸Asp，天冬酰胺Asn，赖氨酸Lys，苏氨酸Thr,异亮氨酸Ile，甲硫氨酸Met。碳架来源是三羧酸循环中的草酰乙酸或延胡索酸。AspAsnLysThrIleMet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OAA与谷氨酰胺直接作用,生成Asp。在微生物体内，Asn在天冬酰胺合成酶催化下进行。在某些高等植物中，天冬酰胺合成酶以Gln为氨基供体。5.组氨酸和芳香族氨基酸的合成包括：组氨酸His，酪氨酸Tyr，色氨酸Trp，苯丙氨酸Phe。组氨酸碳架主要来自磷酸戊糖途径中间产物核糖-5-磷酸。芳香氨基酸碳架来自磷酸戊糖途径中间产物赤藓糖-4-磷酸和糖酵解中间产物磷酸烯醇式丙酮酸PEP。两者化合后经几步反应生成莽草酸(shikimicacid)，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。六、一碳单位代谢在代谢过程中，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”。一碳基团转移酶辅酶：四氢叶酸(FH4)重要的活化甲基供体：S-腺苷甲硫氨酸(SAM)常见的一碳基团：亚氨甲基

CH=NH甲酰基

CHO羟甲基

CH2OH甲基

CH3

亚甲基

CH2

次甲基

CH=四氢叶酸（FH4或THFA）四氢叶酸HH105一碳基团的来源与转变S-腺苷蛋氨酸N5-CH3-FH4N5，N10-

CH2-FH4N5，N10=CH-FH4

N10-CHO-FH4N5，

N10-CH2-FH4还原酶N5，

N10-CH