第15章-氨基酸及其重要衍生物的生物合成课件

第十五章氨基酸及其重要衍生物的生物合成，生物固氮作用凡是机体不能自己合成，必需来自外界的氨基酸，称为必需氨基酸。这一名称来源于用大白鼠所作的实验。若在喂饲大白鼠的膳食中缺乏苯丙氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸、色氨酸、缬氨酸、组氨酸或精氨酸(对幼小动物需要)等10种氨基酸的任何一种，动物都不能正常生长而得名。凡机体能自己合成的氨基酸称为非必需氨基酸。人类和大白鼠的必需氨基酸种类是相同的。高等植物有能力合成自己所需的全部氨基酸，而且既可利用氨又可利用硝酸作为合成氨基酸的氮源。微生物合成氨基酸的能力有很大差异，例如大肠杆菌可合成全部所需氨基酸，而乳酸菌却需从外界获取某些氨基酸。氨基酸生物合成的研究大多以微生物作为材料。这不仅因为取材方便，最大的优越性是比较容易地将遗传和生物化学技术结合起来。应用遗传突变技术可获得在合成氨基酸方面具有各种特点的遗传突变株。

若将氨基酸的生物合成反应步骤用下列反应式表示：

式中A代表某种氨基酸生物合成前体物质，B、C、D、E代表不同的中间产物，酶(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、IV、V)代表不同的酶，F代表产物，即某种氨基酸。

突变株微生物的同一种氨基酸的正常合成路线在发生变异的步骤受阻可用下式表示：上式表明当酶Ⅲ缺失时，此突变株培养液中即大量积累中间产物C。通过对中间产物C的测定，即可判断某种氨基酸(F)的一个中间代谢环节。

