含氮化合物代谢课件.ppt

1、第十二章 含氮化合物代谢第一节 氨基酸的分解代谢细胞内蛋白 NH3TCACO2+H2O葡萄糖食物蛋白消化内切外切酶脂肪酸尿素铵盐酰胺一、氨基酸的分解与转化共同途径氨基酸核苷酸-酮酸蛋白酶(二)脱羧基作用(一)脱氨基作用 2.非氧化脱氨基3.转氨基作用(三)分解产物的去路1.氧化脱氨基1、氨的去路2.酮酸的去路3.胺的去路4.氨基酸与一碳单位4、联合脱氨基作用(decarboxylation)(deamination)氧化脱氨基酶1.氧化脱氨基广泛存在，活性高，最适pH值为7，辅助因子NAD+或NADP+，只催化L-谷氨酸脱氢，不需氧，产物为-酮酸、NH4+，NADH或NADPH。(oxidat

2、ive deamination)L-氨基酸氧化酶(FAD或FMN人)最适pH为10，生理pH条件下活性不高，仅作用L-氨基酸，需氧，产物-酮酸、氨和H2O2不是脱氨基主要方式。D-氨基酸氧化酶分布广活性高，仅作用D-氨基酸，需氧，产物-酮酸、氨和H2O2但生物体的氨基酸主要由L-氨基酸组成，该E对生物无重要意义。L-谷氨酸脱氢酶-酮酸NAD(P)+NADPH+H+_NH3+R-CHCOO-_NHR-C-COO-_氨基酸氧化酶H2ONH3_OR-C-COO-+H+_氨基酸(自发进行)酶主要特征作用特点glutamate dehydrogenaseD-amino acid oxidsesNAD+N

3、ADH+H+谷氨酸脱氢酶HCOOHCH2_HC-NH2_CH2HCOOHHCOOHCH2_C=OCH2HCOOH_NADP+NADPH+H+NH4+L-谷氨酸-酮戊二酸脊椎动物的谷氨酸脱氢酶(GDH)由6个相同亚基组成，而野生植物(拟南芥和玉米)谷氨酸脱氢酶凝胶电泳(PAGE)指纹显示两种不同的亚基(GDH1,GDH2)，但每个GDH仍然含6个亚基。拟南芥和玉米中GDH同工酶：(GDH1)6 (GDH1)5:(GDH2)1 (GDH1)4:(GDH2)2(GDH1)3:(GDH2)3 (GDH1)2:(GDH2)4 (GDH1)1:(GDH2)5GDH属于典型的多亚基、变构酶：均受GTP，AT

4、P和NADH的别构抑制，而受GDP和ADP别构激活。2.非氧化脱氨基包括：还原脱氨基、水解脱氨基、脱水脱氨基、硫解脱氨基裂解脱氨基还原脱氨基水解脱氨基苯丙氨酸-CH2-CH-COOHNH2-反肉桂酸-CH=CH-COOH苯丙氨酸解氨酶NH3氨基酸R-CH-COOHNH2-脂肪酸R-CH2-COOH+NH32H+,2e-裂解脱氨基氨基酸R-CH-COOHNH2-RCHOHCOOH羟基脂酸+NH3+H2O非氧化脱氨基作用多数存在微生物中3.转氨基作用常见的有谷草转氨酶和谷丙转氨酶氨基酸转氨酶德辅酶为磷酸吡哆醛，酶活性中心反应历程为:+转氨酶CHPO-氨基酸1H2N-C-HCOOHR-酮酸1O=C-

5、HCOOHRH2N-C-HCOOHR-氨基酸2(aminotransferation)-酮酸2O=C-HCOOHRPH2N-CH2COOHH-C-NH2R+O=CHPEH-C=OCOOHRH2N-CH2PECOOHRC=OCOOHH-C-NH2RCOOHH-C-NCHPERCOOHC NC-HHPERH2N-CH2PECOOHH-C-NCHPERCOOH C NCHHRPEO=CHPE4.联合脱氨基作用分两种情况H-C-NH2COOHCH3丙氨酸-酮戊二酸COOHC=OCH2CH2COOH-NADH+H+NH3NAD+H2O谷氨酸脱氢酶转氨酶H-C-NH2COOHCH2CH2COOH谷氨酸-C

