蛋白質(zhì)的酶促降解與氨基酸代謝

1、第十章蛋白質(zhì)的酶促降解和氨基酸代謝第一節(jié)蛋白質(zhì)的酶促降解生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)是經(jīng)常處于動態(tài)的變化之中，一方面在不斷地合成，另一方面又在 不斷地分解。例如，當種子萌發(fā)時，蛋白質(zhì)發(fā)生強烈的水解，將胚乳或子葉中的儲藏蛋白 質(zhì)分解，形成氨基酸和其他簡單含氮化合物，供幼苗形成組織時用。在植物衰老時，蛋白 質(zhì)的分解亦很強烈，將營養(yǎng)器官的蛋白質(zhì)分解成含氮化合物，轉(zhuǎn)移到繁殖器官中，供幼胚 及種子的形成之所需。蛋白質(zhì)的分解對機體生命代謝的意義并不亞于蛋白質(zhì)的合成植物體為了進行正常的 生長和發(fā)育，為了適應外界條件的變化，必須經(jīng)常不斷地形成具有不同結(jié)構(gòu)與功能的各種 蛋白質(zhì)。因此，早期合成的蛋白質(zhì)在完成其功能之后不可避免

2、地要分解，其分解產(chǎn)物將作 為合成新性質(zhì)蛋白質(zhì)的原料。蛋白質(zhì)的分解是在蛋白（水解）酶催化下進行的，蛋白水解酶存在于植物所有的細胞 與組織中。大量蛋白酶已被人們從植物種子、果實的生長器官中分離出來并進行了研究， 如番木瓜汁液中的木瓜蛋白酶，菠蘿莖和果實中的菠蘿蛋白酶，花生種子中的花生仁蛋白 酶，豌豆種子中的豌豆蛋白酶，小麥、大麥、燕麥籽粒中的相應蛋白酶。其中許多酶已制 成結(jié)晶。蛋白水解酶可分為內(nèi)肽酶（肽鏈內(nèi)切酶）和端肽酶（肽鏈端解酶）兩大類。（1）蛋白酶的種類和專一性 蛋白酶即內(nèi)肽酶（endopeptidase），水解蛋白質(zhì)和多肽 鏈內(nèi)部的肽鍵，形成各種短肽。蛋白酶具有底物專一性，不能水解所有肽鍵

3、，只能對特定圖9-1幾種蛋白酶的專一性的肽鍵發(fā)生作用。如木瓜蛋白酶只能作用于由堿性氨基酸以及含脂肪側(cè)鏈和芳香側(cè)鏈的氨 基酸所形成的肽鍵。幾種蛋白水解酶的專一性見圖-1、表9-1。表9-1幾種蛋白酶作用的專一性酶對R基團的要求作用部位胃蛋白酶R1 ,R1 ：芳香族氨基酸或其他疏水氨基酸 （NH2端及COOH端）f胰凝乳蛋白酶R：芳香族及其他疏水氨基酸COOH端）f胰蛋白酶R2：堿性氨基酸（COOH端）f枯草桿菌蛋白酶 木瓜蛋白酶R3:疏水氨基酸NH2端） 堿性氨基酸以及含脂肪側(cè)鏈和芳香側(cè)鏈的氨基酸f羧肽酶ARm：芳香族氨基酸COOH端）1羧基末端的肽鍵羧肽酶BRm：堿性氨基酸COOH端）1羧基末

4、端的肽鍵氨肽酶1氨基末端的肽鍵二肽酶要求相鄰兩個氨基酸上的1-氨基和以-羧基同時存在蛋白酶按基催化機理又可分為四類見表-2。表9-2蛋白酶的種類編號名 稱作用特征例 子3.4.21絲氨酸蛋白酶類活性中心含組氨酸和絲氨酸胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶、凝血酶3.4.22硫醇蛋白酶類活性中心含半胱氨酸木瓜蛋白酶、無花果蛋白酶、菠蘿蛋白酶3.4.23羧基（酸性）蛋白酶類最適pH值在5以下胃蛋白酶、凝乳酶3.4.24金屬蛋白酶類含有催化活性所必需的金屬枯草桿菌中性蛋白酶、脊椎動物膠原酶表9-2中所列的木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶及無花果蛋白酶的活性中心均含有半胱氨酸， 因此能被HCN，H2S、半胱氨酸等還原劑所活化

5、，而湘2。2等氧化劑及重金屬離子所抑 制。其余蛋白酶存在于大豆、菜豆、大麻、玉米、高粱的種子中。這些酶的性質(zhì)與廣泛分 布的動物蛋白酶一一胰蛋白酶和胃蛋白酶等有很多共同之處。（2）肽酶的種類和專一性 端肽酶又稱為肽酶（exopeptidase），從肽鏈的一端開 始水解，將氨基酸一個一個地從多肽鏈上切下來肽酶根據(jù)其作用性質(zhì)不同可分為氨肽酶、 羧肽酶和二肽酶。氨肽酶從肽鏈的氨基末端開始水解肽鏈；羧肽酶從肽鏈的羧基末端開始 水解肽鏈（見表9-1、圖9-1）；二肽酶的底物為二肽，將二肽水解成單個氨基酸。肽酶又 可分為六類，見表9-3。表9-3肽酶的種類編號名 稱作用特征反應作用于肽鏈的氨基末端KN一末端

6、），生成3.4.11以-氨酰肽水解酶類氨基酸水解二肽作用于多肽鏈的氨基末端N-末端），生成二肽作用于多肽鏈的羧基末端C-末端），生 成二肽作用于多肽鏈的羧基末端生成氨基酸氨酰肽+H2Of氨基酸+肽3.4.133.4.14二肽水解酶類 二肽基肽水解酶類二肽+H2O-2氨基酸二肽基多肽+H2O-二肽+多肽3.4.153.4.163.4.17肽基二肽水解酶類 絲氨酸羧肽酶類 金屬羧肽酶類多肽基二肽+H2O-多肽+二肽 肽基-L-氨基酸+H?O f肽+L-氨基酸 肽基-L-氨基酸+H?O f肽+L-氨基酸作用于多肽鏈的羧基末端生成氨基酸_3 .蛋白質(zhì)的酶促降解在內(nèi)肽酶、羧肽酶、氨肽酶與二肽酶的共同作用

