氨基酸的合成代谢与必需氨基酸（二）
合成途径属于丙酮酸衍生物类型的氨基酸包括丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸，另外此途径还为异亮氨酸和赖氨酸提供部分碳原子。因为异亮氨酸的合成过程与缬氨酸非常相似，所以也在此介绍。
丙氨酸的合成最简单，由丙氨酸转氨酶（ALT，以前称为GPT）催化丙酮酸生成，反应可逆，无反馈抑制。
丙氨酸的合成。引自themedicalbiochemistrypage三种支链氨基酸人体都不能合成，需要从食物中摄取。缬氨酸和亮氨酸的合成首先由丙酮酸脱羧形成乙酰TPP，再与另一个丙酮酸缩合，形成α-乙酰乳酸。然后还原、变位、脱水形成α-酮异戊酸。这是一个分支点，如果转氨可生成缬氨酸，否则就与乙酰辅酶A缩合，进入亮氨酸支路，形成α-酮异己酸再转氨，即生成亮氨酸。
植物中的支链氨基酸合成途径。引自Annu Rev Plant Biol. 2016异亮氨酸的合成是由苏氨酸脱水脱氨生成α-酮丁酸，然后与缬氨酸相同，与乙酰TPP缩合，变位、脱水、转氨，生成异亮氨酸。催化的酶都与缬氨酸相同。
催化这3个氨基酸转氨的都是支链氨基酸转氨酶（BCAT），分解反应也是由它催化的。其实转氨反应都是可逆的，但α-酮酸脱羧一般都是不可逆的。如果比较氨基酸的分解与合成，就会发现，合成时很多步骤其实就是为了从另一个途径生成α-酮酸。
芳香族氨基酸类型主要包括苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸，组氨酸虽然也有芳香性，但并没有苯环，所以合成途径相差较大。
人体只能把苯丙氨酸羟化成酪氨酸，其它芳香族氨基酸的合成主要靠植物和微生物。在此途径中，分枝酸（chorismate）是共同前体。赤藓糖-4-磷酸与磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）缩合，生成莽草酸（shikimate），再与另一个PEP反应，形成分枝酸，这一段称为莽草酸途径。
植物中的芳香族氨基酸合成途径。引自Annu Rev Plant Biol. 2016分枝酸是一个分支点。分枝酸变位酶（chorismate mutase，CM）催化其变位生成预苯酸，进入苯丙氨酸/酪氨酸支路；邻氨基苯甲酸合酶（anthranilate synthase，AS）催化生成邻氨基苯甲酸，即进入色氨酸支路。所以色氨酸含量高时会抑制AS，并激活CM。
预苯酸形成苯丙氨酸和酪氨酸又有三条支路，其实也就是三个反应的组合：脱羧形成苯环、脱水去除羟基、转氨生成相应氨基酸。因为预苯酸上已有对位羟基存在，所以植物的酪氨酸合成不需要由苯丙氨酸羟化，而苯丙氨酸合成却需要脱掉羟基。
苯丙氨酸合成途径。引自Front Plant Sci. 2016因此，通常认为植物中不存在苯丙氨酸羟化酶（AAH）。不过有报道称，在非开花植物莱茵衣藻和展叶剑叶藓中检测到AAH活性，认为它沟通苯丙氨酸和酪氨酸代谢途径，并可用于苯丙氨酸降解（Plant Cell. 2010）。
分枝酸进入色氨酸支路，在AS催化下接受谷氨酰胺的氨基，生成邻氨基苯甲酸。然后与磷酸核糖焦磷酸（PRPP）缩合，经重排、脱水脱羧，生成吲哚-3-甘油磷酸（IGP）。最后用丝氨酸取代甘油，即生成色氨酸。
最后一步由色氨酸合酶（TS）催化。IGP被TSα亚基（TSA）裂解为吲哚和3-磷酸甘油醛（α反应）。然后吲哚通过30埃的分子间隧道输送到TS的β亚基（TSB），与丝氨酸的缩合形成色氨酸（β-反应）。
色氨酸的合成反应。引自BMC Plant Biol. 2008色氨酸的C1、C6来自PEP，2、3、4、5位来自赤藓糖，7、8位来自核糖，氮来自谷氨酰胺，吲哚以外来自丝氨酸。
组氨酸合成是由10个连续反应构成的线性代谢途径。首先PRPP的C1与ATP的N1相连，脱去焦磷酸后开环，分解，放出5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸（AICAR），用于嘌呤合成。留下的咪唑甘油磷酸经氧化、转氨、脱磷酸形成组氨醇，氧化生成组氨酸。
