氨基酸，核苷酸及相关分子的生物合成
PART 1. 氨基酸及相关生物分子的合成
氨代谢概述
氮气通过固氮作用变成氨
20种氨基酸的生物合成
其他由氨基酸衍生的生物分子的合成
氮循环
氮可通过固氮酶复合物来固定
?固氮作用：在固氮生物中将氮气转化为氨
?Cyanobacteria (蓝绿藻, photosynthetic)
?rhizobia (根瘤菌, symbiont 共生生物)
?硝化作用：进入土壤的氨被氧化成为硝酸盐而获得能量的过程。
?反硝化作用：细菌通过在厌氧条件下将硝酸盐转化为氮气来实现固定的氮和大气中的氮的平衡的过程。
?固氮复合酶的关键成分是二固氮酶还原酶和二固氮酶。固氮是通过一个具有高度还原状态的二固氮酶催化及摄
取8个电子而实现的，其中6个电子用于还原氮气，2个电子用于产生1分子的氢气。且要求还原酶水解ATP 用于还原二固氮酶。固氮过程中ATP起着催化作用而不是发挥热动力学效应。
氨通过谷氨酸和谷氨酰胺渗入到生物分子中
谷氨酸通过转氨作用为其他大多数氨基酸提供氨基，谷氨酰胺中的酰胺氮也是大多数生物合成中氨基的来源。?将氨根离子吸收进谷氨酸的最重要的两个途径：
?首先是谷氨酸和氨离子在谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase）催化下合成谷氨酰胺的反应。
?在细菌和植物中，由谷氨酰胺经谷氨酸合酶（glutamate synthase）催化反应得到。
谷氨酰胺合成酶是氨代谢中一个主要的调控点
?这种酶含有12个相同亚基，并且可以通过别构作用（allosterically）和共价修饰（covalent）进行修饰。
?谷氨酰胺合成酶的别构调节
?这酶受至少八种别构因子的累积性抑制，多数是谷氨酰胺代谢反应的产物。
?谷氨酰胺合成酶的共价修饰
?细菌中谷氨酰胺合成酶的Tyr残基能可逆的被腺苷酰化，这种共价修饰提高了别构抑制剂的敏感度。
?腺苷酰化酶对变构抑制剂更敏感。
?谷氨酰胺合成酶的AMP基团的添加和去除是被腺苷酰基转移酶（adenylyltransferase，AT）催化的。
?腺苷酰转移酶的活性可通过结合到一种称为P II 的调节蛋白质上而进行调节。
?共价修饰的机制：
?P II 是一种调节蛋白，它的活性是被P II 的一个Tyr残基的尿苷酰化共价修饰所调节的。腺苷酰转移酶复合物（AT）与尿苷酰化的P II 结合可引起谷氨酰胺合成酶去腺苷化，激活谷氨酰胺合成酶活性，而AT与脱尿苷酰化的P II结合则可以引起谷氨酰胺合成酶的腺苷酰化，抑制谷氨酰胺合成酶活性。
?
P II 的尿苷酰化和脱尿苷酰化都是由尿苷酰转移酶(uridylyltransferase)催化的
。 氨基酸的合成
?几种反应在氨基酸和核苷酸的生物合成中担当重要角色，值得注意：?含有辅因子吡哆醛磷酸的酶催化的转氨反应和重排反应
?利用四氢叶酸或S－腺苷甲硫氨酸为辅因子的一碳单位转移反应
?谷氨酰胺中的酰胺氮的转氨基作用：
转移谷氨酰胺的氨基的反应是由谷氨酰胺转酰胺酶催化的。
这种酶有两个结构域，其中一个结合谷氨酰胺，另一个结合作为氨基受体的第二个底物。
谷氨酰胺结合结构域中一个保守的半胱氨酸是公认的亲核基团，能够裂解谷氨酰胺的酰胺键并形成一个共价的谷氨酰－酶中间体。
在该反应中产生的氨停留在活性中心中，并与第二个底物反应产生氨基化产物。
?所有的氨基酸都来源于糖酵解、三羧酸循环和戊糖磷酸途径的中间物。
?氨是通过戊糖和谷氨酰氨进入这些途径
?将这些生物合成途径根据代谢前体分为六类，有：－酮戊二酸，3－磷酸甘油酸，草酰乙酸，丙酮酸，磷酸烯
醇丙酮酸和4－磷酸赤藓糖，5－磷酸核糖
?10种非必需氨基酸有：丙，，半胱，甘，脯，丝，络，天冬氨酸，天冬酰胺，谷氨酸，谷氨酰胺
?10种必需氨基酸：精，组，异亮，亮，甲硫，赖，缬，苯丙，色，苏
氨基酸生物合成受别构调节
?协同抑制：一种酶受到两种或以上调节物的抑制，这些调节物的总体效应不是简单加和。
?连锁调节：酶的多样性避免由于了一种终产物关闭代谢途径的关键步骤而导致同一途径中某个必需的中间产物不能合成。
由氨基酸衍生的生物分子
?氨基酸是很多特殊的生物分子的前体。
?甘氨酸是卟啉的前体
?哺乳动物中的血红素中的卟啉环由4个单吡咯衍生物－胆色素原(8个甘氨酸和8个琥珀酰辅酶A)合成。
?卟啉生物合成的遗传缺陷导致卟啉中间物积累而引起的多种疾病统称为卟啉症。
?血红素降解生成胆色素
?从死亡的脾脏红细胞中释放出来的血红蛋白的铁卟啉降解可得到铁离子和一种开环的四吡咯衍生物胆红素。
?肝功能损伤或胆汁分泌受阻会引起胆红素渗进血液中导致皮肤和眼球发黄，这种病症称为黄疸。
?肌酸和谷胱甘肽的合成需要氨基酸
?肌酸(creatine)
肌酸和磷酸肌酸是能量储存、利用的重要化合物，“能量缓冲器”
肌酸以甘氨酸为骨架，由精氨酸提供脒基，S-腺苷甲硫氨酸供甲基而合成
肝是合成肌酸的主要器官
在肌酸激酶（CPK）催化下，肌酸转变成磷酸肌酸
肌酸和磷酸肌酸代谢终产物是肌酸酐。
?谷胱甘肽（GSH）
通常以高浓度存在于植物，动物和一些细菌中，可被认为是一种氧化还原缓冲剂。
GSH的氧化还原功能也可用于消除正常生长过程和无氧代谢下产生的有毒过氧化物。
GSH来源于甘氨酸，谷氨酸和半胱氨酸。这个三肽是在特殊的酶（不是核糖体）的催化下合成的
谷胱甘肽可能有助于维持蛋白质的巯基处于还原态和血红素处于亚铁状态。