7、下，蛋白質(zhì) 水解成蛋白目示、胨、多肽，最后完全分解成氨基酸，即蛋白質(zhì)目示、月東、內(nèi)肽酶內(nèi)肽酶端肽酶氨基酸這些氨基酸可以轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)合成的地方用作合成新蛋白質(zhì)的原料，也可以經(jīng)脫氨作 用形成氨和有機酸，或參加其他反應。第二節(jié)氨基酸的分解與轉(zhuǎn)化氨基酸的分解反應包括脫氨基作用、脫羧作用與羥基化作用等。一、脫氨基作用高等植物的脫氨基作用在發(fā)芽的種子、幼齡植物及正發(fā)育的組織中最為強烈。脫氨基 作用是氨基酸分解的最重要的一步，包括氧化脫氨基、非氧化脫氨基、轉(zhuǎn)氨基、聯(lián)合脫氨 基、脫酰胺基等作用。氧化脫氨基Oxidative deaminatioi)氧化脫氨基是高等植物最基本的脫氨基方 式，氨基酸脫去以-氨基后

8、轉(zhuǎn)變成相應的酮酸：RRH-COOHRCCOOHNh+1/2。2O+NH3禾本科、豆科作物幼苗及馬鈴薯塊莖中，主要是二羧基氨基酸(天冬氨酸和谷氨酸) 的氧化脫氨。如谷氨酸在谷氨酸脫氫酶的催化下，氧化脫氨生成-酮戊二酸：谷氨酸脫氫酶分布很廣，在動植物、微生物中都存在，廣泛存在于高等植物的種子、 根、胚軸、葉片等組織中。非氧化脫氨基lonoxidative deaminatiol 非氧化脫氨基也包括多種方式。直接脫氨基 是在氨基酸氨基裂解酶和輔助因子磷酸毗哆醛(LP基)的催化下進行 的：天冬氨酸在天冬氨酸氨基裂解酶的催化下，裂解成延胡索酸和氨。脫水酶脫氨基脫水酶只作用于含有一個羥基的氨基酸如L-絲氨

9、酸在絲氨酸脫水酶(serine dehydratase)作用下發(fā)生脫氨：此酶以磷酸毗哆醛為輔酶，催化絲氨酸脫氨后發(fā)生分子內(nèi)重排，生成丙酮酸。解氨酶可催化氨基酸的非氧化脫氨反應，如苯丙氨酸解氨酶Phenylalanine ammonia lyase,PAD催化苯丙氨酸和酪氨酸脫氨：該酶也催化酪氨酸脫氨基并形成對香豆酸反式異構(gòu)體：在高等植物中存在催化苯丙氨酸和酪氨酸脫氨基形成氨和不飽和芳香酸的酶如在許 多植物中發(fā)現(xiàn)有苯丙氨酸解氨酶。轉(zhuǎn)氨基(脫氨)作用(transamination)一種以-氨基酸的氨基可以轉(zhuǎn)移到以-酮酸上，而生成相應的h-酮酸和以-氨基酸，這種作用叫轉(zhuǎn)氨基作用，也叫氨基移換作用。

10、催化轉(zhuǎn)氨基反應的酶叫轉(zhuǎn)氨酶，其輔酶為磷酸毗哆醛或磷酸毗哆胺。轉(zhuǎn)氨基作用的簡式如 下：轉(zhuǎn)氨酶的輔酶為磷酸毗哆醛或磷酸毗哆胺它們起氨基傳遞體的作用，反應過程如下： 轉(zhuǎn)氨酶的種類很多，廣泛分布于動植物及微生物中，因此氨基酸的轉(zhuǎn)氨基作用在生物體內(nèi) 是極為普遍的。轉(zhuǎn)氨基作用是氨基酸脫氨的一種主要方式，在氨基酸代謝中占有重要的地 位。實驗證明，除賴氨酸、蘇氨酸外，其余-氨基酸都可參與轉(zhuǎn)氨基作用，并各有其特異 的轉(zhuǎn)氨酶。聯(lián)合脫氨基作用 生物體內(nèi)L-氨基酸氧化酶活力不高，而L-谷氨酸脫氫酶的 活力很高，轉(zhuǎn)氨酶又普遍存在，因此一般認為-氨基酸往往不是直接氧化脫去氨基，而是 先與a -酮戊二酸經(jīng)轉(zhuǎn)氨作用變?yōu)橄鄳?/p>

11、酮酸與谷氨酸谷氨酸再經(jīng)谷氨酸脫氫酶作用重新 變成a-酮戊二酸，同時放出氨。這種脫氨基作用是轉(zhuǎn)氨基作用和氧化脫氨基作用配合進行 的，所以叫聯(lián)合脫氨基作用。其反應式如圖-2。圖9-2聯(lián)合脫氨基反應示意圖(5)脫酰胺基作用deamidation)酰胺也可以在脫酰胺酶deamidase)作用下脫去 酰胺基，而生成氨：二、脫斐基作用(1)直接脫羧基作用氨基酸在脫羧酶(decarboxylase)催化下脫去羧基生成胺。通式如下：R一fH-COOH R一樣 + CO2NH2NH2氨基酸脫羧普遍存在于動植物及微生物組織中，其輔酶為磷酸毗哆醛。二羧基氨基酸主要在a-位上脫羧，所生成的產(chǎn)物不是胺，而是另一種新的氨

12、基酸。天冬氨酸脫羧后生成B-丙氨酸：谷氨酸脫羧后生成Y-氨基丁酸：Y-氨基丁酸與a-酮戊二酸進行轉(zhuǎn)氨反應，生成谷氨酸和琥珀酸半醛，后者被氧化成 琥珀酸后進入三羧酸循環(huán)：色氨酸在脫氨和脫羧后轉(zhuǎn)變成植物生長素(吲哚乙酸)絲氨酸脫羧生成乙醇胺；乙醇胺經(jīng)甲基化作用生成膽堿：乙醇胺和膽堿分別是腦磷脂和卵磷脂的成分。某些胺的氨基酸前體見表9-4。表9-4某些胺的氨基酸前體氨基酸胺結(jié) 構(gòu) 式乙醇胺CH2-CH2NH2絲氨酸纈氨酸 異亮氨酸丁胺異戊胺甲硫基丙胺1OHch2CH2ch2nh2甲硫氨酸 賴氨酸 鳥氨酸尸胺腐胺精胺sch3ch2(CH2)3-ch2nh2精氨酸亞精胺NH2苯丙氨酸 酪氨酸苯乙胺 酪胺

