Аминокислоты — это органические соединения , которые содержат как амино- , так и карбоксильные функциональные группы . [1] Хотя в природе существует более 500 аминокислот, наиболее важными из них являются 22 α-аминокислоты, входящие в состав белков . [2] Только эти 22 аминокислоты присутствуют в генетическом коде жизни. [3] [4]
Аминокислоты можно классифицировать в соответствии с расположением основных структурных функциональных групп ( альфа- (α-) , бета- (β-) , гамма- (γ-) аминокислоты и т. д.); другие категории относятся к полярности , ионизации и типу группы боковой цепи ( алифатические , ациклические , ароматические , полярные и т. д.). В форме белков остатки аминокислот образуют второй по величине компонент ( вода является крупнейшим) человеческих мышц и других тканей . [5] Помимо своей роли в качестве остатков в белках, аминокислоты участвуют в ряде процессов, таких как транспорт нейротрансмиттеров и биосинтез . Считается, что они сыграли ключевую роль в обеспечении жизни на Земле и ее возникновении . [6]
Аминокислоты формально названы Совместной комиссией по биохимической номенклатуре IUPAC - IUBMB в терминах фиктивной «нейтральной» структуры, показанной на иллюстрации. Например, систематическое название аланина — 2-аминопропановая кислота, основанное на формуле CH 3 −CH(NH 2 )−COOH . Комиссия обосновала этот подход следующим образом: [7]
Приведенные систематические названия и формулы относятся к гипотетическим формам, в которых аминогруппы не протонированы, а карбоксильные группы не диссоциированы. Это соглашение полезно для избежания различных номенклатурных проблем, но его не следует понимать как то, что эти структуры представляют собой значительную часть молекул аминокислот.
Первые несколько аминокислот были открыты в начале 1800-х годов. [8] [9] В 1806 году французские химики Луи-Николя Воклен и Пьер Жан Робике выделили из спаржи соединение , которое впоследствии было названо аспарагином , первой открытой аминокислотой. [10] [11] Цистин был открыт в 1810 году, [12] хотя его мономер, цистеин , оставался неоткрытым до 1884 года. [13] [11] [a] Глицин и лейцин были открыты в 1820 году. [14] Последней из 20 распространенных аминокислот, которая была открыта, был треонин в 1935 году Уильямом Каммингом Роузом , который также определил незаменимые аминокислоты и установил минимальную суточную потребность во всех аминокислотах для оптимального роста. [15] [16]
Единство химической категории было признано Вюрцем в 1865 году, но он не дал ей конкретного названия. [17] Первое использование термина «аминокислота» в английском языке датируется 1898 годом, [18] в то время как немецкий термин Aminosäure использовался ранее. [19] Было обнаружено, что белки дают аминокислоты после ферментативного переваривания или кислотного гидролиза . В 1902 году Эмиль Фишер и Франц Хофмайстер независимо друг от друга предположили, что белки образуются из многих аминокислот, посредством чего образуются связи между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксильной группой другой, в результате чего образуется линейная структура, которую Фишер назвал « пептидом ». [20]
2- , альфа- или α-аминокислоты [21] в большинстве случаев имеют общую формулу H2NCHRCOOH , [b] где R представляет собой органический заместитель , известный как « боковая цепь ». [22]
Из многих сотен описанных аминокислот 22 являются протеиногенными («белкообразующими»). [23] [24] [25] Именно эти 22 соединения объединяются, чтобы дать огромный массив пептидов и белков, собираемых рибосомами . [26] Непротеиногенные или модифицированные аминокислоты могут возникать в результате посттрансляционной модификации или во время нерибосомального синтеза пептидов.
Атом углерода рядом с карбоксильной группой называется α–углеродом . В протеиногенных аминокислотах он несет амин и группу R или боковую цепь, специфичную для каждой аминокислоты, а также атом водорода. За исключением глицина, у которого боковая цепь также является атомом водорода, α–углерод является стереогенным . Все хиральные протеогенные аминокислоты имеют конфигурацию L. Они являются «левосторонними» энантиомерами , что относится к стереоизомерам альфа-углерода.
