讨论:含氮分子合成代谢

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总论

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图1：自然界的氮循环
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图2：氮在生物体内的合成途径
  • 地球大气中含丰富的氮气（N2），但它在化学上极不活泼，很难被生物所利用。
  • 特殊的生物可以利用固氮酶（Nitrogenase）将氮气还原为氨气。
  • 谷氨酸接收氨气，形成谷氨酰胺，进而分解成2个谷氨酸。
  • 谷氨酸通过各种转氨反应和其它反应产生所有含氮分子。
  • 嘧啶源于天冬氨酸，嘌呤源于甘氨酸。
  • 卟啉、叶绿素、钴胺素等都源于甘氨酸。

固氮作用

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图3：铁钼辅酶和P团的结构
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图4：固氮酶的机制
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图5：嗜热放线菌的固氮酶
  • 将氮气还原为氨气有三种方式：自然固氮、生物固氮、工业固氮。
  • 自然固氮即云层放电引起氮气还原，产量最少。
  • 全球的生物每年可固氮1.7×1011 kg。
  • 工业固氮主要利用哈伯固氮法（Haber Process），目前每年产量达1.98×1011 kg。
  • 很多原核生物都能固氮，固氮酶结构高度保守。（这些生物统称为固氮生物，Diazotroph）
  • 固氮酶还原氮气的同时总是还将氢离子还原为氢气。
  • 固氮酶除了还原氮气，还能催化很多其它还原反应，其中将乙炔还原为乙烯的反应常用于检测固氮酶的存在。
  • 研究最多的固氮菌有：棕色固氮菌（Azotobacter vinelandii）、梭状芽孢杆菌（Clostridium pasteurianum）、肺炎克雷伯氏菌（Klebsiella pneumoniae）、根瘤菌（Rhizobium）。
  • 根瘤菌常与豆科植物的根共生（像一个细胞器寄生在根的细胞内，称为Bacteroid），为豆科植物提供营养，它在根瘤中产生一种结构类似于血红蛋白的蛋白，称为豆血红蛋白（Leghemoglobin）。
  • 一些其它被子植物可与放线菌（Actinomycetes）共生固氮；某些裸子植物与蓝藻共生固氮；肺炎克雷伯氏菌可与植物的叶共生固氮；自由生活的固氮菌主要是海洋中的蓝藻；产甲烷古菌也参与海底固氮。

固氮酶的性质

  • 固氮酶对氧气敏感，少量氧气就会使酶失活。
  • 固氮菌利用豆血红蛋白防止氧气接触固氮酶。（豆血红蛋白还有一种作用：向宿主的线粒体运送氧气）
  • 一氧化碳、一氧化二氮、硫化羰、氢气、二硫化碳等都是固氮酶的可逆抑制剂。
  • 固氮酶需要大量ATP，每产生1 mol的氨气需要8 mol的ATP。
  • 固氮酶由两部分组成：铁蛋白、铁钼蛋白。
  • 铁蛋白部分是一个对氧气极敏感的铁硫蛋白，属于Fe4S4型，由两个相同的多肽组成，每个亚基有一个ATP结合位点。
  • 铁钼蛋白由4个亚基组成（α2β2），其金属离子组成两种结构：铁钼辅酶（FeMo Coenzyme）、P团（P Cluster）。
  • 铁钼辅酶的金属成分为MoFe7S9，还伴随有一个高柠檬酸（Homocitrate）分子，辅酶完全嵌入α亚基中。
  • P团夹在α和β亚基之间，由一对铁硫蛋白相连组成，一个是Fe4S4型，一个是Fe4S3型。

固氮酶的机制

  • 首先，铁蛋白部分从一个强还原剂获得电子，通常用铁氧化蛋白（Ferredoxin）、黄素氧还蛋白（Flavodoxin）、连二亚硫酸（Dithionite），一个铁蛋白一次接受一个电子。（此时铁蛋白尚未和铁钼蛋白组成固氮酶）
  • 肺炎克雷伯氏菌用丙酮酸还原铁氧还蛋白或黄素氧还蛋白，产生所需的还原剂；有些细菌能用NADPH为还原剂。
  • 铁蛋白获得电子后构象变化，与2个ATP分子结合，与铁钼蛋白结合形成固氮酶。
  • 铁蛋白向铁钼蛋白传递电子的部位是两个P团之一，最终将电子传递给氮气的部位是铁钼辅酶。

特殊的固氮酶

  • 在不同环境下，棕色固氮菌能产生三种铁钼蛋白，除了正常的一种外，还有用钒和铁替代钼的类型。
  • 嗜热放线菌（Streptomyces thermoautotrophicus）有一种特殊的固氮酶：
    • 首先一氧化碳脱氢酶（CO Dehydrogenase）用水将一氧化碳氧化为二氧化碳，同时获得2个电子。
    • 一氧化碳脱氢酶含钼蝶呤（Molybdpterin）为辅酶。
    • 被还原的一氧化碳脱氢酶随后将氧气还原为超氧根。
    • 超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase）将超氧根的电子传递给自己的锰离子，从三价还原至二价。
    • 最后锰离子的电子被传递给铁钼蛋白，需要ATP。

