生化課件-中文翻譯

章氨基酸的生物合N是氨基酸的關鍵元素。大氣中N2的含量豐富，但是反應性極低。有些生物，如細菌，黃色苜縮根瘤，能夠將N2轉化成氨。氨氣可以首先用來合成谷氨酸，后者能夠用來合成其它氨基酸。的很多在生物合成中也起關鍵作用。這些共同的使使能量傳導途徑（分解代謝）和生物合成酸、神經遞質、和輔基如卜啉環(huán)）生物合成的N源。由于很多高等生物，包括人類，已經失去了一些氨基,N是氨N元素，但是主要以N2的形式存在。N2相當于一種惰性氣體。因此生物系統(tǒng)的一個基本問題是獲得足量的可以利用的N一些微生物能夠將N2還原成兩分子氨氣能夠解決這個問題。這種還原的方式是生物化學最迷人的方式。所有氨基酸的合成可以利用氨氣的N原子。生物合成途徑必須高度忠實地產生正確的異構體。形成這19種手性氨基酸的生物合成途徑中，碳原子的手性是利用PLP輔基的轉氨酶促反應建立的。催化這些反應的轉氨酶，幾乎全都來自同一祖先，再次說構調節(jié)保證所有20種氨基酸濃度水平足以支持蛋白質合成和其他相關的生物過程。N固定：微生物利用ATP和一種強還原劑將大氣的N2還原成氨N本質上來自大氣N2。生物固氮途徑就是將大N2還原成氨氣。生物合成途徑就是從生物固氮開始的。N2的化學鍵非常穩(wěn)定，達到940kJmol-1,對化學的將N2還原成氨氣是熱力學有利的化學過程。但是因反應途徑的不穩(wěn)定，使這個反應在動力學上難于雖然高等真核生物不能固定N，因此生物固氮由一些細菌和古生菌執(zhí)行。共生細菌根瘤菌侵入豆科植是采用工業(yè)方法固定的。工業(yè)固氮的化學方法是1910年FritzHarber建立的，至今仍在化肥廠使用。N2+3 2化學固氮是將N2和H2混合，在催化劑鐵催化下，于500℃、300兩種蛋白質：還原酶提供高還原勢能的電子，而固氮酶能夠利用前者制造的電子將N2還原成氨氣。電子自還原酶向固氮酶的轉移伴隨著還原酶對ATP的水解（圖24.1）。固氮酶復合物受O2的強烈抑制。豆科植物根部豆血紅蛋白結合O2，使根部的游離N2濃度很低。豆血紅蛋白與血紅蛋白同源（p170)。24.1N固定。電子自鐵氧還蛋白經還原酶（鐵蛋白）到達固氮酶（Mo-Fe蛋白）將N2還原成NH3。還原酶水解ATP驅動的構象變化是電子有效轉移所必需的原則上將N2還原成氨氣是一個6電子過程。N2+6e+6 2但是生物系統(tǒng)每還原1分子N2過程中，除了產生2分子氨氣外，還至少要生成1分子H2。因此還需要輸入2個電子。N2+8e+8H+ 2NH3+H2生的。每轉移2個電子需要水解2分子ATP。因此還原一分子N2至少要水解16分子ATPN2+8e+8H++16ATP+16 2NH3+H2+16ADP+16ATP水解并不是將N原子還原反應變成有利熱力學所需要的，而是降低反應的活化自由能，使反應固氮酶的鐵鉬輔助因子結合并還原大氣的S子合前曾，硫是子體（51。個物還酶分也為蛋）二聚30de-4S（圖4224.2Fe蛋白。這個蛋白質是一個二聚體。兩個多肽鏈之間用一個4Fe-4S簇連接。注意每個亞基是一P-loopNTPase的成員，含有一個ATP結合位點給N還原反應中心。ATP結合區(qū)域與G蛋白及相關蛋白的核苷酸結合位點明顯相關，顯示它屬于P-loopNTPase的成員（9.4節(jié)。