生物化学课件蛋白质的降解和氨基酸代谢

生物化学课件蛋白质的降解和氨基酸代谢第1页，共104页，2023年，2月20日，星期一蛋白质的消化与吸收第一节

蛋白质的降解第2页，共104页，2023年，2月20日，星期一氨基酸代谢一览第3页，共104页，2023年，2月20日，星期一一、蛋白质酶的种类和专一性

编号名称作用特征3.4.113.4.13-氨酰肽水解酶(-aminoacylpeptidehydrolase)作用于多肽链的N-末端-羧肽水解酶(-carboxylpeptidehydrolase)作用于多肽链的C-末端3.4.14二羧肽水解酶(depeptidehydrolase)水解二肽

肽酶（Peptidase）蛋白酶(Proteinase)（一）肽酶的种类和专一性第4页，共104页，2023年，2月20日，星期一（二）蛋白酶的种类和专一性编号名称作用特征实例3.4.2.13.4.2.2丝氨酸蛋白酶类(serinepritelnase)活性中心含Ser3.4.2.33.4.2.4硫醇蛋白酶类(Thiolpritelnase)活性中心含Cys羧基（酸性）蛋白酶类[carboxyl(asid)pritelnase]活性中心含Asp,最适pH在5以下金属蛋白酶类(metallopritelnase)活性中心含有Zn2+

、

Mg2+等金属胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶凝血酶木瓜蛋白酶无花果蛋白酶菠萝酶胃蛋白酶凝乳酶枯草杆菌蛋白酶嗜热菌蛋白酶第5页，共104页，2023年，2月20日，星期一消化道内几种蛋白酶的专一性（Phe.Tyr.Trp）（Arg.Lys）（脂肪族）胰凝乳蛋白酶胃蛋白酶弹性蛋白酶羧肽酶胰蛋白酶氨肽酶羧肽酶（Phe.Trp）①胰蛋白酶：Lys、Arg羧基端肽键；②糜蛋白酶：Phe、Tyr、Trp羧基端肽键；③弹性蛋白酶：Val、Leu、Ser、Ala羧基端肽键。第6页，共104页，2023年，2月20日，星期一丝氨酸蛋白酶族第7页，共104页，2023年，2月20日，星期一二、细胞内蛋白质降解(P300)

溶酶体途径:50多种水解酶，pH5左右

—无选择地降解蛋白质泛肽（ubiguitin）途径:

—给选择降解的蛋白质加以标记Hershko,A.等1978年从网织红细胞依赖ATP的蛋白质水解系统中分离出一种热稳定因子，由76个氨基酸组成，后来发现它广泛存在于各类真核细胞，因而命名为泛肽（ubiquitin）。第8页，共104页，2023年，2月20日，星期一在泛肽激活酶（E1）、泛肽载体蛋白（E2）和泛肽蛋白连接酶（E3）的共同作用下，泛肽C-端羧基与底物蛋白中的赖氨酸残基ε-氨基形成异肽键，后续泛肽以类似方式连接成串，完成对底物蛋白的多泛肽化标记，形成多泛肽化蛋白。被多泛肽化标记的底物蛋白由26S蛋白酶体迅速降解成小的肽片段，再由其它肽酶水解成游离氨基酸。第9页，共104页，2023年，2月20日，星期一蛋白质降解的泛肽途径E1-S-E1-SHE2-S-E1-SHE2-SHE2-SHATPAMP+PPiE3多泛肽化蛋白ATP26S蛋白酶体20S蛋白酶体ATP19S调节亚基去折叠水解E1：泛肽激活酶E2：泛肽载体蛋白

E3：泛肽-蛋白质连接酶（ubiquitin）第10页，共104页，2023年，2月20日，星期一第二节氨基酸的分解代谢

二、氨基酸的脱羧基作用一、氨基酸的脱氨基作用第11页，共104页，2023年，2月20日，星期一氨基酸代谢概况食物蛋白质氨基酸特殊途径-酮酸糖及其代谢中间产物脂肪及其代谢中间产物TCA鸟氨酸循环NH4+NH4+NH3CO2H2O体蛋白尿素尿酸激素卟啉尼克酰胺衍生物肌酸胺嘧啶嘌呤生物固氮硝酸还原（次生物质代谢）CO2胺第12页，共104页，2023年，2月20日，星期一一、氨基酸的脱氨基作用

