В биохимии , не кодированные или не-протеиногенные аминокислоты являются те , естественно , не закодирован или найден в генетическом коде любого организма. Несмотря на использование всего 22 аминокислоты (21 у эукариот [примечание 1] ) трансляционным механизмом для сборки белков ( протеиногенных аминокислот ), известно, что более 140 аминокислот естественным образом встречаются в белках, и тысячи других могут встречаться в природе или синтезироваться в лаборатории. [1] Многие непротеиногенные аминокислоты заслуживают внимания, потому что они таковыми;
- промежуточные продукты в биосинтезе,
- посттрансляционно образуется в белках,
- обладают физиологической ролью (например, компоненты стенок бактериальных клеток , нейротрансмиттеры и токсины ),
- натуральные или искусственные фармакологические соединения,
- присутствует в метеоритах и в экспериментах с пребиотиками (например, эксперимент Миллера-Юри ).
Определение через отрицание [ править ]
Технически любое органическое соединение с функциональной группой амина (-NH 2 ) и карбоновой кислоты (-COOH) является аминокислотой. Протеиногенные аминокислоты представляют собой небольшое подмножество этой группы, которые имеют центральный атом углерода (α- или 2-), несущий аминогруппу, карбоксильную группу, боковую цепь и лево- конформацию α-водорода , за исключением глицина , который является ахирал и пролин , аминогруппа которого является вторичным амином и, следовательно, по традиционным причинам часто упоминается как иминокислота , 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 специального кодона, но добавляются вместо стоп-кодона, когда присутствует конкретная последовательность, кодон UGA и элемент SECIS для селеноцистеина, [2] нижележащая последовательность UAG PYLIS для пирролизина. [3] Все остальные аминокислоты считаются «непротеиногенными».
Селеноцистеин. Эта аминокислота содержит селенольную группу на β-углероде.
Пирролизин. Эта аминокислота образуется путем присоединения к ε-аминогруппе лизина карбоксилированного пирролинового кольца.
Существуют различные группы аминокислот: [4]
- 20 стандартных аминокислот
- 22 протеиногенные аминокислоты
- более 80 аминокислот, созданных абиотически в высоких концентрациях
- около 900 производятся естественным путем
- более 118 модифицированных аминокислот были помещены в белок
Эти группы пересекаются, но не идентичны. Все 22 протеиногенные аминокислоты биосинтезируются организмами, и некоторые, но не все из них также являются абиотическими (обнаружены в экспериментах с пребиотиками и в метеоритах). Некоторые природные аминокислоты, такие как норлейцин , неправильно инкорпорируются в белки трансляционно из-за нарушения процесса синтеза белка. Многие аминокислоты, такие как орнитин , представляют собой промежуточные продукты метаболизма, вырабатываемые биосинтетически, но не включаемые трансляционно в белки. Посттрансляционная модификацияаминокислотных 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 встроены в белок в инженерных системах, но не являются биосинтетическими. [4]
Номенклатура [ править ]
В дополнение к системе нумерации ИЮПАК для различения различных атомов углерода в органической молекуле путем последовательного присвоения номера каждому атому углерода, в том числе тем, которые образуют карбоксильную группу, атомы углерода в боковой цепи аминокислот также могут быть помечены греческими буквами. , где α-углерод представляет собой центральный хиральный углерод, имеющий карбоксильную группу, боковую цепь и, в α-аминокислотах, аминогруппу - углерод в карбоксильных группах не учитывается. [5] (Следовательно, названия многих непротеиногенных α-аминокислот по ИЮПАК начинаются с 2-амино- и заканчиваются -иновой кислотой .)
Натуральные, но не L-α-аминокислоты [ править ]
Большинство природных аминокислот являются α-аминокислотами в L-конформации, но существуют некоторые исключения.
Не альфа [ править ]
Некоторые не-α-аминокислоты существуют в организмах. В этих структурах аминогруппа смещена дальше от конца карбоновой кислоты в молекуле аминокислоты. Таким образом, β-аминокислота имеет аминогруппу, связанную со вторым углеродом, а γ-аминокислота - на третьем. Примеры включают β-аланин , ГАМК и δ- аминолевулиновую кислоту .
β-аланин: аминокислота, продуцируемая аспартат-1-декарбоксилазой и предшественник кофермента A [6] и пептидов карнозина и ансерина .
γ-Аминомасляная кислота (ГАМК): нейромедиатор у животных.
δ-Аминолевулиновая кислота: промежуточное соединение в биосинтезе тетрапирролов ( гем , хлорофилл , кобаламин и т. д. ).
4-Аминобензойная кислота (ПАБК): промежуточное соединение в биосинтезе фолиевой кислоты.
