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1、第八章第八章蛋白质的酶促降解和氨基酸代谢蛋白质的酶促降解和氨基酸代谢主要内容第一节第一节蛋白质的酶促降解蛋白质的酶促降解第二节第二节氨基酸的降解与转化氨基酸的降解与转化第三节第三节氮素同化作用氮素同化作用第四节第四节氨基酸的生物合成氨基酸的生物合成本章教学目的要求：本章教学目的要求：掌掌握握蛋蛋白白质质的的酶酶促促降降解解过过程程，氨氨基基酸酸的的分分解解、转转化化、生生物物合合成成；了了解解氨氨的的同同化化及及氨氨基基酸酸的的生生物物合合成。成。重点、难点：重点、难点：氨基酸的降解，氨的同化、氨基酸的生物合成。氨基酸的降解，氨的同化、氨基酸的生物合成。第一节第一节蛋白质的酶促降解蛋白质的酶促
2、降解 一、肽酶一、肽酶（Peptidase）1 1、概概念念：肽肽链链端端解解酶酶，作作用用于于肽肽链链的的末末端端，将将氨氨基基酸酸一一个个一一个个的的或或两两个个两两个个的的从从多多肽肽链链上上分分解出来，产生氨基酸或二肽解出来，产生氨基酸或二肽(二肽酶二肽酶)。2 2、分类：、分类：羧肽酶羧肽酶：作用于肽链的羧基末端：作用于肽链的羧基末端氨肽酶氨肽酶：作用于肽链的氨基末端：作用于肽链的氨基末端肽酶的种类和专一性编号编号名名称称作作用用特特征征3 3、4 4、11113 3、4 4、1313 -氨酰肽水解酶氨酰肽水解酶氨酰肽水解酶氨酰肽水解酶(-aminoacyl aminoacyl am
3、inoacyl aminoacyl peptide hydrolase)peptide hydrolase)peptide hydrolase)peptide hydrolase)作用于多肽链的作用于多肽链的作用于多肽链的作用于多肽链的N-N-N-N-末端末端末端末端 -羧肽水解酶羧肽水解酶羧肽水解酶羧肽水解酶(-carboxyl carboxyl carboxyl carboxyl peptide hydrolase)peptide hydrolase)peptide hydrolase)peptide hydrolase)作用于多肽链的作用于多肽链的作用于多肽链的作用于多肽链的C-C-C-
4、C-末端末端末端末端3 3、4 4、1414二羧肽水解酶二羧肽水解酶二羧肽水解酶二羧肽水解酶(depeptide depeptide depeptide depeptide hydrolase)hydrolase)hydrolase)hydrolase)水解二肽水解二肽水解二肽水解二肽二、蛋白酶二、蛋白酶(Proteinase)1 1、概概念念：肽肽链链内内切切酶酶，作作用用于于肽肽链链内内部部，将将蛋蛋白白质质分分解解成成长长度度较短的含氨基酸分子数较少的多肽链。较短的含氨基酸分子数较少的多肽链。2 2、植物含有的特殊蛋白酶、植物含有的特殊蛋白酶 木木瓜瓜蛋蛋白白酶酶：医医药药上上用用于于治
5、治疗疗消消化化不不良良，工工业业上上用用于于对对啤啤酒酒澄清和作肉类嫩化剂。澄清和作肉类嫩化剂。菠萝蛋白酶；啤酒澄清，面包（有弹性、疏松）菠萝蛋白酶；啤酒澄清，面包（有弹性、疏松）种子发芽时，蛋白酶活性增强。种子发芽时，蛋白酶活性增强。在在许许多多食食虫虫植植物物中中，发发现现有有强强烈烈分分解解蛋蛋白白质质的的酶酶类类，这这些些蛋蛋白酶可分解捕获到的虫体蛋白，供植物吸收利用。白酶可分解捕获到的虫体蛋白，供植物吸收利用。3、动物中：胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、动物中：胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶蛋白酶的种类和专一性编号编号名名称称作用特征作用特征实例实例3 3、4 4、2 2、1 1
