物质分类&通路&功能专题 | 第一期：人体必需的8种植源氨基酸

2023-02-14 23:41:14, 小维武汉迈特维尔生物科技有限公司

1. 分类

氨基酸在类别上包括蛋白质氨基酸和非蛋白质氨基酸两种类型。其中蛋白质氨基酸，即标准氨基酸——在蛋白质生物合成中，直接掺入到蛋白质分子之中，共22种，所有的生物体都含有常见的20种和2种不常见的蛋白质氨基酸：含硒半胱氨酸（第21种）和吡咯赖氨酸（第22种）。含硒半胱氨酸只存在于含硒蛋白之中，而吡咯赖氨酸仅存在于一些原核生物体内，作为与产甲烷代谢有关的某些酶的组分。其中人体所必需的氨基酸包括8种（或10种，精氨酸和组氨酸人体可以合成，但合成量达不到需求）。22种蛋白质氨基酸在结构上的差别取决于侧链基团R的不同。通常根据R基团的化学结构或性质将22种氨基酸进行分类。

按照侧链基团极性分类

按照化学结构分类

非蛋白质氨基酸是相对于组成蛋白质的20种常见氨基酸而言，指除组成蛋白质的20种常见氨基酸以外的含有氨基和羧基的化合物。非蛋白质氨基酸多以游离或小肽的形式存在于生物体的各种组织或细胞中。非蛋白质氨基酸多为蛋白氨基酸的取代衍生物或类似物，如磷酸化、甲基化、糖苷化、羟化、交联等。除此之外，还包括D-氨基酸及β、y、δ氨基酸等。据统计，从生物体内分离获得的非蛋白质氨基酸已达700多种，在动物中发现的有50多种，植物中发现的约240种，其余多存在于微生物中，其中已测定分子结构的有400多种。以前在学术上，对非蛋白质氨基酸并不重视，因为构成人体蛋白质并同生命息息相关的是蛋白质氨基酸。但随着人们对氨基酸领域的不断探寻，人们逐渐发现，非蛋白质氨基酸虽然不参与蛋白质合成，但非蛋白质氨基酸在生物体内可参与储能、形成跨膜离子通道和充当神经递质，并在抗肿瘤、抗菌、抗结核、降血压、升血压、护肝等方面发挥极其重要的作用。非蛋白质氨基酸还可以作为合成其他含氮物质的前身，如抗生素、激素、色素、生物碱等。

2. 通路及功能（8种必需氨基酸）

①芳香族氨基酸

在芳香族氨基酸中，苯丙氨酸和色氨酸被认为是必需的，而酪氨酸（Tyr）被认为是非必需的。从chorismate生物合成芳香族氨基酸Phe主要采用两种不同的代谢途径：一种是通过苯丙酮酸作为代谢中间体，另一种是通过arogenate（图1）。从分支酸合成色氨酸需要（a）邻氨基苯甲酸合酶（AS），（b）邻氨基苯甲酸磷酸转移酶，（c）邻氨基苯甲酸磷酸异构酶，（d）吲哚-3-甘油磷酸合酶和（e）α和β色氨酸合酶。其中吲哚-3-甘油磷酸合成酶，催化1-（o -羧基苯胺）-1-脱氧核酮糖5-磷酸生成吲哚-3-甘油磷酸，是已知的唯一催化吲哚环形成的酶。因此，该反应在吲哚类次生代谢物的生产中非常重要，包括生长素（吲哚-3-乙酸）、camalexin、吲哚类硫甙葡萄糖苷酸酯和吲哚类生物碱。

苯丙酮酸可作为几种次级代谢物的前体，包括苯乙醛、2-苯乙醇和2-苯乙基β- d -吡喃葡萄糖苷。此外，苯丙氨酸本身是大量中间体和次生代谢物的前体，对植物结构和防御都相当重要。Phe和Trp水平通常在光、水、冷胁迫等不同的环境条件下以及在黑暗诱导的衰老过程中上调。

图1.芳香族氨基酸合成通路

②赖氨酸

赖氨酸的生物合成在植物已经被很好的研究，具体的合成通路如图2，该途径的第一个酶，Asp激酶（AK），由几个被赖氨酸或苏氨酸反馈抑制的异构体组成；赖氨酸还能变构抑制赖氨酸合成的第一个独特酶DHDPS。参与赖氨酸生物合成的其他酶有二氢二吡啶酸还原酶、四氢二吡啶酸n -乙酰转移酶、酰基二氨基苯丙酸氨基转移酶、酰基二氨基苯丙酸去酰化酶、二氨基苯丙酸外甲基化酶和二氨基苯丙酸脱羧化酶，这些酶依次催化2，3-二氢二吡啶酸转化为赖氨酸。AK和DHDPS基因的表达均受光调控，AK的表达还受光合作用相关代谢物、蔗糖和无机磷酸盐的调控，在途径水平（及以上）的更广泛分析表明，在非生物胁迫下，赖氨酸生物合成基因普遍下调。

赖氨酸降解过程尚未完全了解，一系列关于植物和哺乳动物阐明这一重要途径的重要研究已经开始，赖氨酸通过双功能lysketo戊二酸还原酶/糖苷脱氢酶（LKR/SDH）酶转化为Glu和α-氨基己二醛，最近一项关于拟南芥ivdh-1和d2hgdh1-2突变体的研究的结果导致了第二个独立降解途径的假设，该途径负责携带相当一部分赖氨酸降解通量。

