第十章蛋白质的酶促降解和氨基酸代谢高等教育生物学_高等教育-生物学.pdf

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1、（1）蛋白酶的种类和专一性 蛋白酶即内肽酶（endopeptidase,水解蛋白质和多肽 形成各种短肽。蛋白酶具有底物专一性，链内部的肽键,不能水解所有肽键,只能对特定 氨肽酶 羧肽酶 Rn CH H2N7 H N XCHZ O Ri C O Rm Ri H N C i I II O|/CH H 胃蛋白酶 胰凝乳 蛋白酶 胰蛋白酶 H、C N I O 枯草杆菌 蛋白酶 R3（疏）/CH、N COOH H 第十章 蛋白质的酶促降解和氨基酸代谢 第一节蛋白质的酶促降解 生物体内的蛋白质是经常处于动态的变化之中，一方面在不断地合成，另一方面又在 不断地分解。例如，当种子萌发时，蛋白质发生强烈的水解，

2、将胚乳或子叶中的储藏蛋白 质分解，形成氨基酸和其他简单含氮化合物，供幼苗形成组织时用。在植物衰老时，蛋白 质的分解亦很强烈，将营养器官的蛋白质分解成含氮化合物，转移到繁殖器官中，供幼胚 及种子的形成之所需。蛋白质的分解对机体生命代谢的意义并不亚于蛋白质的合成。植物体为了进行正常的 生长和发育，为了适应外界条件的变化，必须经常不断地形成具有不同结构与功能的各种 蛋白质。因此，早期合成的蛋白质在完成其功能之后不可避免地要分解，其分解产物将作 为合成新性质蛋白质的原料。蛋白质的分解是在蛋白（水解）酶催化下进行的，蛋白水解酶存在于植物所有的细胞 与组织中。大量蛋白酶已被人们从植物种子、果实的生长器官中

3、分离出来并进行了研究，如番木瓜汁液中的木瓜蛋白酶，菠萝茎和果实中的菠萝蛋白酶，花生种子中的花生仁蛋白 酶，豌豆种子中的豌豆蛋白酶，小麦、大麦、燕麦籽粒中的相应蛋白酶。其中许多酶已制 成结晶。蛋白水解酶可分为内肽酶（肽链内切酶）和端肽酶（肽链端解酶）两大类。图9-1几种蛋白酶的专一性 的肽键发生作用。如木瓜蛋白酶只能作用于由碱性氨基酸以及含脂肪侧链和芳香侧链的氨 基酸所形成的肽键。几种蛋白水解酶的专一性见图 9-1、表 9-1。表9-1几种蛋白酶作用的专一性 酶 对 R 基团的要求 作用部位 胃蛋白酶 Ri,Ri:芳香族氨基酸或其他疏水氨基酸（NH2端及 COOH 端）f 胰凝乳蛋白酶 R1芳香

4、族及其他疏水氨基酸（COOH 端）f 胰蛋白酶 R2：碱性氨基酸（COOH 端）f 枯草杆菌蛋白酶 R3:疏水氨基酸（NH2端）f 木瓜蛋白酶 碱性氨基酸以及含脂肪侧链和芳香侧链的氨基酸 羧肽酶 A Rm:芳香族氨基酸（COOH 端）J羧基末端的肽键 羧肽酶 B Rm：碱性氨基酸（COOH 端）J羧基末端的肽键 氨肽酶 J氨基末端的肽键 二肽酶 要求相邻两个氨基酸上的 G-氨基和 0（-羧基同时存在 蛋白酶按基催化机理又可分为四类见表 9-2。表9-2蛋白酶的种类 编号 名 称 作用特征 例 子 3.4.21 丝氨酸蛋白酶类 活性中心含组氨酸和丝氨酸 胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶、凝血酶 3.4.2

5、2 硫醇蛋白酶类 活性中心含半胱氨酸 木瓜蛋白酶、无花果蛋白酶、菠萝蛋白酶 3.4.23 羧基（酸性）蛋白酶类 最适 pH 值在 5 以下 胃蛋白酶、凝乳酶 3424 金属蛋白酶类 含有催化活性所必需的金属 枯草杆菌中性蛋白酶、脊椎动物胶原酶 表 9-2中所列的木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶及无花果蛋白酶的活性中心均含有半胱氨酸，因此能被 HCN，H2S、半胱氨酸等还原剂所活化，而被 HQ2等氧化剂及重金属离子所抑 制。其余蛋白酶存在于大豆、菜豆、大麻、玉米、高粱的种子中。这些酶的性质与广泛分 布的动物蛋白酶一一胰蛋白酶和胃蛋白酶等有很多共同之处。（2）肽酶的种类和专一性 端肽酶又称为肽酶（exope

6、ptidase,从肽链的一端开 始水解，将氨基酸一个一个地从多肽链上切下来。肽酶根据其作用性质不同可分为氨肽酶、羧肽酶和二肽酶。氨肽酶从肽链的氨基末端开始水解肽链；羧肽酶从肽链的羧基末端开始 水解肽链（见表 9-1、图9-1）;二肽酶的底物为二肽，将二肽水解成单个氨基酸。肽酶又 可分为六类，见表 9-3。表9-3肽酶的种类 编号 名 称 作用特征 反 应 3.4.11 a-氨酰肽水解酶类 作用于肽链的氨基末端（N末端）,生成 氨基酸 氨酰肽+HQT氨基酸+肽 3.4.13 二肽水解酶类 水解二肽 二肽+出 0 一 2 氨基酸 酶不能水解所有肽键只能对特定羧肽酶胃蛋白酶芳香族氨基酸或其他疏水氨基

