11氨基酸生物合成

10氨基酸生物合成第十章氨基酸生物合成10.1氮素循环10.2生物固氮的生物化学10.2.1生物固氮的概念10.2.2固氮生物的类型10.2.3固氮酶复合物10.2.4生物固氮所需的条件10.2.5固氮过程的氢代谢10.3硝酸还原作用10.3.1硝酸还原酶10.3.2亚硝酸还原酶10.4氨的同化10.4.1谷氨酸合成10.4.2氨甲酰磷酸的合成10.5氨基酸的生物合成10.5.1氨基酸的合成与转氨基作用10.5.2各族氨基酸的合成10.5.3一碳基团代谢10.5.4SO2-4还原第十章氨基酸生物合成本章提要氮素是组成生物体的重要元素。自然界中的不同氮化物相互转化形成氮素循环。气态氮通过自生和共生微生物将N２还原成NH+4。植物根系吸收硝态氮(NO-3)，通过硝酸还原酶和亚硝酸还原酶将NO-3还原成NH３，再经谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶同化为谷氨酸，后者是各种形态无机氮同化为有机氮的主要形式。谷氨酸与来自碳代谢中间物的各种碳骨架(α-酮酸)之间转氨形成各种氨基酸。10.1氮素循环氮素是生物的必需元素之一。在生命活动中起重要作用的化合物，如蛋白质、核酸、酶、某些激素和维生素、叶绿素和血红素等均含有氮元素。因此，在动、植物和微生物的生命活动中氮素起着极其重要的作用，整个生物界在生长发育的全部过程中都进行着氮素代谢。自然界中的不同氮化物经常发生互相转化，形成一个氮素循环(nitrogencycle)。生物界的氮代谢是自然界氮循环的主要因素。在自然界氮循环中，还包括工业固氮和大气固氮(如闪电)等把N2转变为氨和硝酸盐的过程。在地球表面的大气组成中，尽管N2占大约80%，但N2是一稳定的不易发生反应的物质。在氮素循环中，第一步是将N2还原为氨，可由工业固氮和生物固氮完成，自然界中由固氮生物固氮酶完成的分子氮向氨的转化约占总固氮的2/3，由工业合成氨或其他途径合成的氨只有1/3左右。在土壤中含量丰富的硝化细菌进行着氧化氨形成NO-3的过程，因此土壤中几乎所有氨都转化成了硝酸盐，这个过程称为硝化作用。植物和微生物可吸收土壤中的NO-3，然后还原形成氨，再经同化作用把无机氮转化为有机氮，这些有机氮化合物又可随食物或饲料进入动物体内，转变为动物体的含氮化合物。各种动植物遗体及排泄物中的有机氮经微生物分解作用，形成无机氮。这样，在生物界，总有机氮和总无机氮形成了一个平衡。10.2生物固氮的生物化学10.2.1生物固氮的概念氨基酸、嘌呤、嘧啶及其它生物分子中的氮原子来自NH4+，高等生物不能把N2转变为有机形式，这种转变可以由细菌和蓝绿藻实现，称之为固氮作用。生物固氮(biologicalnitrogenfixation)是微生物、藻类和与高等植物共生的微生物通过自身的固氮酶复合物把分子氮变成氨的过程。自然界通过生物固氮的量可达每年1011kg，约占地球上的固氮量的60%，闪电和紫外辐射固定氮约15%，其余为工业固氮。氮气中的N≡N键十分稳定，1910年FritzHaber提出的作用条件在工业氮肥生产中一直沿用至今。500℃高温和30MPa条件下，用铁做催化剂使H2还原N2成氨。N2+3H2＝2NH3可以看出，固氮能量耗费大，而且会污染环境，因此大力发展生物固氮对增加农作物氮肥来源有重大意义。生物固氮是在常温常压条件下，在生物体内由酶催化进行。目前国内外对生物固氮的生化过程及机理正在积极开展研究，在了解了固氮机理之后，就可以人工模拟，以节省能源，减少污染，开拓作物肥源。比如可以通过基因工程使非固氮生物转化为固氮生物。10.2.2固氮生物的类型目前已发现的固氮生物近50个属，包括细菌、放线菌和蓝细菌，根据固氮微生物与高等植物和其他生物的关系，可分为自生固氮微生物和共生固氮微生物两类。1.自生固氮微生物(diazatrophs)是指独立生活时能使气态氮固定为NH3的少数微生物，它们固氮有两种方式：第一种方式是利用光能还原氮气，如鱼腥藻(Anabaena)、念球藻(Nostoc)，固氮过程与还原CO2类似。