6、OOHC=OCH3丙酮酸-转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶组成的脱氨基作用，广泛存在于动植物和微生物中。(NADPH+H+NH3)(NADP+H2O)转氨基作用的特点：已经发现50多种;广泛存在动植物和微生物细胞质及线粒体中;既能使-酮酸与-氨基酸相互转变，平衡库中各种氨基酸，又是必需氨基酸合成重要途径。腺嘌呤核苷酸循环的联合脱氨基作用-氨基酸-酮戊二酸天门冬氨酸草酰乙酸GOT-酮酸谷氨酸转氨酶腺苷酸代琥珀酸IMP延胡索酸AMP苹果酸H2O腺苷酸脱氨酶NH3 腺嘌呤核苷酸循环的联合脱氨基作用仅限于骨骼肌、心肌组织细胞的脱氨基方式，而不是通过联合脱氨基的方式进行。原因是这两种组织中的谷氨酸脱氢酶含量较少

7、活性低(二)脱羧基作用胺CO2L-组氨酸脱羧酶组胺L-谷氨酸脱羧酶CO2-氨基丁酸R-CH2-NH2 +CO2脱羧酶R-CH-NH2COOH氨基酸CCNNCHHH-CH2-CH2-NH2CCNNCHHH-CH2-CH-NH2组氨酸COOH谷氨酸CH2CH2CH-COOHCOOHNH2CH2CH2CH2COOHNH2使血管舒张，降低血压，医学认为，过敏性鼻炎患者是因为体内组氨产生过多，引起鼻道毛细血管扩张，增加分泌，鼻涕较多之故。中枢神经系统传导递质氨基酸脱羧基后，产物为有机胺，多数具有很强的生理活性如：赖氨酸戊二胺(尸胺)，组氨酸组胺，酪氨酸酪胺；这些胺都具有强烈的生理作用，如组胺可降低血压，

8、酪胺可升高血压等。富含蛋白类食物腐败后产生胺类物质，误食会引起食物中毒-恶心、头晕、萎靡不振，严重者死亡。(三)氨基酸分解产物的去路(1)形成尿素(鸟氨酸循环)；(2)生成NH4+，(3)生成酰胺；(4)合成其他含氮化合物(5)重新合成氨基酸。1.氨的去路线粒体细胞质氨甲酰磷酸CO2+NH32ADP+Pi2ATP鸟氨酸瓜氨酸Pi鸟氨酸瓜氨酸ATPAMP+PPi天冬氨酸精氨代琥珀酸合酶+H2O鸟氨酸循环精氨酸延胡索酸酶？酶？H2N-C-O-P=OO-O-ONH2(CH2)3CHNH2COOHC=NHH2NHOCHNH2NH(CH2)3COOHC=NHH2NNH(CH2)3CHNH2COOHC=O

9、NH2CHHCCOOHCOOHNH(CH2)3CHNH2COOHCH2NN-CHCH2COOHCOOHH2N-CHCH2COOHCOOH精氨代琥珀酸鸟氨酸循环的特点和生物学意义：该循环又成为Krebs-尿素循环，特点为：a.循环从瓜氨酸合成开始，前两步反应在线粒体中进行，后三步在细胞液中进行；b.整个过程中有4种氨基酸参与：精氨酸、天冬氨酸、瓜氨酸和鸟氨酸；c.每合成1分子尿素消耗3分子ATP，4个高能键；尿素分子中两个酰胺基，一个来自NH3，另一个来自天冬氨酸。NH3的固定发生在线粒体中。d.反应过程的酶主要有：氨甲酰磷酸合成酶，氨甲酰磷酸转移酶、精氨琥珀酸合成酶、精氨酸裂解酶；鸟氨酸循环主

