氨基酸合成.doc

氨基酸，核苷酸及相关分子的生物合成 PART 1. 氨基酸及相关生物分子的合成 氨代谢概述 氮气通过固氮作用变成氨 20种氨基酸的生物合成 其他由氨基酸衍生的生物分子的合成氮循环 氮可通过固氮酶复合物来固定 固氮作用：在固氮生物中将氮气转化为氨 Cyanobacteria (蓝绿藻, photosynthetic) rhizobia (根瘤菌, symbiont 共生生物 ) 硝化作用：进入土壤的氨被氧化成为硝酸盐而获得能量的过程。 反硝化作用：细菌通过在厌氧条件下将硝酸盐转化为氮气来实现固定的氮和大气中的氮的平衡的过程。 固氮复合酶的关键成分是二固氮酶还原酶和二固氮酶。固氮是通过一个具有高度还原状态的二固氮酶催化及摄取8个电子而实现的，其中6个电子用于还原氮气，2个电子用于产生1分子的氢气。且要求还原酶水解ATP用于还原二固氮酶。固氮过程中ATP起着催化作用而不是发挥热动力学效应。 氨通过谷氨酸和谷氨酰胺渗入到生物分子中谷氨酸通过转氨作用为其他大多数氨基酸提供氨基，谷氨酰胺中的酰胺氮也是大多数生物合成中氨基的来源。 将氨根离子吸收进谷氨酸的最重要的两个途径： 首先是谷氨酸和氨离子在谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase）催化下合成谷氨酰胺的反应。 在细菌和植物中，由谷氨酰胺经谷氨酸合酶（glutamate synthase）催化反应得到。 谷氨酰胺合成酶是氨代谢中一个主要的调控点 这种酶含有12个相同亚基，并且可以通过别构作用（allosterically）和共价修饰（covalent）进行修饰。 谷氨酰胺合成酶的别构调节 这酶受至少八种别构因子的累积性抑制，多数是谷氨酰胺代谢反应的产物。 谷氨酰胺合成酶的共价修饰 细菌中谷氨酰胺合成酶的Tyr残基能可逆的被腺苷酰化，这种共价修饰提高了别构抑制剂的敏感度。 腺苷酰化酶对变构抑制剂更敏感。 谷氨酰胺合成酶的AMP基团的添加和去除是被腺苷酰基转移酶（adenylyltransferase，AT）催化的。 腺苷酰转移酶的活性可通过结合到一种称为PII 的调节蛋白质上而进行调节。 共价修饰的机制： PII 是一种调节蛋白，它的活性是被PII 的一个Tyr残基的尿苷酰化共价修饰所调节的。腺苷酰转移酶复合物（AT）与尿苷酰化的PII 结合可引起谷氨酰胺合成酶去腺苷化，激活谷氨酰胺合成酶活性，而AT与脱尿苷酰化的PII结合则可以引起谷氨酰胺合成酶的腺苷酰化，抑制谷氨酰胺合成酶活性。 PII 的尿苷酰化和脱尿苷酰化都是由尿苷酰转移酶(uridylyltransferase)催化的 。 氨基酸的合成 几种反应在氨基酸和核苷酸的生物合成中担当重要角色，值得注意： 含有辅因子吡哆醛磷酸的酶催化的转氨反应和重排反应 利用四氢叶酸或S腺苷甲硫氨酸为辅因子的一碳单位转移反应 谷氨酰胺中的酰胺氮的转氨基作用： 转移谷氨酰胺的氨基的反应是由谷氨酰胺转酰胺酶催化的。 这种酶有两个结构域，其中一个结合谷氨酰胺，另一个结合作为氨基受体的第二个底物。 谷氨酰胺结合结构域中一个保守的半胱氨酸是公认的亲核基团，能够裂解谷氨酰胺的酰 胺键并形成一个共价的谷氨酰酶中间体。 在该反应中产生的氨停留在活性中心中，并与第二个底物反应产生氨基化产物。 所有的氨基酸都来源于糖酵解、三羧酸循环和戊糖磷酸途径的中间物。 