7、酸端及端胰凝乳蛋白酶芳香族及其他疏水氨基酸端胰蛋白酶枯草杆菌蛋白酶木瓜蛋白酶碱性氨基酸端疏水氨基酸端碱性氨基酸以及含脂肪侧链和芳香侧链键要求相邻两个氨基酸上的氨基和羧基同时存在蛋白酶按基催化机理又可分为四类见表表蛋白酶的种类编号名称作用特征例子丝氨酸蛋白酶类活性中心含组氨酸和丝氨酸胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶凝血酶硫醇蛋白酶类活性中心含半胱氨性所必需的金属枯草杆菌中性蛋白酶脊椎动物胶原酶表中所列的木瓜蛋白酶菠萝蛋白酶及无花果蛋白酶的活性中心均含有半胱氨酸因此能被半胱氨酸等还原所活化而被等氧化及重金属离子所抑制其余蛋白酶存在于大豆菜豆大麻玉米RC 0 COOH+NH3 3.4.14 二肽基肽水解酶类 作

8、用于多肽链的氨基末端（N-末端），生 成二肽 二肽基多肽+H2CI二肽+多肽 3.4.15 肽基二肽水解酶类 作用于多肽链的羧基末端（C-末端）,生 成二肽 多肽基二肽+H 2。多肽+二肽 3416 丝氨酸羧肽酶类 作用于多肽链的羧基末端生成氨基酸 肽基-L-氨基酸+H2C肽+L-氨基酸 3.4.17 金属羧肽酶类 作用于多肽链的羧基末端生成氨基酸 肽基-L-氨基酸+HQ-肽+L-氨基酸 3 蛋白质的酶促降解 在 内 肽 酶、羧 肽 酶、氨 肽 酶 与 二 肽 酶 的 共 同 作 用 下，蛋 白 质 水解成蛋白眎、胨、多肽，最后完全分解成氨基酸，即 蛋白质一内肽酶一；眎、胨、一内肽酶一；多肽一

9、端肽酶一；氨基酸 这些氨基酸可以转移到蛋白质合成的地方用作合成新蛋白质的原料，也可以经脱氨作 用形成氨和有机酸，或参加其他反应。第二节氨基酸的分解与转化 氨基酸的分解反应包括脱氨基作用、脱羧作用与羟基化作用等。、脱氨基作用 高等植物的脱氨基作用在发芽的种子、幼龄植物及正发育的组织中最为强烈。脱氨基 作用是氨基酸分解的最重要的一步，包括氧化脱氨基、非氧化脱氨基、转氨基、联合脱氨 基、脱酰胺基等作用。（1）氧化脱氨基（oxidative deamination）氧化脱氨基是高等植物最基本的脱氨基方 式，氨基酸脱去:-氨基后转变成相应的酮酸：RCH-COOH+1/20 2 NH2 禾本科、豆科作物幼

10、苗及马铃薯块茎中，主要是二羧基氨基酸（天冬氨酸和谷氨酸）的氧化脱氨。如谷氨酸在谷氨酸脱氢酶的催化下，氧化脱氨生成：一酮戊二酸：酶不能水解所有肽键只能对特定羧肽酶胃蛋白酶芳香族氨基酸或其他疏水氨基酸端及端胰凝乳蛋白酶芳香族及其他疏水氨基酸端胰蛋白酶枯草杆菌蛋白酶木瓜蛋白酶碱性氨基酸端疏水氨基酸端碱性氨基酸以及含脂肪侧链和芳香侧链键要求相邻两个氨基酸上的氨基和羧基同时存在蛋白酶按基催化机理又可分为四类见表表蛋白酶的种类编号名称作用特征例子丝氨酸蛋白酶类活性中心含组氨酸和丝氨酸胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶凝血酶硫醇蛋白酶类活性中心含半胱氨性所必需的金属枯草杆菌中性蛋白酶脊椎动物胶原酶表中所列的木瓜蛋白酶菠萝

11、蛋白酶及无花果蛋白酶的活性中心均含有半胱氨酸因此能被半胱氨酸等还原所活化而被等氧化及重金属离子所抑制其余蛋白酶存在于大豆菜豆大麻玉米COOH CHNH2 CH2+NADP+H2O CH2 I COOH 谷氨酸 COOH C O CH2+NADPH+NH3 CH2 COOH a酮戊二酸 谷氨酸脱氢酶分布很广，在动植物、微生物中都存在，广泛存在于高等植物的种子、根、胚轴、叶片等组织中。(2)非氧化脱氨基(non oxidative deami nati on)非氧化脱氨基也包括多种方式。直接脱氨基 的：是在氨基酸氨基裂解酶和辅助因子磷酸吡哆醛(PLP基)的催化下进行 H2N CH CH2 COOH

12、 CH I COOH 天冬氨酸 延胡索酸 天冬氨酸在天冬氨酸氨基裂解酶的催化下，裂解成延胡索酸和氨。脱水酶脱氨基脱水酶只作用于含有一个羟基的氨基酸，如 L-丝氨酸在丝氨酸脱水酶(serine dehydratase作用下发生脱氨：COOH I H2N 一 C-H CH2OH L-丝氨酸 COOH I+H2。-1 C O+NH3 CH3 丙酮酸 此酶以磷酸吡哆醛为辅酶，催化丝氨酸脱氨后发生分子内重排，生成丙酮酸。解氨酶可催化氨基酸的非氧化脱氨反应，如苯丙氨酸解氨酶(Phe nylala nine ammo nia COOH 氨基酸氨基袭解酶 COOH I CH+NH3 酶不能水解所有肽键只能对特

13、定羧肽酶胃蛋白酶芳香族氨基酸或其他疏水氨基酸端及端胰凝乳蛋白酶芳香族及其他疏水氨基酸端胰蛋白酶枯草杆菌蛋白酶木瓜蛋白酶碱性氨基酸端疏水氨基酸端碱性氨基酸以及含脂肪侧链和芳香侧链键要求相邻两个氨基酸上的氨基和羧基同时存在蛋白酶按基催化机理又可分为四类见表表蛋白酶的种类编号名称作用特征例子丝氨酸蛋白酶类活性中心含组氨酸和丝氨酸胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶凝血酶硫醇蛋白酶类活性中心含半胱氨性所必需的金属枯草杆菌中性蛋白酶脊椎动物胶原酶表中所列的木瓜蛋白酶菠萝蛋白酶及无花果蛋白酶的活性中心均含有半胱氨酸因此能被半胱氨酸等还原所活化而被等氧化及重金属离子所抑制其余蛋白酶存在于大豆菜豆大麻玉米lyase,PAL)