此處我們看到又一例進化過程中反復使用的結構域，用以構建能夠將ATP圖24.3MoFe蛋白。此蛋白質是異源PFeMo輔助因子。每個P簇有8個鐵原子（綠離子，固氮酶組分常被稱為鉬-鐵蛋白（MoFe蛋白。FeMo輔助因子有兩個M-3Fe3S簇，其中鉬離子占據每個簇的M位點、而鐵占據另一個簇的M位點。三個S離子和一個中心原子將兩個簇連接在一起。這個中心原子的本質還不清楚。FeMo輔助因子還與高檸檬酸部分和亞基的一個組氨酸和一個絲氨酸形成配位鍵。這個FeMo輔助因子與亞硫酸鹽氧化酶和其他含鉬酶的含Mo輔基明顯不同。還原酶的電子進入固氮酶的P簇。P簇位于亞基的界面。P簇的作用是電子備用于還原FeMo輔基的氮。FeMo輔助因子是固氮位點。FeMo輔助因子的一面似乎是N的還原位點。在還原過程中，從P簇轉移電子的反應與氫離子與N的結合反應協(xié)同進行?，F在還在研究這個反應的機制。氨65N供體，其側鏈N4和檬循戊酸谷酸氫催成氨。氨酸解分們經（p66。谷酸氫的別于至有些物谷酸氫不區(qū)分H和。NH4++酮戊二酸+NADPH+ 谷氨酸+NADP++西呋堿易于質子化。在第二步反應，質子化的西呋堿被NADPH還原成谷氨酸這步反應建立碳原子的立體化學，使谷氨酸的碳原子絕對構型呈S型，因此這個反應非常關鍵。酶與酮戊二酸底物結合使NADPH的H離子加入只能形成L-型谷氨酸（圖24.4）。后面看到，轉接磷酸化谷氨酸側鏈的羧基，形成酰基磷酸。后者與銨離子反應生成谷氨酰胺。24.4手性的建立。在谷氨酸脫氫酶的活性位點，NADPH的H離子轉移給酮戊二酸西呋堿（質子化）的特定面，形成L-谷氨酸。?；姿嵝纬珊竺傅鞍撞判纬射@離子的高親和性位點。銨離子特定的結合位點能夠水分子對?；姿岬乃?，從而避免ATP的浪費。谷氨酰胺合成酶的調節(jié)在控制N代謝方面起關鍵作用（24.3）酶。谷氨酸合成酶催化酮戊二酸還原成谷氨酸。谷氨酰胺是此反應的N供體。 酮戊二酸+谷氨酰胺+NADPH+ 2谷氨酸+在酶分子中，谷氨酰胺的側鏈酰胺被水解成銨離子，再現N代謝。當NH4+有限，則依次用谷氨酰胺NH4++酮戊二酸+NADPH+ 谷氨酸+NADP++ADP+1胺左右當銨離子采用如此耗能的途徑合成谷氨酸？原因在于谷氨酸脫氫酶對NH4+1胺左右當銨離子很高。因此，在NH4+濃度很低的情況下，消耗ATP是為了捕獲NH4+。24.5細菌和植物氨基酸的生物合成。主要的代謝前提用藍色涂出，生成的氨基酸用黃色涂出。必需氨14.2從檸檬酸循環(huán)和其他主要代謝途徑的形成氨基至今，我們已經介紹了N2轉化成NH4+和利用NH4+合成谷氨酸和谷氨酰胺的生物過程?，F在我們介征：它們的碳骨架來自糖酵解、戊糖磷酸途徑、和檸檬酸循環(huán)途徑的?；谔脊羌艿膩碓?，氨基酸可以分為六類（圖24.5）大多數微生物如大腸桿菌能合成全部的20種氨基酸，而人類不能合成其中的9種氨基酸。這些氨基酸必需從膳食獲得，因此成為必需氨基酸(表24.1)。這些稱呼與在特定條件下對氨基酸的需求有關。即使一種氨基酸缺乏也會導致N的負平衡（negativenitrogenbalance)。在這種情況下，分解蛋白質比合成的蛋白質多，外排N比攝取N。苯丙氨酸轉化成酪氨酸。