13、ch2(CH2)2-ch2nh2色氨酸色胺NH2H2N (CH2)3NH (CH2)4NH (CH2)3NH2LH2N (CH)4nh (cH)3NH222這些胺類在植物體內(nèi)進一步轉(zhuǎn)化所形成的產(chǎn)物都具有一定的生理作用。胺可經(jīng)氨氧化酶氧化成醛和氨;醛經(jīng)脫氫酶作用氧化成脂肪酸;脂肪酸經(jīng)&-氧化生成乙酰輔酶A而進入 三羧酸循環(huán)徹底氧化：(2)羥化脫羥基作用(hydroxylation)酪氨酸在酪氨酸酶(tyrosinase)催化下發(fā)生羥化而生成3, 4-二羥苯丙氨酸，簡稱多巴，后者可脫羧生成，4-二羥苯乙胺，簡稱多巴 胺：多巴進一步氧化聚合成黑素。馬鈴薯、蘋果、梨等切開后由于形成黑素而變黑。人的 表

14、皮及毛囊有形成黑素的細胞，使皮膚及毛發(fā)呈黑色；在植物體內(nèi)，由多巴和多巴胺可以 生成生物堿；在動物體內(nèi)可生成激素一一去甲腎上腺素和腎上腺素。三、氨基酸分解產(chǎn)物的去向氨基酸經(jīng)過脫氨、脫羧作用所生成的以-酮酸、氨、胺和CO2,將進一步參加代謝或排 出體外。尿素的形成和尿素循環(huán) 氨基酸脫氨產(chǎn)生的游離氨，對植物組織是有毒害作 用的，因此必須將氨轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒的含氨化合物，以消除氨的毒害。高等植物均具有保留氨 并重新利用氨的能力。植物可以通過尿素循環(huán)，將游離氨轉(zhuǎn)變?yōu)槟蛩?，其反應如下?尿素循環(huán)是消除植物體內(nèi)過量氨毒害的重要途徑，也是儲備氮的主要形式。尿素循環(huán)見圖 9-3。圖9-3尿素循環(huán)當需要時，尿素可經(jīng)脲酶

15、水解放出氨，以供合成各種含氮化合物：合成其他含氮化合物植物可將游離氨轉(zhuǎn)變成氨基酸、酰胺、有機酸銨鹽及氨 甲酰磷酸等含氮化合物，以消除氨的毒害和儲存以備再度利用。如果植物組織中含有足夠的碳水化合物，氨可與碳水化合物轉(zhuǎn)化的酮酸進行氨基化反 應，重新生成氨基酸。在植物體中，消除氨的毒害作用的途徑主要是生成酰胺化合物。天冬酰胺和谷氨酰胺 是動植物共有的儲氮形式。當體內(nèi)酮酸增多時，再經(jīng)轉(zhuǎn)氨作用放出氨，生成氨基酸。有些植物組織中含有大量的有機酸，如秋海棠、酸模、大黃等含有檸檬酸、草酰乙酸、 蘋果酸等，氨便與有機酸形成有機酸的銨鹽。氨與CO2 (來自三羧酸循環(huán))3P參與下，經(jīng)酶催化形成氨基甲酰磷酸：氨甲酰磷

16、酸是合成嘧啶、瓜氨酸、精氨酸和尿素的主要代謝物，也是植物和微生物保 存氮的重要方式。氨基酸碳架的氧化氨基酸脫氨后余下的碳架要進一步轉(zhuǎn)化，最后生成各種有 機酸。各種氨基酸的代謝產(chǎn)物列于表9-5中。表9-5氨基酸代謝的終產(chǎn)物氨基酸終產(chǎn)物丙氨酸、絲氨酸、半胱氨酸、胱氨酸、甘氨酸、蘇氨酸丙酮酸亮氨酸乙酰輔酶A苯丙氨酸、酪氨酸、亮氨酸、賴氨酸、色氨酸乙酰乙酸(或乙酰乙酰輔酶A)甲硫氨酸、異亮氨酸、纈氨酸琥珀酰輔酶A苯丙氨酸、酪氨酸延胡索酸精氨酸、脯氨酸、組氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸a -酮戊二酸天冬氨酸、天冬酰胺草酰乙酸從表9-5中氨基酸分解代謝的終產(chǎn)物可以看出，除乙酰乙酰輔酶A外，均是糖酵解和 三羧酸循環(huán)

17、的中間產(chǎn)物，而乙酰乙酰輔酶A也可以分解為乙酰輔酶A，所以這些中間產(chǎn)物 最后均可通過三羧酸循環(huán)而氧化分解，如圖-4所示。轉(zhuǎn)變成糖和脂類 氨基酸脫氨后的碳架，根據(jù)有機體代謝的需要，即可經(jīng)過三羧酸循環(huán)徹底氧化。生成ATP供機體能量的需要，又可以轉(zhuǎn)變成糖和脂肪。凡是形成丙酮酸、-酮戊一酸、琥珀酸、草酰乙酸的氨基酸都稱為生糖氨基酸，因為 這些有機酸經(jīng)過轉(zhuǎn)變都能生成葡萄糖。凡能生成乙酰輔酶A和乙酰乙酰輔酶A的氨基酸均能通過乙酰輔酶A轉(zhuǎn)變成脂肪。有些氨基酸（如苯丙氨酸和酪氨酸）既可生成脂肪又可生成糖。圖9-4氨基酸碳骨架進入三羧酸循環(huán)的途徑第三節(jié) 氨及氨基酸的生物合成氮素是組成生物體的重要元素，在生命活動中