14、催化苯丙氨酸和酪氨酸脱氨:COOH+NH3 该酶也催化酪氨酸脱氨基并形成对香豆酸反式异构体:CHNH2 L-苯丙氨酸 CH 反式肉桂酸 酶不能水解所有肽键只能对特定羧肽酶胃蛋白酶芳香族氨基酸或其他疏水氨基酸端及端胰凝乳蛋白酶芳香族及其他疏水氨基酸端胰蛋白酶枯草杆菌蛋白酶木瓜蛋白酶碱性氨基酸端疏水氨基酸端碱性氨基酸以及含脂肪侧链和芳香侧链键要求相邻两个氨基酸上的氨基和羧基同时存在蛋白酶按基催化机理又可分为四类见表表蛋白酶的种类编号名称作用特征例子丝氨酸蛋白酶类活性中心含组氨酸和丝氨酸胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶凝血酶硫醇蛋白酶类活性中心含半胱氨性所必需的金属枯草杆菌中性蛋白酶脊椎动物胶原酶表中所列的木瓜

15、蛋白酶菠萝蛋白酶及无花果蛋白酶的活性中心均含有半胱氨酸因此能被半胱氨酸等还原所活化而被等氧化及重金属离子所抑制其余蛋白酶存在于大豆菜豆大麻玉米R1C 一 COOH+R 1一 C 一 COOH 转氨酶 II O NH 2 a-氨基酸 a-酮酸 转氨酶的辅酶为磷酸吡哆醛或磷酸吡哆胺,Ri C COOH+R 2 C COOH I O NH2 a-氨基酸 a-酮酸 它们起氨基传递体的作用，反应过程如下:H NH2 磷酸吡哆胺 转氨酶的种类很多，广泛分布于动植物及微生物中，因此氨基酸的转氨基作用在生物体内 是极为普遍的。转氨基作用是氨基酸脱氨的一种主要方式，在氨基酸代谢中占有重要的地 位。实验证明，除赖

16、氨酸、苏氨酸外，其余 _：氨基酸都可参与转氨基作用，并各有其特异 的转氨酶。(4)联合脱氨基作用 生物体内 L-氨基酸氧化酶活力不高，而 L-谷氨酸脱氢酶的 活力很高，转氨酶又普遍存在，因此一般认为 L-氨基酸往往不是直接氧化脱去氨基，而是 CH=CH COOH PAL +NH3 OH 反式香豆酸 如在许 在高等植物中存在催化苯丙氨酸和酪氨酸脱氨基形成氨和不饱和芳香酸的酶，多植物中发现有苯丙氨酸解氨酶。(3)转氨基(脱氨)作用(transamination)种:-氨基酸的氨基可以转移到:-酮酸上，而生成相应的:-酮酸和:-氨基酸，这种作用叫转氨基作用，也叫氨基移换作用。催化转氨基反应的酶叫转氨

17、酶，其辅酶为磷酸吡哆醛或磷酸吡哆胺。转氨基作用的简式如 下：CH2CHNH 2 COOH OH 酪氨酸 R?C COOH R2 C COOH I O a-酮酸 2 a-氨基酸 2 酶不能水解所有肽键只能对特定羧肽酶胃蛋白酶芳香族氨基酸或其他疏水氨基酸端及端胰凝乳蛋白酶芳香族及其他疏水氨基酸端胰蛋白酶枯草杆菌蛋白酶木瓜蛋白酶碱性氨基酸端疏水氨基酸端碱性氨基酸以及含脂肪侧链和芳香侧链键要求相邻两个氨基酸上的氨基和羧基同时存在蛋白酶按基催化机理又可分为四类见表表蛋白酶的种类编号名称作用特征例子丝氨酸蛋白酶类活性中心含组氨酸和丝氨酸胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶凝血酶硫醇蛋白酶类活性中心含半胱氨性所必需的金属枯

18、草杆菌中性蛋白酶脊椎动物胶原酶表中所列的木瓜蛋白酶菠萝蛋白酶及无花果蛋白酶的活性中心均含有半胱氨酸因此能被半胱氨酸等还原所活化而被等氧化及重金属离子所抑制其余蛋白酶存在于大豆菜豆大麻玉米R I CH NH2 COOH COOH CH2 CH2 NH3+NADH 2(NADPH 2)R-CHNH2 COOH a-酮酸 转氨酶 COOH 谷氨酸 L-谷氨酸脱氢酶 OOH H2 先与：-酮戊二酸经转氨作用变为相应的酮酸与谷氨酸，谷氨酸再经谷氨酸脱氢酶作用重新 变成：-酮戊二酸，同时放出氨。这种脱氨基作用是转氨基作用和氧化脱氨基作用配合进行 的，所以叫联合脱氨基作用。其反应式如图 9-2。a-氨基酸

19、COOH a-酮戊二酸 COOH CH2 CH2+NAD(NADP)图9-2联合脱氨基反应示意图(5)脱酰胺基作用(deamidation)酰胺也可以在脱酰胺酶(deamidase作用下脱去 酰胺基，而生成氨：CONH2 酶不能水解所有肽键只能对特定羧肽酶胃蛋白酶芳香族氨基酸或其他疏水氨基酸端及端胰凝乳蛋白酶芳香族及其他疏水氨基酸端胰蛋白酶枯草杆菌蛋白酶木瓜蛋白酶碱性氨基酸端疏水氨基酸端碱性氨基酸以及含脂肪侧链和芳香侧链键要求相邻两个氨基酸上的氨基和羧基同时存在蛋白酶按基催化机理又可分为四类见表表蛋白酶的种类编号名称作用特征例子丝氨酸蛋白酶类活性中心含组氨酸和丝氨酸胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶凝血酶硫

