氨基酸合成

NAD(P)H- 硝酸还原酶为寡聚蛋白，所含亚基 数因植物而异。它是以FAD、细胞色素b-557 和钼为电子传递体。电子从NAD(P)H传递到 NO3。
10.3.1.3 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。
10.2.2 固氮生物的类型 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，根据固氮微生物与高等植 物和其他生物的关系，可分为自生固氮微生 物和共生固氮微生物两类。
10.2.2.1 自生固氮微生物(diazatrophs) 自生固氮微生物是指独立生活时能使气态氮固 定为NH3的少数微生物。 固氮有两种方式： ①利用光能还原氮气。如鱼腥藻(Anabaena)、 念球藻(Nostoc)，固氮过程与还原CO2类似。
10.4.1.2谷氨酸脱氢酶 谷 氨 酸 还 可 在 谷 氨 酸 脱 氢 酶 (glutamate dehydrogenase) 催化下，使 - 酮戊二酸通过 还原性氨基化形成。
谷氨酸脱氢酶存在于所有生物体内，它主要参 与氨基酸的降解代谢。因为谷氨酰胺合成酶 较谷氨酸脱氢酶的 Km(NH3) 低得多，因此通 常当生物体细胞的氨水平低时，谷氨酸脱氢 酶在与谷氨酰胺合成酶竞争时不起主要作用。 生物体内谷氨酸主要是通过谷氨酰胺合成酶和 谷氨酸合酶这条双酶途径合成的。
从高等植物和绿藻中分离出的亚硝酸还原酶是 一条多肽链，相对分子质量约为60000～ 70000，它的辅基是一种铁卟啉的衍生物， 分子中还有一个Fe4S4中心，起电子传递作用。
亚硝酸还原酶存在于绿色组织的叶绿体中，它 的直接电子供体是铁氧还蛋白。光合作用的 非环式光合磷酸化可为亚硝酸还原酶提供还 原态的铁氧还蛋白。结合在铁卟啉衍生物辅 基上的亚硝酸离子，可直接被还原型铁氧还 蛋白还原成氨。 在铁氧还蛋白 -NADPH 还原酶的作用下，也可 将氧化态的铁氧还蛋白转变为还原型。
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。
10.2 生物固氮的生物化学 10.2.1 生物固氮的概念 生物固氮 (biological nitrogen fixation) 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氮变成氨的过程。 自然界通过生物固氮的量可达每年1011kg，约 占地球上的固氮量的60％，闪电和紫外辐射 固定氮约15％，其余为工业固氮。
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Fd。
10.3.2 亚硝酸还原酶 在植物细胞内，硝酸还原生成的亚硝酸在亚硝 酸还原酶的催化下，进一步还原成氨： NO2+7H++6e→NH3+2H2O
谷氨酸和谷氨酰胺中的氮可通过进一步生化反 应形成其他有机含氮化合物，因此谷氨酸和 谷氨酰胺在氮素合成代谢中起关键作用。
10.4.1.1 谷氨酰胺合成酶 谷氨酰胺合成酶催化谷氨酸和氨反应形成谷氨 酰胺，此酶对 NH3 有高亲和性，完成反应还 需ATP水解提供的能量。
形成谷氨酰胺既是氨同化的一种方式，又可消 除过高氨浓度带来的毒害，还可作为氨的供 体，用于谷氨酸的合成。
在N2还原过程中还形成H2，因此，N2固定过程 的反应为： N2+8 e+8H+→NH3+H2 8个高能电子来自Fdred，Fdred的电子来自PSI或 呼吸电子传递链。
生物固氮的总反应为： N2+8e+16ATP+16H2O+8H+→2NH3+H2+ 16ADP+16Pi
由反应式可见固氮过程消耗能量非常多，共有 16个ATP被水解。
共生固氮