18、起重要作用，如蛋白質(zhì)、核酸和核苷酸、 某些激素和維生素、葉綠素和血紅素等均含有氮元素。動植物在整個生長發(fā)育過程中均進 行著氮素代謝。因此，氮素代謝與生物的生命活動過程有著極其密切的關系。一、氮素循環(huán)在地球表面的氮分布在大氣、陸地和海洋中?？諝庵泻?%的分子態(tài)氮氣（N2）。此 外，在空氣中還含有微量的氣態(tài)氮化物，如NO、NO2、NH3等。在陸地和海洋中也含有種 類繁多的無機和有機氮化物，包括生物體內(nèi)的含氮化合物。氮元素可以有多種不同的氧化 水平，從一3價到+5價，如表9-6所示。自然界中的不同氮化物經(jīng)常發(fā)生互相轉(zhuǎn)化，形成一個氮素循環(huán)（nitrogen cycle）o大氣 中的氮氣，通過生物固氮、

19、工業(yè)固氮、大氣固氮（如閃電）而轉(zhuǎn)變?yōu)榘被蛳跛猁}，進入土 壤中。土壤中的氨在硝化細菌（包括亞硝酸細菌和硝酸細菌）的作用下，發(fā)生硝化作用而 氧化為硝酸鹽。土壤中的氨和硝酸鹽被植物吸收后，用以構(gòu)成植物體內(nèi)的蛋白質(zhì)及其他氮表9-6氮的不同氧化水平價數(shù)+5+3+10-1-3化合物硝酸離子亞硝酸離子連二次硝酸離子氮氣羥胺氨結(jié)構(gòu)式no3-NO2-N2O22-N2NH2OHnh3化物。當植物供作人和其他動物的食物時植物體內(nèi)的氮化物又轉(zhuǎn)變?yōu)閯游矬w內(nèi)的氮化物。 動物的排泄物、植物的枯枝落葉及動植物個體死亡后的殘骸中的有機氮化物由微生物加以 分解而重新變?yōu)榘边M入土壤中。土壤中的一部分硝酸鹽又可以由微生物引起反硝化作

20、用， 轉(zhuǎn)化為氮氣回歸到大氣中去。整個氮素循環(huán)如圖-5所示。圖9-5自然界的氮素循環(huán)二、生物固氮（1）生物固氮的意義生物固氮在自然界的氮循環(huán)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上均有重要意義。據(jù) 估計，大氣中含氮達3.8x10i5t，但氮氣卻不能直接被植物利用。這是因為氮氣是一種十分 穩(wěn)定的惰性氣體，要打開氣體氮分子N2）中的N三N鍵，要求944.68kJ/mol的能量。 在工業(yè)上，當用鐵為催化劑時，要在30C高溫和2030MPa下，才能固定氮素以生成氨。 但是微生物卻能在常溫常壓的條件下，將氮還原為氨：N2 + 3H2 f 2NH3 這就是生物固氮（biological nitrogen fixation。圖9-6固氮

21、酶分子的假設結(jié)構(gòu)據(jù)估計，全世界陸地每年生物固氮量可也億t,比工業(yè)固氮量還要多。雖然由于工 業(yè)的發(fā)展工業(yè)固氮量有不斷增加的趨勢但工業(yè)固氮要耗用大量的能源，而且會污染環(huán)境， 因此大力發(fā)展生物固氮，對增加農(nóng)作物的氮肥來源有重大意義。生物固氮是在生物體內(nèi)由酶催化進行的，所以能在常溫常壓下進行。目前國內(nèi)外對生 物固氮的生化過程及固氮機理正在積極展開研究。在了解固氮機理之后，人們便可以進行 人工的化學模擬，大大節(jié)省能源，減少污染，為生產(chǎn)合成氨開辟廣闊的途徑。此外，人們 也企圖通過遺傳工程技術，使不能固氮的禾本科作物也能像豆科作物那樣進行固氮，便可 以大量節(jié)省氮肥，并使禾本科作物的產(chǎn)量提高到一個新的水平。（

22、2）固氮酶的結(jié)構(gòu)目前已發(fā)現(xiàn)的固氮生物近50個屬，包括細菌、放線菌和藍細 菌，它們都是原核微生物。在所有研究過的細菌中，固氮酶 均是由兩種鐵硫蛋白組成的。其中一 種還含有鉬，稱為鉬鐵蛋白；另一種 則不含鉬而只含有鐵，稱為鐵蛋白。 鉬鐵蛋白為一個四聚體，含2個a亞 基和兩個P亞基（a2P2），a、p亞 基的相對分子質(zhì)量分別為51 000和 60 000，整個四聚體的相對分子質(zhì)量 為220 000。每個四聚體含2個Mo 原子，約24個Fe原子，約24個S2-， 約30個巰基，可能以三個Fe4S4簇 （Fe4S4cluste r）的形式存在。此外， 還發(fā)現(xiàn)有些鉬鐵蛋白含有相當量的 Mg、Cu、Ca、Z

23、n。鐵蛋白為二聚體， 含兩個相同的亞基，相對分子質(zhì)量為 55 000。每個二聚體含4個Fe原子、4個S2-和 12個巰基。鐵蛋白是一種對氧十分敏感的 鐵硫蛋白。鉬鐵蛋白與鐵蛋白結(jié)合成固氮酶分子（圖-6）而起固氮作用。（3）固氮酶催化的反應及反應條件固氮酶的主要底物赴2,還原產(chǎn)物是NH3：N2 + 6H+ + 6e- 一 2NH3固氮酶除可以還原虬外，還可以還原多種底物，如可以還威2O：N2O + 2H+ + 2e- 一 N2 + H2ON2O可結(jié)合在固氮酶的活性中心，因而對固氮起競爭性抑制作用。固氮酶也能使+還原 而放出氫：2H+ + 2e- 一 H2此外，固氮酶還能還原乙炔C2H2）生成乙烯

24、：C2H2 + 2H+ + 2e- 一 C2H4 固氮酶的反應要求下列條件： 還原劑Carnahan（1960最初用無細胞提取液研究固氮作用時，發(fā)現(xiàn)必須有丙酮酸存在才能固氮，他認為丙酮酸是電子供體。其后發(fā)現(xiàn)丙酮酸是電子供體，并發(fā)現(xiàn)丙酮酸在 脫氫時電子傳至鐵氧還蛋白(圖)-7)，故鐵氧還蛋白是作為固氮反應還原劑的。但在好氣 性細菌內(nèi)的電子來源還未清楚，可能以NADPH作為最初的電子供體，電子傳遞鏈是：NADPH 鐵氧還蛋白 未知蛋白質(zhì) 黃素氧還蛋白 固氮酶ATP由還原態(tài)鐵氧還蛋白還血2的反應是一個放能反應：N2 + 6Fd 還原態(tài)+ 8H+ 2NH/+ 6Fd+氧化態(tài) G （PH值=7）=89.

