stringtranslate.com

Непротеиногенные аминокислоты

Диаграмма Венна, показывающая, что 22 протеиногенные аминокислоты составляют небольшую часть всех аминокислот.

В биохимии некодируемые или непротеиногенные аминокислоты отличаются от 22 протеиногенных аминокислот (21 у эукариот [примечание 1] ), которые естественным образом закодированы в геноме организмов для сборки белков. Однако более 140 непротеиногенных аминокислот встречаются в белках естественным образом, а тысячи других могут встречаться в природе или синтезироваться в лаборатории. [ 1] Химически синтезированные аминокислоты можно назвать неприродными аминокислотами. Неприродные аминокислоты можно синтетически получить из их нативных аналогов с помощью таких модификаций, как алкилирование амина, замена боковой цепи, циклизация структурного удлинения связи и изостерические замены в остове аминокислоты. [2] Многие непротеиногенные аминокислоты важны:

Определение через отрицание

Лизин

Технически, любое органическое соединение с функциональной группой амина (–NH 2 ) и карбоксильную кислоту (–COOH) является аминокислотой. Протеиногенные аминокислоты представляют собой небольшое подмножество этой группы, которые обладают центральным атомом углерода (α- или 2-), несущим аминогруппу, карбоксильную группу, боковую цепь и α-водородную лево- конформацию , за исключением глицина , который является ахиральным , и пролина , аминогруппа которого является вторичным амином и, следовательно, часто упоминается как иминокислота по традиционным причинам, хотя и не имино.

Генетический код кодирует 20 стандартных аминокислот для включения в белки во время трансляции . Однако есть две дополнительные протеиногенные аминокислоты: селеноцистеин и пирролизин . Эти нестандартные аминокислоты не имеют выделенного кодона, но добавляются вместо стоп-кодона, когда присутствует определенная последовательность, кодон UGA и элемент SECIS для селеноцистеина, [5] последовательность UAG PYLIS ниже по течению для пирролизина. [6] Все остальные аминокислоты называются «непротеиногенными».

Существуют различные группы аминокислот: [7]

Эти группы перекрываются, но не идентичны. Все 22 протеиногенные аминокислоты биосинтезируются организмами, и некоторые, но не все, из них также являются абиотическими (обнаружены в пребиотических экспериментах и ​​метеоритах). Некоторые природные аминокислоты, такие как норлейцин , неправильно включаются в белки трансляционно из-за неточности процесса синтеза белка. Многие аминокислоты, такие как орнитин , являются метаболическими промежуточными продуктами, производимыми биосинтетически, но не включаются трансляционно в белки. Посттрансляционная модификация аминокислотных остатков в белках приводит к образованию многих белковых, но не протеиногенных аминокислот. Другие аминокислоты встречаются исключительно в абиотических смесях (например, α-метилнорвалин). Более 30 неприродных аминокислот были трансляционно вставлены в белок в инженерных системах, но не являются биосинтетическими. [7]

Номенклатура

В дополнение к системе нумерации ИЮПАК для различения различных атомов углерода в органической молекуле путем последовательного присвоения номера каждому атому углерода, включая те, которые образуют карбоксильную группу, атомы углерода вдоль боковой цепи аминокислот также могут быть помечены греческими буквами, где α-углерод является центральным хиральным углеродом, имеющим карбоксильную группу, боковую цепь и, в α-аминокислотах, аминогруппу – углерод в карбоксильных группах не учитывается. [8] (Следовательно, названия ИЮПАК многих непротеиногенных α-аминокислот начинаются с 2-амино- и заканчиваются на -ic acid .)

Натуральный не-Л-α-аминокислоты

Большинство природных аминокислот представляют собой α-аминокислоты в L- конфигурации, но существуют некоторые исключения.

Не-альфа

Сравнение структур аланина и бета-аланина.

Некоторые не-α-аминокислоты существуют в организмах. В этих структурах аминогруппа смещена дальше от конца карбоксильной кислоты молекулы аминокислоты. Таким образом, β-аминокислота имеет аминогруппу, связанную со вторым углеродом, а γ-аминокислота имеет ее на третьем. Примерами являются β-аланин , ГАМК и δ- аминолевулиновая кислота .

