氨基酸合成专题知识专家讲座.pptx

10 氨基酸生物合成氨基酸生物合成 10.1 氮素循环氮素循环10.2 生物固氮生物化学生物固氮生物化学10.3 硝酸还原作用硝酸还原作用10.4 氨同化氨同化10.5 氨基酸生物合成氨基酸生物合成氨基酸合成专题知识专家讲座第1页10.1 氮素循环氮素循环氮氮素素是是生生物物必必需需元元素素之之一一。在在生生命命活活动动中中起起主主要要作作用用化化合合物物，如如蛋蛋白白质质、核核酸酸、酶酶、一一些些激激素素和和维维生生素素、叶叶绿绿素素和和血血红红素素等等均均含含有有氮氮元元素素。所所以以，在在动动、植植物物和和微微生生物物生生命命活活动动中中氮氮素素起起着着极极其其主主要要作作用用，整整个个生生物物界界在在生生长发育全部过程中都进行着氮素代谢。长发育全部过程中都进行着氮素代谢。氨基酸合成专题知识专家讲座第2页自自然然界界中中不不一一样样氮氮化化物物经经常常发发生生相相互互转转化化，形形成成一一个个氮氮素素循循环环(nitrogen cycle)。生生物物界界氮氮代代谢谢是是自自然然界界氮氮循循环环主主要要原原因因。在在自自然然界界氮氮循循环环中中，还还包包含含工工业业固固氮氮和和大大气气固固氮氮(如如闪闪电电)等把等把N2转变为氨和硝酸盐过程。转变为氨和硝酸盐过程。氨基酸合成专题知识专家讲座第3页在在氮氮素素循循环环中中，经经过过工工业业固固氮氮和和生生物物固固氮氮将将N2还还原原为为氨氨，自自然然界界中中由由固固氮氮生生物物固固氮氮酶酶完完成成分分子子氮氮向向氨氨转转化化约约占占总总固固氮氮2/3，由由工工业业合合成成氨或其它路径合成氨只有氨或其它路径合成氨只有1/3左右。左右。在在土土壤壤中中含含量量丰丰富富硝硝化化细细菌菌进进行行着着氧氧化化氨氨形形成成NO3 过过程程，所所以以土土壤壤中中几几乎乎全全部部氨氨都都转转化化成成了硝酸盐，这个过程称为硝化作用。了硝酸盐，这个过程称为硝化作用。氨基酸合成专题知识专家讲座第4页植植物物和和微微生生物物可可吸吸收收土土壤壤中中NO3，然然后后还还原原形形成成氨氨，再再经经同同化化作作用用把把无无机机氮氮转转化化为为有有机机氮氮，这这些些有有机机氮氮化化合合物物又又可可随随食食物物或或饲饲料料进进入入动动物体内，转变为动物体含氮化合物。物体内，转变为动物体含氮化合物。各各种种动动植植物物遗遗体体及及排排泄泄物物中中有有机机氮氮经经微微生生物物分分解解作作用用，形形成成无无机机氮氮。这这么么，在在生生物物界界，总总有机氮和总无机氮形成了一个平衡。有机氮和总无机氮形成了一个平衡。氨基酸合成专题知识专家讲座第5页氨基酸合成专题知识专家讲座第6页10.2 生物固氮生物化学生物固氮生物化学10.2.1 生物固氮概念生物固氮概念细细菌菌和和蓝蓝绿绿藻藻将将N2转转变变为为有有机机形形式式，称称为为固固氮作用。氮作用。高高等等生生物物不不能能进进行行生生物物固固氮氮作作用用，其其中中氨氨基基酸酸、嘌嘌呤呤、嘧嘧啶啶及及其其它它生生物物分分子子中中氮氮原原子子来来自自NH4+。氨基酸合成专题知识专家讲座第7页生生物物固固氮氮(biological nitrogen fixation)是是微微生生物物、藻藻类类和和与与高高等等植植物物共共生生微微生生物物经经过过本本身身固氮酶复合物把分子氮变成氨过程。固氮酶复合物把分子氮变成氨过程。自自然然界界经经过过生生物物固固氮氮量量可可达达每每年年1011kg，约约占占地地球球上上固固氮氮量量60，闪闪电电和和紫紫外外辐辐射射固固定定氮氮约约15，其余为工业固氮。，其余为工业固氮。氨基酸合成专题知识专家讲座第8页氮氮气气中中NN键键十十分分稳稳定定，19Fritz Haber提提出出作作用用条条件件在在工工业业氮氮肥肥生生产产中中一一直直沿沿用用至至今今。500高高温温和和30MPa条条件件下下，用用铁铁做做催催化化剂剂使使H2还原还原N2成氨。成氨。N2+3H22NH3固氮能量花费大，而且会污染环境，所以大力固氮能量花费大，而且会污染环境，所以大力发展生物固氮对增加农作物氮肥起源有重大发展生物固氮对增加农作物氮肥起源有重大意义。