結構生物化學/蛋白質/氨基酸生物合成
概述
- 為了合成氨基酸，必須有一個氮源，其形式可以很容易地被利用。各種微生物將惰性氮氣還原成兩個氨分子，以提供這種氮源。另一方面，碳骨架可以透過三種不同的方式提供——這些包括檸檬酸迴圈、糖酵解途徑和戊糖磷酸途徑。
- 由於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須有效地產生正確的異構體。這是透過轉氨反應和對生物合成途徑的高度調節來實現的，透過反饋和其他機制。
氮固定
- 為了將大氣中的氮氣 (N2) 還原成氨 (NH3)，這是一個稱為氮固定的過程，微生物需要 ATP。氮固定是由氮化酶複合物完成的，這是一種具有多個氧化還原中心的酶。這種酶由還原酶和氮化酶組成。還原酶提供電子，而氮化酶利用這些電子，將大氣中的氮氣還原成氨，如下面的反應所示
- 大多數能夠固定氮的微生物透過光合作用產生還原的鐵氧還蛋白來進行此反應，提供電子。然後使用兩個 ATP 分子來轉移每個電子，這意味著生成兩個氨分子需要 2x8=16 個電子。然後可以將該反應的總反應寫為
- 然後，透過谷氨醯胺和穀氨酸氨基酸，銨離子 (NH4+) 被同化。
手性
- 在 20 種氨基酸中，人類可以合成其中的 11 種。這些氨基酸被稱為非必需氨基酸。剩下的 9 種氨基酸被稱為必需氨基酸，必須從飲食中獲得。合成 11 種非必需氨基酸需要不同的中間體，但有一個事實是它們共有的——糖酵解途徑、檸檬酸迴圈和戊糖磷酸途徑提供了它們的碳骨架來自的中間體。此外，在所有這些氨基酸中，相同的步驟確保了正確的手性。此步驟在轉氨反應中，醌中間體被質子化，形成外部醛亞胺。質子來自的方向決定了氨基酸的手性。
反饋調節
- 氨基酸生物合成的速率取決於存在的酶的量和這些酶的活性。但是，還有其他方法可以調節氨基酸的生物合成。
反饋抑制
- 氨基酸生物合成中第一個不可逆的反應被稱為承諾步驟，氨基酸合成的反饋迴路是一個負迴路，產物抑制承諾步驟的催化劑。這表明氨基酸的生物合成受負反饋迴路調節。有各種不同的反饋調節合成途徑。
分支途徑
- 分支途徑更復雜，因為它們涉及更復雜的調節。它們可能涉及正反饋和負反饋。換句話說，反應既有反饋抑制，也有反饋啟用。一個例子是蘇氨酸脫氨酶。這種酶將蘇氨酸轉化為α-酮丁酸，纈氨酸啟用該過程，而異亮氨酸抑制該過程。
- 分支途徑也可能涉及酶多樣性，這種現象是指多種酶調節或催化單個反應。這些酶可能具有不同的活性，並且具有不同的調節機制。最後，在累積抑制中，多種蛋白質能夠抑制一種酶的活性。即使被抑制的酶被一種蛋白質飽和，其他抑制蛋白質仍然可以繼續降低其活性。一個例子是大腸桿菌中谷氨醯胺合成酶的累積反饋抑制。
- 酶促級聯反應是分支途徑中另一種形式的調節。酶促級聯反應是指在起始後需要連續步驟的酶催化反應。該過程的優點是它可以放大訊號並極大地增強變構控制。這是由於需要不同的酶基本上結合了多種酶的調節，因此，整個過程將發生所有這些調節。這擴充套件了在細胞中更有效地積累氮的可能性。
所以呢？
- 為什麼氨基酸的生物合成如此重要？氨基酸不僅是所有肽和蛋白質的基本構建塊。許多生物分子也源自氨基酸。這些例子包括 DNA 和 RNA 中的嘌呤和嘧啶鹼基、一種名為組胺的血管擴張蛋白、激素甲狀腺素和激素腎上腺素，僅舉幾例。氨基酸也是體內其他化合物的一部分，例如緩衝液、抗氧化劑和酶。從氨基酸形成的另一個分子是一氧化氮 (NO)。一氧化氮源於精氨酸，並在訊號轉導中充當信使。
- 由於氨基酸參與體內如此多的蛋白質和化合物的合成，因此缺乏氨基酸也會帶來後果。由於缺乏某種氨基酸或某種源自氨基酸的化合物，可能會發生各種遺傳性疾病。一個例子是卟啉症。這種疾病可能是遺傳的，也可能在人的一生中獲得，這是由於血紅素途徑酶的缺乏引起的。
來源：Berg，Jeremy 和 Stryer，Lubert。生物化學：第五版。美國：W.H. Freeman and Company，2002 年。