反应由谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase）催化，该酶含有一个酶活性必需的与硒原子共价连接的硒代半胱氨酸（selenocysteine）
?D型氨基酸主要存在于细菌中
D型氨基酸在细菌细胞壁和肽类抗生素结构中具有特殊功能。
D型氨基酸是在以吡哆醛磷酸为辅酶的氨基酸消旋酶（racemases）作用下由L型氨基酸异构化生成的。
氨基酸的消旋作用（racemization）对细菌代谢尤为重要，因此象丙氨酸消旋酶之类的酶分子是药物分子的重要靶点。
氨基酸经脱羧（decarboxylation）生成生物胺
?一些重要的神经递质，如5－羟色胺，γ–羟基丁酸（GABA），去甲肾上腺素，肾上腺素等，都是由氨基酸的脱羧反应得到的。
?脱羧反应
?在氨基酸脱羧酶的催化，体内部分氨基酸可进行脱羧基作用生成相应的胺。
?催化酶：氨基酶脱羧酶（辅酶为磷酸吡哆醛，PLP）
?意义：生成的胺类物质常具有重要的生理功用或药理作用
*胺氧化酶能将胺类物质氧化成醛类或酸类物质，从而避免胺类在体内蓄积。
?重要的神经递质
?γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)：抑制性神经递质，临床上可用Vit B6治疗妊娠呕吐和小儿搐搦.GABAh 合成不足会导致羊角风的发作。
?组胺（Histamine）：是一种很有效的血管舒张剂，也可刺激胃酸分泌。
?5-羟色胺（5-hydroxytryptamine, 5-HT) ：脑内抑制性神经递质，外周组织收缩血管
?牛磺酸(taurine)：胆汁酸的组成成分
?用于DNA组装的多胺来源于甲硫氨酸和鸟氨酸。通过抑制鸟氨酸脱羧酶可抑制非洲睡眠症。
精氨酸是NO的前体。
NO的N来自精氨酸的胍基。
NO的合成是以精氨酸为底物的NADPH依赖型反应，其合成受NO合酶与钙调蛋白的相互作用激发。
小结
1．大气中的氮气在某些特定组织中被还原成氨。
2．氨通过谷氨酸和谷氨酰胺渗入到生物分子中
3．谷氨酰胺转酰胺酶催化转移酰胺基到许多受体分子中。
4．氨基酸大部分来源于糖酵解、三羧酸循环和戊糖磷酸途径的中间物。
5．很多其他的生物分子（包括血红素，肌酸，谷胱苷肽，植物生长激素，神经传递素，多胺和一氧化氮等）都来自于氨基酸。
PART 2. 核苷酸的生物合成和降解
1.嘌呤核苷酸的从头合成
2.嘧啶核苷酸的从头合成
3.核苷单磷酸转变为核苷三磷酸
4.核糖核苷酸是脱氧核糖核苷酸的前体
5.嘌呤和嘧啶的降解
6.嘌呤和嘧啶的补救合成
7．许多化疗药物以核苷酸生物合成过程中的酶作为靶标
总观
?体内合成核苷酸有两种途径：
从头合成途径（De novo synthesis）：从头合成途径的核苷酸合成起始于其代谢前体－氨基酸，核糖－5－磷酸，二氧化碳和氨。
补救途径（Salvage pathways）：再次循环利用核酸分解释放的游离碱基和核苷。
?游离碱基如鸟嘌呤，腺嘌呤，胞嘧啶，胸腺嘧啶和尿嘧啶等不是合成的中间物，即并不是如想象中的那样在碱基合成后再与核糖作用。
?嘌呤环的结构都是在与核糖体（PRPP）结合的条件下每步渗入一个或少数几个原子形成的。
?嘧啶环的结构是先合成乳清酸（orotate），与核糖磷酸结合后再转化为常见的嘧啶核苷酸，进而合成核酸。?脱氧核苷酸是通过还原核苷酸来合成的。
?嘌呤核苷酸从头合成途径起始于PRPP。
?PRPP是由PRPP合成酶催化核糖－5－磷酸的反应合成。
核苷酸的生物合成
?嘌呤核苷酸的从头合成
嘌呤环的原子来自甲酸，二氧化碳，甘氨酸，天冬氨酸和谷氨酰胺。
?在真核细胞中，第1，3，5步反应由一种多功能蛋白催化。在细菌中，这些功能分别由不同的蛋白质执行，在其细胞中也可能存在庞大的非共价复合物。
?IMP是合成嘌呤核苷酸的第一个中间产物。
?催化合成次黄嘌呤核苷酸（IMP）的酶在细胞中是以大的多酶复合物的形式存在的。
?IMP转化成AMP需要从一个来自天冬氨酸的氨基和GTP，转化为GMP需要从一个来自谷氨酰胺的氨基和ATP。
嘌呤核苷酸的生物合成受反馈抑制调节
三个主要的反馈抑制协同调节着整个嘌呤核苷酸合成的从头合成途径：
?第一个反馈抑制调节发生在嘌呤合成途径中所独有的第一步－转移氨基到PRPP形成5－磷酸核糖胺。此酶受到终产物IMP,AMP,和GMP的反馈调节。
?第二个反馈抑制发生在较晚的阶段，GMP在细胞中的积累会抑制由IMP合成XMP的IMP脱氢酶，而不影响AMP 的形成。同样，AMP的累积会抑制合成腺苷琥珀酸的腺苷琥珀酸合酶，而不影响GMP的合成。
?第三个机制是在IMP转化成AMP是需要GTP的参与，而ATP也是从IMP向GMP转化所必需的，这种相互调节使二者的合成达到平衡。
?嘧啶核苷酸来源于天冬氨酸，PRPP和氨甲酰磷酸
嘧啶核苷酸是先形成六元嘧啶环再与核糖－5－磷酸结合。
嘧啶环（pyrimidine nucleotide）的从头合成
嘧啶环的原子来自天冬氨酸，谷氨酰胺，碳酸氢根和PRPP。
?在真核生物中，合成路线的前三中酶－胺甲酰磷酸合成酶II，天冬氨酸转氨甲酰酶和二氢乳氢酸酶－位于同一个三功能蛋白上，这个蛋白别名CAD。
嘧啶核苷酸生物合成受反馈抑制调节
?天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）受嘧啶核苷酸合成途径的终产物CTP的反馈抑制。