Lys水平在广泛的非生物胁迫下增加。此外，赖氨酸在种子萌发过程中也很重要，在种子萌发过程中，赖氨酸的分解作用似乎是为TCA循环提供碳的重要来源，而游离赖氨酸的水平可能会影响蛋白质的稳定性（6）。赖氨酸与其他几种必需氨基酸一起，是碳饥饿时期的重要能量来源。然而，可能需要进一步的研究来建立赖氨酸发挥其生物学功能的机制，而最近的发现赖氨酸代谢也与生物碱生物合成途径相互作用。

③苏氨酸

苏氨酸的合成只有5步，其中AK和高丝氨酸脱氢酶（HSD），Asp通路中的第一和第三个酶，分别作为单功能或双功能蛋白出现，由Thr反馈调节。除了AK，苏氨酸合成酶（TS），苏氨酸生物合成的最后一种酶，也可能发挥调节作用。TS在Met的主要分解产物s -腺苷甲硫氨酸（SAM）存在或不存在的情况下结晶，表明TS的活性受SAM的变构调节。除了苏氨酸生物合成途径中酶的调节作用外，苏氨酸的水平还受到负责其分解代谢的酶的调节。

植物中存在两种相互竞争的分解代谢途径：一种是苏氨酸脱氨酶/脱水酶，它产生2-氧丁酸盐，这是合成Ile所需的中间体（图2和图3），另一种是苏氨酸醛缩酶，它将苏氨酸转化为甘氨酸（Gly）和乙醛。

苏氨酸水平也受环境压力的调节，在干旱压力、强光和其他光压力时显著增加。

④蛋氨酸

Met的合成是从苏氨酸途径的中间体o -磷酸高丝氨酸开始的（图2）。Met生物合成的第一个参与酶，胱硫氨酸γ合成酶（CGS），结合了来自o -磷酸高丝氨酸的碳/氨基骨架和硫部分。由半胱氨酸（Cys）贡献，在CGS的N端区域存在一个MTO1的保守结构域，累积的SAM水平导致MTO1结构域翻译延伸过程的暂时停滞，导致mRNA降解。Met的水平还受其主要分解酶SAM合成酶和Met γ-裂解酶（MGL）的调节。使用放射性Met和在硅模型中检测Met代谢命运的研究表明，在拟南芥叶片中，50%的Met被转化为SAM及其相关代谢物，其余被纳入蛋白质。MGL还参与合成独特的香气挥发物。

Met是植物细胞中的一种基本代谢物，因为在它转化为SAM后，它控制了几种基本代谢物的水平，包括乙烯、多胺、生物素和植物铁载体。除了受环境压力和光调节外，它的水平被SAM下调，但被蔗糖、苏氨酸和乙烯上调。此外，Met被分解生成硫甙葡萄糖苷酸，这是一组植物次生代谢产物，可积累植物器官总硫含量的近30%，并对植食性昆虫和病原体具有驱避活性。

⑤支链氨基酸

对BCAAs生物合成途径的研究表明，在Val和Ile生物合成中有四种酶：乙酰羟基酸合成酶（AHAS）、酮酸还原异构酶（KARI）、二羟基酸脱水酶（DHAD）和支链转氨酶（BCAT）（20）（图3）。Ile的生物合成是由苏氨酸脱氨酶（TDH）反应启动的，而通向Val的途径是从丙酮酸开始的，Leu的生物合成是由3-甲基-2-氧丁酸盐转化为2-异丙基苹果酸盐启动的（图3）。蛋白质组学数据显示，这些生物合成反应仅限于质体。乙酰羟基酸合成酶（AHAS），也被称为乙酰乳酸合成酶，是该途径中研究得最好的酶，是多种除草剂的靶标。植物中KARI和DHAD的研究相对较少，DHAD反应后，ketoisovalerate一种是通过BCAT合成为Val，或者通过isopropylmalate synthase（IPMS）通路的竞争第一步合成为leu。IPMS反应之后是IPMD的反应，这是一种异二聚体。对编码基因的功能的各种突变体进行了研究各种突变体；其中一些对硫甙葡萄糖苷的组成有显著差异，该酶对拟南芥配子体的正常发育和耐盐性很重要。

三种BCAAs生物合成的最后一步由BCAT催化将各自的2-氧基酸转氨成相应的氨基酸，BCATs也可以参与这些氨基酸的降解，已经在不同的物种中被表征。拟南芥中BCAT3似乎同时参与BCAA和硫甙葡萄糖苷的生物合成。BCAA的积累限制了BCAAs衍生挥发物的产生，如2-甲基丁醇、丁酸酯和2-甲基丁酸乙酯。

尽管上面的讨论表明BCAAs的生物合成是相对完整的（正如十字花科植物中硫甙葡萄糖苷的生物合成一样），目前对分解代谢途径的理解仍然很不完整。

Ile水平与高丝氨酸、Phe、脯氨酸（Pro）、核酸、尿嘧啶、果糖和半乳糖酸的水平相关，与鲜重和总产量相关，Ile和Thr水平对胁迫的反应相似：在干旱胁迫、强光和其他光胁迫和热胁迫时，两者都显著升高。Val和Leu通常也有相似的反应，但Val在UVB胁迫下的显著积累是独一无二的。包括番茄、小麦和大麦在内的几个物种的研究表明，BCAAs在植物对干旱的反应中发挥作用。