意义。氨基酸合成专题知识专家讲座第9页生物固氮是在常温常压条件下，在生物体内由生物固氮是在常温常压条件下，在生物体内由酶催化进行。酶催化进行。当前国内外对生物固氮生化过程及机理正在主当前国内外对生物固氮生化过程及机理正在主动开展研究，在了解了固氮机理之后，就能动开展研究，在了解了固氮机理之后，就能够人工模拟，以节约能源，降低污染，开拓够人工模拟，以节约能源，降低污染，开拓作物肥源。能够经过基因工程使非固氮生物作物肥源。能够经过基因工程使非固氮生物转化为固氮生物。转化为固氮生物。氨基酸合成专题知识专家讲座第10页10.2.2 固氮生物类型固氮生物类型当当前前已已发发觉觉固固氮氮生生物物近近50个个属属，包包含含细细菌菌、放放线线菌菌和和蓝蓝细细菌菌，依依据据固固氮氮微微生生物物与与高高等等植植物物和和其其它它生生物物关关系系，可可分分为为自自生生固固氮氮微微生生物物和和共生固氮微生物两类。共生固氮微生物两类。氨基酸合成专题知识专家讲座第11页10.2.2.1 自生固氮微生物自生固氮微生物(diazatrophs)生固氮微生物是指独立生活时能使气态氮固定生固氮微生物是指独立生活时能使气态氮固定为为NH3少数微生物。少数微生物。固氮有两种方式：固氮有两种方式：利用光能还原氮气。如鱼腥藻利用光能还原氮气。如鱼腥藻(Anabaena)、念球藻念球藻(Nostoc)，固氮过程与还原，固氮过程与还原CO2类似。类似。氨基酸合成专题知识专家讲座第12页大多数固氮蓝藻都有厚壁异型细胞大多数固氮蓝藻都有厚壁异型细胞(heterocyst)，在异型细胞中不含，在异型细胞中不含PS色素，色素，所以照光时不放氧。固氮是在异型细胞里进所以照光时不放氧。固氮是在异型细胞里进行，因为固氮过程要求无氧条件。行，因为固氮过程要求无氧条件。另一些微生物如红螺菌另一些微生物如红螺菌(Rhodospirillum)、红、红色极毛杆菌色极毛杆菌(Rhodopseudomonas)、绿杆菌、绿杆菌(Chloroblium)等也能利用光能从硫、硫化物、等也能利用光能从硫、硫化物、氢或有机物取得电子进行固氮。氢或有机物取得电子进行固氮。氨基酸合成专题知识专家讲座第13页利用化学能固氮。如好气性固氮菌利用化学能固氮。如好气性固氮菌(Azotobacter)贝氏固氮菌、贝氏固氮菌(Bciierinckia)及厌气巴斯德梭菌及厌气巴斯德梭菌(Clostridium pasteurzanum)和克氏杆菌和克氏杆菌(Klebsiella)等。等。氨基酸合成专题知识专家讲座第14页10.2.2.2 共生固氮微生物共生固氮微生物如如与与豆豆科科植植物物共共生生固固氮氮根根瘤瘤菌菌(Rhizobium)，其其专专一一性性强强，不不一一样样菌菌株株只只能能感感染染一一定定植植物物，形成共生根瘤。形成共生根瘤。在在根根瘤瘤中中植植物物为为固固氮氮菌菌提提供供碳碳源源，而而细细菌菌利利用用植植物物提提供供能能源源固固氮氮，为为植植物物提提供供氮氮源源，形形成成一个很好互利共生体系。一个很好互利共生体系。氨基酸合成专题知识专家讲座第15页10.2.3 固氮酶复合物固氮酶复合物生生物物固固氮氮过过程程由由固固氮氮酶酶复复合合物物完完成成。固固氮氮酶酶复复合物由还原酶和固氮酶组成。合物由还原酶和固氮酶组成。还原酶还原酶还还原原酶酶也也称称铁铁蛋蛋白白，提提供供含含有有高高还还原原势势电电子子，它它是是由由两两个个相相同同亚亚基基组组成成二二聚聚体体，相相对对分分子子质质量量为为64 000，也也是是一一个个铁铁硫硫蛋蛋白白，含含有有一一个个Fe4S4簇簇，每每次次可可传传递递一一个个电电子子。另另外外，还有还有2个个ATP结合位点。结合位点。氨基酸合成专题知识专家讲座第16页固氮酶固氮酶固固氮氮酶酶也也称称钼钼铁铁蛋蛋白白，利利用用还还原原酶酶提提供供高高能能电电子子还还原原N2成成NH4+。它它是是由由2个个 亚亚基基和和2个个 亚亚基基组组成成四四聚聚体体，相相对对分分子子质质量量为为20。其其氧氧化化还还原原中中心心含含有有2个个钼钼原原子子、32个个铁铁原原子子和和对对应应数目标酸不稳定硫。