20、醇蛋白酶类活性中心含半胱氨性所必需的金属枯草杆菌中性蛋白酶脊椎动物胶原酶表中所列的木瓜蛋白酶菠萝蛋白酶及无花果蛋白酶的活性中心均含有半胱氨酸因此能被半胱氨酸等还原所活化而被等氧化及重金属离子所抑制其余蛋白酶存在于大豆菜豆大麻玉米CH2+H2O 谷氨酰氨酶 CH2+NH3 HNH2 CHNH2 COOH COOH 谷氨酰胺 谷氨酸 二、脱羧基作用 CONH2 COOH CH2+H2O 天冬酰胺酶 CH 2+NH 3 CHNH 2 CHNH2 COOH COOH 天冬酰胺 天冬氨酸 CH2 酶不能水解所有肽键只能对特定羧肽酶胃蛋白酶芳香族氨基酸或其他疏水氨基酸端及端胰凝乳蛋白酶芳香族及其他疏水氨基

21、酸端胰蛋白酶枯草杆菌蛋白酶木瓜蛋白酶碱性氨基酸端疏水氨基酸端碱性氨基酸以及含脂肪侧链和芳香侧链键要求相邻两个氨基酸上的氨基和羧基同时存在蛋白酶按基催化机理又可分为四类见表表蛋白酶的种类编号名称作用特征例子丝氨酸蛋白酶类活性中心含组氨酸和丝氨酸胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶凝血酶硫醇蛋白酶类活性中心含半胱氨性所必需的金属枯草杆菌中性蛋白酶脊椎动物胶原酶表中所列的木瓜蛋白酶菠萝蛋白酶及无花果蛋白酶的活性中心均含有半胱氨酸因此能被半胱氨酸等还原所活化而被等氧化及重金属离子所抑制其余蛋白酶存在于大豆菜豆大麻玉米RCH COOH -卄 R-CH 2+CO2 NH2 天冬氨酸 谷氨酸脱羧后生成丫-氨基丁酸:3-丙氨

22、酸 HOOC CHCH2 NH2 CH2COOH CO2 -CH2 NH2 CH 2 CH2 COOH 谷氨酸 NH 吲哚丙酮酸 吲哚乙醛（1）直接脱羧基作用 氨基酸在脱羧酶（decarboxylase 催化下脱去羧基生成胺。通式如下：NH2 氨基酸脱羧普遍存在于动植物及微生物组织中，其辅酶为磷酸吡哆醛。二羧基氨基酸主要在a-位上脱羧，所生成的产物不是胺，而是另一种新的氨基酸。天冬氨酸脱羧后生成3-丙氨酸：CO2 X HOOC CHCH2COOH -CH CH2一 COOH I I NH2 NH2 Y-氨基丁酸 丫-氨基丁酸与 A酮戊二酸进行转氨反应，生成谷氨酸和琥珀酸半醛，后者被氧化成 琥珀

23、酸后进入三羧酸循环:CH 2 CH 2 CH 2 OHC CH 2 CH?COOH HOOC CH 2 CH2 COOH 琥珀酸半醛 琥珀酸 NH2 COOH Y-氨基丁酸 色氨酸在脱氨和脱羧后转变成植物生长素（吲哚乙酸）：丝氨酸脱羧生成乙醇胺；乙醇胺经甲基化作用生成胆碱:H 色氨酸 COOH NH2 NH COOH CH2CHO H 吲哚乙酸 酶不能水解所有肽键只能对特定羧肽酶胃蛋白酶芳香族氨基酸或其他疏水氨基酸端及端胰凝乳蛋白酶芳香族及其他疏水氨基酸端胰蛋白酶枯草杆菌蛋白酶木瓜蛋白酶碱性氨基酸端疏水氨基酸端碱性氨基酸以及含脂肪侧链和芳香侧链键要求相邻两个氨基酸上的氨基和羧基同时存在蛋白酶按

24、基催化机理又可分为四类见表表蛋白酶的种类编号名称作用特征例子丝氨酸蛋白酶类活性中心含组氨酸和丝氨酸胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶凝血酶硫醇蛋白酶类活性中心含半胱氨性所必需的金属枯草杆菌中性蛋白酶脊椎动物胶原酶表中所列的木瓜蛋白酶菠萝蛋白酶及无花果蛋白酶的活性中心均含有半胱氨酸因此能被半胱氨酸等还原所活化而被等氧化及重金属离子所抑制其余蛋白酶存在于大豆菜豆大麻玉米H2 CH_ OH NH2 丝氨酸 COOH H2 CH2 OH NH2 乙醇胺 CH 3)OH N+(CH3)3 胆碱 CO2 酶不能水解所有肽键只能对特定羧肽酶胃蛋白酶芳香族氨基酸或其他疏水氨基酸端及端胰凝乳蛋白酶芳香族及其他疏水氨基酸端胰蛋

25、白酶枯草杆菌蛋白酶木瓜蛋白酶碱性氨基酸端疏水氨基酸端碱性氨基酸以及含脂肪侧链和芳香侧链键要求相邻两个氨基酸上的氨基和羧基同时存在蛋白酶按基催化机理又可分为四类见表表蛋白酶的种类编号名称作用特征例子丝氨酸蛋白酶类活性中心含组氨酸和丝氨酸胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶凝血酶硫醇蛋白酶类活性中心含半胱氨性所必需的金属枯草杆菌中性蛋白酶脊椎动物胶原酶表中所列的木瓜蛋白酶菠萝蛋白酶及无花果蛋白酶的活性中心均含有半胱氨酸因此能被半胱氨酸等还原所活化而被等氧化及重金属离子所抑制其余蛋白酶存在于大豆菜豆大麻玉米RCH2NH2 胺+。2+H2 O RCHO 胺氧化酶 醛+1/2O2 醛脱氢酶 RCOOH 酸 B-氧化 亦

