Transcript 丙氨酸+ - 生物化学
Chap 9 蛋白质的酶促降解和氨基酸代谢 1 蛋白质的酶促降解 2 氨基酸的分解代谢 3 氨基酸的合成代谢 生物体内的蛋白质处于不断降解与合成的动态平衡中，从而 使各种蛋白质得到自我更新，也使细胞中蛋白质组分得到 转换，这对于机体新组织、细胞形成及机体生长发育有十 分重要的意义。 蛋白质降解产生的氨基酸进一步分解或做为能源或转化为其 它氮化物合成前体，所产生的氮化物是生物体内重要的生 理活性物质。 1 蛋白质的酶促降解 蛋白质的酶促降解是指蛋白质在酶的作用下，肽 键水解生成氨基酸的过程。 蛋白质降解产生的氨基酸除用于新蛋白质的合成 外，还可进一步降解、氧化或转化。 1.1 外源蛋白质的酶促降解 1.1.1 蛋白水解酶 1.1.1.1 肽链内切酶和外切酶 按其作用特点分为肽链内切酶和肽链外切酶。 肽链内切酶又称蛋白酶，水解肽链内部的肽键，对肽键有 一定专一性，如胰蛋白酶、凝血酶(精氨酸或赖氨酸的羧 基)；脯氨酰蛋白酶(脯氨酸羧基)；胃蛋白酶（芳香族氨 基酸的氨基） 肽链外切酶：又称肽链端解酶，只作用于肽链末端，包括 氨肽酶和羧肽酶，分别从氨基端和羧基端逐一地将肽链 水解成氨基酸。 羧肽酶A优先作用于中性氨基酸为羧基端的肽键； 羧肽酶B则水解以碱性氨基酸为羧基端的肽键。 1.1.1.2 部分蛋白酶 蛋白酶按其活性部位的结构特征可以分为四类： ①丝氨酸蛋白酶类(EC 3.4.2.1)活性部位含有Ser残基，受二异 丙基氟磷酸(DIFP)的强烈抑制。胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、 弹性蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶等均属此类。 ②半胱氨酸蛋白酶(EC 3.4.2.2)活性部位含有Cys残基，对于碘 乙酸、对-羟基汞苯甲酸等抑制剂十分敏感。植物蛋白酶 和组织蛋白酶大多属于此类。 ③天冬氨酸蛋白酶(EC 3.4.2.3)活性中心含有两个Asp残基，最适 pH一般为2～4。抑胃肽(pepstatin)专一地抑制这类酸性蛋白酶。 胃蛋白酶、凝乳酶均属此类。 ④金属蛋白酶(EC3.4.2.4)含有Zn2+ 、Mg2+ 等金属离子，受金属螯 合剂如EDTA等的抑制。嗜热菌蛋白酶、信号肽酶以及氨肽酶、 羧肽酶等属于这一类。 1.1.2 食物中蛋白质的消化吸收 蛋白质在各种蛋白水解酶联合作用下，被水解为氨基酸及一些 寡肽，然后才能被吸收入体内，该过程涉及多种酶的参与 胃蛋白酶(最适pH为1.5～2.5，色氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、蛋 氨酸、亮氨酸等残基的氨基)，胰液（含有胰蛋白酶、胰凝 乳蛋白酶、弹性蛋白酶、羧肽酶A和B）和小肠中的肠激酶、 氨肽酶和二肽酶。 蛋白质的降解 胃 食物中蛋白质 胃 蛋 白 酶 小肠 游离氨基酸 短肽 胰蛋白酶 糜蛋白酶 弹性蛋白酶 羧肽酶 氨肽酶 游离氨基酸 羧肽 酶A 羧肽 酶B 氨基酸的吸收 • 氨基酸吸收载体： 在小肠进行，主动转运过程，需氨基酸载体携带。转 运氨基酸进入细胞时，同时转运入Na+。 载 体类型 中性氨基酸载体 碱性氨基酸载体 酸性氨基酸载体 亚氨基酸与甘氨酸载体 -谷氨酰基循环： 由-谷氨酰基转移酶催化，利用GSH，合成-谷氨 酰氨基酸进行转运。消耗的GSH可重新再合成 肽的吸收 利用肠粘膜细胞上的二肽或三肽的转运体系进行 吸收，也是一种耗能的主动吸收过程。 