?天冬氨酸转氨甲酰酶由6个催化亚基和6个调节亚基组成。催化亚基结合底物分子，别构亚基结合别构抑制剂CTP。
?当CTP没结合在调节亚基时，酶具有最大活性，当CTP逐渐积累并结合于调节亚基时，该酶便发生构象变化。?ATP可阻止CTP诱导产生的酶构象变化。
核苷一磷酸转化为核苷三磷酸
在核苷一磷酸激酶作用下ATP引发合成其他核苷二磷酸，核苷一磷酸激酶对碱基而言是专一性的，但对糖基如
核糖或脱氧核糖来说是非特异性的。
在核苷二磷酸激酶的作用下，核苷二磷酸转化为核苷三磷酸。这种酶对碱基或者糖基而言不是特异的。
核苷酸是脱氧核苷酸的前体
?脱氧核苷酸是由相应的核苷酸通过直接还原D型核糖2位碳原子而形成的。
?这个反应由核糖核苷酸还原酶催化
?核苷二磷酸的D－核糖部分还原为2－脱氧－D核糖时需要提供一对氢原子，由硫氧还蛋白的NADPH提供，也可由谷氧还蛋白（GSH是其还原剂）提供。
胸苷酸从dCDP和dUMP衍生得到。
?dUTP在dUTP酶的催化下转化为dUMP，这个反应必须高效进行以防dUTP的积累，阻止尿苷酸进入DNA的合成中。
?dUMP向dTMP的转化由胸苷酸合酶来催化。氧化态的一碳单位从N5, N10-亚甲基四氢叶酸转移到dUMP，接着被还原为甲基，四氢叶酸被氧化为二氢叶酸。
?由核苷酸还原酶和胸苷酸合酶催化的反应可能是转移RNA到DNA储存遗传信息位点的关键。
嘌呤和嘧啶的降解
?嘌呤降解成尿酸
在许多脊椎动物中尿酸在尿酸氧化酶的作用下进一步降解成尿囊素（allantoin）。
?嘧啶降解产生尿素（urea）
?胸腺嘧啶降解产生琥珀酰辅酶A，进入TCA。
?鸟嘧啶和胞嘧啶的降解产生脂肪酸生物合成前体的丙二酰辅酶A
?在某种程度上，嘧啶的分解代谢对细胞的能量代谢有贡献。
嘌呤和嘧啶碱基通过补救途径循环利用
?腺苷磷酸核糖转移酶（Adenine phosphoribosyltransferase）催化由腺苷和PRPP合成AMP的反应。腺苷脱胺酶缺陷会引起严重的免疫缺陷，T淋巴细胞和B淋巴细胞不能正常发育。
?次黄嘌呤－鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（Hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase，HGPRT）催化合成GMP 和IMP的反应。缺乏次黄嘌呤－鸟嘌呤磷酸核糖转移酶会引发自毁容貌症。
?高浓度的尿酸会引起痛风（gout）
痛风症的主要缓解药物是别嘌呤醇（Allopurinol）
许多化疗药物以核苷酸生物合成过程中的酶为靶标
?第一类例子中包括抑制谷氨酰胺转移酶的抑制剂，它们受谷氨酰胺的类似物重氮丝氨酸（azaserine）和阿西维辛（acivicin）的有效抑制。
?另一种比较有效的化疗试剂氨甲蝶呤（Methotrexate），它是二氢叶酸还原酶的抑制剂。
?其他有效的化疗药物的靶标是胸苷酸合酶和二氢叶酸还原酶，它们是细胞内合成胸苷酸所必需的酶。胸苷酸合酶的抑制剂5－氟尿嘧啶（Fluorouracil）是一种重要的化疗药物。
小结
1．嘌呤核苷酸是由PRPP，谷氨酰胺，谷氨酸，N10-甲酰四氢叶酸，HCO3- 通过从头合成途径合成的。
2．嘧啶核苷酸是由天冬氨酸，谷氨酰胺和碳酸氢根，PRPP合成的
3．从头合成途径受反馈抑制调节
4．脱氧核苷酸是在NDP水平上从核苷得到的。
5．dTMP是由dUMP在腺苷酸转移酶催化下由N5, N10-压甲基四氢叶酸提供一个甲基而成的。
6．嘌呤降解成尿酸，嘧啶降解成TCA中间物/脂肪酸合成前体
7．嘌呤和嘧啶碱基可通过补救途径循环利用
8．许多化疗药物利用核酸合成途径中的酶作为靶标。
万方数据
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氨基酸酯合成方法最新研究进展 作者：尚岩， 王春颖， SHANG Yan， WANG Chun-ying 作者单位：哈尔滨理工大学,化学与环境工程学院,黑龙江,哈尔滨,150040 刊名： 哈尔滨理工大学学报 英文刊名：JOURNAL OF HARBIN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 年，卷(期)：2008,13(2) 被引用次数：6次 参考文献(31条) 1.BRUGGINK A;ROSO E C;DE V E Penicillin Acylase in the Industrial Production of β-Lactam Antibiotics 1998(02) 2.HOUNG Y;WU M L;CHEN S T Kinetic Resolution of Amino Acids Esters Catalyzed by Lipases 1996 3.DANIEL A;WELLINGTON F L Amino Acid Esters as Nutrient Supplements and Methods of Use 2005 4.王炳琴;黎植昌氨基酸酯的制备方法及应用 1995(04) 5.HOWARD Sachs;ERWIN B Benzyl Esters of Glutamic Acid 1953(18) 6.AKOPLA;HIGUCHI C Preparation and Isolation of Mineral Acid Salt of an Amino Acid Methyl Ester 1989 7.RAVINDRA P;PATEL,S P Synthesis of Benzyl Esters of a-Amino Acids 1965(10) 8.