氨基酸的合成与必需氨基酸（一）

在20种基本氨基酸中，人类可以合成其中的11种。另外9种氨基酸必需从食物中摄取，所以称为必需氨基酸，即苯丙氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸、色氨酸、赖氨酸、组氨酸、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸（Annu Rev Plant Biol. 2016）。

生化中根据氨基酸的合成途径将其分为5类：谷氨酸类型、天冬氨酸类型、丙酮酸衍生物类型、丝氨酸类型和芳香族氨基酸类型。总体来说，各种类型中有些步骤简单，有些就很复杂。高等动物放弃了其中较为繁琐的，改为从食物中获取。

谷氨酸类型都是由α-酮戊二酸衍生而来，包括谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸和精氨酸，蕈类和眼虫的赖氨酸合成也属于此途径。

谷氨酸可由α-酮戊二酸与氨经谷氨酸脱氢酶催化合成，消耗NADPH（脱氨时生成的是NADH）。另一种方式是谷氨酰胺与α-酮戊二酸反应，形成2个谷氨酸，由谷氨酸合成酶催化。这种方式比较耗费能量，但谷氨酰胺合成酶Km低，可在较低的氨浓度下反应，所以更为常用。

谷氨酸合成。引自themedicalbiochemistrypage

谷氨酰胺合成酶（GS）可催化谷氨酸与氨形成谷氨酰胺，消耗一个ATP。谷氨酰胺侧链酰胺基是一种很好用的氨基供体，可用于多种含氮物质的合成，如氨基酸、碱基等。所以这是氨合成含氮有机物的主要方式。

谷氨酰胺合成。引自themedicalbiochemistrypage

因为GS与多种生物合成有关，所以受到严密调控，其活性受8种含氮产物反馈抑制，称为协同抑制。GS由GLUL基因编码。

谷氨酰胺是血液中含量最高的氨基酸，约为500 μM。谷氨酰胺是血液中氨的主要运输形式，也为是细胞能量的主要供体，还是细胞增殖的重要调控分子，与肿瘤增殖关系密切（参见《氨基酸的转氨、联合脱氨与脱酰胺作用》）。

对于肿瘤细胞，谷氨酰胺也是重要的碳源和氮源。其中的两个氨可用于含氮物质的合成，α-酮戊二酸（α-KG）进入三羧酸循环可产生能量，可转化为丙酮酸和乳酸，也可逆转三羧酸循环产生柠檬酸，用于脂合成，以满足快速分裂对细胞膜的需求。

谷氨酰胺与肿瘤代谢。引自themedicalbiochemistrypage

此外，谷氨酰胺与染色质结构调控也有关系。谷氨酰胺衍生的代谢物α-KG（α-酮戊二酸）可以影响一些组蛋白脱甲基酶和DNA脱甲基酶的活性，从而调控细胞分化。此类酶称为α‐KG依赖性双加氧酶，包括Jumonji C组蛋白脱甲基酶（JHDM）和TET DNA脱甲基酶等。

谷氨酰胺与染色质脱甲基。引自EMBO J. 2017

脯氨酸的合成可看作分解的逆转，谷氨酸先还原成谷氨酸γ-半醛，自发环化生成P5C（5-羧基二氢吡咯），再还原生成脯氨酸。不过催化第一步反应的酶是ALDH18A1（分解时是ALDH4A1），还需要ATP活化。还原P5C的是P5C还原酶1（PYCR1），而分解时是PRODH。

脯氨酸和鸟氨酸的合成。引自themedicalbiochemistrypage

谷氨酸半醛的另一个去向是转氨生成鸟氨酸，然后通过尿素循环生成精氨酸。催化转氨的还是分解时用的OAT。虽然人体可以合成精氨酸，但现在认为其合成速率不足以满足人体需要，所以仍需从膳食摄取，故精氨酸为半必须氨基酸。除合成精氨酸外，鸟氨酸还参与多胺代谢。

天冬氨酸类型的氨基酸由草酰乙酸合成，包括天冬氨酸、天冬酰胺、甲硫氨酸、苏氨酸和异亮氨酸，细菌和植物的赖氨酸合成也属于此途径。

天冬氨酸合成。引自themedicalbiochemistrypage

天冬氨酸可由谷草转氨酶（GOT，或称AST）催化合成，也可由天冬酰胺水解生成。天冬酰胺的合成由天冬酰胺合成酶催化，谷氨酰胺提供氨基，还要消耗一个ATP的两个高能键。细菌可利用游离氨进行合成。

天冬酰胺合成。引自themedicalbiochemistrypage

细菌和植物先将天冬氨酸还原成半醛，再与丙酮酸缩合，最终形成赖氨酸。植物虽可合成赖氨酸，但通常含量较低，所以只吃谷物容易缺乏赖氨酸。可用肉类或豆类弥补。

天冬氨酸半醛被还原成高丝氨酸，即进入Met、Thr和Ile支路。然后可由硫化氢或半胱氨酸得到硫，接受甲基四氢叶酸提供的甲基，生成甲硫氨酸。高丝氨酸磷酸化后再由苏氨酸合成酶（TS）水解生成苏氨酸。

植物中的天冬氨酸途径。引自Annu Rev Plant Biol. 2016

苏氨酸可再经5步反应合成异亮氨酸。异亮氨酸有4个碳来自天冬氨酸，2个来自丙酮酸，一般列入天冬氨酸类型，但其合成机制与缬氨酸合成更相似，所以在下一篇文章中与支链氨基酸合成一起介绍。

丝氨酸类型由3-磷酸甘油酸合成，包括丝氨酸、甘氨酸和半胱氨酸。甘氨酸可由丝氨酸降解得到，由丝氨酸转羟甲基酶（SHMT）催化，形成甲叉四氢叶酸和甘氨酸。

3-磷酸甘油酸脱氢生成3-磷酸羟基丙酮酸，催化的酶是3-磷酸甘油酸脱氢酶（PHGDH）。然后由磷酸丝氨酸氨基转移酶（PSAT）催化转氨，生成3-磷酸丝氨酸。最后由磷酸丝氨酸磷酸酶（PSPH）催化水解，形成丝氨酸。

丝氨酸的合成。引自themedicalbiochemistrypage

动物的半胱氨酸合成一般通过甲硫氨酸降解途径实现，由高半胱氨酸与丝氨酸合成胱硫醚，再分解成半胱氨酸和α-酮丁酸。具体见《氨基酸的碳架氧化（一）》。某些植物和微生物由O-乙酰丝氨酸和H2S反应生成，其H2S可由硫酸还原而来。

参考文献：

1. Gad Galili, et al. The Regulation of Essential Amino Acid Synthesis and Accumulation in Plants.
   Annu Rev Plant Biol. 2016 Apr 29;67:153-78.

2. Ji Zhang, et al. Cancer cell metabolism: the essential role of the nonessential amino acid, glutamine. EMBO J. 2017 May 15;36(10):1302-1315.