Протеиногенная аминокислота

Аминокислота, которая биосинтетически включается в белки во время трансляции

Протеиногенные аминокислоты составляют небольшую часть всех аминокислот.

Протеиногенные аминокислоты — это аминокислоты , которые биосинтетически включаются в белки во время трансляции . Слово «протеиногенный» означает «создание белка». На протяжении всей известной жизни существует 22 генетически кодируемых (протеиногенных) аминокислоты, 20 из которых находятся в стандартном генетическом коде , а еще 2 ( селеноцистеин и пирролизин ) могут быть включены с помощью специальных механизмов трансляции. ^[1]

Напротив, непротеиногенные аминокислоты — это аминокислоты, которые либо не включены в белки (например, ГАМК , L -ДОФА или трийодтиронин ), либо неправильно включены вместо генетически закодированной аминокислоты, либо не производятся напрямую и изолированно стандартными клеточными механизмами (например, гидроксипролин ). Последнее часто является результатом посттрансляционной модификации белков. Некоторые непротеиногенные аминокислоты включены в нерибосомальные пептиды , которые синтезируются нерибосомальными пептидсинтетазами.

Как эукариоты , так и прокариоты могут включать селеноцистеин в свои белки через нуклеотидную последовательность, известную как элемент SECIS , который направляет клетку на трансляцию близлежащего кодона UGA как селеноцистеина (UGA обычно является стоп-кодоном ). У некоторых метаногенных прокариот кодон UAG (обычно стоп-кодон) также может транслироваться в пирролизин . ^[2]

У эукариот есть только 21 протеиногенная аминокислота, 20 из стандартного генетического кода, плюс селеноцистеин . Люди могут синтезировать 12 из них друг из друга или из других молекул промежуточного метаболизма. Остальные девять должны потребляться (обычно в виде их белковых производных), и поэтому они называются незаменимыми аминокислотами . Незаменимыми аминокислотами являются гистидин , изолейцин , лейцин , лизин , метионин , фенилаланин , треонин , триптофан и валин (т. е. H, I, L, K, M, F, T, W, V). ^[3]

Было обнаружено, что протеиногенные аминокислоты связаны с набором аминокислот , которые могут быть распознаны системами аутоаминоацилирования рибозима . ^[4] Таким образом, непротеиногенные аминокислоты были бы исключены из-за случайного эволюционного успеха форм жизни на основе нуклеотидов. Были предложены и другие причины, объясняющие, почему некоторые специфические непротеиногенные аминокислоты обычно не включаются в белки; например, орнитин и гомосерин циклизуются против пептидного остова и фрагментируют белок с относительно коротким периодом полураспада , в то время как другие токсичны, поскольку могут быть ошибочно включены в белки, такие как аналог аргинина канаванин .

Предполагается, что эволюционный отбор определенных протеиногенных аминокислот из первичного бульона обусловлен их лучшей встраиваемостью в полипептидную цепь по сравнению с непротеиногенными аминокислотами. ^[5]

Структуры

Ниже приведены структуры и сокращения 21 аминокислоты, которые напрямую закодированы для синтеза белка генетическим кодом эукариот. Приведенные ниже структуры являются стандартными химическими структурами, а не типичными формами цвиттерионов , которые существуют в водных растворах.

Структура 21 протеиногенной аминокислоты с 3- и 1-буквенными кодами, сгруппированная по функциональности боковой цепи

• 
  L -Аланин
  (Ala/A)
• 
  L -Аргинин
  (Arg/R)
• 
  L -Аспарагин
  (Asn / N)
• 
  L -аспарагиновая кислота
  (Asp/D)
• 
  L -цистеин
  (Cys/C)
• 
  L -Глутаминовая кислота
  (Glu/E)
• 
  L -Глютамин
  (Gln/Q)
• 
  Глицин
  (Гли / Г)
• 
  L -Гистидин
  (His/H)
• 
  L -изолейцин
  (Ile/I)
• 
  L -лейцин
  (Leu/L)
• 
  L -лизин
  (Lys/K)
• 
  L -метионин
  (Мет/М)
• 
  L -фенилаланин
  (Phe/F)
• 
  L -Пролин
  (Pro/P)
• 
  L -серин
  (Ser / S)
• 
  L -Треонин
  (Тр/Т)
• 
  L -Триптофан
  (Trp/W)
• 
  L -тирозин
  (Tyr / Y)
• 
  L -Валин
  (Вал / В)

