第15章-氨基酸及其重要衍生物的生物合成課件

第十五章氨基酸及其重要衍生物的生物合成，生物固氮作用凡是機(jī)體不能自己合成，必需來自外界的氨基酸，稱為必需氨基酸。這一名稱來源于用大白鼠所作的實(shí)驗(yàn)。若在喂飼大白鼠的膳食中缺乏苯丙氨酸、賴氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸、蘇氨酸、色氨酸、纈氨酸、組氨酸或精氨酸(對幼小動物需要)等10種氨基酸的任何一種，動物都不能正常生長而得名。凡機(jī)體能自己合成的氨基酸稱為非必需氨基酸。人類和大白鼠的必需氨基酸種類是相同的。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為合成氨基酸的氮源。微生物合成氨基酸的能力有很大差異，例如大腸桿菌可合成全部所需氨基酸，而乳酸菌卻需從外界獲取某些氨基酸。氨基酸生物合成的研究大多以微生物作為材料。這不僅因?yàn)槿〔姆奖悖畲蟮膬?yōu)越性是比較容易地將遺傳和生物化學(xué)技術(shù)結(jié)合起來。應(yīng)用遺傳突變技術(shù)可獲得在合成氨基酸方面具有各種特點(diǎn)的遺傳突變株。

若將氨基酸的生物合成反應(yīng)步驟用下列反應(yīng)式表示：

式中A代表某種氨基酸生物合成前體物質(zhì)，B、C、D、E代表不同的中間產(chǎn)物，酶(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、IV、V)代表不同的酶，F(xiàn)代表產(chǎn)物，即某種氨基酸。

突變株微生物的同一種氨基酸的正常合成路線在發(fā)生變異的步驟受阻可用下式表示：上式表明當(dāng)酶Ⅲ缺失時，此突變株培養(yǎng)液中即大量積累中間產(chǎn)物C。通過對中間產(chǎn)物C的測定，即可判斷某種氨基酸(F)的一個中間代謝環(huán)節(jié)。

通過這些方法的結(jié)合使用，已將構(gòu)成蛋白質(zhì)20種氨基酸的生物合成途徑基本闡明。

不同氨基酸的生物合成途徑雖各異，但許多氨基酸的生物合成都與機(jī)體的幾個中心代謝環(huán)節(jié)有密切聯(lián)系，例如糖酵解途徑、五碳糖磷酸途徑、三羧酸循環(huán)等。因此可將這些代謝環(huán)節(jié)中的幾個與氨基酸生物合成有密切關(guān)聯(lián)的物質(zhì)，看作氨基酸生物合成的起始物，并以這些起始物作為氨基酸生物合成途徑的分類依據(jù)。第一節(jié)脂肪族氨基酸的生物合成途徑一、α—酮戊二酸衍生類型——谷氨酸類型(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徑是α—酮戊二酸與游離氨經(jīng)L—谷氨酸脫氫酶催化的氨基化作用。經(jīng)進(jìn)一步深入研究發(fā)現(xiàn)植物、微生物的谷氨酸氨基并非來源于游離氨，而來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。起催化作用的酶稱為谷氨酰胺合酶。這一過程包括一個谷氨酸—γ—羧基的活化步驟，需ATP提供能量。γ—羧基活化時形成γ—谷氨?！傅慕Y(jié)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?；?，可使氨基受到保護(hù)，以利于羧基的活化和還原，并防止發(fā)生環(huán)化作用，使反應(yīng)向形成精氨酸的方向進(jìn)行。精氨酸不只是構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分，也是尿素形成的前體物質(zhì)。