Причина, по которой α-аминокислоты используются в белках, связана с их частотой в метеоритах и экспериментах с пребиотиками. [7] [ оригинальное исследование? ] Первоначальное предположение о вредных свойствах β-аминокислот с точки зрения вторичной структуры [7] оказалось неверным. [8]
D-аминокислоты [ править ]
Некоторые аминокислоты содержат противоположную абсолютную хиральность, химические вещества, недоступные для нормального рибосомного механизма трансляции / транскрипции. Большинство стенок бактериальных клеток образовано пептидогликаном , полимером, состоящим из аминосахаров, сшитых короткими олигопептидами, соединенными мостиком между собой. Олигопептид синтезируется не рибосомами и содержит несколько особенностей, включая D-аминокислоты , как правило, D-аланин и D-глутамат. Еще одна особенность состоит в том, что первый рацемизируется ферментами, связывающими PLP (кодируемыми alr или гомологом dadX ), тогда как последний рацемизируется кофакторнезависимым ферментом ( murI ). Есть несколько вариантов, вThermotoga spp. Присутствует D-лизин, а в некоторыхустойчивых к ванкомицину бактериях присутствует D-серин (ген vanT ). [9] [10]
У животных некоторые D-аминокислоты являются нейротрансмиттерами. [ какой? ] [ необходима ссылка ]
Без водорода на α-углероде [ править ]
Все протеиногенные аминокислоты имеют по крайней мере один водород на α-углероде. Глицин имеет два атома водорода, а все остальные имеют один водород и одну боковую цепь. Замена оставшегося водорода на более крупный заместитель, такой как метильная группа, искажает основу белка. [7]
У некоторых грибов α-аминоизомасляная кислота продуцируется как предшественник пептидов, некоторые из которых обладают антибиотическими свойствами. [11] Это соединение похоже на аланин, но имеет дополнительную метильную группу на α-углероде вместо водорода. Следовательно, это ахирально. Еще одно соединение, подобное аланину без α-водорода, - дегидроаланин , который имеет метиленовую боковую цепь. Это одна из нескольких природных дегидроаминокислот .
аланин
аминоизомасляная кислота
дегидроаланин
Стереоцентры с двумя аминокислотами [ править ]
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 транссульфурации , когда активированный гомосерин или серин сливаются с цистеином или гомоцистеином, образуя цистатионин . Аналогичное соединение - лантионин., который можно рассматривать как две молекулы аланина, соединенные тиоэфирной связью, и он встречается в различных организмах. Точно так же дженколевая кислота , растительный токсин из бобов дженгкол , состоит из двух цистеинов, соединенных метиленовой группой. Диаминопимелиновая кислота используется как мостик в пептидогликане и используется как предшественник лизина (через его декарбоксилирование).
цистин
цистатионин
лантионин
Дженколевая кислота
Диаминопимелиновая кислота
Пребиотические аминокислоты и альтернативная биохимия [ править ]
В метеоритах и в экспериментах с пребиотиками (например, в эксперименте Миллера-Юри ) обнаруживается гораздо больше аминокислот, чем двадцать стандартных аминокислот, некоторые из которых в более высоких концентрациях, чем стандартные: было высказано предположение, что если возникнет жизнь на основе аминокислот параллельно в другом месте во Вселенной не более 75% аминокислот будут общими. [7] Наиболее заметной аномалией является недостаток аминомасляной кислоты.
