生化课件-中文翻译

章氨基酸的生物合N是氨基酸的关键元素。大气中N2的含量丰富，但是反应性极低。有些生物，如细菌，黄色苜缩根瘤，能够将N2转化成氨。氨气可以首先用来合成谷氨酸，后者能够用来合成其它氨基酸。的很多在生物合成中也起关键作用。这些共同的使使能量传导途径（分解代谢）和生物合成酸、神经递质、和辅基如卜啉环）生物合成的N源。由于很多高等生物，包括人类，已经失去了一些氨基,N是氨N元素，但是主要以N2的形式存在。N2相当于一种惰性气体。因此生物系统的一个基本问题是获得足量的可以利用的N一些微生物能够将N2还原成两分子氨气能够解决这个问题。这种还原的方式是生物化学最迷人的方式。所有氨基酸的合成可以利用氨气的N原子。生物合成途径必须高度忠实地产生正确的异构体。形成这19种手性氨基酸的生物合成途径中，碳原子的手性是利用PLP辅基的转氨酶促反应建立的。催化这些反应的转氨酶，几乎全都来自同一祖先，再次说构调节保证所有20种氨基酸浓度水平足以支持蛋白质合成和其他相关的生物过程。N固定：微生物利用ATP和一种强还原剂将大气的N2还原成氨N本质上来自大气N2。生物固氮途径就是将大N2还原成氨气。生物合成途径就是从生物固氮开始的。N2的化学键非常稳定，达到940kJmol-1,对化学的将N2还原成氨气是热力学有利的化学过程。但是因反应途径的不稳定，使这个反应在动力学上难于虽然高等真核生物不能固定N，因此生物固氮由一些细菌和古生菌执行。共生细菌根瘤菌侵入豆科植是采用工业方法固定的。工业固氮的化学方法是1910年FritzHarber建立的，至今仍在化肥厂使用。N2+3 2化学固氮是将N2和H2混合，在催化剂铁催化下，于500℃、300两种蛋白质：还原酶提供高还原势能的电子，而固氮酶能够利用前者制造的电子将N2还原成氨气。电子自还原酶向固氮酶的转移伴随着还原酶对ATP的水解（图24.1）。固氮酶复合物受O2的强烈抑制。豆科植物根部豆血红蛋白结合O2，使根部的游离N2浓度很低。豆血红蛋白与血红蛋白同源（p170)。24.1N固定。电子自铁氧还蛋白经还原酶（铁蛋白）到达固氮酶（Mo-Fe蛋白）将N2还原成NH3。还原酶水解ATP驱动的构象变化是电子有效转移所必需的原则上将N2还原成氨气是一个6电子过程。N2+6e+6 2但是生物系统每还原1分子N2过程中，除了产生2分子氨气外，还至少要生成1分子H2。因此还需要输入2个电子。N2+8e+8H+ 2NH3+H2生的。每转移2个电子需要水解2分子ATP。因此还原一分子N2至少要水解16分子ATPN2+8e+8H++16ATP+16 2NH3+H2+16ADP+16ATP水解并不是将N原子还原反应变成有利热力学所需要的，而是降低反应的活化自由能，使反应固氮酶的铁钼辅助因子结合并还原大气的S子合前曾，硫是子体（51。个物还酶分也为蛋）二聚30de-4S（图4224.2Fe蛋白。这个蛋白质是一个二聚体。两个多肽链之间用一个4Fe-4S簇连接。注意每个亚基是一P-loopNTPase的成员，含有一个ATP结合位点给N还原反应中心。ATP结合区域与G蛋白及相关蛋白的核苷酸结合位点明显相关，显示它属于P-loopNTPase的成员（9.4节。