Несколько D -аминокислот («правосторонних») были обнаружены в природе, например, в бактериальных оболочках , как нейромодуляторы ( D - серин ), и в некоторых антибиотиках . [27] [28] Редко остатки D -аминокислот встречаются в белках и преобразуются из L -аминокислот в качестве посттрансляционной модификации . [29] [c]
Пять аминокислот обладают зарядом при нейтральном pH. Часто эти боковые цепи появляются на поверхности белков, чтобы обеспечить их растворимость в воде, а боковые цепи с противоположными зарядами образуют важные электростатические контакты, называемые солевыми мостиками , которые поддерживают структуры внутри одного белка или между взаимодействующими белками. [32] Многие белки специфически связывают металл в свои структуры, и эти взаимодействия обычно опосредуются заряженными боковыми цепями, такими как аспартат , глутамат и гистидин . При определенных условиях каждая ионобразующая группа может быть заряжена, образуя двойные соли. [33]
Две отрицательно заряженные аминокислоты при нейтральном pH — это аспартат (Asp, D) и глутамат (Glu, E). Анионные карбоксилатные группы ведут себя как основания Бренстеда в большинстве случаев. [32] Ферменты в средах с очень низким pH, такие как аспарагиновая протеаза пепсин в желудках млекопитающих, могут иметь каталитические остатки аспартата или глутамата, которые действуют как кислоты Бренстеда.
Существует три аминокислоты с боковыми цепями, которые являются катионами при нейтральном pH: аргинин (Arg, R), лизин (Lys, K) и гистидин (His, H). Аргинин имеет заряженную гуанидиногруппу , а лизин — заряженную алкиламиногруппу, и полностью протонированы при pH 7. Имидазольная группа гистидина имеет pK a 6,0 и протонирована только на 10% при нейтральном pH. Поскольку гистидин легко обнаруживается в своих основных и сопряженных кислотных формах, он часто участвует в каталитических переносах протонов в ферментативных реакциях. [32]
Полярные, незаряженные аминокислоты серин (Ser, S), треонин (Thr, T), аспарагин (Asn, N) и глутамин (Gln, Q) легко образуют водородные связи с водой и другими аминокислотами. [32] Они не ионизируются в нормальных условиях, заметным исключением является каталитический серин в сериновых протеазах . Это пример серьезного возмущения, и он не характерен для остатков серина в целом. Треонин имеет два хиральных центра, не только хиральный центр L (2 S ) на α-углероде, общий для всех аминокислот, за исключением ахирального глицина, но также (3 R ) на β-углероде. Полная стереохимическая спецификация: (2 S ,3 R )- L - треонин .
Неполярные взаимодействия аминокислот являются основной движущей силой процессов, которые сворачивают белки в их функциональные трехмерные структуры. [32] Ни одна из боковых цепей этих аминокислот не ионизируется легко и, следовательно, не имеет pK a s, за исключением тирозина (Tyr, Y). Гидроксил тирозина может депротонироваться при высоком pH, образуя отрицательно заряженный фенолят. Из-за этого можно было бы отнести тирозин к категории полярных, незаряженных аминокислот, но его очень низкая растворимость в воде хорошо соответствует характеристикам гидрофобных аминокислот.
Несколько боковых цепей не описываются хорошо категориями заряженных, полярных и гидрофобных. Глицин (Gly, G) можно считать полярной аминокислотой, поскольку его небольшой размер означает, что его растворимость в значительной степени определяется амино- и карбоксилатными группами. Однако отсутствие какой-либо боковой цепи обеспечивает глицину уникальную гибкость среди аминокислот с большими разветвлениями для сворачивания белка. [32] Цистеин (Cys, C) также может легко образовывать водородные связи, что помещает его в категорию полярных аминокислот, хотя его часто можно найти в белковых структурах, образуя ковалентные связи, называемые дисульфидными связями , с другими цистеинами. Эти связи влияют на сворачивание и стабильность белков и необходимы для образования антител . Пролин (Pro, P) имеет алкильную боковую цепь и может считаться гидрофобным, но поскольку боковая цепь присоединяется обратно к альфа-аминогруппе, он становится особенно негибким при включении в белки. Подобно глицину, он влияет на структуру белка уникальным для аминокислот образом. Селеноцистеин (Sec, U) — редкая аминокислота, которая напрямую не кодируется ДНК, но включается в белки через рибосому. Селеноцистеин имеет более низкий окислительно-восстановительный потенциал по сравнению с аналогичным цистеином и участвует в нескольких уникальных ферментативных реакциях. [34] Пирролизин (Pyl, O) — еще одна аминокислота, которая не кодируется ДНК, но синтезируется в белок рибосомами. [35] Он обнаружен у видов архей, где участвует в каталитической активности нескольких метилтрансфераз.