| Соотношение аминокислот по отношению к глицину (%) | ||
|---|---|---|
| Молекула | Электрический разряд | Метеорит Мерчинсона |
| Глицин | 100 | 100 |
| Аланин | 180 | 36 |
| α-амино-н-масляная кислота | 61 | 19 |
| Норвалин | 14 | 14 |
| Валин | 4.4 | |
| Норлейцин | 1.4 | |
| Лейцин | 2,6 | |
| Изолейцин | 1.1 | |
| Аллоизолейцин | 1.2 | |
| т-лейцин | <0,005 | |
| α-амино-н-гептановая кислота | 0,3 | |
| Пролин | 0,3 | 22 |
| Пипеколиновая кислота | 0,01 | 11 |
| α, β-диаминопропионовая кислота | 1.5 | |
| α, γ-диаминомасляная кислота | 7,6 | |
| Орнитин | <0,01 | |
| лизин | <0,01 | |
| Аспарагиновая кислота | 7,7 | 13 |
| Глютаминовая кислота | 1,7 | 20 |
| Серин | 1.1 | |
| Треонин | 0,2 | |
| Аллотреонин | 0,2 | |
| Метионин | 0,1 | |
| Гомоцистеин | 0,5 | |
| Гомосерин | 0,5 | |
| β-аланин | 4.3 | 10 |
| β-амино-н-масляная кислота | 0,1 | 5 |
| β-аминоизомасляная кислота | 0,5 | 7 |
| γ-аминомасляная кислота | 0,5 | 7 |
| α-аминоизомасляная кислота | 7 | 33 |
| изовалин | 1 | 11 |
| Саркозин | 12,5 | 7 |
| N-этил глицин | 6,8 | 6 |
| N-пропил глицин | 0,5 | |
| N-изопропил глицин | 0,5 | |
| N-метилаланин | 3,4 | 3 |
| N-этил аланин | <0,05 | |
| N-метил β-аланин | 1.0 | |
| N-этил β-аланин | <0,05 | |
| изосерин | 1.2 | |
| α-гидрокси-γ-аминомасляная кислота | 17 |
Прямая боковая цепь [ править ]
Генетический код был описан как замороженная случайность, и причиной того, что существует только одна стандартная аминокислота с прямой цепью (аланин), может быть просто дублирование с валином, лейцином и изолейцином. [7] Однако, как сообщается, аминокислоты с прямой цепью образуют гораздо более стабильные альфа-спирали. [12]
Глицин (боковая цепь водорода)
Аланин (метиловая боковая цепь)
Гомоаланин или α-аминомасляная кислота (этиловая боковая цепь)
Норвалин ( н- пропильная боковая цепь)
Норлейцин ( н- бутил боковая цепь)
Гомонорлейцин ( н- пентильная боковая цепь) (показана гептановая кислота)
Халькоген [ править ]
Серин, гомосерин , O-метил-гомосерин и O-этил-гомосерин имеют боковые цепи гидроксиметила, гидроксиэтила, O-метилгидроксиметила и O-метилгидроксиэтила. В то время как цистеин, гомоцистеин , метионин и этионин обладают эквивалентами тиолов. Эквиваленты селенола - это селеноцистеин, селеногомоцистеин, селенометионин и селеноэтионин. Аминокислоты с следующим халькогеном вниз также найдены в природе: несколько видов , такие как аспергилл дымящийся, Aspergillus terreus и пеницилл золотистый в отсутствии сер способны производить и включить в белках tellurocysteine и telluromethionine. [13]
Гидроксиглицин, аминокислота с гидроксильной боковой цепью, очень нестабилен. [ требуется дальнейшее объяснение ]
Расширенный генетический код [ править ]
Роли [ править ]
В клетках, особенно автотрофах, несколько непротеиногенных аминокислот обнаруживаются в качестве промежуточных продуктов метаболизма. Однако, несмотря на каталитическую гибкость PLP-связывающих ферментов, многие аминокислоты синтезируются как кетокислоты ( например, 4-метил-2-оксопентаноат до лейцина) и аминируются на последней стадии, таким образом сохраняя количество непротеиногенных аминокислот. промежуточные продукты довольно низкие.
Орнитина и цитруллина происходят в цикле мочевины , часть аминокислоты катаболизма (смотри ниже). [14]
Помимо первичного метаболизма, некоторые непротеиногенные аминокислоты являются предшественниками или конечным продуктом вторичного метаболизма для образования небольших соединений или нерибосомных пептидов (например, некоторых токсинов ).
Посттрансляционная инкорпорация в белок [ править ]
Несмотря на то, что они не кодируются генетическим кодом как протеиногенные аминокислоты, некоторые нестандартные аминокислоты, тем не менее, обнаруживаются в белках. Они образуются в результате посттрансляционной модификации боковых цепей стандартных аминокислот, присутствующих в белке-мишени. Эти модификации часто важны для функции или регуляции белка; например, в гамма-карбоксиглутамате карбоксилирование из глутамата позволяет лучше связывание катионов кальция , [15] и в гидроксипролине гидроксилирование из пролина имеет решающее значение для поддержания соединительной ткани .[16] Другим примером является образование гипузина в факторе инициации трансляции EIF5A путем модификации остатка лизина. [17] Такие модификации могут также определять локализацию белка, например, добавление длинных гидрофобных групп может вызвать связывание белка с фосфолипидной мембраной. [18]
Карбоксиглутаминовая кислота. В то время как глутаминовая кислота имеет одну γ-карбоксильную группу, карбоксиглутаминовая кислота имеет две.
Гидроксипролин. Эта иминокислота отличается от пролина наличием гидроксильной группы на углероде 4.
Гипусин . Эта аминокислота получается путем добавления к ε-аминогруппе лизина 4-аминобутиловый фрагмент (полученный из спермидина ).