通过这些方法的结合使用，已将构成蛋白质20种氨基酸的生物合成途径基本阐明。

不同氨基酸的生物合成途径虽各异，但许多氨基酸的生物合成都与机体的几个中心代谢环节有密切联系，例如糖酵解途径、五碳糖磷酸途径、三羧酸循环等。因此可将这些代谢环节中的几个与氨基酸生物合成有密切关联的物质，看作氨基酸生物合成的起始物，并以这些起始物作为氨基酸生物合成途径的分类依据。第一节脂肪族氨基酸的生物合成途径一、α—酮戊二酸衍生类型——谷氨酸类型(一)由α—酮戊二酸形成谷氨酸由α—酮戊二酸形成谷氨酸的途径是α—酮戊二酸与游离氨经L—谷氨酸脱氢酶催化的氨基化作用。经进一步深入研究发现植物、微生物的谷氨酸氨基并非来源于游离氨，而来源于谷氨酰胺的酰胺基。(二)由α—酮戊二酸形成谷氨酰胺由α—酮戊二酸先形成L—谷氨酸，再由L—谷氨酸形成L—谷氨酰胺。起催化作用的酶称为谷氨酰胺合酶。这一过程包括一个谷氨酸—γ—羧基的活化步骤，需ATP提供能量。γ—羧基活化时形成γ—谷氨酰—酶的结合物，然后分解形成谷氨酰胺。(三)由α—酮戊二酸形成脯氨酸(四)L—精氨酸的生物合成。谷氨酸α—氨基的乙酰化，可使氨基受到保护，以利于羧基的活化和还原，并防止发生环化作用，使反应向形成精氨酸的方向进行。精氨酸不只是构成蛋白质的组分，也是尿素形成的前体物质。(五)L—赖氨酸的生物合成L—赖氨酸的生物合成在不同生物有完全不同的两条途径。1、蕈类(和眼虫)L—赖氨酸的合成以α—酮戊二酸为起始物。2、细菌和绿色植物则是通过丙酮酸和天冬氨酸β—半醛的缩合途径。本节着重讨论蕈类(和眼虫)由α—酮戊二酸合成L—赖氨酸的途径，如图所示。二、草酰乙酸衍生类型——天冬氨酸类型(一)天冬氨酸的生物合成L—天冬氨酸是由草酰乙酸接受由谷氨酸转来的氨基形成。催化这一反应的酶称为谷—草转氨酶。(二)天冬酰胺的生物合成哺乳动物天冬酰胺的合成可能都是在天冬氨酸的β—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酶，需ATP参与作用，ATP在反应中降解为AMP和PPi。天冬酰胺的合成反应可用下式表示：该反应可能在酰胺基断裂时形成一个酶和氨基结合的中间产物除上述的天冬酰胺合成途径外，在细菌则有另外一种由NH4+提供酰胺基氮源的合成途径。这一途径也伴有ATP降解为AMP和PPi的反应。催化上述两种形成天冬酰胺的酶都称为天冬酰胺合酶，它们的区别在于一种催化酰胺基的断裂，另一种则对游离氨有高的亲合力。天冬酰胺和谷氨酰胺合成的机制有许多类似之处，而主要的不同是在谷氨酰胺合成反应中ATP转变成ADP和Pi，天冬酰胺合成反应中，ATP则形成AMP和PPi。在机体内有催化PPi水解为2Pi的焦磷酸酶。这一水解反应可释放约34千焦(尔)能，因此天冬酰胺的合成反应比谷氨酰胺的合成反应更易于进行。(三)细菌和植物L—赖氨酸的生物合成(四)甲硫氨酸的生物合成(五)苏氨酸的生物合成(六)异亮氨酸的生物合成异亮氨酸的6个碳原子有4个来自天冬氨酸，只有2个来自丙酮酸，所以一般将异亮氨酸的合成列入天冬氨酸类型。在异亮氨酸合成过程中有4种酶和缬氨酸合成中的酶是相同的，而缬氨酸的合成属于丙酮酸衍生类型，因此异亮氨酸的生物合成也可视为丙酮酸衍生类型。鉴于异亮氨酸和缬氨酸生物合成中4种酶的相同，异亮氨酸的合成途径将和缬氨酸共同讨论。三、丙酮酸衍生类型由丙酮酸形成的氨基酸有L—丙氨酸、L—缬氨酸、L—亮氨酸，还为异亮氨酸的合成提供2个碳原子。(一)丙氨酸的生物合成丙氨酸是丙酮酸与谷氨酸在谷—丙转氨酶的作用下形成的。丙氨酸的合成没有反馈抑制效应。机体细胞内可找到许多丙氨酸库。又因转氨酶的作用是可逆的，丙酮酸和丙氨酸可根据需要而互相转换。(二)缬氨酸和异亮氨酸的生物合成(三)亮氨酸的生物合成亮氨酸的合成途径从丙酮酸开始直至形成α—酮异戊酸和L—缬氨酸以及异亮氨酸的合成途径完全相同。四、3—磷酸甘油酸衍生类型——丝氨酸类型属于这一类型的氨基酸有丝氨酸、甘氨酸和半胱氨酸。丝氨酸又可看作甘氨酸的前体，因此丝氨酸和甘氨酸的合成将放在一起讨论。(一)丝氨酸和甘氨酸的生物合成(二)半胱氨酸的生物合成半胱氨酸生物合成中的关键是硫氢基的来源，在大多数植物和微生物，其硫氢基主要来源于硫酸，可能还原为某种硫化物，这一过程相当复杂，迄今了解很少。在动物体内，硫氢基团主要来源于高半胱氨酸。大多数植物和微生物的半胱氨酸合成途径如图所示。在动物体内半胱氨酸的直接前体为丝氨酸和高半胱氨酸，后者也是甲硫氨酸生物合成中的一中间产物，也可称为前体(参看甲硫氨酸的生物合成途径)。第二节芳香族氨基酸及组氨酸的生物合成一、芳香族氨基酸的生物合成芳香族氨基酸包括苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸，只能由植物和微生物合成。这三种氨基酸的合成途径有7步是共同的，合成的起始物是赤藓糖—4—磷酸(五碳糖磷酸途径的中间产物)和糖酵解过程的一中间产物——磷酸烯醇式丙酮酸。二者缩合形成一个七碳酮糖开链磷酸化合物，称为3—脱氧—α—阿拉伯庚酮糖酸—7—磷酸，再经脱磷酸环化，形成苯环后又脱水、加氢形成莽草酸。可以把莽草酸看作合成此三种芳香族氨基酸的共同前体，因此可将芳香族氨基酸合成相同的一段过程称为莽草酸途径。分枝酸是芳香族氨基酸合成途径的分枝点。在分枝酸以后即分为两条途径。其中一条是形成苯丙氨酸和酪氨酸，另一条是形成色氨酸。(一)由分枝酸形成苯丙氨酸和酪氨酸(二)由分枝酸形成色氨酸5—磷酸核糖—1—焦磷酸(PRPP)通过上述的合成反应，总览一下色氨酸碳原子和氮原子的来源可看到，吲哚环上苯环的C1和C6来源于磷酸烯醇式丙酮酸；C2、C3、C4、C5来源于赤藓糖—4—磷酸。色氨酸吲哚环的氮原子来源于谷氨酰胺的酰胺氮，吲哚环的C7和C8来源于PRPP，色氨酸的侧链部分来源于丝氨酸。二、组氨酸的生物合成组氨酸的酶促合成有9种酶参与催化，共经过10步特殊反应，如图所示。第三节氨基酸生物合成的调节氨基酸的生物合成，根据机体的需要情况有严格的调节机制。不同氨基酸的调节机制不同、甚至不同机体同一种氨基酸的调节机制也不同。当前研究得比较透彻的是大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏杆苗，对其20种氨基酸合成的调节机制都作过比较深的研究。但从其他细菌、真菌以及植物中得到的结果，和上述两种机体的调节机制往往有很大差异，本节着重讨论以大肠杆菌作为主要材料所得到的一些一般调节规律。氨基酸合成既可通过调节酶活性或代谢过程中的代谢物，又可通过调节酶的生成量实现调节。最有效的调节是通过合成过程的终端产物抑制其反应系列中第一个酶的活性，亦即通过变构效应调节第一个酶的合成物。一、通过终端产物对氨基酸生物合成的抑制可概括为以下几种形式：1．简单的终端产物抑制：终端产物E抑制合成途径中第一个酶的活性，例如由苏氨酸合成异亮氨酸，后者即是苏氨酸脱氢酶的反馈抑制物。2．不同终端产物对共经合成途径的协同抑制终端产物E和H，既抑制在合成过程中共经途径的第一个酶也抑制在分道后第一个产物的合成酶。例如谷氨酸形成谷氨酰胺的谷氨酰胺合酶受到8种产物的反馈抑制。3．不同分枝产物对多个同工酶的特殊抑制——酶的多重性抑制A形成B由两个酶分别合成，两个酶分别受不同分枝产物的特殊控制，两个分枝产物又分别抑制其分道后第一个产物E和F的形成.4．连续产物抑制，又称连续反馈控制或逐步反馈抑制终端产物E和H只分别抑制分道后自己途径中第一个酶的作用，共经途径的终端产物D，D抑制全合成过程第一个酶的作用。这种抑制的特点是由于E对酶的抑制致使D产物增加，D的增加促使反应向D→F→G→H方向进行，而使产物H增加，又对f酶产生抑制，结果也造成D物质的积累，D物质反馈抑制a酶的作用，而使A→B的速度减慢。枯草杆菌中芳香族氨基酸生物合成的反馈控制即属这种类型。苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸分枝途径的第一步都分别受各自终端产物的抑制。如果3种终端产物都过量，则分枝酸即行积累。分枝点中间产物积累的结果，使共经途径催化第一步反应的酶受到反馈抑制，从而抑制赤藓糖4—磷酸和磷酸烯醇式丙酮酸的缩合反应。二、通过酶生成量的改变调节氨基酸的生物合成酶生成量的控制主要是通过有关酶编码基因活性的改变。当某种氨基酸的合成能够提供超过需要量的产物时，则该合成途径的酶的编码基因即受到抑制，而当合成产物浓度下降时，则有关酶的编码基因即解除抑制，从而合成增加产物浓度所需要的酶。在氨基酸的合成途径中，有些酶能够受到细胞合成量的控制，这种酶称为阻遏酶。靠阻遏与去阻遏调控氨基酸的生物合成一般比变构调控缓馒。因20种氨基酸在蛋白质生物合成中都需以准确的比例提供需要，因此生物机体不仅有对个别氨基酸合成的调控机制，而且有使各种氨基酸在合成中相互协调的调控机制。在生长迅速的细菌中，这种协调机制比电子计算机还要完善。第四节氨基酸几种重要衍生物的生物合成一、谷胱甘肽谷胱甘肽含有硫氢基(—SH)，能保护血液中的红细胞不受氧化损伤，维持血红素中半胱氨酸处于还原态。正常情况下，还原型谷胱甘肽（GSH）与氧化型谷胱甘肽（GSSG）之比为500，在动物细胞中谷胱甘肽的含量很高(～5mmol／L)，因此谷胱甘肽可起到—SH“缓冲剂”的作用。还原型谷胱甘肽与过氧化氢或其他有机过氧化物反应还可起到解毒作用。谷胱甘肽还参与氨基酸的转送，A.Meister首先提出γ—谷氨酰循环，解释了谷胱甘肽在氨基酸跨膜转运中的作用机制。在这个循环中存在一个与膜结合的酶，称为γ—谷氨酰转肽酶。该酶的催化作用是使谷胱甘肽分子上的γ—谷氨酰基转移到任何一个氨基酸上，形成γ—谷氨酰氨基酸：谷胱甘肽生物合成

