氨基酸的合成與必需氨基酸（一）
在20種基本氨基酸中，人類可以合成其中的11種。另外9種氨基酸必需從食物中攝取，所以稱為必需氨基酸，即苯丙氨酸、甲硫氨酸、蘇氨酸、色氨酸、賴氨酸、組氨酸、缬氨酸、亮氨酸和異亮氨酸（Annu Rev Plant Biol. 2016）。
生化中根據氨基酸的合成途徑将其分為5類：谷氨酸類型、天冬氨酸類型、丙酮酸衍生物類型、絲氨酸類型和芳香族氨基酸類型。總體來說，各種類型中有些步驟簡單，有些就很複雜。高等動物放棄了其中較為繁瑣的，改為從食物中獲取。
谷氨酸類型都是由α-酮戊二酸衍生而來，包括谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸和精氨酸，蕈類和眼蟲的賴氨酸合成也屬于此途徑。
谷氨酸可由α-酮戊二酸與氨經谷氨酸脫氫酶催化合成，消耗NADPH（脫氨時生成的是NADH）。另一種方式是谷氨酰胺與α-酮戊二酸反應，形成2個谷氨酸，由谷氨酸合成酶催化。這種方式比較耗費能量，但谷氨酰胺合成酶Km低，可在較低的氨濃度下反應，所以更為常用。
谷氨酸合成。引自themedicalbiochemistrypage
谷氨酰胺合成酶（GS）可催化谷氨酸與氨形成谷氨酰胺，消耗一個ATP。谷氨酰胺側鍊酰胺基是一種很好用的氨基供體，可用于多種含氮物質的合成，如氨基酸、堿基等。所以這是氨合成含氮有機物的主要方式。
谷氨酰胺合成。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種含氮産物反饋抑制，稱為協同抑制。GS由GLUL基因編碼。
谷氨酰胺是血液中含量最高的氨基酸，約為500 μM。谷氨酰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，與腫瘤增殖關系密切（參見《氨基酸的轉氨、聯合脫氨與脫酰胺作用》）。
對于腫瘤細胞，谷氨酰胺也是重要的碳源和氮源。其中的兩個氨可用于含氮物質的合成，α-酮戊二酸（α-KG）進入三羧酸循環可産生能量，可轉化為丙酮酸和乳酸，也可逆轉三羧酸循環産生檸檬酸，用于脂合成，以滿足快速分裂對細胞膜的需求。
谷氨酰胺與腫瘤代謝。引自themedicalbiochemistrypage
此外，谷氨酰胺與染色質結構調控也有關系。谷氨酰胺衍生的代謝物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。
谷氨酰胺與染色質脫甲基。引自EMBO J. 2017
脯氨酸的合成可看作分解的逆轉，谷氨酸先還原成谷氨酸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
谷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，故精氨酸為半必須氨基酸。除合成精氨酸外，鳥氨酸還參與多胺代謝。
天冬氨酸類型的氨基酸由草酰乙酸合成，包括天冬氨酸、天冬酰胺、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于此途徑。
天冬氨酸合成。引自themedicalbiochemistrypage
天冬氨酸可由谷草轉氨酶（GOT，或稱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，還要消耗一個ATP的兩個高能鍵。細菌可利用遊離氨進行合成。
天冬酰胺合成。引自themedicalbiochemistrypage
細菌和植物先将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，所以隻吃谷物容易缺乏賴氨酸。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
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，但其合成機制與缬氨酸合成更相似，所以在下一篇文章中與支鍊氨基酸合成一起介紹。
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，由絲氨酸轉羟甲基酶（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-磷酸羟基丙酮酸，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《氨基酸的碳架氧化（一）》。某些植物和微生物由O-乙酰絲氨酸和H2S反應生成，其H2S可由硫酸還原而來。
參考文獻：
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.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.
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