生物有機化學(xué)教學(xué)中氨基酸合成和分解代謝研究意義_精編版

1、 精編范文 生物有機化學(xué)教學(xué)中氨基酸合成和分解代謝研究意義溫馨提示：本文是筆者精心整理編制而成，有很強的的實用性和參考性，下載完成后可以直接編輯，并根據(jù)自己的需求進行修改套用。生物有機化學(xué)教學(xué)中氨基酸合成和分解代謝研究意義 本文關(guān)鍵詞：有機化學(xué), 氨基酸, 代謝, 分解, 合成生物有機化學(xué)教學(xué)中氨基酸合成和分解代謝研究意義 本文簡介：生物化學(xué)論文第六篇：生物有機化學(xué)教學(xué)中氨基酸合成和分解代謝研究意義摘要：從氨基酸代謝的基本內(nèi)容出發(fā),分析并整理了其在生物化學(xué)教學(xué)中的意義與教學(xué)要點,其中富有的各種生物化學(xué)過程也充滿了趣味性,對于本科生教學(xué)是良好的素材。在舉例闡述其多樣性、復(fù)雜性、趣味性與啟發(fā)性的基

2、礎(chǔ)上,討論生物化學(xué)教學(xué)中氨基酸代生物有機化學(xué)教學(xué)中氨基酸合成和分解代謝研究意義 本文內(nèi)容：生物化學(xué)論文第六篇：生物有機化學(xué)教學(xué)中氨基酸合成和分解代謝研究意義摘要：從氨基酸代謝的基本內(nèi)容出發(fā), 分析并整理了其在生物化學(xué)教學(xué)中的意義與教學(xué)要點, 其中富有的各種生物化學(xué)過程也充滿了趣味性, 對于本科生教學(xué)是良好的素材。在舉例闡述其多樣性、復(fù)雜性、趣味性與啟發(fā)性的基礎(chǔ)上, 討論生物化學(xué)教學(xué)中氨基酸代謝相關(guān)內(nèi)容, 是一種將前沿科學(xué)融入基礎(chǔ)生物化學(xué)教育的新探索。關(guān)鍵詞：生物有機化學(xué);生物化學(xué);氨基酸;新陳代謝;Discussion on Introducing Amino Acid Metabolism

3、into Bioorganic Chemistry and Chemical Biology EducationWANG Zhipeng A.MA XinyuYAN HuijuanTIAN JieDepartment of Chemistry, Texas AM UniversityDepartment of Chemistry, Tsinghua UniversityPlant Pathology Microbiology Department, Texas AM UniversityDepartment of Biology, Texas AM UniversityAbstract：The

4、 manuscript starts from fundamental knowledge of amino acid metabolism, followed by the analysis of how and why we incorporate it into current biochemistry education. These metabolic processes containing different biochemical reaction mechanisms are generally fascinating, and thus can be selected as

5、 good study materials for undergraduate education to attract their attention. Based on the discussion of various amino acid examples, the significance is demonstrated in different aspects as diversity, complexity, attractivity and inseparability. It is a meaningful trial of installing frontier resea

6、rch into fundamental knowledge to deepen amino acid metabolic contents in biochemistry education.1 引言生物化學(xué)是與有機化學(xué)和化學(xué)生物學(xué)都密不可分的學(xué)科, 在化學(xué)、化學(xué)生物學(xué)、生命科學(xué)專業(yè)的本科生基礎(chǔ)教學(xué)中占據(jù)重要地位。其中, 氨基酸作為蛋白質(zhì)的構(gòu)成單元, 其合成與分解代謝一向是生物化學(xué)的重點內(nèi)容。20種天然氨基酸結(jié)構(gòu)各不相同, 代謝過程也各有特色且相對獨立。然而, 氨基酸的代謝在國內(nèi)外高校相關(guān)專業(yè)的本科教學(xué)中被忽略, 究其原因主要是這些知識紛繁復(fù)雜且缺乏系統(tǒng)性規(guī)律。由于教學(xué)時間有限, 相關(guān)教師通