(五)L—賴氨酸的生物合成L—賴氨酸的生物合成在不同生物有完全不同的兩條途徑。1、蕈類(和眼蟲)L—賴氨酸的合成以α—酮戊二酸為起始物。2、細(xì)菌和綠色植物則是通過丙酮酸和天冬氨酸β—半醛的縮合途徑。本節(jié)著重討論蕈類(和眼蟲)由α—酮戊二酸合成L—賴氨酸的途徑，如圖所示。二、草酰乙酸衍生類型——天冬氨酸類型(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轉(zhuǎn)來的氨基形成。催化這一反應(yīng)的酶稱為谷—草轉(zhuǎn)氨酶。(二)天冬酰胺的生物合成哺乳動物天冬酰胺的合成可能都是在天冬氨酸的β—羧基上轉(zhuǎn)移一個谷氨酰胺的酰胺基而成。催化該反應(yīng)的酶稱為天冬酰胺合酶，需ATP參與作用，ATP在反應(yīng)中降解為AMP和PPi。天冬酰胺的合成反應(yīng)可用下式表示：該反應(yīng)可能在酰胺基斷裂時形成一個酶和氨基結(jié)合的中間產(chǎn)物除上述的天冬酰胺合成途徑外，在細(xì)菌則有另外一種由NH4+提供酰胺基氮源的合成途徑。這一途徑也伴有ATP降解為AMP和PPi的反應(yīng)。催化上述兩種形成天冬酰胺的酶都稱為天冬酰胺合酶，它們的區(qū)別在于一種催化酰胺基的斷裂，另一種則對游離氨有高的親合力。天冬酰胺和谷氨酰胺合成的機(jī)制有許多類似之處，而主要的不同是在谷氨酰胺合成反應(yīng)中ATP轉(zhuǎn)變成ADP和Pi，天冬酰胺合成反應(yīng)中，ATP則形成AMP和PPi。在機(jī)體內(nèi)有催化PPi水解為2Pi的焦磷酸酶。這一水解反應(yīng)可釋放約34千焦(爾)能，因此天冬酰胺的合成反應(yīng)比谷氨酰胺的合成反應(yīng)更易于進(jìn)行。(三)細(xì)菌和植物L(fēng)—賴氨酸的生物合成(四)甲硫氨酸的生物合成(五)蘇氨酸的生物合成(六)異亮氨酸的生物合成異亮氨酸的6個碳原子有4個來自天冬氨酸，只有2個來自丙酮酸，所以一般將異亮氨酸的合成列入天冬氨酸類型。在異亮氨酸合成過程中有4種酶和纈氨酸合成中的酶是相同的，而纈氨酸的合成屬于丙酮酸衍生類型，因此異亮氨酸的生物合成也可視為丙酮酸衍生類型。鑒于異亮氨酸和纈氨酸生物合成中4種酶的相同，異亮氨酸的合成途徑將和纈氨酸共同討論。三、丙酮酸衍生類型由丙酮酸形成的氨基酸有L—丙氨酸、L—纈氨酸、L—亮氨酸，還為異亮氨酸的合成提供2個碳原子。(一)丙氨酸的生物合成丙氨酸是丙酮酸與谷氨酸在谷—丙轉(zhuǎn)氨酶的作用下形成的。丙氨酸的合成沒有反饋抑制效應(yīng)。機(jī)體細(xì)胞內(nèi)可找到許多丙氨酸庫。又因轉(zhuǎn)氨酶的作用是可逆的，丙酮酸和丙氨酸可根據(jù)需要而互相轉(zhuǎn)換。(二)纈氨酸和異亮氨酸的生物合成(三)亮氨酸的生物合成亮氨酸的合成途徑從丙酮酸開始直至形成α—酮異戊酸和L—纈氨酸以及異亮氨酸的合成途徑完全相同。四、3—磷酸甘油酸衍生類型——絲氨酸類型屬于這一類型的氨基酸有絲氨酸、甘氨酸和半胱氨酸。絲氨酸又可看作甘氨酸的前體，因此絲氨酸和甘氨酸的合成將放在一起討論。(一)絲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關(guān)鍵是硫氫基的來源，在大多數(shù)植物和微生物，其硫氫基主要來源于硫酸，可能還原為某種硫化物，這一過程相當(dāng)復(fù)雜，迄今了解很少。在動物體內(nèi)，硫氫基團(tuán)主要來源于高半胱氨酸。大多數(shù)植物和微生物的半胱氨酸合成途徑如圖所示。