25、03kJ/mol這個反應可以自發(fā)進行。但是試驗證明，固氮反應還需要1?參與，每傳遞兩個電子OCHCCOO宇e一CHCO+丙酮酸脫氫酶o約消耗45個ATP。在 Carnahan的試驗中，丙酮酸 同時也提供ATP (圖9-7)。 ATP與Mg2 +結(jié)合成 MgATP。厭氧環(huán)境固氮酶 對氧是十分敏感的，因此要 在嚴格的厭氧環(huán)境下才能進 行固氮。好氣性固氮微生物 則必有防氧措施。不同的固 氮微生物有不同的防氧機 理。試驗證明，固氮酶的鐵 蛋白從電子供體接受電子， 并將電子傳給鉬鐵蛋白，同 時水解ATP；鉬鐵蛋白再將電子傳至氮或其他底物而使圖9-7巴斯德梭菌固氮過程中由丙酮酸提供電子和VTP的反應之還原

26、。電子傳遞過程是：還原劑 鐵蛋白 鑰鐵蛋白 被還原底物固氮過程中的氫代謝在固氮過程中常伴隨有氫代謝。氫代謝的內(nèi)容是比較復 雜的，它包括下述的二個方面。固氮酶的放氫反應固氮酶不僅能還原氮，而且也能還原質(zhì)子(H+ )而放出氫(H2)。 在沒有氮和其他可還原的底物存在時，便發(fā)生質(zhì)子的還原；即使在有氮存在并被還原時， 也同時發(fā)生部分質(zhì)子的還原。這個反應要求有三磷酸腺苷參與，不為O抑制。氫酶的放氫反應 在許多固氮生物中均含有氫酶。氫酶也是一種鐵硫蛋白。從巴斯 德梭菌分離出的氫酶相對分子質(zhì)量為60 000，含4個Fe原子和4個S原子。氫酶催化下 面的可逆反應：氫酶的放氫反應不要求三磷酸腺苷參與而可為：O抑

27、制，這和固氮酶的放氫反應是不 同的。上式表明，氫酶可將氫的電子傳給鐵氧還蛋白，這樣氫也可以作為還原氮的電子供體，由固氮酶放出的氫便可被循環(huán)利用。另一方面，由于固氮酶有放氫反應，而氫反過來對固氮酶又有抑制作用，因此氫酶 在固氮生物中可能起著防止氫對固氮酶的抑制作用。綜上所述，可以用圖9-8來概括固氮酶和氫酶的共同作用。圖9-8在固氮酶和氫酶共同作用下氮還原反應圖解這個過程包括下列步驟：MgATP與鐵蛋白結(jié)合；鐵蛋白-Mg-ATP復合 物具有很低的電位(可能達 -490mV)，可將電子傳至鉬鐵 蛋白而使之還原。還原態(tài)鉬鐵蛋白將底 物(如氮、乙炔、質(zhì)子)還原， 本身則重新被氧化：固氮酶亦可使H書還原

28、 而生成氫，而氫在氫酶的作用 下又可還原鐵氧還蛋白，形成 一個電子傳遞的循環(huán)。三、硝酸還原作用在植物體內(nèi)，氮是以氨NH3)的狀態(tài)進入氨基酸，再轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)和其他含氮化合 物，但植物根系從土壤中吸收的主要是硝態(tài)氮，因此必須先將硝酸還原成氨。這個過程是 在硝酸還原酶和亞硝酸還原酶的催化下進行的：在植物體內(nèi)，硝酸還原可以在根和葉內(nèi)進行，而以在葉內(nèi)進行為主；但在種子萌發(fā)初 期，或是在缺氮情況下，根便起著主要的作用。硝酸還原酶按其電子供體的不同可分為兩個類型：鐵氧還蛋白一硝酸還原酶：此類硝酸還原酶以鐵氧還蛋白為電子供體：NO3- +2Fd 還原態(tài) + NO2- + 2Fd 氧化態(tài) + H2ONAD(P)

29、H硝酸還原酶 存在于真菌、綠菌和高等植物中，UNADH或NADPH為 電子供體：NO3- + NAD(P)H + H+ NO2- +NAD(P) + H2O步還亞硝酸還原酶：由硝酸還原生成的亞硝酸，很快便在亞硝酸還原酶的作用下進 原成氨：NO2- + 6e- + 6H+ NH4+ + 2H2O亞硝酸還原酶亦按其電子供體不同而分為兩個類型：鐵氧還蛋白亞硝酸還原酶 存在于光合生物內(nèi)，催化下列反應:NO2- + 6Fd 還原態(tài) + 8H+ NH4+ + 6Fd 氧化態(tài) + 2宵亞硝酸還原酶存在于綠色組織的葉綠體內(nèi)，在其中，由光合電子傳遞鏈產(chǎn)生還原態(tài)的 鐵氧還蛋白。此外，在鐵氧還蛋白NADP還原酶的作

30、用下，也可以生成還原態(tài)的鐵氧還蛋 白。NAD(P)H亞硝酸還原酶存在于非光合生物中，催化下列反應：NO2- + 3NAD(P)H + 5H+ NH4+ + 3NAD(P)+ + 2H2O四、氨的同化由氮素固定或硝酸還原生成的氨，以后便被同化而轉(zhuǎn)變?yōu)楹袡C化合物。氨的同化 包括谷氨酸的形成途徑和氨甲酰磷酸形成途徑。谷氨酸的形成在生物體內(nèi)，氨基酸和蛋白質(zhì)是主要的含氮化合物，許多其它 氮化物也是由氨基酸轉(zhuǎn)變成的。雖然已發(fā)現(xiàn)有許多個由氨形成氨基酸的反應，但由無機態(tài) 的氨轉(zhuǎn)變?yōu)榘被?，主要是通過谷氨酸合成途徑，其他氨基酸則是通過轉(zhuǎn)氨基作用生成的。植物體內(nèi)存在著谷氨酸脫氫酶glutamate dehyd