Аминокислоты со структурой NH+3−CXY−CXY−CO−2, такие как β-аланин , компонент карнозина и некоторых других пептидов, являются β-аминокислотами. Те, у которых структура NH+3−CXY−CXY−CXY−CO−2являются γ-аминокислотами и т. д., где X и Y — два заместителя (один из которых обычно H). [7]
Распространенные природные формы аминокислот имеют цвиттер-ионную структуру с −NH+3( −NH+2− в случае пролина) и −CO−2Функциональные группы, присоединенные к одному и тому же атому С, и, таким образом, являются α-аминокислотами, и являются единственными, которые встречаются в белках во время трансляции в рибосоме. В водном растворе при pH, близком к нейтральному, аминокислоты существуют в виде цвиттерионов , т.е. в виде диполярных ионов с обеими NH+3и СО−2в заряженных состояниях, поэтому общая структура — NH+3−CHR−CO−2. При физиологическом pH так называемые «нейтральные формы» −NH 2 −CHR−CO 2 H не присутствуют в какой-либо измеримой степени. [36] Хотя два заряда в структуре цвиттер-иона в сумме дают ноль, ошибочно называть вид с чистым зарядом ноль «незаряженным».
В сильнокислых условиях (pH ниже 3) карбоксилатная группа становится протонированной, и структура становится аммонийкарбоновой кислотой, NH+3−CHR−CO 2 H . Это относится к ферментам, таким как пепсин, которые активны в кислой среде, например, в желудке млекопитающих и лизосомах , но не имеет существенного отношения к внутриклеточным ферментам. В условиях высокой щелочности (pH более 10, что обычно не наблюдается в физиологических условиях) аммонийная группа депротонируется, давая NH 2 −CHR−CO−2.
Хотя в химии используются различные определения кислот и оснований, единственное, которое полезно для химии в водном растворе, — это определение Бренстеда : [37] [38] кислота — это вид, который может отдавать протон другому виду, а основание — это вид, который может принимать протон. Этот критерий используется для обозначения групп на приведенной выше иллюстрации. Карбоксилатные боковые цепи остатков аспартата и глутамата являются основными основаниями Бренстеда в белках. Аналогично, лизин, тирозин и цистеин обычно действуют как кислота Бренстеда. Гистидин в этих условиях может действовать и как кислота Бренстеда, и как основание.
Для аминокислот с незаряженными боковыми цепями цвиттер-ион преобладает при значениях pH между двумя значениями p K a , но сосуществует в равновесии с небольшими количествами чистых отрицательных и чистых положительных ионов. В средней точке между двумя значениями p K a следовое количество чистых отрицательных и следовое количество чистых положительных ионов уравновешиваются, так что средний чистый заряд всех присутствующих форм равен нулю. [39] Этот pH известен как изоэлектрическая точка p I , поэтому p I = 1/2 (p K a1 + p K a2 ).
Для аминокислот с заряженными боковыми цепями задействован p K a боковой цепи. Таким образом, для аспартата или глутамата с отрицательными боковыми цепями терминальная аминогруппа по существу полностью находится в заряженной форме −NH+3, но этот положительный заряд должен быть сбалансирован состоянием, в котором только одна C-концевая карбоксилатная группа заряжена отрицательно. Это происходит на полпути между двумя значениями p K a карбоксилата : p I = 1/2 (p K a1 + p K a(R) ), где p K a(R) — боковая цепь p K a . [38]
Аналогичные соображения применимы и к другим аминокислотам с ионизируемыми боковыми цепями, включая не только глутамат (похожий на аспартат), но и цистеин, гистидин, лизин, тирозин и аргинин с положительными боковыми цепями.
Аминокислоты имеют нулевую подвижность в электрофорезе в своей изоэлектрической точке, хотя это поведение обычно используется для пептидов и белков, чем для отдельных аминокислот. Цвиттерионы имеют минимальную растворимость в своей изоэлектрической точке, и некоторые аминокислоты (в частности, с неполярными боковыми цепями) могут быть выделены осаждением из воды путем корректировки pH до требуемой изоэлектрической точки.
20 канонических аминокислот можно классифицировать в соответствии с их свойствами. Важными факторами являются заряд, гидрофильность или гидрофобность , размер и функциональные группы. [28] Эти свойства влияют на структуру белка и белок-белковые взаимодействия . Водорастворимые белки, как правило, имеют свои гидрофобные остатки ( Leu , Ile , Val , Phe и Trp ), скрытые в середине белка, тогда как гидрофильные боковые цепи подвергаются воздействию водного растворителя. (В биохимии остаток относится к определенному мономеру в полимерной цепи полисахарида , белка или нуклеиновой кислоты .) Интегральные мембранные белки, как правило, имеют внешние кольца из открытых гидрофобных аминокислот, которые закрепляют их в липидном бислое . Некоторые периферические мембранные белки имеют участок гидрофобных аминокислот на своей поверхности, который прилипает к мембране. Аналогичным образом, белки, которые должны связываться с положительно заряженными молекулами, имеют поверхности, богатые отрицательно заряженными аминокислотами, такими как глутамат и аспартат , в то время как белки, связывающиеся с отрицательно заряженными молекулами, имеют поверхности, богатые положительно заряженными аминокислотами, такими как лизин и аргинин . Например, лизин и аргинин присутствуют в больших количествах в областях низкой сложности белков, связывающих нуклеиновые кислоты. [40] Существуют различные шкалы гидрофобности аминокислотных остатков. [41]
Некоторые аминокислоты обладают особыми свойствами. Цистеин может образовывать ковалентные дисульфидные связи с другими остатками цистеина. Пролин образует цикл с полипептидным остовом, а глицин более гибок, чем другие аминокислоты.