1.2 细胞内蛋白质降解 1.2.1 细胞内蛋白质降解的意义 细胞内蛋白质处于不断降解和更新的周转过程中, 周转 是十分复杂和受精密控制的过程，周转速率不仅与生物 体的种类、营养状况、环境因素、发育阶段等有关，还 与蛋白质的种类有关。 例如，大鼠肝中鸟氨酸脱羧酶的半寿期只有11min；5-氨基 乙酰丙酸合酶的半寿期约1h，磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶 的半寿期约13 h；精氨酸酶的半寿期约96h；3-磷酸甘油 醛脱氢酶的半寿期约130h。 细胞内蛋白质降解对细胞生长发育和适应内外环境变化有 重要功能： ①清除反常蛋白，避免其干扰正常的生命活动。 ②控制短寿命蛋白含量, 通过基因表达和降解对其含量进行 精确、快速的调控。 此外，生长发育及细胞分化过程中代谢途径的改变，也涉 及到酶蛋白的降解。 ③维持体内氨基酸代谢库。 ④防御机制的组成部分。 ⑤蛋白质前体的裂解加工。 1.2.2 胞内蛋白质降解系统 细胞质膜、细胞溶胶、细胞核、溶酶体和其它细胞内膜系统 都存在蛋白质降解活性。 细胞内的蛋白酶可分为两类： ①相对分子质量较小、专一性较低、催化过程不需要ATP的 蛋白酶和肽酶； ②高分子量的多酶复合物，对底物蛋白有高度选择性，催化 蛋白质水解不仅消耗ATP而且受到严密的调控。 细胞质内有两个最重要的蛋白质降解系统： 溶酶体系统：包括多种在较低pH下活化的小分子量蛋白酶， 因此又称为酸性系统，主要水解长寿命蛋白质和外来蛋 白。 泛肽系统：在pH=7.2的胞液中起作用，又称碱性系统，主 要水解短寿命蛋白和反常蛋白。 1.2.3 泛肽途径 Hershko, A.等1978年从网织红细胞依赖ATP的蛋白质水解系统中 分离出一种热稳定因子，由76个氨基酸组成，广泛存在于各 类真核细胞，因而命名为泛肽。 在泛肽激活酶(E1)、泛肽载体蛋白(E2)和泛肽—蛋白连接酶(E3) 的共同作用下，泛肽C-端羧基与底物蛋白中赖氨酸残基-氨 基形成异肽键，后续泛肽以类似方式连接成串(至少4个)，完 成对底物蛋白的多泛肽化标记，形成多泛肽化蛋白。 在同一组织中存在一种E1、数种E2和多种E3，负责识别不同 类型的短寿命蛋白和反常蛋白。 此外还有一类泛肽C-端水解酶，负责校正错误的泛肽化以及 把成串的泛肽水解成单体以备重复利用。 被多泛肽化标记的底物蛋白由26S蛋白酶体迅速降解成小的 肽片段，再由其它肽酶水解成游离氨基酸。 1.2.4 溶酶体体系 真核细胞结构，单层膜， pH4～5。含在酸性区域具 有最适pH的水解酶组，具 细胞内的消化功能。 溶酶体的功能 消化：底物的来源 • 自体吞噬细胞内原有物质； • 吞噬体吞噬的有害物质； • 内吞作用吞入的营养物质。 自溶 粘多糖沉积症 2 氨基酸的分解代谢 氨基酸代谢库 食物蛋白经消化吸收的氨基酸（外源性氨基酸）与体内 组织蛋白降解产生的氨基酸（内源性氨基酸）混在一 起，通过血液循环，分布于体内各组织中参与代谢， 称为氨基酸代谢库或氨基酸代谢池。 氨基酸代谢库的来源与去路 合成蛋白质和多肽 食物蛋白质消化吸收 脱氨基作用 组织蛋白质分解 氨基酸代谢库 脱羧基作用 非必需氨基酸合成 转变为其他含氮物 氨基酸的分解代谢概况 特殊分解代谢→ 特殊侧链的分解代谢 CO2 脱羧基作用→ 一般分解代谢 胺 NH3 脱氨基作用→ -酮酸 2.1 脱氨基作用 氨基酸转化的主要方式。 – 氧化脱氨基 – 转氨脱氨基 – 联合脱氨基 – 非氧化脱氨基 – 脱酰胺作用 2.1.1 氧化脱氨基作用 氨基酸在酶的催化下脱去氨基生成相应酮酸的过程。氧 化脱氨基的反应过程包括脱氢和水解两步，脱氢反应 需酶催化，而水解反应则不需酶的催化。 酶 R-CH-COOH NH2 H2O 2H R-C-COOH NH R-C-COOH + NH3 O 催化氧化脱氨基的酶： 催化脱氨基的酶有脱氢酶和氧化酶。脱氢酶中最重要的是 谷氨酸脱氢酶， 以NAD或NADP为辅酶， 催化谷氨酸氧化脱氨， 生成-酮戊二酸。 催化氧化脱氨基的酶： L-氨基酸氧化酶：是一种需氧脱氢酶，以FAD或FMN为辅 基，脱下的氢原子交给O2，生成H2O2。该酶活性不高， 在各组织器官中分布局限，因此作用不大。 谷氨酸脱氢酶广泛存在于动植及微生物体内，专一性很强， 只作用于谷氨酸。 氧化酶存在于动物肝、肾和某些细菌、真菌中，以FAD或 FMN为辅基，在有氧条件下催化氨基酸氧化脱氨生成相应 酮酸和H2O2。 H2O2在无过氧化氢酶存在时能将生成的-酮酸氧化为少一个 碳原子的脂肪酸。 2.1.2 转氨基作用 转氨基作用是-氨基酸和-酮酸之间的氨基转移反应。 -氨基酸的氨基在转氨酶催化下转移到-酮酸的酮基碳原子 上，氨基酸生成相应的-酮酸，-酮酸形成相应的氨基酸。 转氨基作用可以在各种氨基酸与酮酸之间普遍进行。除Lys， Pro外，均可参加转氨基作用。 催化转氨基作用的酶叫做转氨酶或氨基移换酶，广泛存在 于生物体内，其中以谷丙转氨酶(GPT)和谷草转氨酶(GOT) 最重要。 转氨酶的辅酶都是磷酸吡哆醛。转氨酶催化的反应可逆的 谷丙转氨酶（GPT） 催化丙氨酸与-酮戊二酸之间的氨基移换反应，为可逆 反应。该酶在肝中活性较高，在肝的疾病时，可引起 血清中ALT活性明显升高。 丙氨酸 + -酮戊二酸 ALT 丙酮酸 + 谷氨酸 谷草转氨酶（GOT） 催化天冬氨酸与-酮戊二酸之间的氨基移换反应，为可 逆反应。该酶在心肌中活性较高，故在心肌疾患时， 血清中AST活性明显升高。 天冬氨酸 + -酮戊二酸 AST 草酰乙酸 + 谷氨酸 2.1.3 联合脱氨基作用 • 转氨基作用与氧化脱氨基作用联合进行，从而使氨基酸脱去 氨基并氧化为 -酮酸的过程，称为联合脱氨基作用。 • L-氨基酸先与-酮戊二酸经转氨作用变为相应的-酮酸和谷 氨酸，谷氨酸再进行氧化脱氨。 • 可在肝、肾等大多数组织细胞中进行，是主要脱氨基的方式。 ①转氨酶—谷氨酸脱氢酶的联合脱氨作用 通过转氨基作用和氧化脱氨基作用偶联进行的脱氨基作用， 所以称为联合脱氨基作用。 ②转氨酶—嘌呤核苷酸循环联合脱氨作用 嘌呤核苷酸循环是存在于骨骼肌和心肌中的一种特殊的联 合脱氨基作用方式。 腺苷酸脱氨酶、腺苷琥珀酸合成酶和腺苷酸琥珀酸裂解酶 的含量及活性很高。 2.1.4 非氧化脱氨基作用 主要发生在微生物中，方式有3种。 ①还原脱氨基作用 无氧条件下，某些含有氢化酶的微生物能利用还原脱氨基方式 使氨基酸脱去氨基。 ②脱水脱氨基作用 丝氨酸和苏氨酸的脱氨基也可经脱水的方式完成，催化该反 应的酶以磷酸吡哆醛为辅酶。 ③由解氨酶催化的脱氨基反应 2.1.5 脱酰胺基作用 谷氨酰胺和天冬酰胺可在谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶的作用 下分别发生脱酰胺基作用而形成相应的氨基酸。 2.2 脱羧基作用 2.2.1 直接脱羧基作用 氨基酸在脱羧酶作用下，脱羧生成胺类化合物。 脱羧酶以磷酸吡哆醛作为辅酶。 有些氨基酸脱羧后形成的胺类化合物，是组成某些维生 素或激素的成分。