氨基酸的生物合成

第31章氨基酸及其重要衍生物的生物合成一、概论对动物来说：必需氨基酸—动物体内不能合成的氨基酸，必须从外界获得才能维持正常生长发育。苯丙氨酸、色氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸、赖氨酸、组氨酸。非必需氨基酸——凡是动物体内能合成的氨基酸。对植物来说：能合成全部所需的氨基酸，可利用氨和硝酸根来合成氨基酸。对微生物来说：不同微生物合成氨基酸的能力差异很大。柠檬酸循环糖酵解戊糖磷酸途径氨基酸分解途径氨基酸合成的碳架来源：氨基酸合成的氨基来源：起始于无机氮，即无机氮先转变为氨气，再转变为含氮有机化合物。氨基酸合成总图氨基酸的分族柠檬酸循环α-酮戊二酸草酰乙酸谷氨酸天冬氨酸脯氨酸精氨酸谷氨酰胺天冬酰胺甲硫氨酸苏氨酸赖氨酸（天冬氨酸族）（谷氨酸族）糖酵解丙酮酸丝氨酸半胱氨酸甘氨酸丙氨酸缬氨酸亮氨酸甘油酸-3-磷酸（丝氨酸族）（丙酮酸族）糖酵解苯丙氨酸色氨酸酪氨酸组氨酸磷酸烯醇式丙酮酸赤藓糖-4-磷酸戊糖磷酸途径戊糖磷酸途径核糖-5-磷酸（芳香族氨基酸）无机界有机界N2NH3NO3-氨基酸核苷酸叶绿素蛋白质DNA、RNA多糖脂类无机氮和有机氮的相互代谢转化固氮作用反硝化作用绝大多数植物及微生物某些微生物同化作用生物合成异化作用分解代谢生物合成分解代谢生物体利用3种反应途径把氨转化为有机化合物，这些有机物进一步合成氨基酸。1、氨甲酰磷酸合成酶催化CO2（以HCO3-的形式）及ATP合成氨甲酰磷酸，通过尿素循环合成精氨酸。2、谷氨酸脱氢酶催化-酮戊二酸还原、氨化，生成谷氨酸。3、谷氨酰胺合成酶催化谷氨酸，转化为谷氨酰胺。谷AA脱氢酶（细菌）CH2-COOHCH2-C=OCOOH--CH2-COOHCH2-CHNH2COOH--+NH3+NADH+NAD++H2Oα-酮戊二酸（TCA循环产生的）此反应要求有较高浓度的NH3，足以使光合磷酸化解偶联，不可能是无机氨转为有机氮的主要途径谷氨酰胺合成酶（高等植物的主要途径）CH2-COOHCH2-CHNH2COOH--CH2-CONH2CH2-CHNH2COOH--+NH3+ATP+ADP+Pi+H2O谷氨酰胺(贮存了氨）可做为NH3的供体将其转移CH2-CONH2CH2-CHNH2COOH--CH2-COOHCH2-C=OCOOH--++2HCH2-COOHCH2-CHNH2COOH--2总反应:NH3+ATP+α-酮戊二酸+2H谷AA+ADP+H2O+Pi谷AA合酶谷氨酰胺合成酶二氨基酸的合成主要通过转氨基作用AA-R1α-酮酸R1转氨酶AA-R2α-酮酸R2许多氨基酸可以作为氨基的供体，其中最主要的是谷氨酸，其被称为氨基的“转换站”，Glu其它AA。氨基酸的合成｛有C架（α-酮酸）有AA提供氨基(最主要为谷AA)（一）谷氨酸族氨基酸的合成包括：谷AA(Glu)、谷氨酰胺(Gln)、脯(Pro)、羟脯(Hyp)、精(Arg)赖氨酸（lys)共同碳架：TCA中的α-酮戊二酸1、由α-酮戊二酸形成谷氨酸（动物和真菌，不普遍）2、由α-酮戊二酸形成谷氨酰胺谷氨酰胺合成酶是催化氨转变为有机含氮物的主要酶α-酮戊二酸转氨酶氨基酸α-酮酸（普遍）由α-酮戊二酸形成谷氨酰胺和谷氨酸的关系图3、由谷AA精AA4、由谷AA脯AA5、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。覃类（和眼虫）L－赖氨酸的合成以-酮戊二酸为起始物。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。