此处我们看到又一例进化过程中反复使用的结构域，用以构建能够将ATP图24.3MoFe蛋白。此蛋白质是异源PFeMo辅助因子。每个P簇有8个铁原子（绿离子，固氮酶组分常被称为钼-铁蛋白（MoFe蛋白。FeMo辅助因子有两个M-3Fe3S簇，其中钼离子占据每个簇的M位点、而铁占据另一个簇的M位点。三个S离子和一个中心原子将两个簇连接在一起。这个中心原子的本质还不清楚。FeMo辅助因子还与高柠檬酸部分和亚基的一个组氨酸和一个丝氨酸形成配位键。这个FeMo辅助因子与亚硫酸盐氧化酶和其他含钼酶的含Mo辅基明显不同。还原酶的电子进入固氮酶的P簇。P簇位于亚基的界面。P簇的作用是电子备用于还原FeMo辅基的氮。FeMo辅助因子是固氮位点。FeMo辅助因子的一面似乎是N的还原位点。在还原过程中，从P簇转移电子的反应与氢离子与N的结合反应协同进行。现在还在研究这个反应的机制。氨65N供体，其侧链N4和檬循戊酸谷酸氢催成氨。氨酸解分们经（p66。谷酸氢的别于至有些物谷酸氢不区分H和。NH4++酮戊二酸+NADPH+ 谷氨酸+NADP++西呋碱易于质子化。在第二步反应，质子化的西呋碱被NADPH还原成谷氨酸这步反应建立碳原子的立体化学，使谷氨酸的碳原子绝对构型呈S型，因此这个反应非常关键。酶与酮戊二酸底物结合使NADPH的H离子加入只能形成L-型谷氨酸（图24.4）。后面看到，转接磷酸化谷氨酸侧链的羧基，形成酰基磷酸。后者与铵离子反应生成谷氨酰胺。24.4手性的建立。在谷氨酸脱氢酶的活性位点，NADPH的H离子转移给酮戊二酸西呋碱（质子化）的特定面，形成L-谷氨酸。酰基磷酸形成后酶蛋白才形成铵离子的高亲和性位点。铵离子特定的结合位点能够水分子对酰基磷酸的水解，从而避免ATP的浪费。谷氨酰胺合成酶的调节在控制N代谢方面起关键作用（24.3）酶。谷氨酸合成酶催化酮戊二酸还原成谷氨酸。谷氨酰胺是此反应的N供体。 酮戊二酸+谷氨酰胺+NADPH+ 2谷氨酸+在酶分子中，谷氨酰胺的侧链酰胺被水解成铵离子，再现N代谢。当NH4+有限，则依次用谷氨酰胺NH4++酮戊二酸+NADPH+ 谷氨酸+NADP++ADP+1胺左右当铵离子采用如此耗能的途径合成谷氨酸？原因在于谷氨酸脱氢酶对NH4+1胺左右当铵离子很高。因此，在NH4+浓度很低的情况下，消耗ATP是为了捕获NH4+。24.5细菌和植物氨基酸的生物合成。主要的代谢前提用蓝色涂出，生成的氨基酸用黄色涂出。必需氨14.2从柠檬酸循环和其他主要代谢途径的形成氨基至今，我们已经介绍了N2转化成NH4+和利用NH4+合成谷氨酸和谷氨酰胺的生物过程。现在我们介征：它们的碳骨架来自糖酵解、戊糖磷酸途径、和柠檬酸循环途径的。基于碳骨架的来源，氨基酸可以分为六类（图24.5）大多数微生物如大肠杆菌能合成全部的20种氨基酸，而人类不能合成其中的9种氨基酸。这些氨基酸必需从膳食获得，因此成为必需氨基酸(表24.1)。这些称呼与在特定条件下对氨基酸的需求有关。即使一种氨基酸缺乏也会导致N的负平衡（negativenitrogenbalance)。在这种情况下，分解蛋白质比合成的蛋白质多，外排N比摄取N。