思洋;刘乐乐;张廓氨基酸甲乙酯的合成及纯化[期刊论文]-内蒙古医学院学报 2005(01) 9.Boedten;Wihelmus;Hubertus Prosess for Esterification of Amino Acids and Peptides 1998 10.ZHAO H;SANJAY V M Esterification of Amino Acids by Using Ionic Liquid as a Green Catalyst 2003 11.ROGER R Preparation of t-Butyl Esters of Free Amino Acids 1963(05) 12.AKINTOLA A;ABODERIN G R;JOSEPH S Fruton Benzhydryl Esters of Amino Acids in Peptide Synthesis 1965(23) 13.安广杰;王璋;许时婴蛋氨酸烷基酯的合成[期刊论文]-中国食品添加剂 2004(12) 14.RIVERO A S;HEREDIA A O Esterification of Amino Acids and Mono Acids Using Triphosgene[外文期刊] 2001(14) 15.RAMESH C;ANAND V A Mild and Convenient Procedure for the Esterification of Amine Acid[外文期刊] 1998(11) 16.ZANDER N;FRANK R Polystyrylsulfonyl Chloride Resin:an Efficient Solid-supported Condensation Reagent for the Solution Phase Synthesis of Esters[外文期刊] 2001(44) 17.SIEBER P An Improved Method for Anchoring of 9-fluorenylmethoxycarbonyl-Amino Acids to 4-Alkoxybenzyl Alcohol Resins[外文期刊] 1987(49) 18.Blankemeyer-Menge B;NIMTZ M;FRANK,R An Efficient Method for Anchoring Fmoc-anino Acids to Hydroxyl-Functionalised Solid Supports 1990(12) 19.NORBERT Z;JRGEN G;RONALD F Polystyrylsulfonyl-3-nitro-1H-1,2,4-triazolide-resin:a New Solid-supported Reagent for the Esterification of Amino Acids[外文期刊] 2003(35) 20.WEGMAN M A;ELZINGA J M;NEELEMANAND E R;SHELDON A Salt-free Esterification of α-amino Acids catalysed by Zeolite H-USY[外文期刊] 2001(03) 21.KISE H;SHIRATO H Synthesis of Aromatic Amino Acid Ethyl Esters by α-chymotrypsin in Solutions of High Ethanol Concentrations 1985(49)
氨基酸 氨基酸定义 氨基酸（amino acids）：含有氨基和羧基的一类有机化合物的通称。生物功能大分子蛋白质的基本组成单位，是构成动物营养所需蛋白质的基本物质。是含有一个碱性氨基和一个酸性羧基的有机化合物，氨基一般连在α-碳上。 氨基酸的结构通式：构成蛋白质的氨基酸都是一类含有羧基并在与羧基相连的碳原子下连有氨基的有机化合物，目前自然界中尚未发现蛋白质中有氨基和羧基不连在同一个碳原子上的氨基酸。 氨基酸分类 天然的氨基酸现已经发现的有300多种，其中人体所需的氨基酸约有22种，分非必需氨基酸和必需氨基酸（人体无法自身合成）。另有酸性、碱性、中性、杂环分类，是根据其化学性质分类的。 1、必需氨基酸（essential amino acid）：指人体（或其它脊椎动物）不能合成或合成速度远不适应机体的需要，必需由食物蛋白供给，这些氨基酸称为必需氨基酸。共有8种其作用分别是： ①赖氨酸（Lysine ）：促进大脑发育，是肝及胆的组成成分，能促进脂肪代谢，调节松果腺、乳腺、黄体及卵巢，防止细胞退化； ②色氨酸（Tryptophane）：促进胃液及胰液的产生； ③苯丙氨酸（Phenylalanine）：参与消除肾及膀胱功能的损耗； ④蛋氨酸（又叫甲硫氨酸）（Methionine）；参与组成血红蛋白、组织与血清，有促进脾脏、胰脏及淋巴的功能； ⑤苏氨酸（Threonine）：有转变某些氨基酸达到平衡的功能； ⑥异亮氨酸（Isoleucine ）：参与胸腺、脾脏及脑下腺的调节以及代谢；脑下腺属总司令部作用于甲状腺、性腺； ⑦亮氨酸（Leucine ）：作用平衡异亮氨酸； ⑧缬氨酸（Viline）：作用于黄体、乳腺及卵巢。 其理化特性大致有： 1）都是无色结晶。熔点约在230°C以上，大多没有确切的熔点，熔融时分解并放出CO2；都能溶于强酸和强碱溶液中，除胱氨酸、酪氨酸、二碘甲状腺素外，均溶于水；除脯氨酸和羟脯氨酸外，均难溶于乙醇和乙醚。 2）有碱性[二元氨基一元羧酸，例如赖氨酸（lysine）]；酸性[一元氨基二元羧酸，例如谷氨酸（Glutamic acid）]；中性[一元氨基一元羧酸，例如丙氨酸（Alanine）]