10、要发生部位是动物肝脏，尿素最后通过尿液排泄，有利于解除NH3的毒性，同时伴随CO2排出；在少数植物中，如马勃、洋蕈等也能合成尿素，以解除NH3 毒性，因为高浓度的NH3 是解联剂。生物学意义：2.氨基酸碳架-酮酸的去路苯丙氨酸酪氨酸赖氨酸亮氨酸色氨酸丙氨酸苏氨酸甘氨酸丝氨酸半胱氨酸丙酮酸苯丙氨酸酪氨酸天冬氨酸天冬酰胺异亮氨酸蛋氨酸缬氨酸谷氨酸精氨酸组氨酸脯氨酸谷氨酰胺柠檬酸草酰乙酸琥珀酰CoA-酮戊二酸乙酰CoA乙酰乙酰CoA延胡索酸(1)氧化分解CO2NADH/FADH2(2)再合成氨基酸(3)生成糖或脂生糖氨基酸、生酮氨基酸NAD+NADH+H+HCOOHCH2_HC-NH2_CH2HCO

11、OHHCOOHCH2_C=OCH2HCOOH_NADP+NADPH+H+NH4+L-谷氨酸-酮戊二酸谷氨酸脱氢酶-氨基酸1H2N-C-HCOOHR-酮酸1O=C-HCOOHR转氨酶丙酮酸草酰乙酸丙氨酸天冬氨酸氨基酸脱氨基-酮酸糖异生途径糖糖异生途径丙酮酸葡萄糖G-6-PF-6-PF-1,6-2P3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸1,3-二磷酸甘油酸磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛PEP6-磷酸葡萄糖酶果糖二磷酸酶乳酸线粒体丙酮酸草酰乙酸苹果酸苹果酸草酰乙酸ADP+PiCO2+ATP+H2ONADHNAD+NADHNAD+GTPGDP+PiCO2天冬氨酸Ala糖酵解途径氨基酸脱氨基产生的-酮酸，能够转变成丙

12、酮酸、乙酰CoA或TCA中间产物，进而生成糖或脂肪。大多数氨基酸可以使尿液中糖含量增加，少数几种可使葡萄糖和酮体的含量同时增加，而亮氨酸只能使酮体增加。氨基酸脱氨后的-酮酸能沿糖异生途径能够转变成糖氨基酸称为生糖氨基酸，能够生成酮体的，并按照脂肪酸代谢途径分解的称为生酮氨基酸。既能生成糖，又能生成酮体的称为生糖兼生酮氨基酸。名称中间代谢物生糖/生酮名称中间代谢物生糖/生酮Gly甘Ser丝Ala丙Thr苏Cys半Glu谷His组Gys精Pro脯Val缬Met甲丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸-酮戊二酸-酮戊二酸-酮戊二酸-酮戊二酸琥珀酰CoA琥珀酰CoA生糖生糖生糖生糖生糖生糖生糖生糖生糖生糖生糖

13、Asp天Trp色Ile异亮Tyr酪Phe苯Lys赖Leu亮草酰乙酸丙酮酸/乙酰乙酸琥珀酰CoA/乙酰CoA乙酰乙酸/延胡索酸乙酰乙酸/延胡索酸乙酰CoA乙酰乙酸/乙酰CoA生糖生糖/生酮生糖/生酮生糖/生酮生糖/生酮生糖/生酮生酮生糖与生酮氨基酸3.胺的去路(2)转化为其它含氮化合物。胺可转化为生物碱、生长刺激素等等。如色氨酸经脱氨基后可生成植物生长激素吲哚乙酸。胺氧化酶R-CH2-NH2R-CH2-CHO+H2O2+NH3O2H2OR-CH2-CHO醛氧化酶O2H2OR-CH2-COOH+H2O2(1)氧化二、个别氨基酸的分解代谢(一)甘氨酸的分解代谢CH2-NH2COOH甘氨酸1.脱氨基作