数目标酸不稳定硫。由由还还原原酶酶向向固固氮氮酶酶电电子子传传递递与与还还原原酶酶上上ATP水水解相偶联，由解相偶联，由N2到到NH3还原过程需还原过程需6个电子：个电子：N2+6e+6H+=2NH3氨基酸合成专题知识专家讲座第17页在在N2还还原原过过程程中中还还形形成成H2，所所以以，N2固固定定过过程程反应为：反应为：N2+8 e+8H+NH3+H28个个高高能能电电子子来来自自Fdred，Fdred电电子子来来自自PSI或或呼呼吸电子传递链。吸电子传递链。氨基酸合成专题知识专家讲座第18页生物固氮总反应为：生物固氮总反应为：N2+8e+16ATP+16H2O+8H+2NH3+H2+16ADP+16Pi由反应式可见固氮过程消耗能量非常多，共有由反应式可见固氮过程消耗能量非常多，共有16个个ATP被水解。被水解。氨基酸合成专题知识专家讲座第19页10.2.4 生物固氮所需条件生物固氮所需条件固氮酶催化反应需要满足：固氮酶催化反应需要满足：充分充分ATP供给。豌豆根系固氮细菌消耗植株供给。豌豆根系固氮细菌消耗植株ATP产量近产量近1/5；需要很强还原剂。高还原势电子来自需要很强还原剂。高还原势电子来自Fdred，其是光合链电子载体。其是光合链电子载体。Fd再生或来自光合作再生或来自光合作用，或来自氧化过程；用，或来自氧化过程；氨基酸合成专题知识专家讲座第20页需要厌氧环境，因氮酶对氧十分敏感，只有需要厌氧环境，因氮酶对氧十分敏感，只有在严格厌氧条件下才能固氮。所以，对好气在严格厌氧条件下才能固氮。所以，对好气细菌来说必须有严格防氧机制以使酶不被氧细菌来说必须有严格防氧机制以使酶不被氧伤害。伤害。在豆科植物根瘤中，豆血红蛋白起着降低氧浓在豆科植物根瘤中，豆血红蛋白起着降低氧浓度以保护固氮酶作用。豆血红蛋白度以保护固氮酶作用。豆血红蛋白(1eghemoglobin)为一共生合成蛋白，其珠蛋为一共生合成蛋白，其珠蛋白部分由植物合成，而血红素基团由根瘤菌白部分由植物合成，而血红素基团由根瘤菌(Rhizohium)合成，其对合成，其对O2有很高亲和力。有很高亲和力。氨基酸合成专题知识专家讲座第21页10.2.5 固氮过程氢代谢固氮过程氢代谢固固氮氮过过程程常常伴伴随随有有氢氢代代谢谢，氢氢代代谢谢比比较较复复杂杂，主要包含以下内容：主要包含以下内容：固氮酶放氢反应固氮酶放氢反应由由固固氮氮总总反反应应式式可可见见，固固氮氮酶酶不不但但还还原原氮氮，也也还还原原H+形形成成出出H2，反反应应需需要要ATP，CO不不能能抑抑制。制。N2+8e+16ATP+16H2O+8H+2NH3+H2+16ADP+16Pi氨基酸合成专题知识专家讲座第22页氢酶放氢反应氢酶放氢反应许许多多固固氮氮生生物物均均含含有有氢氢酶酶。氢氢酶酶也也是是一一个个铁铁硫硫蛋蛋白白，从从巴巴斯斯德德梭梭菌菌分分离离出出氢氢酶酶含含有有4个个铁铁原原子子和和4个个硫硫原原子子，相相对对分分子子质质量量60000，氢氢酶酶催化可逆反应：催化可逆反应：2Fdred+2H+=2Fdox+H2可逆性氢酶既可催化氢电子传给可逆性氢酶既可催化氢电子传给Fd，作为还原，作为还原氮电子供体，又可催化氮电子供体，又可催化H+接收接收Fdred电子形成电子形成氢，以消除过剩还原力，确保细胞生理活动氢，以消除过剩还原力，确保细胞生理活动正常进行。反应不需正常进行。反应不需ATP，但受，但受CO抑制。抑制。氨基酸合成专题知识专家讲座第23页吸氢酶催化吸氢酶催化H2氧化作用氧化作用吸吸氢氢酶酶能能以以O2作作为为末末端端正正电电子子受受体体进进行行羟羟基基化化反反应应，产产物物为为H2O，并并伴伴有有ATP生生成成，反反应应受受KCN抑抑制制。氢氢氧氧化化不不但但提提供供了了能能量量，而而且且因因为为消消耗耗了了O2，保保护护了了固固氮氮酶酶。同同时时因因为为固固氮氮酶酶形形成成H2对对其其有有抑抑制制作作用用，吸吸氢氢酶酶吸吸氢氢还还能够预防对固氮酶抑制作用。能够预防对固氮酶抑制作用。