第31章 氢基酸及女重要铛 生物的生物合成
第31章 氨基酸及其重要衍 生物的生物合成
一、概论 型 (一)氨的来源 6 reduction by some anaerobic bacteria. most plants Amino acids and other reduced synthesis in nitrogen-carbon plants and compounds microorganisms degradation by animals and microorganisms Nitrate Ammonia NO3 3 NH denitrification nitrogen fixation by some bacteria (e.g.,Klebsiella Azotobacter,Rhizobium) nitrification nitrification by soil bacteria by soil bacteria e.g..Nitrobacter) Nitrite (e.g.,Nitrosomonas) NO2
一、概论 （一）氨的来源
Glucose (二)碳骨架的来源 Glucose 6-phosphate Ribose 5- phosphate Histidine Erythrose 4- 3-Phosphoglycerate Serine phosphate Glycine Phosphoenolpyruvate Cysteine Tryptophan Alanine Phenylalanine Pyruvate Valine Tryosine Leucine Oxaloacetate a-Ketoglutarate Aspartate Glutamate Asparagine Methionine Glutamine Threonine Proline LvsIe Arginine Isoleucine
（二）碳骨架的来源
4C0A+ (三)生物固氮 4 pyruvate 4 accCoA Be 8 Ferredoxin or 8 Ferredoxin or 8 flavodoxin 8 flavodoxin (oxidized) (reduced) 8 Dinitrogenase 8 Dinitrogenase reductase reductase (reduced) (oxidized) 16 ATP 16ADP +16P图 8 Dinitrogenase 8 Dinitrogenase reductase (reduced) reductase (oxidized +16ATP +16ATP 红色为固氮菌类菌体，蓝色为类菌 体周膜，黄色和绿色为被感染细胞 Dinitrogenase Dinitrogenase (oxidized) (reduced) 的细胞核。 8e 2NH H2 2H+
（三） 生物固氮 红色为固氮菌类菌体，蓝色为类菌 体周膜，黄色和绿色为被感染细胞 的细胞核
(a】 (b) COOH CHOH-CHOPO COOH HC H.C COOH HOOC F COOH 硝酸盐同化酶结 构域的序列构成 COOH COOH Sequence Organization of the Nitrate Assimilation Enzymes 硝酸盐和亚硝酸盐还原酶 Plant and Fungal Nitrate Reductases 的辅基：(a)硝酸盐还原酶 (~200 kD homodimers） 的钼铺因子，钼的载体为 N-term MoCo/NO hinge cytochrome b hinge FAD NAD(P)H 喋啉衍生物。(b)是卟啉 112 482 542 620 656 787 917 的衍生物，羧基可以作 为氢离子的供体，将亚硝 Plant Nitrite Reductases (63 kD monomers) 酸盐还原为铵盐。 e donor FeS-siroheme/NO 473 518566 Fungal Nitrite Reductases (-250 kD homodimers) FAD NAD(P)H Cys-rich FeS-siroheme/NO2 2660 183 215 496 600 715 763 1176
硝酸盐同化酶结 构域的序列构成 硝酸盐和亚硝酸盐还原酶 的辅基:(a)硝酸盐还原酶 的钼辅因子，钼的载体为 喋啉衍生物。(b)是卟啉 的衍生物， 羧基可以作 为氢离子的供体，将亚硝 酸盐还原为铵盐
6●+6B+N=N+2NH (a) BCys5 BCys153 Very high energy BCys70 of activation NE N 0 BSeriss △G 2NH 打破3个共价键 aCysss Reaction coordinate 需要大量的能量 (b) Homocitrate 从固氨酶发现的两种金属串： (a)P-串，2个FeS3串共用第 四个硫，并以二硫键与蛋白 质相连。(b)FeMo辅因子， 这一新的Fe-S复合物含有l 个Mo,7个Fe和9个S,通过 Mo和Fe与蛋白质相连。 Mo N