14、用甘氨酸氧化酶FADFADH2CH=NHCOOHH2ONH3CH2-NH2COOH甘氨酸-酮戊二酸CHOCOOH乙醛酸COOHCOOH草酸HCOOH甲酸氧化脱羧CO2氧化谷氨酸CHOCOOH乙醛酸甘氨酸氨基转移酶转氨酶-酮酸-氨基酸酪氨酸2.转变其他化合物甘氨酸丝氨酸甘氨胆酸马尿酸血红蛋白乙醇胺胆碱肌酸嘌呤谷胱甘肽GSHGSSG谷氨酰-半胱氨酸合成酶谷胱甘肽合成酶Glu+Cys+2ATP2ADP+2Pi(二)芳香族氨基酸的分解代谢OHCH2CH-NH2COOHOHCH2CH-NH2H-OHOHCH2CH-NH2COOH-OHDOPA多巴多巴胺OHCH-OHCH-NH2H-OHOHCH-OHCH

15、-NH-CH3H-OH去甲肾上腺素肾上腺素+1/2O2CO2酪氨酸酶OHCH2CH-NH2COOH-OHDOPAO2H2OOCH2CH-NH2COOH=O多巴醌黑色素NH-CH2-CH-COOHNH2NH-CH2-COOHNH-CH2-C-COOHO-酮戊二酸谷氨酸转氨酶CO2色氨酸吲哚丙酮酸吲哚乙酸CO2HN-CH2-CH2-NH2氧化植物生长素促进高等植物发育激素之一。色胺第二节 氨基酸的生物合成一、氮素循环氮素：蛋白质、核酸、酶、部分激素(吲哚乙酸、胰岛素)、维生素(VitB1B2B3B5B6)、叶绿素和血红素元素组份。因此对于动植物十分重要。N2大量存在空气中，但是动植物不能直接利用。

16、生态系统中的初级生产者-植物所必需的铵盐、硝态盐在自然界为数不多，限制生物的发展。只有将分子态氮进行转化和循环，才能满足植物体对氮素营养需要。硝酸还原作用NO3-NO2-NH4+NO2-NON2ON2硝化作用反硝化作用固氮作用氨基作用化有机态氮生物固氮占2/3工业固氮占1/3氮素循环二、生物固氮生物固氮固氮酶的组成：有两种成分，即铁蛋白和钼铁蛋白，二者均为铁硫蛋白，其中铁蛋白的功能是接受供电子体的电子并转移给钼铁蛋白，钼铁蛋白的功能是直接还原氮。供电子体是NADPH。该过程每还原1N2消耗大量12ATP。生物固氮机理生物固氮机理氧化态Fdox还原态Fdred3 NADPH+H+3 NADP+铁

17、氧还蛋白12 ATP12 ADP+Pi固氮酶N22 NH3铁蛋白 钼铁蛋白固氮酶作用特点：b.固氮需要ATP供能；a.需要严格的厌氧环境；c.需要较多的NADPH作还原；d.需要钼和铁元素。分为两步：第一步硝酸还原酶催化NO3还原为NO2，第二步亚硝酸还原酶催化NO2还原为NH3。三、硝酸还原硝酸还原酶NO2+H2ONO3+2H+2e-NRNH3+H2O亚硝酸还原酶NiRNiRRN催化硝酸根还原的电子供体为NADPH或NADH(高等植物、真菌、蓝藻)。过程示意如下：NAD(P)HNAD(P)+FADFADH22Cytb557red2Cytb557ox2Mn6+2Mn6+硝酸还原酶NRNO3NO

18、2+H2O亚硝酸还原酶作用时电子供体为还原态铁氧还蛋白：2Fd-Fe3+2Fd-Fe2+光合环式磷酸化NO2NADP+NADPHNH4+叶片白质体是指将氨转化为有机物中的氮的过程氨的同化有三条途径(2)谷氨酸脱氢酶途径 四、氨的同化作用(1)氨甲酰磷酸合成酶(CPSI)-酮戊二酸+NH3谷氨酸+H2O谷氨酸脱氢酶NADPHNADP+COOHC=OCH2CH2COOHCOOHHC-NH2CH2CH2COOH(见鸟氨酸循环)(3)谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase,GS)+NH3谷氨酸COOHHC-NH2CH2CH2COOHCOOHHC-NH2CH2CH2CONH2谷氨酰胺A