氮循环的特殊部分

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图6：硝化细菌的氧化反应
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图7：亚硝化单胞菌的硝化反应
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图8：硝化杆菌的硝化反应
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图9：植物对硝酸根的吸收
  • 硝化细菌（Nitrifying Bacteria）能用氨气为能源。
  • 亚硝化单胞菌（Nitrosomonas）将氨气氧化至亚硝酸根，硝化杆菌（Nitrobacter）将亚硝酸根氧化至硝酸根。
  • 亚硝化单胞菌的反应较为复杂：
    • 首先，氨单加氧酶（Ammonia Monooxygenase）将氨气氧化为羟胺（NH2OH），同时将氧气还原为水。
    • 氨单加氧酶含铜和铁，反应前先获得2个电子被还原。
    • 羟胺氧还酶（Hydroxylamine Oxidoreductase）将羟胺氧化至亚硝酸根，4个电子被传递到细胞色素c554，通过泛醌被传递到细胞色素bc1复合体（复合体III）。
    • 其中2个电子送给氨单加氧酶，另外2个送给细胞色素aa3复合体（复合体IV）。
    • 最后氧气被还原为水。
  • 硝化杆菌的反应较简单：
    • 亚硝酸氧化酶（Nitrite Oxidase）将亚硝酸根氧化为硝酸根，2个电子被传递给细胞色素c550。
    • 2个电子随即被传递给细胞色素aa3复合体，将氧气还原为水。
  • 电子传递链可以反过来运行，此时氨气的电子被用于产生NADH，提供还原剂。
  • 土壤中硝化细菌分布广泛，土壤中的水几乎没有氨气溶解，大部分都是硝酸根。
  • 植物可以吸收硝酸根和亚硝酸根，再还原为氨气。
    • 吸收（亚）硝酸根的细胞主要是根的表皮、皮层、内皮层、叶。
    • （亚）硝酸根被还原的位置是质体，被储存的位置是液泡。
    • （亚）硝酸根的存储器官：根、茎、叶的中脉。
  • 反硝化细菌（Denitrifying Bacteria）以硝酸根为电子传递链的末端电子受体，将硝酸根还原到氮气，起防止土壤硝酸过高的功能。
  • 含有反硝化细菌的门类：假单胞菌（Pseudomonas）、产碱杆菌（Alkaligenes）、芽孢杆菌（Bacillus）。

从氨气到氨基酸

  • 氨气进入有机物最主要的途径是和谷氨酸合成谷氨酰胺，需要ATP。
  • 谷氨酰胺和α-酮戊二酸可通过谷氨酸合酶（Glutamate Synthase）变为2个谷氨酸，需要消耗NADPH或铁氧还蛋白。（植物、大肠杆菌等细菌中这是主要的固氨方式，一般动物体内此酶催化逆反应，作用是去除多余的谷氨酸）
  • 酮戊二酸也可直接和氨气通过谷氨酸脱氢酶（Glutamate Dehydrogenase）合成谷氨酸，需要消耗NADPH。（动物和部分细菌的主要固氨方式）
  • 谷氨酰胺和天冬酰胺是细胞中最常见的氨载体，谷氨酰胺较多。
  • 植物中从根向茎尖运送氨，通常用天冬酰胺；花生用的是β-亚甲基-天冬氨酸；其它豆科植物用的是尿囊素（Allantoin）和尿囊酸（Allantoate）。
  • 有些细菌利用丙酮酸固定氨气，产生2,3-二氨基丙酸（2,3-diaminopropanoate）；有些细菌利用富马酸（延胡索酸）固定氨气，产生天冬氨酸，不需要NADPH。
  • 其它氨基酸都是通过谷氨酰胺和天冬酰胺的转氨基作用得到。
  • 人体有9种必须氨基酸：亮、异亮、缬、甲硫、苯丙、色、苏、赖、组氨酸。（甲硫氨酸和半胱氨酸可相互替代，苯丙氨酸和酪氨酸可相互替代）

从氨基酸到核苷酸

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图10：嘧啶的合成
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图11：嘧啶的原子标号
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图12：嘌呤的合成
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图13：嘌呤的原子标号
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图14：核苷酸的补救合成途径
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图15：有关AMP的几条补救合成途径

