氨基酸及其重要衍生物的生物合成课件

第第3131章章 氨基酸及其重要衍生物的生物合成氨基酸及其重要衍生物的生物合成一、概论一、概论对动物来说：对动物来说：必需氨基酸必需氨基酸动物体内不能合成的氨基酸，必须从外界获得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。才能维持正常生长发育。苯丙氨酸、色氨酸苯丙氨酸、色氨酸、亮氨酸、异亮氨亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苏氨酸酸、缬氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸甲硫氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸赖氨酸、精氨酸、组氨酸。非必需氨基酸非必需氨基酸凡是动物体内能合成的氨基酸。凡是动物体内能合成的氨基酸。对植物来说：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。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：对微生物来说：不同微生物合成氨基酸的能力差异很大。不同微生物合成氨基酸的能力差异很大。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1柠檬酸循环柠檬酸循环糖酵解糖酵解戊糖磷酸途径戊糖磷酸途径氨基酸分解途径氨基酸分解途径氨基酸合成的碳架来源：氨基酸合成的碳架来源：氨基酸合成的氨基来源：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。氨气，再转变为含氮有机化合物。柠檬酸循环氨基酸合成的碳架来源：氨基酸合成的氨基来源：起始于2氨基酸的分族氨基酸的分族柠檬酸循环柠檬酸循环-酮戊二酸酮戊二酸草酰乙酸草酰乙酸谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸脯氨酸脯氨酸精氨酸精氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺天冬酰胺天冬酰胺甲硫氨酸甲硫氨酸苏氨酸苏氨酸赖氨酸赖氨酸（天冬氨酸族）（天冬氨酸族）（谷氨酸族）（谷氨酸族）氨基酸的分族柠檬酸循环-酮戊二酸草酰乙酸谷氨酸天冬氨酸脯氨3糖酵解糖酵解丙酮酸丙酮酸丝氨酸丝氨酸半胱氨酸半胱氨酸甘氨酸甘氨酸丙氨酸丙氨酸缬氨酸缬氨酸亮氨酸亮氨酸甘油甘油-3-3-磷酸磷酸（丝氨酸族）（丝氨酸族）（丙酮酸族）（丙酮酸族）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-3-4糖酵解糖酵解苯丙氨酸苯丙氨酸色氨酸色氨酸酪氨酸酪氨酸组氨酸组氨酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸赤藓糖赤藓糖-4-4-磷酸磷酸戊糖磷酸途径戊糖磷酸途径戊糖磷酸途径戊糖磷酸途径核糖核糖-5-5-磷酸磷酸（芳香族氨基酸）（芳香族氨基酸）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-4-5无机界无机界有机界有机界N2NH3NO3-氨基酸氨基酸核苷酸核苷酸叶绿素叶绿素蛋白质蛋白质DNA、RNA多糖多糖脂类脂类无机氮和有机氮的相互代谢转化无机氮和有机氮的相互代谢转化固氮固氮作用作用反硝化作用反硝化作用绝大多数植绝大多数植物及微生物物及微生物某些微生物某些微生物同化作用同化作用生物合成生物合成异化作用异化作用分解代谢分解代谢生物合成生物合成分解代谢分解代谢无机界有机界N2NH3NO3-氨基酸蛋白质无机氮和有机氮的相6生物体利用生物体利用3 3种反应种反应途径把氨转化为有机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。化合物，这些有机物进一步合成氨基酸。1 1、氨甲酰磷酸合成酶催化、氨甲酰磷酸合成酶催化COCO2 2（以以HCOHCO3 3-的形式）及的形式）及ATPATP合成氨甲酰磷酸，通过尿素循环合成精氨酸。合成氨甲酰磷酸，通过尿素循环合成精氨酸。2 2、谷氨酸脱氢酶催化、谷氨酸脱氢酶催化-酮戊二酸还原、氨化，生酮戊二酸还原、氨化，生成谷氨酸。成谷氨酸。