生物化学（下）：31氨基酸的合成

1、第十二单元第十二单元 蛋白质和氨基酸代谢蛋白质和氨基酸代谢 第第3030章章 蛋白质代谢和氨基酸代谢蛋白质代谢和氨基酸代谢(P298)第第3131章章 氨基酸及其重要衍生物的生物合成氨基酸及其重要衍生物的生物合成(P340)第第32章章 生物固氮生物固氮(P377)第第31章章 氨基酸及其重要衍生物氨基酸及其重要衍生物的生物合成的生物合成一、概论一、概论二、脂肪族氨基酸的生物合成二、脂肪族氨基酸的生物合成三、芳香族氨基酸及组氨酸的生物合成三、芳香族氨基酸及组氨酸的生物合成四、氨基酸生物合成的调节四、氨基酸生物合成的调节五、氨基酸转化为其他氨基酸及其他代谢五、氨基酸转化为其他氨基酸及其他代谢一一

2、、概述概述 凡是机体不能合成，必需从外界获得的氨基酸，称凡是机体不能合成，必需从外界获得的氨基酸，称为为必需氨基酸（必需氨基酸（essential amino acids）。）。苯丙氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、缬氨酸、亮氨酸、亮氨酸、苏氨酸、苏氨酸、色氨酸、组氨酸、精氨酸色氨酸、组氨酸、精氨酸 凡是机体可以合成的氨基酸则称为凡是机体可以合成的氨基酸则称为非必需氨基酸非必需氨基酸（nonessential amino acids）。）。必需氨基酸与非必需氨基酸：必需氨基酸与非必需氨基酸：氨基酸的分族合成氨基酸的分族合成柠檬酸循环柠檬酸循环-酮戊

3、二酸酮戊二酸（天冬氨酸族）（天冬氨酸族）（谷氨酸族）（谷氨酸族）草酰乙酸草酰乙酸谷氨酸谷氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺脯氨酸脯氨酸精氨酸精氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬酰胺天冬酰胺甲硫氨酸甲硫氨酸赖氨酸赖氨酸苏氨酸苏氨酸P341图31-1糖酵解糖酵解丙酮酸丙酮酸甘油甘油-3-3-磷酸磷酸丝氨酸丝氨酸半胱氨酸半胱氨酸甘氨酸甘氨酸丙氨酸丙氨酸缬氨酸缬氨酸亮氨酸亮氨酸（丝氨酸族）（丝氨酸族）（丙丙氨氨酸族酸族）P341图31-1糖酵解糖酵解磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸赤藓糖赤藓糖-4-4-磷酸磷酸苯丙氨酸苯丙氨酸酪氨酸酪氨酸色氨酸色氨酸戊糖磷酸途径戊糖磷酸途径核糖核糖-5-5-磷酸磷酸组氨酸组氨酸（芳香族氨基酸

4、）（芳香族氨基酸）P341图31-1氨氨基基酸酸生生物物合合成成简简图图氨基酸生物合成代谢简图20种种氨氨基基酸酸生生物物合合成成途途径径示示意意图图pTrpTyrPhe二二、脂肪族氨基酸的生物合成脂肪族氨基酸的生物合成(一一) 谷氨酸族氨基酸的生物合成：谷氨酸族氨基酸的生物合成： L谷氨酸，谷氨酸，L谷氨酰胺，谷氨酰胺，L脯氨酸脯氨酸 (二二) 天冬氨酸族的生物合成：天冬氨酸族的生物合成： L天冬氨酸，天冬氨酸，L天冬酰胺，天冬酰胺，L甲硫氨酸甲硫氨酸, L苏氨酸苏氨酸(三三) 丙酮酸族的生物合成：丙酮酸族的生物合成： L丙氨酸、丙氨酸、L缬氨酸、缬氨酸、L亮氨酸亮氨酸(四四) 丝氨酸族的生