7、常更愿意側(cè)重于講解以糖酵解、三羧酸循環(huán)和脂肪酸代謝為代表的能量產(chǎn)生和以尿素循環(huán)為代表的物質(zhì)分解代謝路徑。然而, 氨基酸的合成與分解代謝正是因為其具有多樣性和復(fù)雜性的特點1, 更能反映很多本質(zhì)而深刻的生物化學(xué)原理。同時, 其中相關(guān)的酶類和代謝過程的中間體以及機制仍然是現(xiàn)在的研究熱點, 對于本科生不容易通過自學(xué)深刻理解或掌握, 作為基礎(chǔ)知識的缺失甚至是錯誤理解會直接損害學(xué)生的后續(xù)科學(xué)研究的認知與觀念。另一方面, 氨基酸的合成與分解代謝中富有的各種生物化學(xué)反應(yīng)和機制相對糖酵解的磷酸化、三羧酸循環(huán)的氧化還原過程更加充滿趣味, 對于本科生教學(xué)是良好的素材。雖然二十_大跌眼鏡2。這對于吸引相關(guān)專業(yè)本科生,

8、 強化其追求化學(xué)和生命科學(xué)未知的信念有重要意義。此外, 氨基酸作為一種初級代謝產(chǎn)物, 對于各種生物體都是至關(guān)重要的, 通過學(xué)習(xí)氨基酸的合成和分解代謝的過程與邏輯, 學(xué)生們可以領(lǐng)悟很多自然界的設(shè)計與選擇的法則。這對于后續(xù)的深入研究與改造都有深遠意義, 為今后的相關(guān)專業(yè)研究打下基礎(chǔ), 例如生物工程和合成生物學(xué)等方向3。本文將從氨基酸合成和分解代謝的基本內(nèi)容出發(fā), 分析并整理了其在生物有機化學(xué)教學(xué)中的意義與教學(xué)要點。進而, 本文將從復(fù)雜性、趣味性和啟發(fā)性等多個角度, 以分類舉例的方式進行闡述。在生物化學(xué)、生物有機化學(xué)和化學(xué)生物學(xué)相關(guān)教學(xué)中深入挖掘氨基酸代謝的相關(guān)內(nèi)容, 不失為一種前沿科學(xué)與基礎(chǔ)生物化

9、學(xué)教育相結(jié)合的新模式4。2 氨基酸合成代謝與其多樣性對于20種天然的蛋白質(zhì)氨基酸, 不同物種對其合成的能力可能大不相同。大部分細菌和植物可以合成所有的20種。然而哺乳動物只能通過簡單的路線合成其中約一半, 即所謂的非必需氨基酸, 而剩余部分則必須通過飲食攝取, 即必需氨基酸。正是由于氨基酸具有多樣化的結(jié)構(gòu), 故而其同時也具有復(fù)雜的代謝過程。這些過程與其他代謝路徑相互交叉, 很多代謝中間體為氨基酸的合成提供碳鏈骨架, 或者通過一些代謝支路, 共同形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)5。然而, 并不是所有氨基酸都有著這樣規(guī)則的合成代謝途徑, 也有很多例外者值得分析。2.1 氨基酸合成代謝總論我們首先總體分析氨基酸合成的

10、網(wǎng)絡(luò)與核心反應(yīng)。以細菌為例, 葡萄糖 (圖1 1) 在細菌體內(nèi)首先進行糖酵解形成6-磷酸葡萄糖 (圖1 2) , 后者進而經(jīng)過若干步驟形成3-磷酸甘油酸 (圖1 3) , 并通過磷酸烯醇式丙酮酸 (圖1 4) 最終形成丙酮酸 (圖1 5) 進入下一環(huán)節(jié)的三羧酸循環(huán) (TCA) 。其中, 6-磷酸葡萄糖可以轉(zhuǎn)化為5-磷酸核糖 (圖1 9) 并成為組氨酸 (His) 合成的原料;3-磷酸甘油酸可以轉(zhuǎn)化為絲氨酸 (Ser) , 并進而用于合成甘氨酸 (Gly) 與半胱氨酸 (Cys) ;磷酸烯醇式丙酮酸可以直接作為原料用于合成丙氨酸 (Ala) 、纈氨酸 (Val) 、亮氨酸 (Leu) 與異亮氨酸

