1. 固氮生物的类型：
自生固氮微生物：独立生活时能使气态氮固定为 NH3的少数微生物。 ①利用光能还原氮气
②利用化学能固氮 共生固氮微生物：具有固氮能力的，与植物形成 共生关系的微生物。植物为其提供碳源，其为植 物提供直接氮源。
2.固氮酶复合物
• 生物固氮过程由固氮酶复合物完成。固氮酶复合物 由还原酶（铁蛋白）和固氮酶（钼铁蛋白）组成。
• Glu和Gln中的氮，通过进一步生化反应形成其他 有机含氮化合物。
1.谷氨酰胺，谷氨酸合成
• 生物体内 Glu 主要通过 Gln 合成酶和 Glu 合酶的双酶 途径合成。 Glu脱氢酶存在于所有生物，主要参与 AA的降解代谢。
2.氨甲酰磷酸的合成
• 有2种酶能够催化NH3、CO2、ATP共同作用合成氨甲 酰磷酸。 • 式中的氨来自谷氨酰胺。
甲酰基 甲基 次甲基
CHO CH3 CH=
四氢叶酸（FH4或THFA）
四 氢 叶 酸
H
10 5
H
一碳基团的 来源与转变
S-腺苷蛋氨酸
参与 甲基化反应
N5-CH3-FH4
NAD+
NDAH+H+
N5 ， N10 -CH2-FH4还原酶
丝氨酸
FH4
N5 ，N10
NAD+ NDAH+H+
- CH2-FH4
Val
Leu
2.丝氨酸族氨基酸的合成
• 丝氨酸族氨基酸包括：丝氨酸Ser，甘氨酸Gly，半 胱氨酸Cys。 • 碳架来源是已醛酸或3-磷酸甘油酸PGA。
CH 2 CH COOH H CH COOH OH NH 2 NH 2 Gly
Ser
CH 2 CH COOH SH NH 2
Cys
3.谷氨酸族氨基酸的合成
Met
• 在某些植物体内，也可通过类似于-酮戊二酸的还原性 氨基化反应, 使OAA与谷氨酰胺直接作用, 生成Asp。
在微生物体内，Asn在天冬酰胺合成酶催化下进行。
在某些高等植物中，天冬酰胺合成酶以Gln为氨基供体。
5.组氨酸和芳香族氨基酸的合成
• 包括：组氨酸 His ，酪氨酸 Tyr ，色氨酸 Trp ，苯丙 氨酸Phe。 • 组氨酸碳架主要来自磷酸戊糖途径中间产物核糖 5-磷酸。 • 芳香氨基酸碳架来自磷酸戊糖途径中间产物赤藓糖 -4-磷酸和糖酵解中间产物磷酸烯醇式丙酮酸PEP。 两 者 化 合 后 经 几 步 反 应 生 成 莽 草 酸 (shikimic acid) ，再由莽草酸生成芳香氨基酸和其他多种芳 香族化合物，称为莽草酸途径。
四、氨的同化
• 氮素循环中，生物固氮和硝酸盐还原形成无机态 NH3，进一步NH3便被同化转变成含氮有机物。 • 所 有 生 物 基 本 上 都 通 过 Glu 脱 氢 酶 (glutamate dehydrogenase) 或 Gln 合 成 酶 (glutamin synthetase)催化形成Glu和Gln的方式同化氨。
Asp
H2N C CH 2 O
NH 2 CH COOH
Asn
NH 2
Lys
CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH COOH NH 2 NH 2
CH 3 CH 2 CH COOH OH NH 2
Thr
CH 3 CH 2 CH CH COOH CH 3 NH 2
Ile
CH 3 S CH 2 CH 2 CH COOH NH 2
生 物 固 氮 (biological nitrogen fixation) 是 微生物及藻类通过自身的固氮酶复合物把分子 氮变成氨的过程。 1910 年 Fritz Haber 提出的作用条件在工业氮肥 生产中一直沿用至今。 500℃高温和 30MPa 条件 下,用铁催化使H2还原N2成氨。 N2+3H2＝2NH3 固氮能量耗费大 , 而且污染环境 , 因此大力发展 生物固氮对增加农作物氮肥来源有重大意义。