26、 CO 2+H 2。TCA 环 乙醇胺和胆碱分别是脑磷脂和卵磷脂的成分。某些胺的氨基酸前体见表 9-4。这些胺类在植物体内进一步转化所形成的产物都具有一定的生理作用。胺可经氨氧化 酶氧化成醛和氨；醛经脱氢酶作用氧化成脂肪酸；脂肪酸经!：；-氧化生成乙酰辅酶 A而进入 三羧酸循环彻底氧化:(2)羟化脱羟基作用(hydroxylation)酪氨酸在酪氨酸酶(tyrosinase)催化下发生 羟化而生成 3,4-二羟苯丙氨酸，简称多巴，后者可脱羧生成 3,4-二羟苯乙胺，简称多巴 胺：酶不能水解所有肽键只能对特定羧肽酶胃蛋白酶芳香族氨基酸或其他疏水氨基酸端及端胰凝乳蛋白酶芳香族及其他疏水氨基酸端胰蛋

27、白酶枯草杆菌蛋白酶木瓜蛋白酶碱性氨基酸端疏水氨基酸端碱性氨基酸以及含脂肪侧链和芳香侧链键要求相邻两个氨基酸上的氨基和羧基同时存在蛋白酶按基催化机理又可分为四类见表表蛋白酶的种类编号名称作用特征例子丝氨酸蛋白酶类活性中心含组氨酸和丝氨酸胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶凝血酶硫醇蛋白酶类活性中心含半胱氨性所必需的金属枯草杆菌中性蛋白酶脊椎动物胶原酶表中所列的木瓜蛋白酶菠萝蛋白酶及无花果蛋白酶的活性中心均含有半胱氨酸因此能被半胱氨酸等还原所活化而被等氧化及重金属离子所抑制其余蛋白酶存在于大豆菜豆大麻玉米 多巴进一步氧化聚合成黑素。马铃薯、苹果、梨等切开后由于形成黑素而变黑。人的 表皮及毛囊有形成黑素的细胞，使皮

28、肤及毛发呈黑色；在植物体内，由多巴和多巴胺可以 生成生物碱；在动物体内可生成激素一一去甲肾上腺素和肾上腺素。、氨基酸分解产物的去向 氨基酸经过脱氨、脱羧作用所生成的:-酮酸、氨、胺和 C02,将进一步参加代谢或排 出体外。(1)尿素的形成和尿素循环 氨基酸脱氨产生的游离氨，对植物组织是有毒害作 用的，因此必须将氨转变为无毒的含氨化合物，以消除氨的毒害。高等植物均具有保留氨 并重新利用氨的能力。植物可以通过尿素循环，将游离氨转变为尿素，其反应如下：尿素循环 2NH3+C02+3ATP+2H 20 CO(NH2)2+3ADP+3H3PO4 尿素 尿素循环是消除植物体内过量氨毒害的重要途径，也是储备

29、氮的主要形式。尿素循环见图 9-3。NH3+C02+2ATP 图 9-3尿素循环 当需要时，尿素可经脲酶水解放出氨，以供合成各种含氮化合物:NH2/脲酶 C=0+H20 C02+2NH3 NH2 尿素 CH2 OH 酪氨酸 CH-NH2 H 2 CH CH2 NH2 尿素 酶不能水解所有肽键只能对特定羧肽酶胃蛋白酶芳香族氨基酸或其他疏水氨基酸端及端胰凝乳蛋白酶芳香族及其他疏水氨基酸端胰蛋白酶枯草杆菌蛋白酶木瓜蛋白酶碱性氨基酸端疏水氨基酸端碱性氨基酸以及含脂肪侧链和芳香侧链键要求相邻两个氨基酸上的氨基和羧基同时存在蛋白酶按基催化机理又可分为四类见表表蛋白酶的种类编号名称作用特征例子丝氨酸蛋白酶类

30、活性中心含组氨酸和丝氨酸胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶凝血酶硫醇蛋白酶类活性中心含半胱氨性所必需的金属枯草杆菌中性蛋白酶脊椎动物胶原酶表中所列的木瓜蛋白酶菠萝蛋白酶及无花果蛋白酶的活性中心均含有半胱氨酸因此能被半胱氨酸等还原所活化而被等氧化及重金属离子所抑制其余蛋白酶存在于大豆菜豆大麻玉米Mg2+NH3+CO2+ATP-0 H2N C0帀+ADP(2)合成其他含氮化合物 植物可将游离氨转变成氨基酸、酰胺、有机酸铵盐及氨 甲酰磷酸等含氮化合物，以消除氨的毒害和储存以备再度利用。如果植物组织中含有足够的碳水化合物，氨可与碳水化合物转化的酮酸进行氨基化反 应，重新生成氨基酸。在植物体中，消除氨的毒害作用的途径

31、主要是生成酰胺化合物。天冬酰胺和谷氨酰胺 是动植物共有的储氮形式。当体内酮酸增多时，再经转氨作用放出氨，生成氨基酸。有些植物组织中含有大量的有机酸，如秋海棠、酸模、大黄等含有柠檬酸、草酰乙酸、苹果酸等，氨便与有机酸形成有机酸的铵盐。氨与 C02(来自三羧酸循环)在 ATP参与下，经酶催化形成氨基甲酰磷酸：氨甲酰磷酸是合成嘧啶、瓜氨酸、精氨酸和尿素的主要代谢物，也是植物和微生物保 存氮的重要方式。(3)氨基酸碳架的氧化 氨基酸脱氨后余下的碳架要进一步转化，最后生成各种有 机酸。各种氨基酸的代谢产物列于表 9-5中。表9-5 氨基酸代谢的终产物 氨 基 酸 终 产 物 丙氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、胱