苯丙氨酸转化成酪氨酸。但是，如果苯丙氨酸含量不足，则需10步反应合成酪氨酸。下面我们先介绍图24.6必需氨基酸和非必需氨基酸。有些氨基酸是人类的非必需氨基酸，我们可以用少数几步酶促反应有酮，酮二、酰酸和，加反就以化氨酸前介(p83草酰乙酸+谷氨 天冬氨酸+酮戊二 +谷氨 +酮戊二酸与吡多醛磷酸形成西呋碱，是分子内醛胺（图24.7）。经过多步反应，谷氨酸的氨基转移形成吡多胺磷P生合的氨都天氨转酶异化产氨酸列对两氨酸全保守，即与P（258（图2.1在转氨反应中一个必需步骤是琨型的质子化形成酶分子外醛胺。所形成氨基酸的手性有质子加样赖氨酸只能从琨型分子的一面添加质子，导致醛胺的CL-型。24.7（1）在转氨酶内部的醛胺与谷氨酸经过多步反应（没有显示）转化成吡多胺磷酸（PMP）（2）PMP再与酮酸反应产生酮胺（3）此酮胺转化成琨型（4）。琨型图24.8质子加入的立体化学。在转氨酶活性位点，赖氨酸质子从琨型底部加入，决定了氨基酸产物成L-型。保守精氨酸与酮酸的羧基相互作用有助于建立合适的琨型的几何排布。天冬酰胺+NH4++ 天冬酰胺+AMP+PPi+因此ATP的水解产物是AMP和PPi，而不是ADPPi哺乳动物合成天冬酰胺的N供体不是铵离子，而是谷氨酰胺。谷氨酰胺侧链水解产生的铵离子直接酸（脯氨酸和精氨酸）的合成前体。首先谷氨酸的羧基与ATP反应生成酰基磷酸。再用NADPH将这谷氨酸半醛环化脱水生成△1-吡咯啉5-羧酸。此反应不需要酶催化。用NADPH还原生成脯氨酸。此3-磷酸甘油酸是糖酵解的中间产物。第一步反应转化成3-磷酸羟基酸。经过转氨反应生成3-磷酸丝氨酸+四氢叶 甘氨酸+甲叉四氢叶酸+此反应用丝氨酸羟甲基转移酶催化。此酶是PLP酶，与天冬氨酸氨基转移酶同源。因丝氨酸与PLPp-氨基苯甲酸，和一个或多个谷氨酸残基（图24.9）。哺乳动物能合成蝶呤环，但不能与其它两个成分连一碳单位结合于四氢叶酸的N5或N10位N原子（称为N5和N10)，或者同时与这两个N原子结合。四氢叶酸携带的一碳单位是可以相互转化（图24.10）。N5,N10-次甲基四氢叶酸可以被还原成N5-甲基四氢叶酸、或被氧化成N5,N10-烯甲基四氢叶酸。N5,N10-烯甲基四氢叶酸可以被转化成N5-亚胺甲基四氢叶酸或N10-亚胺甲基四氢叶酸。N5-或N10-亚胺甲基四氢叶酸的一碳单位的氧化状态相同。四氢叶酸、甲酸、和ATP可以一道合成N10-甲酰四氢叶酸。N5-甲酰四氢叶酸能可逆地转化成N10-甲酰四氢叶酸或N5,N10-烯甲甲酸+ATP+四氢叶 N10-甲酰四氢叶酸+ADP+24.10这些四氢叶酸衍生物充当一碳单位的供体，用于不同的生物合成反应。将N5-甲基四氢叶酸的佳绩转移给高半胱氨酸，再生甲硫氨酸。在第25章看到嘌呤的一碳原子来自N10-甲酰四氢叶酸。胸腺嘧啶的甲基来自N5,N10-甲叉四氢叶酸。四氢叶酸携带的一碳单位也可以用来与CO2NH4+一道，在甘氨酸CO2+NH4++N5,N10-甲叉四氢叶酸+ 甘氨酸+四氢叶酸+碳单位的主要来源是丝氨酸易于转化成甘氨酸，同时产生N5,N10-甲叉四氢叶酸。