IUPAC / IUBMB теперь также рекомендует стандартные сокращения для следующих двух аминокислот:

• 
  L -селеноцистеин
  (сек/ед)
• 
  L -пирролизин
  (Pyl/O)

Химические свойства

Ниже приведена таблица, в которой перечислены однобуквенные символы, трехбуквенные символы и химические свойства боковых цепей стандартных аминокислот. Перечисленные массы основаны на средневзвешенных значениях элементарных изотопов при их естественном содержании . Образование пептидной связи приводит к удалению молекулы воды . Таким образом, масса белка равна массе аминокислот, из которых состоит белок, минус 18,01524 Да на пептидную связь.

Общие химические свойства

Свойства боковой цепи

§: Значения для Asp, Cys, Glu, His, Lys и Tyr были определены с использованием аминокислотного остатка, размещенного в центре пентапептида аланина. ^[6] Значение для Arg взято из Pace et al. (2009). ^[7] Значение для Sec взято из Byun & Kang (2011). ^[8]

НД: Значение pKa пирролизина не сообщалось.

Примечание: Значение pKa аминокислотного остатка в небольшом пептиде обычно немного отличается, когда он находится внутри белка. Расчеты pKa белка иногда используются для расчета изменения значения pKa аминокислотного остатка в этой ситуации.

Экспрессия генов и биохимия

* UAG обычно является янтарным стоп-кодоном , но в организмах, содержащих биологические механизмы, кодируемые кластером генов pylTSBCD, будет включена аминокислота пирролизин. ^[9]
** UGA обычно является опаловым (или умбровым) стоп-кодоном, но кодирует селеноцистеин, если присутствует элемент SECIS .
† Стоп -кодон не является аминокислотой, но включен для полноты.
†† UAG и UGA не всегда действуют как стоп-кодоны (см. выше).
‡ Незаменимая аминокислота не может быть синтезирована в организме человека и, следовательно, должна поступать с пищей. Условно незаменимые аминокислоты обычно не требуются в пище, но должны поставляться экзогенно определенным популяциям, которые не синтезируют ее в достаточных количествах.
& Распространение аминокислот основано на 135 протеомах архей, 3775 бактерий, 614 эукариот и человеческом протеоме (21 006 белков) соответственно. ^[10]

Масс-спектрометрия

В масс-спектрометрии пептидов и белков знание масс остатков полезно. Масса пептида или белка представляет собой сумму масс остатков плюс масса воды ( моноизотопная масса = 18,01056 Да; средняя масса = 18,0153 Да). Массы остатков рассчитываются по табличным химическим формулам и атомным весам. ^[11] В масс-спектрометрии ионы также могут включать один или несколько протонов ( моноизотопная масса = 1,00728 Да; средняя масса* = 1,0074 Да). *Протоны не могут иметь среднюю массу, это сбивает с толку, делая дейтроны допустимым изотопом, но они должны быть другим видом (см. Гидрон (химия) )

§ Моноизотопная масса

Стехиометрия и метаболические затраты в клетке

В таблице ниже приведено обилие аминокислот в клетках E.coli и метаболическая стоимость (АТФ) синтеза аминокислот. Отрицательные числа указывают на то, что метаболические процессы энергетически выгодны и не требуют чистой АТФ клетки. ^[12] Обилие аминокислот включает аминокислоты в свободной форме и в форме полимеризации (белки).

Замечания

Катаболизм аминокислот

Катаболизм

Аминокислоты можно классифицировать по свойствам их основных продуктов: ^[13]

• Глюкогенные, продукты которых обладают способностью образовывать глюкозу путем глюконеогенеза.
• Кетогенные, продукты которых не способны образовывать глюкозу: Эти продукты все равно могут использоваться для кетогенеза или синтеза липидов .
• Аминокислоты катаболизируются как в глюкогенные, так и в кетогенные продукты

