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必須アミノ酸と非必須アミノ酸

必須アミノ酸は食事から摂取しなければならないのに対し、非必須アミノ酸は哺乳類によって合成されるものである。 なぜ生物は、ある種のアミノ酸がないと存在できないように進化したのだろうか。 おそらく、下等生物（植物や微生物）がこれらのアミノ酸をすぐに利用できるため、高等生物がそれらを生産し続ける必要がなかったのだろう。 その合成経路が選択されたのである。 しかし、植物や微生物におけるこれらの必須アミノ酸の合成経路に精通することが必要であり、それらは一般に非必須アミノ酸の合成経路よりも複雑であり、また種特異的であることが判明した。 10個が必須で、10個が非必須である。 しかし、次の2つのグラフに付随するテキストに示されているように、2つのグループの間には重複があるため、これは実際には正確な二分法ではありません。

ちなみにチロシンとは本当は必須アミノ酸の一つである。 必須アミノ酸であるフェニルアラニンの水酸化反応によって合成されるからです。また、動物ではシステインのスルフヒドリル基は必須アミノ酸であるメチオニンに由来するため、システインも必須アミノ酸と考えられます。

「必須」アミノ酸は10種類ある。

Arginine is syntized by mammals in Uurea cycle, しかし、そのほとんどは尿素とオルニチンに加水分解される。

（リンク先はDr. Diwan’s webpage on AminoAcid Catabolism for more information about thehydrolysis of urea, as well as for review of amino acid catabolism）＜6266＞＜2061＞哺乳類は乳幼児の代謝ニーズを満たすのに十分なアルギニンを合成できないため、必須アミノ酸に分類されます。

非必須アミノ酸の合成

チロシン（その直接の前駆体はフェニルアラニン、必須アミノ酸であるので）を無視して、すべての非必須アミノ酸は（と我々はここでアルギニンが含まれます）主要代謝経路の中間体から合成されています。 さらに、これらのアミノ酸の炭素骨格は、対応するa-ケト酸に追跡可能である。 したがって、非必須アミノ酸のうち、対応するケト酸が共通の中間体として存在すれば、そのケト酸をトランスアミノ化することで直接合成することが可能である。 アミノ基がアミノ酸からケト酸のa-炭素に転移する「トランスアミノ化反応」は、アミノトランスフェラーゼによって触媒される。

非常に一般的な3つのa-ケト酸は、対応するアミノ酸に一段階でトランスアミノ化することができる。

ピルビン酸（解糖系最終産物）–> アラニン

オキサロ酢酸（クエン酸サイクル中間体）–> アスパラギン酸

aケトグルタル酸（クエン酸サイクル中間体） –> グルタミン酸

個々の反応は以下のとおりである。

アスパラギンとグルタミンはそれぞれアスパラギン酸とグルタミン酸のアミド化の生成物である。 このように、アスパラギンとグルタミン、そして残りの非必須アミノ酸は、他の経路の一般的な中間体ではないため、a-ケト酸のトランスアミノ化によって直接生成されたものではない。 しかし、これらすべての炭素骨格をたどれば、a-ケト酸に行き着きます。この点は、何か深い意味があるからではなく、むしろ必須アミノ酸の合成経路の学習を単純化するための方法として申し上げたのです。

アスパラギン酸は、アスパラギン合成酵素によって触媒されるATP依存性の反応でアスパラギンに転化され、グルタミンはアミノ基供与体となる。

グルタミン合成は2段階であり、まずグルタミン酸がg-グルタミルリン酸中間体に「活性」され、続いてNH3でリン酸グループが置換する反応が行われる。

つまり、アスパラギンの合成はグルタミンの合成と本質的に結びついており、グルタミンは多くの生合成産物の形成におけるアミノ基供与体であるとともに、NH3の貯蔵形態であることが判明しています。 したがって、グルタミン酸のアミド化を担う酵素であるグルタミン合成酵素が、窒素代謝の調節に中心的な役割を担っていることが予想される。 6266>

あなたは以前、グルタミン酸デヒドロゲナーゼによるグルタミン酸の酸化的脱アミノ化を研究し、NH3とa-ケトグルタール酸を生成したことがありますね。 生成されたa-ケトグルタル酸は、他のアミノ基の付加反応に利用できますが、この反応のもう一つの生成物であるアンモニアは高濃度では毒性があるため、蓄積することが問題になっています。