Причина, по которой α-аминокислоты используются в белках, была связана с их частотой в метеоритах и ​​пребиотических экспериментах. [10] Первоначальные предположения о вредных свойствах β-аминокислот с точки зрения вторичной структуры [10] оказались неверными. [11]

D-аминокислоты

Некоторые аминокислоты содержат противоположную абсолютную хиральность, химические вещества, которые недоступны в обычных рибосомальных механизмах трансляции и транскрипции. Большинство стенок бактериальных клеток образованы пептидогликаном , полимером, состоящим из аминосахаров, сшитых с короткими олигопептидами, соединенными мостиками между собой. Олигопептид синтезируется нерибосомально и содержит несколько особенностей, включая D-аминокислоты , как правило, D -аланин и D -глутамат. Еще одной особенностью является то, что первый рацемизируется ферментами, связывающими PLP (кодируемыми alr или гомологом dadX ), тогда как последний рацемизируется ферментом, независимым от кофактора ( murI ). Некоторые варианты присутствуют, в Thermotoga spp. присутствует D -лизин, а в некоторых ванкомицин -устойчивых бактериях присутствует D -серин ( ген vanT ). [12] [13]

Без водорода на α-углероде

Все протеиногенные аминокислоты имеют по крайней мере один водород на α-углероде. Глицин имеет два водорода, а все остальные имеют один водород и одну боковую цепь. Замена оставшегося водорода на более крупный заместитель, такой как метильная группа, искажает остов белка. [10]

В некоторых грибах α-аминоизомасляная кислота вырабатывается как предшественник пептидов, некоторые из которых проявляют антибиотические свойства. [14] Это соединение похоже на аланин, но имеет дополнительную метильную группу на α-углероде вместо водорода. Поэтому оно ахиральное. Другое соединение, похожее на аланин без α-водорода, — это дегидроаланин , который имеет метиленовую боковую цепь. Это одна из нескольких природных дегидроаминокислот .

Двойные стереоцентры аминокислот

Подмножество L -α-аминокислот неоднозначно относительно того, какой из двух концов является α-углеродом. В белках остаток цистеина может образовывать дисульфидную связь с другим остатком цистеина, таким образом сшивая белок. Два сшитых цистеина образуют молекулу цистина . Цистеин и метионин обычно производятся путем прямого сульфурирования, но у некоторых видов они могут быть получены путем транссульфурирования , когда активированный гомосерин или серин сливается с цистеином или гомоцистеином , образуя цистатионин . Аналогичное соединение — лантионин , который можно рассматривать как две молекулы аланина, соединенные тиоэфирной связью, и который встречается в различных организмах. Аналогично, дженколевая кислота , растительный токсин из бобов дженколь , состоит из двух цистеинов, соединенных метиленовой группой. Диаминопимелиновая кислота используется как мостик в пептидогликане, так и в качестве предшественника лизина (путем его декарбоксилирования).

Пребиотические аминокислоты и альтернативная биохимия

В метеоритах и ​​в пребиотических экспериментах (например, эксперимент Миллера-Юри ) обнаружено гораздо больше аминокислот, чем двадцать стандартных аминокислот, некоторые из которых находятся в более высоких концентрациях, чем стандартные. Было высказано предположение, что если бы жизнь на основе аминокислот возникла где-то еще во Вселенной, не более 75% аминокислот были бы общими. [10] Наиболее заметной аномалией является отсутствие аминомасляной кислоты.

