反应的第一步便是硝酸盐还原成亚硝酸盐，反应由硝酸还原酶催化。 （一）硝酸还原酶
硝酸还原酶催化的反应以NADH或NADPH作为电子供体，有些硝酸还原酶还能以铁氧还蛋白作为电子供体。反应式如下：
NO3 + NAD（P）H + H
―
十
NO2+ NAD（P） + H2O
―
＋
高等植物中的硝酸还原酶主要是以NADH作为电子供体的。硝酸还原酶含有金属钼、
FAD和细胞色素b-557，所以是一种钼黄素蛋白。在还原过程中，电子传递顺序为：
NAD(P)H
（FAD-Cytb557
―
Mo） NO3
―
硝酸还原酶是一种诱导酶，受其底物NO3的诱导，此外，光照、温度和水分与其合成也有关。田间作物在增施氮肥时往往看到硝酸还原酶活性增高，作物的蛋白质含量也增加。因此，提高硝酸还原酶的水平可以提高植物利用氮肥的效率。由于硝酸还原酶的形成受遗传控制，所以可以通过育种的方法提高硝酸还原酶的水平。
（二）亚硝酸还原酶
亚硝酸盐在亚硝酸还原酶的催化下进一步还原为氨。
NO2+ 6e+ 6H+
―
―
NH4
十
+ H2O
亚硝酸还原酶催化的反应也需电子供体，光合生物中的电子供体为还原型铁氧还蛋白，存在于绿色组织的叶绿体内。NADH或NADPH也可作为电子供体，存在于非光合生物中。
三、氨的同化
植物吸收铵后（或由硝酸盐还原形成的铵）立即将其同化，转变成氨基酸，进而合成蛋白质。氨同化的方式主要有谷氨酸形成途径和氨甲酰磷酸形成途径。
（一）谷氨酸脱氢酶
谷氨酸脱氢酶催化还原氨基化反应。
COOH COOH │ 谷氨酸脱氢酶 │ +
C═O + NH3 + NADH CHNH2 + NAD+ H2O │ │
CH2 CH2
│ │ CH2 CH2 │ │ COOH COOH
α-酮戊二酸 谷氨酸
谷氨酸脱氢酶存在于线粒体中，还原剂为NADH，NH3的受体α-酮戊二酸是三羧酸
十
循环中产生的。此途径不是氨同化的主要途径，因为谷氨酸脱氢酶对NH4的Km很高，所
十
以当NH4在植物体内以正常的浓度存在时，这个酶就不能达到饱和。
268
（二）谷氨酰胺合成酶
谷氨酰胺合成酶使氨贮存在谷氨酰胺的酰胺基内，然后作为氨基的供体，经谷氨酸合成酶催化，将酰胺上的氨基转移给α-酮戊二酸，生成2分子谷氨酸。
COOH COOH │ 谷氨酰氨合成酶 │ CHNH2 + NH3 + ATP CHNH2 + ADP + Pi │ │
CH2 CH2
│ │ CH2 CH2 │ │ COOH CO NH2
谷氨酸 谷氨酰胺
COOH COOH COOH │ │ │ CHNH2 C═O 谷氨酸合成酶 CHNH2
+
│ + │ ＋ 2H ２│
CH2 CH2 CH2
│ │ │ CH2 CH2 CH2 │ │ │ CONH2 COOH COOH
谷氨酰胺 α-酮戊二酸 谷氨酸
反应需要还原剂，NADH、NADPH和还原型铁氧还蛋白都可作为还原剂。谷氨酰胺
十
合成酶对NH4有很强的亲和力。在高等植物体内，此途径是氨同化的主要途径。其总反应为：
NH3 + ATP + α-酮戊二酸 + 2H+
谷氨酸 + ADP + Pi
（三）生成氨甲酰磷酸
氨甲酰激酶可催化NH3与CO2生成氨甲酰磷酸，反应需要消耗ATP。
O O 氨甲酰激酶 ‖ ‖