Глицин и пролин широко представлены в областях низкой сложности как эукариотических, так и прокариотических белков, тогда как противоположная ситуация наблюдается с цистеином, фенилаланином, триптофаном, метионином, валином, лейцином, изолейцином, которые являются высокореактивными, или сложными, или гидрофобными. [40] [42] [43]
Многие белки подвергаются ряду посттрансляционных модификаций , в результате чего к боковым цепям аминокислотных остатков присоединяются дополнительные химические группы, иногда образуя липопротеины (которые являются гидрофобными) [44] или гликопротеины (которые являются гидрофильными) [45], что позволяет белку временно прикрепляться к мембране. Например, сигнальный белок может прикрепляться, а затем открепляться от клеточной мембраны, поскольку он содержит остатки цистеина, к которым может быть добавлена жирная кислота пальмитиновая кислота , а затем удалена. [46]
Хотя в таблицу включены однобуквенные символы, IUPAC–IUBMB рекомендует [7] , чтобы «использование однобуквенных символов было ограничено сравнением длинных последовательностей».
Однобуквенное обозначение было выбрано IUPAC-IUB на основе следующих правил: [47]
Аминокислота | 3-х и 1-буквенные символы | Боковая цепь | Индекс гидропатии [50] | Молярная поглощательная способность [51] | Молекулярная масса | Содержание белков (%) [52] | Стандартное генетическое кодирование, нотация ИЮПАК | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
3 | 1 | Сорт | Химическая полярность [53] | Чистый заряд при pH 7,4 [53] | Длина волны, λ макс (нм) | Коэффициент ε (мМ -1 ·см -1 ) | |||||
Аланин | Ала | А | Алифатический | Неполярный | Нейтральный | 1.8 | 89.094 | 8.76 | ГЦН | ||
Аргинин | Арг | Р | Фиксированный катион | Базовый полярный | Положительный | −4,5 | 174.203 | 5.78 | МГР, КГГ [54] | ||
Аспарагин | Асн | Н | Амид | Полярный | Нейтральный | −3,5 | 132.119 | 3.93 | ААЙ | ||
Аспартат | Аспид | Д | Анион | База Бренстеда | Отрицательно | −3,5 | 133.104 | 5.49 | ГЕЙ | ||
Цистеин | Цис | С | Тиол | кислота Бренстеда | Нейтральный | 2.5 | 250 | 0.3 | 121.154 | 1.38 | УГЫ |
Глютамин | Глн | В | Амид | Полярный | Нейтральный | −3,5 | 146.146 | 3.9 | МАШИНА | ||
Глутамат | Глю | Э | Анион | База Бренстеда | Отрицательно | −3,5 | 147.131 | 6.32 | ГАР | ||
Глицин | Гли | Г | Алифатический | Неполярный | Нейтральный | −0,4 | 75.067 | 7.03 | ГГН | ||
Гистидин | Его | ЧАС | Катионный | Кислота и основание Бренстеда | Положительный, 10% Нейтральный, 90% | −3.2 | 211 | 5.9 | 155.156 | 2.26 | КЕЙ |
Изолейцин | Иль | я | Алифатический | Неполярный | Нейтральный | 4.5 | 131.175 | 5.49 | АУХ | ||
Лейцин | Лея | Л | Алифатический | Неполярный | Нейтральный | 3.8 | 131.175 | 9.68 | ЮР, КУЙ [55] | ||
Лизин | Лис | К | Катион | кислота Бренстеда | Положительный | −3,9 | 146.189 | 5.19 | ААР | ||
Метионин | Встретился | М | Тиоэфир | Неполярный | Нейтральный | 1.9 | 149.208 | 2.32 | АВГУСТ | ||
Фенилаланин | Пхе | Ф | Ароматный | Неполярный | Нейтральный | 2.8 | 257, 206, 188 | 0,2, 9,3, 60,0 | 165.192 | 3.87 | УУЙ |
Пролин | Профи | П | Циклический | Неполярный | Нейтральный | −1,6 | 115.132 | 5.02 | ЦКН | ||
Серин | Сер | С | Гидроксильный | Полярный | Нейтральный | −0,8 | 105.093 | 7.14 | UCN, АГЯ | ||
Треонин | Чт | Т | Гидроксильный | Полярный | Нейтральный | −0,7 | 119.119 | 5.53 | АКС | ||