Прямая боковая цепь

Генетический код описывается как замороженная случайность, и причины, по которым существует только одна стандартная аминокислота с прямой цепью, аланин, могут заключаться просто в избыточности валина, лейцина и изолейцина. [10] Однако сообщается, что аминокислоты с прямой цепью образуют гораздо более стабильные альфа-спирали. [15]

Халькоген

Серин, гомосерин , O -метилгомосерин и O -этилгомосерин обладают гидроксиметильной, гидроксиэтильной, O -метилгидроксиметильной и O -метилгидроксиэтильной боковой цепью; тогда как цистеин, гомоцистеин , метионин и этионин обладают тиоловыми эквивалентами. Селеноловыми эквивалентами являются селеноцистеин, селеногомоцистеин, селенометионин и селеноэтионин. Аминокислоты со следующим халькогеном также встречаются в природе: несколько видов, таких как Aspergillus fumigatus , Aspergillus terreus и Penicillium chrysogenum , в отсутствие серы способны производить и включать в белок теллуроцистеин и теллурометионин. [16]

Расширенный генетический код

Роли

В клетках, особенно автотрофных, несколько непротеиногенных аминокислот обнаруживаются как метаболические промежуточные продукты. Однако, несмотря на каталитическую гибкость ферментов, связывающих PLP, многие аминокислоты синтезируются как кетокислоты (например, 4-метил-2-оксопентаноат в лейцин) и аминируются на последнем этапе, таким образом, сохраняя количество непротеиногенных аминокислотных промежуточных продуктов довольно низким.

Орнитин и цитруллин встречаются в цикле мочевины , являющемся частью катаболизма аминокислот (см. ниже). [17]

Помимо первичного метаболизма , несколько непротеиногенных аминокислот являются предшественниками или конечными продуктами вторичного метаболизма для образования небольших соединений или нерибосомальных пептидов (например, некоторых токсинов ).

Посттрансляционно включается в белок

Несмотря на то, что они не кодируются генетическим кодом как протеиногенные аминокислоты, некоторые нестандартные аминокислоты тем не менее встречаются в белках. Они образуются путем посттрансляционной модификации боковых цепей стандартных аминокислот, присутствующих в целевом белке. Эти модификации часто необходимы для функционирования или регуляции белка; например, в γ-карбоксиглутамате карбоксилирование глутамата позволяет лучше связывать катионы кальция , [ 18] а в гидроксипролине гидроксилирование пролина имеет решающее значение для поддержания соединительных тканей . [19] Другим примером является образование гипузина в факторе инициации трансляции EIF5A посредством модификации остатка лизина. [20] Такие модификации также могут определять локализацию белка, например, добавление длинных гидрофобных групп может привести к связыванию белка с фосфолипидной мембраной. [21]

Имеются некоторые предварительные данные о том, что аминомалоновая кислота может присутствовать в белке, возможно, в результате неправильного включения. [22] [23]

Токсичные аналоги

Несколько непротеиногенных аминокислот токсичны из-за их способности имитировать определенные свойства протеиногенных аминокислот, таких как тиализин . Некоторые непротеиногенные аминокислоты нейротоксичны, имитируя аминокислоты, используемые в качестве нейротрансмиттеров (то есть не для биосинтеза белка), включая хвисквалиновую кислоту , канаванин и азетидин-2-карбоновую кислоту . [24] Цефалоспорин С имеет α-аминоадипиновую кислоту (гомоглутамат), которая амидирована фрагментом цефалоспорина. [25] Пеницилламин — терапевтическая аминокислота, способ действия которой неизвестен.

Природные цианотоксины также могут включать непротеиногенные аминокислоты. Микроцистин и нодулярин , например, оба являются производными от ADDA , β-аминокислоты.

Не аминокислоты

Таурин — это аминосульфоновая кислота, а не аминокарбоновая кислота, однако иногда его считают таковым, поскольку его количества, необходимые для подавления ауксотрофности у некоторых организмов (например, у кошек), ближе к количествам «незаменимых аминокислот» (ауксотрофность аминокислот), чем к количествам витаминов (ауксотрофность кофакторов).