6、3 3、4 4、2 2、2 2丝氨酸蛋白酶类丝氨酸蛋白酶类丝氨酸蛋白酶类丝氨酸蛋白酶类(serine pritelnase)serine pritelnase)serine pritelnase)serine pritelnase)活性中心含活性中心含活性中心含活性中心含SerSerSerSer3 3、4 4、2 2、3 33 3、4 4、2 2、4 4硫醇蛋白酶类硫醇蛋白酶类硫醇蛋白酶类硫醇蛋白酶类(Thiol pritelnase)Thiol pritelnase)Thiol pritelnase)Thiol pritelnase)活性中心含活性中心含活性中心含活性中心含CysCysCys
7、Cys羧基（酸性）蛋白酶类羧基（酸性）蛋白酶类羧基（酸性）蛋白酶类羧基（酸性）蛋白酶类 carboxyl(asid)carboxyl(asid)carboxyl(asid)carboxyl(asid)pritelnasepritelnasepritelnasepritelnase活性中心含活性中心含活性中心含活性中心含AspAspAspAsp,最适最适最适最适pHpHpHpH在在在在5 5 5 5以下以下以下以下金属蛋白酶类金属蛋白酶类金属蛋白酶类金属蛋白酶类(metallopritelnase)metallopritelnase)metallopritelnase)metallopritel
8、nase)活性中心含有活性中心含有活性中心含有活性中心含有ZnZnZnZn2+2+2+2+、MgMgMgMg2+2+2+2+等等等等金属金属金属金属胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶凝血酶凝血酶凝血酶凝血酶木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶无花果蛋白酶无花果蛋白酶无花果蛋白酶无花果蛋白酶菠萝酶菠萝酶菠萝酶菠萝酶胃蛋白酶胃蛋白酶胃蛋白酶胃蛋白酶凝乳酶凝乳酶凝乳酶凝乳酶枯草杆菌蛋白酶枯草杆菌蛋白酶枯草杆菌蛋白酶枯草杆菌蛋白酶嗜热菌蛋白酶嗜热菌蛋白酶嗜热菌蛋白酶嗜热菌蛋白酶消化道内几种蛋白酶的专一性消化道内几种蛋白酶的专一性（Phe.Tyr.Trp
9、）（Arg.Lys）（脂肪族）（脂肪族）胰凝乳胰凝乳蛋白酶蛋白酶胃蛋白酶胃蛋白酶弹性蛋白酶弹性蛋白酶羧肽酶羧肽酶胰蛋白酶胰蛋白酶氨肽酶氨肽酶羧肽酶羧肽酶（Phe.Trp）第二节第二节氨基酸的降解与转化氨基酸的降解与转化 氨基酸代谢概况食物蛋白质食物蛋白质食物蛋白质食物蛋白质氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸特殊途径特殊途径特殊途径特殊途径 -酮酸酮酸酮酸酮酸糖及其代谢糖及其代谢糖及其代谢糖及其代谢中间产物中间产物中间产物中间产物脂肪及其代谢脂肪及其代谢脂肪及其代谢脂肪及其代谢中间产物中间产物中间产物中间产物TCATCA鸟氨酸鸟氨酸鸟氨酸鸟氨酸循环循环循环循环NHNH4 4+NHNH4 4+NHNH3 3
10、COCO2 2HH2 2OO体蛋白体蛋白体蛋白体蛋白尿素尿素尿素尿素尿酸尿酸尿酸尿酸激素激素激素激素卟啉卟啉卟啉卟啉尼克酰氨尼克酰氨尼克酰氨尼克酰氨衍生物衍生物衍生物衍生物肌酸胺肌酸胺肌酸胺肌酸胺嘧啶嘧啶嘧啶嘧啶嘌呤嘌呤嘌呤嘌呤SOSO442 2-生物固氮生物固氮生物固氮生物固氮硝酸还原硝酸还原硝酸还原硝酸还原（次生物质代谢）（次生物质代谢）（次生物质代谢）（次生物质代谢）COCO2 2胺胺胺胺 一、脱氨基作用一、脱氨基作用（Deamination）AA AA失去氨基的作用。失去氨基的作用。（一）氧化脱氨（主要存在于动植物中）（一）氧化脱氨（主要存在于动植物中）产物为相应的酮酸。产物为相应的酮
11、酸。1、氧化专一氨基酸氧化专一氨基酸（Glu脱氢酶）脱氢酶）L-谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸+H2O -酮戊二酮戊二酮戊二酮戊二 酸酸酸酸+NH3NADNAD（P P）+NADNAD（P P）HH2、L-氨基酸氧化酶氨基酸氧化酶，分布不广、活力低，一类，分布不广、活力低，一类以以FAD为辅基、另一类以为辅基、另一类以FMN为辅基（人和动物）为辅基（人和动物）。-氨基酸氨基酸氨基酸氧化酶（氨基酸氧化酶（FAD、FMN）-酮酸酮酸R-CH-COO-NH+3|R-C-COO-+NH3O|H2O+O2H2O23、D-氨基酸氧化酶氨基酸氧化酶，以，以FAD为辅基，分布广，为辅基，分布