二、卟啉卟啉是血红素、细胞色素、叶绿素等的核心部分。它的合成以甘氨酸和琥珀酰辅酶A为基本原料，此外还有Fe2+。卟啉的结构由4分子单吡咯衍生物——胆色素原构成。动物组织中的胆色素原合成的第一步是在线粒体内，由甘氨酸和琥珀酰辅酶A缩合形成5—氨基乙酰丙酸。这是一个限速步骤，形成的5—氨基乙酰丙酸能够穿过线粒体膜进入胞液。四、D—氨基酸的形成许多生物体内既含有L—氨基酸，也含有D—氨基酸。例如微生物的细胞壁以及许多肽类的抗生素中都含有D—氨基酸。D氨基酸的来源大多是由L—氨基酸通过消旋酶的作用形成。D—氨基酸一旦形成就立即掺入到肽链中。细菌细胞壁的D—丙氨酸就是由L—丙氨酸经消旋酶作用形成的。L—丙氨酸转变为D—丙氨酸后，立即形成D—丙氨酰—D—丙氨酸二肽，消旋酶催化的反应是需能反应。形成的二肽随后即将其D—氨基酸掺入到细菌细胞壁的肽聚糖分子中。到现在为止，还没有发现一种含D—氨基酸的肽在其形成时直接以游离的D—氨基酸作为合成肽的底物。