NH3 + CO2 + ATP H2NCOPOH + ADP
Mg2+ ∣ OH 氨甲酰磷酸
O O 辅因子，Mg2+ ‖ ‖
NH3 + CO2 + 2ATP H2NCOPOH + 2ADP
∣ OH 氨甲酰磷酸
氨甲酰磷酸合成酶也可催化氨甲酰磷酸的合成。
反应需要辅因子，在动物肝脏及大肠杆菌中，辅因子是N－乙酰谷氨酸。在植物体内，氨甲酰磷酸中的氮是由谷氨酰胺提供的。
269
四、氨基酸的生物合成
不同生物合成氨基酸的能力不同，植物和大部分细菌能合成全部20种氨基酸，而人和其他哺乳类动物只能合成部分氨基酸，所以氨基酸分必需氨基酸（essential amino acids, EAA）和非必需氨基酸(nonessential amino acids, NAA)。凡人体自身不能合成的氨基酸称为必需氨基酸，如赖氨酸、甲硫氨酸、色氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸。其他人体能合成的氨基酸称为非必需氨基酸。
氨基酸可经过多种途径合成，其共同特点是氨基主要由谷氨酸提供，而它们的碳架来自糖代谢（包括糖酵解、三羧酸循环或磷酸戊糖途径）的中间产物。
（一）转氨作用
在氨基酸合成反应中，转氨作用是氨基酸合成的主要方式。它是在转氨酶的作用下，由一种氨基酸把它分子上的氨基转移到其他α-酮酸上，以形成另一种氨基酸的过程。
转氨酶需要磷酸吡哆醛作为辅酶。除苏氨酸和赖氨酸外，其它氨基酸的氨基都可通过转氨作用得到。
在细胞内，转氨酶分布在细胞质、叶绿体、线粒体和微粒体中。叶绿体在进行光合作用时，在转氨酶的作用下，便可生成各种氨基酸。
COOH R COOH R │ │ 转氨酶 │ │
CHNH2 + C═O C═O + CHNH2 │ │ │ │
CH2 COOH CH2 COOH
│ │ CH2 CH2 │ │ COOH COOH
谷氨酸 α-酮酸 α-酮戊二酸 α-氨基酸
（二）各种氨基酸的合成 在上述转氨反应中需要α－酮酸作为氨基酸碳架，这些碳架来源于糖酵解、三羧酸循环、乙醇酸途径和磷酸戊糖途径等。根据氨基酸合成碳架来源不同，可将氨基酸分为6族。在每一族内，几种氨基酸有共同的碳架来源，在此概括介绍它们碳架的来源和在合成过程中的相互关系。
1．丙氨酸族
丙氨酸族包括丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸。它们的共同碳架来源是糖酵解产物丙酮酸。丙酮酸经转氨、缩合等作用生成氨基酸。
COOH CH3 COOH CH3 │ │ 转氨酶 │ │ CHNH2 + C═O C═O + CHNH2 │ │ │ │
CH2 COOH CH2 COOH
│ │ CH2 CH2 │ │ COOH COOH
谷氨酸 丙酮酸 α－酮戊二酸 丙氨酸
270
丙酮酸还可以转变为α-酮异戊二酸和α-酮异己酸。由2分子丙酮酸缩合并放出1分子CO2，再经几步反应，便可生成α-酮异戊酸，并以此作为碳架经转氨反应后生成缬氨酸；由α-酮异戊酸经几步反应可生成α-酮异己酸，以此作为碳架，从谷氨酸获得氨基即生成亮氨酸。上述三种氨基酸的合成关系如下：
丙氨酸
丙酮酸 缬氨酸
α－酮异戊酸
α-酮异已酸
亮氨酸
2．丝氨酸族