11、 (Ile) 。特別地, 3-磷酸甘油酸的支路代謝產(chǎn)物4-磷酸赤蘚糖 (圖1 10) 可以和磷酸烯醇式丙酮酸共同作為底物再經(jīng)過復(fù)雜的過程形成三種芳香族氨基酸色氨酸 (Trp) 、苯丙氨酸 (Phe) 與酪氨酸 (Tyr) 。另一方面, 丙酮酸在轉(zhuǎn)化為檸檬酸 (圖1 6) 后進入三羧酸循環(huán), 在轉(zhuǎn)化為α-酮戊二酸 (圖1 7) 后進而轉(zhuǎn)化為草酰乙酸 (圖1 8) 最終完成循環(huán)。其中, α-酮戊二酸作為最為重要的中間體可以直接通過轉(zhuǎn)氨反應(yīng)形成谷氨酸 (Glu) , 進而被用于合成谷氨酰胺 (Gln) 、脯氨酸 (Pro) 或經(jīng)過尿素循環(huán) (Urea Cycle) 形成精氨酸

12、 (Arg) 。正是由于α-酮戊二酸與谷氨酸之間便捷的轉(zhuǎn)氨過程, 這一可逆反應(yīng)也就理所當(dāng)然成為其他氨基酸最后一步由酮酸轉(zhuǎn)化的氨基載體。此外, 草酰乙酸也是一個重要的氨基酸合成中間體, 其同樣可以直接轉(zhuǎn)氨形成天冬氨酸 (Asp) , 并進而用于合成天冬酰胺 (Asn) 、甲硫氨酸 (Met) 、蘇氨酸 (Thr) 和賴氨酸 (Lys) 6。2.2 含硫氨基酸的合成代謝說到天然氨基酸的合成, 特殊者首當(dāng)其沖便要算兩種含硫元素的氨基酸, 半胱氨酸與甲硫氨酸。這主要由于代謝途徑中大部分涉及到的是碳氫氧化合物, 這意味著生物體需要從無機環(huán)境中引入硫元素。這里以半胱氨酸的生物合成為例, 其硫源

13、均由植物或微生物從環(huán)境中的硫酸鹽還原而來。圖1 天然氨基酸合成代謝中不同氨基酸的骨架來源與基本合成途徑 下載原圖半胱氨酸側(cè)鏈的合成雖然理所當(dāng)然地從結(jié)構(gòu)最相似的絲氨酸起始, 但是硫原子替代氧原子的過程并非輕而易舉。該過程由絲氨酸乙?；复呋碌慕z氨酸乙?；_始, 并利用乙酰CoA為輔酶。所得的產(chǎn)物在O-乙酰絲氨酸巰基裂解酶作用下直接被硫離子親核取代, 進而水解形成半胱氨酸。這一過程有效地將不易離去的氧負離子轉(zhuǎn)化為相對易離去的乙酸負離子, 從熱力學(xué)和動力學(xué)上都傾向于正向進行7。有趣的是, 由硫酸鹽還原為硫離子的過程高等動物無法完成, 不過可以由甲硫氨酸轉(zhuǎn)化而來, 由于甲硫氨酸本身是必需氨基酸, 故

14、而半胱氨酸也被稱為半必需氨基酸。正是這一過程的存在, 半胱氨酸的合成代謝成為一個溝通整個代謝途徑的重要過程。甲硫氨酸在生物體內(nèi)首先可以轉(zhuǎn)化為重要的輔酶S-腺苷甲硫氨酸 (SAM, 圖2 12) , 進而發(fā)生去甲基化和去腺苷化形成高半胱氨酸 (Homocysteine) , 并作為半胱氨酸合成的硫源, 碳鏈部分當(dāng)然還是繼續(xù)使用絲氨酸。二者在胱硫醚-β-合成酶的作用下縮合形成胱硫醚 (Cystathionine, 圖2 13) , 這里的β是相對于絲氨酸部分而言硫原子在其β位。而形成的胱硫醚最終在胱硫醚-γ-裂解酶的作用下切斷形成半胱氨酸并釋放銨離子。此時