32、氨酸、甘氨酸、苏氨酸 丙酮酸 亮氨酸 乙酰辅酶 A 苯丙氨酸、酪氨酸、亮氨酸、赖氨酸、色氨酸 乙酰乙酸(或乙酰乙酰-辅酶 A)甲硫氨酸、异亮氨酸、缬氨酸 琥珀酰辅酶 A 苯丙氨酸、酪氨酸 延胡索酸 精氨酸、脯氨酸、组氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸 0(-酮戊二酸 天冬氨酸、天冬酰胺 草酰乙酸 从表 9-5中氨基酸分解代谢的终产物可以看出，除乙酰乙酰辅酶 A夕卜，均是糖酵解和 三羧酸循环的中间产物，而乙酰乙酰辅酶 A也可以分解为乙酰辅酶 A，所以这些中间产物 最后均可通过三羧酸循环而氧化分解，如图 9-4所示。(4)转变成糖和脂类 氨基酸脱氨后的碳架，根据有机体代谢的需要，即可经过三 羧酸循环彻底氧化。

33、生成 ATP供机体能量的需要，又可以转变成糖和脂肪。凡是形成丙酮酸、:-酮戊一酸、琥珀酸、草酰乙酸的氨基酸都称为生糖氨基酸，因为 这些有机酸经过转变都能生成葡萄糖。凡能生成乙酰辅酶 A和乙酰乙酰辅酶 A的氨基酸均能通过乙酰辅酶 A转变成脂肪。有些氨基酸(如苯丙氨酸和酪氨酸)既可生成脂肪又可生成糖。酶不能水解所有肽键只能对特定羧肽酶胃蛋白酶芳香族氨基酸或其他疏水氨基酸端及端胰凝乳蛋白酶芳香族及其他疏水氨基酸端胰蛋白酶枯草杆菌蛋白酶木瓜蛋白酶碱性氨基酸端疏水氨基酸端碱性氨基酸以及含脂肪侧链和芳香侧链键要求相邻两个氨基酸上的氨基和羧基同时存在蛋白酶按基催化机理又可分为四类见表表蛋白酶的种类编号名称作

34、用特征例子丝氨酸蛋白酶类活性中心含组氨酸和丝氨酸胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶凝血酶硫醇蛋白酶类活性中心含半胱氨性所必需的金属枯草杆菌中性蛋白酶脊椎动物胶原酶表中所列的木瓜蛋白酶菠萝蛋白酶及无花果蛋白酶的活性中心均含有半胱氨酸因此能被半胱氨酸等还原所活化而被等氧化及重金属离子所抑制其余蛋白酶存在于大豆菜豆大麻玉米 第三节氨及氨基酸的生物合成 氮素是组成生物体的重要元素，在生命活动中起重要作用，如蛋白质、核酸和核苷酸、某些激素和维生素、叶绿素和血红素等均含有氮元素。动植物在整个生长发育过程中均进 行着氮素代谢。因此，氮素代谢与生物的生命活动过程有着极其密切的关系。一、氮素循环 在地球表面的氮分布在大气、陆

35、地和海洋中。空气中含 79%的分子态氮气（N2）。此 外，在空气中还含有微量的气态氮化物，如 NO、N02、NH3等。在陆地和海洋中也含有种 类繁多的无机和有机氮化物，包括生物体内的含氮化合物。氮元素可以有多种不同的氧化 水平，从3价到+5 价，如表 9-6所示。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）。大气 中的氮气，通过生物固氮、工业固氮、大气固氮（如闪电）而转变为氨或硝酸盐，进入土 壤中。土壤中的氨在硝化细菌（包括亚硝酸细菌和硝酸细菌）的作用下，发生硝化作用而 氧化为硝酸盐。土壤中的氨和硝酸盐被植物吸收后，用以构成植物体内的蛋白质及其他氮 酶

36、不能水解所有肽键只能对特定羧肽酶胃蛋白酶芳香族氨基酸或其他疏水氨基酸端及端胰凝乳蛋白酶芳香族及其他疏水氨基酸端胰蛋白酶枯草杆菌蛋白酶木瓜蛋白酶碱性氨基酸端疏水氨基酸端碱性氨基酸以及含脂肪侧链和芳香侧链键要求相邻两个氨基酸上的氨基和羧基同时存在蛋白酶按基催化机理又可分为四类见表表蛋白酶的种类编号名称作用特征例子丝氨酸蛋白酶类活性中心含组氨酸和丝氨酸胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶凝血酶硫醇蛋白酶类活性中心含半胱氨性所必需的金属枯草杆菌中性蛋白酶脊椎动物胶原酶表中所列的木瓜蛋白酶菠萝蛋白酶及无花果蛋白酶的活性中心均含有半胱氨酸因此能被半胱氨酸等还原所活化而被等氧化及重金属离子所抑制其余蛋白酶存在于大豆菜豆大麻

37、玉米表9-6氮的不同氧化水平 价 数+5+3+1 0-1-3 化合物 硝酸离子 亚硝酸离子 连二次硝酸离子 氮气 羟胺 氨 结构式 NO3-NO2-N2O22-N2 NH2OH NH3 化物。当植物供作人和其他动物的食物时，植物体内的氮化物又转变为动物体内的氮化物。动物的排泄物、植物的枯枝落叶及动植物个体死亡后的残骸中的有机氮化物由微生物加以 分解而重新变为氨进入土壤中。土壤中的一部分硝酸盐又可以由微生物引起反硝化作用，转化为氮气回归到大气中去。整个氮素循环如图 9-5所示。、生物固氮(1)生物固氮的意义 生物固氮在自然界的氮循环及农业生产上均有重要意义。据 估计，大气中含氮达 3.8 M01