триптофан | Трп | Вт | Ароматный | Неполярный | Нейтральный | −0,9 | 280, 219 | 5.6, 47.0 | 204.228 | 1.25 | УГГ |
Тирозин | Тир | И | Ароматный | кислота Бренстеда | Нейтральный | −1,3 | 274, 222, 193 | 1.4, 8.0, 48.0 | 181.191 | 2.91 | УАЙ |
Валин | Вал | В | Алифатический | Неполярный | Нейтральный | 4.2 | 117.148 | 6.73 | ПИСТОЛЕТ |
У некоторых видов две дополнительные аминокислоты кодируются кодонами , которые обычно интерпретируются как стоп-кодоны :
21-я и 22-я аминокислоты | 3-буквенный | 1-буква | Молекулярная масса |
---|---|---|---|
Селеноцистеин | Сек | У | 168.064 |
Пирролизин | Пыл | О | 255.313 |
В дополнение к конкретным аминокислотным кодам, заполнители используются в случаях, когда химический или кристаллографический анализ пептида или белка не может окончательно определить идентичность остатка. Они также используются для суммирования консервативных мотивов белковой последовательности . Использование отдельных букв для обозначения наборов похожих остатков похоже на использование кодов сокращений для вырожденных оснований . [56] [57]
Неоднозначные аминокислоты | 3-буквенный | 1-буква | Включены аминокислоты | Кодоны включены |
---|---|---|---|---|
Любой / неизвестный | Хаа | Х | Все | ННН |
Аспарагин или аспартат | Асх | Б | Д, Н | РЭЙ |
Глютамин или глутамат | Глкс | З | Э, К | САР |
Лейцин или изолейцин | Xle | Дж. | Я, Л | YTR, ATH, CTY [58] |
Гидрофобный | Ф | В, И, Л, Ф, Ш, Ю, М | НТН, ТАЙ, ТГГ | |
Ароматный | Ω | Ж, Ш, Ю, Ч | YWY, TTY, TGG [59] | |
Алифатические (неароматические) | Ψ | В, И, Л, М | ВТН, ТТР [60] | |
Маленький | π | П, Г, А, С | БКН, РГГ, ГГР | |
Гидрофильный | ζ | С, Т, Н, К, Э, Д, К, Р | ВАН, ВКН, КГН, АГИ [61] | |
Положительно заряженный | + | К, Р, Н | АРР, КРАЙ, КГР | |
Отрицательно заряженный | − | Д, Э | ГАН |
Иногда вместо Xaa используется Unk , но это менее стандартно.
Ter или * (от terminate) используется в обозначении мутаций в белках, когда появляется стоп-кодон. Он соответствует отсутствию аминокислоты вообще. [62]
Кроме того, многие нестандартные аминокислоты имеют определенный код. Например, несколько пептидных препаратов, таких как Бортезомиб и MG132 , синтезируются искусственно и сохраняют свои защитные группы , которые имеют определенные коды. Бортезомиб представляет собой Pyz –Phe–boroLeu, а MG132 представляет собой Z –Leu–Leu–Leu–al. Для помощи в анализе структуры белка доступны фотореактивные аналоги аминокислот . К ним относятся фотолейцин ( pLeu ) и фотометионин ( pMet ). [63]
Аминокислоты являются предшественниками белков. [26] Они соединяются посредством реакций конденсации, образуя короткие полимерные цепи, называемые пептидами, или более длинные цепи, называемые либо полипептидами, либо белками. Эти цепи линейны и неразветвлены, причем каждый аминокислотный остаток в цепи прикреплен к двум соседним аминокислотам. В природе процесс создания белков, кодируемых генетическим материалом РНК, называется трансляцией и включает в себя пошаговое добавление аминокислот к растущей белковой цепи рибозимом , который называется рибосомой . [64] Порядок, в котором добавляются аминокислоты, считывается через генетический код с шаблона мРНК , который представляет собой РНК, полученную из одного из генов организма .