5、物合成：丝氨酸族的生物合成： L丝氨酸、丝氨酸、 L甘氨酸、甘氨酸、 L半胱氨酸的生物合成及固硫作用半胱氨酸的生物合成及固硫作用 (一一) 谷氨酸族氨基酸的生物合成谷氨酸族氨基酸的生物合成l1、由、由-酮戊二酸形成谷氨酸酮戊二酸形成谷氨酸l2、由、由-酮戊二酸形成谷氨酰胺酮戊二酸形成谷氨酰胺l3、由、由-酮戊二酸形成脯氨酸酮戊二酸形成脯氨酸l4、L-精氨酸的生物合成精氨酸的生物合成l5、由、由-酮戊二酸形成酮戊二酸形成L-赖氨酸赖氨酸1、由由-酮戊二酸形成谷氨酸酮戊二酸形成谷氨酸l-酮戊二酸和氨基酸经转氨酶的作用即形成谷氨酮戊二酸和氨基酸经转氨酶的作用即形成谷氨酸。酸。 -酮戊二酸酮戊二酸+N

6、H+NH4 4+ +NADH+H+NADH+H+ +谷氨酸谷氨酸+NAD+NAD+ +H+H2 2O O谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶2、由由-酮戊二酸形成谷氨酰胺酮戊二酸形成谷氨酰胺l如前所示如前所示-酮戊二酸先经转氨作用形成酮戊二酸先经转氨作用形成L-谷氨酸，再经谷氨酸，再经谷氨酰胺合成酶催化形成谷氨酰胺合成酶催化形成L-谷氨酰胺，这一过程需谷氨酰胺，这一过程需ATP。CH2CNH2CH2HCNH3COO-+CH2CH2HCNH3COO-+COOPO32-CH2COO-CH2HCNH3COO-+谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶ATPATPADPADP谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶NHNH3 3PiPi

7、L-L-谷氨酸谷氨酸-谷氨酰磷酸中间体谷氨酰磷酸中间体谷氨酰胺谷氨酰胺3、由由-酮戊二酸形成脯氨酸酮戊二酸形成脯氨酸l 由由-酮戊二酸先生成谷氨酸，后者在谷氨酸酮戊二酸先生成谷氨酸，后者在谷氨酸激酶催化下由激酶催化下由ATP提供磷酸基团形成谷氨酰磷酸，提供磷酸基团形成谷氨酰磷酸，又在谷氨酸脱氢酶作用下将谷氨酸的又在谷氨酸脱氢酶作用下将谷氨酸的-羧基还原羧基还原形成谷氨酸形成谷氨酸- -半醛，然后自发环化形成五元环化半醛，然后自发环化形成五元环化合物合物二氢吡咯还原酶催化还原形成脯氨酸。二氢吡咯还原酶催化还原形成脯氨酸。( (二二) ) 天冬氨酸族的生物合成天冬氨酸族的生物合成l1、天冬氨酸的生

8、物合成、天冬氨酸的生物合成l2、天冬酰胺的生物合成、天冬酰胺的生物合成l3、细菌和植物、细菌和植物L-赖氨酸的生物合成赖氨酸的生物合成l4、甲硫氨酸的生物合成、甲硫氨酸的生物合成l5、苏氨酸的生物合成、苏氨酸的生物合成l6、异亮氨酸的生物合成、异亮氨酸的生物合成1、天冬氨酸的生物合成天冬氨酸的生物合成lL-天冬氨酸是由草酰乙酸接受由谷氨酸转来的氨天冬氨酸是由草酰乙酸接受由谷氨酸转来的氨基形式。催化这一反应的酶称为谷基形式。催化这一反应的酶称为谷-草转氨酶或称草转氨酶或称天冬氨酸天冬氨酸-谷氨酸转氨酶。谷氨酸转氨酶。COO-CH2COO-CO+谷谷- -草转氨酶草转氨酶COO-CH2COO-CN

9、H3H+-酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸草酰乙酸草酰乙酸2、天冬酰胺的生物合成天冬酰胺的生物合成l哺乳动物天冬酰胺的合成可能都是在天冬氨哺乳动物天冬酰胺的合成可能都是在天冬氨酸的酸的-羧基上转移一个谷氨酰胺的酰胺基而羧基上转移一个谷氨酰胺的酰胺基而成。催化该反应的酶称为天冬酰胺合成酶，成。催化该反应的酶称为天冬酰胺合成酶，需需ATP参与作用。参与作用。COOCOO- -CHCH2 2COOCOO- -C CNHNH3 3H H+ + +谷氨酰胺谷氨酰胺+ATP+ATPCONHCONH2 2CHCH2 2COOCOO- -C CNHNH3 3H H+ + +谷氨酸谷氨酸+AMP+PPi+H+AMP+P