氨基酸合成专题知识专家讲座第24页10.3 硝酸还原作用硝酸还原作用植植物物体体所所需需要要氮氮素素营营养养除除了了来来自自生生物物固固氮氮外外，绝绝大大部部分分是是来来自自土土壤壤中中氮氮素素，主主要要有有硝硝酸酸盐盐(NO3)，亚亚硝硝酸酸盐盐(NO2)以以及及铵铵盐盐(NH4+)。它它们们经经过过根根系系进进入入植植物物细细胞胞。植植物物最最易易吸吸收收硝硝态氮。态氮。硝硝态态氮氮必必须须被被还还原原为为氨氨态态氮氮。才才能能被被植植物物体体利利用。用。氨基酸合成专题知识专家讲座第25页氮氮素素由由硝硝酸酸态态氮氮转转变变成成氨氨过过程程称称为为代代谢谢还还原原或或成氨作用。成氨作用。在成氨作用过程中，氮化合价改变是：在成氨作用过程中，氮化合价改变是：氨基酸合成专题知识专家讲座第26页植物体内由硝酸还原成氨总反应式：植物体内由硝酸还原成氨总反应式：NO3+9H+8e NH3+3H2O这一还原过程是在硝酸还原酶和亚硝酸还原酶这一还原过程是在硝酸还原酶和亚硝酸还原酶催化下分步进行。催化下分步进行。硝酸盐还原，在植物根和叶内都能够进行，但硝酸盐还原，在植物根和叶内都能够进行，但以叶内还原为主。在种子萌发早期，或在缺以叶内还原为主。在种子萌发早期，或在缺氧条件下根部还原为主。氧条件下根部还原为主。氨基酸合成专题知识专家讲座第27页10.3.1 硝酸还原酶硝酸还原酶 硝酸还原酶作用是把硝酸盐还原成亚硝酸盐。硝酸还原酶作用是把硝酸盐还原成亚硝酸盐。硝硝酸酸还还原原酶酶广广泛泛存存在在于于高高等等植植物物、藻藻类类、细细菌菌和酵母中。在植物绿色组织中该酶活性较大。和酵母中。在植物绿色组织中该酶活性较大。氨基酸合成专题知识专家讲座第28页依依据据还还原原反反应应中中电电子子供供体体不不一一样样可可分分为为两两个个类类型。型。10.3.1.1 Fd-硝酸还原酶硝酸还原酶这这类类硝硝酸酸还还原原酶酶以以铁铁氧氧还还蛋蛋白白作作为为电电子子供供体体。还原过程可简单表示为：还原过程可简单表示为：NO3+2Fdred+2H+NO2+Fdox+H2O此此酶酶存存在在于于蓝蓝绿绿藻藻、光光合合细细菌菌和和化化能能合合成成细细菌菌中中。从从组组囊囊藻藻属属(Anacystis)分分离离出出硝硝酸酸还还原原酶酶是是一一个个含含钼钼蛋蛋白白质质，只只有有一一条条多多肽肽链链，相相对对分分子子质质量量为为75000，不不含含黄黄素素蛋蛋白白和和细细胞胞色色素。素。氨基酸合成专题知识专家讲座第29页10.3.1.2 NAD(P)H-硝酸还原酶硝酸还原酶这这类类硝硝酸酸还还原原酶酶以以NADH或或NADPH为为电电子子供供体，它存在于真菌、绿藻和高等植物中。体，它存在于真菌、绿藻和高等植物中。按按其其对对电电子子供供体体专专一一性性要要求求又又可可区区分分为为对对NADH专专一一、对对NAD(P)H专专一一以以及及对对NADH和和NAD(P)H都可利用硝酸还原酶。都可利用硝酸还原酶。催化反应：催化反应：NO3+NAD(P)H+H+NO2+NAD(P)+H2O氨基酸合成专题知识专家讲座第30页NAD(P)H-硝硝酸酸还还原原酶酶为为寡寡聚聚蛋蛋白白，所所含含亚亚基基数数因因植植物物而而异异。它它是是以以FAD、细细胞胞色色素素b-557和和钼钼为为电电子子传传递递体体。电电子子从从NAD(P)H传传递递到到NO3。氨基酸合成专题知识专家讲座第31页10.3.1.3 硝酸还原酶是诱导酶硝酸还原酶是诱导酶当当将将水水稻稻幼幼苗苗培培养养在在含含硝硝酸酸盐盐溶溶液液中中时时，幼幼苗苗体体内内便便诱诱导导形形成成硝硝酸酸还还原原酶酶；若若用用不不含含硝硝酸酸盐盐培培养养液液时时，则则幼幼苗苗内内不不含含硝硝酸酸还还原原酶酶。一一样样在在土土壤壤中中增增施施硝硝酸酸盐盐氮氮肥肥时时，往往往往测测到到作作物物体体内内硝硝酸酸还还原原酶酶活活性性增增高高，作作物物蛋蛋白白质质含含量也随之而增加。量也随之而增加。氨基酸合成专题知识专家讲座第32页光光照照对对硝硝酸酸还还原原酶酶活活性性有有很很大大影影响响，酶酶活活性性随随光光照照强强度度增增大大而而升升高高，在在遮遮荫荫或或黑黑暗暗中中则则活活性性减减小小，原原因因在在于于光光合合产产物物氧氧化化为为NO3 还还原原提供所需提供所需NADH及还原型及还原型Fd。