15、的γ又是相對于高半胱氨酸而言, 裂解發(fā)生在其γ位的硫-碳鍵處。值得注意的是, 由于酶催化過程的可逆性, 這里的胱硫醚-β-合成酶也可以稱為胱硫醚-β-裂解酶, 而胱硫醚-γ-裂解酶也可以稱為胱硫醚-γ-合成酶, 二者都是以磷酸吡哆醛 (PLP) 為輔酶進行催化的, 卻不需要ATP供能。非常有趣的是, 植物和微生物中甲硫氨酸的合成過程恰好是此過程的逆過程。天冬氨酸代謝的高絲氨酸 (Homoserine) 及中間體丁二酰高絲氨酸 (圖2 14) 與半胱氨酸作用同樣可以形成核心中間體胱硫醚, 而后者卻在胱硫醚-β-裂解酶的

16、作用下解離為高半胱氨酸, 最終形成甲硫氨酸。2.3 芳香氨基酸的合成代謝除了含硫的氨基酸外, 幾種芳香族的氨基酸合成過程更加豐富多彩。這里只用苯丙氨酸與酪氨酸二者為例進行討論。幾乎所有的芳香氨基酸都起始于分支酸 (Chorismate, 圖3 16) , 而該過程亦被稱為分支酸途徑或莽草酸途徑, 不過莽草酸卻僅僅是分支酸的前體。在植物和微生物中, 分支酸首先在分支酸異構(gòu)酶作用下發(fā)生克萊森重排反應(yīng)形成預(yù)苯酸 (Prephenate, 圖3 17) , 可以看出包括分支酸與預(yù)苯酸都帶有不完整的苯環(huán)系結(jié)構(gòu), 具有強烈的恢復(fù)苯環(huán)共振體系的傾向, 故而后者可以發(fā)生不同的裂解過程。首先, 預(yù)苯酸可以在預(yù)苯

17、酸脫羧氫酶 (Prephenate dehydratase) 作用下直接脫羧并失去氫氧根負離子形成苯基丙酮酸, 后者在轉(zhuǎn)氨反應(yīng)后即可形成苯丙氨酸 (圖3 18) 。另一方面, 預(yù)苯酸也可以在預(yù)苯酸脫氫酶 (Prephenate dehydrogenase) 作用下發(fā)生還原脫羧的過程, 在還原性輔酶NADH+的作用下脫羧且保留了羥基, 最終形成4-羥基苯基丙酮酸 (圖3 19) 。該產(chǎn)物同樣發(fā)生轉(zhuǎn)氨反應(yīng)后即可形成4-羥基苯丙氨酸, 即酪氨酸。圖2 植物、微生物和高等動物中兩種含硫氨基酸的合成代謝過程 下載原圖a) 植物、微生物中半胱氨酸的合成代謝途徑;b) 高等動物中以甲硫氨酸為硫源的半胱氨酸合

18、成代謝途徑;c) 植物、微生物中甲硫氨酸的合成代謝途徑圖3 植物、微生物和高等動物中苯丙氨酸與酪氨酸的合成代謝途徑 下載原圖a) 植物與微生物中, 分支酸先形成預(yù)苯酸;b) 植物與微生物中, 預(yù)苯酸形成苯丙氨酸和酪氨酸;c) 高等動物無法合成苯丙氨酸, 但酪氨酸可由苯丙氨酸轉(zhuǎn)化而來但是在高等動物體內(nèi), 由預(yù)苯酸形成苯基丙酮酸或4-羥基苯基丙酮酸的過程卻由于莽草酸途徑的整體缺失而均無法進行。雖然高等動物無法生源合成這兩種氨基酸, 但是其顯而易見可以代謝這兩種氨基酸。有趣的是, 苯丙氨酸的代謝過程第一步就是苯環(huán)的羥基化形成親水的結(jié)構(gòu)。而所得的產(chǎn)物卻恰恰成為了酪氨酸。故而在攝入苯丙氨酸的情況下, 高