10、Pi+H+ +天冬酰氨合成酶天冬酰氨合成酶(三三) 丙酮酸族的生物合成丙酮酸族的生物合成l1、丙氨酸的生物合成、丙氨酸的生物合成l2、缬氨酸和异亮氨酸的生物合成、缬氨酸和异亮氨酸的生物合成l3、亮氨酸的生物合成、亮氨酸的生物合成(四四)丝氨酸族的生物合成丝氨酸族的生物合成l1、丝氨酸和甘氨酸的生物合成、丝氨酸和甘氨酸的生物合成l2、半胱氨酸的生物合成、半胱氨酸的生物合成1、丝氨酸和甘氨酸的生物合成丝氨酸和甘氨酸的生物合成l从甘油酸从甘油酸-3-磷酸经三步简单反应可以生成丝氨酸磷酸经三步简单反应可以生成丝氨酸 n丝氨酸脱去羟丝氨酸脱去羟甲基可以转化为甲基可以转化为甘氨酸，这是氨甘氨酸，这是氨基酸

11、分解代谢中基酸分解代谢中甘氨酸转化为丝甘氨酸转化为丝氨酸反应的逆反氨酸反应的逆反应。应。 2、半胱氨酸的生物合成半胱氨酸的生物合成l甲硫氨酸降解时转甲基可以生成同型高半胱氨酸，甲硫氨酸降解时转甲基可以生成同型高半胱氨酸，后者与丝氨酸缩合后再水解可以生成半胱氨酸后者与丝氨酸缩合后再水解可以生成半胱氨酸 ，（见图见图），甲硫氨酸是一种必需氨基酸，因此半，甲硫氨酸是一种必需氨基酸，因此半胱氨酸应该视作必需氨基酸。胱氨酸应该视作必需氨基酸。三三、芳香族氨基酸及组氨酸的芳香族氨基酸及组氨酸的生物合成生物合成(一一)苯丙氨酸、酪氨酸及色氨酸的生物合成苯丙氨酸、酪氨酸及色氨酸的生物合成 (二二)组氨酸的生物

12、合成组氨酸的生物合成(一一)苯丙氨酸苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸酪氨酸和色氨酸l芳香族氨基酸的合成前体是糖酵解的中间产物磷芳香族氨基酸的合成前体是糖酵解的中间产物磷酸烯醇式丙酮酸（酸烯醇式丙酮酸（PEP）和戊糖磷酸途径的中间）和戊糖磷酸途径的中间产物赤藓糖产物赤藓糖4磷酸，当两者缩合转化为分支磷酸，当两者缩合转化为分支酸后，可以沿不同分支合成酪氨酸、苯丙氨酸或酸后，可以沿不同分支合成酪氨酸、苯丙氨酸或色氨酸。色氨酸。如图如图（二）（二）组氨酸的生物合成组氨酸的生物合成l组氨酸可从磷酸核糖焦磷酸（组氨酸可从磷酸核糖焦磷酸（PRPP）合）合成，反应途径较为复杂成，反应途径较为复杂如图所示如图所示四四、

13、氨基酸生物合成的调节氨基酸生物合成的调节l (一一) 通过终端产物对氨基酸生物合成的抑制通过终端产物对氨基酸生物合成的抑制 l（二）通过酶生成量的改变调节氨基酸的生物（二）通过酶生成量的改变调节氨基酸的生物合成合成 (一一) 通过终端产物通过终端产物 对氨基酸生物合成的抑制对氨基酸生物合成的抑制 1、简单的终端产物抑制、简单的终端产物抑制2、不同终端产物对共经合成途径的协同抑制、不同终端产物对共经合成途径的协同抑制 (一一) 通过终端产物通过终端产物 对氨基酸生物合成的抑对氨基酸生物合成的抑制制 3、不同分支产物对多个同工酶的特殊抑制、不同分支产物对多个同工酶的特殊抑制酶的多重酶的多重 性抑制

14、性抑制4、连续产物抑制，又称连续反馈抑制或逐步反馈抑制、连续产物抑制，又称连续反馈抑制或逐步反馈抑制 A A生成生成B B有两个酶催有两个酶催化，两个分支产物分化，两个分支产物分别对两个不同酶加以别对两个不同酶加以抑制。抑制。五五、氨基酸转化为其他氨基酸及氨基酸转化为其他氨基酸及其他代谢物其他代谢物(一一) 氧化氮的形成氧化氮的形成 (二二) 谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathion)(三三) 肌酸肌酸(creatine)的生物合成的生物合成 (四四) 卟啉卟啉(porphyrin)，血红素，血红素(Heme)的生物合成的生物合成(五五) 短杆菌肽短杆菌肽5(gramicidin S)(六六)