丝氨酸来自3-磷酸甘油四氢叶酸的N5原子携带的甲基，其转移势能不是很高，因此大多数生物合成的甲基不是来自四氢叶酸携带的甲基。活化的甲基供体通常是S-腺苷甲硫氨酸（SAM）ATP的腺苷转移给甲硫氨酸的S原子，生成S-腺苷甲硫氨酸。甲硫氨酸的甲相邻的硫原子携带正电荷被活化，其反应活性比N5-甲基四氢叶酸的活性大得多。S-腺苷甲硫氨酸生物合成的特别之处在于ATP的三个磷酸被裂解成焦磷酸和磷酸；而焦磷酸接着被水解成磷酸。S-腺苷甲硫氨酸的甲基被转移给受体后，生成S-腺苷高半参与此反应的辅酶是维生素B12的衍生物，即甲基钴胺素。实际上此反应和甲基丙二酸单酰CoA排成琥珀酰CoA的催化酶同源。这两种酶是哺乳动物唯一的依赖于B12的两种酶。很多生物还有一种不依赖于维生素B12的酶，能够将高半罐苷酸转化成甲硫氨酸。结合转化成转移能量更高的甲基（即与甲基相连的S原子带正电荷，甲基的亲电性更强。转移势能更高24.11活化甲基循环。甲硫氨酸与腺苷化形成S-腺苷甲硫氨S-腺苷甲硫氨酸修饰的受体分子中有DNA的碱基。DNA甲基化能够保护DNA免收限制性内切酶（9.3节。需要甲基化的碱基从DNA双螺旋翘出，深入DNA甲基化酶的活性位点。在活性位点接受24.12DNA甲基化。DNA甲基化酶的结构显示DNA双螺旋需要甲基化的碱基翘出，深入依赖于SAM的甲基化酶的活性中心。物。随后环丙烷衍生物氧化，生成乙烯。2000多年前古希腊哲学家Theophrastus就认识到用铁爪刺破埃及乙烯是果实的元凶，因此人们花了很大力气阐明乙烯生物合成的途径。活化甲基循环除了提供甲硫氨酸合成前体之外，高半胱氨酸也是半胱氨酸合成的。丝氨酸和高氨，断裂成半胱氨酸和酮丁酸。这两种酶均使用PLP，与天冬氨酸氨基转移酶同源。净反应是高半胱氨酸+丝氨 半胱氨酸+酮丁酸+醛磷酸是维生素B6的衍生物是胱硫醚合成酶活性必需的因子。这个酶催化反应将高半胱氨酸转化成胱硫醚；四氢叶酸及维生素B12提供甲基使高半胱氨酸转化成甲硫氨酸。-环化成-（ehyrouiae3脱氢莽草酸。接着为HP将莽酸酸莽草酸-酸莽酸3磷再次磷烯式缩成醇类中-（lyhoae一广的草，产生5烯式草酸-酸非争抑剂这药物植的香氨基合，是动没（因于物有成氨酸酶。应，其机理类似于有机化学的Diels-Alder反应。随后脱水和脱羧反应生成苯酸。此外，prephenate也可以氧化脱羧产生p-羟基苯酸。经过转氨反应将这些酮酸分别转化成丙氨酸和酪氨酸。24.14苯丙氨酸和酪氨酸的合成。分支酸可以转化成prephenate，后者随后被转化成苯丙氨酸和酪氨24.15介绍了从分支酸起始合成色氨酸的代谢途径。分支酸获得谷氨酰胺侧链水解释放的氨基，转糖磷酸的活化形式，也是合成组氨酸、嘧啶核嘌呤核苷酸的重要前体）缩合，核糖磷酸C-1原子与邻氨基苯甲酸的N原子形成共价键（能量来自焦磷酸的释放和水解。磷酸核糖邻氨基苯甲酸的核糖部分发生重排，生成1-（o-羧基苯胺）-1-脱氧核酮糖5-磷酸。然后脱水脱羧生成吲哚3-甘油磷酸。吲哚3-甘油磷酸断裂生成吲哚。吲哚与丝氨酸反应生成色氨酸。由色氨酸合成酶催化的最后几步将吲哚3-甘油磷酸切除24.15色氨酸合成。