大多数固氮蓝藻均有厚壁的异型细胞(heterocyst)，在异型细胞中不含光系统Ⅱ的色素，因此照光时不放氧。固氮是在异型细胞里进行，因为固氮过程要求无氧条件。另一些微生物如红螺菌(Rhodospirillum)、红色极毛杆菌(Rhodopseudomonas)、绿杆菌(Chloroblium)等也能利用光能从硫、硫化物、氢或有机物取得电子进行固氮。第二种方式是利用化学能固氮。如好气性固氮菌(Azotobacter)、贝氏固氮菌(Bcijerinckia)及厌气的巴斯德梭菌(Clostridiumpasteurianum)和克氏杆菌(Klebsiella)等。2.共生固氮微生物如与豆科植物共生固氮的根瘤菌(Rhizobium)，其专一性强，不同的菌株只能感染一定的植物，形成共生的根瘤。在根瘤中植物为固氮菌提供碳源，而细菌利用植物提供的能源固氮，为植物提供氮源，形成一个很好的互利共生体系。10.2.3固氮酶复合物生物固氮过程由固氮酶复合物完成。固氮酶复合物由两种蛋白组分构成：一个是还原酶，它提供具有高还原势的电子；另一组分是固氮酶，它利用还原酶提供的高能电子还原N2成NH4+。还原酶还原酶也称铁蛋白，是由两个相同亚基组成的二聚体，相对分子质量为64000，也是一个铁硫蛋白，含有一个［Fe4S4］簇，每次可传递一个电子。此外，还有2个ATP结合位点。固氮酶固氮酶也称钼铁蛋白，是由2个α亚基和2个β亚基组成的四聚体，相对分子质量为220000。其氧化还原中心含有2个钼原子、32个铁原子和相应数目的酸不稳定硫。由还原酶向固氮酶的电子传递与还原酶上的ATP水解相偶联，由N2到NH3的还原过程需6个电子：N2+6e-+6H+=2NH3实际上，在N2还原过程中还有H2的形成，因此，N2固定过程的实际反应为：N2+8e-+8H+→2NH3+H28个高能电子来自还原型铁氧还蛋白，还原型铁氧还蛋白的电子来自光合作用的光系统Ⅰ或呼吸电子传递链。生物固氮的总反应为：N2+8e-+16ATP+16H2O+8H+→2NH3+H2+16ADP+16Pi由反应式可看出，固氮过程消耗的能量非常多，共有16个ATP被水解。10.2.4生物固氮所需的条件由上述反应式及图10-2可以看出，固氮酶催化的反应需要满足：①充分的ATP供应。豌豆根系固氮细菌消耗植株ATP产量的近五分之一；②需要很强的还原剂。高还原势电子来自还原型铁氧还蛋白，其是光合链的电子载体。铁氧还蛋白的再生或来自光合作用，或来自氧化过程；③需要厌氧环境，因氮酶对氧十分敏感，只有在严格的厌氧条件下才能固氮。因此，对好气细菌来说必须有严格的防氧机制以使酶不被氧伤害。在豆科植物根瘤中，豆血红蛋白起着降低氧浓度以保护固氮酶的作用。豆血红蛋白(leghemoglobin)为一共生合成蛋白，其珠蛋白部分由植物合成，而血红素基团由根瘤菌(Rhizohium)合成，其对O2有很高的亲和力。10.2.5固氮过程的氢代谢固氮过程常伴随有氢代谢，氢代谢比较复杂，主要包括以下内容：1.固氮酶的放氢反应由固氮总反应式可以看出，固氮酶不仅还原氮，也还原H+形成出H2，这一反应需要ATP，CO不能抑制。2.氢酶的放氢反应许多固氮生物均含有氢酶。氢酶也是一种铁硫蛋白，从巴斯德梭菌分离出的氢酶含有4个铁原子和4个硫原子，相对分子质量60000，氢酶催化下面的可逆反应：2Fdred+2H+=2Fdox+H2可逆性氢酶既可催化氢的电子传给铁氧还蛋白，作为还原氮的电子供体，又可催化H+接受还原型铁氧还蛋白的电子形成氢，以消除过剩的还原力，保证细胞生理活动的正常进行。反应不需ATP，但受CO抑制。3.吸氢酶催化H2的氧化作用吸氢酶能以O2作为末端正电子受体进行羟基化反应，产物为H2O，并伴有ATP生成，反应受KCN抑制。氢的氧化不但提供了能量，而且由于消耗了O2，保护了固氮酶。同时由于固氮酶形成的H2对其有抑制作用，吸氢酶的吸氢还可以防止对固氮酶的抑制作用。