10氨基酸生物合成 第十章氨基酸生物合成 10.1氮素循环 10.2生物固氮的生物化学 10.2.1生物固氮的概念 10.2.2固氮生物的类型 10.2.3固氮酶复合物 10.2.4生物固氮所需的条件 10.2.5固氮过程的氢代谢 10.3硝酸还原作用 10.3.1硝酸还原酶 10.3.2亚硝酸还原酶 10.4氨的同化 10.4.1谷氨酸合成 10.4.2氨甲酰磷酸的合成 10.5氨基酸的生物合成 10.5.1氨基酸的合成与转氨基作用 10.5.2各族氨基酸的合成 10.5.3一碳基团代谢 10.5.4 SO2-4还原 第十章氨基酸生物合成 本章提要氮素是组成生物体的重要元素。自然界中的不同氮化物相互转化形成氮素循环。气态氮通过自生和共生微生物将N２还原成NH+4。植物根系吸收硝态氮(NO-3)，通过硝酸还原酶和亚硝酸还原酶将NO-3还原成NH３，再经谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶同化为谷氨酸，后者是各种形态无机氮同化为有机氮的主要形式。谷氨酸与来自碳代谢中间物的各种碳骨架(α-酮酸)之间转氨形成各种氨基酸。 10.1 氮素循环 氮素是生物的必需元素之一。在生命活动中起重要作用的化合物，如蛋白质、核酸、酶、某些激素和维生素、叶绿素和血红素等均含有氮元素。因此，在动、植物和微生物的
生命活动中氮素起着极其重要的作用，整个生物界在生长发育的全部过程中都进行着氮素代谢。 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)。生物界的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。 在地球表面的大气组成中，尽管N2占大约80%，但N2是一稳定的不易发生反应的物质。在氮素循环中，第一步是将N2还原为氨，可由工业固氮和生物固氮完成，自然界中由固氮生物固氮酶完成的分子氮向氨的转化约占总固氮的2/3，由工业合成氨或其他途径合成的氨只有1/3左右。在土壤中含量丰富的硝化细菌进行着氧化氨形成 NO-3的过程，因此土壤中几乎所有氨都转化成了硝酸盐，这个过程称为硝化作用。 植物和微生物可吸收土壤中的NO-3，然后还原形成氨，再经同化作用把无机氮转化为有机氮，这些有机氮化合物又可随食物或饲料进入动物体内，转变为动物体的含氮化合物。各种动植物遗体及排泄物中的有机氮经微生物分解作用，形成无机氮。这样，在生物界，总有机氮和总无机氮形成了一个平衡。
氨基酸 氨基酸（amino acid）：含有氨基和羧基的一类有机化合物的通称。生物功能大分子蛋白质的基本组成单位，是构成动物营养所需蛋白质的基本物质。是含有一个碱性氨基和一个酸性羧基的有机化合物。氨基连在α-碳上的为α-氨基酸。天然氨基酸均为α-氨基酸。 氨基酸的结构通式 α-氨基酸的结构通式： （R是可变基团） 构成蛋白质的氨基酸都是一类含有羧基并在与羧基相连的碳原子下连有氨基的 有机化合物，目前自然界中尚未发现蛋白质中有氨基和羧基不连在同一个碳原子上的氨基酸。 氨基酸的分类 天然的氨基酸现已经发现的有300多种，其中人体所需的氨基酸约有22种，分非必需氨基酸和必需氨基酸（人体无法自身合成）。另有酸性、碱性、中性、杂环分类，是根据其化学性质分类的。 1、必需氨基酸 （essential amino acid）：指人体（或其它脊椎动物）不能合成或合成速度远不适应机体的需要，必需由食物蛋白供给，这些氨基酸称为必需氨基酸。共有10种其作用分别是： ①赖氨酸（Lysine ）：促进大脑发育，是肝及胆的组成成分，能促进脂肪代谢，调节松果腺、乳腺、黄体及卵巢，防止细胞退化； ②色氨酸（Tryptophan）：促进胃液及胰液的产生； ③苯丙氨酸（Phenylalanine）：参与消除肾及膀胱功能的损耗； ④蛋氨酸（又叫甲硫氨酸）（Methionine）；参与组成血红蛋白、组织与血清，有促进脾脏、胰脏及淋巴的功能； ⑤苏氨酸（Threonine）：有转变某些氨基酸达到平衡的功能； ⑥异亮氨酸（Isoleucine ）：参与胸腺、脾脏及脑下腺的调节以及代谢；脑下腺属总司令部作用于甲状腺、性腺； ⑦亮氨酸（Leucine ）：作用平衡异亮氨酸； ⑧缬氨酸（Valine）：作用于黄体、乳腺及卵巢。