38、5t，但氮气却不能直接被植物利用。这是因为氮气是一种十分 稳定的惰性气体，要打开气体氮分子(N2)中的 N三 N键，要求 944.68kJ/mol的能量。在工业上，当用铁为催化剂时，要在 450C高温和 2030MPa 下，才能固定氮素以生成氨。但是微生物却能在常温常压的条件下，将氮还原为氨：N 2+3H?T 2NH3 这就是生物固氮(biological nitrogen fixation)。酶不能水解所有肽键只能对特定羧肽酶胃蛋白酶芳香族氨基酸或其他疏水氨基酸端及端胰凝乳蛋白酶芳香族及其他疏水氨基酸端胰蛋白酶枯草杆菌蛋白酶木瓜蛋白酶碱性氨基酸端疏水氨基酸端碱性氨基酸以及含脂肪侧链和芳香侧链

39、键要求相邻两个氨基酸上的氨基和羧基同时存在蛋白酶按基催化机理又可分为四类见表表蛋白酶的种类编号名称作用特征例子丝氨酸蛋白酶类活性中心含组氨酸和丝氨酸胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶凝血酶硫醇蛋白酶类活性中心含半胱氨性所必需的金属枯草杆菌中性蛋白酶脊椎动物胶原酶表中所列的木瓜蛋白酶菠萝蛋白酶及无花果蛋白酶的活性中心均含有半胱氨酸因此能被半胱氨酸等还原所活化而被等氧化及重金属离子所抑制其余蛋白酶存在于大豆菜豆大麻玉米图9-6固氮酶分子的假设结构 据估计，全世界陆地每年生物固氮量可达 2 亿 t,比工业固氮量还要多。虽然由于工 业的发展工业固氮量有不断增加的趋势，但工业固氮要耗用大量的能源，而且会污染环境，因此

40、大力发展生物固氮，对增加农作物的氮肥来源有重大意义。生物固氮是在生物体内由酶催化进行的，所以能在常温常压下进行。目前国内外对生 物固氮的生化过程及固氮机理正在积极展开研究。在了解固氮机理之后，人们便可以进行 人工的化学模拟，大大节省能源，减少污染，为生产合成氨开辟广阔的途径。此外，人们 也企图通过遗传工程技术，使不能固氮的禾本科作物也能像豆科作物那样进行固氮，便可 以大量节省氮肥，并使禾本科作物的产量提高到一个新的水平。(2)固氮酶的结构 目前已发现的固氮生物近 50个属，包括细菌、放线菌和蓝细 菌，它们都是原核微生物。在所有研究过的细菌中，固氮酶 均是由两种铁硫蛋白组成的。其中一 种还含有钼

41、，称为钼铁蛋白；另一种 则不含钼而只含有铁，称为铁蛋白。钼铁蛋白为一个四聚体，含 2 个：.亚 基和两个 B亚基(0(2月),a、B亚 基的相对分子质量分别为 51 000 和 60 000,整个四聚体的相对分子质量 为 220 000。每个四聚体含 2个 Mo 原子，约 24个 Fe原子，约 24个 S2-,约30个巯基，可能以三个 FQS4簇(Fe4S cluster)的形式存在。此外，还发现有些钼铁蛋白含有相当量的 Mg、Cu、Ca、Zn。铁蛋白为二聚体，含两个相同的亚基，相对分子质量为 55 000。每个二聚体含 4个 Fe原子、4 个 S2-和 12个巯基。铁蛋白是一种对氧十分敏感的

42、 铁硫蛋白。钼铁蛋白与铁蛋白结合成固氮酶分子(图 9-6)而起固氮作用。(3)固氮酶催化的反应及反应条件 固氮酶的主要底物是 N2，还原产物是 NH3：N2+6H+69 2NH 3 固氮酶除可以还原 N2外，还可以还原多种底物，如可以还原 N2O:N2O+2H+29 N2+HQ N2O可结合在固氮酶的活性中心，因而对固氮起竞争性抑制作用。固氮酶也能使 H+还原 而放出氢：2H+2e-H2 此外，固氮酶还能还原乙炔(C2H2)生成乙烯：C2H2+2H+2e C2H4 固氮酶的反应要求下列条件：还原剂 Carnahan(1960最初用无细胞提取液研究固氮作用时，发现必须有丙酮酸 酶不能水解所有肽键

43、只能对特定羧肽酶胃蛋白酶芳香族氨基酸或其他疏水氨基酸端及端胰凝乳蛋白酶芳香族及其他疏水氨基酸端胰蛋白酶枯草杆菌蛋白酶木瓜蛋白酶碱性氨基酸端疏水氨基酸端碱性氨基酸以及含脂肪侧链和芳香侧链键要求相邻两个氨基酸上的氨基和羧基同时存在蛋白酶按基催化机理又可分为四类见表表蛋白酶的种类编号名称作用特征例子丝氨酸蛋白酶类活性中心含组氨酸和丝氨酸胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶凝血酶硫醇蛋白酶类活性中心含半胱氨性所必需的金属枯草杆菌中性蛋白酶脊椎动物胶原酶表中所列的木瓜蛋白酶菠萝蛋白酶及无花果蛋白酶的活性中心均含有半胱氨酸因此能被半胱氨酸等还原所活化而被等氧化及重金属离子所抑制其余蛋白酶存在于大豆菜豆大麻玉米 G（PH值

44、=7）=-89.03kJ/mol 这个反应可以自发进行。但是试验证明，固氮反应还需要 约消耗 45 个 ATP。在 2H,Fdred Carnahan的试验中，丙酮酸 同时也提供 ATP（图 9-7）。ATP 与 Mg2+结合成 MgATP。厌氧环境 固氮酶 对氧是十分敏感的，因此要 在严格的厌氧环境下才能进 行固氮。好气性固氮微生物 则必有防氧措施。不同的固 氮微生物有不同的防氧机 理。试验证明，固氮酶的铁 蛋白从电子供体接受电子，并将电子传给钼铁蛋白，同 时水解 ATP;钼铁蛋白再将 电子传至氮或其他底物而使 之还原。电子传递过程是：氢酶|出*“Fdox CHCCOO-CO2 ATP参与，