但是，如果苯丙氨酸含量不足，則需10步反應合成酪氨酸。下面我們先介紹圖24.6必需氨基酸和非必需氨基酸。有些氨基酸是人類的非必需氨基酸，我們可以用少數幾步酶促反應有酮，酮二、酰酸和，加反就以化氨酸前介(p83草酰乙酸+谷氨 天冬氨酸+酮戊二 +谷氨 +酮戊二酸與吡多醛磷酸形成西呋堿，是分子內醛胺（圖24.7）。經過多步反應，谷氨酸的氨基轉移形成吡多胺磷P生合的氨都天氨轉酶異化產氨酸列對兩氨酸全保守，即與P（258（圖2.1在轉氨反應中一個必需步驟是琨型的質子化形成酶分子外醛胺。所形成氨基酸的手性有質子加樣賴氨酸只能從琨型分子的一面添加質子，導致醛胺的CL-型。24.7（1）在轉氨酶內部的醛胺與谷氨酸經過多步反應（沒有顯示）轉化成吡多胺磷酸（PMP）（2）PMP再與酮酸反應產生酮胺（3）此酮胺轉化成琨型（4）。琨型圖24.8質子加入的立體化學。在轉氨酶活性位點，賴氨酸質子從琨型底部加入，決定了氨基酸產物成L-型。保守精氨酸與酮酸的羧基相互作用有助于建立合適的琨型的幾何排布。天冬酰胺+NH4++ 天冬酰胺+AMP+PPi+因此ATP的水解產物是AMP和PPi，而不是ADPPi哺乳動物合成天冬酰胺的N供體不是銨離子，而是谷氨酰胺。谷氨酰胺側鏈水解產生的銨離子直接酸（脯氨酸和精氨酸）的合成前體。首先谷氨酸的羧基與ATP反應生成?；姿帷Ｔ儆肗ADPH將這谷氨酸半醛環(huán)化脫水生成△1-吡咯啉5-羧酸。此反應不需要酶催化。用NADPH還原生成脯氨酸。此3-磷酸甘油酸是糖酵解的中間產物。第一步反應轉化成3-磷酸羥基酸。經過轉氨反應生成3-磷酸絲氨酸+四氫葉 甘氨酸+甲叉四氫葉酸+此反應用絲氨酸羥甲基轉移酶催化。此酶是PLP酶，與天冬氨酸氨基轉移酶同源。因絲氨酸與PLPp-氨基苯甲酸，和一個或多個谷氨酸殘基（圖24.9）。哺乳動物能合成蝶呤環(huán)，但不能與其它兩個成分連一碳單位結合于四氫葉酸的N5或N10位N原子（稱為N5和N10)，或者同時與這兩個N原子結合。四氫葉酸攜帶的一碳單位是可以相互轉化（圖24.10）。N5,N10-次甲基四氫葉酸可以被還原成N5-甲基四氫葉酸、或被氧化成N5,N10-烯甲基四氫葉酸。N5,N10-烯甲基四氫葉酸可以被轉化成N5-亞胺甲基四氫葉酸或N10-亞胺甲基四氫葉酸。N5-或N10-亞胺甲基四氫葉酸的一碳單位的氧化狀態(tài)相同。四氫葉酸、甲酸、和ATP可以一道合成N10-甲酰四氫葉酸。N5-甲酰四氫葉酸能可逆地轉化成N10-甲酰四氫葉酸或N5,N10-烯甲甲酸+ATP+四氫葉 N10-甲酰四氫葉酸+ADP+24.10這些四氫葉酸衍生物充當一碳單位的供體，用于不同的生物合成反應。將N5-甲基四氫葉酸的佳績轉移給高半胱氨酸，再生甲硫氨酸。在第25章看到嘌呤的一碳原子來自N10-甲酰四氫葉酸。胸腺嘧啶的甲基來自N5,N10-甲叉四氫葉酸。四氫葉酸攜帶的一碳單位也可以用來與CO2NH4+一道，在甘氨酸CO2+NH4++N5,N10-甲叉四氫葉酸+ 甘氨酸+四氫葉酸+碳單位的主要來源是絲氨酸易于轉化成甘氨酸，同時產生N5,N10-甲叉四氫葉酸。絲氨酸來自3-磷酸甘油四氫葉酸的N5原子攜帶的甲基，其轉移勢能不是很高，因此大多數生物合成的甲基不是來自四氫葉酸攜帶的甲基。