Осмолиты саркозин и глицинбетаин являются производными аминокислот, но имеют соответственно вторичный и четвертичный амин.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ плюс формилметионин у эукариот с прокариотическими органеллами, такими как митохондрии

Ссылки

  1. ^ Амброгелли, А.; Палиура, С.; Зёлль, Д. (2007). «Естественное расширение генетического кода». Nature Chemical Biology . 3 (1): 29–35. doi :10.1038/nchembio847. PMID  17173027.
  2. ^ Аван, Илкер; Холл, К. Деннис; Катритцки, Алан Р. (22 апреля 2014 г.). «Пептидомиметики через модификации аминокислот и пептидных связей». Chemical Society Reviews . 43 (10): 3575–3594. doi :10.1039/C3CS60384A. PMID  24626261.
  3. ^ Сараса, Сабна Б.; Махендран, Рамасами; Мутусами, Гаятри; Танкаппан, Бенси; Селта, Даниэль Раджа Фемил; Ангаярканни, Джаяраман (2020). «Краткий обзор небелковой аминокислоты, гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК): ее производство и роль в микробах». Current Microbiology . 77 (4): 534–544. doi :10.1007/s00284-019-01839-w. PMID  31844936.
  4. ^ Остоич, Сергей М. (01.08.2021). «Креатин как пищевая добавка для населения в целом». Журнал функциональных продуктов питания . 83 : 104568. doi : 10.1016/j.jff.2021.104568 . ISSN  1756-4646.
  5. ^ Бёк, А.; Форххаммер, К.; Хайдер, Дж.; Барон, К. (1991). «Синтез селенопротеина: расширение генетического кода». Тенденции в биохимических науках . 16 (12): 463–467. doi :10.1016/0968-0004(91)90180-4. PMID  1838215.
  6. ^ Теобальд-Дитрих, А.; Жиже, Р.; Рудингер-Тирион, Дж. Л. (2005). «Доказательства существования в мРНК элемента шпильки, ответственного за зависимую от рибосомы вставку пирролизина в белки». Biochimie . 87 (9–10): 813–817. doi :10.1016/j.biochi.2005.03.006. PMID  16164991.
  7. ^ ab Lu, Y.; Freeland, S. (2006). «Об эволюции стандартного аминокислотного алфавита». Genome Biology . 7 (1): 102. doi : 10.1186/gb-2006-7-1-102 . PMC 1431706. PMID  16515719. 
  8. ^ Воэт, Д.; Воэт, Дж. Г. (2004). Биохимия (3-е изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0471193500.
  9. ^ Чакауя, Э.; Коксон, К.М.; Оттенхоф, Х.Х.; Уитни, Х.М.; Бланделл, Т.Л.; Эйбелл, К.; Смит, А.Г. (2005). «Биосинтез пантотената у высших растений». Труды биохимического общества . 33 (4): 743–746. doi :10.1042/BST0330743. PMID  16042590.
  10. ^ abcde Вебер, AL; Миллер, SL (1981). «Причины возникновения двадцати кодируемых белковых аминокислот». Журнал молекулярной эволюции . 17 (5): 273–284. Bibcode :1981JMolE..17..273W. doi :10.1007/BF01795749. PMID  7277510. S2CID  27957755.
  11. ^ Koyack, MJ; Cheng, RP (2006). «Дизайн и синтез β-пептидов с биологической активностью». Protein Design . Methods in Molecular Biology. Vol. 340. pp. 95–109. doi :10.1385/1-59745-116-9:95. ISBN 978-1-59745-116-1. PMID  16957334.
  12. ^ Бонифаций, А.; Паркет, К.; Артур, М.; Менгин-Лекрёль, Д.; Бланот, Д. (2009). «Выяснение структуры пептидогликана Thermotoga maritima выявило два новых типа поперечных связей». Журнал биологической химии . 284 (33): 21856–21862. doi : 10.1074/jbc.M109.034363 . PMC 2755910. PMID  19542229 . 
  13. ^ Ариас, CA; Мартин-Мартинес, M.; Бланделл, TL; Артур, M.; Курвалин, P.; Рейнольдс, PE (1999). «Характеристика и моделирование vanT: новая мембраносвязанная сериновая рацемаза из ванкомицин-устойчивого Enterococcus gallinarum BM4174». Молекулярная микробиология . 31 (6): 1653–1664. doi : 10.1046/j.1365-2958.1999.01294.x . PMID  10209740. S2CID  25796469.