10.2.3 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 合物由还原酶和固氮酶组成。 ①还原酶 还原酶也称铁蛋白，提供具有高还原势的电子， 它是由两个相同亚基组成的二聚体，相对分 子质量为 64 000，也是一个铁硫蛋白，含有 一个 [Fe4S4] 簇，每次可传递一个电子。此外， 还有2个ATP结合位点。
10.3.1 硝酸还原酶 硝酸还原酶的作用是把硝酸盐还原成亚硝酸 盐。 硝酸还原酶广泛存在于高等植物、藻类、细菌 和酵母中。在植物的绿色组织中该酶的活性 较大。
根据还原反应中电子供体的不同可分为两个类 型。 10.3.1.1 Fd-硝酸还原酶 此类硝酸还原酶以铁氧还蛋白作为电子供体。 还原过程可简单表示为： NO3+2Fdred+2H+→NO2+Fdox+H2O 此酶存在于蓝绿藻、光合细菌和化能合成细菌 中。从组囊藻属 (Anacystis) 分离出的硝酸还 原酶是一种含钼的蛋白质，只有一条多肽链， 相对分子质量为75000，不含黄素蛋白和细胞 色素。
②氢酶的放氢反应 许多固氮生物均含有氢酶。氢酶也是一种铁硫 蛋白，从巴斯德梭菌分离出的氢酶含有 4 个 铁原子和 4个硫原子，相对分子质量 60000， 氢酶催化可逆反应： 2Fdred+2H+=2Fdox+H2 可逆性氢酶既可催化氢的电子传给Fd，作为还 原氮的电子供体，又可催化H+接受Fdred的电 子形成氢，以消除过剩的还原力，保证细胞 生理活动的正常进行。反应不需ATP，但受 CO抑制。
氮气中的N≡N键十分稳定，1910年Fritz Haber 提出的作用Leabharlann Baidu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H2还原N2成氨。 N2+3H2＝2NH3 固氮能量耗费大，而且会污染环境，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。
生物固氮是在常温常压条件下，在生物体内由 酶催化进行。 目前国内外对生物固氮的生化过程及机理正在 积极开展研究，在了解了固氮机理之后，就 可以人工模拟，以节省能源，减少污染，开 拓作物肥源。可以通过基因工程使非固氮生 物转化为固氮生物。
10.2.4 生物固氮所需的条件 固氮酶催化的反应需要满足： ①充分的ATP供应。豌豆根系固氮细菌消耗植 株ATP产量的近1/5； ②需要很强的还原剂。高还原势电子来自Fdred， 其是光合链的电子载体。 Fd的再生或来自光 合作用，或来自氧化过程；
③需要厌氧环境，因氮酶对氧十分敏感，只有 在严格的厌氧条件下才能固氮。因此，对好 气细菌来说必须有严格的防氧机制以使酶不 被氧伤害。 在豆科植物根瘤中，豆血红蛋白起着降低氧浓 度以保护固氮酶的作用。豆血红蛋白 (1eghemoglobin)为一共生合成蛋白，其珠蛋 白部分由植物合成，而血红素基团由根瘤菌 (Rhizohium)合成，其对O2有很高的亲和力。
-酮戊二酸来源于 TCA的中间产物，还原剂为 NADPH或还原态铁氧还蛋白。催化此反应的 酶为谷氨酸合酶 (glutamate synthase) ，与合 成酶(synthetase)不同的是，它不需要ATP。 在谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶的共同作用下， 可由1分子氨和1分子-酮戊二酸净合成1分子 谷氨酸。
②固氮酶 固氮酶也称钼铁蛋白，利用还原酶提供的高能 电子还原N2成NH4+。它是由2个亚基和2个 亚基组成的四聚体，相对分子质量为 220000 。 其氧化还原中心含有 2 个钼原子、 32 个铁原 子和相应数目的酸不稳定硫。 由还原酶向固氮酶的电子传递与还原酶上的 ATP水解相偶联，由N2到NH3的还原过程需6 个电子： N2+6e+6H+=2NH3
