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）了解一碳基團(tuán)代謝教學(xué)重點及難點：（1）各族氨基酸的合成本章內(nèi)容：氮素循環(huán)生物固氮硝酸還原作用氨的同化氨基酸的生物合成一、氮循環(huán)自然界中的不同氮化物經(jīng)常發(fā)生互相轉(zhuǎn)化，形成一個氮素循環(huán)(nitrogencycle)。生物界氮代謝是自然界氮循環(huán)的主要因素。在自然界氮循環(huán)中，還包括工業(yè)固氮和大氣固氮(如閃電)等把N2轉(zhuǎn)變?yōu)榘焙拖跛猁}的過程。生物固氮約占總固氮2/3，工業(yè)或其他途徑占1/3。土壤中含量豐富硝化細(xì)菌氧化氨形成NO3,土壤中幾乎所有氨都轉(zhuǎn)化成硝酸鹽的過程稱為硝化作用。二、生物固氮生物固氮(biologicalnitrogenfixation)是微生物及藻類通過自身的固氮酶復(fù)合物把分子氮變成氨的過程。1910年FritzHaber提出的作用條件在工業(yè)氮肥生產(chǎn)中一直沿用至今。500℃高溫和30MPa條件下,用鐵催化使H2還原N2成氨。N2+3H2＝2NH3固氮能量耗費大,而且污染環(huán)境,因此大力發(fā)展生物固氮對增加農(nóng)作物氮肥來源有重大意義。1.固氮生物的類型：自生固氮微生物：獨立生活時能使氣態(tài)氮固定為NH3的少數(shù)微生物。共生固氮微生物：具有固氮能力的，與植物形成共生關(guān)系的微生物。植物為其提供碳源，其為植物提供直接氮源。①利用光能還原氮氣②利用化學(xué)能固氮2.固氮酶復(fù)合物生物固氮過程由固氮酶復(fù)合物完成。固氮酶復(fù)合物由還原酶（鐵蛋白）和固氮酶（鉬鐵蛋白）組成。生物固氮的總反應(yīng)為：N2+8e+16ATP+16H2O+8H+→2NH3+H2+16ADP+16Pi固氮過程共有16個ATP被水解。三、硝酸還原作用絕大部分植物吸收的氮素來自土壤,主要有硝酸鹽(NO3),亞硝酸鹽(NO2),銨鹽(NH4+)。其中最易吸收的是硝態(tài)氮。植物只有將吸收的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)變?yōu)榘睉B(tài)氮才能被自身利用，這一轉(zhuǎn)變過程稱成氨作用。該過程是在硝酸還原酶和亞硝酸還原酶催化下完成的。硝酸鹽的還原，在植物的根和葉內(nèi)都可以進(jìn)行，但以葉內(nèi)還原為主。硝酸還原酶是誘導(dǎo)酶當(dāng)將水稻幼苗培養(yǎng)在含硝酸鹽的溶液中時，幼苗體內(nèi)便誘導(dǎo)形成硝酸還原酶;若用不含硝酸鹽的培養(yǎng)液時,則幼苗內(nèi)不含硝酸還原酶。同樣在土壤中增施硝酸鹽氮肥時，往往測到作物體內(nèi)硝酸還原酶的活性增高，作物蛋白質(zhì)含量也隨之而增加。光照對硝酸還原酶活性有很大影響，酶活性隨光照強(qiáng)度增大而升高，在遮蔭或黑暗中則活性減小,原因在于光合產(chǎn)物的氧化為NO3還原提供所需的NADH及還原型鐵氧還蛋白(Fdred)。四、氨的同化氮素循環(huán)中，生物固氮和硝酸鹽還原形成無機(jī)態(tài)NH3，進(jìn)一步NH3便被同化轉(zhuǎn)變成含氮有機(jī)物。所有生物基本上都通過Glu脫氫酶(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，通過進(jìn)一步生化反應(yīng)形成其他有機(jī)含氮化合物。1.谷氨酰胺，谷氨酸合成生物體內(nèi)Glu主要通過Gln合成酶和Glu合酶的雙酶途徑合成。Glu脫氫酶存在于所有生物，主要參與AA的降解代謝。2.氨甲酰磷酸的合成有2種酶能夠催化NH3、CO2、ATP共同作用合成氨甲酰磷酸。式中的氨來自谷氨酰胺。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，纈氨酸Val，亮氨酸Leu。碳架來源是糖酵解生成的丙酮酸。AlaLeuVal2.絲氨酸族氨基酸的合成絲氨酸族氨基酸包括：絲氨酸Ser，甘氨酸Gly，半胱氨酸Cys。碳架來源是已醛酸或3-磷酸甘油酸PGA。SerCysGly3.谷氨酸族氨基酸的合成絲氨酸族氨基酸包括：谷氨酸Glu，谷氨酰胺Gln，脯氨酸Pro，精氨酸Arg。碳架來源是三羧酸循環(huán)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，賴氨酸Lys，蘇氨酸Thr,異亮氨酸Ile，甲硫氨酸Met。碳架來源是三羧酸循環(huán)中的草酰乙酸或延胡索酸。AspAsnLysThrIleMet在某些植物體內(nèi)，也可通過類似于-酮戊二酸的還原性氨基化反應(yīng),使OAA與谷氨酰胺直接作用,生成Asp。在微生物體內(nèi)，Asn在天冬酰胺合成酶催化下進(jìn)行。在某些高等植物中，天冬酰胺合成酶以Gln為氨基供體。5.組氨酸和芳香族氨基酸的合成包括：組氨酸His，酪氨酸Tyr，色氨酸Trp，苯丙氨酸Phe。組氨酸碳架主要來自磷酸戊糖途徑中間產(chǎn)物核糖-5-磷酸。芳香氨基酸碳架來自磷酸戊糖途徑中間產(chǎn)物赤蘚糖-4-磷酸和糖酵解中間產(chǎn)物磷酸烯醇式丙酮酸PEP。兩者化合后經(jīng)幾步反應(yīng)生成莽草酸(shikimicacid)，再由莽草酸生成芳香氨基酸和其他多種芳香族化合物，稱為莽草酸途徑。六、一碳單位代謝在代謝過程中，某些化合物可以分解產(chǎn)生具有一個碳原子的基團(tuán)，稱為“一碳基團(tuán)”或“一碳單位”。一碳基團(tuán)轉(zhuǎn)移酶輔酶：四氫葉酸(FH4)重要的活化甲基供體：S-腺苷甲硫氨酸(SAM)常見的一碳基團(tuán)：亞氨甲基

CH=NH甲?；?/p>

CHO羥甲基

CH2OH甲基

CH3

亞甲基

CH2

次甲基

CH=四氫葉酸（FH4或THFA）四氫葉酸HH105一碳基團(tuán)的來源與轉(zhuǎn)變S-腺苷蛋氨酸N5-CH3-FH4N5，N10-

CH2-FH4N5，N10=CH-FH4

N10-CHO-FH4N5，

N10-CH2-FH4還原酶N5，

N10-CH