氨基酸合成专题知识专家讲座第33页10.3.2 亚硝酸还原酶亚硝酸还原酶在在植植物物细细胞胞内内，硝硝酸酸还还原原生生成成亚亚硝硝酸酸在在亚亚硝硝酸酸还原酶催化下，深入还原成氨：还原酶催化下，深入还原成氨：NO2+7H+6e NH3+2H2O从高等植物和绿藻中分离出亚硝酸还原酶是一从高等植物和绿藻中分离出亚硝酸还原酶是一条多肽链，相对分子质量约为条多肽链，相对分子质量约为6000070000，它辅基是一个铁卟啉衍生物，分子中还有，它辅基是一个铁卟啉衍生物，分子中还有一个一个Fe4S4中心，起电子传递作用。中心，起电子传递作用。氨基酸合成专题知识专家讲座第34页亚亚硝硝酸酸还还原原酶酶存存在在于于绿绿色色组组织织叶叶绿绿体体中中，它它直直接接电电子子供供体体是是铁铁氧氧还还蛋蛋白白。光光合合作作用用非非环环式式光光合合磷磷酸酸化化可可为为亚亚硝硝酸酸还还原原酶酶提提供供还还原原态态铁铁氧氧还还蛋蛋白白。结结合合在在铁铁卟卟啉啉衍衍生生物物辅辅基基上上亚亚硝硝酸酸离离子子，可可直直接接被被还还原原型型铁铁氧氧还还蛋蛋白白还还原原成成氨。氨。在在铁铁氧氧还还蛋蛋白白-NADPH还还原原酶酶作作用用下下，也也可可将将氧化态铁氧还蛋白转变为还原型。氧化态铁氧还蛋白转变为还原型。氨基酸合成专题知识专家讲座第35页氨基酸合成专题知识专家讲座第36页光光照照对对亚亚硝硝酸酸还还原原有有促促进进作作用用，可可能能与与照照光光时时生成还原态铁氧还蛋白相关。生成还原态铁氧还蛋白相关。当当植植物物缺缺铁铁时时，亚亚硝硝酸酸还还原原即即受受阻阻，可可能能与与铁铁氧氧还还蛋蛋白白及及铁铁卟卟啉啉衍衍生生物物合合成成降降低低相相关关。亚亚硝硝酸酸还还原原时时需需要要氧氧，因因而而在在厌厌氧氧条条件件下下，亚亚硝酸还原会受到妨碍。硝酸还原会受到妨碍。氨基酸合成专题知识专家讲座第37页10.4 氨同化氨同化10.4.1 谷氨酸合成谷氨酸合成在氮素循环中生物固氮和硝酸盐还原形成了在氮素循环中，生物固氮和硝酸盐还原形成了无机态无机态NH3，深入，深入NH3便被同化转变成含氮有便被同化转变成含氮有机化合物。全部生物都经过谷氨酸脱氢酶机化合物。全部生物都经过谷氨酸脱氢酶(glutamate dehydrogenase)或谷氨酰胺合成或谷氨酰胺合成酶酶(glutamin synthetase)催化形成谷氨酸和谷催化形成谷氨酸和谷氨酰胺方式同化氨。氨酰胺方式同化氨。氨基酸合成专题知识专家讲座第38页谷氨酸和谷氨酰胺中氮可经过深入生化反应形谷氨酸和谷氨酰胺中氮可经过深入生化反应形成其它有机含氮化合物，所以谷氨酸和谷氨成其它有机含氮化合物，所以谷氨酸和谷氨酰胺在氮素合成代谢中起关键作用。酰胺在氮素合成代谢中起关键作用。氨基酸合成专题知识专家讲座第39页10.4.1.1 谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶谷谷氨氨酰酰胺胺合合成成酶酶催催化化谷谷氨氨酸酸和和氨氨反反应应形形成成谷谷氨氨酰酰胺胺，此此酶酶对对NH3有有高高亲亲和和性性，完完成成反反应应还还需需ATP水解提供能量。水解提供能量。氨基酸合成专题知识专家讲座第40页形形成成谷谷氨氨酰酰胺胺既既是是氨氨同同化化一一个个方方式式，又又可可消消除除过过高高氨氨浓浓度度带带来来毒毒害害，还还可可作作为为氨氨供供体体，用用于谷氨酸合成。于谷氨酸合成。氨基酸合成专题知识专家讲座第41页-酮酮戊戊二二酸酸起起源源于于TCA中中间间产产物物，还还原原剂剂为为NADPH或或还还原原态态铁铁氧氧还还蛋蛋白白。催催化化此此反反应应酶酶为为谷谷氨氨酸酸合合酶酶(glutamate synthase)，与与合合成成酶酶(synthetase)不一样是，它不需要不一样是，它不需要ATP。在谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶共同作用下，在谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶共同作用下，可由可由1分子氨和分子氨和1分子分子-酮戊二酸净合成酮戊二酸净合成1分子分子谷氨酸。