3 3、谷氨酰胺合成酶催化谷氨酸，转化为谷氨酰胺。、谷氨酰胺合成酶催化谷氨酸，转化为谷氨酰胺。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7谷谷AA脱氢酶脱氢酶（细菌）（细菌）CH2-COOHCH2-C=OCOOH-CH2-COOHCH2-CHNH2COOH-+NH3+NADH+NAD+H2O -酮戊二酸酮戊二酸（TCA循环产生的）循环产生的）此反应要求有较高浓度的此反应要求有较高浓度的NH3，足足以使光合磷酸化解偶联，不可能是无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机氨转为有机氮的主要途径谷AA脱氢酶（细菌）CH2-COOHCH2-C=OCOOH-8 谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶（高等植物的主要途径）（高等植物的主要途径）CH2-COOHCH2-CHNH2COOH-CH2-CONH2CH2-CHNH2COOH-+NH3+ATP+ADP+Pi+H2O 谷氨酰胺谷氨酰胺谷氨酰胺谷氨酰胺(贮存了贮存了贮存了贮存了氨）氨）氨）氨）可做为可做为可做为可做为NH3的的的的供体将供体将供体将供体将其其转移转移转移转移CH2-CONH2CH2-CHNH2COOH-CH2-COOHCH2-C=OCOOH-+2HCH2-COOHCH2-CHNH2COOH-2 总反应总反应:NH3+ATP+-酮戊二酸酮戊二酸+2H 谷谷AA+ADP+H2O+Pi 谷谷AAAA合酶合酶谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶 谷氨酰胺合成酶（高等植物的主要途径）CH2-COOH9氨甲酰磷酸合成途径氨甲酰磷酸合成途径（微生物和（微生物和动物动物）原料：原料：NH3 CO2 ATP 氨甲酰激酶氨甲酰激酶NH3+CO2+ATPMg2+O H2N-C-OPO3H2+ADP=氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸合成酶氨甲酰磷酸合成酶NH3+CO2+2ATPMg2+辅因子辅因子 O H2N-C-OPO3H2+2ADP+Pi在植物体中，氨甲酰磷酸中的氮来自谷氨酰胺的在植物体中，氨甲酰磷酸中的氮来自谷氨酰胺的在植物体中，氨甲酰磷酸中的氮来自谷氨酰胺的在植物体中，氨甲酰磷酸中的氮来自谷氨酰胺的酰胺基，不是由氨来的。酰胺基，不是由氨来的。酰胺基，不是由氨来的。酰胺基，不是由氨来的。利用体内代谢的氨利用体内代谢的氨氨甲酰磷酸合成途径（微生物和动物）原料：NH3 CO2 10二二 氨氨 基基 酸酸 的的 合合 成成v主要通过转氨基作用主要通过转氨基作用AA-R1-酮酸酮酸R1转氨酶AA-R2-酮酸酮酸R2v 许多氨基酸可以作为氨基的供体，其中最许多氨基酸可以作为氨基的供体，其中最主要的是谷氨酸，其被称为氨基的主要的是谷氨酸，其被称为氨基的“转换站转换站”，先，先 Glu Glu 其它其它AAAA。v 氨基酸的合成氨基酸的合成有有C架（架（-酮酸）酮酸）有有AA提供氨基提供氨基(最主要为谷最主要为谷AA，领头领头AA)二 氨 基 酸 的 合 成主要通过转氨基作用AA-R111（一）（一）谷氨酸族氨基酸的合成谷氨酸族氨基酸的合成包括：谷包括：谷AA(Glu)AA(Glu)、谷氨酰胺谷氨酰胺(Gln)Gln)、脯脯(Pro)Pro)、羟脯羟脯(Hyp)Hyp)、精精(Arg)Arg)共同碳架：共同碳架：TCATCA中的中的-酮戊二酸酮戊二酸1 1、由、由-酮戊二酸形成谷氨酸酮戊二酸形成谷氨酸 （动物和真菌，（动物和真菌，不普遍不普遍）（一）谷氨酸族氨基酸的合成包括：谷AA(Glu)、谷氨酰122 2、由、由-酮戊二酸形成谷氨酰胺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谷氨酰胺合成酶是催化氨转变为有机含氮物的主要酶-酮戊二酸酮戊二酸转氨酶转氨酶氨基酸氨基酸-酮酸酮酸2、由-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13 （普遍普遍）由由-酮戊二酸形成谷氨酰胺和谷氨酸的关系图酮戊二酸形成谷氨酰胺和谷氨酸的关系图 （普遍）由-酮戊二酸形成谷氨酰胺和谷氨酸的关系143 3、由谷、由谷AA AA 精精AAAA3、由谷AA 精AA154 4、由谷、由谷AA AA 脯脯AAAA4、由谷AA 脯AA165 5、L L-赖氨酸的生物合成赖氨酸的生物合成 L L赖氨酸的生物合成在不同生物有完全不同的两条途径。