4.非氧化脱氨基作用

脱氨基作用是指氨基酸在酶的催化下脱去氨基生成α-酮酸的过程。

1.转氨基作用3.联合脱氨基作用2.氧化脱氨基作用第13页，共104页，2023年，2月20日，星期一1.转氨基作用

α-氨基酸1

R1-CH-COO-

NH+3

|α-酮酸1

R1-C-COO-O||

R2-C-COO-O||α-酮酸2

R2-CH-COO-

NH+3

|α-氨基酸2转氨酶（辅酶：磷酸吡哆醛）

在转氨酶的催化下，α-氨基酸的氨基转移到α-酮酸的酮基碳原子上，结果原来的α-氨基酸生成相应的α-酮酸，而原来的α-酮酸则形成了相应的α-氨基酸，这种作用称为转氨基作用或氨基移换作用。第14页，共104页，2023年，2月20日，星期一-氨基酸磷酸吡哆醛醛亚胺酮亚胺磷酸吡哆胺磷酸吡哆醛的作用机理-酮酸互变异构第15页，共104页，2023年，2月20日，星期一以谷丙转氨酶(GPT)和谷草转氨酶(GOT)分布最广、活性最大。临床以此判断肝功能是否正常：例如:急性肝炎患者血清中GPT活性显著升高;

心肌梗塞患者血清中GOT活性明显上升。转氨作用的意义：是氨基酸分解代谢与非必需氨基酸合成代谢的重要步骤；沟通了糖代谢与蛋白质代谢。转氨酶第16页，共104页，2023年，2月20日，星期一两个重要的转氨基反应第17页，共104页，2023年，2月20日，星期一2.氧化脱氨基作用

在有氧条件下，氨基酸在酶的催化下脱去氨基生成相应的α-酮酸的过程称为氧化脱氨基作用。主要有谷氨酸脱氢酶：

L-谷氨酸脱氢酶+H2O+NH3NAD(P)+NAD(P)H+H+COOHCH2CH2C=OCOOHCOOHCH2CH2CHNH2COOH第18页，共104页，2023年，2月20日，星期一第19页，共104页，2023年，2月20日，星期一第20页，共104页，2023年，2月20日，星期一3.联合脱氨基作用（1）概念（2）类型①转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶作用相偶联②转氨基作用与嘌呤核苷酸循环相偶联

转氨基作用和氧化脱氨基作用联合进行的脱氨基作用方式。第21页，共104页，2023年，2月20日，星期一①转氨酶—谷氨酸脱氢酶的联合脱氨基作用

这种脱氨基是转氨基作用和氧化脱氨基作用偶联进行的，所以称为联合脱氨基作用。在这一过程中的α—酮戊二酸实际上是一种氨基传递体，它可由三羧酸循环大量产生。生物机体借助于这种联合脱氨基作用可迅速地使各种不同的氨基酸脱掉氨基。第22页，共104页，2023年，2月20日，星期一转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶作用相偶联

转氨酶L-谷氨酸脱氢酶H2O+NAD+NH3+NADHα-酮酸α-氨基酸α-酮戊二酸L-谷氨酸第23页，共104页，2023年，2月20日，星期一在某些动物组织如在心肌，骨骼肌和脑组织中，嘌呤核苷酸循环中的腺苷酸脱氨酶，腺苷琥珀酸合成酶和腺苷酸琥珀酸裂解酶的含量及活性很高，所以在这些组织中的脱氨基过程主要是嘌呤核苷酸循环的联合脱氨基作用。次黄嘌呤核苷一磷酸（IMP）与Asp作用形成中间产物腺苷酸代琥珀酸，腺苷酸代琥珀酸在裂合酶的作用下，分裂成AMP和延胡索酸，AMP水解后即产生游离氨和IMP。②转氨酶—嘌呤核苷酸循环联合脱氨作用第24页，共104页，2023年，2月20日，星期一转氨基作用与嘌呤核苷酸循环相偶联α-氨基酸α-酮酸α-酮戊二酸谷氨酸草酰乙酸天冬氨酸腺苷酰琥珀酸苹果酸延胡索酸腺苷酸次黄苷酸氧化脱氨基作用转氨基作用R-5′-P第25页，共104页，2023年，2月20日，星期一4.其他脱氨基作用（略）两个非专一性氧化酶：L－氨基酸氧化酶D－氨基酸氧化酶（存在于肾脏中）氨基酸+FAD+H2Oα－酮酸+NH3+FADH2