在動物體內(nèi)半胱氨酸的直接前體為絲氨酸和高半胱氨酸，后者也是甲硫氨酸生物合成中的一中間產(chǎn)物，也可稱為前體(參看甲硫氨酸的生物合成途徑)。第二節(jié)芳香族氨基酸及組氨酸的生物合成一、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。這三種氨基酸的合成途徑有7步是共同的，合成的起始物是赤蘚糖—4—磷酸(五碳糖磷酸途徑的中間產(chǎn)物)和糖酵解過程的一中間產(chǎn)物——磷酸烯醇式丙酮酸。二者縮合形成一個七碳酮糖開鏈磷酸化合物，稱為3—脫氧—α—阿拉伯庚酮糖酸—7—磷酸，再經(jīng)脫磷酸環(huán)化，形成苯環(huán)后又脫水、加氫形成莽草酸?？梢园衙Р菟峥醋骱铣纱巳N芳香族氨基酸的共同前體，因此可將芳香族氨基酸合成相同的一段過程稱為莽草酸途徑。分枝酸是芳香族氨基酸合成途徑的分枝點(diǎn)。在分枝酸以后即分為兩條途徑。其中一條是形成苯丙氨酸和酪氨酸，另一條是形成色氨酸。(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)通過上述的合成反應(yīng)，總覽一下色氨酸碳原子和氮原子的來源可看到，吲哚環(huán)上苯環(huán)的C1和C6來源于磷酸烯醇式丙酮酸；C2、C3、C4、C5來源于赤蘚糖—4—磷酸。色氨酸吲哚環(huán)的氮原子來源于谷氨酰胺的酰胺氮，吲哚環(huán)的C7和C8來源于PRPP，色氨酸的側(cè)鏈部分來源于絲氨酸。二、組氨酸的生物合成組氨酸的酶促合成有9種酶參與催化，共經(jīng)過10步特殊反應(yīng)，如圖所示。第三節(jié)氨基酸生物合成的調(diào)節(jié)氨基酸的生物合成，根據(jù)機(jī)體的需要情況有嚴(yán)格的調(diào)節(jié)機(jī)制。不同氨基酸的調(diào)節(jié)機(jī)制不同、甚至不同機(jī)體同一種氨基酸的調(diào)節(jié)機(jī)制也不同。當(dāng)前研究得比較透徹的是大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏桿苗，對其20種氨基酸合成的調(diào)節(jié)機(jī)制都作過比較深的研究。但從其他細(xì)菌、真菌以及植物中得到的結(jié)果，和上述兩種機(jī)體的調(diào)節(jié)機(jī)制往往有很大差異，本節(jié)著重討論以大腸桿菌作為主要材料所得到的一些一般調(diào)節(jié)規(guī)律。氨基酸合成既可通過調(diào)節(jié)酶活性或代謝過程中的代謝物，又可通過調(diào)節(jié)酶的生成量實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。最有效的調(diào)節(jié)是通過合成過程的終端產(chǎn)物抑制其反應(yīng)系列中第一個酶的活性，亦即通過變構(gòu)效應(yīng)調(diào)節(jié)第一個酶的合成物。一、通過終端產(chǎn)物對氨基酸生物合成的抑制可概括為以下幾種形式：1．簡單的終端產(chǎn)物抑制：終端產(chǎn)物E抑制合成途徑中第一個酶的活性，例如由蘇氨酸合成異亮氨酸，后者即是蘇氨酸脫氫酶的反饋抑制物。2．不同終端產(chǎn)物對共經(jīng)合成途徑的協(xié)同抑制終端產(chǎn)物E和H，既抑制在合成過程中共經(jīng)途徑的第一個酶也抑制在分道后第一個產(chǎn)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種產(chǎn)物的反饋抑制。