第30-31章、 氨基酸代谢

30.1 生物圈中的氮处于循环中 30.2 许多非必需氨基酸可直接由中间代谢物合成 30.3 细菌和植物合成动物所必需的氨基酸 30.4 氨基酸分解代谢常开始于脱氨作用 30.5 尿素循环将氨转化为尿素 30.6 氨基酸碳骨架的降解会聚在代谢的主要途径 30.7 许多其它生物分子都是由氨基酸衍生的

30.1 生物圈中的氮处于循环中 1、少数生物能够固氮 生物系统氮来自占大气中N2气。分子氮中的两个氮原子通过非常强的三键（键能＝940kJ/mol）紧密结合在一起。从化学角度讲，是极为稳定的键，反应性很差。 1、少数生物能够固氮 将N2还原为氨称之固氮。生物圈中大多数固氮工作都是靠少数几种能够合成复杂固氮酶的微生物和藻类进行的。固氮酶可以催化N2转化为两分子的NH3。固氮酶存在于与许多植物，例如大豆、蚕豆、豌豆、苜蓿和红花草等豆科植物根瘤共生的根瘤菌中。 N2也可以被生活在土壤中特殊细菌和生活在有水环境中的蓝细菌固定。大多数植物需要来自环境中已固定的氮。

例如厌氧菌只有在无氧条件下才能进行固氮，在豆科的根瘤内，豆血红蛋白结合氧并使它的浓度在根瘤菌固氮酶直接作用的环境下保持在非常低的水平。 固氮酶通常是由两个蛋白成分组成的，一个含有铁，另一个含有铁和钼。由于两个金属蛋白对O2高度敏感，与氧接触就会失活。所以在固氮生物内，固氮酶都是与氧隔绝的。 例如厌氧菌只有在无氧条件下才能进行固氮，在豆科的根瘤内，豆血红蛋白结合氧并使它的浓度在根瘤菌固氮酶直接作用的环境下保持在非常低的水平。 在固氮酶的作用下，N2还原为NH3，同时2H＋也被还原为H2。

2 、植物和微生物可以将硝酸盐和亚硝酸盐转化为氨 在闪电时，高压放电催化N2的氧化，N2与大气中的O2反应生成生物可利用的硝酸盐（NO3－）和亚硝酸盐（NO2－），同时随雨水进入土壤。大多数植物和微生物含有硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶，它们催化氮氧化物还原为氨。

某些细菌可以将氨转化为亚硝酸盐，而另外一些细菌可以将亚硝酸盐转化为硝酸盐。硝酸盐的形成称之硝化作用。也还有些细菌可以将硝酸盐还原为亚硝酸盐或N2（去硝化作用）。

3 、谷氨酸脱氢酶催化氨整合到谷氨酸中 氨的pK值为9.2，因此在中性水溶液中，氨主要是以氨离子（NH4＋）形式存在。在植物和动物中，α-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化下还原氨基化形成谷氨酸是一个将氨整合到氨基酸代谢中心途径的最有效的途径。

4、 谷氨酰胺是氨的一个重要载体 谷氨酰胺主要是在肌肉中合成的，然后经循环系统转运到其它组织，例如肝脏和肾脏，减少有毒的NH4＋的循环水平。 另一个对氨的同化作用至关重要的反应是在谷氨酰胺合成酶催化由谷氨酸和氨形成谷氨酰胺的反应。 谷氨酰胺主要是在肌肉中合成的，然后经循环系统转运到其它组织，例如肝脏和肾脏，减少有毒的NH4＋的循环水平。

5 、转氨酶催化α-氨基酸和α-酮酸的可逆相互转换 谷氨酸的氨基在转氨酶的催化下可以转移给许多α-酮酸。

30.2 许多非必需氨基酸可直接由中间代谢物合成

30.3 细菌和植物合成动物所必需的氨基酸 动物所必需的氨基酸的生物合成途径都是根据细菌实验得出的。绝大多数植物也可通过类似途径合成这些氨基酸。

30.4 氨基酸分解代谢常开始于脱氨作用 氨基酸分解代谢常开始于脱氨作用，氨基酸脱氨有几种方式，但其中最主要的脱氨方式是谷氨酸在谷氨酸脱氢酶的催化下氧化为-酮戊二酸和氨，也称之氧化脱氨。谷氨酸的氧化脱氨主要发生在肝脏中的线粒体内。 谷氨酰胺和天冬酰胺的氨基则分别是通过特殊的酶谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶的水解生成氨和相应的二羧酸谷氨酸和天冬氨酸。