谷氨酸。氨基酸合成专题知识专家讲座第42页10.4.1.2谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶谷谷 氨氨 酸酸 还还 可可 在在 谷谷 氨氨 酸酸 脱脱 氢氢 酶酶(glutamate dehydrogenase)催催化化下下，使使-酮酮戊戊二二酸酸经经过过还原性氨基化形成。还原性氨基化形成。氨基酸合成专题知识专家讲座第43页谷谷氨氨酸酸脱脱氢氢酶酶存存在在于于全全部部生生物物体体内内，它它主主要要参参加加氨氨基基酸酸降降解解代代谢谢。因因为为谷谷氨氨酰酰胺胺合合成成酶酶较较谷谷氨氨酸酸脱脱氢氢酶酶Km(NH3)低低得得多多，所所以以通通常常当当生生物物体体细细胞胞氨氨水水平平低低时时，谷谷氨氨酸酸脱脱氢氢酶酶在在与与谷氨酰胺合成酶竞争时不起主要作用。谷氨酰胺合成酶竞争时不起主要作用。生生物物体体内内谷谷氨氨酸酸主主要要是是经经过过谷谷氨氨酰酰胺胺合合成成酶酶和和谷氨酸合酶这条双酶路径合成。谷氨酸合酶这条双酶路径合成。氨基酸合成专题知识专家讲座第44页10.4.2 氨甲酰磷酸合成氨甲酰磷酸合成同同化化氨氨另另一一路路径径是是氨氨甲甲酰酰磷磷酸酸形形成成：有有2种种酶酶能能够够催催化化NH3、CO2、ATP共共同同作作用用合合成成氨氨甲酰磷酸。甲酰磷酸。在氨甲酰激酶催化下：在氨甲酰激酶催化下：氨基酸合成专题知识专家讲座第45页氨甲酰磷酸合成酶催化反应氨甲酰磷酸合成酶催化反应在植物体内，氨甲酰磷酸中氨基来自谷氨酰在植物体内，氨甲酰磷酸中氨基来自谷氨酰胺而不是氨。胺而不是氨。氨基酸合成专题知识专家讲座第46页10.5 氨基酸生物合成氨基酸生物合成10.5.1氨基酸合成与转氨基作用氨基酸合成与转氨基作用生生物物机机体体内内各各种种转转氨氨酶酶催催化化反反应应都都是是可可逆逆，所所以以转转氨氨基基过过程程既既发发生生在在氨氨基基酸酸分分解解过过程程，也也发发生生在在氨氨基基酸酸合合成成。反反应应方方向向与与当当初初细细胞胞中中详细代谢需要相关。详细代谢需要相关。氨基酸合成专题知识专家讲座第47页转转氨氨酶酶广广泛泛存存在在于于动动植植物物体体内内。许许多多氨氨基基酸酸都都可可作作为为氨氨基基供供体体，其其中中最最主主要要是是谷谷氨氨酸酸，它它可可由由-酮酮戊戊二二酸酸与与无无机机态态氨氨合合成成，然然后后，再再经经过过转转氨氨基基作作用用转转给给其其它它-酮酮酸酸合合成成对对应应氨基酸。这么，谷氨酸便作为氨基转换站。氨基酸。这么，谷氨酸便作为氨基转换站。氨基酸合成专题知识专家讲座第48页氨基酸合成专题知识专家讲座第49页各种各种-酮酸主要来自糖代谢，因而酮酸主要来自糖代谢，因而-酮酸还原酮酸还原性氨基化作用与转氨基作用就成为糖代谢与性氨基化作用与转氨基作用就成为糖代谢与氨基酸、蛋白质代谢亲密联络一个主要方式。氨基酸、蛋白质代谢亲密联络一个主要方式。氨基酸合成专题知识专家讲座第50页10.5.2 各族氨基酸合成各族氨基酸合成动动植植物物和和微微生生物物氨氨基基酸酸合合成成可可能能含含有有相相同同路路径径。植植物物和和微微生生物物能能合合成成全全部部氨氨基基酸酸，而而动动物物只只能合成非必需氨基酸。能合成非必需氨基酸。依据氨基酸合成碳架起源不一样，可将氨基酸依据氨基酸合成碳架起源不一样，可将氨基酸分为若干族。在每一族里几个氨基酸都有共分为若干族。在每一族里几个氨基酸都有共同碳架起源。同碳架起源。氨基酸合成专题知识专家讲座第51页丙氨酸族丙氨酸族丙氨酸族包含丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸。丙氨酸族包含丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸。它们共同碳架起源是糖酵解生成丙酮酸。它们共同碳架起源是糖酵解生成丙酮酸。氨基酸合成专题知识专家讲座第52页氨基酸合成专题知识专家讲座第53页丝氨酸族丝氨酸族包含丝氨酸、甘氨酸和半胱氨酸。包含丝氨酸、甘氨酸和半胱氨酸。