15、D-氨基酸的形成氨基酸的形成(一一)氧化氮的形成氧化氮的形成 氧化氮（氧化氮（ NO ）是脊椎动物体内一种重要的信息分子。）是脊椎动物体内一种重要的信息分子。 NO可自由跨膜扩散，存在的时间很短，短至几秒钟。可自由跨膜扩散，存在的时间很短，短至几秒钟。 一氧化氮起着信使分子的作用。当内皮要向肌肉发出一氧化氮起着信使分子的作用。当内皮要向肌肉发出放松指令以促进血液流通时，它就会产生一些一氧化氮分放松指令以促进血液流通时，它就会产生一些一氧化氮分子，这些分子很小，能很容易地穿过细胞膜。血管周围的子，这些分子很小，能很容易地穿过细胞膜。血管周围的平滑肌细胞接收信号后舒张，使血管扩张。平滑肌细胞接收信

16、号后舒张，使血管扩张。 氧化氮合酶（氧化氮合酶（NOSNOS）可以将精氨酸转化为）可以将精氨酸转化为NONO和瓜氨酸。和瓜氨酸。瓜氨酸瓜氨酸精氨酸精氨酸NOSNOSNOSNOS(一一)氧化氮的形成氧化氮的形成 l已知已知NOS有三种类型：内皮细胞型有三种类型：内皮细胞型NOS，神经细胞型，神经细胞型NOS和白细胞型和白细胞型NOS。l内皮细胞中产生的内皮细胞中产生的NO是血管舒张的信号分子是血管舒张的信号分子，可使，可使血管周血管周围围的平滑肌舒张，的平滑肌舒张，促进血液流通促进血液流通。l神经细胞中产生的神经细胞中产生的NO可使大脑和其它动脉扩张，脑组织中可使大脑和其它动脉扩张，脑组织中NO

17、S含量最高，说明含量最高，说明NO是中枢神经系统功能所必需的是中枢神经系统功能所必需的。l白细胞中产生的白细胞中产生的NO是其细胞毒储备库中的一部分，是其细胞毒储备库中的一部分，NO与与超氧化物产生的高反应性羟基自由基，可杀死入侵的细菌超氧化物产生的高反应性羟基自由基，可杀死入侵的细菌。(二二)谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathion)还原型谷光甘肽还原型谷光甘肽 谷光甘肽有巯基，能保护血液中红细胞不受氧化损伤。谷光甘肽有巯基，能保护血液中红细胞不受氧化损伤。正常情况下，还原型谷光甘肽与氧化型谷光甘肽的比例是正常情况下，还原型谷光甘肽与氧化型谷光甘肽的比例是500500：1 1。在机体中发挥抗氧

18、化及解毒等重要作用。在机体中发挥抗氧化及解毒等重要作用。谷胱甘肽还原型还原型氧化型氧化型2GSH2GSSGOxidation-2H+ -2e-+2H +2e-Reduction(三三)肌酸肌酸(creatine)的生物合成的生物合成 转脒基酶转脒基酶S-S-腺苷高半胱氨酸腺苷高半胱氨酸S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸甲基转移酶甲基转移酶甘氨酸甘氨酸精氨酸精氨酸鸟氨酸鸟氨酸胍基乙酸胍基乙酸肌酸肌酸 磷酸肌酸磷酸肌酸在肌肉和神经在肌肉和神经组织中发挥重组织中发挥重要的作用要的作用。 在肌肉或其他兴奋性组织（如脑和神经）中在肌肉或其他兴奋性组织（如脑和神经）中由肌酸与磷酸组成的一种高能磷酸化合物。是高由肌酸与磷酸组成的一种高能磷酸化合物。是高能磷酸基的暂时贮存形式。由肌酸磷酸激酶调节能磷酸基的暂时贮存形式。由肌酸磷酸激酶调节其合成和降解，以缓冲其合成和降解，以缓冲ATPATP的浓度。的浓度。 磷酸肌酸磷酸肌酸(四四)卟啉卟啉(porphyrin)，血红素血红素(Heme)的生物合成