30.5 尿素循环将氨转化为尿素 由于氨能渗透过许多生物膜，对细胞来说氨是毒性很强的物质，所以通常细胞内氨的浓度都维持在很低的水平。 不同动物排泄废氮有不同的途径，许多水生动物，例如鱼可以通过鳃直接排氨，排出的氨随时被周围的水冲洗掉。 生活在陆地上的大多数脊椎动物可以将废氮转化为毒性很小的尿素，通过血液转运到肾脏，作为尿的主要成分被排泄掉。 鸟和许多爬行动物可以将过量的氨转化为尿酸排泄掉，尿酸也是鸟、爬行动物和灵长类动物嘌呤核苷酸降解的产物。 对于哺乳动物，尿素的合成几乎都是发生在肝脏中。尿素是称为尿素循环（鸟氨酸循环）的一系列反应的产物。

氨基酸转运和尿素循环

鸟氨酸循环

1、游离的氨被激活形成氨甲酰磷酸 在肝细胞线粒体内由氨甲酰磷酸合成酶I催化的反应中，氨、碳酸氢盐和ATP合成氨甲酰磷酸。氨甲酰磷酸合成酶I是肝线粒体中最丰富的酶之一，占线粒体基质内总蛋白质的20％以上。 首先由碳酸氢盐与ATP的γ-磷酸形成碳酰磷酸，然后氨取代磷酸形成氨甲酸，最后通过第二个ATP分子的γ-磷酸转移形成氨甲酰磷酸。

2、 尿素循环本身是由4步酶促反应组成 （1）尿素循环的第一个反应是发生在线粒体内，在鸟氨酸转氨甲酰酶的催化下，氨甲酰磷酸的氨甲酰基被转移到尿素循环的中间代谢物鸟氨酸分子上，形成瓜氨酸。然后瓜氨酸被转运出线粒体，同时鸟氨酸被转运到线粒体内。

（2）进入胞液的瓜氨酸与天冬氨酸缩合形成精氨琥珀酸， 这个需要ATP的反应是由精氨琥珀酸合成酶催化的 通过这步反应，是将用于尿素合成的第二个氮原子整合到了尿素的前体分子中。首先瓜氨酸的脲基氧取代ATP中的PPi，形成瓜氨酰-AMP，然后脲基氧又被天冬氨酸的氨基取代，释放出AMP，形成精氨琥珀酸。

（3）精氨琥珀酸在精氨琥珀酸裂解酶的催化下裂解为精氨酸和延胡索酸，生成的延胡索酸可以转换为葡萄糖

（4）在尿素循环最后一步反应中，精氨酸酶催化精氨酸的胍基水解生成鸟氨酸和尿素 生成的鸟氨酸又被转运到线粒体内，与氨甲酰磷酸缩合反应开始另一轮尿素循环。

从以上尿素循环可以看出，形成一分子尿素可清除二分子氨和一分子CO2。尿素是中性无毒物质，所以它不仅可消除氨的毒性，还可减少CO2溶于血液所产生的酸性。 生物体在将有毒的氨转换成尿素的过程是消耗能量的，生成氨甲酰磷酸时消耗了2个ATP，而在合成精氨琥珀酸时虽然表面上消耗了一个ATP，但由于生成了AMP和焦磷酸，焦磷酸又水解，实际上是两个高能磷酸键的水解，所以又相当于消耗了两个ATP，因此生成一分子尿素共消耗4个ATP。

生成尿素的5步反应中有2步反应发生在肝细胞的线粒体内，其余3步反应发生在胞浆中。 尿素中的两个氮原子前体是氨和天冬氨酸，而尿素中的碳原子来自于碳酸氢盐，所以尿素合成的总反应可表示如下。 NH3＋HCO3－＋天冬氨酸＋3ATP 尿素＋ 延胡索酸＋2ADP＋2Pi ＋ AMP＋PPi

30.6 氨基酸碳骨架的降解会聚在代谢的主要途径

从图中可以看出，有些氨基酸降解形成柠檬酸循环的中间代谢物，有些转换为丙酮酸，还有些转换为乙酰CoA。所有这些代谢物在可以氧化为CO2和H2O的同时，还存在着另外的代谢命运。 降解为柠檬酸循环中间代谢物的氨基酸可以进入糖异生途径生成葡萄糖，这样的氨基酸称为生糖氨基酸；而那些形成乙酰CoA的氨基酸可以成为脂肪酸或酮体的前体，因此这类氨基酸称为生酮氨基酸；还有的氨基酸降解时既可生成柠檬酸循环中间代谢物，又可生成乙酰CoA，这样的氨基酸称之既生糖又生酮氨基酸。