氨是通过戊糖和谷氨酰氨进入这些途径 将这些生物合成途径根据代谢前体分为六类，有：酮戊二酸，3磷酸甘油酸，草酰乙酸，丙酮酸，磷酸烯醇丙酮酸和4磷酸赤藓糖，5磷酸核糖 10种非必需氨基酸有：丙，半胱，甘，脯，丝，络，天冬氨酸，天冬酰胺，谷氨酸，谷氨酰胺 10种必需氨基酸：精，组，异亮，亮，甲硫，赖，缬，苯丙，色，苏 氨基酸生物合成受别构调节 协同抑制：一种酶受到两种或以上调节物的抑制，这些调节物的总体效应不是简单加和。 连锁调节：酶的多样性避免由于了一种终产物关闭代谢途径的关键步骤而导致同一途径中某个必需的中间产物不能合成。 由氨基酸衍生的生物分子 氨基酸是很多特殊的生物分子的前体。 甘氨酸是卟啉的前体 哺乳动物中的血红素中的卟啉环由4个单吡咯衍生物胆色素原(8个甘氨酸和8个琥珀酰辅酶A)合成。 卟啉生物合成的遗传缺陷导致卟啉中间物积累而引起的多种疾病统称为卟啉症。 血红素降解生成胆色素 从死亡的脾脏红细胞中释放出来的血红蛋白的铁卟啉降解可得到铁离子和一种开环的四吡咯衍生物胆红素。 肝功能损伤或胆汁分泌受阻会引起胆红素渗进血液中导致皮肤和眼球发黄，这种病症称为黄疸。 肌酸和谷胱甘肽的合成需要氨基酸 肌酸(creatine) 肌酸和磷酸肌酸是能量储存、利用的重要化合物，“能量缓冲器”肌酸以甘氨酸为骨架，由精氨酸提供脒基，S-腺苷甲硫氨酸供甲基而合成肝是合成肌酸的主要器官在肌酸激酶（CPK）催化下，肌酸转变成磷酸肌酸肌酸和磷酸肌酸代谢终产物是肌酸酐。 谷胱甘肽（GSH）通常以高浓度存在于植物，动物和一些细菌中，可被认为是一种氧化还原缓冲剂。GSH的氧化还原功能也可用于消除正常生长过程和无氧代谢下产生的有毒过氧化物。GSH来源于甘氨酸，谷氨酸和半胱氨酸。这个三肽是在特殊的酶（不是核糖体）的催化下合成的谷胱甘肽可能有助于维持蛋白质的巯基处于还原态和血红素处于亚铁状态。反应由谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase）催化，该酶含有一个酶活性必需的与硒原子共价连接的硒代半胱氨酸（selenocysteine） D型氨基酸主要存在于细菌中 D型氨基酸在细菌细胞壁和肽类抗生素结构中具有特殊功能。 D型氨基酸是在以吡哆醛磷酸为辅酶的氨基酸消旋酶（racemases）作用下由L型氨基酸异构化生成的。 氨基酸的消旋作用（racemization）对细菌代谢尤为重要，因此象丙氨酸消旋酶之类的酶分子是药物分子的重要靶点。 氨基酸经脱羧（decarboxylation）生成生物胺 一些重要的神经递质，如5羟色胺， 羟基丁酸（GABA），去甲肾上腺素，肾上腺素等，都是由氨基酸的脱羧反应得到的。 脱羧反应 在氨基酸脱羧酶的催化，体内部分氨基酸可进行脱羧基作用生成相应的胺。 催化酶：氨基酶脱羧酶（辅酶为磷酸吡哆醛，PLP） 意义：生成的胺类物质常具有重要的生理功用或药理作用*胺氧化酶能将胺类物质氧化成醛类或酸类物质，从而避免胺类在体内蓄积。 重要的神经递质 -氨基丁酸(-aminobutyric acid,GABA)：抑制性神经递质，临床上可用Vit B6治疗妊娠呕吐和小儿搐搦.GABAh合成不足会导致羊角风的发作。 组胺（Histamine）：是一种很有效的血管舒张剂，也可刺激胃酸分泌。 5-羟色胺（5-hydroxytryptamine, 5-HT) ：脑内抑制性神经递质，外周组织收缩血管 牛磺酸 (taurine)：胆汁酸的组成成分 用于DNA组装的多胺来源于甲硫氨酸和鸟氨酸。