Двадцать две аминокислоты естественным образом включены в полипептиды и называются протеиногенными или природными аминокислотами. [28] Из них 20 кодируются универсальным генетическим кодом. Оставшиеся 2, селеноцистеин и пирролизин , включаются в белки с помощью уникальных синтетических механизмов. Селеноцистеин включается, когда транслируемая мРНК включает элемент SECIS , который заставляет кодон UGA кодировать селеноцистеин вместо стоп-кодона. [65] Пирролизин используется некоторыми метаногенными археями в ферментах, которые они используют для производства метана . Он кодируется кодоном UAG, который обычно является стоп-кодоном в других организмах. [66]
Несколько независимых эволюционных исследований предположили, что Gly, Ala, Asp, Val, Ser, Pro, Glu, Leu, Thr могут принадлежать к группе аминокислот, которые составляли ранний генетический код, тогда как Cys, Met, Tyr, Trp, His, Phe могут принадлежать к группе аминокислот, которые составляли более поздние дополнения к генетическому коду. [67] [68] [69]
20 аминокислот, которые кодируются непосредственно кодонами универсального генетического кода, называются стандартными или каноническими аминокислотами. Модифицированная форма метионина ( N -формилметионин ) часто включается вместо метионина в качестве начальной аминокислоты белков в бактериях, митохондриях и пластидах (включая хлоропласты). Другие аминокислоты называются нестандартными или неканоническими . Большинство нестандартных аминокислот также являются непротеиногенными (т. е. они не могут быть включены в белки во время трансляции), но две из них являются протеиногенными, поскольку они могут быть включены в белки трансляционно, используя информацию, не закодированную в универсальном генетическом коде.
Две нестандартные протеиногенные аминокислоты — селеноцистеин (присутствует во многих неэукариотах, а также в большинстве эукариот, но не кодируется напрямую ДНК) и пирролизин (встречается только в некоторых археях и по крайней мере в одной бактерии ). Включение этих нестандартных аминокислот встречается редко. Например, 25 человеческих белков включают селеноцистеин в свою первичную структуру, [70] а структурно охарактеризованные ферменты (селеноферменты) используют селеноцистеин в качестве каталитического фрагмента в своих активных центрах. [71] Пирролизин и селеноцистеин кодируются с помощью вариантных кодонов. Например, селеноцистеин кодируется стоп-кодоном и элементом SECIS . [72] [73] [74]
N -формилметионин (который часто является начальной аминокислотой белков в бактериях, митохондриях и хлоропластах ) обычно рассматривается как форма метионина, а не как отдельная протеиногенная аминокислота. Комбинации кодон– тРНК, не встречающиеся в природе, также могут использоваться для «расширения» генетического кода и формирования новых белков, известных как аллопротеины , включающие непротеиногенные аминокислоты . [75] [76] [77]
Помимо 22 протеиногенных аминокислот , известно много непротеиногенных аминокислот. Они либо не встречаются в белках (например, карнитин , ГАМК , левотироксин ), либо не производятся напрямую и изолированно стандартными клеточными механизмами. Например, гидроксипролин синтезируется из пролина . Другой пример — селенометионин ).
Непротеиногенные аминокислоты, которые находятся в белках, образуются путем посттрансляционной модификации . Такие модификации также могут определять локализацию белка, например, добавление длинных гидрофобных групп может привести к связыванию белка с фосфолипидной мембраной. [78] Примеры:
Некоторые непротеиногенные аминокислоты не встречаются в белках. Примерами являются 2-аминоизомасляная кислота и нейротрансмиттер гамма-аминомасляная кислота . Непротеиногенные аминокислоты часто встречаются как промежуточные продукты в метаболических путях для стандартных аминокислот - например, орнитин и цитруллин встречаются в цикле мочевины , части катаболизма аминокислот (см. ниже). [82] Редким исключением из доминирования α-аминокислот в биологии является β-аминокислота бета-аланин (3-аминопропановая кислота), которая используется в растениях и микроорганизмах в синтезе пантотеновой кислоты (витамина B 5 ), компонента кофермента A . [83]
Аминокислоты не являются типичным компонентом пищи: животные едят белки. Белок расщепляется на аминокислоты в процессе пищеварения. Затем они используются для синтеза новых белков, других биомолекул или окисляются до мочевины и углекислого газа в качестве источника энергии. [84] Путь окисления начинается с удаления аминогруппы трансаминазой ; затем аминогруппа поступает в цикл мочевины . Другим продуктом переамидирования является кетокислота , которая входит в цикл лимонной кислоты . [85] Глюкогенные аминокислоты также могут быть преобразованы в глюкозу посредством глюконеогенеза . [86]
Из 20 стандартных аминокислот девять ( His , Ile , Leu , Lys , Met , Phe , Thr , Trp и Val ) называются незаменимыми аминокислотами , поскольку организм человека не может синтезировать их из других соединений на уровне, необходимом для нормального роста, поэтому они должны поступать с пищей. [87] [88] [89]