如天冬氨酸脱羧后生成β-丙氨酸，它 是B族维生素泛酸的组成成分。又如，色氨酸脱氨脱羧 后的产物可转变成植物生长激素（吲哚乙酸）。 2.2.2 羟化脱羧基作用 酪氨酸在酪氨酸酶的催化下可发生这种作用。酪氨酸酶是一种 含铜酶，多巴进一步氧化后形成聚合物黑素(melanin)。 2.3 氨的代谢转变 • 氨基酸通过脱氨和脱羧作用生成了各种降解产物，如NH3、 -酮酸和胺类等。这些产物在体内进一步发生代谢转变。 • 氨具有毒性，血氨过高，可引起脑功能紊乱，与肝性脑病的 发病有关。 • 正常人血液中氨的浓度很低，一般不超过60 mol/L。 • 体内代谢产氨或经肠道吸收的氨主要在肝合成尿素而解毒。 2.3.1 血氨的来源与去路 肠道吸收 氨基酸脱氨 酰胺水解 其他含氮物分解 合成尿素 合成氨基酸 血氨 合成酰胺 合成其他含氮物 直接排出 2.3.2 氨在血中的转运 2.3.2.1 谷氨酰胺的运氨作用 • 肝外组织，如脑、骨骼肌、心肌，在谷氨酰胺合成酶 的催化下，合成谷氨酰胺，以谷氨酰胺的形式将氨基 经血液循环带到肝，再由谷氨酰胺酶将其分解， 产生 的氨即可用于合成尿素。 • 因此，谷氨酰胺对氨具有运输、贮存和解毒作用。 肝外组织细胞 ATP + NH3 ADP + Pi glutamine synthetase glutamic acid glutamine glutaminase NH3 肝细胞 H2O 血液 2.3.2.2 丙氨酸-葡萄糖循环 肌肉中的氨基酸将氨基转给丙酮酸生成丙氨酸，后者经血 液循环转运至肝再脱氨基，生成的丙酮酸异生为葡萄 糖后再经血液循环转运至肌肉重新分解产生丙酮酸， 通过这一循环反应过程即可将肌肉中氨基酸的氨基转 移到肝进行处理。这一循环反应过程就称为丙氨酸-葡 萄糖循环。 2.3.3 鸟氨酸循环 (尿素) 哺乳类动物体内氨的主要去路是在肝脏中合成尿素并随尿排 出体外。某些植物如洋蕈、马勃中也能利用氨合成尿素， 其含量占干物质重量的10％以上。 尿素在部分植物体内起着与谷氨酰胺类似的作用，既能解除 氨毒，又是氨的一种贮存形式。 由氨合成尿素是通过鸟氨酸循环进行的。在哺乳动物体内， 这个过程在肝脏中进行。 肝脏中反应从鸟氨酸生成瓜氨酸开始直到精氨酸水解成鸟氨 酸和尿素为止，形成了一个鸟氨酸循环。 每经过一次循环需要2个氨基(一个来自游离氨，另一个来自天 冬氨酸的氨基)和1分子CO2，并生成1分子尿素。 尿素合成的鸟氨酸循环 2ATP+CO2+NH3+H2O 尿素 胞液 H2O 延胡索酸 苹果酸 ⑤ 2ADP+Pi 鸟氨酸氨基甲酰磷酸 精氨酸 瓜氨酸 ③ AMP+PPi 线粒体 ② ④ 精氨酸代 琥珀酸 草酰乙酸 NH3 ① 鸟氨酸 瓜氨酸 ATP+Asp Pi 由鸟氨酸循环合成一分子尿素需要消耗4个高能磷酸键水解释 放的自由能。 尿素易溶于水，毒性较小，在动物肝脏中形成后，即随尿排 出体外。 植物中也存在着鸟氨酸循环的过程，但其活性低，主要与精 氨酸合成有关。 植物体含有脲酶，尤其是在豆科植物种子中脲酶活性较大， 能专一地催化尿素水解并放出氨。释放出的氨，可被再循 环利用合成氨基酸或进入其它代谢途径。 2.3.4 生成谷氨酰胺和天冬酰胺 通过谷氨酰胺合成酶或天冬酰胺合成酶催化生成相应的酰胺， 酰胺又可以经过谷氨酰胺酶或天冬酰胺酶的作用，将NH3 重新释放出来。因此，生成酰胺的形式既是生物体贮藏和 运输氨的主要方式，也是解除氨毒的一条主要途径。 