10.2.5 固氮过程的氢代谢 固氮过程常伴随有氢代谢，氢代谢比较复杂， 主要包括以下内容： ①固氮酶的放氢反应 由固氮总反应式可见，固氮酶不仅还原氮，也 还原 H+ 形成出 H2 ，反应需要 ATP ， CO 不能 抑制。 N2+8e+16ATP+16H2O+8H+→2NH3+H2+ 16ADP+16Pi
10.3.1.2 NAD(P)H-硝酸还原酶 这类硝酸还原酶以 NADH 或 NADPH 为电子供 体，它存在于真菌、绿藻和高等植物中。 按其对电子供体的专一性要求又可区分为对 NADH 专 一 的 、 对 NAD(P)H 专 一 的 以 及 对 NADH和NAD(P)H都可利用的硝酸还原酶。 催化反应： NO3+NAD(P)H +H+→NO2+ NAD(P )++H2O
氮素由硝酸态氮转变成氨的过程称为代谢还原 或成氨作用。 在成氨作用过程中，氮的化合价变化是：
植物体内由硝酸还原成氨的总反应式： NO3+9H++8e→NH3+3H2O 这一还原过程是在硝酸还原酶和亚硝酸还原酶 的催化下分步进行的。 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。在种子萌发的早期，或 在缺氧条件下根部还原为主。
②利用化学能固氮。如好气性固氮菌 (Azotobacter)、贝氏固氮菌(Bciierinckia)及 厌气的巴斯德梭菌(Clostridium pasteurzanum)和克氏杆菌(Klebsiella)等。
10.2.2.2 共生固氮微生物 如与豆科植物共生固氮的根瘤菌(Rhizobium)， 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。
③吸氢酶催化H2的氧化作用 吸氢酶能以O2作为末端正电子受体进行羟基化 反应，产物为 H2O ，并伴有 ATP 生成，反应 受KCN抑制。氢的氧化不但提供了能量，而 且由于消耗了O2，保护了固氮酶。同时由于 固氮酶形成的H2对其有抑制作用，吸氢酶的 吸氢还可以防止对固氮酶的抑制作用。
10.3 硝酸还原作用 植物体所需要的氮素营养除了来自生物固氮外， 绝大部分是来自土壤中的氮素，主要有硝酸 盐(NO3)，亚硝酸盐(NO2)以及铵盐(NH4+)。 它们通过根系进入植物细胞。植物最易吸收 硝态氮。 硝态氮必须被还原为氨态氮。才能被植物体利 用。
10 氨基酸生物合成 10.1 氮素循环 10.2 生物固氮的生物化学 10.3 硝酸还原作用 10.4 氨的同化 10.5 氨基酸的生物合成
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。
大多数固氮蓝藻均有厚壁的异型细胞 (heterocyst)，在异型细胞中不含PSⅡ的色素， 因此照光时不放氧。固氮是在异型细胞里进 行，因为固氮过程要求无氧条件。 另一些微生物如红螺菌(Rhodospirillum)、红色 极毛杆菌(Rhodopseudomonas)、绿杆菌 (Chloroblium)等也能利用光能从硫、硫化物、 氢或有机物取得电子进行固氮。
10.4.2 氨甲酰磷酸的合成 同化氨的另一途径是氨甲酰磷酸的形成：有 2 种酶能够催化 NH3 、 CO2 、 ATP 共同作用合 成氨甲酰磷酸。 在氨甲酰激酶催化下：
光照对亚硝酸还原有促进作用，可能与照光时 生成还原态的铁氧还蛋白有关。 当植物缺铁时，亚硝酸的还原即受阻，可能与 铁氧还蛋白及铁卟啉衍生物的合成减少有关。 亚硝酸还原时需要氧，因而在厌氧条件下， 亚硝酸的还原会受到阻碍。
10.4 氨的同化 10.4.1 谷氨酸合成 在氮素循环中，生物固氮和硝酸盐还原形成了 无机态NH3，进一步NH3便被同化转变成含 氮有机化合物。所有生物都通过谷氨酸脱氢 酶(glutamate dehydrogenase)或谷氨酰胺合成 酶(glutamin synthetase)催化形成谷氨酸和谷 氨酰胺的方式同化氨。