通过抑制鸟氨酸脱羧酶可抑制非洲睡 眠症。 精氨酸是NO的前体。NO的N来自精氨酸的胍基。NO的合成是以精氨酸为底物的NADPH依赖型反应，其合成受NO合酶与钙调蛋白的相互作用激发。 小结1 大气中的氮气在某些特定组织中被还原成氨。2 氨通过谷氨酸和谷氨酰胺渗入到生物分子中3 谷氨酰胺转酰胺酶催化转移酰胺基到许多受体分子中。4 氨基酸大部分来源于糖酵解、三羧酸循环和戊糖磷酸途径的中间物。5 很多其他的生物分子（包括血红素，肌酸，谷胱苷肽，植物生长激素，神经传递素，多胺和一氧化氮等）都来自于氨基酸。PART 2. 核苷酸的生物合成和降解1. 嘌呤核苷酸的从头合成2. 嘧啶核苷酸的从头合成3. 核苷单磷酸转变为核苷三磷酸4. 核糖核苷酸是脱氧核糖核苷酸的前体5. 嘌呤和嘧啶的降解6. 嘌呤和嘧啶的补救合成7许多化疗药物以核苷酸生物合成过程中的酶作为靶标 总观 体内合成核苷酸有两种途径：从头合成途径（De novo synthesis）：从头合成途径的核苷酸合成起始于其代谢前体氨基酸，核糖5磷酸，二氧化碳和氨。补救途径（Salvage pathways）：再次循环利用核酸分解释放的游离碱基和核苷。 游离碱基如鸟嘌呤，腺嘌呤，胞嘧啶，胸腺嘧啶和尿嘧啶等不是合成的中间物，即并不是如想象中的那样在碱基合成后再与核糖作用。 嘌呤环的结构都是在与核糖体（PRPP）结合的条件下每步渗入一个或少数几个原子形成的。 嘧啶环的结构是先合成乳清酸（orotate），与核糖磷酸结合后再转化为常见的嘧啶核苷酸，进而合成核酸。 脱氧核苷酸是通过还原核苷酸来合成的。 嘌呤核苷酸从头合成途径起始于PRPP。 PRPP是由PRPP合成酶催化核糖5磷酸的反应合成。 核苷酸的生物合成 嘌呤核苷酸的从头合成 嘌呤环环原子的来源嘌呤环的原子来自甲酸，二氧化碳，甘氨酸，天冬氨酸和谷氨酰胺。 在真核细胞中，第1，3，5步反应由一种多功能蛋白催化。在细菌中，这些功能分别由不同的蛋白质执行，在其细胞中也可能存在庞大的非共价复合物。 IMP是合成嘌呤核苷酸的第一个中间产物。 催化合成次黄嘌呤核苷酸（IMP）的酶在细胞中是以大的多酶复合物的形式存在的。 IMP转化成AMP需要从一个来自天冬氨酸的氨基和GTP，转化为GMP需要从一个来自谷氨酰胺的氨基和ATP。 嘌呤核苷酸的生物合成受反馈抑制调节三个主要的反馈抑制协同调节着整个嘌呤核苷酸合成的从头合成途径： 第一个反馈抑制调节发生在嘌呤合成途径中所独有的第一步转移氨基到PRPP形成5磷酸核糖胺。此酶受到终产物IMP,AMP,和GMP的反馈调节。 第二个反馈抑制发生在较晚的阶段，GMP在细胞中的积累会抑制由IMP合成XMP的IMP脱氢酶，而不影响AMP的形成。同样，AMP的累积会抑制合成腺苷琥珀酸的腺苷琥珀酸合酶，而不影响GMP的合成。 第三个机制是在IMP转化成AMP是需要 GTP的参与，而ATP也是从 IMP向 GMP转化所必需的，这种相互调节使二者的合成达到平衡。 嘧啶核苷酸来源于天冬氨酸，PRPP和氨甲酰磷酸嘧啶核苷酸是先形成六元嘧啶环再与核糖5磷酸结合。嘧啶环（pyrimidine nucleotide）的从头合成 UTP 从谷氨酰胺或者氨离子那获得氨基并受CTP合成酶催化生成CTP嘧啶环的原子来自天冬氨酸，谷氨酰胺，碳酸氢根和PRPP。 