12、广，但作用不大。但作用不大。（二）非氧化脱氨（主要存在于微生物中）（二）非氧化脱氨（主要存在于微生物中）1 1、还原脱氨基作用、还原脱氨基作用严格无氧条件下，某些含有氢化酶的微生物，严格无氧条件下，某些含有氢化酶的微生物，产物是脂肪酸。产物是脂肪酸。R-CH-COO-2H氢化酶氢化酶R-C-COO-NH+3O+NH32 2、水解脱氨基作用、水解脱氨基作用 产物是羟酸和氨产物是羟酸和氨-氨基酸氨基酸氨基酸水解酶氨基酸水解酶-酮酸酮酸R-CH-COO-NH+3|R-CH-COO-+NH3OH|H2O3 3、脱水脱氨基作用、脱水脱氨基作用LSer和和LThr在脱水酶作用下脱氨，辅在脱水酶作用下脱氨，
13、辅酶是磷酸吡哆醛。酶是磷酸吡哆醛。4 4、脱硫氢基脱氨基作用、脱硫氢基脱氨基作用LCys，由脱硫氰基酶催化。，由脱硫氰基酶催化。CysCys脱硫氢基酶脱硫氢基酶丙酮酸丙酮酸SH-CH2-CH-COO-NH+3CH3-C-COO-+NH3OH2OH2S 5 5、氧化、氧化还原脱氨基作用还原脱氨基作用 两个两个AA相互发生氧化还原反应，分别生成有相互发生氧化还原反应，分别生成有机酸、酮酸和氨。机酸、酮酸和氨。酶酶R-CH-COOH+R-CH-COOH+HR-CH-COOH+R-CH-COOH+H2 2O O NH2NH2 R-C-COOH+R-CH R-C-COOH+R-CH2 2-COOH+2N
14、H-COOH+2NH3 3O 6 6、解氨酶催化的脱氨基作用、解氨酶催化的脱氨基作用 苯苯丙丙氨氨酸酸解解氨氨酶酶PALPAL催催化化苯苯丙丙氨氨酸酸PhePhe和和酪酪氨氨酸酸TyrTyr。Phe Phe 反反式式肉肉桂桂酸酸，可可进进一一步步转转化化为为香香豆豆素、木素、单宁等次生物质。素、木素、单宁等次生物质。Tyr反式香豆酸，可转化为反式香豆酸，可转化为P羟苯甲羟苯甲酸，后者可参加酸，后者可参加CoQ（泛醌）的合成。泛醌）的合成。7 7、脱酰氨基作用、脱酰氨基作用对谷氨酰胺对谷氨酰胺Gln、天冬酰胺天冬酰胺Asn的脱氨的脱氨作用。作用。谷氨酰胺酶谷氨酰胺酶 Gln+H Gln+H2 2
15、O Glu+NHO Glu+NH3 3天冬酰胺酶天冬酰胺酶Asn+H2OAsp+NH3 8 8、联合脱氨作用、联合脱氨作用A：以谷氨酸脱氢酶为中心的联合脱氨基作用以谷氨酸脱氢酶为中心的联合脱氨基作用（广泛存在）（广泛存在）转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶作用相偶联转氨酶L-谷氨酸脱氢酶H H2 20+NAD0+NAD+NHNH3 3+NADH+NADH-酮酸酮酸-氨基酸氨基酸-酮戊二酸酮戊二酸L-L-谷氨酸谷氨酸B：通过嘌呤核苷酸循环的联合脱氨基作用通过嘌呤核苷酸循环的联合脱氨基作用（骨骼骨骼肌、心肌、肝脏、脑中肌、心肌、肝脏、脑中）转氨基作用与嘌呤核苷酸循环相偶联-氨基酸氨基酸-酮酸酮酸-酮戊二酸酮
16、戊二酸谷氨酸谷氨酸草酰乙酸草酰乙酸天冬氨酸天冬氨酸腺苷酰琥珀酸腺苷酰琥珀酸苹果酸苹果酸延胡索酸延胡索酸腺苷酸腺苷酸次黄苷酸次黄苷酸 二、脱羧基作用二、脱羧基作用（Decarboxylation）AAAA在在脱脱羧羧酶酶作作用用下下发发生生脱脱羧羧基基反反应应，形形成成胺胺类化合物。类化合物。AAAA脱羧酶的辅酶是磷酸吡哆醛。专一性强。脱羧酶的辅酶是磷酸吡哆醛。专一性强。只有只有组氨酸脱羧酶不需要辅酶。组氨酸脱羧酶不需要辅酶。生成的胺类化合物少数有生理活性作用，其它有毒性。生成的胺类化合物少数有生理活性作用，其它有毒性。谷氨酸：经谷氨酸脱羧酶谷氨酸：经谷氨酸脱羧酶氨基丁酸氨基丁酸（GABA）琥琥