19、等動物也可以變相地生源合成酪氨酸, 而這一補救措施也就使得苯丙氨酸成為必需氨基酸, 而酪氨酸成為半必需氨基酸。特別地, 該過程在苯丙氨酸羥基化酶 (Phenylalanine hydroxylase) 的催化下進行, 而缺失此酶可能導(dǎo)致苯丙氨酸無法代謝的苯丙酮尿癥 (PKU) 的產(chǎn)生。這也是一種氨基酸分解代謝與合成代謝相互關(guān)聯(lián)的特例。3 氨基酸的分解代謝與復(fù)雜性第2節(jié)主要探討了氨基酸合成代謝, 如果說其中我們還能找出一些典型例子并歸納其中的原理, 那么在氨基酸的分解代謝中, 我們就更難簡單地進行歸納, 尤其是其中一些氨基酸具有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu), 其代謝過程冗長且繁瑣, 故而也更加需要在教學(xué)中對具

20、有代表性的反應(yīng)過程進行系統(tǒng)性分析。3.1 氨基酸分解代謝總論首先, 本文還是希望從細胞代謝網(wǎng)絡(luò)的角度分析各種天然氨基酸的分解代謝及其產(chǎn)物去向。食物中或者來自身體的蛋白質(zhì)可以在蛋白酶或肽酶的作用下切割形成游離的氨基酸, 而這二十_大多教材僅僅以人體無法自身合成簡單地進行概括, 而并沒有聯(lián)系其代謝途徑, 分析其為什么是必需氨基酸或者半必需氨基酸13。圖6 苯丙酮尿癥患者體內(nèi)的苯丙氨酸分解代謝途徑 下載原圖前文已經(jīng)提到的通過三種芳香氨基酸的合成代謝途徑解釋為何苯丙氨酸與色氨酸是必需氨基酸而酪氨酸是非必需氨基酸就是很好的例子。另外一個例子就是甲硫氨酸、賴氨酸與蘇氨酸, 這三種氨基酸也都是必需氨基酸,

21、其合成代謝也都是從天冬氨酸開始, 且經(jīng)過前兩步相同的反應(yīng)后得到 (圖7 32) 。然而, 由于進行第一步反應(yīng)形成天冬氨酸-β-?；姿?(圖7 31) 所需要的天冬氨酸激酶只存在于植物和微生物中, 這就直接導(dǎo)致了后續(xù)三種氨基酸的合成代謝均無法在動物中進行。β-醛基天冬氨酸 (圖7 32) 作為賴氨酸形成的前體、高絲氨酸作為甲硫氨酸和蘇氨酸共同的前體, 也因此無法形成。類似地, 另外三種必需氨基酸, 即纈氨酸、亮氨酸與異亮氨酸, 也有著相同的合成代謝的起點丙酮酸以及類似的反應(yīng)過程。也是因為人體內(nèi)缺乏這三種氨基酸合成代謝中共同需要的酶導(dǎo)致無法自身合成這些氨基酸14。由此可見,

22、對氨基酸的代謝途徑的理解與對必需氨基酸、半必需氨基酸與非必需氨基酸的認識是相輔相成的。一方面, 我們可以根據(jù)某種必需氨基酸的合成代謝途徑了解為何其無法被人體合成, 另一方面我們也可以從幾種結(jié)構(gòu)類似的氨基酸同為必需氨基酸這一點加深認識到其合成代謝途徑中具有共通的、且無法在人體中完成的步驟。這在教學(xué)中對于幫助學(xué)生建立知識點之間的聯(lián)系, 從而形成自己的知識網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有著非常重要的意義, 尤其是對于生物化學(xué)這種知識體系龐大且復(fù)雜的學(xué)科, 這種由點到線再到構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的思維方式十_大批量的氨基酸是市場的基本需求, 而了解氨基酸合成代謝的途徑對氨基酸生產(chǎn)的技術(shù)創(chuàng)新和菌種的優(yōu)化都有重要的作用。例如苯丙氨酸傳統(tǒng)上主