在真核生物中，合成路线的前三中酶胺甲酰磷酸合成酶II，天冬氨酸转氨甲酰酶和二氢乳氢酸酶位于同一个三功能蛋白上，这个蛋白别名CAD。 嘧啶核苷酸生物合成受反馈抑制调节 天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）受嘧啶核苷酸合成途径的终产物CTP的反馈抑制。 天冬氨酸转氨甲酰酶由6个催化亚基和6个调节亚基组成。催化亚基结合底物分子，别构亚基结合别构抑制剂CTP。 当CTP没结合在调节亚基时，酶具有最大活性，当CTP逐渐积累并结合于调节亚基时，该酶便发生构象变化。 ATP可阻止CTP诱导产生的酶构象变化。 核苷一磷酸转化为核苷三磷酸 在核苷一磷酸激酶作用下ATP引发合成其他核苷二磷酸，核苷一磷酸激酶对碱基而言是专一性的，但对糖基如核糖或脱氧核糖来说是非特异性的。 在核苷二磷酸激酶的作用下，核苷二磷酸转化为核苷三磷酸。这种酶对碱基或者糖基而言不是特异的。 核苷酸是脱氧核苷酸的前体 脱氧核苷酸是由相应的核苷酸通过直接还原D型核糖2位碳原子而形成的。 这个反应由核糖核苷酸还原酶催化 核苷二磷酸的D核糖部分还原为2脱氧D核糖时需要提供一对氢原子，由硫氧还蛋白的NADPH提供，也可由谷氧还蛋白（GSH是其还原剂）提供。 胸苷酸从dCDP和dUMP衍生得到。 dUTP在dUTP酶的催化下转化为dUMP，这个反应必须高效进行以防dUTP的积累，阻止尿苷酸进入DNA的合成中。 dUMP向dTMP的转化由胸苷酸合酶来催化。氧化态的一碳单位从N5, N10-亚甲基四氢叶酸转移到dUMP，接着被还原为甲基，四氢叶酸被氧化为二氢叶酸。 由核苷酸还原酶和胸苷酸合酶催化的反应可能是转移RNA到DNA储存遗传信息位点的关键。 嘌呤和嘧啶的降解 嘌呤降解成尿酸在许多脊椎动物中尿酸在尿酸氧化酶的作用下进一步降解成尿囊素（allantoin）。 嘧啶降解产生尿素（urea） 胸腺嘧啶降解产生琥珀酰辅酶A，进入TCA。 鸟嘧啶和胞嘧啶的降解产生脂肪酸生物合成前体的丙二酰辅酶A 在某种程度上，嘧啶的分解代谢对细胞的能量代谢有贡献。 嘌呤和嘧啶碱基通过补救途径循环利用 腺苷磷酸核糖转移酶（Adenine phosphoribosyltransferase）催化由腺苷和PRPP合成AMP的反应。腺苷脱胺酶缺陷会引起严重的免疫缺陷，T淋巴细胞和B淋巴细胞不能正常发育。 次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（Hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase，HGPRT）催化合成GMP和IMP的反应。缺乏次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶会引发自毁容貌症。 高浓度的尿酸会引起痛风（gout）痛风症的主要缓解药物是别嘌呤醇（Allopurinol） 许多化疗药物以核苷酸生物合成过程中的酶为靶标 第一类例子中包括抑制谷氨酰胺转移酶的抑制剂，它们受谷氨酰胺的类似物重氮丝氨酸（azaserine）和阿西维辛（acivicin）的有效抑制。 另一种比较有效的化疗试剂氨甲蝶呤（Methotrexate），它是二氢叶酸还原酶的抑制剂。 其他有效的化疗药物的靶标是胸苷酸合酶和二氢叶酸还原酶，它们是细胞内合成胸