3．不同分枝產(chǎn)物對多個同工酶的特殊抑制——酶的多重性抑制A形成B由兩個酶分別合成，兩個酶分別受不同分枝產(chǎn)物的特殊控制，兩個分枝產(chǎn)物又分別抑制其分道后第一個產(chǎn)物E和F的形成.4．連續(xù)產(chǎn)物抑制，又稱連續(xù)反饋控制或逐步反饋抑制終端產(chǎn)物E和H只分別抑制分道后自己途徑中第一個酶的作用，共經(jīng)途徑的終端產(chǎn)物D，D抑制全合成過程第一個酶的作用。這種抑制的特點(diǎn)是由于E對酶的抑制致使D產(chǎn)物增加，D的增加促使反應(yīng)向D→F→G→H方向進(jìn)行，而使產(chǎn)物H增加，又對f酶產(chǎn)生抑制，結(jié)果也造成D物質(zhì)的積累，D物質(zhì)反饋抑制a酶的作用，而使A→B的速度減慢。枯草桿菌中芳香族氨基酸生物合成的反饋控制即屬這種類型。苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸分枝途徑的第一步都分別受各自終端產(chǎn)物的抑制。如果3種終端產(chǎn)物都過量，則分枝酸即行積累。分枝點(diǎn)中間產(chǎn)物積累的結(jié)果，使共經(jīng)途徑催化第一步反應(yīng)的酶受到反饋抑制，從而抑制赤蘚糖4—磷酸和磷酸烯醇式丙酮酸的縮合反應(yīng)。二、通過酶生成量的改變調(diào)節(jié)氨基酸的生物合成酶生成量的控制主要是通過有關(guān)酶編碼基因活性的改變。當(dāng)某種氨基酸的合成能夠提供超過需要量的產(chǎn)物時，則該合成途徑的酶的編碼基因即受到抑制，而當(dāng)合成產(chǎn)物濃度下降時，則有關(guān)酶的編碼基因即解除抑制，從而合成增加產(chǎn)物濃度所需要的酶。在氨基酸的合成途徑中，有些酶能夠受到細(xì)胞合成量的控制，這種酶稱為阻遏酶?？孔瓒襞c去阻遏調(diào)控氨基酸的生物合成一般比變構(gòu)調(diào)控緩饅。因20種氨基酸在蛋白質(zhì)生物合成中都需以準(zhǔn)確的比例提供需要，因此生物機(jī)體不僅有對個別氨基酸合成的調(diào)控機(jī)制，而且有使各種氨基酸在合成中相互協(xié)調(diào)的調(diào)控機(jī)制。在生長迅速的細(xì)菌中，這種協(xié)調(diào)機(jī)制比電子計(jì)算機(jī)還要完善。第四節(jié)氨基酸幾種重要衍生物的生物合成一、谷胱甘肽谷胱甘肽含有硫氫基(—SH)，能保護(hù)血液中的紅細(xì)胞不受氧化損傷，維持血紅素中半胱氨酸處于還原態(tài)。正常情況下，還原型谷胱甘肽（GSH）與氧化型谷胱甘肽（GSSG）之比為500，在動物細(xì)胞中谷胱甘肽的含量很高(～5mmol／L)，因此谷胱甘肽可起到—SH“緩沖劑”的作用。還原型谷胱甘肽與過氧化氫或其他有機(jī)過氧化物反應(yīng)還可起到解毒作用。谷胱甘肽還參與氨基酸的轉(zhuǎn)送，A.Meister首先提出γ—谷氨酰循環(huán)，解釋了谷胱甘肽在氨基酸跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)中的作用機(jī)制。在這個循環(huán)中存在一個與膜結(jié)合的酶，稱為γ—谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶。該酶的催化作用是使谷胱甘肽分子上的γ—谷氨?；D(zhuǎn)移到任何一個氨基酸上，形成γ—谷氨酰氨基酸：谷胱甘肽生物合成