α-氨基酸

氨基酸氧化酶（FAD、FMN）α-酮酸

R-CH-COO-

NH+3

|

R-C-COO-+NH3O||H2O+O2H2O2第26页，共104页，2023年，2月20日，星期一（1）重新生成氨基酸（2）生成谷氨酰胺和天冬酰胺（3）生成尿素——尿素循环（4）合成其他含氮物质5.氨的命运（P308）第27页，共104页，2023年，2月20日，星期一氨的来源和去路第28页，共104页，2023年，2月20日，星期一氨是强烈的神经毒物第29页，共104页，2023年，2月20日，星期一谷氨酸的重新生成L-谷氨酸脱氢酶谷氨酸+H2O-酮戊二酸+NH3NAD（P）+NAD（P）H谷氨酸+丙酮酸-酮戊二酸+丙氨酸转氨酶

在大脑中发生上述反应，大量消耗了-酮戊二酸和NADPH，引起中毒症状。在肌肉中，可利用这一反应生成的谷氨酸的转氨基作用，生成丙氨酸，将氨转运到肝脏中去。第30页，共104页，2023年，2月20日，星期一第31页，共104页，2023年，2月20日，星期一谷氨酰胺的生成和利用+NH2+H2OATPADP+Pi谷氨酰胺合成酶Mg2++2H谷氨酸合成酶第32页，共104页，2023年，2月20日，星期一第33页，共104页，2023年，2月20日，星期一氨的排泄水生动物主要排氨。鸟类及生活在比较干燥环境中的爬虫类，由于水的供应困难，所产生的氨不能直接排出，即变成溶解度较小的尿酸，再被排出体外，所以鸟类及某些爬虫类动物主要排尿酸的。两栖类排尿素。人和哺乳类动物虽然在陆地上生活，但其体内水的供应不太欠缺，故所产生的氨主要是变为溶解度较大的尿素，再被排出，所以哺乳动物几乎都是排尿素的。第34页，共104页，2023年，2月20日，星期一二、氨基酸的脱羧基作用

1.概念3.脱羧产物的进一步转化（次生物质代谢）

氨基酸在脱羧酶的作用下脱掉羧基生成相应的一级胺类化合物的作用。脱羧酶的辅酶为磷酸吡哆醛。直接脱羧胺羟化脱羧羟胺

2.类型:第35页，共104页，2023年，2月20日，星期一脱羧形成的胺有许多重要生化作用Gluγ-氨基丁酸：重要的神经介质，抑制神经中枢；His组胺：有降压、刺激胃液分泌的作用Tyr酪胺：有升压作用

大多数胺类对动物有毒1）随尿排出；2）在胺氧化酶作用下可进一步氧化分解第36页，共104页，2023年，2月20日，星期一个别氨基酸脱羧基产生胺第37页，共104页，2023年，2月20日，星期一胺的去向胺氨醛脂肪酸合成尿素CO2H2O新氨基酸胺氧化酶第38页，共104页，2023年，2月20日，星期一第三节尿素的形成

排尿素动物在肝脏中合成尿素的过程称尿素循环，也称为鸟氨酸循环。一、尿素循环的发现

1932年，Krebs发现，向悬浮有肝切片的缓冲液中，加入鸟氨酸、瓜氨酸或Arg中的任一种，都可促使尿素的合成。

精氨酸+H2O鸟氨酸+尿素二、尿素循环1.生成部位：肝脏2.合成原料：NH3、天冬氨酸、ATP和CO2

精氨酸酶第39页，共104页，2023年，2月20日，星期一H2N-C-HN-CH2-CH2-CH2-C-COO-H2NHH2N+=精氨酸第40页，共104页，2023年，2月20日，星期一尿素的生成

概念3.总反应和过程

在排尿动物体内由NH3合成尿素是在肝脏中通过一个循环机制完成的，这一个循环称为尿素循环。NH3+CO2+3ATP+天冬氨酸+2H2ONH2-CO-NH2+

2ADP+2

AMP+PPi+延胡索酸第41页，共104页，2023年，2月20日，星期一氨在肝脏合成为尿素第42页，共104页，2023年，2月20日，星期一COOHCOOHHCCH=第43页，共104页，2023年，2月20日，星期一（1）氨甲酰磷酸的生成（氨甲酰磷酸合成酶）