嘧啶的合成（图10）

  • 首先铵根、碳酸氢根、2 ATP通过氨甲酰磷酸合成酶II（Carbamoyl Phosphate Synthetase I）合成氨甲酰磷酸。
    • 氨甲酰磷酸合成酶II存在于细胞质，同时在线粒体中存在氨甲酰磷酸合成酶I，但它是用于尿素循环。（见氨基酸分解代谢）
    • 谷氨酰胺会别构激活此酶。
    • 细菌中，此酶只有一种酶活性；哺乳动物细胞中，此酶同时催化下面两步（与天冬氨酸结合和环化）。
  • 然后氨甲酰磷酸被转移到天冬氨酸的侧链上，形成N-氨甲酰天冬氨酸，释放Pi。
    • 细菌中的天冬氨酸转氨甲基酶是重要的别构酶。
  • 天冬氨酸的羧基和氨甲基环化，形成L-二氢乳清酸（L-Dihydroorotate）。
    • 此步催化需要锌离子。
  • L-二氢乳清酸被一种黄素蛋白利用氧气还原成乳清酸（Orotate），这是嘧啶碱基的基础。
  • 与此同时，核糖-5-磷酸与ATP合成核糖-5-磷酸-1-焦磷酸（Phosphoribosyl Pyrophosphate，PRPP），释放AMP。
  • PRPP和乳清酸结合成乳清酸核苷-5-磷酸（Orotidine-5-phosphate），释放焦磷酸。
  • 乳清酸核苷-5-磷酸脱羧形成UMP。（此步脱羧方式奇特，不是常见酶促反应类型，不需要金属离子或辅酶催化，分子也没有和酶产生共价键）
  • UMP借助ATP变为UDP和UTP，进而UTP可变为CTP；UDP和CDP可变为dUDP和dCDP，进而dUMP、dUTP、dCMP、dCTP。
  • 从UTP的CTP，氨基是谷氨酰胺提供的，亦可由铵根提供。
  • 真核生物中dCMP和dCTP可脱氨基形成dUMP和dUTP。
  • dUMP可借助亚甲基四氢叶酸变为dTMP，进而dTDP和dTTP。
  • 最终结果：N1、C4、C5、C6来自天冬氨酸；C2来自CO2；N3来自谷氨酰胺；胸腺嘧啶的甲基来自亚甲基四氢叶酸。

嘌呤的合成

  • 嘌呤的合成与嘧啶合成的不同点：
    • 嘧啶合成时先搭好框架（乳清酸）再和PRPP结合；嘌呤合成时在PRPP上逐步构建含氮碱基。
    • 嘌呤合成时要经历两种罕见碱基（IMP和XMP，其中XMP仅限于GMP合成）
  • 合成从PRPP开始，首先从谷氨酰胺获得氨基形成5‘-磷酸核糖胺（5'-Phosphoribosylamine），释放焦磷酸。
  • 然后加入甘氨酸，消耗ATP；加入10-甲酰-四氢叶酸的醛基；加入谷氨酰胺的氨基，消耗ATP，形成5-氨基咪唑核糖核苷酸（5-Aminoimidazole Ribonucleotide，AIR）。
  • AIR加入CO2；加入天冬氨酸，消耗ATP；释放富马酸（延胡索酸），形成5-氨基咪唑-4-甲酰胺-核糖核苷酸（5-Aminoimidazole 4-Carboxamide Ribonucleotide，AICAR）。
  • AICAR加入10-甲酰-四氢叶酸的醛基，释放水分子，形成IMP。
  • IMP被NAD+氧化成XMP，再从谷氨酰胺获得氨基形成GMP，消耗ATP产生AMP。
  • IMP亦可加入天冬氨酸形成腺苷酸基琥珀酸（Adenylosuccinate），消耗GTP产生GDP；再释放富马酸（延胡索酸）形成AMP。
  • 最终结果：C4、C5、N7来自甘氨酸；N1来自天冬氨酸；N3、N9来自谷氨酰胺的氨基；C2、C8来自10-甲酰-四氢叶酸的醛基；C6（及羰基）来自CO2。

核苷酸的补救合成（Salvage Pathway）

  • 一般的核苷酸的补救合成途径见图14。
  • 脑和肌肉细胞工作时会从AMP产生氨气，铵根可以重新进入嘌呤的合成途径，产生AMP，此循环称为嘌呤核苷酸循环（Purine Nucleotide Cycle）。（红细胞等其它组织也会产生氨气，但不会发生此循环，氨气被带入肝中进入尿素循环）
  • 食物中常含有腺嘌呤，它可以和PRPP重新结合成AMP，释放焦磷酸，在利士曼原虫、锥虫等无法合成嘌呤的原生生物中这是唯一获得腺嘌呤的方式。
  • AMP可以脱去磷酸基团形成腺苷，它是一种重要的信号分子和第二信使，能影响心率、平滑肌张力、白细胞功能。
  • 腺苷可以脱氨基形成肌苷，然后脱去糖基变成次黄嘌呤，再和PRPP结合成IMP，释放焦磷酸，变回AMP。
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