二、卟啉卟啉是血紅素、細(xì)胞色素、葉綠素等的核心部分。它的合成以甘氨酸和琥珀酰輔酶A為基本原料，此外還有Fe2+。卟啉的結(jié)構(gòu)由4分子單吡咯衍生物——膽色素原構(gòu)成。動物組織中的膽色素原合成的第一步是在線粒體內(nèi)，由甘氨酸和琥珀酰輔酶A縮合形成5—氨基乙酰丙酸。這是一個限速步驟，形成的5—氨基乙酰丙酸能夠穿過線粒體膜進(jìn)入胞液。四、D—氨基酸的形成許多生物體內(nèi)既含有L—氨基酸，也含有D—氨基酸。例如微生物的細(xì)胞壁以及許多肽類的抗生素中都含有D—氨基酸。D氨基酸的來源大多是由L—氨基酸通過消旋酶的作用形成。D—氨基酸一旦形成就立即摻入到肽鏈中。細(xì)菌細(xì)胞壁的D—丙氨酸就是由L—丙氨酸經(jīng)消旋酶作用形成的。L—丙氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)镈—丙氨酸后，立即形成D—丙氨酰—D—丙氨酸二肽，消旋酶催化的反應(yīng)是需能反應(yīng)。形成的二肽隨后即將其D—氨基酸摻入到細(xì)菌細(xì)胞壁的肽聚糖分子中。到現(xiàn)在為止，還沒有發(fā)現(xiàn)一種含D—氨基酸的肽在其形成時直接以游離的D—氨基酸作為合成肽的底物。

第五節(jié)生物固氮作用一、氮循環(huán)自然界的氮和碳、氧一樣也在不斷地循環(huán)稱為氮循環(huán)，含有大量氮化合物的動、植物遺體和排泄物，經(jīng)微生物的作用分解為氮，某些微生物又能夠?qū)⒖諝庵械牡獨(dú)夤潭榘?。這就是土壤中氨的來源。二、氨化作用蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素以及其他的有機(jī)含氮化合物由微生物分解為氨的過程稱為氨化作用。絕大多數(shù)有機(jī)營養(yǎng)微生物都有不同程度的氨化能力。蛋白質(zhì)的氨化是不同種微生物相繼作用的結(jié)果。例如蠟狀芽孢桿菌具有活性極高的蛋白水解酶，能將蛋白質(zhì)降解為游離氨基酸，而螢光假單胞菌能將氨基酸分解生成氨。因此螢光假單胞菌被認(rèn)為是氨化微生物。尿素由尿素細(xì)菌分解后形成氨、氨甲酸及其銨鹽。三、生物固氮作用植物一般能利用NH4＋或硝酸化物(NO2－，NO3－)作為所需氮源，但不能利用空氣中的氮?dú)?。只有少?shù)幾種生物能夠應(yīng)用空氣中的氮，將其還原為氨。這就是生物固氮作用。生物固氮概括地說是指某些微生物和藻類通過其體內(nèi)固氮酶系的作用將分子氮轉(zhuǎn)變?yōu)榘钡淖饔谩Ｒ虻貧ず袠O少的可溶性無機(jī)氮鹽，所有生物幾乎都需要依賴固氮生物固定大氣中的氮而生存，因此生物固氮對維持自然界的氮循環(huán)起著極為重要的作用。對固氮生物的研究和利用能為農(nóng)業(yè)開辟肥源，對維持和提高土壤肥力有很大意義。四、固氮生物的類型有固氮能力的生物可分為自養(yǎng)固氮和共生固氮兩大類。1、自養(yǎng)固氮生物是指能獨(dú)立依靠自身提供能量和碳源進(jìn)行固氮的生物，這類微生物能利用土壤中的有機(jī)物，或通過光合作用合成各種有機(jī)物，并能將分子氮轉(zhuǎn)變?yōu)榘睉B(tài)氮。自養(yǎng)固氮微生物中又包括好氣和厭氣細(xì)菌、光能自養(yǎng)細(xì)菌、烴氧化細(xì)菌、藍(lán)藻等。（1）藍(lán)藻是一種固氮能力較強(qiáng)的光自養(yǎng)固氮生物，能在無氮肥的環(huán)境中直接利用太陽能進(jìn)行光合作用，同時進(jìn)行固氮作用。（2）烴氧化細(xì)菌能利用多種烴類化合物作為碳源，并固定大氣中的氮。