氨基酸的生物合成[整理版] 第九章氨基酸的生物合成 第一节氮循环 氮是组成生物体的重要元素。自然界中的不同氮化物相互转化形成氮循环。生物界的氮代谢是自然界氮循环的主要因素。 第一步:固氮作用，将氮气还原为氨。可工业固氮和生物固氮完成，自然界中由固氮生物固氮酶完成的分子氮向氨的转化约占总固氮的三分之二，由工业合成氨或其他途径合成的氨只有三分之一。 第二步:硝化作用，将氨转化为硝酸盐。在土壤中含量丰富的硝化细菌进行着氧化氨形成硝酸盐的过程，因此土壤中几乎所有氨都转化成了硝酸盐。 第三步:成氨作用，将硝态氮转化为氨态氮。植物体所需要的氮除了来自生物固氮外，绝大部分还是来自土壤中的氮，它们通过根系进入植物细胞。然而硝态氮并不能直接被植物体利用来合成各种氨基酸和其他有机氮化物，必须先转变成为氨态氮。 第四步:同化作用，氨经谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶同化为谷氨酸。这些有机氮化合物可随食物或饲料进入动物体内，转变为动物体的含氮化合物。 第五步:分解作用，各种动植物遗体及排泄物中的有机氮经微生物分解作用，形成无机氮。 这样，在生物界，总有机氮和总无机氮形成了一个平衡。 第二节固氮作用 1、大气固氮:闪电和紫外辐射固定氮约占总固氮量的15%。 2、工业固氮:氮气中的氮氮三键十分稳定，1910年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，用铁做催化剂使氢气还
原氮气成氨。约占总固氮量的25%。 3、生物固氮:是微生物、藻类和与高等植物共生的微生物通过自身的固氮酶复合物把分子变成氨的过程。自然界通过生物固氮的量可达每年100亿公斤。约占地球上的固氮量的60%。 固氮生物的类型有自生固氮微生物和共生固氮微生物。前者如鱼腥藻、念球藻，利用光能还原氮气，好气性固氮菌利用化学能固氮;后者如与豆科植物共生固氮的根瘤菌，其专一性强，不同的菌株只能感染一定的植物，形成共生的根瘤。在根瘤中植物为固氮菌提供碳源，而细菌利用植物提供的能源固氮，为植物提供氮源，形成一个很好的互利共生体系。 生物固氮所需条件:一是有充分的ATP供应，二是需要很强的还原剂，三是需要厌氧环境。 第三节氨基酸的生物合成 1、丙氨酸族包括丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸。它们共同碳架来源是糖酵解生成的丙酮酸。 2、丝氨酸族包括丝氨酸、甘氨酸、半胱氨酸。 3、谷氨酸族包括谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸、精氨酸。它们的碳架都是来自三羧酸循环的中间产物ɑ,酮戊二酸。 4、天冬氨酸族包括天冬氨酸、天冬酰胺、赖氨酸、苏氨酸、异亮氨酸和蛋氨酸。它们的碳架都三羧酸循环的中间产物草酰乙酸或延胡索酸。 5、组氨酸和芳香氨基酸族包括组氨酸、酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸。 第四节个别氨基酸的代谢 由于每一个氨基酸的碳链部分的结构不同，因此除上述一般代谢途径外， 尚有其特殊的代谢途径，一般讲，非必需氨基酸较简单，而必需氨基酸较复杂。现分四类加以讨论:一碳单位、含硫氨基酸、支链氨基酸、芳香族氨基酸。 一、碳单位的代谢
甘氨酸的合成方法 应化1001班李清水 0121014450109 甘氨酸是一种重要的氨基酸，它是重要的有机化工产品，世界年产量 6X103kg左右·主要用作制药的原料，如氨基酸制剂，L一多巴，谷胧甘肤，催产素，马尿酸的原料;亦用作合成其它氨基酸的原料，如苯丙氨酸，苏氨酸的原料，用作食品添加剂，如糖精去苦剂，味精增鲜剂等，农药工业中亦可用作除 草剂草甘麟，增甜剂增甘麟的原料. 甘氨酸的工业化生产主要有两种方法，一种是Strecke法，其工艺较成熟，成本低，收率高(70%左右).但该法以KCN为原料，反应中有HCN逸出，因而对 设备和三废处理要求高，另一种是我国工业化生产采用的氯乙酸胺化法.该法对设备和三废处理要求低，但收率低伟。%一6。%)，反应周期长(60一70h)，从 而使生产成本上升，此两种方法各有利弊. 本合成工艺以提高收率，缩短反应周期，采用合理的工艺流程，以减少三 废为目的，对氯乙酸胺化法进行了较大的改进.我们采用的方法是氯乙酸先制成氯乙酸按，然后在高浓度的催化剂乌洛托品存在下，控制反应液pH值，滴加氯乙酸按和氨水，使反应迅速且较完全地进行.此法提高收率达%%(以氯乙酸计)，缩短周期仅需5h，副产物NH4CI回收，溶剂循环使用，从而基本上无三废(见 反应式和工艺流程图). 合成方法: 将0.471kg氯乙酸(纯度>98%)在缓慢搅拌下溶于0.42L氨水(浓度>25%)中，溶解放热可用水冷却.此氯乙酸按溶液酸度应为pH6.5一7.5，备用. 在ZL三颈瓶中，将0.175kg乌洛托品(纯度>99%)溶于0.125L水中，成糊状，中间装搅拌器，两边装滴液漏斗，开动搅拌并升温至内温60℃左右，保持 内温65一70℃.同时滴加氯乙酸按溶液和氨水(浓度>25%)0.38L，反应立即开
