下列何者不是 nicotine 之生合成途徑中的化合物？

本題觀念：

本題主要考查 尼古丁 (Nicotine) 的生合成途徑 (Biosynthesis pathway)。尼古丁屬於吡啶-吡咯烷類生物鹼 (Pyridine-pyrrolidine alkaloids)，其結構由兩個主要環系組成：吡啶環 (Pyridine ring) 與 吡咯烷環 (Pyrrolidine ring)。這兩個環系分別來自不同的生合成前驅物途徑，最終結合而成。

選項分析

• (A) phenylalanine (苯丙胺酸)：正確答案（非尼古丁生合成化合物）。
  • Phenylalanine 主要參與苯丙烷類 (Phenylpropanoids)、類黃酮 (Flavonoids) 以及異喹啉類生物鹼 (Isoquinoline alkaloids，如嗎啡 morphine) 的生合成。它並不是尼古丁結構中吡啶環或吡咯烷環的前驅物。
• (B) quinolinic acid (喹啉酸)：錯誤（是生合成途徑化合物）。
  • Quinolinic acid 是尼古丁結構中 吡啶環 (Pyridine ring) 的重要中間產物。
  • 在植物（如菸草）中，吡啶環的生合成是透過 Aspartic acid (天門冬胺酸) 與 Glyceraldehyde-3-phosphate (甘油醛-3-磷酸) 縮合，形成 Quinolinic acid，再轉化為 Nicotinic acid (菸鹼酸)，最終形成尼古丁的吡啶部分。
• (C) ornithine (鳥胺酸)：錯誤（是生合成途徑化合物）。
  • Ornithine 是尼古丁結構中 吡咯烷環 (Pyrrolidine ring) 的起始前驅物。
  • Ornithine 經由 Ornithine decarboxylase (ODC) 脫羧形成 Putrescine (腐胺)，再經由 Putrescine N-methyltransferase (PMT) 甲基化，最終形成 N-methyl-Δ¹-pyrrolinium cation，此即為尼古丁的吡咯烷環來源。
• (D) aspartic acid (天門冬胺酸)：錯誤（是生合成途徑化合物）。
  • Aspartic acid 是尼古丁結構中 吡啶環 (Pyridine ring) 的起始胺基酸前驅物。它經由氧化與縮合反應形成 Quinolinic acid。

答案解析

尼古丁 (Nicotine) 的生合成涉及兩條主要途徑的匯合：

1. Pyrrolidine ring (吡咯烷環) 途徑：由 Ornithine 起始 $\rightarrow$ Putrescine $\rightarrow$ N-methylputrescine $\rightarrow$ N-methyl-Δ¹-pyrrolinium cation。
2. Pyridine ring (吡啶環) 途徑：由 Aspartic acid 起始 $\rightarrow$ Quinolinic acid $\rightarrow$ Nicotinic acid (菸鹼酸)。

最後，N-methyl-Δ¹-pyrrolinium cation 與 Nicotinic acid (或其衍生物) 縮合形成 Nicotine。 由此可知，選項 (B)、(C)、(D) 皆為參與此途徑的化合物，僅有 (A) Phenylalanine 與此途徑無關。

核心知識點

考生應熟記常見生物鹼 (Alkaloids) 的胺基酸前驅物 (Precursors) 分類：

1. Ornithine (鳥胺酸) 衍生物：
   • 生物鹼類型：Pyrrolidine (如 Nicotine 的一部分)、Tropane (如 Atropine, Cocaine)。
   • 關鍵前驅物：Ornithine $\rightarrow$ Putrescine。
2. Nicotinic acid (菸鹼酸) 衍生物 (Pyridine ring 來源)：
   • 生物鹼類型：Pyridine (如 Nicotine 的一部分)、Arecoline (檳榔鹼)。
   • 植物生合成來源：Aspartic acid + Glyceraldehyde-3-P $\rightarrow$ Quinolinic acid $\rightarrow$ Nicotinic acid。
3. Tyrosine (酪胺酸) / Phenylalanine (苯丙胺酸) 衍生物：
   • 生物鹼類型：Isoquinoline (如 Morphine, Codeine, Papaverine, Tubocurarine)、Phenylethylamine (如 Ephedrine, Mescaline)。
4. Tryptophan (色胺酸) 衍生物：
   • 生物鹼類型：Indole (如 Ergot alkaloids, Vincristine, Reserpine, Strychnine)、Quinoline (如 Quinine, Camptothecin)。
5. Lysine (離胺酸) 衍生物：
   • 生物鹼類型：Piperidine (如 Lobeline)、Quinolizidine。

參考資料

1. Biosynthesis of nicotine and related alkaloids in tobacco (Shoji et al., 2017) - 詳細描述了尼古丁的 pyrrolidine 與 pyridine 環分別來自 ornithine 與 aspartate 途徑。
2. Nicotine Biosynthesis Pathway - MetaCyc - 顯示 Aspartate 經 Quinolinic acid 合成 NAD/Nicotinate 的路徑。