谷氨酸杆菌中的组氨酸合成途径。引自Microb Biotechnol. 2014所以必须氨基酸共9种，其中支链氨基酸三种（Val、Ile、Leu），芳香族三种（Phe、Trp、His），含硫、羟基和氨基的各一种（Met、Thr、Lys）。世界卫生组织2007年发布的成人必需氨基酸每日需求量见下图。
成人必需氨基酸日需求量。引自World Health Organ Tech Rep Ser. 2007除必需和非必需氨基酸外，还有半必需和条件必需氨基酸的说法。前者指人体可以合成某种氨基酸，但合成的量不足；后者指在特殊的生理、病理条件下，合成无法满足自身需求，需要人为补充。
精氨酸是目前研究最多的半必需氨基酸，因其功能众多，而合成量相对不足。精氨酸可通过酶促反应产生多种生物活性分子，主要参与三个过程：尿素循环、一氧化氮合成与多胺代谢。精氨酸脱羧产生的胍丁胺（agmatine）现在被认为是一种新型的神经递质，参与学习记忆等过程。
精氨酸的多种功能。引自Amino Acids. 2019有人将半胱氨酸和酪氨酸也称为半必需氨基酸，因为补充它们可以减少对甲硫氨酸和苯丙氨酸的需求。这种现象是存在的，所以在计算营养摄入时，Met+Cys、Phe+Tyr都有相应限值。不过这种叫法在PubMed中较为少见。
条件必需氨基酸目前报道最多的是谷氨酰胺，主要是其抗疲劳、免疫调节和细胞增殖等方面。在机体处于分解代谢状态时，例如创伤、烧伤、败血症以及长期消耗性的运动，谷氨酰胺的内源合成无法满足人体需求，就会发生谷氨酰胺缺乏（Nutrients. 2019）。
谷氨酰胺在不同组织中的功能。引自Nutrients. 2019条件必需氨基酸还有精氨酸、甘氨酸、牛磺酸等。例如在肥胖等代谢性疾病中，经常观察到较低的循环甘氨酸水平。
参考文献：
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.
María B Pascual, et al. Biosynthesis and Metabolic Fate of Phenylalanine in Conifers. Front Plant Sci. 2016 Jul 13;7:1030.
Anne Pribat, et al. Nonflowering plants possess a unique folate-dependent phenylalanine hydroxylase that is localized in chloroplasts. Plant Cell. 2010 Oct;22(10):3410-22.
Verena Kriechbaumer, et al. Characterisation of the tryptophan synthase alpha subunit in maize. BMC Plant Biol. 2008 Apr 22;8:44.
Robert K Kulis-Horn, et al. Histidine biosynthesis, its regulation and biotechnological application in Corynebacterium glutamicum. Microb Biotechnol. 2014 Jan;7(1):5-25.
Joint WHO/FAO/UNU Expert Consultation. Protein and amino acid requirements in human nutrition. World Health Organ Tech Rep Ser. 2007;(935):1-265, back cover.
Pranav Vemula, et al. Altered brain arginine metabolism in a mouse model of tauopathy. Amino Acids. 2019 Mar;51(3):513-528.
Audrey Yule Coqueiro, et al. Glutamine as an Anti-Fatigue Amino Acid in Sports Nutrition. Nutrients. 2019 Apr 17;11(4):863.
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