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）覃类（和眼虫）L L赖氨酸的合成以赖氨酸的合成以-酮酮戊二酸戊二酸为起始为起始物。细菌和绿色植物则是通过物。细菌和绿色植物则是通过丙酮酸和天冬氨酸丙酮酸和天冬氨酸-半醛半醛的缩合途径。的缩合途径。5、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17 几种氨基酸的关系几种氨基酸的关系-酮戊二酸酮戊二酸谷AA谷氨酰胺谷氨酰胺脯AA 羟脯羟脯AA鸟AA瓜AA精精AA 几种氨基酸的关系-酮戊二酸谷AA谷氨酰胺脯AA羟脯18（二）（二）天冬氨酸族氨基酸的合成天冬氨酸族氨基酸的合成包括：天冬包括：天冬AA(Asp)AA(Asp)、天冬酰胺天冬酰胺(Asn)Asn)、赖赖(Lys)Lys)、苏苏(Thr)Thr)、甲硫甲硫(Met)Met)、异亮异亮(Ile)Ile)共同碳架：共同碳架：TCATCA中的中的草酰乙酸草酰乙酸1 1、L-L-天冬氨酸的生物合成天冬氨酸的生物合成（二）天冬氨酸族氨基酸的合成包括：天冬AA(Asp)、天冬酰192 2、L-L-天冬酰胺的生物合成天冬酰胺的生物合成（1 1）（2 2）（存在于细菌中）（存在于细菌中）2、L-天冬酰胺的生物合成（1）（2）（存在于细菌中）203 3、细菌和植物、细菌和植物L-L-赖氨酸的生物合成赖氨酸的生物合成3、细菌和植物L-赖氨酸的生物合成214 4、L-L-甲硫氨酸的生物合成甲硫氨酸的生物合成4、L-甲硫氨酸的生物合成225 5、L-L-苏氨酸的生物合成苏氨酸的生物合成5、L-苏氨酸的生物合成236 6、L-L-异亮氨酸的生物合成异亮氨酸的生物合成6、L-异亮氨酸的生物合成24 几种氨基酸的关系几种氨基酸的关系草酰乙酸草酰乙酸赖氨酸赖氨酸苏氨酸苏氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸异亮氨酸异亮氨酸天冬酰胺天冬酰胺天冬氨酸天冬氨酸-天冬氨酸半醛天冬氨酸半醛 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25包括：丙包括：丙(Ala)Ala)、缬缬(Val)Val)、亮亮(Leu)Leu)（三）（三）丙酮酸族氨基酸的合成丙酮酸族氨基酸的合成共同碳架：共同碳架：EMPEMP中的中的丙酮酸丙酮酸1 1、丙氨酸的生物合成、丙氨酸的生物合成包括：丙(Ala)、缬(Val)、亮(Leu)（三）丙酮酸族262 2、缬氨酸和异亮氨酸的生物合成、缬氨酸和异亮氨酸的生物合成3 3、亮氨酸的生物合成、亮氨酸的生物合成2、缬氨酸和异亮氨酸的生物合成3、亮氨酸的生物合成27（四）（四）丝氨酸族氨基酸的合成丝氨酸族氨基酸的合成包括：丝包括：丝(Ser)Ser)、甘甘(Gly)Gly)、半胱半胱(Cys)Cys)（1 1）甘）甘AAAA碳架：光呼吸乙醇酸途径中的碳架：光呼吸乙醇酸途径中的乙醛酸乙醛酸CH2-COOHCH2-CHNH2COOH-COOH CHO-+COOH CH2NH2-CH2-COOHCH2-C=OCOOH-+-酮戊二酸 甘AA 谷AA 乙醛酸 1 1、丝氨酸和甘氨酸的生物合成途径（有两条途径）、丝氨酸和甘氨酸的生物合成途径（有两条途径）（四）丝氨酸族氨基酸的合成包括：丝(Ser)、甘(Gly)、28 COOH CH2NH2-COOH CH2OH CHNH2-+NH3+CO2+2H+2e-2H2O 丝AA 甘AA （2 2）碳架）碳架:EMPEMP中的中的3-3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸甘氨酸脱羟酶甘氨酸脱羟酶丝氨酸羟甲基转移酶丝氨酸羟甲基转移酶 COOH CH2NH2-CO292 2、半胱氨酸的生物合成、半胱氨酸的生物合成（1 1）某些植物和微生物体内半胱氨酸的合成途径）某些植物和微生物体内半胱氨酸的合成途径-SH-SH主要来源于硫酸，硫酸要还原为主要来源于硫酸，硫酸要还原为H H2 2S S。