19、TPADP+Pi谷氨酰胺合成酶-酮戊二酸COOHC=OCH2CH2COOH-谷氨酰胺H-C-NH2COOHCH2CH2CONH2-+2谷氨酸合成酶谷氨酸H-C-NH2COOHCH2CH2COOH-NAD(P)H+H+NAD(P)+五、氨基酸的生物合成2.个别氨基酸的代谢磷酸戊糖途径4-磷酸赤藓糖4-磷酸核糖组氨酸色氨酸酪氨酸苯丙氨酸谷氨酸脯氨酸精氨酸谷氨(NH2)丝氨酸甘氨酸半胱氨酸天冬氨酸天冬酰氨赖氨酸蛋氨酸苏氨酸异亮氨酸缬氨酸亮氨酸丙氨酸葡萄糖3-磷酸甘油酸PEP丙酮酸-酮戊二酸草酰乙酸1.转氨作用谷氨酸-酮戊二酸-酮酸-氨基酸转氨酶六、氨基酸与一碳单位概念：一碳单位是指仅含一个碳原子的基

20、团。一碳单位可来源于甘氨酸、苏氨酸、丝氨酸、组氨酸等，即在一碳单位转移酶催化下由四氢叶酸(FH4)携带一碳单位，从一种化合物转移到另一种化合物，进而合成生物活性物质，如腺嘌呤等。中文名称 结构式 与FH4结合形式 主要来源甲基 -CH3 N5-CH3-FH4 Met亚甲基 -CH2-N5N10-CH2-FH4 Ser次甲基 =CH-N5N10-CH=FH4 Gly,Thr羟甲基 -CH2-OH N10-CH-OH-FH4 甲酰基 -CHO N10-CHO-FH4 Trp亚氨甲基 -C=NH N5-CH=FH4 TrpFH4一碳基团转移酶HCOOH12345 5698710FH4携带甲基的部位是

21、N5，N10位GlyCHOCOOHSerFH4N5-CH2-OHFH4CNOHCCCNNCH2CHNHHCH2NHCONHCHCH2CH2COOHH2NCOOHN5N10=CH-FH4+H2O(四氢叶酸)组组氨酸氨酸N5,N10=CH-FH4N5-CH=NHFH4N10-CHOFH4FH4嘌呤碱（嘌呤碱（C8）N10-CHOFH4嘌呤碱（嘌呤碱（C2）HCOOHATP ADP+PiFH4N5,N10-CH2-FH4NADPH+H+NADP+胸嘧啶甲基胸嘧啶甲基N5-CH3FH4N5,N10-CH2-FH4还原酶还原酶+2H同型半胱氨酸同型半胱氨酸 FH4甲基B12蛋蛋氨酸氨酸腺苷移换酶腺苷移换

22、酶S-腺苷蛋氨酸腺苷蛋氨酸ATPPPiPi甲基化物甲基化物第三节核苷酸分解代谢核苷酸是核酸的基本组成单位，是生物体一类重要的生物小分子化学成分。几乎所有化学反应中，核苷酸都起着重要作用，主要表现在：合成DNA、RNA的前体；UDPG、ADPG是葡萄糖残基的供体，用于合成多糖；CDP-甘油二脂、S-腺苷甲硫氨酸参与磷脂的合成；ATP生成与利用是生物能的生成、储存、转运的中心；NAD+NADP+HSCoAFADFMN都是腺苷酸的衍生物；cAMPcGMP分别是ATP、GTP转变的重要第二信使；GTP是生物大分子移位反应的主要驱动力。(自习为主，课堂不讲)1、核酸酶(nuclease)水解核酸中的磷酸