几种氨基酸的关系α-酮戊二酸谷AA谷氨酰胺脯AA羟脯AA鸟AA瓜AA精AA（二）天冬氨酸族氨基酸的合成包括：天冬AA(Asp)、天冬酰胺(Asn)、赖(Lys)、苏(Thr)、甲硫(Met)、异亮(Ile)共同碳架：TCA中的草酰乙酸1、L-天冬氨酸的生物合成2、L-天冬酰胺的生物合成（1）（2）（存在于细菌中）3、细菌和植物L-赖氨酸的生物合成4、L-甲硫氨酸的生物合成5、L-苏氨酸的生物合成6、L-异亮氨酸的生物合成几种氨基酸的关系草酰乙酸赖氨酸苏氨酸甲硫氨酸异亮氨酸天冬酰胺天冬氨酸β-天冬氨酸半醛包括：丙(Ala)、缬(Val)、亮(Leu)（三）丙酮酸族氨基酸的合成共同碳架：EMP中的丙酮酸1、丙氨酸的生物合成2、缬氨酸和异亮氨酸的生物合成3、亮氨酸的生物合成（四）丝氨酸族氨基酸的合成包括：丝(Ser)、甘(Gly)、半胱(Cys)（1）甘AA碳架：光呼吸乙醇酸途径中的乙醛酸CH2-COOHCH2-CHNH2COOH--COOHCHO-+COOHCH2NH2-CH2-COOHCH2-C=OCOOH--+α-酮戊二酸甘AA谷AA乙醛酸1、丝氨酸和甘氨酸的生物合成途径（有两条途径）COOHCH2NH2-COOHCH2OHCHNH2-+NH3+CO2+2H++2e-2H2O丝AA甘AA（2）碳架:EMP中的3-磷酸甘油酸甘氨酸脱羟酶丝氨酸羟甲基转移酶2、半胱氨酸的生物合成（1）某些植物和微生物体内半胱氨酸的合成途径-SH主要来源于硫酸，硫酸要还原为H2S；在动物体内来源于高半胱氨酸。植物和微生物体内的合成硫酸还原为H2S，首先要转变为活化形式在动物休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个中间产物，也可称为前体。（2）动物体内半胱氨酸的合成途径三种氨基酸的关系乙醛酸甘AA丝AA半胱AA3-磷酸甘油酸（五）组氨酸和芳香族氨基酸的生物合成包括：组AA(His)、色AA(Trp)、酪AA(Tyr)、苯丙AA(Phe)芳香族AA碳架：4-磷酸-赤藓糖(PPP)和PEP(EMP)1、芳香族氨基酸的生物合成芳香族AA碳架：赤藓糖-4-磷酸(PPP)和PEP(EMP)（1）由分支酸形成苯丙氨酸和酪氨酸酪氨酸的生物合成除上述途径外，还可由苯丙氨酸羟基化而形成。催化此反应的酶称为苯丙氨酸羟化酶，又称苯丙氨酸-4-单加氧酶。（2）由分支酸形成色氨酸色氨酸碳原子和氮原子来源总结PPP中的磷酸核糖、赤藓糖-4-磷酸(PPP)和PEP(EMP)芳香族氨基酸的关系色氨酸PEP4-磷酸赤藓糖莽草酸分支酸预苯酸酪氨酸苯丙氨酸若将莽草酸看作芳香族氨基酸合成的前体，因此芳香族氨基酸合成时相同的一段过程叫莽草酸途径2、组氨酸的生物合成CH2HCCCH-NH2COOH--NHCHN来自核糖来自谷氨酰胺的酰胺基从谷氨酸经转氨作用而来来自ATP组氨酸碳原子和氮原子来源总结氨基酸的生物合成的碳架来源（1）非必需氨基酸的生物合成（2）各族氨基酸的前体及相互关系a、由α-酮酸氨基化生成b、由某些非必需氨基酸转化而来c、由某些必需氨基酸转变而来非必需氨基酸的生物合成各种氨基酸的前体及相互关系谷氨酸族天冬氨酸族丙氨酸族丝氨酸族His和芳香族三、氨基酸生物合成的调节（一）通过终端产物对氨基酸生物合成的抑制1、简单的终端产物抑制2、不同终端产物对共经合成途径的协同抑制3、不同分支产物对多个同工酶的特殊抑制——酶的多重性抑制4、连续产物抑制，又称连续反馈控制或逐步反馈抑制（二）通过酶生成量的改变调节氨基酸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。例如大肠杆菌由天冬氨酸衍生的几种氨基酸的合成过程中，标有A、B、C的三种酶都不属于变构酶，这些酶属于阻遏酶，它们的调控靠细胞对其合成速度的改变。当甲硫氨酸的量足够时。同工酶A和B都受到阻遏．同样当异亮氨酸的合成足够则同工酶C的合成速度就受到阻遏。