胺基酸的合成與必需胺基酸（一）

在20種基本胺基酸中，人類可以合成其中的11種。另外9種胺基酸必需從食物中攝取，所以稱為必需胺基酸，即苯丙氨酸、甲硫氨酸、蘇氨酸、色氨酸、賴氨酸、組氨酸、纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸（Annu Rev Plant Biol. 2016 Apr 29;67:153-78.）。

生化中根據胺基酸的合成途徑將其分為5類：穀氨酸類型、天冬氨酸類型、丙酮酸衍生物類型、絲氨酸類型和芳香族胺基酸類型。

穀氨酸類型都是由α-酮戊二酸衍生而來，包括穀氨酸、穀氨醯胺、脯氨酸和精氨酸，蕈類和眼蟲的賴氨酸合成也屬於此途徑。

穀氨酸可由α-酮戊二酸與氨經穀氨酸脫氫酶催化合成，消耗NADPH（脫氨時生成的是NADH）。另一種方式是穀氨醯胺與α-酮戊二酸反應，形成2個穀氨酸，由穀氨酸合成酶催化。這種方式比較耗費能量，但穀氨醯胺合成酶Km低，可在較低的氨濃度下反應，所以更為常用。

穀氨酸合成。引自themedicalbiochemistrypage

穀氨醯胺合成酶（GS）可催化穀氨酸與氨形成穀氨醯胺，消耗一個ATP。穀氨醯胺側鏈醯胺基是一種很好用的氨基供體，可用於多種含氮物質的合成，如胺基酸、鹼基等。所以這是氨合成含氮有機物的主要方式。

穀氨醯胺合成。引自themedicalbiochemistrypage

因為GS與多種生物合成有關，所以受到嚴密調控，其活性受8種含氮產物反饋抑制，稱為協同抑制。GS由GLUL基因編碼。

穀氨醯胺是血液中含量最高的胺基酸，約為500 μM。穀氨醯胺是血液中氨的主要運輸形式，也為是細胞能量的主要供體，還是細胞增殖的重要調控分子，與腫瘤增殖關係密切（參見《胺基酸的轉氨、聯合脫氨與脫醯胺作用》）。

對於腫瘤細胞，穀氨醯胺也是重要的碳源和氮源。其中的兩個氨可用於含氮物質的合成，α-酮戊二酸（α-KG）進入三羧酸循環可產生能量，可轉化為丙酮酸和乳酸，也可逆轉三羧酸循環產生檸檬酸，用於脂合成，以滿足快速分裂對細胞膜的需求。

穀氨醯胺與腫瘤代謝。引自themedicalbiochemistrypage

此外，穀氨醯胺與染色質結構調控也有關係。穀氨醯胺衍生的代謝物α-KG（α-酮戊二酸）可以影響一些組蛋白脫甲基酶和DNA脫甲基酶的活性，從而調控細胞分化。此類酶稱為α‐KG依賴性雙加氧酶，包括Jumonji C組蛋白脫甲基酶（JHDM）和TET DNA脫甲基酶等。

穀氨醯胺與染色質脫甲基。引自EMBO J. 2017 May 15;36(10):1302-1315.

脯氨酸的合成可看作分解的逆轉，穀氨酸先還原成穀氨酸γ-半醛，自發環化生成P5C（5-羧基二氫吡咯），再還原生成脯氨酸。不過催化第一步反應的酶是ALDH18A1（分解時是ALDH4A1），還需要ATP活化。還原P5C的是P5C還原酶1（PYCR1），而分解時是PRODH。

脯氨酸和鳥氨酸的合成。引自themedicalbiochemistrypage

穀氨酸半醛的另一個去向是轉氨生成鳥氨酸，然後通過尿素循環生成精氨酸。催化轉氨的還是分解時用的OAT。雖然人體可以合成精氨酸，但現在認為其合成速率不足以滿足人體需要，所以仍需從膳食攝取，故精氨酸為半必須胺基酸。除合成精氨酸外，鳥氨酸還參與多胺代謝。

天冬氨酸類型的胺基酸由草醯乙酸合成，包括天冬氨酸、天冬醯胺、甲硫氨酸、蘇氨酸和異亮氨酸，細菌和植物的賴氨酸合成也屬於此途徑。

天冬氨酸合成。引自themedicalbiochemistrypage

天冬氨酸可由穀草轉氨酶（GOT，或稱AST）催化合成，也可由天冬醯胺水解生成。天冬醯胺的合成由天冬醯胺合成酶催化，穀氨醯胺提供氨基，還要消耗一個ATP的兩個高能鍵。細菌可利用游離氨進行合成。

天冬醯胺合成。引自themedicalbiochemistrypage

細菌和植物先將天冬氨酸還原成半醛，再與丙酮酸縮合，最終形成賴氨酸。植物雖可合成賴氨酸，但通常含量較低，所以只吃穀物容易缺乏賴氨酸。可用肉類或豆類彌補。

天冬氨酸半醛被還原成高絲氨酸，即進入Met、Thr和Ile支路。然後可由硫化氫或半胱氨酸得到硫，接受甲基四氫葉酸提供的甲基，生成甲硫氨酸。高絲氨酸磷酸化後再由蘇氨酸合成酶（TS）水解生成蘇氨酸。

植物中的天冬氨酸途徑。引自Annu Rev Plant Biol. 2016 Apr 29;67:153-78.

蘇氨酸可再經5步反應合成異亮氨酸。異亮氨酸有4個碳來自天冬氨酸，2個來自丙酮酸，一般列入天冬氨酸類型，但其合成機制與纈氨酸合成更相似，所以在下一篇文章中與支鏈胺基酸合成一起介紹。

絲氨酸類型由3-磷酸甘油酸合成，包括絲氨酸、甘氨酸和半胱氨酸。甘氨酸可由絲氨酸降解得到，由絲氨酸轉羥甲基酶（SHMT）催化，形成甲叉四氫葉酸和甘氨酸。

3-磷酸甘油酸脫氫生成3-磷酸羥基丙酮酸，催化的酶是3-磷酸甘油酸脫氫酶（PHGDH）。然後由磷酸絲氨酸氨基轉移酶（PSAT）催化轉氨，生成3-磷酸絲氨酸。最後由磷酸絲氨酸磷酸酶（PSPH）催化水解，形成絲氨酸。

絲氨酸的合成。引自themedicalbiochemistrypage

動物的半胱氨酸合成一般通過甲硫氨酸降解途徑實現，由高半胱氨酸與絲氨酸合成胱硫醚，再分解成半胱氨酸和α-酮丁酸。具體見《胺基酸的碳架氧化（一）》。某些植物和微生物由O-乙醯絲氨酸和H2S反應生成，其H2S可由硫酸還原而來。