31、rogenase)，催化還原的氨基化反應如 下：谷氨酸脫氫酶存在于線粒體中，它以NADH為還原劑，a-酮戊二酸是在呼吸作用的 三羧酸循環(huán)中產(chǎn)生的。在過去，人們認為由谷氨酸脫氫酶催化的反應是由氨合成谷氨酸的主要途徑。但是這 個反應要求有較高濃度的氨，超過其在植物體內(nèi)通常存在的濃度。實際上，谷氨酸脫氫酶 所要求的最適的氨濃度是足以引致光合磷酸化發(fā)生解偶聯(lián)的。因此，人們認為，這個還原 氨基化反應可能不是無機氨轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C氮的主要途徑。在植物體內(nèi)還存在著谷氨酰胺合成酶glutamine synthetas)，催化如下反應：由這個反應將氨貯存在谷氨酰胺的酰胺基內(nèi)，谷氨酰胺以后又可作為氨的供體，通過 谷氨酸

32、合成酶(glutamate synthetase)的作用，將酰胺的氨基轉(zhuǎn)移至a酮戊二酸，生成谷 氨酸：這是一個還原反應，NADH、NADPH以及還原態(tài)鐵氧還蛋白均可作為還原劑。在谷 氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶的共同作用下，便可將氨和-酮戊二酸合成為谷氨酸：現(xiàn)有的試驗證據(jù)認為，在高等綠色植物內(nèi)，這可能是氨同化的主要途徑。但在異養(yǎng)真 核生物(如真菌)內(nèi)，則以谷氨酸脫氫酶催化的反應為主要的氨同化途徑。氨甲酰磷酸的形成 同化氨的另一途徑是氨甲酰磷酸的形成有以下二個反應。一個是由氨甲酰激酶Carbamyl kinase)催化的反應：另一個是由氨甲酰磷酸合成酶Carbamyl phosphate synt

33、hetase催化的反應：這個反應要求有輔因子參與在動物肝臟細胞及大腸桿菌中這個輔因子是N-乙酰谷氨酸。 在綠豆幼苗內(nèi)已證明有氨甲酰磷酸形成。但在植物內(nèi)，氨甲酰磷酸中的氮是由谷氮酰胺而 不是由氨而來的。五、氨基酸的生物合成對氨基酸生物合成的研究，大多數(shù)用微生物及動物作為材料，其合成的機制也比較清 楚。對高等植物氨基酸合成的研究雖然不多，但近年來越來越多的試驗證明可能與細菌及 動物的合成途徑大同小異。轉(zhuǎn)氨作用氨基酸的合成需要有氨基和碳架。氨基是由已有的氨基酸經(jīng)轉(zhuǎn)氨作用提供的，許多氨 基酸均可作為氨基的供體，其中主要的是谷氨酸；碳架來自于糖酵解，三羧酸循環(huán)，乙醇酸途徑和磷酸戊糖途徑的a-酮酸，如a-

34、酮戊二酸、早酰乙酸、丙酮酸和乙醛酸。植物細胞內(nèi)存在的轉(zhuǎn)氨作用主要有下列三種：氨基酸的相互轉(zhuǎn)化 根據(jù)合成氨基酸的碳架來源不同，可將氨基酸分成若干族，在同甘氨酸絲氨酸a-酮戊二酸纈氨酸、亮氨酸蘇氨酸 賴氨酸 甲硫氨酸 異亮氨酸谷酰胺/ !芳香族氨基酸鳥氨基、精氨酸、脯氨酸、羥脯氨酸圖9-9谷氨酸與各種其他氨基酸合成一族內(nèi)，幾種氨基酸有共同的碳架來源。如上述三個反應所生成的三種氨基酸，可以分別 進一步轉(zhuǎn)化成其它的氨基酸，即分別形成丙氨酸族、絲氨酸族和天冬氨酸族的氨基酸（參 見圖9-9）。各族氨基酸的合成一碳單位代謝生物化學中將具有一個碳原子的基團稱為一碳單位或一碳基團生物體內(nèi)的一碳單位有許多形式，如

35、甲基SH3、次甲基（又稱甲川基）VH=、亞甲基（甲O叉基）一CH2一、羥甲基一CH2OH、甲?；鵋C、亞氨甲基一CH=NH等。許多氨基酸， 如甘氨酸、蘇氨酸、絲氨酸、組氨酸等，都可作為一碳單位的來源。一碳單位的轉(zhuǎn)移靠四 氫葉酸（fh4）。甘氨酸脫氨基生成乙醛酸后，與FH4反應生成N5, N10-次甲基FH4。蘇氨酸可分解為甘氨酸和乙醛，所以蘇氨酸是通過甘氨酸形成的一碳單位。絲氨酸分 子上的P-碳原子可轉(zhuǎn)移到FH4上，同時脫去1分子水，生成N5, N10亞甲基FH4 （N5， N10CH2FH4）。絲氨酸的p-碳原子轉(zhuǎn)移后變?yōu)楦拾彼崴越z氨酸即可直接與FH4作用， 又可通過甘氨酸途徑形成一碳衍生

36、物。組氨酸在分解過程中形成的亞氨甲酰谷氨酸與h4作用，將亞氨甲?；D(zhuǎn)移到fh4上， 形成亞氨甲酰FH4，再脫去氨基形成N5, N10-次甲基FH4。甲硫氨酸活化為S-腺苷甲硫氨酸即可提供甲基。高半胱氨酸又可自四氫葉酸接受甲基 而形成甲硫氨酸。一碳單位不只與氨基酸代謝密切相關還參與嘌吟和嘧啶的生物合成以菸-腺苷甲硫 氨酸的生物合成，它是生物體內(nèi)各種化合物甲基化的甲基來源。許多帶有甲基的化合物在 生物學上都有重要功能，如腎上腺素、肌酸、卵磷脂等。嘌吟和嘧啶又是合成核酸的重要 成分。丙氨酸族包括丙氨酸、纈氨酸和亮氨酸。它們的共同碳架來源是糖酵解生成的 丙酮酸。由丙酮酸經(jīng)轉(zhuǎn)氨作用生成丙氨酸：由2分子丙