10.3硝酸还原作用植物体所需要的氮素营养除了来自生物固氮外，绝大部分还是来自土壤中的氮素，主要是硝酸盐(NO-3)，亚硝酸盐(NO-2)以及铵盐(NH+4)。它们通过根系进入植物细胞。其中植物最易吸收的是硝态氮。然而，这些硝态氮并不能直接被植物体利用来合成各种氨基酸和其他有机氮化物，必须先转变成为氨态氮。这种氮素由硝酸态氮转变成氨的过程称为代谢还原或成氨作用，在这个过程中，氮的化合价变化是:因此，植物体内由硝酸还原成氨的总反应式如下:NO3-+9H++8e-→NH3+3H2O这一还原过程是在硝酸还原酶和亚硝酸还原酶的催化下分步进行的。硝酸盐的还原，在植物的根和叶内都可以进行，但以叶内还原为主。不过在种子萌发的早期，或在缺氧条件下，根部还原便成为主要的过程。10.3.1硝酸还原酶硝酸还原酶的作用是把硝酸盐还原成亚硝酸盐。硝酸还原酶广泛存在于高等植物、藻类、细菌和酵母中。在植物的绿色组织中该酶的活性较大。根据还原反应中电子供体的不同，可分为两个类型。10.3.1.1铁氧还蛋白—硝酸还原酶这类硝酸还原酶以铁氧还蛋白作为电子供体。还原过程可简单表示如下:NO3-+2Fdred+2H+→NO2-+2Fdox+H2O此酶存在于蓝绿藻、光合细菌和化能合成细菌中。从组囊藻属(Anacystis)分离出的硝酸还原酶是一种含钼的蛋白质，只有一条多肽链，相对分子质量为75000，不含黄素蛋白和细胞色素。10.3.1.2NAD(P)H—硝酸还原酶这类硝酸还原酶以NADH或NADPH为电子供体，催化的反应如下:NO3-+NAD(P)H+H+→NO2-+NAD(P)++H2O它存在于真菌、绿藻和高等植物中。按其对电子供体的专一性要求又可区分为对NADH专一的、对NAD(P)H专一的以及对NADH和NAD(P)H都可利用的硝酸还原酶。NAD(P)H—硝酸还原酶为寡聚蛋白，所含亚基数因植物而异。它是以FAD、细胞色素b-557和钼为电子传递体。电子从NAD(P)H到NO-3的传递过程如图10-3所示。10.3.1.3硝酸还原酶是诱导酶当将水稻幼苗培养在含硝酸盐的溶液中时，幼苗体内便诱导形成硝酸还原酶；若用不含硝酸盐的培养液时，则幼苗内不含硝酸还原酶。同样在土壤中增施硝酸盐氮肥时，往往测到作物体内硝酸还原酶的活性增高，作物蛋白质含量也随之而增加。光照对硝酸还原酶的活性影响很大，光照强度大，其活性上升，在遮荫或黑暗中则活性减小，这是因为光合产物的氧化为NO-3还原提供所需的NADH及还原型Fd。10.3.2亚硝酸还原酶由硝酸还原生成的亚硝酸，正常情况下在植物细胞内很少积累，它很快在亚硝酸还原酶的催化下，进一步还原成氨:NO2-+7H++6e-→NH3+2H2O从高等植物和绿藻中分离出的亚硝酸还原酶是一条多肽链，相对分子质量约为60000～70000，它的辅基是一种铁卟啉的衍生物，分子中还有一个Fe4S4中心，起电子传递作用。亚硝酸还原酶存在于绿色组织的叶绿体中，它的直接电子供体是铁氧还蛋白。光合作用的非环式光合磷酸化可为亚硝酸还原酶提供还原态的铁氧还蛋白。结合在铁卟啉衍生物辅基上的亚硝酸离子，可直接被还原型铁氧还蛋白还原成氨。此外，在铁氧还蛋白_NADPH还原酶的作用下，也可将氧化态的铁氧还蛋白转变为还原型。亚硝酸被还原成氨的整个过程可表示如图。光照对亚硝酸还原有促进作用，可能与照光时生成还原态的铁氧还蛋白有关。当植物缺铁时，亚硝酸的还原即受阻，可能与铁氧还蛋白及铁卟啉衍生物的合成减少有关。亚硝酸还原时需要氧，因而在厌氧条件下，亚硝酸的还原会受到阻碍。10.4氨的同化10.4.1谷氨酸合成在氮素循环中，生物固氮和硝酸盐还原形成了无机态NH3，进一步NH3便被同化转变成含氮有机化合物。所有生物都通过谷氨酸脱氢酶(glutamatedehydrogenase)或谷氨酰胺合成酶(glutaminesynthetase)催化形成谷氨酸和谷氨酰胺的方式同化氨。谷氨酸和谷氨酰胺中的氮可通过进一步生化反应形成其他有机含氮化合物，因此谷氨酸和谷氨酰胺