2.3.5 生成铵盐 氨可以和植物组织中的有机酸，如异柠檬酸、柠檬酸、 苹果酸、酒石酸和草酰乙酸等结合生成铵盐，以保持 细胞内正常的pH。 2.4 -酮酸的代谢转变 • 氨基酸氧化脱氨或经过复杂的降解过程后。生成多种 不同的-酮酸。 • 酮酸有3条去路：合成新的氨基酸；转变为糖和脂肪； 彻底氧化成二氧化碳和水并放出能量供机体利用。 赖氨酸 2.4.1 还原氨基化——合成新氨基酸 生物体内氨基酸的脱氨作用与酮酸的还原氨基化是一对可 逆反应，在生理条件下处于动态平衡中。当体内氨基酸 过剩时，脱氨作用加强，相反，在需要氨基酸时，氨基 化作用则会加强，以满足细胞对氨基酸的需要。 2.4.2 转变为糖和脂肪 -酮酸可以转变为糖和脂肪。根据氨基酸碳骨架的代谢合成， 可将氨基酸分为生糖氨基酸和生酮氨基酸两类。 生糖氨基酸可降解为丙酮酸、草酰乙酸、-酮戊二酸、琥珀酰 CoA和延胡索酸等糖代谢中间物。 生酮氨基酸在体内转变为酮体，按脂肪酸途径代谢，其分解产 物为乙酰CoA或乙酰乙酸，乙酰CoA进入脂肪酸合成途径。 20种氨基酸中，只有亮氨酸和赖氨酸是纯粹生酮的，异亮 氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸是既生酮也 生糖的，其它14种氨基酸纯粹是生糖的。 . 2 4 3 . 氧 化 成 二 氧 化 碳 和 水 氨基酸分解与转化 3 氨基酸的合成代谢 生物固氮 某些微生物能把空气中的分子氮转化为氨态氮的作用。 固氮生物可以在常温常压下将N2还原为NH3。 植物：主要吸收无机氮化合物，其中以铵盐、硝酸盐和 亚硝酸盐为主。铵盐直接用于合成氨基酸，硝酸盐和 亚硝酸盐则必须被还原为铵才能去合成氨基酸。 动物：仅能通过降解动植物蛋白来合成自身蛋白质。 3.1 氨基酸的生物合成 不同生物合成氨基酸的能力不同。哺乳动物只能合成部分Aa。 必需氨基酸：人体自身不能合成的氨基酸，如赖氨酸、甲硫 氨酸、色氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸和苯 丙氨酸。 氨基酸可经多种途径合成，共同特点是氨基主要由谷氨酸提 供，而碳架来自糖代谢（EMP、TCA、PPP）的中间产物。 3.1.1 转氨作用 氨基酸合成的主要方式。 在转氨酶的作用下，一种氨基酸把它分子上的氨基转移到其 他α-酮酸上，以形成另一种氨基酸的过程。 转氨酶需要磷酸吡哆醛作为辅酶。除苏氨酸和赖氨酸外，其 它氨基酸的氨基都可通过转氨作用得到。 在细胞内，转氨酶分布在细胞质、叶绿体、线粒体和微粒体 中。叶绿体在进行光合作用时，在转氨酶的作用下，便可 生成各种氨基酸。 3.1.2 各种氨基酸的合成 转氨反应中需要α-酮酸作为氨基酸碳架，碳架来源于EMP、 TCA、乙醇酸途径和PPP等。根据碳架来源不同，可将 氨基酸分为6族。在每一族内的几种氨基酸有共同的碳 架来源。 丙氨酸族 丝氨酸族 天冬氨酸族 谷氨酸族 芳香族氨基酸 组氨酸 3.1.2.1 丙氨酸族（丙酮酸型） 碳架来源：丙酮酸，经转氨、缩合等作用生成氨基酸。 包括：丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸， 丙酮酸还可以转变为α-酮异戊二酸和α-酮异己酸。由2分子丙 酮酸缩合并放出1分子CO2，再经几步反应，便可生成α-酮 异戊酸，并以此作为碳架经转氨反应后生成缬氨酸；由α酮异戊酸经几步反应可生成α-酮异己酸，以此作为碳架， 从谷氨酸获得氨基即生成亮氨酸。 