由由光光呼呼吸吸乙乙醇醇酸酸路路径径形形成成乙乙醛醛酸酸经经转转氨氨作作用用可可生成甘氨酸，甘氨酸还可缩合为丝氨酸。生成甘氨酸，甘氨酸还可缩合为丝氨酸。氨基酸合成专题知识专家讲座第54页氨基酸合成专题知识专家讲座第55页丝氨酸还有其它合成路径：丝氨酸还有其它合成路径：磷磷酸酸化化路路径径：丝丝氨氨酸酸碳碳架架来来自自糖糖酵酵解解中中间间产产物物3-磷磷酸酸甘甘油油酸酸(PGA)。3-磷磷酸酸甘甘油油酸酸经经脱脱氢氢、转氨、脱磷酸生成丝氨酸。转氨、脱磷酸生成丝氨酸。非非磷磷酸酸化化路路径径：3-磷磷酸酸甘甘油油酸酸脱脱去去磷磷酸酸生生成成甘甘油酸，再经氧化、转氨而生成丝氨酸。油酸，再经氧化、转氨而生成丝氨酸。氨基酸合成专题知识专家讲座第56页氨基酸合成专题知识专家讲座第57页由丝氨酸转变成半胱氨酸由丝氨酸转变成半胱氨酸氨基酸合成专题知识专家讲座第58页半胱氨酸一半胱氨酸一SH来自硫酸盐还原中间物来自硫酸盐还原中间物氨基酸合成专题知识专家讲座第59页谷氨酸族谷氨酸族谷谷氨氨酸酸族族氨氨基基酸酸有有谷谷氨氨酸酸、谷谷氨氨酰酰胺胺、脯脯氨氨酸酸和精氨酸。和精氨酸。它们碳架都是来自它们碳架都是来自TCA中间产物中间产物-酮戊二酸。酮戊二酸。关关于于谷谷氨氨酸酸及及其其酰酰胺胺合合成成过过程程，前前面面已已进进行行了了叙叙述述，谷谷氨氨酸酸转转变变为为脯脯氨氨酸酸和和精精氨氨酸酸反反应应以以下。下。氨基酸合成专题知识专家讲座第60页氨基酸合成专题知识专家讲座第61页这一族几个氨基酸合成关系以下这一族几个氨基酸合成关系以下氨基酸合成专题知识专家讲座第62页天冬氨酸族天冬氨酸族天天冬冬氨氨酸酸族族包包含含天天冬冬氨氨酸酸、天天冬冬酰酰胺胺、赖赖氨氨酸酸、苏氨酸、异亮氨酸和蛋氨酸。苏氨酸、异亮氨酸和蛋氨酸。它们碳架都来自它们碳架都来自TCA中草酰乙酸或延胡索酸。中草酰乙酸或延胡索酸。氨基酸合成专题知识专家讲座第63页天天冬冬氨氨酸酸及及其其酰酰胺胺合合成成 天天冬冬氨氨酸酸可可由由草草酰酰乙乙酸和谷氨酸经转氨基作用而生成：酸和谷氨酸经转氨基作用而生成：氨基酸合成专题知识专家讲座第64页在在一一些些植植物物体体内内，也也可可经经过过类类似似于于-酮酮戊戊二二酸酸还还原原性性氨氨基基化化反反应应，使使草草酰酰乙乙酸酸与与谷谷酰酰胺胺直直接作用，生整天冬氨酸。接作用，生整天冬氨酸。在在微微生生物物体体内内，天天冬冬酰酰胺胺合合成成是是在在天天冬冬酰酰胺胺合合成酶催化下进行。成酶催化下进行。氨基酸合成专题知识专家讲座第65页在在一一些些高高等等植植物物中中，天天冬冬酰酰胺胺合合成成酶酶以以谷谷氨氨酰酰胺为氨基供体。胺为氨基供体。氨基酸合成专题知识专家讲座第66页由天冬氨酸能够转变为赖氨酸、蛋氨酸、苏氨由天冬氨酸能够转变为赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸和异亮氨酸，这些反应过程都非常复杂冗酸和异亮氨酸这些反应过程都非常复杂冗长。长。氨基酸合成专题知识专家讲座第67页氨基酸合成专题知识专家讲座第68页氨基酸合成专题知识专家讲座第69页天冬氨酸族生物合成天冬氨酸族生物合成氨基酸合成专题知识专家讲座第70页组氨酸和芳香氨基酸族组氨酸和芳香氨基酸族包含组氨酸、酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸。包含组氨酸、酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸。组组氨氨酸酸合合成成过过程程较较复复杂杂，它它碳碳架架主主要要来来自自磷磷酸酸戊戊糖糖路路径径中中间间产产物物核核糖糖-5-磷磷酸酸。另另外外还还有有ATP、谷氨酸和谷氨酰胺参加。、谷氨酸和谷氨酰胺参加。氨基酸合成专题知识专家讲座第71页氨基酸合成专题知识专家讲座第72页芳芳香香氨氨基基酸酸碳碳架架来来自自磷磷酸酸戊戊糖糖路路径径中中间间产产物物4-磷磷酸酸赤赤藓藓糖糖和和糖糖酵酵解解中中间间产产物物磷磷酸酸烯烯醇醇式式丙丙酮酮酸酸(PEP)。