活化的甲基供體通常是S-腺苷甲硫氨酸（SAM）ATP的腺苷轉移給甲硫氨酸的S原子，生成S-腺苷甲硫氨酸。甲硫氨酸的甲相鄰的硫原子攜帶正電荷被活化，其反應活性比N5-甲基四氫葉酸的活性大得多。S-腺苷甲硫氨酸生物合成的特別之處在于ATP的三個磷酸被裂解成焦磷酸和磷酸；而焦磷酸接著被水解成磷酸。S-腺苷甲硫氨酸的甲基被轉移給受體后，生成S-腺苷高半參與此反應的輔酶是維生素B12的衍生物，即甲基鈷胺素。實際上此反應和甲基丙二酸單酰CoA排成琥珀酰CoA的催化酶同源。這兩種酶是哺乳動物唯一的依賴于B12的兩種酶。很多生物還有一種不依賴于維生素B12的酶，能夠將高半罐苷酸轉化成甲硫氨酸。結合轉化成轉移能量更高的甲基（即與甲基相連的S原子帶正電荷，甲基的親電性更強。轉移勢能更高24.11活化甲基循環(huán)。甲硫氨酸與腺苷化形成S-腺苷甲硫氨S-腺苷甲硫氨酸修飾的受體分子中有DNA的堿基。DNA甲基化能夠保護DNA免收限制性內切酶（9.3節(jié)。需要甲基化的堿基從DNA雙螺旋翹出，深入DNA甲基化酶的活性位點。在活性位點接受24.12DNA甲基化。DNA甲基化酶的結構顯示DNA雙螺旋需要甲基化的堿基翹出，深入依賴于SAM的甲基化酶的活性中心。物。隨后環(huán)丙烷衍生物氧化，生成乙烯。2000多年前古希臘哲學家Theophrastus就認識到用鐵爪刺破埃及乙烯是果實的元兇，因此人們花了很大力氣闡明乙烯生物合成的途徑。活化甲基循環(huán)除了提供甲硫氨酸合成前體之外，高半胱氨酸也是半胱氨酸合成的。絲氨酸和高氨，斷裂成半胱氨酸和酮丁酸。這兩種酶均使用PLP，與天冬氨酸氨基轉移酶同源。凈反應是高半胱氨酸+絲氨 半胱氨酸+酮丁酸+醛磷酸是維生素B6的衍生物是胱硫醚合成酶活性必需的因子。這個酶催化反應將高半胱氨酸轉化成胱硫醚；四氫葉酸及維生素B12提供甲基使高半胱氨酸轉化成甲硫氨酸。-環(huán)化成-（ehyrouiae3脫氫莽草酸。接著為HP將莽酸酸莽草酸-酸莽酸3磷再次磷烯式縮成醇類中-（lyhoae一廣的草，產生5烯式草酸-酸非爭抑劑這藥物植的香氨基合，是動沒（因于物有成氨酸酶。應，其機理類似于有機化學的Diels-Alder反應。隨后脫水和脫羧反應生成苯酸。此外，prephenate也可以氧化脫羧產生p-羥基苯酸。經過轉氨反應將這些酮酸分別轉化成丙氨酸和酪氨酸。24.14苯丙氨酸和酪氨酸的合成。分支酸可以轉化成prephenate，后者隨后被轉化成苯丙氨酸和酪氨24.15介紹了從分支酸起始合成色氨酸的代謝途徑。分支酸獲得谷氨酰胺側鏈水解釋放的氨基，轉糖磷酸的活化形式，也是合成組氨酸、嘧啶核嘌呤核苷酸的重要前體）縮合，核糖磷酸C-1原子與鄰氨基苯甲酸的N原子形成共價鍵（能量來自焦磷酸的釋放和水解。磷酸核糖鄰氨基苯甲酸的核糖部分發(fā)生重排，生成1-（o-羧基苯胺）-1-脫氧核酮糖5-磷酸。然后脫水脫羧生成吲哚3-甘油磷酸。吲哚3-甘油磷酸斷裂生成吲哚。吲哚與絲氨酸反應生成色氨酸。由色氨酸合成酶催化的最后幾步將吲哚3-甘油磷酸切除24.15色氨酸合成。分支酸轉化成鄰氨基苯甲酸，后者進一步轉化成色氨酸磷酸轉化成吲哚，而每個b-亞基有一個含有PLP的活性位點，催化吲哚與絲氨酸縮合成絲氨酸。絲氨酸與PLP形成西呋堿，然后脫水形成西呋堿氨基丙烯酸。