3.1.2.2 丝氨酸族（ 3-磷酸甘油酸） 碳架来源：3-磷酸甘油酸，首先被氧化成3-磷酸羟基丙 酮酸，然后经转氨作用生成3-磷酸丝氨酸，水解后产 生丝氨酸。 包括丝氨酸、甘氨酸和半胱氨酸。 丝氨酸也可经另一条途径生成，即3-磷酸甘油酸的磷酸基首 先发生水解，再经氧化和转氨作用生成丝氨酸。 丝氨酸可形成甘氨酸，催化反应的酶为丝氨酸转羟甲基酶。 此酶催化丝氨酸侧链的β-碳原子转移给四氢叶酸，进而生成 甘氨酸。 丝氨酸也可作半胱氨酸的前体，经几步反应生成半胱氨酸。 3.1.2.3 天冬氨酸族（草酰乙酸型） 这一族包括天冬氨酸、天冬酰胺、甲硫氨酸、苏氨酸、赖氨 酸和异亮氨酸。它们的共同碳架是三羧酸循环中的草酰乙 酸，草酰乙酸经转氨反应就可生成天冬氨酸，然后天冬氨 酸再经天冬酰胺合成酶催化即可生成天冬酰胺： 天冬酰胺合成酶催化天冬氨酸生成天冬酰胺，不同生物在形 成天冬酰胺时，其氨基来源不同： 天冬氨酸可以合成赖氨酸，还可转变为甲硫氨酸、苏氨酸， 苏氨酸又可转变为异亮氨酸。此反应过程复杂，主要的中 间产物是β-天冬氨酸半醛，它通过下面的反应形成 β-天冬氨酸半醛经一系列反应，生成α,ε-二氨基庚二酸，通过 脱羧酶催化形成赖氨酸。 3.1.2.4 谷氨酸族（ α-酮戊二酸型） 包括谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸和精氨酸，共同碳架是α-酮 戊二酸，直接生成谷氨酸 谷氨酰胺。谷氨酸还可生成 脯氨酸。谷氨酸先被还原为谷氨酰半醛，需ATP、NAD(P)H 和Mg2+，谷氨酰半醛的γ―酰基和α-氨基自发可逆地形成环 式△′-二氢吡咯-5-羧酸，后者被还原为脯氨酸。 脯氨酸在进入肽链之后被羟基化，形成羟脯氨酸，这个反应 要求氧的参与： 由谷氨酸也可以转变为精氨酸，反应如下： 生成的鸟氨酸经过尿素循环可转变为精氨酸。 谷氨酸族几种氨基酸合成过程关系如下： 3.1.2.5 芳香族氨基酸（ 4-磷酸赤藓糖型） • 碳架：糖酵解的中间产物磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和磷 酸戊糖途径中的4-磷酸赤藓糖 • 包括苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。 3.1.2.6 组氨酸 组氨酸由ATP、磷酸核糖焦磷酸（PRPP）、谷氨酸和谷氨酰 胺合成的。组氨酸分子中各原子来源如下 组氨酸的合成途径，最初是通过微生物的研究得到的。首先 由磷酸核糖焦磷酸（PRPP）与ATP缩合成磷酸核糖ATP （PR-ATP），再进一步转化为咪唑甘油磷酸，然后形成组 氨醇，由组氨醇再转化为组氨酸，反应过程如下 丝 氨 酸 族 丙 氨 酸 族 His 和芳香族 谷氨酸族 天冬氨酸族 3.2 一碳基团的代谢 某些氨基酸在代谢过程中能生成含一个碳原子的基团，经过 转移参与生物合成过程。这些含一个碳原子的基团称为一 碳单位。 有关一碳单位生成和转移的代谢称为一碳单位代谢。一碳基 团的转移除了和许多氨基酸的代谢直接有关外，还参与嘌 呤和胸腺嘧啶的生物合成。 -CH=NH 亚氨甲基 H-CO- 甲酰基 -CH2OH 甲醇基 -CH= 次甲基 -CH2- 亚甲基 -CH3 甲基 3.2.1 一碳单位代谢的辅酶 一碳单位不能游离存在，通常与四氢叶酸(FH4)结合而转运或 参加生物代谢，FH4是一碳单位代谢的辅酶。 3.2.2 一碳单位的来源及转换 一碳单位主要来源于丝氨酸，在丝氨酸羟甲基转移酶催化为 甘氨酸过程中产生的N5，N10-甲烯-FH4；甘氨酸在甘氨酸合 成酶催化下可分解为CO2，NH4+和N5,N10-CH2-FH4。