从固氮酶发现的两种金属串: (a) P-串,2个Fe4S3串共用第 四个硫，并以二硫键与蛋白 质相连。 (b) FeMo辅因子， 这一新的Fe-S复合物含有1 个Mo，7个Fe和9个S，通过 Mo和Fe与蛋白质相连。 打破3个共价键 需要大量的能量
固氮酶催化的反应 N2+8 H I NADH Reduced Nitrogenase reductase Nitrogenase 8 H2 ferredoxin (Fe-S) (Fe-S.FeMoCo) Pyruvate 16 ATP 16ADP 2NH3 H2 +16P a.固氮酶还原晦 (铁蛋白)的带状图解 左侧为ATP结合部位， 右侧为Fe4S4结合部位。 b.固氨酶还原酶与 固氮酶B二聚体形成 的复合物，固氮酶还原 酶（绿色和黄色）的 Fe4S4中心靠近固氮酶 αB二聚体（红色和蓝 色)， P-串和FeMo辅因 (a) (b) 子位于其中
固氮酶催化的反应 a.固氮酶还原酶 (铁蛋白)的带状图解， 左侧为ATP结合部位， 右侧为Fe4S4 结合部位。 b.固氮酶还原酶与 固氮酶αβ二聚体形成 的复合物，固氮酶还原 酶(绿色和黄色)的 Fe4S4中心靠近固氮酶 αβ二聚体(红色和蓝 色)， P-串和FeMo辅因 子位于其中
nifgene expression (四)固氮反 应的调控 7⊙1 N2+8e-+10Ht Nitrogenase > 2NH H2 16 ATP 16P+16ADP NH2 NAD+ Nicotinamide Active Nitrogenase Nitrogenase reductase Inactive Arg1o ADP- Ribose H,O Arg1or ADP ADP-ribosyl group
(四) 固氮反 应的调控
(五)固氮的基因表达调控 1.自身固氨 克氏杆菌的固氨基因研究的较深入，其固氮基因群除固氮 酶基因nif HDK外，nifE,nifN,nifB和nifQ与FeMocot的加工 或装配有关，nifS及nifU的产物参与FeMoco的加工和装配， nifM的产物参与FeMoco的加工成熟，nifF和nifJ的产物与固 氮酶系的电子传递有关，nif LA是调控基因。 2.共生固氮 根瘤菌的结瘤基因n0dA,B,C是细胞分裂和宿主根毛弯曲 所必需的，核苷酸序列较保守，nod EF,nodG,nodH或nod LMN 参与宿主的选择，与根毛弯曲的位置，细胞分裂的效率和持久 性有关。 固氮基因分为nif基因和fix基因两群，前者与克氏杆菌的 固氨基因相似，后者的功能有待进一步研究。 豆科植物的早期结瘤素基因与根瘤的早期形成有关，晚期 结瘤素基因表达多种酶和一些功能不清的结瘤素
( 五) 固氮的基因表达调控 1.自身固氮 克氏杆菌的固氮基因研究的较深入，其固氮基因群除固氮 酶基因nif HDK外，nif E,nif N,nif B和nif Q与FeMoco的加工 或装配有关， nif S及nif U的产物参与FeMoco的加工和装配， nif M的产物参与FeMoco的加工成熟，nif F和nif J的产物与固 氮酶系的电子传递有关，nif LA是调控基因。 2.共生固氮 根瘤菌的结瘤基因nod A,B,C 是细胞分裂和宿主根毛弯曲 所必需的，核苷酸序列较保守，nod EF,nod G,nod H或nod LMN 参与宿主的选择，与根毛弯曲的位置，细胞分裂的效率和持久 性有关。 固氮基因分为nif基因和fix基因两群，前者与克氏杆菌的 固氮基因相似，后者的功能有待进一步研究。 豆科植物的早期结瘤素基因与根瘤的早期形成有关，晚期 结瘤素基因表达多种酶和一些功能不清的结瘤素
(六)生物固氮的基因工程 1.使非豆科植物转变为固氨作物 (1)将豆科植物的结瘤基因导入其它作物，使其能够感染固 氨菌。 (2)改变根瘤菌的遗传结构，使其能够感染其它作物。 (3)将固氨基因导入非豆科植物。 由于固氮酶复合体对氧的抑制作用十分敏感，消耗大量的 ATP,这一领域还有不少问题要研究解决。 2.提高现有固氮作物的固氮能力 (1)将固氮效率高的根瘤菌固氨基因族导入结瘤能力强的根 瘤菌中。 (2)将外源共生基因导入根瘤菌中，提高其结瘤能力或固氮 能力。 (③)培育抗药的根瘤菌
(六) 生物固氮的基因工程 1.使非豆科植物转变为固氮作物 (1)将豆科植物的结瘤基因导入其它作物，使其能够感染固 氮菌。 (2)改变根瘤菌的遗传结构，使其能够感染其它作物。 (3)将固氮基因导入非豆科植物。 由于固氮酶复合体对氧的抑制作用十分敏感，消耗大量的 ATP，这一领域还有不少问题要研究解决。 2.提高现有固氮作物的固氮能力 (1)将固氮效率高的根瘤菌固氮基因族导入结瘤能力强的根 瘤菌中。 (2)将外源共生基因导入根瘤菌中，提高其结瘤能力或固氮 能力。 (3)培育抗药的根瘤菌