第五节生物固氮作用一、氮循环自然界的氮和碳、氧一样也在不断地循环称为氮循环，含有大量氮化合物的动、植物遗体和排泄物，经微生物的作用分解为氮，某些微生物又能够将空气中的氮气固定为氨。这就是土壤中氨的来源。二、氨化作用蛋白质、氨基酸、尿素以及其他的有机含氮化合物由微生物分解为氨的过程称为氨化作用。绝大多数有机营养微生物都有不同程度的氨化能力。蛋白质的氨化是不同种微生物相继作用的结果。例如蜡状芽孢杆菌具有活性极高的蛋白水解酶，能将蛋白质降解为游离氨基酸，而萤光假单胞菌能将氨基酸分解生成氨。因此萤光假单胞菌被认为是氨化微生物。尿素由尿素细菌分解后形成氨、氨甲酸及其铵盐。三、生物固氮作用植物一般能利用NH4＋或硝酸化物(NO2－，NO3－)作为所需氮源，但不能利用空气中的氮气。只有少数几种生物能够应用空气中的氮，将其还原为氨。这就是生物固氮作用。生物固氮概括地说是指某些微生物和藻类通过其体内固氮酶系的作用将分子氮转变为氨的作用。因地壳含有极少的可溶性无机氮盐，所有生物几乎都需要依赖固氮生物固定大气中的氮而生存，因此生物固氮对维持自然界的氮循环起着极为重要的作用。对固氮生物的研究和利用能为农业开辟肥源，对维持和提高土壤肥力有很大意义。四、固氮生物的类型有固氮能力的生物可分为自养固氮和共生固氮两大类。1、自养固氮生物是指能独立依靠自身提供能量和碳源进行固氮的生物，这类微生物能利用土壤中的有机物，或通过光合作用合成各种有机物，并能将分子氮转变为氨态氮。自养固氮微生物中又包括好气和厌气细菌、光能自养细菌、烃氧化细菌、蓝藻等。（1）蓝藻是一种固氮能力较强的光自养固氮生物，能在无氮肥的环境中直接利用太阳能进行光合作用，同时进行固氮作用。（2）烃氧化细菌能利用多种烃类化合物作为碳源，并固定大气中的氮。