17、珀珀酸酸TCATCA（氨氨基基丁丁酸酸在在动动物物中中作作为为神神经经递递质质，在在植植物物中可提高植物抗性，如发芽、缺水、厌氧条件下）中可提高植物抗性，如发芽、缺水、厌氧条件下）色氨酸：经脱氨、脱羧色氨酸：经脱氨、脱羧吲哚乙酸吲哚乙酸（植物生长素）（植物生长素）丝氨酸：经脱羧丝氨酸：经脱羧 乙醇胺乙醇胺（脑磷脂的成分）（脑磷脂的成分）胆碱胆碱 赖氨酸：经脱羧赖氨酸：经脱羧尸胺尸胺 鸟氨酸：经脱羧鸟氨酸：经脱羧腐胺腐胺 精氨酸：经脱羧精氨酸：经脱羧鲱精氨鲱精氨腐胺腐胺组氨酸：经脱羧组氨酸：经脱羧组胺组胺（有降血压作用）（有降血压作用）酪氨酸；经脱羧酪氨酸；经脱羧酪胺酪胺（有升高血压作用）（有升
18、高血压作用）重要氨基酸的脱羧基作用重要氨基酸的脱羧基作用谷氨酸谷氨酸-氨基丁酸（氨基丁酸（GABA）：）：对中枢神经系统的传导具有抑制作用；对中枢神经系统的传导具有抑制作用；VB6是其辅酶，因此临床上用是其辅酶，因此临床上用VB6防治神防治神经性妊娠呕吐及小孩抽搐；经性妊娠呕吐及小孩抽搐；主要存在于大脑中。主要存在于大脑中。组氨酸组氨酸组胺：组胺：血管舒张剂，具有扩张血管降低血压功效；血管舒张剂，具有扩张血管降低血压功效；促进胃液分泌；促进胃液分泌；动物性食物腐败产生大量组胺。动物性食物腐败产生大量组胺。酪氨酸酪胺：使血压升高。色氨酸色氨酸5-羟色胺（羟色胺（5-HT，血清素）：血清素）：促进
19、微血管收缩、血压升高和促进肠胃促进微血管收缩、血压升高和促进肠胃蠕动；蠕动；促进睡眠；促进睡眠；与神经兴奋传导有关，当其浓度降低时，与神经兴奋传导有关，当其浓度降低时，痛阈降低。痛阈降低。三、羟化作用三、羟化作用酪氨酸酶酪氨酸酶 1/2 1/2O O2 2 多巴脱羧酶多巴脱羧酶酪氨酸酪氨酸3 3，4 4二羟苯丙氨酸（多巴）二羟苯丙氨酸（多巴）3 3，4 4二羟苯乙胺（多巴胺）二羟苯乙胺（多巴胺）COCO2 2 应用应用：1 1、多多巴巴进进一一步步氧氧化化为为聚聚合合物物黑黑素素。马马铃铃薯薯、苹苹果果、梨梨等等切切开开后后变黑，是由于黑素造成的。变黑，是由于黑素造成的。2 2、人人体体的的皮
20、皮肤肤和和毛毛发发呈呈黑黑色色，是是因因为为人人体体表表皮皮基基底底层层及及毛毛囊囊有有成黑素细胞，酪氨酸在其中可转变为黑素。成黑素细胞，酪氨酸在其中可转变为黑素。3、在动物体内，多巴、多巴胺可生成肾上腺素和去甲肾上腺素，、在动物体内，多巴、多巴胺可生成肾上腺素和去甲肾上腺素，它们是重要的动物激素；在植物体内，多巴、多巴胺可进一步生它们是重要的动物激素；在植物体内，多巴、多巴胺可进一步生成生物碱。成生物碱。四、四、AA分解产物的去向分解产物的去向（一）（一）NHNH3 3的去向的去向-尿素循环尿素循环 1 1、排氨作用、排氨作用 高等动植物均有保留并重新利用氨的能力，高等动植物均有保留并重新利
21、用氨的能力，但是动物有一部分氨必须排除体外，氨的排泄但是动物有一部分氨必须排除体外，氨的排泄是生物体维持正常生命活动的一种代谢方式。是生物体维持正常生命活动的一种代谢方式。氨有毒，高等动物的脑组织对氨相当敏感，氨有毒，高等动物的脑组织对氨相当敏感，血液中含血液中含1%氨即可引起中枢神经系统中毒（语氨即可引起中枢神经系统中毒（语言紊乱、视力模糊、甚至昏迷死亡。言紊乱、视力模糊、甚至昏迷死亡。机理机理：高浓度的氨与：高浓度的氨与-酮戊二酸形成谷氨酮戊二酸形成谷氨酸，使大脑中的酸，使大脑中的-酮戊二酸大量减少，导致酮戊二酸大量减少，导致TCATCA循环无法正常进行，从而引起脑功能受损循环无法正常进行
22、，从而引起脑功能受损）。）。脱脱氨氨产产生生的的氨氨对对生生物物组组织织是是有有毒毒的的，必必须须将将氨氨转变为无毒的化合物转变为无毒的化合物：A A：如如果果组组织织内内含含有有足足够够的的碳碳水水化化合合物物，氨氨可可以以与与由由碳碳水水化化合合物物转转变变成成的的酮酮酸酸发发生生氨氨基基化化（如如氧氧化化脱脱氨的逆反应），重新生成氨基酸。氨的逆反应），重新生成氨基酸。B B：有有些些植植物物组组织织含含有有大大量量的的有有机机酸酸，氨氨可可以以与与有有机酸形成有机酸盐。机酸形成有机酸盐。C：酰胺的形成起着消除氨的作用。酰胺的形成起着消除氨的作用。不同生物排氨方式各异不同生物排氨方式各异：