Смотрите также

• Глюкогеновая аминокислота
• Кетогенная аминокислота

Ссылки

1. Ambrogelly A, Palioura S, Söll D (январь 2007 г.). «Естественное расширение генетического кода». Nature Chemical Biology . 3 (1): 29–35. doi :10.1038/nchembio847. PMID  17173027.
2. Лобанов АВ, Туранов AA, Хэтфилд DL, Гладышев ВН (август 2010). «Двойные функции кодонов в генетическом коде». Критические обзоры по биохимии и молекулярной биологии . 45 (4): 257–65. doi :10.3109/10409231003786094. PMC 3311535. PMID  20446809 . 
3. Young VR (август 1994 г.). «Потребность в аминокислотах у взрослых: аргументы в пользу серьезного пересмотра текущих рекомендаций» (PDF) . The Journal of Nutrition . 124 (8 Suppl): 1517S–1523S. doi :10.1093/jn/124.suppl_8.1517S. PMID  8064412.
4. Erives A (август 2011 г.). «Модель прото-антикодоновых РНК-ферментов, требующих гомохиральности L-аминокислот». Журнал молекулярной эволюции . 73 (1–2): 10–22. Bibcode : 2011JMolE..73...10E. doi : 10.1007/s00239-011-9453-4. PMC 3223571. PMID  21779963 . 
5. Френкель-Пинтер, Моран; Хейнс, Джей В.; К. Мартин; Петров, Антон С.; Буркар, Брэдли Т.; Кришнамурти, Раманарайанан; Хад, Николас В.; Леман, Люк Дж.; Уильямс, Лорен Дин (13.08.2019). «Селективное включение белковых катионных аминокислот в модельные пребиотические реакции олигомеризации». Труды Национальной академии наук . 116 (33): 16338–16346. Bibcode : 2019PNAS..11616338F. doi : 10.1073/pnas.1904849116 . ISSN  0027-8424. PMC 6697887. PMID 31358633  . 
6. Thurlkill RL, Grimsley GR, Scholtz JM, Pace CN (май 2006). "pK значения ионизированных групп белков". Protein Science . 15 (5): 1214–8. doi :10.1110/ps.051840806. PMC 2242523 . PMID  16597822. 
7. Pace CN, Grimsley GR, Scholtz JM (май 2009). «Ионизируемые группы белков: значения pK и их вклад в стабильность и растворимость белков». Журнал биологической химии . 284 (20): 13285–9. doi : 10.1074/jbc.R800080200 . PMC 2679426. PMID  19164280 . 
8. Byun BJ, Kang YK (май 2011). «Конформационные предпочтения и значение pK(a) остатка селеноцистеина». Биополимеры . 95 (5): 345–53. doi :10.1002/bip.21581. PMID  21213257. S2CID  11002236.
9. Rother M, Krzycki JA (август 2010). «Селеноцистеин, пирролизин и уникальный энергетический метаболизм метаногенных архей». Archaea . 2010 : 1–14. doi : 10.1155/2010/453642 . PMC 2933860 . PMID  20847933. 
10. Kozlowski LP (январь 2017 г.). «Proteome-pI: база данных изоэлектрических точек протеома». Nucleic Acids Research . 45 (D1): D1112–D1116. doi :10.1093/nar/gkw978. PMC 5210655. PMID  27789699 . 
11. "Атомные веса и изотопные составы всех элементов". NIST . Получено 2016-12-12 .
12. Филлипс Р., Кондев Дж., Териот Дж., Гарсия Х.Г., Орм Н. (2013). Физическая биология клетки (Второе издание). Garland Science. стр. 178. ISBN 978-0-8153-4450-6.
13. Ferrier DR (2005). "Глава 20: Деградация и синтез аминокислот". В Champe PC, Harvey RA, Ferrier DR (ред.). Иллюстрированные обзоры Lippincott: Биохимия (Иллюстрированные обзоры Lippincott) . Hagerstwon, MD: Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 978-0-7817-2265-0.

Общие ссылки

• Нельсон, Дэвид Л.; Кокс, Майкл М. (2000). Lehninger Principles of Biochemistry (3-е изд.). Worth Publishers. ISBN 978-1-57259-153-0.
• Kyte J, Doolittle RF (май 1982). "Простой метод отображения гидропатического характера белка". Журнал молекулярной биологии . 157 (1): 105–32. CiteSeerX  10.1.1.458.454 . doi :10.1016/0022-2836(82)90515-0. PMID  7108955.
• Мейерхенрих, Уве Дж. (2008). Аминокислоты и асимметрия жизни (1-е изд.). Springer. ISBN 978-3-540-76885-2.
• Биохимия, Harpers (2015). Harpers Illustrated Biochemistry (30-е изд.). Lange. ISBN 978-0-07-182534-4.

Внешние ссылки

• Происхождение однобуквенного кода для аминокислот