  14. ^ Гао, X.; Чой, YH; Эймс, BD; Ванг, P.; Уолш, CT; Тан, Y. (2011). «Биосинтез грибковых индольных алкалоидов: генетическое и биохимическое исследование пути триптохиаланин в Penicillium aethiopicum». Журнал Американского химического общества . 133 (8): 2729–2741. doi :10.1021/ja1101085. PMC 3045477. PMID  21299212 . 
  15. ^ Padmanabhan, S.; Baldwin, RL (1991). «Неполярные аминокислоты с прямой цепью являются хорошими спиралеобразователями в воде». Журнал молекулярной биологии . 219 (2): 135–137. doi : 10.1016/0022-2836(91)90553-I . PMID  2038048.
  16. ^ Рамадан, SE; Разак, AA; Рагаб, AM; Эль-Мелейги, M. (1989). «Включение теллура в аминокислоты и белки грибов, устойчивых к теллуру». Biological Trace Element Research . 20 (3): 225–232. doi :10.1007/BF02917437. PMID  2484755. S2CID  9439946.
  17. ^ Curis, E.; Nicolis, I.; Moinard, C.; Osowska, S.; Zerrouk, N.; Bénazeth, S.; Cynober, L. (2005). «Почти все о цитруллине у млекопитающих». Аминокислоты . 29 (3): 177–205. doi :10.1007/s00726-005-0235-4. PMID  16082501. S2CID  23877884.
  18. ^ Vermeer, C. (1990). «Гамма-карбоксиглутаматсодержащие белки и витамин К-зависимая карбоксилаза». Биохимический журнал . 266 (3): 625–636. doi :10.1042/bj2660625. PMC 1131186. PMID  2183788 . 
  19. ^ Бхаттачарджи, А.; Бансал, М. (2005). «Структура коллагена: тройная спираль Мадраса и текущий сценарий». IUBMB Life . 57 (3): 161–172. doi : 10.1080/15216540500090710 . PMID  16036578. S2CID  7211864.
  20. ^ Park, MH (2006). «Посттрансляционный синтез аминокислоты, полученной из полиамина, гипузина, в эукариотическом факторе инициации трансляции 5A (eIF5A)». Журнал биохимии . 139 (2): 161–169. doi :10.1093/jb/mvj034. PMC 2494880. PMID  16452303 . 
  21. ^ Бленис, Дж.; Реш, М. Д. (1993). «Субклеточная локализация, определяемая ацилированием и фосфорилированием белков». Current Opinion in Cell Biology . 5 (6): 984–989. doi :10.1016/0955-0674(93)90081-z. PMID  8129952.
  22. ^ Копли, SD; Франк, E.; Кирш, WM; Кох, TH (1992). «Обнаружение и возможное происхождение аминомалоновой кислоты в гидролизатах белков». Аналитическая биохимия . 201 (1): 152–157. doi :10.1016/0003-2697(92)90188-D. PMID  1621954.
  23. ^ Ван Баскирк, Дж. Дж.; Кирш, В. М.; Клейер, Д. Л.; Баркли, Р. М.; Кох, Т. Х. (1984). «Аминомалоновая кислота: идентификация в Escherichia coli и атеросклеротической бляшке». Труды Национальной академии наук . 81 (3): 722–725. Bibcode : 1984PNAS...81..722V. doi : 10.1073 /pnas.81.3.722 . PMC 344907. PMID  6366787. 
  24. ^ Dasuri, K.; Ebenezer, PJ; Uranga, RM; Gavilán, E.; Zhang, L.; Fernandez-Kim, SOK; Bruce-Keller, AJ; Keller, JN (2011). «Токсичность аналогов аминокислот в первичных культурах нейронов и астроцитов крыс: последствия для неправильного сворачивания белка и регуляции TDP-43». Journal of Neuroscience Research . 89 (9): 1471–1477. doi :10.1002/jnr.22677. PMC 3175609. PMID  21608013 . 
  25. ^ Траун, П. У.; Смит, Б.; Абрахам, Э. П. (1963). «Биосинтез цефалоспорина С из аминокислот». Биохимический журнал . 86 (2): 284–291. doi :10.1042/bj0860284. PMC 1201751. PMID  13994319 .