此外，苏 氨酸可经相应酶催化转变为丝氨酸。因此亦可产生N5,N10CH2-FH4。 在组氨酸转变为谷氨酸过程中由亚胺甲基谷氨酸提供了N5-CH ＝NH-FH4 色氨酸分解能产生甲酸，甲酸可与FH4结合产生N10-CHO-FH4。 一碳单位主要来源于氨基酸代谢 丝氨酸 N5, N10—CH2—FH4 甘氨酸 N5, N10—CH2—FH4 组氨酸 N5—CH=NH—FH4 色氨酸 N10—CHO—FH4 苏、丝 色 组 丝 甘 N-亚氨甲基谷氨酸 乙醛酸 谷 N5-CH=NH FH4 甲酸 蛋 SAM 甘 同型半 胱氨酸 NH3 +2H +2H 5 -H O 2 5 10 10 5 10 N -CHO FH4 N ,N -CH=FH4 N ,N -CH2-FH4 N -CH3 FH4 -2H +H2O 嘌呤(C2) 嘌呤(C8) 胸腺嘧啶(-CH3) 一碳基团的来源与转变 S-腺苷蛋氨酸 参与 甲基化反应 N5-CH2-FH4 NAD+ NDAH+H+ 丝氨酸 FH4 N5 N10 - CH2-FH4 NAD+ NDAH+H+ 组氨酸 苷氨酸 FH4 H+ FH4 为胸腺嘧啶合 成提供甲基 N5 ， N10 -CH2-FH4脱氢酶 N5， N10 = CH-FH4 H2O HCOOH N5 ,N10 -CH2-FH4还原酶 参与嘌呤合成 环水化酶 N10 -CHO-FH4 参与嘌呤合成 S-腺苷蛋氨酸是活泼的甲基供体, 因此四氢叶酸并不是一碳单位的 唯一载体。 3.2.3 一碳单位的功能 • 一碳单位是合成嘌呤和嘧啶的原料 在核酸生物合成中有重要作用。如N5,N10-CH＝FH4直接提供 甲基用子脱氧核苷酸dUMP向dTMP的转化。N10-CHO-FH4和 N5,N10-CH=FH4分别参与嘌呤碱中C2，C3原子的生成。 • SAM提供甲基可参与体内多种物质合成 例如合成肾上腺素、胆碱、胆酸等。 一碳单位代谢将氨基酸代谢与核苷酸及一些重要物质的生物 合成联系起来。 一碳单位代谢的障碍可造成某些病理情况，如巨幼红细胞贫 血等。磺胺药及某抗癌药(氨甲喋呤等)正是分别通过干扰 细菌及瘤细胞的叶酸、四氢叶酸合成，进而影响核酸合成 而发挥药理作用的。 3.3 由氨基酸衍生的其他化合物 生物体内，氨基酸不仅是合成蛋白质的原料，而且还 是合成其他含氮化合物，包括核苷酸、脂类、激素 的原料。氨基酸衍生的含氮化合物在生物体内都起 着重要作用。 3.3.1 多胺 多胺(po1yamine)是生物体在代谢过程中产生的具有生物活 性的低分子量的脂肪含氮碱，广泛分布在高等植物中。 在细胞分裂旺盛的组织，多胺生物合成最活跃，多胺对 各种不良环境十分敏感。 多胺的作用 ①多胺的积累可增加细胞间渗透物质浓度，调节水分丢失； ②腐胺可作为细胞pH缓冲剂，可能有助于H+或其它阳离子通 过质膜； ③多胺可抑制RNase和蛋白酶活性，能保护质膜和原生质免 于自发的或外界伤害引起的分解破坏。 3.3.2 生氰糖苷 生氰糖苷是植物特有的含N化合物，它是-羟基腈的碳水化 合物的衍生物，也叫氰醇的糖苷。 R1 和R2 可以是脂肪族或芳香 族的取代基或H。 绝大多数生氰糖苷的糖基是 葡萄糖。 生氰糖苷可根据R基团来源的氨基酸进行分类，除了糖苷 配基为环戊烯的生氰糖苷外，其余生氰糖苷的糖苷配 基都来自5种氨基酸，即L-苯丙氨酸、L-酪氨酸、L-缬氨 酸、L-异亮氨酸和L-亮氨酸。许多植物都能合成产生氢 氰酸的生氰糖苷。