分支酸转化成邻氨基苯甲酸，后者进一步转化成色氨酸磷酸转化成吲哚，而每个b-亚基有一个含有PLP的活性位点，催化吲哚与丝氨酸缩合成丝氨酸。丝氨酸与PLP形成西呋碱，然后脱水形成西呋碱氨基丙烯酸。吲哚这个形成色氨酸。这个酶蛋白的三维结构与前面介绍的天冬氨酸氨基转移酶和其他PLP酶不同。出。氨合酶解这问。在聚中，基活位与邻亚5A（图2.17亚-基能成哚这反是物行的酶合催的显子通能增加化度而能消副应此避了间物失在第25张们会绍道物 24.16色氨酸合成酶结构。两个亚基和两个亚基形成的复合物。注意，PLP（吡多醛磷酸）图24.17底物通道。色氨酸合成酶有一个长度达25A的通道连接亚基的活性位点（黄色）亚基（蓝色）活性位点的PLP辅基（红色在31章介绍。产物（Z）常常抑制这个决定命运的酶促反应（即A转化成B).的反应是3-磷酸甘油酸脱氢酶催化，将3-磷酸甘油酸氧化。大肠杆菌3-磷酸甘油酸脱氢酶是同一亚基构此，胞内丝氨酸含量丰盛，酶活性受到抑制，就不会浪费3-磷酸甘油酸。后者还是其他代谢途径的关键24.183-磷酸甘油酸脱氢酶的结构。此酶催化丝氨酸合成的决定步骤，受丝氨酸抑制。此处显示与两个氨酸、亮氨酸、异亮氨酸合成。它们共同的是羟乙基硫氨素焦磷酸。羟乙基TPP与酮丁酸反应，最后生成异亮氨酸；羟乙基TPP与丁酸反应，最后生成缬氨酸和亮氨酸。因此酮丁酸和酸的相对浓度决定多少异亮氨酸可以合成（与亮氨酸和缬氨酸相比。苏氨酸脱氨酶是一种PLP酶，催化苏氨酸脱氨形成酮丁酸。此酶受异亮氨酸别构抑制（24.19）。此酶还受到缬氨酸的别构激活。因此24.19苏氨酸脱氨酶所受的调节。苏氨酸脱氨转化成酮丁酸是合成异亮氨酸的决定步骤。此酶受异氨酸结合单位，每个单位可以结合2分子丝氨酸。苏氨酸脱氨酶的两个两个调节结构域融合成一个单位，24.20多次使用的调节结构域。3-磷酸甘油酸脱氢酶两个亚基形成的调节结构域在结构上与苏氨酸脱氨酶一条多肽链形成的调节域在结构上很相似。注意这两种结构4个螺旋，8个链，而且它们在结构化是合成苏氨酸、甲硫氨酸、和赖氨酸的决定步骤。大肠杆菌有三种酶催化天冬氨酸磷酸化（图24.21）这三种酶的催化结构域的氨基酸一致性约30%。尽管这三种酶的酶促反应机制完全相同，但是它们的调节24.21天冬氨酸激酶的结构域。各种酶能够催化合成特定氨基酸的决定性步骤。上面是甲硫氨酸，中间4、和P12个完一的基成每亚基有0k这亚排成个边环。ltdman此调控N（6生物合成的N谷氨酰胺合成酶活性也受到可逆共价修饰修饰的调节。AMP与谷氨酰胺合成酶各亚基特定酪氨酸残酶更为强烈。磷酸裂解作用能够脱去修饰酶的腺苷酸。AMP与蛋白质的连接是酶促级联反应的最后一么因素决定蛋白质是AMP化还是去腺苷酸？腺苷酸转移酶的特异性受调节蛋白（称为P或PII）控制。调节蛋白是三聚体，有两种结构状态，分别是PA和PD。PA与腺苷酸转移酶形成的复合物能够催化，将AMP连接于谷氨酰胺合成酶的催化亚基，降低其催化活性。相反，PD与腺苷酸转移酶形成的复合物能够 图24.22酶活性受腺苷酸化调节（A）（B）酪氨这里又引入了另一种可逆共价修饰。当PA特定为点的酪氨酸残基与UMP共价连接，PA转化成（图24.23）。