结构生物化学/蛋白质/氨基酸生物合成
概述
- 为了合成氨基酸，必须有一个氮源，其形式可以很容易地被利用。各种微生物将惰性氮气还原成两个氨分子，以提供这种氮源。另一方面，碳骨架可以通过三种不同的方式提供——这些包括柠檬酸循环、糖酵解途径和戊糖磷酸途径。
- 由于除了甘氨酸之外的所有氨基酸都是手性的，因此氨基酸的生物合成必须有效地产生正确的异构体。这是通过转氨反应和对生物合成途径的高度调节来实现的，通过反馈和其他机制。
氮固定
- 为了将大气中的氮气 (N2) 还原成氨 (NH3)，这是一个称为氮固定的过程，微生物需要 ATP。氮固定是由氮化酶复合物完成的，这是一种具有多个氧化还原中心的酶。这种酶由还原酶和氮化酶组成。还原酶提供电子，而氮化酶利用这些电子，将大气中的氮气还原成氨，如下面的反应所示
- 大多数能够固定氮的微生物通过光合作用产生还原的铁氧还蛋白来进行此反应，提供电子。然后使用两个 ATP 分子来转移每个电子，这意味着生成两个氨分子需要 2x8=16 个电子。然后可以将该反应的总反应写为
- 然后，通过谷氨酰胺和谷氨酸氨基酸，铵离子 (NH4+) 被同化。
手性
- 在 20 种氨基酸中，人类可以合成其中的 11 种。这些氨基酸被称为非必需氨基酸。剩下的 9 种氨基酸被称为必需氨基酸，必须从饮食中获得。合成 11 种非必需氨基酸需要不同的中间体，但有一个事实是它们共有的——糖酵解途径、柠檬酸循环和戊糖磷酸途径提供了它们的碳骨架来自的中间体。此外，在所有这些氨基酸中，相同的步骤确保了正确的手性。此步骤在转氨反应中，醌中间体被质子化，形成外部醛亚胺。质子来自的方向决定了氨基酸的手性。
反馈调节
- 氨基酸生物合成的速率取决于存在的酶的量和这些酶的活性。但是，还有其他方法可以调节氨基酸的生物合成。
反馈抑制
- 氨基酸生物合成中第一个不可逆的反应被称为承诺步骤，氨基酸合成的反馈回路是一个负回路，产物抑制承诺步骤的催化剂。这表明氨基酸的生物合成受负反馈回路调节。有各种不同的反馈调节合成途径。
分支途径
- 分支途径更复杂，因为它们涉及更复杂的调节。它们可能涉及正反馈和负反馈。换句话说，反应既有反馈抑制，也有反馈激活。一个例子是苏氨酸脱氨酶。这种酶将苏氨酸转化为α-酮丁酸，缬氨酸激活该过程，而异亮氨酸抑制该过程。
- 分支途径也可能涉及酶多样性，这种现象是指多种酶调节或催化单个反应。这些酶可能具有不同的活性，并且具有不同的调节机制。最后，在累积抑制中，多种蛋白质能够抑制一种酶的活性。即使被抑制的酶被一种蛋白质饱和，其他抑制蛋白质仍然可以继续降低其活性。一个例子是大肠杆菌中谷氨酰胺合成酶的累积反馈抑制。
- 酶促级联反应是分支途径中另一种形式的调节。酶促级联反应是指在起始后需要连续步骤的酶催化反应。该过程的优点是它可以放大信号并极大地增强变构控制。这是由于需要不同的酶基本上结合了多种酶的调节，因此，整个过程将发生所有这些调节。这扩展了在细胞中更有效地积累氮的可能性。
所以呢？
- 为什么氨基酸的生物合成如此重要？氨基酸不仅是所有肽和蛋白质的基本构建块。许多生物分子也源自氨基酸。这些例子包括 DNA 和 RNA 中的嘌呤和嘧啶碱基、一种名为组胺的血管扩张蛋白、激素甲状腺素和激素肾上腺素，仅举几例。氨基酸也是体内其他化合物的一部分，例如缓冲液、抗氧化剂和酶。从氨基酸形成的另一个分子是一氧化氮 (NO)。一氧化氮源于精氨酸，并在信号转导中充当信使。
- 由于氨基酸参与体内如此多的蛋白质和化合物的合成，因此缺乏氨基酸也会带来后果。由于缺乏某种氨基酸或某种源自氨基酸的化合物，可能会发生各种遗传性疾病。一个例子是卟啉症。这种疾病可能是遗传的，也可能在人的一生中获得，这是由于血红素途径酶的缺乏引起的。
来源：Berg，Jeremy 和 Stryer，Lubert。生物化学：第五版。美国：W.H. Freeman and Company，2002 年。