23、陆生脊椎动物：尿素陆生脊椎动物：尿素水水生生或或海海洋洋动动物物（原原生生动动物物、线线虫虫、鱼鱼类类、水水生生两栖类）：氨态氮，排氨动物两栖类）：氨态氮，排氨动物鸟类、爬虫类：固体尿酸，排尿酸动物鸟类、爬虫类：固体尿酸，排尿酸动物蜘蛛：鸟嘌呤蜘蛛：鸟嘌呤鱼类：氧化三甲胺鱼类：氧化三甲胺高等植物：一般不排氨，多余的氨以酰胺的方式储高等植物：一般不排氨，多余的氨以酰胺的方式储存存2、尿素循环、尿素循环NHNH3 3+CO+CO2 2+3ATP+3ATP+天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸+2+2HH2 2OO NHNH2 2-CO-NH-CO-NH22+2ADP+22ADP+2PiPi+AMP+P
24、Pi+AMP+PPi+延胡索酸延胡索酸延胡索酸延胡索酸NHNH3 3+CO+CO2 2+2ATP+2ATP氨甲酰磷酸PiAsp延胡索酸鸟氨酸瓜氨酸精氨酸H2O尿素1、瓜氨酸的生成2、精氨琥珀酸的生成、精氨琥珀酸的生成这个需要这个需要ATP的反应是由的反应是由精氨琥珀酸合成酶精氨琥珀酸合成酶催化的。催化的。3、精氨酸和延胡索酸的生成、精氨酸和延胡索酸的生成精氨琥珀酸在精氨琥珀酸在精氨琥珀酸裂解酶精氨琥珀酸裂解酶的催化下裂解的催化下裂解4、鸟氨酸和尿素的生成、鸟氨酸和尿素的生成精氨酸酶精氨酸酶催化精氨酸的胍基水解催化精氨酸的胍基水解鸟鸟氨氨酸酸循循环环氨基酸氨基酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸氨甲酰磷酸
25、氨甲酰磷酸鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸瓜氨酸瓜氨酸精氨琥珀酸精氨琥珀酸鸟氨酸鸟氨酸精氨酸精氨酸延胡索酸延胡索酸草酰乙酸草酰乙酸氨基酸氨基酸谷氨酸谷氨酸-酮戊二酸酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸ATPAMP+PPiH2O2ATP+CO2+NH3+H2O2ADP+Pi基质基质线线粒粒体体胞液胞液NH2-C-NH2NH2-C-NH2OO尿素尿素（二）（二）酮酸的去向酮酸的去向 1 1、氧化途径、氧化途径 2 2、变为糖和脂肪、变为糖和脂肪（1 1）生生糖糖氨氨基基酸酸:某某些些氨氨基基酸酸可可以以生生成成丙丙酮酮酸酸或或TCATCA中中间间产产物物离离开开TCATCA时时生生成成草草酰酰乙乙酸酸，然然后后沿沿糖
26、糖异异生生途途径径转转变变为为糖糖，这这类类氨氨基基酸酸叫叫生糖氨基酸。生糖氨基酸。（2 2）生生酮酮氨氨基基酸酸：有有些些AAAA的的代代谢谢终终产产物物为为乙乙酰酰CoACoA或或乙乙酰酰乙乙酰酰CoACoA，后后者者在在某某些些情情况况下下如如饥饥饿饿、糖糖尿尿病病等等在在动动物物体体肝肝脏脏内内可可转转变变为为酮体（乙酰乙酸、酮体（乙酰乙酸、羟丁酸和丙酮）。羟丁酸和丙酮）。乙酰乙酰CoA CoA 脂肪脂肪3、用于合成新的氨基酸。、用于合成新的氨基酸。氨基酸碳骨架进入三羧酸循环的途氨基酸碳骨架进入三羧酸循环的途径径草酰乙酸草酰乙酸磷酸烯磷酸烯醇式酸醇式酸-酮戊二酸酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸
27、天冬酰氨天冬酰氨丙酮酸丙酮酸延胡索酸延胡索酸琥珀酰琥珀酰CoA乙酰乙酰CoA乙酰乙酰乙酰乙酰CoA苯丙氨酸苯丙氨酸酪氨酸酪氨酸亮氨酸亮氨酸赖氨酸赖氨酸色氨酸色氨酸丙氨酸丙氨酸苏氨酸苏氨酸甘氨酸甘氨酸丝氨酸丝氨酸半胱氨酸半胱氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺精氨酸精氨酸组氨酸组氨酸脯氨酸脯氨酸异亮氨酸异亮氨酸亮氨酸亮氨酸缬氨酸缬氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸酪氨酸酪氨酸天冬氨酸天冬氨酸异亮氨酸异亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸缬氨酸缬氨酸葡萄糖葡萄糖柠檬酸柠檬酸第三节第三节氮素同化作用氮素同化作用 一、自然界的一、自然界的N素循环素循环自然界的氮素循环自然界的氮素循环硝酸盐硝酸盐亚硝酸亚硝酸氮氮生物固氮生物固氮工业固
28、氮工业固氮固氮生物固氮生物动植物动植物硝酸盐还原硝酸盐还原大气固氮大气固氮大气氮素大气氮素岩浆源的岩浆源的固定氮固定氮火成岩火成岩反硝化作用反硝化作用氧化亚氮氧化亚氮蛋白质蛋白质入地下水入地下水动植物废物动植物废物死的有机体死的有机体 二、生物固氮的生物化学二、生物固氮的生物化学 1 1、概概念念：指指某某些些微微生生物物或或藻藻类类通通过过其其体体内内的的固固氮氮酶酶复复合合体体的的作用把分子氮转变为氨的作用。作用把分子氮转变为氨的作用。2 2、意义、意义 可可增增加加农农作作物物的的氮氮肥肥来来源源，而而且且可可节节约约大大量量能能源源，减减少少环环境境污染（工业污染）。污染（工业污染）。
29、通通过过基基因因工工程程技技术术，使使不不能能固固氮氮的的禾禾本本科科植植物物也也能能象象豆豆科科作作物那样固氮，可望提高产量。物那样固氮，可望提高产量。A A：把把豆豆科科植植物物的的结结瘤瘤基基因因导导入入其其它它作作物物，使使之之对对固固氮氮菌菌的的感感染作出恰当反应；染作出恰当反应；B B：改改变变根根瘤瘤菌菌的的遗遗传传结结构构，使使之之能能与与非非豆豆科科植植物物的的根根结结合合形形成根瘤，即扩大根瘤菌的寄主范围；成根瘤，即扩大根瘤菌的寄主范围；C：直接导入固氮基因。直接导入固氮基因。3 3、固氮生物、固氮生物细菌、放线菌、蓝细菌（蓝藻）等原核微生物。细菌、放线菌、蓝细菌（蓝藻）等
30、原核微生物。（1 1）自生固）自生固氮氮微生物微生物 利利用用光光能能进进行行氮氮素素还还原原：鱼鱼腥腥藻藻、念念珠珠藻藻等等蓝藻，红螺菌、红色极毛杆菌、绿杆菌等。蓝藻，红螺菌、红色极毛杆菌、绿杆菌等。利利用用化化学学能能进进行行固固氮氮：如如贝贝氏氏固固氮氮菌菌、德德氏氏固固氮氮菌菌、厌厌气气性性的的巴巴斯斯德德梭梭菌菌、兼兼厌厌气气性性的的克克氏氏杆菌。杆菌。（2 2）共生固氮微生物）共生固氮微生物根瘤菌与豆科植物，蓝藻与蕨类植物红萍根瘤菌与豆科植物，蓝藻与蕨类植物红萍。共共生生固固氮氮根根瘤瘤固氮根瘤固氮根瘤(Nitrogen-fixingNodules)4 4、固氮的生物化学、固氮的生
31、物化学（1 1）固氮酶）固氮酶 结结构构：由由两两种种铁铁硫硫蛋蛋白白组组成成：钼钼铁铁蛋蛋白白，铁铁蛋白。蛋白。（2 2）固氮酶的反应固氮酶的反应 N N2 26e6e6H6H2NH2NH3 3 N N2 2O O2H2H2e2eN N2 2H H2 2O O 2H 2H2e2eH H2 2C2H22H2e C2H4固氮酶复合物的酶和辅助因子固氮酶复合物的酶和辅助因子铁钼中心铁钼中心MoFeSADP固固氮氮酶酶钼钼铁铁与与氮氮的的可可能能结结合合反应条件反应条件：A A：还原剂，铁氧还蛋白，由还原剂，铁氧还蛋白，由NADPHNADPHH H供氢供氢 B B：ATPATP，每每传传递递两两个个
32、电电子子约约消消耗耗4 45 5个个ATPATP。还还原原N N2 2需需1212ATPATP，因因此此豆豆科科植植物物在在固固氮氮的的同同时时，还还要要提提高高淀淀粉粉、PROPRO产产量量是是一一个个挑挑战战，因因为为根根系系消消耗了耗了ATPATP总量的总量的1/51/5用于固氮。用于固氮。C：厌氧环境，因固氮酶对氧十分敏感，需严厌氧环境，因固氮酶对氧十分敏感，需严格厌氧。固氮酶具有防氧机理：固氮菌通过呼吸格厌氧。固氮酶具有防氧机理：固氮菌通过呼吸消耗氧，根瘤菌的豆血红蛋白与氧结合。消耗氧，根瘤菌的豆血红蛋白与氧结合。（3 3）氢代谢）氢代谢A A：固氮酶的放氢反应：固氮酶的放氢反应：2