NH4++CO2

2-O3P-O-C-NH2（2）合成瓜氨酸（鸟氨酸转氨甲酰酶）瓜氨酸形成后就离开线粒体，进入细胞液。（3）合成精氨琥珀酸（精氨琥珀酸合成酶）（4）精氨琥珀酸裂解成精氨酸和延胡索酸（精氨琥珀酸裂解酶）

Asp的氨基转移到Arg上。来自Asp的碳架被保留下来，生成延胡索酸。延胡索酸可以经苹果酸、草酰乙酸再生为天冬氨酸。（5）精氨酸水解生成鸟氨酸和尿素（精氨酸酶）。=O（氨甲酰磷酸）2ATP2ADP+Pi限速步骤第44页，共104页，2023年，2月20日，星期一尿素循环氨基酸谷氨酸谷氨酸氨甲酰磷酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸精氨琥珀酸鸟氨酸精氨酸延胡索酸草酰乙酸氨基酸谷氨酸-酮戊二酸天冬氨酸2ADP+Pi2ATP+CO2+NH3+H2O1细胞溶液线粒体NH2-C-NH2O尿素-酮戊二酸-酮戊二酸H2N-C-PO2345PPi第45页，共104页，2023年，2月20日，星期一尿素循环与TCA的关系第46页，共104页，2023年，2月20日，星期一尿素循环小结（1）形成一分子尿素消耗4个高能磷酸键；（2）两个氨基分别来自游离氨和Asp，一个CO2来自TCA循环；（3）2个氨基酸通过尿素循环形成1分子尿素，可以净生成?个ATP：谷氨酸脱氨：1个NADH

延胡索酸经草酰乙酸转化为Asp：1个NADH2NADH×2.5=5ATP第47页，共104页，2023年，2月20日，星期一尿素循环的调节第48页，共104页，2023年，2月20日，星期一（4）尿素循环的调节

N-乙酰Glu激活氨甲酰磷酸合成酶I。尿素合成的增加是氨基酸降解速度提高，产生出过量的、必须排出的氮时。氨基酸降解速度增高的“信号”使转氨反应加速从而引起谷氨酸浓度增高。随之又引起N-乙酰Glu合成的增加，又激活氨甲酰磷酸合成酶I，乃至整个尿素循环。（5）尿素循环的意义将有毒的氨转化为无毒的尿素（随尿排出),实为肝脏解毒机制，是体内解除氨毒的最主要方式，也是氨在体内的主要代谢去路。第49页，共104页，2023年，2月20日，星期一第四节氨基酸碳骨架的氧化途径一、氨基酸碳骨架的氧化途径

20种氨基酸脱氨后有三种去路:（1）重新氨基化生成氨基酸。（2）氧化成CO2和水（TCA）。

20种氨基酸的碳架可转化成7种物质：丙酮酸、乙酰CoA、乙酰乙酰CoA、α-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸。最后集中为5种物质进入TCA：乙酰CoA、α-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸（3）生糖、生脂。第50页，共104页，2023年，2月20日，星期一氨基酸碳骨架进入三羧酸循环的途径草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸-酮戊二酸天冬氨酸天冬酰胺丙酮酸延胡索酸琥珀酰CoA乙酰CoA乙酰乙酰CoA苯丙氨酸酪氨酸色氨酸亮氨酸赖氨酸丙氨酸苏氨酸甘氨酸丝氨酸半胱氨酸谷氨酸谷氨酰胺精氨酸组氨酸脯氨酸异亮氨酸亮氨酸缬氨酸苯丙氨酸酪氨酸天冬氨酸异亮氨酸甲硫氨酸缬氨酸葡萄糖柠檬酸第51页，共104页，2023年，2月20日，星期一第52页，共104页，2023年，2月20日，星期一第53页，共104页，2023年，2月20日，星期一第54页，共104页，2023年，2月20日，星期一（一）形成乙酰-CoA

