Гистидин (символ His или H ) [2] является незаменимой аминокислотой , которая используется в биосинтезе белков . Он содержит α-аминогруппу (которая находится в протонированной форме –NH 3 + в биологических условиях ), группу карбоновой кислоты (которая находится в депротонированной форме –COO − в биологических условиях) и имидазольную боковую цепь (которая частично протонирована), что классифицирует его как положительно заряженную аминокислоту при физиологическом pH . Первоначально считавшийся необходимым только для младенцев, теперь в долгосрочных исследованиях было показано, что он необходим и для взрослых. [3] Он кодируется кодонами CAU и CAC.
Гистидин был впервые выделен Альбрехтом Косселем и Свеном Густавом Хедином в 1896 году. [ 4] Название происходит от его открытия в тканях, от ἱστός histós «ткань». [2] Он также является предшественником гистамина , жизненно важного воспалительного агента в иммунных реакциях. Ацильный радикал — гистидил .
Сопряженная кислота (протонированная форма) боковой цепи имидазола в гистидине имеет p K a приблизительно 6,0. Таким образом, ниже pH 6 имидазольное кольцо в основном протонировано (как описано уравнением Хендерсона-Хассельбаха ). Полученное имидазолиевое кольцо несет две связи NH и имеет положительный заряд. Положительный заряд равномерно распределен между обоими атомами азота и может быть представлен двумя одинаково важными резонансными структурами . Иногда для этой протонированной формы вместо обычного His используется символ Hip . [5] [6] [7] Выше pH 6 один из двух протонов теряется. Оставшийся протон имидазольного кольца может находиться на любом из атомов азота, что приводит к образованию так называемых таутомеров N3-H или N1- H. Таутомер N3-H показан на рисунке выше. В таутомере N1-H NH находится ближе к основной цепи. Эти нейтральные таутомеры, также называемые Nε и Nδ, иногда обозначаются символами Hie и Hid соответственно. [5] [6] [7] Кольцо имидазола/имидазолия гистидина является ароматическим при всех значениях pH. [8] При определенных условиях все три ионобразующие группы гистидина могут быть заряжены, образуя катион гистидина. [9]
Кислотно-основные свойства боковой цепи имидазола имеют отношение к каталитическому механизму многих ферментов . [10] В каталитических триадах основной азот гистидина отрывает протон от серина , треонина или цистеина , чтобы активировать его как нуклеофил . В гистидиновом протонном челноке гистидин используется для быстрого переноса протонов. Он может делать это, отрывая протон от своего основного азота, чтобы создать положительно заряженный промежуточный продукт, а затем использовать другую молекулу, буфер, для извлечения протона из его кислотного азота. В карбоангидразах гистидиновый протонный челнок используется для быстрого переноса протонов от связанной с цинком молекулы воды, чтобы быстро восстановить активную форму фермента. В спиралях E и F гемоглобина гистидин влияет на связывание как дикислорода, так и оксида углерода . Это взаимодействие усиливает сродство Fe(II) к O2, но дестабилизирует связывание CO, который связывается всего в 200 раз прочнее в гемоглобине по сравнению с 20 000 раз прочнее в свободном геме .
Таутомерия и кислотно-основные свойства боковой цепи имидазола были охарактеризованы с помощью спектроскопии ЯМР 15 N. Два химических сдвига 15 N схожи (около 200 ppm относительно азотной кислоты по шкале сигма, на которой повышенное экранирование соответствует повышенному химическому сдвигу ). Спектральные измерения ЯМР показывают, что химический сдвиг N1-H немного падает, тогда как химический сдвиг N3-H падает значительно (около 190 против 145 ppm). Это изменение указывает на то, что таутомер N1-H является предпочтительным, возможно, из-за водородной связи с соседним аммонием . Экранирование в N3 существенно снижается из-за парамагнитного эффекта второго порядка, который включает разрешенное симметрией взаимодействие между неподеленной парой азота и возбужденными π*-состояниями ароматического кольца . При pH > 9 химические сдвиги N1 и N3 составляют приблизительно 185 и 170 ppm. [11]
Гистидин образует комплексы со многими ионами металлов. Боковая цепь имидазола остатка гистидина обычно служит лигандом в металлопротеинах . Одним из примеров является аксиальное основание, прикрепленное к Fe в миоглобине и гемоглобине. Полигистидиновые метки (из шести или более последовательных остатков H) используются для очистки белка путем связывания с колонками с никелем или кобальтом с микромолярным сродством. [12] Было показано , что природные полигистидиновые пептиды, обнаруженные в яде гадюки Atheris squamigera, связывают Zn(2+), Ni(2+) и Cu(2+) и влияют на функцию металлопротеаз яда. [13]