37、酮酸縮合并放出1分子CO2,再經(jīng)幾步反應，便生成纈氨酸的前體a-酮異 戊酸，后經(jīng)轉(zhuǎn)氨反應生成纈氨酸：由a -酮異戊酸再經(jīng)幾步反應生成a-酮異己酸，并經(jīng)轉(zhuǎn)氨作用生成亮氨酸。上述三種氨基 酸的合成關系如下：絲氨酸族包括絲氨酸、甘氨酸和半胱氨酸。由光呼吸乙醇酸途徑形成的乙醛酸 經(jīng)轉(zhuǎn)氨作用可生成甘氨酸，由甘氨酸可轉(zhuǎn)變?yōu)榻z氨酸：絲氨酸還有其他合成途徑，其碳架來自糖酵解中間產(chǎn)物磷酸甘油酸。3-磷酸甘油酸 經(jīng)脫氫生成3-磷酸羥基丙酮酸，后者通過轉(zhuǎn)氨作用形成磷酸絲氨酸，然后在磷酸酶作用下 脫去磷酸生成絲氨酸，此即磷酸化途徑。3-磷酸甘油酸也可以在一開始就脫去磷酸生成甘 油酸，再經(jīng)氧化、轉(zhuǎn)氨而生成絲氨酸，此即非

38、磷酸化途徑：由絲氨酸可轉(zhuǎn)變?yōu)榘腚装彼?，絲氨酸與乙酰輔酩反應生成O-乙酰絲氨酸：絲氨酸+乙酰CoA O-乙酰絲氨酸+CoAO-乙酰絲氨酸在半胱氨酸合成酶催化下與硫化物反應生成半胱氨酸:O-乙酰絲氨酸+硫化牛 半胱氨酸+乙酸上述三種氨基酸合成的關系是：天冬氨酸族包括天冬氨酸、天冬酰胺、賴氨酸、蘇氨酸、甲硫氨酸和異亮氨酸， 它們的共同碳架來自三羧酸循環(huán)的草酰乙酸。草酰乙酸經(jīng)轉(zhuǎn)氨作用便形成天冬氨酸：天冬氨酸由天冬酰胺合成酶催化下列兩個反應而生成天冬酰胺：天冬氨酸 +NH3+ATP Mg+ 天冬酰胺 +H2O+AMP+PPi或天冬氨酸+谷氨酰胺+ATP Mg* 天冬酰胺+谷氨酸+AMP+Ppi第一個反應

39、存在于植物和細菌體內(nèi)，第二個反應存在于動物體內(nèi)。由天冬氨酸可轉(zhuǎn)化 為賴氨酸、蘇氨酸和甲硫氨酸，由蘇氨酸又可轉(zhuǎn)變?yōu)楫惲涟彼?。上述幾種氨基酸合成的關系如下：谷氨酸族包括谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸、羥脯氨酸和精氨酸。它們的共同碳 架來源于三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物a酮戊二酸。由谷氨酸可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦彼?。谷氨酸先被還原 為谷氨酰半醛，這一反應要求ATP NAD- (P) H和Mg2+參加。谷氨酰半醛的廣酰基和a -氨基自發(fā)可逆地形成環(huán)式-二氫吡咯-5-羧酸；后者被還原為脯氨酸： 脯氨酸在進入肽鏈之后才被羥基化，形成羥脯氨酸，這個反應要求氧的參與：由谷氨酸也可轉(zhuǎn)變?yōu)榫彼?，中間生成鳥氨酸和瓜氨酸。上述幾種氨基酸的合

40、成過程 關系如下：組氨酸和芳香氨基酸族包括組氨酸、色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸。組氨酸的合成過程較復雜，它的碳架主要來自磷酸戊糖途徑的中間產(chǎn)物磷酸核糖，此外還ATP、谷 氨酸和谷、氨酰胺的參與，它的分子中各個廣來自ATP原子的來源如下：芳香HC cm氨基酸的碳架來自戊糖循環(huán)的中間產(chǎn)物4-磷酸赤蘚糖和來自核糖K來自谷氨酰胺的酰胺基從谷氨酸轉(zhuǎn)氨作用而來COOH糖酵解的中間產(chǎn)物烯醇式磷酸丙酮酸（PEP）。這兩者化合后經(jīng)幾步反應生成莽草酸（shikimic acid）:由莽草酸可生成芳香氨基酸和其他多種芳香族化合物稱為莽草酸途徑（shikimic acid pathway）。莽草酸經(jīng)磷酸化，再與?反應，生

41、成分支酸Chorismic acid）。由分支酸可以合成 色氨酸；分支酸也可以轉(zhuǎn)變?yōu)轭A苯酸（prephenic acid）。由預苯酸可生成苯丙氨酸和酪氨 酸。上述幾種氨基酸合成的關系如下：上面扼要地介紹了各種氨基酸的合成過程，它們的碳架均來自呼吸作用或光呼吸作用 的中間產(chǎn)物，經(jīng)一系列不同的反應生成相應的酮酸最后經(jīng)轉(zhuǎn)氨作用而形成相應的氨基酸。 各種氨基酸合成途徑及其相互關系如圖-10所示。圖9-10各種氨基酸的合成途徑及其相互關系SO42-的還原（半胱氨酸的合成）含硫氨基酸主要包括半胱氨酸和甲硫氨酸。含硫氨基酸都含有負二價的硫工），而植物從外界吸收的硫酸根離子SO42-）中的S是正六價的，所以植

42、物體內(nèi)一定要進行硫酸 鹽的還原，才能被轉(zhuǎn)化成氨基酸中的硫，其總反應需要個電子：SO42- + 8e + 8H S2- + 4H2OSO42-的還原并轉(zhuǎn)變?yōu)楹虬被峥纱笾练譃閮蓚€階段：SO42-的活化植物吸收的SO42是非活性的，必須轉(zhuǎn)變成活性翻。42-，才能進一步被NADPH+H+還原。活性SO42是SO42-和 ATP作用形成3-磷酸腺嘌吟-5 -磷酸硫酸，縮 寫為PAPS。反應過程如下：活化SO42-的還原與轉(zhuǎn)化 活化的SO42-即PAPS,其分子上的-SO3H能在轉(zhuǎn)硫酸酶的催 化下被轉(zhuǎn)移到其它分子上去。在硫酸還原過程中，-o3h先被轉(zhuǎn)移到一個小分子的載體 . 蛋白上，載體蛋白帶有兩個一