グルタミン合成酵素の制御については大腸菌で研究されており、複雑ではあるが、交差する代謝経路の制御についてより深く知ることができるため、その特徴のいくつかを見てみる価値がある。 この酵素の結晶をX線回折すると、12個の同一サブユニットからなる六角柱構造（D6対称性）を発見することができる。 この酵素の活性は9種類のアロステリックフィードバック阻害剤によって制御されており、そのうち6種類はグルタミンを含む経路の最終生成物である。

ヒスチジン

トリプトファン

カルバモイルリン酸（カルバモイルリン酸合成酵素IIから合成）

グルコサミン6リン酸

AMP （次講義参照）

CTP（次講義参照）

他の3つはアラニンで、この3つのエフェクターはグルタミンが関与する経路の最終産物である。 セリン、グリシンは細胞内の窒素濃度に関する情報を持っています。

酵素は共有結合による修飾（Tyr残基のアデニル化）によっても制御されており、その結果、上記9つのエフェクターによる累積的なフィードバック阻害に対する感度が高まる。 大腸菌のグルタミン合成酵素のアデニル化とデデニル化の両方を触媒する酵素がアデニル酸転移酵素であり、この酵素は4量体の制御タンパク質PIIと複合体化している。アデニル化およびその逆の制御は、PII上にある別のTyr残基のウリジル化により、PIIレベルで行われる。PIIがウリジル化されると、グルタミン合成酵素はデデニル化され、逆にUMPがPIIのTyr残基に共有結合するとウリジル化される。ウリジル化のレベルは、同じタンパク質上にあるウリジル転移酵素とウリジル除去酵素の活性によって制御されている。 ウリジル基転移酵素はa-ケトグルタレートとATPで活性化され、グルタミンとPiで抑制される。

次の図は、細菌のグルタミン合成酵素の制御をまとめたものである（本文1035ページ参照）：

この制御カスケードを、具体例、すなわちa-ケトグルタル酸レベルの増加（それに伴うNH3レベルの増加を反映）を見ることによって「歩く」ことができます。

(1) ウリディリトランスフェラーゼ活性が上昇

(2) PII（アデニルトランスフェラーゼとの複合体）がウリディリト化

(3) グルタミン合成酵素がデデンイル化

(4) a-ケトグルタル酸のレベルが上昇

(4) b-ケトグルタル酸のレベルが低下

細菌のグルタミン合成酵素の制御が細胞の窒素代謝産物のレベルに絶妙に敏感であることは、上記のカスケードで生成したばかりのグルタミンが、さらなるグルタミン生産の阻害剤になっているという事実が示している。

授業内演習。

プロリン、オルニチン、アルギニンはグルタミン酸から誘導される

最初のステップは、酵素g-グルタミル・キナーゼでATPによるグルタミン酸のリン酸化を行い、グルタミン酸-5-セミアルデヒドに還元し、内部のシッフ塩基に自然循環（酵素は必要なし）させるもの。 セミアルデヒドの生成にはNADPまたはNADPHの存在も必要である。

しかし、セミアルデヒドは分岐点である。 一方はプロリンへ、もう一方はオルニチンやアルギニンへつながる。 グルタミン酸-5-セミアルデヒドはオルニチンにトランスアミノされ、グルタミン酸がアミノ基供与体である。 尿素サイクルの中間体であるオルニチンは、尿素サイクルを経てアルギニンに変換される。

さらに、グルタミン酸の重要性を強調するために、生理学的に活性なアミンであるg-アミノ酪酸（GABA）に変換され、脳内の主要な抑制性神経伝達物質である。

解糖系中間体である3-リン酸はセリン、システインおよびグリシンに変換される。

アミノ基供与体としてグルタミン酸が関与していることに注目する。 セリンは次の反応でグリシンに変換される：

セリン + THF –> グリシン + N5,N10 -メチレン-THF（酵素：セリンヒドロキシメチルトランスフェラーゼ）

グリシンは次の縮合反応でも生成する：

N5,N10 -メチレン-THF + CO2 + NH4+ –> グリシン（酵素：N5-メチル-THF） グリシンは酵素の作用で生成する：N5-メチル-THF + CO2 + NH4+（酵素：メチルメチル-THF）