苯丙氨酸降解 在苯丙氨酸羟化酶作用下转化为酪氨酸。酪氨酸经转氨脱氨、氧化、开环和水化等过程生成乙酰乙酸和延胡索酸。乙酰乙酸是个酮体。所以酪氨酸和苯丙氨酸都是既生糖又生酮氨基酸。 在苯丙氨酸和酪氨酸代谢过程中，由于遗传缺陷会产生代谢疾病。例如苯酮尿症就是由于缺少苯丙氨酸羟化酶造成的，由于缺少这个羟化酶，苯丙氨酸只得经转氨酶催化生成苯丙酮酸，然而苯丙酮酸不能在体内进一步代谢，所以造成苯丙酮酸堆积。此时病人尿中排出大量的苯丙酮酸，称为苯酮尿症。苯丙酮酸堆积，对神经有毒害，智力发育出现障碍。

另外缺乏尿黑酸氧化酶会导致代谢疾病尿黑酸尿。由于缺少尿黑酸氧化酶结果造成尿黑酸大量堆积，随尿排出，尿液在空气中放置时，由于尿黑酸转化为色素，尿液逐渐变黑。所以这种遗传缺陷病由此得名尿黑酸尿。带有这种遗传缺陷的个体会导致关节炎，但现在还不能解释代谢缺陷是如何引起这一现象的。

苯丙氨酸和酪氨酸的降解途径

要点归纳 1. 通过将N2还原成氨（固氮）可将氮引入到生物系统，催化该反应的酶是固氮酶。生物圈中的大多数固氮工作都是靠少数几种能够合成复杂的固氮酶的微生物和藻类进行的。 2. 另一个将氮引入到生物系统的途径出现在植物和微生物中，在硝酸盐还原酶的催化下，硝酸盐还原为亚硝酸盐，然后亚硝酸盐在亚硝酸盐还原酶的催化下还原生成可被所有生物利用的氨。 3. 所有生物可以利用氨，并将他转化为含氮的有机化合物。氨整合到代谢物中有几条途径，谷氨酸脱氢酶可以催化α-酮戊二酸氨基化形成谷氨酸。另一个重要的氨载体是谷氨酰胺，它是在谷氨酰胺合成酶的催化下由谷氨酸和氨形成的。在许多反应中，谷氨酸和谷氨酰胺都是氮的供体。

4. 谷氨酸的氨基可以在可逆的转氨反应中将氨基转移给许多α-酮酸，生成α-酮戊二酸和相应的氨基酸。在可逆的反应中，许多氨基酸又可转换为谷氨酸和天冬氨酸，这两种氨基酸可以将它们的氨基提供给排泄氮的途径。 5. 必需氨基酸是那些生物体自己不能合成或合成的量不能满足生物体需要的氨基酸，这些氨基酸必须要从食物中获得。这些氨基酸一般都是由植物和微生物合成的。非必需氨基酸是那些由生物体自己生产的足以满足生长需要的氨基酸。这些氨基酸大都可以通过短的、不太消耗能量的途径合成。

6. 来自蛋白质降解或食物的氨基酸都可以被分解，而氨基酸的分解代谢通常开始于氧化脱氨，剩下的碳骨架进入碳代谢的中心途径。在哺乳动物中，大多数氮主要是以尿素形式排泄的，尿素是在肝脏中通过尿素循环形成的。尿素中的一个氮来自氨，而另一个氮来自天冬氨酸，尿素中的碳原子来自碳酸氢盐。其中氨是由谷氨酸经谷氨酸脱氢酶催化，或由谷氨酰胺经谷氨酰胺酶催化生成的， 7. 尿素循环的第一步反应是由氨、CO2和ATP形成氨甲酰磷酸，然后氨甲酰磷酸与鸟氨酸缩合形成瓜氨酸，这两步反应都发生在线粒体中。瓜氨酸由线粒体转运到细胞质中，天冬氨酸作为尿素中的第二个氮的供体与瓜氨酸形成精氨琥珀酸，再经水解生成精氨酸，最后精氨酸裂解生成鸟氨酸和尿素，这三步反应发生在细胞质中。

9. 氨基酸碳骨架的降解可以生成丙酮酸、乙酰CoA或柠檬酸循环的中间代谢物。降解为柠檬酸循环中间代谢物的氨基酸可以作为糖异生的前体，称为生糖氨基酸，而形成乙酰CoA的氨基酸对脂肪酸和酮体的形成有贡献，称为生酮氨基酸。而降解生成丙酮酸的那些氨基酸既可以羧化生成草酰乙酸，也可以生成乙酰CoA，所以这样的氨基酸称为生糖生酮氨基酸。 10. 苯酮尿症患者是由于缺少苯丙氨酸羟化酶造成的。 苯丙氨酸不能羟化转化为酪氨酸，只能通过转氨生成苯丙酮酸，苯丙酮酸堆积对神经有伤害，导致智力发育上的障碍。 11. 氨基酸可以转换为许多重要的生物分子，其中包括血红素辅基卟啉、NO、某些激素和神经递质：甘氨酸是卟啉生物合成的前体；信息分子NO是由精氨酸合成的；一些神经递质是由氨基酸脱羧生成的。