吲哚這個形成色氨酸。這個酶蛋白的三維結構與前面介紹的天冬氨酸氨基轉移酶和其他PLP酶不同。出。氨合酶解這問。在聚中，基活位與鄰亞5A（圖2.17亞-基能成哚這反是物行的酶合催的顯子通能增加化度而能消副應此避了間物失在第25張們會紹道物 24.16色氨酸合成酶結構。兩個亞基和兩個亞基形成的復合物。注意，PLP（吡多醛磷酸）圖24.17底物通道。色氨酸合成酶有一個長度達25A的通道連接亞基的活性位點（黃色）亞基（藍色）活性位點的PLP輔基（紅色在31章介紹。產物（Z）常常抑制這個決定命運的酶促反應（即A轉化成B).的反應是3-磷酸甘油酸脫氫酶催化，將3-磷酸甘油酸氧化。大腸桿菌3-磷酸甘油酸脫氫酶是同一亞基構此，胞內絲氨酸含量豐盛，酶活性受到抑制，就不會浪費3-磷酸甘油酸。后者還是其他代謝途徑的關鍵24.183-磷酸甘油酸脫氫酶的結構。此酶催化絲氨酸合成的決定步驟，受絲氨酸抑制。此處顯示與兩個氨酸、亮氨酸、異亮氨酸合成。它們共同的是羥乙基硫氨素焦磷酸。羥乙基TPP與酮丁酸反應，最后生成異亮氨酸；羥乙基TPP與丁酸反應，最后生成纈氨酸和亮氨酸。因此酮丁酸和酸的相對濃度決定多少異亮氨酸可以合成（與亮氨酸和纈氨酸相比。蘇氨酸脫氨酶是一種PLP酶，催化蘇氨酸脫氨形成酮丁酸。此酶受異亮氨酸別構抑制（24.19）。此酶還受到纈氨酸的別構激活。因此24.19蘇氨酸脫氨酶所受的調節(jié)。蘇氨酸脫氨轉化成酮丁酸是合成異亮氨酸的決定步驟。此酶受異氨酸結合單位，每個單位可以結合2分子絲氨酸。蘇氨酸脫氨酶的兩個兩個調節(jié)結構域融合成一個單位，24.20多次使用的調節(jié)結構域。3-磷酸甘油酸脫氫酶兩個亞基形成的調節(jié)結構域在結構上與蘇氨酸脫氨酶一條多肽鏈形成的調節(jié)域在結構上很相似。注意這兩種結構4個螺旋，8個鏈，而且它們在結構化是合成蘇氨酸、甲硫氨酸、和賴氨酸的決定步驟。大腸桿菌有三種酶催化天冬氨酸磷酸化（圖24.21）這三種酶的催化結構域的氨基酸一致性約30%。盡管這三種酶的酶促反應機制完全相同，但是它們的調節(jié)24.21天冬氨酸激酶的結構域。各種酶能夠催化合成特定氨基酸的決定性步驟。上面是甲硫氨酸，中間4、和P12個完一的基成每亞基有0k這亞排成個邊環(huán)。ltdman此調控N（6生物合成的N谷氨酰胺合成酶活性也受到可逆共價修飾修飾的調節(jié)。AMP與谷氨酰胺合成酶各亞基特定酪氨酸殘酶更為強烈。磷酸裂解作用能夠脫去修飾酶的腺苷酸。AMP與蛋白質的連接是酶促級聯(lián)反應的最后一么因素決定蛋白質是AMP化還是去腺苷酸？腺苷酸轉移酶的特異性受調節(jié)蛋白（稱為P或PII）控制。調節(jié)蛋白是三聚體，有兩種結構狀態(tài)，分別是PA和PD。PA與腺苷酸轉移酶形成的復合物能夠催化，將AMP連接于谷氨酰胺合成酶的催化亞基，降低其催化活性。相反，PD與腺苷酸轉移酶形成的復合物能夠 圖24.22酶活性受腺苷酸化調節(jié)（A）（B）酪氨這里又引入了另一種可逆共價修飾。當PA特定為點的酪氨酸殘基與UMP共價連接，PA轉化成（圖24.23）。此反應受尿苷酸轉移酶催化。ATP和酮戊二酸激活尿苷酸轉移酶活性，而谷氨酰胺抑制此酶的活性。PDUMP水解反應受谷氨酰胺促進、受酮戊二酸抑制。