丙氨酸Ala、甘氨酸Gly、丝氨酸Ser、苏氨酸Thr、半胱氨酸Cys；苯丙氨酸Phe、酪氨酸Tyr、亮氨酸Leu、赖氨酸Lys、色氨酸Trp（二）α-酮戊二酸途径

精氨酸Arg、组氨酸His、谷胺酰胺Gln、脯氨酸Pro和羟脯氨酸、谷氨酸Glu（三）形成琥珀酰CoA途径

甲硫氨酸Met、异亮氨酸Ile、缬氨酸Val都通过形成甲基丙二酰CoA转变成琥珀酰CoA（四）延胡索酸途径

苯丙氨酸Phe、酪氨酸Tyr可生成延胡索酸

（五）形成草酰乙酸途径

天冬氨酸Asp和天冬酰胺Asn可转变成草酰乙酸进入TCA第55页，共104页，2023年，2月20日，星期一二、生糖氨基酸与生酮氨基酸

生酮氨基酸：Phe、酪氨酸Tyr、Trp、Leu、Ile、Lys。在分解过程中转变为乙酰乙酰CoA，后者在动物肝脏中可生成乙酰乙酸和β-羟丁酸。生糖氨基酸：凡能生成丙酮酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸、草酰乙酸的氨基酸都称为生糖氨基酸，它们都能生成葡萄糖Glc。Phe、Tyr、Trp、Ile、Lys是生酮兼生糖a.a。严格的生酮氨基酸是亮氨酸。严格的生糖氨基酸14种。第56页，共104页，2023年，2月20日，星期一三、氨基酸与一碳基团

在代谢过程中，某些化合物（如氨基酸）可以分解产生具有一个碳原子的基团（不包括CO2)，称为一碳基团，一碳基团的转移除了和许多氨基酸的代谢直接有关外，还参与嘌呤和胸腺嘧啶及磷脂的生物合成。

一碳基团的转移由相应的一碳基团转移酶催化，其辅酶为THF（FH4）。一碳基团和氨基酸代谢-CH=NH亚氨甲基H-CO-甲酰基-CH2OH甲醇基-CH=次甲基-CH2-亚甲基-CH3甲基第57页，共104页，2023年，2月20日，星期一一碳单位的载体:四氢叶酸THF叶酸广泛地存在于绿叶中,故名。缺乏症为巨幼红细胞贫血。N5、N10可携带一碳单位,一碳单位主要用于嘌呤和嘧啶的合成。一碳单位是个别氨基酸代谢产生的，如甲基、亚甲基、次甲基、亚胺甲基、甲酰基等。第58页，共104页，2023年，2月20日，星期一第59页，共104页，2023年，2月20日，星期一一碳基团的来源与转变

图30-33S-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-CH2-FH4脱氢酶环水化酶

丝氨酸

组氨酸甘氨酸参与

甲基化反应为胸腺嘧啶合成提供甲基参与嘌呤合成FH4FH4FH4

HCOOHH2ONAD+NDAH+H+NAD+NDAH+H+H+参与嘌呤合成第60页，共104页，2023年，2月20日，星期一NNNN腺嘌呤OOHHHOHH2CNH2HCH3SCH2CH2CHNH3COO-S-腺苷甲硫氨酸(S-Adenosyl-L-methionine,Adomet

)H甲硫氨酸活性基团核糖HS-腺苷高半胱氨酸(S-adenosylhomocysteine,adoHcy)+半胱氨酸+第61页，共104页，2023年，2月20日，星期一四、氨基酸与生物活性物质γ－氨基丁酸，谷氨酸脱羧形成，抑制性神经递质，对中枢神经有抑制作用

牛磺酸，半胱氨酸加氧脱羧形成，强极性物质，是结合胆汁酸的组成部分

组胺，组氨酸脱羧形成，强烈的血管舒张剂，能刺激胃酸用胃蛋白酶的分泌

5－羟色胺，色氨酸脱羧形成，抑制性神经递质，在外周有收缩血管作用

多胺，精氨酸脱羧生成腐胺，腐胺转化形成亚精胺和精胺，细胞生长调节物质（类似生长激素的作用）第62页，共104页，2023年，2月20日，星期一色氨酸的重要衍生物第63页，共104页，2023年，2月20日，星期一苯丙氨酸与代谢缺陷症第64页，共104页，2023年，2月20日，星期一一、氨基酸的生物合成