セリン + THF + N5- メチル-THF（酵素：メチルメチルトランスフェラーゼ）

システインは、セリンとホモシステイン（メチオニン分解物）から合成される。

ser + homocysteine ->cystathionine + H2O

cystathionine + H2O –> a-ketobutyrate + cysteine + NH3

必須アミノ酸の合成

必須アミノ酸の合成経路は、次のとおりである。

(1) 小器官にしか存在しない

(2) 非必須アミノ酸よりもかなり複雑

(3) 身近な代謝前駆体を使用

(4) 種差あり

分類上、共通の前駆体に基づく以下の4「ファミリー」を考えてみよう。

(1) アスパラギン酸ファミリー：リジン、メチオニン、スレオニン

(2) ピルビン酸ファミリー：リジン、メチオニン、スレオニン

(1) アスパラギン酸ファミリー：リジン、メチオニン、スレオニン。 ロイシン、イソロイシン、バリン

(3)芳香族ファミリー。phenylalanine, Tyrosine, Tryptophan

(4) Histidine

The Aspartate Family

Lys, Met, Thrの合成は、まずアスパルテートがリン酸化されて、aspartokinaseによって触媒されたaspartyl-b-phosphateとなる第一段階を経ている：

E. coli.coliには3種類のアスパルトキナーゼのアイソザイムがあり、酵素阻害とフィードバック阻害に関して、3つのアミノ酸それぞれに対して異なる反応を示す。

アスパラギン酸からリジンへの経路は10段階、アスパラギン酸からスレオニンへの経路は5段階

アスパラギン酸からメチオニンへの経路は7段階

3経路は分岐点でも制御が行われる。

b-アスパラギン酸-セミルアルデヒド（ホモセリンとリジン）

ホモセリン（スレオニンとメチオニン）

上の括弧で示した分岐のアミノ酸産物によるフィードバック抑制によって制御が行われる。

この3つのアミノ酸のグループの合成における重要なステップ、すなわち、ホモシステインがメチオニン合成酵素によって触媒されてメチオニンに変換されるステップを考察することにします。

この反応では、ホモシステインがメチオニンにメチル化され、C1ドナーはN5-メチル-THFである。 この反応はATP（または他のヌクレオシド三リン酸）をエネルギー源としない縮合反応であり、NTPをエネルギー源として必要とする「合成酵素」と比較されるため、酵素は合成酵素ではなく「合成酵素」と呼ばれていることに注意されたい。この反応は、N5-メチル-THFからホモシステインへのアメチル基の転移と見ることもできるので、この反応を触媒する酵素の別の名前はホモシステインメチルトランスフェラーゼです。

代謝前駆体にC1単位が付加する反応は、生化学経路の研究において非常によく見られるので、この反応について検討することは合理的です。 ピルビン酸カルボキシラーゼのビオチン補酵素からピルビン酸にアカルボキシル基を転移させてオキサロ酢酸を生成する反応はすでに見ましたね（なぜこれを「転移酵素」あるいは「合成酵素」と言わないのでしょう？） また、メチオニンの分解についても勉強しましたね。メチオニンは、まずアデノシンをメチオニンに転移させてS-アデノシルメチオニン（SAM）をつくります。 SAMのスルホニウムイオン上のメチル基は反応性が高いので、SAMがメチル化剤となる反応もあることは意外に知られていない。カルボキシル化やSAMのメチル化とは異なり、THFは2つ以上の酸化状態のC1ユニットを転移させることができる。 N5,N10-メチレン-THFはメチレン基（-CH2-）を持ち、その酸化度はホルムアルデヒド（0）、N5-ホルミノ-THFはホルミノ基（-CH=NH）を持ち、その酸化度はギ酸の酸化度となる。 また、ホルミル基（-CH=O）とメテニル基（-CH=）もTHFによって転移され、これらはいずれもCの酸化度がギ酸（+2）である。 THFはN5とN10を持つため、このような転移に適した構造をしています。

私たちは、N5、N10-メチレンTHFがメチル供与体となる酵素チミジル酸シンターゼによって、dUMPからチミジル酸が合成されることを学ぶときにもTHFを見ています。