這兩種相反的酶促反應存在于同圖24.23更高一級水平級聯(lián)調控谷氨酰胺合成酶的活性。PA和PD調控蛋白控制腺苷酸化酶的反應特異細胞N代謝的整合需要輸入很多信號并進行加工。此外調節(jié)蛋白P也調節(jié)谷氨酰胺合成酶和參與N代謝的其它酶蛋白的表達。進化建立的級聯(lián)調節(jié)提供了很多調節(jié)位點，使之能更為精細地調節(jié)細胞的NDNA、RNA、和眾多輔酶的前體，即嘌呤和嘧啶，其主要原料是氨基酸。我們在第25章將詳細介紹。鞘氨醇（合成鞘氨酯的）的末端來自絲氨酸。組胺是很強的血管收縮劑，是組氨酸脫羧的產5-羥色胺（serotonin）和NAD+的煙酰胺環(huán)來自色氨酸?，F在我們詳細討論用氨基酸合成三種重要的生物24.25谷胱甘肽。這個三肽有一個半胱氨酸，兩側分別是甘氨酸和谷氨酸。谷氨酸與半胱氨酸之間用谷動物細胞內谷胱甘肽濃度很高，約5mM。這些谷胱甘肽能夠充當巰基緩沖液，能夠保護血液細胞免受氧化損傷(p586)。還原型GSH和氧化型GSSG之間進行循環(huán)。氧化型谷胱甘肽用一個二硫鍵將兩個三2GSH+RO- GSSG+H2O+谷胱甘肽還原酶將GSSG還原成GSH。谷胱甘肽還原酶是黃素酶，還原用的電子供體是NADPH。大多數細胞內GSH與GSSG之間的比值超過500。谷胱甘肽在脫毒方面起重要作用，GSH能夠能夠與需要有一個半胱氨酸的硒衍生物，即硒代半胱氨酸。這個酶蛋白的Se－將過氧化物還原成醇，自身變成氧化的硒酸（E-SeOH）。谷胱甘肽進入，反應生成E-Se-S-G。第二個GSH進入，反應之后恢復谷胱甘肽氧化酶活性，同時釋放氧化型谷胱甘肽（GSSG，圖24.27）24.26谷胱甘肽過氧化物酶的結構。谷胱甘肽過氧化物酶在過氧化物脫毒方面起作用。此酶的活性位點24.27谷胱甘肽過氧化物酶的催化循環(huán)。精氨酸形成的NO是短命的信號分子一氧化氮（NO）是脊椎動物信號傳導的一個重要分子。例如NO能夠刺激線粒體生成。一氧化氮合成酶催化，精氨酸經過復雜反應生成NO。合成NO需要NADPH和O2（圖24.28）。NO與可溶性鳥苷酸環(huán)化酶結合活化鳥苷酸環(huán)化酶。鳥苷酸環(huán)化酶是信號傳導途徑的一個重要酶（32.3節(jié)。此酶與腺苷酸環(huán)化酶同源，但是結合NO的結構域有血紅素。用甘氨酸和琥珀酰CoA“ 氨酸15N“ 氨酸15N含量達到35%，花費1000U$194512月，我開始消化這些標記的甘氨酸。由于我們不知道相對大量的穩(wěn)定N元素對試驗結果的影響，以為連續(xù)服用這樣的甘氨酸能夠達到15N 小時服用1克甘氨酸，連續(xù)服用67小時......每個一段時間 理后確定不同血液蛋白的15N含量24.28NO的合成。精氨酸氧化產生NO14C標記剛剛出現時，DavidShemin采用14C標記發(fā)現鴨子又和紅細胞血紅素的8個碳原子來自甘氨酸的C原子，而甘氨酸的羧基并不參與卜啉環(huán)。后續(xù)研究證實卜啉環(huán)其余的26個碳原子來自乙酸。而且這26個碳原子中有24個來自乙酸的甲基碳原子，只有兩個碳原子來自乙酸的羧基（圖24.29）24.29血紅素標記。同位素標記研究確定血紅素原子的