氨基酸的制备方法 几乎所有的氨基酸分离纯化工艺均利用了氨基酸在不同的pH值时电荷量不同这一特性。氨基酸的分离纯化方法主要有：沉淀法、离子交换法、萃取法、吸附法、膜分离法及结晶法等。 1、沉淀法 沉淀法是最古老的分离、纯化方法，目前仍广泛应用在工业上和实验室中。它是利用某种沉淀剂使所需要提取的物质在溶液中的溶解度降低而形成沉淀的过程。该方法具有简单、方便、经济和浓缩倍数高的优点。氨基酸工业中常用沉淀法有等电点沉淀法，特殊试剂沉淀法和有机溶剂沉淀法。 1.1利用氨基酸的溶解度分离或等电点沉淀法 在生产中常利用各种氨基酸在水和乙醇等溶剂中溶解度的差异，将氨基酸彼此分离。如胱氨酸和酪氨酸在水中极难溶解，而其它氨基酸则比较易溶；酪氨酸在热水中溶解度大，而胱氨酸则无大差别。根据此性质，即可把它们分离出来，并且互相分开。另外，可以利用氨基酸的两性解离有等电点的性质。由于氨基酸在等电点时溶解度最小，最容易析出沉淀，所以利用溶解度法分离氨基酸时，也常结合等电点沉淀法。 1.2特殊试剂沉淀法 某些氨基酸可以与一些有机或无机化合物结合，形成结晶性衍生物沉淀，利用这种性质向混合氨基酸溶液中加入特定的沉淀剂，使目标氨基酸与沉淀剂沉淀下来，达到与其它氨基酸分离的目的。较为成熟的工艺有：揩氨酸与苯甲醛在碱性和低温条件下，可缩合成溶解度很小的苯亚甲基精氨酸，分离这种沉淀，用盐酸水解除去苯甲醛，即可得精氨酸盐酸盐；亮氨酸与邻一二甲苯一4一磺酸反应，生成亮氨酸的磺酸盐，后者与氨水反应得到亮氨酸；组氨酸与氯化汞作用生成组氨酸汞盐的沉淀，再经处理就可得到组氨酸。 特殊试剂沉淀法虽然操作简单、选择性强，但是由于沉淀剂回收困难，废液排放污染严重，残留沉淀剂的毒性等原因已逐渐被它方法取代。 2、离子交换法 离子交换法是利用不溶性高分子化合物(即离子交换树脂)对不同氨基酸吸附能力的差异对氨基酸混合物进行分组或实现单一成分的分离。离子交换树脂是一种具有离子交换能力的高分子化合物。它不溶于水、酸和碱，也不溶于普通有机溶剂，化学性质稳定。离子交换树脂作为固定相，本身具有正离子或负离子基团，和这些离子相结合的不同离子是可电离的交换基团(或称功能基团)。在离子交换过程中，溶液中的离子自溶液中扩散到交换树脂的表面，然后穿过表面，又扩散到交换树脂颗粒内，这些离子与交换树脂中的离子互相交换，交换出来的离
氨基酸，核苷酸及相关分子的生物合成 PART 1. 氨基酸及相关生物分子的合成 氨代谢概述 氮气通过固氮作用变成氨 20种氨基酸的生物合成 其他由氨基酸衍生的生物分子的合成 氮循环 氮可通过固氮酶复合物来固定 ?固氮作用：在固氮生物中将氮气转化为氨 ?Cyanobacteria (蓝绿藻, photosynthetic) ?rhizobia (根瘤菌, symbiont 共生生物) ?硝化作用：进入土壤的氨被氧化成为硝酸盐而获得能量的过程。 ?反硝化作用：细菌通过在厌氧条件下将硝酸盐转化为氮气来实现固定的氮和大气中的氮的平衡的过程。 ?固氮复合酶的关键成分是二固氮酶还原酶和二固氮酶。固氮是通过一个具有高度还原状态的二固氮酶催化及摄 取8个电子而实现的，其中6个电子用于还原氮气，2个电子用于产生1分子的氢气。且要求还原酶水解ATP 用于还原二固氮酶。固氮过程中ATP起着催化作用而不是发挥热动力学效应。 氨通过谷氨酸和谷氨酰胺渗入到生物分子中 谷氨酸通过转氨作用为其他大多数氨基酸提供氨基，谷氨酰胺中的酰胺氮也是大多数生物合成中氨基的来源。?将氨根离子吸收进谷氨酸的最重要的两个途径： ?首先是谷氨酸和氨离子在谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase）催化下合成谷氨酰胺的反应。 ?在细菌和植物中，由谷氨酰胺经谷氨酸合酶（glutamate synthase）催化反应得到。 谷氨酰胺合成酶是氨代谢中一个主要的调控点 ?这种酶含有12个相同亚基，并且可以通过别构作用（allosterically）和共价修饰（covalent）进行修饰。 ?谷氨酰胺合成酶的别构调节 ?这酶受至少八种别构因子的累积性抑制，多数是谷氨酰胺代谢反应的产物。 ?谷氨酰胺合成酶的共价修饰 ?细菌中谷氨酰胺合成酶的Tyr残基能可逆的被腺苷酰化，这种共价修饰提高了别构抑制剂的敏感度。 ?腺苷酰化酶对变构抑制剂更敏感。 ?谷氨酰胺合成酶的AMP基团的添加和去除是被腺苷酰基转移酶（adenylyltransferase，AT）催化的。 ?腺苷酰转移酶的活性可通过结合到一种称为P II 的调节蛋白质上而进行调节。 ?共价修饰的机制： ?P II 是一种调节蛋白，它的活性是被P II 的一个Tyr残基的尿苷酰化共价修饰所调节的。腺苷酰转移酶复合物（AT）与尿苷酰化的P II 结合可引起谷氨酰胺合成酶去腺苷化，激活谷氨酰胺合成酶活性，而AT与脱尿苷酰化的P II结合则可以引起谷氨酰胺合成酶的腺苷酰化，抑制谷氨酰胺合成酶活性。 ? P II 的尿苷酰化和脱尿苷酰化都是由尿苷酰转移酶(uridylyltransferase)催化的 。 氨基酸的合成 ?几种反应在氨基酸和核苷酸的生物合成中担当重要角色，值得注意：?含有辅因子吡哆醛磷酸的酶催化的转氨反应和重排反应 ?利用四氢叶酸或S－腺苷甲硫氨酸为辅因子的一碳单位转移反应 ?谷氨酰胺中的酰胺氮的转氨基作用： 转移谷氨酰胺的氨基的反应是由谷氨酰胺转酰胺酶催化的。 这种酶有两个结构域，其中一个结合谷氨酰胺，另一个结合作为氨基受体的第二个底物。