ピルビン酸ファミリー

これらは「分岐鎖」アミノ酸であり、グループとして覚えておくと便利です。なぜなら、これらはすべてピルビン酸炭素骨格に由来するだけでなく、「メープルシロップ尿症」（MSUD）という病気は分岐鎖A-ケト酸脱水素酵素が欠損して、分岐鎖A-ケト酸の蓄積を引き起こす結果であることが知られているからです。

経路の最初と最後だけを見ていきます：

最初のステップは3つのアミノ酸に共通です：

Pyruvate + TPP –> Hydroxyethyl-TPP (catalyzed by acetolactate synthase)

ヒドロキシエチル- TPPの中心炭素原子がカルバニオンであって共鳴形により安定化されていることに注意してください。

ヒドロキシエチル-TPPは別のピルビン酸と反応してa-アセト乳酸になり、その場合はバリンとイソロイシンに向かう経路と、a-ケト酪酸と反応し、その場合はイソロイシンに至る経路がある。

分岐点はa-ケトイソバレレートで、一方はバリンに、他方はロイシンにつながる。

これらのアミノ酸の形成の最終段階は、グルタミン酸から3つの分枝鎖アミノ酸のそれぞれに対応するαケト酸にアミノ基が移行することである。このように、アミノ酸の同化経路において、ある特定のアミノ酸、すなわちグルタミン酸が重要であることを示すもう1つの例がここにあります。

芳香族アミノ酸：

解糖系中間体であるホスホエノールピルビン酸（PEP）は、ペントースリン酸経路中間体であるウィザートロース4リン酸と縮合し、2-ケト-3デオキシアラビノヘプタロソン酸7リン酸および無機リン酸を形成します。 この酵素は合成酵素である。 この縮合物は最終的にコリスメートへと環化する。

ここから経路は分岐し、分岐の一端ではトリプトファン、他端ではチロシンおよびフェニルアラニンの生産に至る。

いくつかの高いポイントは言及に値する。 まず、グルタミンはトリプトファン分岐でアントラニル酸を形成するコリスメートへのアミノ基の供与体としての役割を果たす。トリプトファンの直接の前駆体はインドールである：

「インドール環」はトリプトファン構造の特徴である。 チロシンやフェニルアラニンにつながる分岐は、プレフェネートで別の分岐点を持つ。 チロシンのベンゼン環のパラ炭素が水酸化されることが、生成する2つのアミノ酸の唯一の相違点である。 実際、哺乳類では、フェニルアラニンは、フェニルアラニン水酸化酵素によって触媒され、直接チロシンに水酸化される。

フェニルケトン尿症

チロシンから非常に重要な生理的活性アミンが誘導されます。L-DOPA、ドーパミン、ノルエピネフリン、エピネフリンなどである。 チロシンからノルエピネフリンへの経路を以下に示します。

ノルエピネフリンからエピネフリンの生成には、S-アデノシルメチオニンの反応性の高いメチル基がノルエピネフリンに移行することが関与しています。

S-アデノシルメチオニンの構造：

ヒスチジン生合成：

この経路には、5-ホスホリボシルアピロリン酸（以降、「PRPP」と呼ぶ）という分子が関わっているので少し詳しく見ていきましょう。 PRPPはプリンやピリミジンの合成にも関与していることがわかる。 ヒスチジン合成の最初のステップでは、PRPPはATPと縮合し、プリンであるN1-5′-ホスホリボシルATPを形成する。この反応は、縮合したピロリン酸が加水分解されることによって進行する。 グルタミンは再びアミノ基供与体としての役割を果たし、今度はプリン生合成の中間体である5-アミノアミダゾール-4-カルボキシイミデリボヌクレオチド（ACAIR）が生成されることになる。

ヒスチジンは、その生合成がヌクレオチド形成の経路と本質的に関連しているという点で特別である。 ヒスチジン残基は酵素活性部位に多く存在し、ヒスチジンのイミダゾール環の化学的性質により、親核性で優れた酸/塩基触媒となります。 現在、RNAが触媒作用を持つことが分かっており、生命はもともとRNAベースであったという推測がなされている。 6266>

生理活性アミンであるヒスタミンはヒスチジンから生成される：