1.必需氨基酸2.20种氨基酸的生物合成概况3.氨基酸生物合成的调节第五节氨基酸的生物合成第65页，共104页，2023年，2月20日，星期一必需氨基酸的概念Met、Trp、Lys、Val、Ile、Leu、Phe、Thr、(His、Arg)

凡是机体不能自己合成，必需来自外界的氨基酸，称为必需氨基酸。

人的必需氨基酸：异苯蛋赖苏色缬亮假设来写一两本书一笨蛋来宿舍歇凉第66页，共104页，2023年，2月20日，星期一二十种氨基酸的生物合成概况

谷氨酸族天冬氨酸族丙氨酸族丝氨酸族His和芳香族第67页，共104页，2023年，2月20日，星期一氨基酸生物合成的分族情况（1）丙氨酸族丙酮酸Ala、Val、Leu（2）丝氨酸族

3-磷酸甘油酸Ser、Gly、Cys（3）谷氨酸族

-酮戊二酸Glu、Gln、Pro、Arg（4）天冬氨酸族草酰乙酸Asp、Asn、Lys、Thr、Ile、Met（5）组氨酸和芳香氨基酸族磷酸核糖His

磷酸赤藓糖+PEPPhe、Tyr、Trp第68页，共104页，2023年，2月20日，星期一第69页，共104页，2023年，2月20日，星期一第70页，共104页，2023年，2月20日，星期一谷氨酸族氨基酸的合成-酮戊二酸谷氨酸谷氨酰胺精氨酸脯氨酸第71页，共104页，2023年，2月20日，星期一第72页，共104页，2023年，2月20日，星期一第73页，共104页，2023年，2月20日，星期一第74页，共104页，2023年，2月20日，星期一天冬氨酸族、丙氨酸族合成第75页，共104页，2023年，2月20日，星期一第76页，共104页，2023年，2月20日，星期一第77页，共104页，2023年，2月20日，星期一第78页，共104页，2023年，2月20日，星期一丝氨酸族氨基酸的合成3-磷酸甘油酸丝氨酸半胱氨酸甘氨酸第79页，共104页，2023年，2月20日，星期一第80页，共104页，2023年，2月20日，星期一合成芳香族氨基酸的前七步反应相同第81页，共104页，2023年，2月20日，星期一芳香族氨基酸的合成3-磷酸甘油酸4-磷酸赤藓糖苯丙氨酸酪氨酸色氨酸+酪氨酸第82页，共104页，2023年，2月20日，星期一5-磷酸核糖组氨酸第83页，共104页，2023年，2月20日，星期一第84页，共104页，2023年，2月20日，星期一二、氨基酸生物合成的调节

(1)通过终端产物对氨基酸生物合成的抑制(2)通过酶生成量的改变调节氨基酸的生物合成第85页，共104页，2023年，2月20日，星期一氨基酸合成的反馈调控反硝化作用氧化亚氮氨甲酰磷酸分支酸脱氧庚酮糖酸-7-磷酸天冬氨酸天冬氨酰磷酸赤藓糖-4-磷酸脱氢奎尼酸莽草酸谷氨酸磷酸烯醇式丙酮酸+预苯酸TryPheTrpIleTrpHisCTPAMPGlnLysMetThr酮丁酸GlyAla谷氨酰胺合酶天冬氨酰半醛高丝氨酸氨基苯甲酸第86页，共104页，2023年，2月20日，星期一第六节生物固氮一、生物固氮的概念（biologicalnitrogenfixation）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。

1910年FritzHaber（1868-1934）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200个大气压条件下，用铁粉作催化剂。