氨基酸提取与制备 发布时间:2006/12/20 16:03:00 文章来源:科技文献 氨基酸提取与制备 氨基酸的生产方法有4种：经典的提取法、化学合成法、微生物发酵法和酶法。提取法是最早发展起来的，是生产氨基酸的最基本方法。所谓提取法是指蛋白质或以含有蛋白质的物料为原料，经酸、碱、或酶水解以后提纯氨基酸的方法。早期提取法是建立在溶剂抽提、等电点结晶和沉淀剂分离的基础上。随着离子交换树脂的应用，使氨基酸的分离更为容易，简化了提炼工序，缩短了操作时间，提高了氨基酸收率。提取法的优点是原料来源丰富，投产比较容易，但产量低，成本高，三废较严重。在国外多数氨基酸生产已逐步为微生物发酵法及化学合成法所取代。在目前4种生产方法中，发酵法生产占主导地位。酶拆分法也占相当地位。化学合成法倾向于氨基酸衍生物的制备。提取与分离是氨基酸生产的基本技术。无论何种方法均有分离纯化工序。即提纯也是提高氨基酸质量的关键步骤之一。目前仍有一定数量品种如半胱氨酸、酪氨酸、羟脯氨酸、组氨酸、亮氨酸用提取方法生产，且占主要的地位。对于中国来说，具有丰富动物资源的角、骨、血、蹄、皮、毛发、羽毛及鱼鳞等，有待充分利用。目前已综合利用的有人发、猪血、猪毛、羊毛、丝素丝胶、皮革边料、蚕蛹巢丝、水产品下脚料等。 提取法生产氨基酸主要经过3个步骤。即蛋白质水解、氨基酸提取分离及结晶精制。 氨基酸的生物活性及应用 氨基酸是构成蛋白质的基本单元，也是合成机体抗体，激素和酶的原料，在人体内有特殊的生理功能，是维持生命现象的重要物质。氨基酸以肽键结合而存在于各种功能与结构不同的蛋白质分子中。蛋白质是生命的基础物质，它对机体的生长、维持、防御及生理功能极为重要。 迄今，氨基酸及其衍生物的品种超过100多种。广泛地应用于食品、饲料、化工、农业及医药等方面。氨基酸作为药物在医疗保健事业中是一类占有重要地位和充满希望的分支。 由于人们对氨基酸广泛参与机体正常代谢和许多生理机能的认识不断加深，氨基酸代谢紊乱与疾病的关系以及在防治某些疾病中的重要作用等，愈来愈被人们所瞩目。众所熟知，氨基酸对处于蛋白质—能量营养不良（Protein-Enerey Malnutrition, PEM)状态病人的营养支持，早日康复，降低发病率与死亡率，具有非常重要的意义。目前，随着中国肠外和经肠营养支持疗法的推广应用，氨基酸如同维生素、激素一样，已成为现今临床治疗上不可缺少的药品。 氨基酸作为某些疾病的治疗药物以及作为合成多肽类药物的中间原料，应用也较广泛。至今已能工业生产的多肽类药物有谷胱甘肽（3肽）、促胃液素（5肽）、催产素（9肽）、抗利尿素（9肽）、ACTH（24肽）及降钙素（32肽）等已用于临床。 此外，利用氨基酸与母体药物结合制成的前体药物，近几十年来发展也很快。它们可以改善药物的理化性质和稳定性，改善药物吸收提高血药浓度增进药物疗效，降低副作用与毒性。目前临床上广为应用或正在开发中的这类药物很多。例如阿司匹林赖氨酸或精氨酸、茶碱赖氨酸、硫霉素甘氨酸、甲硝唑氨基酸酯以及非甾体抗炎药物（如消炎痛、布洛芬、酮基布洛芬、萘普生、二氯灭酸、炎痛喜康等）的赖氨酸或精氨酸盐等。 肠外输入纯氨基酸混合液或经口（包括管饲）氨基酸混合物，均可为机体利用。不过，无论经肠或肠外投给的氨基酸制剂，都必须符合营养学的要求，这样才能达到以氨基酸作为合成体蛋白的“构件”的目的，否则必有部分氨基酸作为能源利用，同时增加尿素的排泄。 为达到良好的蛋白质营养，必须同时供应充足而且组成平衡的各种氨基酸与能量，使细胞可以进行各种蛋白质的生物合成。在合成过程中，需要21种氨基酸（其中不包括甲基组氨酸及羟脯氨酸）。就人类营养来讲，其中8种（有称9种）为必须氨基酸（即体内完全不能合成或合成速率不能满足最适生长需要而必须由食物蛋白供给的氨基酸），其他为非必需氨基酸（即体内可从必需氨基酸或其他代谢物转变而成的氨基酸）。近年发现，几种非必需氨基酸在某些情况下也是必需的或必要的。 当摄入一种完全的氨基酸混合物后，肝细胞内的蛋白质合成十分旺盛；如其中缺乏一种必需氨基酸，则合成趋于停止。在肠外营养时，已证实同时输注色氨酸与不含色氨酸的酪蛋白酸水解液，可获得正氮平衡；如将二者分开输注，则为负氮平衡。由引可见，必需氨基酸在蛋白质营养中的重要性。 此外，各个氨基酸之间的相互作用也极其复杂。所谓平衡的氨基酸模式系一种氨基酸组成，其间产生不利的相互作用应为最低。这方面将涉及以下3个问题。
第三节氨基酸的合成代谢一、N的来源 二、氨基酸的合成
三、谷氨酸族氨基酸的合成 四、天冬氨酸族丙氨酸族氨基酸的合成 五丝氨酸族氨基酸的合成
六芳香族氨基酸的合成 第四节蛋白质的生物合成 一遗传密码 遗传密码（genetic code): 是指mRNA中对应于氨基酸的核苷酸序列。 密码子（codon）：mRNA上3个相邻的核苷酸序列作为一个密码单位，称密码子。密码子的阅读方向5ˊ→3ˊ 遗传密码的基本特点： 1. 密码无标点符号 是连续阅读的，若插入或删除一个碱基，会使以后的读码发生错误，称为移码。 2. 一般情况下遗传密码是不重叠的 只有少数基因的遗传密码是重叠的。 3. 密码的简并性 几种密码子编码一种氨基酸的现象称为密码子的简并性。如GGN（GGA、GGU、GGG、GGC）都编码Gly，那么这4种密码子就称为Gly的简并密码。只有Met 和Trp没有简并密码。一般情况下密码子的简并性只涉及第三位碱基。 问题：简并性的生物学意义？ A、可以降低由于遗传密码突变造成的灾难性后果 试想，如果每种氨基酸只有一个密码子，那么剩下的44个密码子都了终止子，如果一旦哪个氨基酸的密码子发生了单碱基的点突变，那么极有可能造成肽链合成的过早终止。如GUU编码Ala，由于简并性的存在，不论第三位的U变成什么，都仍然编码Ala B、可以使DNA上的碱基组成有较达的变化余地，而仍然保持多肽上氨基酸序列不变（意思基本同上）。 4. 密码的摆动性 密码子中第三位碱基与反密码子第一位碱基的配对有时不一定完全遵循A-U、G-C的原则，也就是说密码子的碱基配对只有第一、二位是严谨的，第三位严谨