43、SH基（以x鄰表示），是硫酸還原酶復合體中的一個組分。與載體蛋白結(jié)合的一so3h可被還原態(tài)鐵氧還蛋白還原，這一步驟共發(fā)生個電子的傳遞，一SO3H即被還原成一SH。-SH再傳遞給“活化的”絲氨酸（O乙酰絲氨酸）S即生成半胱氨酸，同時釋放出氧化型的載體蛋白X、S ），再經(jīng)過NADPH還原成還原型 hqn 的載體蛋白（X、SH），繼續(xù)接受“活化的”SO42-鹽進行還原作用，其全部過程如圖9-11 所示。圖9-11 SO42-的還原過程第四節(jié) 由氨基酸衍生的其他化合物在生物體內(nèi)，氨基酸不僅是合成蛋白質(zhì)的主要成分，而且是形成核酸、磷脂、某些輔酶、 葉綠素、血紅素、細胞色素等重要生命物質(zhì)的重要原料來源。氨

44、基酸轉(zhuǎn)化后所形成的 產(chǎn)物很多是具有生理活性的物質(zhì)，如激素、維生素、抗生素、胺、生物堿、生氰糖苷等。 表9-7列出了由氨基酸衍生的一些化合物。表9-7由氨基酸衍生的化合物氨基酸衍 生 物衍生物種類甘氨酸天冬氨酸谷氨酰胺嘌吟嘌吟嘧啶嘌吟RNA、DNA及核昔酸（輔酶）的成分絲氨酸乙醇胺、膽堿磷脂天冬氨酸B-丙氨酸半胱氨酸 酪氨酸巰基乙胺泛醌、質(zhì)醌輔酶色氨酸煙酸（vitpp）維生素甲硫氨酸色氨酸亮氨酸乙烯吲哚乙酸脫落酸、赤霉素激素纈氨酸半胱氨酸青霉素抗生素甘氨酸酪氨酸葉綠素、血紅素、細胞色素 黑色素色素谷氨酸酪氨酸色氨酸苯丙氨酸纈氨酸酪氨酸煙堿嗎啡、可卡因奎寧、馬錢子堿苦杏仁昔亞麻苦昔生物堿 糖昔精氨

45、酸賴氨酸鯡精胺、腐胺、亞精胺、精胺 尸胺胺類一、多胺多胺是氨基酸代謝過程中產(chǎn)生的具有生物活性的、低相對分子質(zhì)量的脂肪族含氮堿， 主要有尸胺、腐胺、亞精胺及精胺等。它們廣泛存在于生物界，從低等植物、微生物（細 菌、噬菌體、病毒等）直至哺乳類。多胺是由三種氨基轉(zhuǎn)變形成的：精氨酸構(gòu)成多胺基部分骨架，甲硫氨酸向腐胺提供丙氨基而形成亞精胺和精胺（見圖9-12）。高等植物含有多胺，并且分布廣泛，如單子葉植物中的小麥、大麥、燕麥、水稻，雙 子葉植物中的豌豆、煙草、綠豆、菜豆、向日葵、馬鈴薯等。圖9-12腐胺、亞精胺、精胺的形成途徑精氨酸脫羧酶；、脲水解酶；鳥氨酸脫羧酶；、丙氨基轉(zhuǎn)移酶胺基的數(shù)目愈多，生理活性

46、愈大，細胞分裂旺盛的分生組織多胺的合成愈活躍；愈幼 嫩的部位多胺含量愈高。近十多年來對多胺的研究日益深入。人們認為多胺具有促進生長、延緩衰老、提高對 脅迫的反應力，可能是類似cAMP那樣的“第二信使”可調(diào)節(jié)植物的生長和發(fā)育。多胺的生物作用比較復雜，它與細胞的增殖和分化有密切關系，如多胺可部分地維持核糖體的二級結(jié)構(gòu)，促進核糖體與RNA以及蛋白質(zhì)合成中一些必需因子的結(jié)合，因此多胺對DNA復制、RNA轉(zhuǎn)錄及蛋白質(zhì)的翻譯等多個環(huán)節(jié)均有促進作用。二、兒茶酚胺和黑色素由酪氨酸經(jīng)羥化反應生成的多巴醍及由羥化脫羧反應生成的腎上腺素與去甲腎上腺 素統(tǒng)稱為兒茶酚胺，它們都在神經(jīng)系統(tǒng)中起重要作用。酪氨酸羥化反應生成

47、的多巴可進一步氧化成多巴醍，這種酮式的苯丙氨酸，4-醍是 不穩(wěn)定物質(zhì)，能自發(fā)進行一系列反應，最后聚合形成黑色素。腎上腺素、去甲腎上腺素、多巴及多巴胺由酪氨酸的衍生途徑如圖13。圖9-13酪氨酸形成多巴、多巴胺、去甲腎上腺素、腎上腺素的途徑三、生氰糖苷生氰糖苷是a-羥基腈的糖苷，也是氰醇的糖苷。由氨基酸生成的生氰糖苷的糖苷配基 都來自5種氨基酸，即L-苯丙氨酸、L-酪氨酸、L-纈氨酸、L-異亮氨酸和L-亮氨酸。不同 氨基酸產(chǎn)生不同的生氰糖苷。絕大多數(shù)生氰糖苷中的糖基是葡萄糖，而且是單糖。在適當條件下，能由體內(nèi)的生氰糖苷產(chǎn)生氫氰酸的植物稱為生氰植物。已知的生氰植 物超過了 2 000種，它們分布于100多個科中。在生物合成過程中，氨基酸失去其羧基碳，氨基被氧化成腈，-碳原子先被羥基化，而后被糖 基化，最 后形成了 生氰糖 苷。圖 9-14是生 氰糖苷生 OOH/?OOH+h2o