由于这种生氰糖苷和能催化它们水 解的酶在空间上被分隔开来，所以，对植物并无毒害 作用。 3.3.3 生物碱 生物碱(alkaloid)是一类碱性的植物次生代谢产物，很多有药 理作用。 具有含氮杂环的生物碱称为真生物碱，没有含氮杂环的生 物碱称为原生物碱。 绝大多数生物碱的合成前体是氨基酸，如：Asp、Lys、Phe、 Tyr、Trp、His等。 罂粟碱的生物合成从苯丙氨酸开始。 罂粟碱合 成途径中 的中间产 物网状菌 素 吲哚生物碱生物合成前体是色氨酸。 植物体内的生物碱能作为防止它种生物危害的保护剂或威慑 剂，从而具有重要的生态学功能。生物碱除了具有生态学 功能外还具有某些生理功能。 ① 作为生长调节剂，特别是作为种子萌发的抑制剂； ② 由于生物碱大都具有螯合能力，在细胞内可帮助维持离子 平衡； ③ 生物碱能作为植物的含氮分泌物； ④ 作为植物体内贮存氮的化合物。 有些生物碱还有其特殊的生理功能。 3.3.4 由氨基酸衍生的植物激素和动物激素 植物体内由氨基酸衍生的植物激素主要是生长素类和乙烯。 高等植物中有2种不同的途径合成IAA，前体分子都是色氨 酸。例如，色氨酸先脱羧生成色胺，再氧化脱氨生成吲 哚-3-乙醛，后者氧化即生成IAA。色氨酸也可先脱氨，然 后脱羧，再氧化生成IAA。 乙烯是化学结构最简单的一种植物激素。广泛存在于多种植物 中，特别是在正成熟的果实组织中更多；它的生物合成的直 接前体是1-氨基环丙烷基羧酸(ACC)，而ACC又来自S-腺苷甲 硫氨酸(SAM)。 高等动物激素多数为多肽和蛋白质类，但有一些由氨基酸衍生 来，如肾上腺素由酪氨酸衍生来，甲状腺素为含碘氨基酸， 甾醇类激素除来自脂肪酸外也可来自亮氨酸。 3.3.5 由氨基酸衍生的辅酶 生物体内的许多辅酶或辅基都具有核苷酸和含氮杂环的分 子结构。这些核苷酸和含氮杂环又大都由氨基酸衍生或 作为前体物质合成。如NAD、NADP分子中的烟酸来自色 氨酸，而腺嘌呤则来自Gly、Glu、Asp。 辅酶A的生物合成需要腺苷酸(由三种氨基酸作为前体合成)、 泛酸、巯基乙胺和磷酸，其中泛酸部分由Val、Asp、Cys 作为合成前体。 参与一碳基团代谢的辅酶四氢叶酸，分子中含有谷氨酸、 FAD和FMN分子中的异咯嗪环，其形成也需要氨基酸提供 碳架和氮源。 3.3.6 卟啉类色素的生成 生物体内重要的卟啉衍生物是与铁或镁螯合形成的金属卟 啉。 铁卟啉类色素生物合成的前体物质是甘氨酸和琥珀酰辅酶 A。而镁卟啉类合成的前体是谷氨酸。 3.3.7 木质素的生物合成 木质素(lignin)是一类化合物的集合名称，并不是一种特定的 物质。木质素的相对分子质量变化范围很大，上限超过 1000。 植物体通过光合作用固定CO2形成的碳水化合物中，有很大 一部分转化成了木质素。估计光合作用贮存在植物体内 的化学能约有40％是以木质素的形式存在。 木质素的形成包括了一系列酶促反应。由于这种聚合过程不是 酶促反应，各种游离基的聚合又是随机的，这就使得木质素 分子的结构非常复杂。 3.3.8 儿茶酚类和黑色素 植物体内的酚类化合物包括简单的酚、酚酸、酚丙烷、 丹宁、木脂素、黑色素类和木质素。常见的酚有对羟 基醌、儿茶酚、间苯三酚等。 漆酚(urushiol)也是儿茶酚的衍生物，它是漆树属植物常春 藤的毒性成分。 植物体内简单的酚类化合物常与糖基形成糖苷，因此，比较 常见的是它们的糖苷化合物。 动物体内的黑素，一般称为真黑素，因为动物黑素含有氮， 而植物体的儿茶酚黑素不含氮。动物黑素是由酪氨酸的衍 生物吲哚-5,6-醌聚合形成的。