Кроме того, цистеин, тирозин и аргинин считаются полунезаменимыми аминокислотами, а таурин — полунезаменимой аминосульфоновой кислотой у детей. Некоторые аминокислоты условно незаменимы для определенных возрастов или медицинских состояний. Незаменимые аминокислоты также могут различаться у разных видов . [d] Метаболические пути, синтезирующие эти мономеры, не полностью развиты. [90] [91]
Многие протеиногенные и непротеиногенные аминокислоты имеют биологические функции, выходящие за рамки предшественников белков и пептидов. У людей аминокислоты также играют важную роль в различных биосинтетических путях. Защита от травоядных у растений иногда использует аминокислоты. [95] Примеры:
Аминокислоты иногда добавляют в корм для животных , поскольку некоторые компоненты этих кормов, такие как соевые бобы , имеют низкие уровни некоторых незаменимых аминокислот , особенно лизина, метионина, треонина и триптофана. [107] Аналогичным образом аминокислоты используются для хелатирования катионов металлов с целью улучшения усвоения минералов из кормовых добавок. [108]
Пищевая промышленность является крупным потребителем аминокислот, особенно глутаминовой кислоты , которая используется в качестве усилителя вкуса , [109] и аспартама (1-метиловый эфир аспартилфенилаланина), который используется в качестве искусственного подсластителя . [110] Иногда производители добавляют аминокислоты в пищу для облегчения симптомов дефицита минералов, таких как анемия, путем улучшения усвоения минералов и снижения негативных побочных эффектов от неорганических минеральных добавок. [111]
Аминокислоты являются недорогим сырьем, используемым в хиральном пуловом синтезе в качестве энантиомерно чистых строительных блоков. [112] [113]
Аминокислоты используются в синтезе некоторых косметических средств . [107]
Хелатирующая способность аминокислот иногда используется в удобрениях для облегчения доставки минералов растениям с целью исправления дефицита минералов, например , хлороза железа. Эти удобрения также используются для предотвращения возникновения дефицита и улучшения общего состояния здоровья растений. [114]
Аминокислоты рассматривались как компоненты биоразлагаемых полимеров, которые применяются в качестве экологически чистой упаковки, а также в медицине для доставки лекарств и создания протезных имплантатов . [115] Интересным примером таких материалов является полиаспартат , водорастворимый биоразлагаемый полимер, который может применяться в одноразовых подгузниках и сельском хозяйстве. [116] Благодаря своей растворимости и способности хелатировать ионы металлов, полиаспартат также используется в качестве биоразлагаемого противонакипного агента и ингибитора коррозии . [117] [118]
Коммерческое производство аминокислот обычно опирается на мутантные бактерии, которые перепроизводят отдельные аминокислоты, используя глюкозу в качестве источника углерода. Некоторые аминокислоты производятся путем ферментативных превращений синтетических промежуточных продуктов. 2-аминотиазолин-4-карбоновая кислота является промежуточным продуктом в одном промышленном синтезе L -цистеина , например. Аспарагиновая кислота производится путем добавления аммиака к фумарату с использованием лиазы. [111]
В растениях азот сначала усваивается в органические соединения в форме глутамата , образующегося из альфа-кетоглутарата и аммиака в митохондрии. Для других аминокислот растения используют трансаминазы для перемещения аминогруппы от глутамата к другой альфа-кетокислоте. Например, аспартатаминотрансфераза преобразует глутамат и оксалоацетат в альфа-кетоглутарат и аспартат. [119] Другие организмы также используют трансаминазы для синтеза аминокислот.
Нестандартные аминокислоты обычно образуются путем модификации стандартных аминокислот. Например, гомоцистеин образуется путем транссульфурации или деметилирования метионина через промежуточный метаболит S -аденозилметионин , [120] тогда как гидроксипролин образуется путем посттрансляционной модификации пролина . [121 ]
Микроорганизмы и растения синтезируют много необычных аминокислот. Например, некоторые микробы производят 2-аминоизомасляную кислоту и лантионин , который является производным аланина с сульфидным мостиком. Обе эти аминокислоты содержатся в пептидных лантибиотиках, таких как аламетицин . [122] Однако в растениях 1-аминоциклопропан-1-карбоновая кислота представляет собой небольшую дизамещенную циклическую аминокислоту, которая является промежуточным продуктом в производстве растительного гормона этилена . [123]
Предполагается, что образование аминокислот и пептидов предшествует и, возможно, вызывает возникновение жизни на Земле . Аминокислоты могут образовываться из простых предшественников при различных условиях. [124] Поверхностный химический метаболизм аминокислот и очень малых соединений мог привести к образованию аминокислот, коферментов и малых углеродных молекул на основе фосфата. [125] [ необходимы дополнительные ссылки ] Аминокислоты и подобные строительные блоки могли быть преобразованы в протопептиды , причем пептиды считаются ключевыми игроками в происхождении жизни. [126]