23、二酯键的酶称为核酸酶(nuclease)。根据分解底物的不同可分为：DNA酶(deoxyribonuclease,DNAase)和RNA酶(ribonuclease,RNAase)。按水解方式有：核酸内切酶(endonuclease)和核酸外切酶(exonuclease)；按酶专一性有:随机水解酶和限制性内切酶；特异性酶:限制性内切酶：可识别DNA上的专一性位点，其碱基长度是48个碱基，将两条链同时切开，可形成粘性末端(如EcoRI)或平末端(如HaeIII)，在基因工程中它们就象一流外科大夫手中的手术刀。一、核酸的酶促降解EcoRIHaeIII-N-C-T-T-A-A-N-G N-C-CN-

24、G-G53 G-N-A-A-T-T-C-N-35G-G-NC-C-NN-C-T-T-A-A-G-NN-G-A-A-T-T-C-N5353N-C-C-G-G-NN-G-G-C-C-N5353粘性末端平末端催化水解多核苷酸内部的磷酸二酯键非特异性核酸酶：可水解DNA和RNA，产物为3-磷酸寡聚核苷酸(小球菌核酸酶)或5-磷酸寡聚核苷酸(链孢霉菌核酸酶)。脱氧核糖核酸酶：水解DNA的磷酸二酯键，产物为3-磷酸寡聚核苷酸(牛胰脱氧核糖核酸酶)或5-磷酸寡聚核苷酸(牛脾核糖核酸酶)。核酸外切酶水解DNA和RNA 3或5末端的磷酸二酯键，如蛇毒磷酸二酯酶从底物的3-端逐个水解下5-核苷酸，牛脾磷酸二酯酶从

25、底物的5-端逐个水解下3-核苷酸。核酸内切酶碱基降解是复杂的过程，在不同的生物其降解过程也不同。核苷+H2O核苷酶磷酸解核苷+磷酸核苷磷酸化酶嘌呤碱+嘧啶碱+戊糖含氮碱+1-磷酸-戊糖2.嘌呤碱分解嘌呤脱氢酶次黄嘌呤氧化酶尿酸NNNNNH2腺嘌呤H2ONH3鸟嘌呤黄嘌呤氧化酶肝肾尿酸氧化酶尿囊素尿囊酸乙醛酸+尿素(多数鱼类)“痛风”症与尿酸排泄障碍有关，患者血液尿酸水平8mg/100ml造成尿酸在软组织和软骨及关节处沉积，形成尿结石及关节炎。次黄嘌呤黄嘌呤HONNNNHHOONNNNHHOHOHNNNNHHOH(人灵长类鸟类)(其他哺乳动物)H2NONNNNHH1.从头合成途径第二节 核苷酸的

26、合成嘌呤核苷酸的合成：戊糖供体为PRPP，嘌呤环由多个原子分子作为供体，经多步反应在PRPP上合成。ATPAMP磷酸核糖焦磷酸酶5-磷酸-核糖5-磷酸核糖-1-焦磷酸PRPP的合成一、核糖核苷酸的合成利用简单底物合成核苷酸的过程。CH2-OH POOHOHCH2-O-POOHOH P P(PRPP)PRPP次黄嘌呤核苷酸(IMP)天冬氨酸、甲酸盐、谷氨酰胺、甘氨酸、CO2AMPGMP612345789嘌呤环原子来源甘氨酸天冬氨酸CO2甲酸盐甲酸盐(3)嘧啶核苷酸的合成：由氨甲酰磷酸和天冬氨酸供给原子先合成环，再与PRPP结合形成嘧啶核苷酸NNNNNNNN谷氨酰胺(酰胺基)嘧啶环的原子来源2.补救途径 利用核苷酸的分解产物再合成核苷酸的途径(1)嘌呤核苷酸在腺嘌呤磷酸核糖转移酶、鸟嘌呤磷酸核糖转移酶催化下形成相应的核苷酸：氨甲酰磷酸天冬氨酸天冬氨酸UTPCTPUMPCO2NH3氨甲酰磷酸乳清酸612345CCNCNC612345CCNCNCPRPP+腺嘌呤腺嘌呤核苷酸+PPiPRPP+鸟嘌呤鸟嘌呤核苷酸+PPi(嘧啶衍生物)