NH 2 C NH CH 2 CH 2 CH 2 CH COOH NH 2 NH Arg
4.天冬氨酸族氨基酸的合成
• 包括：天冬氨酸Asp，天冬酰胺Asn，赖氨酸Lys， 苏氨酸Thr,异亮氨酸Ile，甲硫氨酸Met。
• 碳架来源是三羧酸循环中的草酰乙酸或延胡索酸。
HOOC CH 2 CH COOH
氨甲酰激酶
氨甲酰磷酸合成酶
五、氨基酸的生物合成
1.丙氨酸族氨基酸的合成
• 丙氨酸族氨基酸包括：丙氨酸Ala，缬氨酸Val， 亮氨酸Leu。 • 碳架来源是糖酵解生成的丙酮酸。
CH 3 CH COOH NH 2
CH 3 CH CH COOH CH 3 NH 2
Ala
CH 3 CH CH 2 CH COOH CH 3 NH 2
第十二章 氨的同化及氨基酸生物合成
基本要求： （1）掌握氨的同化、各族氨基酸的合成 （2）了解一碳基团代谢
教学重点及难点： （1）各族氨基酸的合成
本章内容：
氮素循环 生物固氮 硝酸还原作用 氨的同化 氨基酸的生物合成
一、氮循环
•
•
自然界中的不同氮化物经常发生互相转化，形成 一个氮素循环(nitrogen cycle)。
• 丝氨酸族氨基酸包括：谷氨酸Glu，谷氨酰胺Gln， 脯氨酸Pro，精氨酸Arg。 • 碳架来源是三羧酸循环中的α -酮戊二酸。
HOOC CH 2 CH 2 CH COOH NH 2 H2N C CH 2 CH 2 CH COOH
O NH 2
Glu
Gln
CH 2 CH COOH NH Pro CH 2 CH 2
• 植物只有将吸收的硝态氮转变为氨态氮才能被自 身利用，这一转变过程称成氨作用。该过程是在 硝酸还原酶和亚硝酸还原酶催化下完成的。硝酸 盐的还原，在植物的根和叶内都可以进行，但以 叶内还原为主。
硝酸还原酶是诱导酶 • 当将水稻幼苗培养在含硝酸盐的溶液中时，幼 苗体内便诱导形成硝酸还原酶;若用不含硝酸盐 的培养液时,则幼苗内不含硝酸还原酶。 • 同样在土壤中增施硝酸盐氮肥时，往往测到作 物体内硝酸还原酶的活性增高，作物蛋白质含 量也随之而增加。 • 光照对硝酸还原酶活性有很大影响，酶活性随 光照强度增大而升高，在遮荫或黑暗中则活性 减小,原因在于光合产物的氧化为 NO3还原提供 所需的NADH及还原型铁氧还蛋白(Fdred) 。
生物界氮代谢是自然界氮循环的主要因素。在自 然界氮循环中，还包括工业固氮和大气固氮 ( 如 闪电 ) 等把 N2 转变为氨和硝酸盐的过程。生物固 氮约占总固氮2/3，工业或其他途径占1/3。 土壤中含量丰富硝化细菌氧化氨形成 NO3, 土壤 中几乎所有氨都转化成硝酸盐的过程称为硝化作 用。
•
二、生物固氮
六、一碳单位代谢
• 在代谢过程中，某些化合物可以分解产生具有一 个碳原子的团，称为“一碳基团”或“一碳单 位”。 • 一碳基团转移酶辅酶：四氢叶酸(FH4) • 重要的活化甲基供体：S-腺苷甲硫氨酸(SAM) 常见的一碳基团： 亚氨甲基 CH=NH 羟甲基 CH2OH 亚甲基 CH2
为胸腺嘧啶合 成提供甲基
N5 ， N10 -CH2-FH4脱氢酶
参与嘌呤合成
组氨酸 FH4 甘氨酸
N5， N10 = CH-FH4
H2O H+
环水化酶
参与嘌呤合成
HCOOH
FH4
N10 -CHO-FH4
硫酸盐的还原
生物固氮的总反应为：
N2 + 8e + 16ATP + 16H2O + 8H+ →
2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi
固氮过程共有16个ATP被水解。
三、硝酸还原作用
• 绝大部分植物吸收的氮素来自土壤,主要有硝酸盐 (NO3), 亚硝酸盐 (NO2), 铵盐 (NH4+) 。其中最易 吸收的是硝态氮。