В знаменитом эксперименте Юри-Миллера прохождение электрической дуги через смесь метана, водорода и аммиака приводит к образованию большого количества аминокислот. С тех пор ученые открыли ряд путей и компонентов, посредством которых могли происходить потенциально пребиотическое образование и химическая эволюция пептидов, такие как конденсирующие агенты, дизайн самореплицирующихся пептидов и ряд неферментативных механизмов, посредством которых аминокислоты могли возникать и превращаться в пептиды. [126] Несколько гипотез ссылаются на синтез Штрекера , посредством которого цианистый водород, простые альдегиды, аммиак и вода производят аминокислоты. [124]
Согласно обзору, аминокислоты и даже пептиды «достаточно регулярно появляются в различных экспериментальных бульонах , которые разрешалось готовить из простых химикатов. Это связано с тем, что нуклеотиды гораздо сложнее синтезировать химически, чем аминокислоты». Что касается хронологического порядка, то это предполагает, что должен был существовать «мир белков» или, по крайней мере, «мир полипептидов», за которым, возможно, позже последовали « мир РНК » и « мир ДНК ». [127] Сопоставление кодонов и аминокислот может быть биологической информационной системой в изначальном происхождении жизни на Земле. [128] В то время как аминокислоты и, следовательно, простые пептиды должны были образоваться в различных экспериментально исследованных геохимических сценариях, переход от абиотического мира к первым формам жизни в значительной степени все еще не решен. [129]
Аминокислоты подвергаются реакциям, ожидаемым от составляющих их функциональных групп. [130] [131]
Поскольку как аминные, так и карбоксильные группы аминокислот могут реагировать с образованием амидных связей, одна молекула аминокислоты может реагировать с другой и соединяться посредством амидной связи. Эта полимеризация аминокислот и есть то, что создает белки. Эта реакция конденсации дает новообразованную пептидную связь и молекулу воды. В клетках эта реакция не происходит напрямую; вместо этого аминокислота сначала активируется путем присоединения к молекуле транспортной РНК через эфирную связь. Эта аминоацил-тРНК производится в АТФ -зависимой реакции, осуществляемой аминоацил-тРНК-синтетазой . [132] Эта аминоацил-тРНК затем является субстратом для рибосомы, которая катализирует атаку аминогруппы удлиняющейся белковой цепи на эфирную связь. [133] В результате этого механизма все белки, производимые рибосомами, синтезируются, начиная с их N -конца и двигаясь к их C -концу.
Однако не все пептидные связи образуются таким образом. В некоторых случаях пептиды синтезируются специфическими ферментами. Например, трипептид глутатион является неотъемлемой частью защиты клеток от окислительного стресса. Этот пептид синтезируется в два этапа из свободных аминокислот. [134] На первом этапе гамма-глутамилцистеинсинтетаза конденсирует цистеин и глутамат через пептидную связь, образованную между карбоксилом боковой цепи глутамата (гамма-углеродом этой боковой цепи) и аминогруппой цистеина. Затем этот дипептид конденсируется с глицином глутатионсинтетазой , образуя глутатион. [135]
В химии пептиды синтезируются с помощью различных реакций. Одна из наиболее используемых в твердофазном пептидном синтезе использует ароматические оксимные производные аминокислот в качестве активированных единиц. Они добавляются последовательно на растущую пептидную цепь, которая прикреплена к твердой смоляной подложке. [136] Библиотеки пептидов используются в открытии лекарств посредством высокопроизводительного скрининга . [137]
Сочетание функциональных групп позволяет аминокислотам быть эффективными полидентатными лигандами для хелатов металлов и аминокислот. [138] Множественные боковые цепи аминокислот также могут подвергаться химическим реакциям.
Деградация аминокислоты часто включает дезаминирование путем перемещения ее аминогруппы в α-кетоглутарат, образуя глутамат . Этот процесс включает трансаминазы, часто те же самые, что используются при аминировании во время синтеза. У многих позвоночных аминогруппа затем удаляется через цикл мочевины и выводится в виде мочевины . Однако деградация аминокислоты может производить вместо этого мочевую кислоту или аммиак. Например, сериндегидратаза превращает серин в пируват и аммиак. [100] После удаления одной или нескольких аминогрупп остаток молекулы иногда может быть использован для синтеза новых аминокислот или может быть использован для получения энергии путем вхождения в гликолиз или цикл лимонной кислоты , как подробно показано на изображении справа.
Аминокислоты являются бидентатными лигандами, образующими комплексы переходных металлов с аминокислотами . [140]
Общее содержание азота в органическом веществе в основном формируется аминогруппами в белках. Общий азот по Кьельдалю ( TKN ) — это мера азота, широко используемая при анализе (сточных) вод, почвы, продуктов питания, кормов и органических веществ в целом. Как следует из названия, применяется метод Кьельдаля . Существуют более чувствительные методы. [141] [142]
Конечно, если бы на Земле были только дикетопиперазины, а не аминокислоты; или если бы сахара не имели такого размера, как сейчас; или если бы липиды были в три раза короче, то у нас не было бы жизни.