丝氨酸族氨基酸包括丝氨酸、甘氨酸和半胱氨酸。丝氨酸是由糖酵解中间产物3-磷酸甘油酸合成的。3-磷酸甘油酸首先被氧化成3-磷酸羟基丙酮酸，然后经转氨作用生成3-磷酸丝氨酸，水解后产生丝氨酸。
COOH NAD+ NADH +H+ COOH 谷氨酸 α―酮戊二酸 │ │
H─C─OH C━O
│ │ CH2OPO3H2 CH2OPO3H2 3－磷酸甘油酸 3－磷酸羟基丙酮酸
COOH H2O Pi+ COOH │ │
H─C─NH2 CH─NH2
│ │
CH2OPO3H2 CH2OH2 3－磷酸丝氨酸 丝氨酸
丝氨酸也可经另一条途径生成，即3-磷酸甘油酸的磷酸基首先发生水解，再经氧化和转氨作用生成丝氨酸。
3－磷酸甘油酸 甘油酸 羟基丙酮酸 丝氨酸 由丝氨酸可以形成甘氨酸，催化反应的酶为丝氨酸转羟甲基酶。 丝氨酸 + 四氢叶酸 甘氨酸 + 亚甲四氢叶酸 + H2O 此酶催化丝氨酸侧链的β－碳原子转移给四氢叶酸，进而生成甘氨酸。
丝氨酸也可作为半胱氨酸的前体，经几步反应生成半胱氨酸。
乙酰CoA CoA 硫化物 丝氨酸 O-乙酰丝氨酸 半脱氨酸 + 乙酸
丝氨酸族氨基酸合成关系如下：
3－磷酸甘油酸 →→ 3－磷酸丝氨酸 → 丝氨酸 → 甘氨酸 半胱氨酸 3． 天冬氨酸族
271
这一族包括天冬氨酸、天冬酰胺、甲硫氨酸、苏氨酸、赖氨酸和异亮氨酸。它们的共同碳架是三羧酸循环中的草酰乙酸，草酰乙酸经转氨反应就可生成天冬氨酸，然后天冬氨酸再经天冬酰胺合成酶催化即可生成天冬酰胺：
转氨酶 草酰乙酸 十 谷氨酸天冬氨酸 + α－酮戊二酸
天冬酰胺合成酶催化天冬氨酸，就生成天冬酰胺，不同生物在形成天冬酰胺时，其氨基来源不同：
①在植物和细菌内：
Mg2+
②在动物体内： Mg2+ 天冬氨酸 + 谷氨酰胺 + ATP天冬酰胺 + 谷氨酸 + AMP + PPi
天冬氨酸可以合成动物最重要的必需氨基酸赖氨酸，还可转变为甲硫氨酸、苏氨酸，苏氨酸又可转变为异亮氨酸。此反应过程复杂，主要的中间产物是β-天冬氨酸半醛，它通过下面的反应形成：
O ‖
COOH 天冬氨酸 COPO3H2 CHO │ 激酶 │ │ CH2 CH2 CH2 + H3PO3 │ │ │
CHNH2 ATP ADP CHNH2 NADPH+H+ NADP+ CHNH2
│ │ │ COOH COOH COOH
天冬氨酸 天冬氨酰磷酸 β－天冬氨酸半醛
天冬氨酸 + NH4+ + ATP
天冬酰胺 + AMP + PPi + H2O
β-天冬氨酸半醛经一系列反应，生成α,ε-二氨基庚二酸，通过脱羧酶催化形成赖氨酸。天冬氨酸族氨基酸合成关系如下：
草酰乙酸 → 天冬氨酸 → →→→→→→→→赖氨酸 ↓ 天冬酰氨 →→→→→甲硫氨酸
苏氨酸→→→→异亮氨酸
4． 谷氨酸族
这一族包括谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸和精氨酸。它们的共同碳架是三羧酸循环的中间产物α－酮戊二酸，它可直接生成谷氨酸并进一步生成谷氨酰胺。谷氨酸还可作为前体物质生成脯氨酸。谷氨酸先被还原为谷氨酰半醛，这反应要求ATP、NAD(P)H和Mg2+参加，谷氨酰半醛的γ―酰基和α－氨基自发可逆地形成环式△′-二氢吡咯-5-羧酸，后者被还原为脯氨酸。
272
第八章蛋白质降解和氨基酸代谢