l -Гистидин — это незаменимая аминокислота, которая не синтезируется de novo у людей. [14] Люди и другие животные должны потреблять гистидин или гистидинсодержащие белки. Биосинтез гистидина широко изучался у прокариот, таких как E. coli . Синтез гистидина у E. coli включает восемь генных продуктов (His1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8) и происходит в десять этапов. Это возможно, поскольку один генный продукт способен катализировать более одной реакции. Например, как показано в пути, His4 катализирует 4 различных этапа в пути. [15]
Гистидин синтезируется из фосфорибозилпирофосфата (PRPP), который производится из рибозо-5-фосфата рибозофосфатдифосфокиназой в пентозофосфатном пути. Первой реакцией биосинтеза гистидина является конденсация PRPP и аденозинтрифосфата ( АТФ ) ферментом АТФ - фосфорибозилтрансферазой . АТФ-фосфорибозилтрансфераза обозначена на изображении как His1. [15] Затем продукт гена His4 гидролизует продукт конденсации, фосфорибозил-АТФ, производя фосфорибозил-АМФ (PRAMP), что является необратимым шагом. Затем His4 катализирует образование фосфорибозилформиминоAICAR-фосфата, который затем преобразуется в фосфорибулозилформимино-AICAR-P продуктом гена His6. [16] His7 расщепляет фосфорибулозилформимино-AICAR-P, образуя d -эритро-имидазол-глицерол-фосфат. После этого His3 образует имидазолацетол-фосфат, высвобождая воду. Затем His5 образует l -гистидинол-фосфат, который затем гидролизуется His2, образуя гистидинол. His4 катализирует окисление l -гистидинола, образуя l -гистидиналь, аминоальдегид. На последнем этапе l -гистидиналь превращается в l -гистидин. [16] [17]
Путь биосинтеза гистидина был изучен у грибка Neurospora crassa , и был обнаружен ген ( His-3 ), кодирующий мультиферментный комплекс , который был похож на ген His4 бактерии E. coli . [18] Генетическое исследование мутантов гистидина N. crassa показало, что отдельные виды деятельности мультиферментного комплекса происходят в дискретных, смежных участках генетической карты His-3 , что позволяет предположить, что различные виды деятельности мультиферментного комплекса кодируются отдельно друг от друга. [18] Однако были также обнаружены мутанты, у которых отсутствовали все три вида деятельности одновременно, что позволяет предположить, что некоторые мутации вызывают потерю функции комплекса в целом.
Так же, как животные и микроорганизмы, растения нуждаются в гистидине для своего роста и развития. [10] Микроорганизмы и растения похожи тем, что они могут синтезировать гистидин. [19] Оба синтезируют гистидин из биохимического промежуточного фосфорибозилпирофосфата. В целом, биосинтез гистидина очень похож у растений и микроорганизмов. [20]
Для осуществления этого пути требуется энергия, поэтому присутствие АТФ активирует первый фермент пути, АТФ-фосфорибозилтрансферазу (показана как His1 на изображении справа). АТФ-фосфорибозилтрансфераза является ферментом, определяющим скорость, который регулируется посредством ингибирования по принципу обратной связи, что означает, что он ингибируется в присутствии продукта, гистидина. [21]
Гистидин является одной из аминокислот, которые могут быть преобразованы в промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот (TCA) (также известного как цикл лимонной кислоты). [22] Гистидин, наряду с другими аминокислотами, такими как пролин и аргинин, принимает участие в дезаминировании, процессе, в котором его аминогруппа удаляется. У прокариот гистидин сначала преобразуется в уроканат гистидазой. Затем уроканаза преобразует уроканат в 4-имидазолон-5-пропионат. Имидазолонпропионаза катализирует реакцию с образованием формиминоглутамата (FIGLU) из 4-имидазолон-5-пропионата. [23] Формиминогруппа переносится на тетрагидрофолат , а оставшиеся пять атомов углерода образуют глутамат. [22] В целом, эти реакции приводят к образованию глутамата и аммиака. [24] Глутамат затем может быть дезаминирован глутаматдегидрогеназой или трансаминирован с образованием α-кетоглутарата. [22]
Совет по пищевым продуктам и питанию (FNB) Института медицины США установил рекомендуемые нормы потребления (RDA) незаменимых аминокислот в 2002 году. Для гистидина, для взрослых в возрасте 19 лет и старше, 14 мг/кг массы тела/день. [29] Дополнительный гистидин исследуется для использования при различных состояниях, включая неврологические расстройства, атопический дерматит, метаболический синдром, диабет, уремическую анемию, язвы, воспалительные заболевания кишечника, злокачественные новообразования и мышечную производительность во время интенсивных упражнений. [30]