这这二二者者化化合合后后经经几几步步反反应应生生成成莽莽草草酸酸(shkimkadd)，再再由由莽莽草草酸酸生生成成芳芳香香氨氨基基酸酸和和其其它它各各种种芳芳香香族族化化合合物物，称称为为莽莽草草酸酸路路径。径。氨基酸合成专题知识专家讲座第73页氨基酸合成专题知识专家讲座第74页氨基酸生物合成中碳架均来自呼吸作用或光呼氨基酸生物合成中碳架均来自呼吸作用或光呼吸作用中间产物，经一系列不一样反应，生吸作用中间产物，经一系列不一样反应，生成对应酮酸，最终经转氨作用而形成对应氨成对应酮酸，最终经转氨作用而形成对应氨基酸。基酸。氨基酸合成专题知识专家讲座第75页氨基酸合成专题知识专家讲座第76页10.5.3 一碳基团代谢一碳基团代谢一碳基团概念及生物学意义一碳基团概念及生物学意义在在代代谢谢过过程程中中，一一些些化化合合物物能能够够分分解解产产生生含含有有一一个个碳碳原原子子基基团团，称称为为“一一碳碳基基团团”或或“一一碳单位碳单位”。在在一一碳碳基基团团转转移移过过程程中中起起辅辅酶酶作作用用是是四四氢氢叶叶酸酸(FH4)。在在专专一一性性一一碳碳基基团团转转移移酶酶作作用用下下，携携带带着着一一碳碳基基团团四四氢氢叶叶酸酸可可将将其其一一碳碳基基团团转转移移给给其其它它化化合合物物。另另外外，(SAM)S-腺腺苷苷甲甲硫硫氨氨酸酸也是主要活化甲基供体。也是主要活化甲基供体。氨基酸合成专题知识专家讲座第77页常见一碳基团：常见一碳基团：亚氨甲基亚氨甲基 CH=NH甲酰基甲酰基 CHO甲基甲基 CH3羟甲基羟甲基 CH2OH 亚甲基亚甲基 CH2 次甲基次甲基 CH=氨基酸合成专题知识专家讲座第78页一碳基团转移除与许多氨基酸代谢有直接关系一碳基团转移除与许多氨基酸代谢有直接关系外，还参加嘌呤和胸腺嘧啶生物合成；生物外，还参加嘌呤和胸腺嘧啶生物合成；生物体内许多活性物质，如肌酸、卵磷脂、体内许多活性物质，如肌酸、卵磷脂、S-腺腺苷蛋氨酸等生物合成，都和一碳基团转移相苷蛋氨酸等生物合成，都和一碳基团转移相关。这些化合物中都含有活性甲基。关。这些化合物中都含有活性甲基。氨基酸合成专题知识专家讲座第79页一碳基团和氨基酸代谢一碳基团和氨基酸代谢许许多多氨氨基基酸酸都都和和一一碳碳基基团团相相关关。如如甘甘氨氨酸酸、丝丝氨氨酸酸、苏苏氨氨酸酸、组组氨氨酸酸等等，都都可可作作为为一一碳碳基基团供体。团供体。比比如如，甘甘氨氨酸酸经经脱脱氨氨基基作作用用，生生成成乙乙醛醛酸酸，即即可可在在酶酶催催化化下下，与与四四氢氢叶叶酸酸反反应应，生生成成N5，N10=CH-FH4。氨基酸合成专题知识专家讲座第80页丝丝氨氨酸酸既既可可直直接接与与FH4作作用用形形成成一一碳碳基基团团，又又可经过甘氨酸路径形成可经过甘氨酸路径形成N5，N10=CH-FH4。氨基酸合成专题知识专家讲座第81页一碳基团起源与转变能够总结一碳基团起源与转变能够总结氨基酸合成专题知识专家讲座第82页10.5.4 SO42 还原还原半半胱胱氨氨酸酸合合成成反反应应中中，有有硫硫化化物物 参参加加，此此处处硫硫化化物物是是由由硫硫酸酸还还原原而而成成，与与硝硝酸酸还还原原相相类类似似。在在细细菌菌、藻藻类类和和高高等等植植物物中中均均存存在在着硫酸盐还原过程。着硫酸盐还原过程。氨基酸合成专题知识专家讲座第83页植物由外界吸收硫酸盐植物由外界吸收硫酸盐(SO4)先经活化，然后先经活化，然后被还原。被还原。活化分两步进行：活化分两步进行：硫酸离子在硫酸离子在ATP硫酸化酶硫酸化酶催化下与催化下与ATP反应，生成腺苷酰硫酸反应，生成腺苷酰硫酸(APS)；APS在对应激酶催化下，在在对应激酶催化下，在3-位形成位形成磷酸酯，即磷酸腺苷酰硫酸磷酸酯，即磷酸腺苷酰硫酸(PAPS)。氨基酸合成专题知识专家讲座第84页APS(或或PAPS，视不一样生物而异，视不一样生物而异)还原能够有还原能够有不一样路径，在小球澡和高等植物内，不一样路径，在小球澡和高等植物内，APS将其硫酰基转移给一个含巯基载体，再被铁将其硫酰基转移给一个含巯基载体，再被铁氧还蛋白还原成载体氧还蛋白还原成载体-S-SH，即可用于合成，即可用于合成半胱氨酸。半胱氨酸。氨基酸合成专题知识专家讲座第85页