45、每传递两个电子 N2 固氮酶 NH3 存在才能固氮，他认为丙酮酸是电子供体。其后发现丙酮酸是电子供体，并发现丙酮酸在 脱氢时电子传至铁氧还蛋白（图 9-7），故铁氧还蛋白是作为固氮反应还原剂的。但在好气 性细菌内的电子来源还未清楚，可能以 NADPH 作为最初的电子供体，电子传递链是：NADPH 铁氧还蛋白 未知蛋白质-黄素氧还蛋白-固氮酶 ATP由还原态铁氧还蛋白还原 N2的反应是一个放能反应：N2+6Fd 还原态+8H+-2NH4+6Fd氧化态 还原剂、铁蛋白 钼铁蛋白 被还原底物（4）固氮过程中的氢代谢 在固氮过程中常伴随有氢代谢。氢代谢的内容是比较复 杂的，它包括下述的二个方面。固氮酶

46、的放氢反应 固氮酶不仅能还原氮，而且也能还原质子（H+）而放出氢（HP。在没有氮和其他可还原的底物存在时，便发生质子的还原；即使在有氮存在并被还原时，也同时发生部分质子的还原。这个反应要求有三磷酸腺苷参与，不为 CO 抑制。氢酶的放氢反应 在许多固氮生物中均含有氢酶。氢酶也是一种铁硫蛋白。从巴斯 德梭菌分离出的氢酶相对分子质量为 60 000,含 4 个 Fe原子和 4 个 S原子。氢酶催化下 面的可逆反应：2 铁氧还蛋白 还原态+2H+，二 2 铁氧还蛋白 氧化态+H2 CH3CO 丙酮酸脱氢酶 酶不能水解所有肽键只能对特定羧肽酶胃蛋白酶芳香族氨基酸或其他疏水氨基酸端及端胰凝乳蛋白酶芳香族及

47、其他疏水氨基酸端胰蛋白酶枯草杆菌蛋白酶木瓜蛋白酶碱性氨基酸端疏水氨基酸端碱性氨基酸以及含脂肪侧链和芳香侧链键要求相邻两个氨基酸上的氨基和羧基同时存在蛋白酶按基催化机理又可分为四类见表表蛋白酶的种类编号名称作用特征例子丝氨酸蛋白酶类活性中心含组氨酸和丝氨酸胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶凝血酶硫醇蛋白酶类活性中心含半胱氨性所必需的金属枯草杆菌中性蛋白酶脊椎动物胶原酶表中所列的木瓜蛋白酶菠萝蛋白酶及无花果蛋白酶的活性中心均含有半胱氨酸因此能被半胱氨酸等还原所活化而被等氧化及重金属离子所抑制其余蛋白酶存在于大豆菜豆大麻玉米氢酶的放氢反应不要求三磷酸腺苷参与而可为 CO 抑制，这和固氮酶的放氢反应是不酶不能水解所

48、有肽键只能对特定羧肽酶胃蛋白酶芳香族氨基酸或其他疏水氨基酸端及端胰凝乳蛋白酶芳香族及其他疏水氨基酸端胰蛋白酶枯草杆菌蛋白酶木瓜蛋白酶碱性氨基酸端疏水氨基酸端碱性氨基酸以及含脂肪侧链和芳香侧链键要求相邻两个氨基酸上的氨基和羧基同时存在蛋白酶按基催化机理又可分为四类见表表蛋白酶的种类编号名称作用特征例子丝氨酸蛋白酶类活性中心含组氨酸和丝氨酸胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶凝血酶硫醇蛋白酶类活性中心含半胱氨性所必需的金属枯草杆菌中性蛋白酶脊椎动物胶原酶表中所列的木瓜蛋白酶菠萝蛋白酶及无花果蛋白酶的活性中心均含有半胱氨酸因此能被半胱氨酸等还原所活化而被等氧化及重金属离子所抑制其余蛋白酶存在于大豆菜豆大麻玉米这个过

49、程包括下列步骤：MgATP 与铁蛋白结合；铁蛋白-Mg-ATP 复合 物具有很低的电位(可能达-490mV)，可将电子传至钼铁 蛋白而使之还原。还原态钼铁蛋白将底 物(如氮、乙炔、质子)还原,本身则重新被氧化：固氮酶亦可使 H+还原 而生成氢，而氢在氢酶的作用 下又可还原铁氧还蛋白，形成 一个电子传递的循环。Mg.ATP NO3 2e-硝酸还原酶 NO2 6e-亚硝酸还原酶 NH4+同的。上式表明，氢酶可将氢的电子传给铁氧还蛋白，这样氢也可以作为还原氮的电子供 体，由固氮酶放出的氢便可被循环利用。另一方面，由于固氮酶有放氢反应，而氢反过来对固氮酶又有抑制作用，因此氢酶 在固氮生物中可能起着防止

50、氢对固氮酶的抑制作用。综上所述，可以用图 9-8来概括固氮酶和氢酶的共同作用。三、硝酸还原作用 在植物体内，氮是以氨(NH3)的状态进入氨基酸，再转变为蛋白质和其他含氮化合 物，但植物根系从土壤中吸收的主要是硝态氮，因此必须先将硝酸还原成氨。这个过程是 在硝酸还原酶和亚硝酸还原酶的催化下进行的：在植物体内，硝酸还原可以在根和叶内进行，而以在叶内进行为主；但在种子萌发初 期，或是在缺氮情况下，根便起着主要的作用。硝酸还原酶按其电子供体的不同可分为两个类型：铁氧还蛋白一硝酸还原酶：此类硝酸还原酶以铁氧还蛋白为电子供体：NO 3+2Fd 还原态+2H NO2+2Fd 氧化态+H?0 NAD(P)H-