33、 2H H2e2eH H2 2 要求要求ATPATP，不为不为COCO抑制。抑制。B B：氢酶的放氢反应氢酶的放氢反应 氢酶存在于固氮生物中，也是一种铁硫蛋白。氢酶存在于固氮生物中，也是一种铁硫蛋白。2 2铁氧还蛋白铁氧还蛋白氧化态氧化态H H2 2 2 2铁氧还蛋白铁氧还蛋白还原态还原态2 2H H不需不需ATP，可被可被CO抑制。抑制。三、硝酸还原作用三、硝酸还原作用将将NONO3 3、NONO2 2还原为还原为NHNH3 3的作用。的作用。部位部位：根和叶，以叶为主；：根和叶，以叶为主；在种子萌发初期或缺氧时，以根为主。在种子萌发初期或缺氧时，以根为主。硝酸还原作用的化学本质NH+4NO
34、-32e-6e-硝酸还原酶硝酸还原酶亚硝酸还原酶亚硝酸还原酶NO-2（一）硝酸还原酶（一）硝酸还原酶 NONO3 3 NONO2 2 1 1、铁氧还蛋白、铁氧还蛋白硝酸还原酶硝酸还原酶以铁氧还蛋白为电子供体以铁氧还蛋白为电子供体 存在于：蓝绿藻，光合细菌，化能合成细菌存在于：蓝绿藻，光合细菌，化能合成细菌 2 2、NADNAD（P P）H H硝酸还原酶硝酸还原酶以以NAD（P）H为电子供体为电子供体 存在于：真菌，绿藻，高等植物存在于：真菌，绿藻，高等植物硝酸还原酶硝酸还原酶1、铁氧还蛋白铁氧还蛋白硝酸还原酶硝酸还原酶2、NAD(P)H-硝酸还原酶硝酸还原酶H2ONO-3+2Fd还原态还原态+
35、2H+NO-2+2Fd氧化态氧化态+NAD(P)H+H+NO-2+NAD(P)+H2ONO3-（二）亚硝酸还原酶（二）亚硝酸还原酶 NONO2 2NHNH3 31、铁氧还蛋白、铁氧还蛋白亚硝酸还原酶亚硝酸还原酶 存在于光合生物中存在于光合生物中2、NAD（P）H亚硝酸还原酶亚硝酸还原酶 存在于非光合生物中存在于非光合生物中亚硝酸还原酶2H2O1 1、铁氧还蛋白铁氧还蛋白亚硝酸还原酶亚硝酸还原酶NO-2+6Fd还原态还原态+8H+NH+4+6Fd氧化态氧化态+2H2O2 2、NAD(P)HNAD(P)H亚硝酸还原酶亚硝酸还原酶NO-2+3NAD(P)H+NH+4+3NAD(P)+5H+四、氨的同
36、化四、氨的同化 由由氮氮素素固固定定的的氨氨和和硝硝酸酸还还原原生生成成的的氨氨转转变变为为含含氮氮有机物的作用。有机物的作用。（一）谷氨酸的形成途径（一）谷氨酸的形成途径 1 1、谷氨酸脱氢酶途径、谷氨酸脱氢酶途径这这是是异异养养真真核核生生物物（如如真真菌菌）的的氨氨同同化化的的主主要要途途径，要求径，要求NH3高。高。+NHNH3 3+HH2 2OONADH+HNADH+H+NADNAD+谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶2、谷氨酰胺合酶、谷氨酸合酶途径、谷氨酰胺合酶、谷氨酸合酶途径 这是高等植物的氨同化的主要途径。这是高等植物的氨同化的主要途径。+NHNH3 3+HH2
37、2OOATPADP+PiATPADP+Pi谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶MgMg2+2+2+2HH谷氨酸合成酶谷氨酸合成酶谷氨酸合成酶谷氨酸合成酶总反应式为：总反应式为：Gln合成酶-酮戊二酸+NH3+ATP+NAD（P）H+H+Fd还原态+2H+Glu合成酶Glu+ADP+Pi+NAD（P）+Fd氧化态（二）氨甲酰磷酸的形成（二）氨甲酰磷酸的形成无机氨含N有机物，有2个反应。1、氨甲酰基酶催化：、氨甲酰基酶催化：氨甲酰基酶氨甲酰基酶O O NH NH3 3+CO+CO2 2+ATP H+ATP H2 2N-C-O-+ADPN-C-O-+ADP Mg Mg2+2+P2