自然界通过生物固氮的量每年可达1011kg，约占地球上的固氮量的60%。N2+3H22NH3第87页，共104页，2023年，2月20日，星期一氮的重要性氮,若只是考虑净重的话,氮在植物体是第四多的营养元素。但是重量不代表着它的重要性，氮是蛋白质、氨基酸、含氮激素及叶绿素中的重要成份。如果人或植物体内，没有了氮，那么蛋白质无法形成，代谢作用没有了“酶”，光合作用将无法进行，因此，没有氮，就没有生命。大部分的植物从土壤中吸收铵离子或是NO3-型式的氮，但这些形式的氮在土壤中是有限的。所以植物必须以大量的能量耗费来取得这一些养分（主动运输等），但是，这一种途径，必然会消耗更多的能量。豆科植物发展演化出一种高效利用氮的形式-生物固氮：植物与固氮细菌形成共生关系，植物为细菌提供营养物质，而固氮菌为植物提供还原的氮。第88页，共104页，2023年，2月20日，星期一自然界的氮素循环硝酸盐亚硝酸NH3生物固氮工业固氮固氮生物动植物硝酸盐还原大气固氮大气氮素岩浆源的固定氮火成岩反硝化作用氧化亚氮蛋白质入地下水动植物废物死的有机体第89页，共104页，2023年，2月20日，星期一固氮微生物共生型固氮微生物自生型固氮微生物豆科植物（如大豆、花生）的根瘤菌非豆科植物（如木麻黄属、杨酶属）的根瘤菌厌氧的巴氏梭菌需氧固氮杆菌光合细菌兼性厌氧的克氏杆菌厌氧和光合自养的蓝藻需氧和光合自养的细菌固氮生物的类型第90页，共104页，2023年，2月20日，星期一固氮作用与脱氮作用固氮作用：包括人工固氮，生物固氮、闪电固氮三种。氮的三个键（N=N）结合能很大，因此很难断开，所以在大自然中，要取得有机的氮化物，必然要给予极大的能量，或是有特别的催化剂。人工固氮，弗里茨哈伯法，高温高压，铁粉催化合成氮，弗里德里希.维勒（1800-1882）发明氨和二氧化碳合成尿素。闪电固氮，闪电的强大电能一瞬间灌入N2分子中，以强大的能量将N2的分子结构改变为硝酸根，再顺着雨落至地面。生物固氮，微生物利用固氮酶，消耗ATP进行固氮，分自身固氮（游离土壤微生物固氮）和根瘤菌固氮（固氮菌与植物共生固氮）2种形式。N2占大气的80%左右，生物固氮每年固定的氮约2×108t，其中固氮根瘤菌固氮为1.5×108t。脱氮作用：将有机氮，经细菌氧化而成无机氮-尸体腐烂氮回归大气。第91页，共104页，2023年，2月20日，星期一生物体内所有含氮化合物都是N的还原形式（NH3，－NH2，＝NH）。自然界无机的N的主要形式是氧化状态（N2和NO3－）生物体必须将N的氧化形式还原为NH4+（还原形式）几乎所有的微生物和绿色植物都能将氧化态N还原，但动物不能！动物是从食物中的蛋白质与氨基酸中获得还原态N的。N的还原有二条途径：硝酸盐还原和固氮菌的生物固氮。硝酸盐还原需要2个步骤：①2e－还原硝酸盐至亚硝酸盐和②6e－还原亚硝酸盐至氨。99%的N同化发生在生物圈中。固氮作用是通过原核生物的固氮酶实现。氮的同化作用概述第92页，共104页，2023年，2月20日，星期一豆科植物的根瘤第93页，共104页，2023年，2月20日，星期一第94页，共104页，2023年，2月20日，星期一二、固氮酶复合体Fe-Mo4Fe-4SADP4Fe-4S-4Fe-4S固氮酶复合体

由2个蛋白质复合体构成：

①固氮酶还原酶

②固氮酶第95页，共104页，2023年，2月20日，星期一二、固氮酶复合体①固氮酶还原酶（铁蛋白）

固氮酶还原酶是一个60KD的含一个4Fe-4S辅基的同型二聚体，结合有MgATP，无Mo；

高度氧气敏感；

每对电子传递需要4个ATP

将N2还原形成2NH3+H2需要4对电子传递，每个N2

还原要消耗16个ATP。②固氮酶（钼铁蛋白）

是一个220KD的异四聚体

酶分子包含Mo、Fe和FeS簇；

4个Fe-S簇连接2个钼铁辅基FeMoCo；

还原1个N2

需要3个固氮酶分子。第96页，共104页，2023年，2月20日，星期一

ATP酶活性：能催化ATP分解，从中获取能量推动电子向还原底物上转移。（2）作用机理（3）特点：是一种多功能酶N2还原剂铁蛋白钼铁蛋白氧化还原酶：不仅能催化N2还原，还可催化N2O化合物等还原。（1）结构组成组分I：二聚体、含Fe和S形成[Fe4S4]簇组分II：四