此反应受尿苷酸转移酶催化。ATP和酮戊二酸激活尿苷酸转移酶活性，而谷氨酰胺抑制此酶的活性。PDUMP水解反应受谷氨酰胺促进、受酮戊二酸抑制。这两种相反的酶促反应存在于同图24.23更高一级水平级联调控谷氨酰胺合成酶的活性。PA和PD调控蛋白控制腺苷酸化酶的反应特异细胞N代谢的整合需要输入很多信号并进行加工。此外调节蛋白P也调节谷氨酰胺合成酶和参与N代谢的其它酶蛋白的表达。进化建立的级联调节提供了很多调节位点，使之能更为精细地调节细胞的NDNA、RNA、和众多辅酶的前体，即嘌呤和嘧啶，其主要原料是氨基酸。我们在第25章将详细介绍。鞘氨醇（合成鞘氨酯的）的末端来自丝氨酸。组胺是很强的血管收缩剂，是组氨酸脱羧的产5-羟色胺（serotonin）和NAD+的烟酰胺环来自色氨酸。现在我们详细讨论用氨基酸合成三种重要的生物24.25谷胱甘肽。这个三肽有一个半胱氨酸，两侧分别是甘氨酸和谷氨酸。谷氨酸与半胱氨酸之间用谷动物细胞内谷胱甘肽浓度很高，约5mM。这些谷胱甘肽能够充当巯基缓冲液，能够保护血液细胞免受氧化损伤(p586)。还原型GSH和氧化型GSSG之间进行循环。氧化型谷胱甘肽用一个二硫键将两个三2GSH+RO- GSSG+H2O+谷胱甘肽还原酶将GSSG还原成GSH。谷胱甘肽还原酶是黄素酶，还原用的电子供体是NADPH。大多数细胞内GSH与GSSG之间的比值超过500。谷胱甘肽在脱毒方面起重要作用，GSH能够能够与需要有一个半胱氨酸的硒衍生物，即硒代半胱氨酸。这个酶蛋白的Se－将过氧化物还原成醇，自身变成氧化的硒酸（E-SeOH）。谷胱甘肽进入，反应生成E-Se-S-G。第二个GSH进入，反应之后恢复谷胱甘肽氧化酶活性，同时释放氧化型谷胱甘肽（GSSG，图24.27）24.26谷胱甘肽过氧化物酶的结构。谷胱甘肽过氧化物酶在过氧化物脱毒方面起作用。此酶的活性位点24.27谷胱甘肽过氧化物酶的催化循环。精氨酸形成的NO是短命的信号分子一氧化氮（NO）是脊椎动物信号传导的一个重要分子。例如NO能够刺激线粒体生成。一氧化氮合成酶催化，精氨酸经过复杂反应生成NO。合成NO需要NADPH和O2（图24.28）。NO与可溶性鸟苷酸环化酶结合活化鸟苷酸环化酶。鸟苷酸环化酶是信号传导途径的一个重要酶（32.3节。此酶与腺苷酸环化酶同源，但是结合NO的结构域有血红素。用甘氨酸和琥珀酰CoA“ 氨酸15N“ 氨酸15N含量达到35%，花费1000U$194512月，我开始消化这些标记的甘氨酸。由于我们不知道相对大量的稳定N元素对试验结果的影响，以为连续服用这样的甘氨酸能够达到15N 小时服用1克甘氨酸，连续服用67小时......每个一段时间 理后确定不同血液蛋白的15N含量24.28NO的合成。精氨酸氧化产生NO14C标记刚刚出现时，DavidShemin采用14C标记发现鸭子又和红细胞血红素的8个碳原子来自甘氨酸的C原子，而甘氨酸的羧基并不参与卜啉环。后续研究证实卜啉环其余的26个碳原子来自乙酸。而且这26个碳原子中有24个来自乙酸的甲基碳原子，只有两个碳原子来自乙酸的羧基（图24.29）24.29血红素标记。同位素标记研究确定血红素原子的