23、要通過化學(xué)合成法和直接發(fā)酵法生產(chǎn), 但由于產(chǎn)量不能滿足市場激增的需求, 因而基于氨基酸合成代謝的酶轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)苯丙氨酸引起廣泛關(guān)注。該方法可通過三條途徑實現(xiàn)苯丙氨酸的合成, 其一, 利用酵母中的苯丙氨酸解氨酶將反式肉桂酸轉(zhuǎn)化為苯丙氨酸;其二, 利用苯丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶將苯丙酮酸轉(zhuǎn)化為苯丙氨酸;最后, 可以通過?；D(zhuǎn)移酶和轉(zhuǎn)氨酶將乙酰氨基肉桂酸轉(zhuǎn)化為苯丙氨酸。這些方法不僅是對傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新, 也可以大大降低生產(chǎn)成本以滿足市場需求15。圖7 蘇氨酸、賴氨酸、甲硫氨酸合成代謝途徑略圖 下載原圖另一方面, 氨基酸代謝產(chǎn)物對生物體和工業(yè)生產(chǎn)也非常重要。氨基酸通過脫氨基和脫羧基進而分解, 形成了各種降解產(chǎn)物,

24、 比如胺類、小分子氨等。這些胺類分解代謝物進一步轉(zhuǎn)變成為新的氨基酸、銨鹽與尿素等。此外氨基酸在生物體內(nèi)不僅能合成蛋白, 還能形成很多生物體內(nèi)有重要作用的含氮化合物原料, 例如激素、生物堿、木質(zhì)素等, 并被提取并用于生產(chǎn)生活中16。5 結(jié)論與展望氨基酸的合成與分解代謝作為生物化學(xué)的重要組成部分與化學(xué)生物學(xué)或生物有機化學(xué)相關(guān)專業(yè)緊密相關(guān), 卻常在高校的相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)中被忽略。而正是因為氨基酸的合成與分解代謝所具有的多樣性和復(fù)雜性, 才更能反映一些本質(zhì)且深刻的生物化學(xué)原理。不僅如此, 各種氨基酸代謝中富有多種多樣的生物化學(xué)過程也充滿了罕見的過程或酶促反應(yīng), 其中相關(guān)的酶類和中間體甚至是當(dāng)前的研究熱

25、點。這本身可以作為良好的素材為教學(xué)帶來趣味, 并有效吸引學(xué)生興趣17。本文從氨基酸代謝的合成與分解兩個方面入手, 分析并整理了其在生物化學(xué)教學(xué)中的意義與教學(xué)要點, 并進一步以一系列蛋白質(zhì)氨基酸典型例子進行簡單的闡述, 以展示其多樣性、復(fù)雜性、趣味性與啟發(fā)性。尤其是對其理論和實驗知識的介紹不僅有助于生物化學(xué)自身教學(xué)的深化與拓展, 也可以豐富教學(xué)內(nèi)容18, 并讓學(xué)生在鍛煉知識應(yīng)用能力的前提下19, 了解并緊追當(dāng)前科學(xué)研究的熱點問題20。在基礎(chǔ)生物化學(xué)和化學(xué)生物學(xué)教學(xué)中深入了解氨基酸代謝的相關(guān)知識是一種將前沿科學(xué)與基礎(chǔ)教育相結(jié)合的新探索。參考文獻1Nelson, D.; Cox, M. Principle of Biochemistry, Lehninger, 4th ed.; W. H. Freeman and Company:New York, 2005.2全先慶, 張渝潔, 單雷, 畢玉平.生物技術(shù)通報, 2007, No. 1, 14.3Wang, Y.; Schnell, B.; Baumann, S.; Müller, R.; Begley, T. P. J. Am. Chem. Soc. 20_, 139, 1742.4王志鵬.大學(xué)化學(xué), 20_, 32 (6) , 86.5王聯(lián)結(jié).生物化學(xué)與分子生物學(xué).第2版.北京:科學(xué)