38、、氨甲酰磷酸合成酶：、氨甲酰磷酸合成酶：氨甲酰基酶氨甲酰基酶O O NH NH3 3+CO+CO2 2+2ATP H+2ATP H2 2N-C-O-+2ADP+Pi N-C-O-+2ADP+Pi Mg Mg2+2+P第四节第四节 氨基酸的生物合成氨基酸的生物合成一、转氨作用一、转氨作用（Transamination）由由一一种种AAAA把把它它的的分分子子上上的的氨氨基基转转移移至至其其他他酮酮酸上，以形成另一种酸上，以形成另一种AAAA。反应的通式为：反应的通式为：R-CH-COOH+R-C-COOH R-CH-COOH+R-C-COOH 转氨酶转氨酶NH2O R-C-COOH+R-CH-C
39、OOH R-C-COOH+R-CH-COOH ONH2-氨基酸氨基酸1R1-CH-COO-NH+3|-酮酸酮酸1R1-C-COO-O|R2-C-COO-O|-酮酸酮酸2R2-CH-COO-NH+3|-氨基酸氨基酸2转氨酶转氨酶（辅酶：磷酸吡哆醛辅酶：磷酸吡哆醛）谷丙转氨酶和谷草转氨酶谷丙转氨酶谷丙转氨酶（GPT）谷草转氨酶谷草转氨酶(GOT)谷丙转氨酶（GPT）催化谷氨酸与丙酮酸之间的转氨作用。谷丙转氨酶以肝脏中活力最大，当肝细胞损伤时，酶就释放到血液内。因此临床上常以此来判断肝功能的正常与否。谷草转氨酶（GOT）催化谷氨酸与草酰乙酸的转氨作用。GOT以心脏中活力最大，其次是肝脏。临床上常以此
40、作为心肌梗塞、心肌炎的辅助判断指标。转氨作用的重要性转氨作用的重要性：1 1、在在氨氨基基酸酸合合成成代代谢谢中中，所所有有氨氨基基酸酸的的氨氨基基都直接或间接来自于通过转氨酶接受都直接或间接来自于通过转氨酶接受GluGlu的氨基；的氨基；2、在氨基酸的降解代谢中，许多氨基酸通过转、在氨基酸的降解代谢中，许多氨基酸通过转氨酶脱去氨基后然后降解。氨酶脱去氨基后然后降解。必需氨基酸的概念Thr、Val、Leu、Ile、Met、Lys、Phr、Trp、(HisArg)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。*人的必需氨基酸：二、各种氨基酸的生物合成二、各种氨基酸的生物合成（一）丙
41、氨酸族（一）丙氨酸族包括包括AlaAla、ValVal、LeuLeu。共同碳架是共同碳架是EMP生成的丙酮酸。生成的丙酮酸。异异亮亮氨氨酸酸、缬缬氨氨酸酸和和亮亮氨酸合成过程氨酸合成过程（二）丝氨酸族（二）丝氨酸族包括Ser、Gly、Cys。丝氨酸、甘氨酸丝氨酸、甘氨酸和半胱氨酸的生和半胱氨酸的生物合成物合成 （三）天冬氨酸族（三）天冬氨酸族包括包括AspAsp、AsnAsn、LysLys、ThrThr、MetMet、IleIle。共同碳架是草酰乙酸（来自于共同碳架是草酰乙酸（来自于TCA）赖氨酸、苏氨酸和赖氨酸、苏氨酸和蛋氨酸的生物合成途径蛋氨酸的生物合成途径（四）谷氨酸族（四）谷氨酸族包括
42、包括GluGlu、GlnGln、ProPro、ArgArg、羟脯氨酸。羟脯氨酸。共同碳架是共同碳架是酮戊二酸（来自于酮戊二酸（来自于TCA）脯氨酸生物合成途径脯氨酸生物合成途径脯氨酸是由谷氨酸形成的脯氨酸是由谷氨酸形成的首先首先-谷氨酰磷酸激酶谷氨酰磷酸激酶催化谷氨酸磷酸化形成催化谷氨酸磷酸化形成-谷谷氨酰磷酸，然后再转换成氨酰磷酸，然后再转换成-谷氨酸半醛，谷氨酸半醛，-谷氨酸半醛谷氨酸半醛通过形成内通过形成内Schiff碱环化，生碱环化，生成成1-二氢吡咯二氢吡咯-5-羧酸，最后，羧酸，最后，一个还原酶催化一个还原酶催化1二氢吡二氢吡咯咯-5-羧酸形成脯氨酸。羧酸形成脯氨酸。精氨酸合成脯氨酸、精氨酸和组氨酸脯氨酸、精氨酸和组氨酸可转换为谷氨酸可转换为谷氨酸（五）组氨酸和芳香氨基酸族（五）组氨酸和芳香氨基酸族 包括包括HisHis、TrpTrp、TyrTyr、PhePhe。共同碳架是磷酸戊糖（来自于共同碳架是磷酸戊糖（来自于HMP）另有另有ATP、Glu、Gln。分支酸是芳香族氨基酸合成的主要中间分支酸是芳香族氨基酸合成的主要中间代谢物代谢物分支酸的合成苯丙氨酸和酪氨酸的合成组氨酸的合成生物工程教研室 赵玉宏Thanks!