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30硫酸还原为硫酸还原为H H2 2S S，首先要转变为活化形式首先要转变为活化形式硫酸还原为H2S，首先要转变为活化形式31 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。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 2）动物体内半胱氨酸的合成途径）动物体内半胱氨酸的合成途径 三种氨基酸的关系三种氨基酸的关系三种氨基酸的关系三种氨基酸的关系乙醛酸乙醛酸甘甘AAAA丝丝AAAA半胱半胱AAAA3-3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸 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32（五）（五）组氨酸和芳香族氨基酸的生物合成组氨酸和芳香族氨基酸的生物合成包括：组包括：组AA(His)AA(His)、色色AA(Trp)AA(Trp)、酪酪AA(Tyr)AA(Tyr)、苯丙苯丙AA(Phe)AA(Phe)芳香族芳香族AA碳架：碳架：4-磷酸磷酸-赤藓糖赤藓糖(PPP)和和PEP(EMP)（五）组氨酸和芳香族氨基酸的生物合成包括：组AA(His)、331 1、芳香族氨基酸的生物合成、芳香族氨基酸的生物合成芳香族芳香族AAAA碳架：碳架：赤藓糖赤藓糖-4-4-磷酸磷酸(PPP)PPP)和和PEPPEP(EMP)(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(34（1 1）由分支酸形成苯丙氨酸和酪氨酸）由分支酸形成苯丙氨酸和酪氨酸酪氨酸的生物酪氨酸的生物合成除上述途合成除上述途径外，还可由径外，还可由苯丙氨酸羟基苯丙氨酸羟基化而形成。催化而形成。催化此反应的酶化此反应的酶称为苯丙氨酸称为苯丙氨酸羟化酶，又称羟化酶，又称苯丙氨酸苯丙氨酸-4-4-单加氧酶。单加氧酶。（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35（2 2）由分支酸形成色氨酸）由分支酸形成色氨酸（2）由分支酸形成色氨酸36色氨酸碳原子和氮原子来源总结色氨酸碳原子和氮原子来源总结PPPPPP中的中的磷酸核糖、赤藓糖磷酸核糖、赤藓糖-4-4-磷酸磷酸(PPP)PPP)和和PEPPEP(EMP)(EMP)色氨酸碳原子和氮原子来源总结PPP中的磷酸核糖、赤藓糖-4-37芳香族氨基酸芳香族氨基酸的关系的关系色氨酸色氨酸 PEP4-磷酸赤藓糖磷酸赤藓糖莽草酸莽草酸分支酸分支酸预苯酸预苯酸酪氨酸酪氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸若将若将莽草酸莽草酸看作看作芳香族氨基酸合成的前体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，因此芳香族氨基酸合成时相同的一段过程叫过程叫莽草酸途径莽草酸途径芳香族氨基酸的关系色氨酸 PEP莽草酸分支酸预苯酸酪382 2、组氨酸的生物合成、组氨酸的生物合成2、组氨酸的生物合成39CH2HCCCH-NH2COOH-NHCHN来自核糖来自谷氨酰胺的酰胺基来自谷氨酰胺的酰胺基从谷氨酸经转氨作用而来从谷氨酸经转氨作用而来来自来自ATP组氨酸碳原子和氮原子来源总结组氨酸碳原子和氮原子来源总结CH2HCCCH-NH2COOH-NHCHN 来自核糖来自谷40三、氨基酸生物合成的调节三、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（一）通过终端产物对氨基酸生物合成的抑制1 1、简单的终端产物抑制、简单的终端产物抑制2 2、不同终端产物对共经合成途径的协同抑制、不同终端产物对共经合成途径的协同抑制三、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413 3、不同分支产物对多个同工酶的特殊抑制、不同分支产物对多个同工酶的特殊抑制酶的多重性抑制酶的多重性抑制 4 4、连续产物抑制、连续产物抑制，又称连续反馈控制或逐步反馈抑制又称连续反馈控制或逐步反馈抑制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 442氨基酸及其重要衍生物的生物合成课件43