Пироглутаминовая кислота
Есть некоторые предварительные доказательства того, что аминомалоновая кислота может присутствовать, возможно, из-за неправильного включения в белок. [19] [20]
Токсичные аналоги [ править ]
Некоторые непротеиногенные аминокислоты токсичны из-за их способности имитировать определенные свойства протеиногенных аминокислот, таких как тиализин . Некоторые непротеиногенные аминокислоты являются нейротоксичными, имитируя аминокислоты, используемые в качестве нейротрансмиттеров (т.е. не для биосинтеза белка), например, хвискваловая кислота , канаванин или азетидин-2-карбоновая кислота . [21] Цефалоспорин C имеет основу α-аминоадипиновой кислоты (гомоглутамат), которая амидирована цефалоспориновым фрагментом. [22] Пеницилламин - это терапевтическая аминокислота, механизм действия которой неизвестен.
Тиализин
Квискваловая кислота
Канаванин
азетидин-2-карбоновая кислота
Цефалоспорин C
Пеницилламин
Встречающиеся в природе цианотоксины могут также включать непротеиногенные аминокислоты. Микроцистин и нодуларин , например, оба являются производными ADDA , β-аминокислоты.
Не аминокислоты [ править ]
Таурин представляет собой аминосульфоновую кислоту, а не аминокарбоновую кислоту, однако иногда его считают таковым, поскольку количества, необходимые для подавления ауксотрофа у некоторых организмов (например, кошек), ближе к количеству «незаменимых аминокислот» (ауксотрофия аминокислот). чем витаминов (ауксотрофия кофактора).
Осмолиты, саркозин и глицин бетаин являются производными аминокислот, но имеют вторичный и четвертичный амин соответственно.
Заметки [ править ]
- ^ плюс формилметионин у эукариот с прокариотными органеллами, такими как митохондрии
Ссылки [ править ]
- ^ Амброгелли, А .; Palioura, S .; Зёлль, Д. (2007). «Естественное расширение генетического кода». Природа Химическая биология . 3 (1): 29–35. DOI : 10,1038 / nchembio847 . PMID 17173027 .
- ^ Böck, A .; Forchhammer, K .; Heider, J .; Барон, К. (1991). «Синтез селенопротеинов: расширение генетического кода». Направления биохимических наук . 16 (12): 463–467. DOI : 10.1016 / 0968-0004 (91) 90180-4 . PMID 1838215 .
- ^ Теобальд-Дитрих, А .; Giegé, R .; Рудингер-Тирион, JL (2005). «Доказательства существования в мРНК элемента шпильки, ответственного за рибосомозависимую вставку пирролизина в белки». Биохимия . 87 (9–10): 813–817. DOI : 10.1016 / j.biochi.2005.03.006 . PMID 16164991 .
- ^ a b Lu, Y .; Фриланд, С. (2006). «Об эволюции стандартного аминокислотного алфавита» . Геномная биология . 7 (1): 102. DOI : 10,1186 / GB-2006-7-1-102 . PMC 1431706 . PMID 16515719 .
- ^ Voet, D .; Воет, JG (2004). Биохимия (3-е изд.). Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0471193500.
- ^ Chakauya, E .; Коксон, КМ; Оттенхоф, HH; Уитни, HM; Blundell, TL; Abell, C .; Смит, AG (2005). «Биосинтез пантотената у высших растений». Труды биохимического общества . 33 (4): 743–746. DOI : 10.1042 / BST0330743 . PMID 16042590 .
- ^ a b c d e Вебер, AL; Миллер, SL (1981). «Причины появления двадцати кодируемых белков аминокислот». Журнал молекулярной эволюции . 17 (5): 273–284. Bibcode : 1981JMolE..17..273W . DOI : 10.1007 / BF01795749 . PMID 7277510 . S2CID 27957755 .
- ^ Koyack, MJ; Ченг, Р.П. (2006). «Дизайн и синтез β-пептидов с биологической активностью». Белковый дизайн . Методы молекулярной биологии. 340 . С. 95–109. DOI : 10.1385 / 1-59745-116-9: 95 . ISBN 978-1-59745-116-1. PMID 16957334 .
- ^ Бонифаций, А .; Паркет, Ц .; Артур, М .; Mengin-Lecreulx, D .; Блано, 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 .
- ^ Ариас, Калифорния; Martín-Martinez, M .; Blundell, TL; Артур, М .; Courvalin, P .; Рейнольдс, ЧП (1999). «Характеристика и моделирование VanT: новая мембраносвязанная серинрацемаза из устойчивого к ванкомицину Enterococcus gallinarum BM4174». Молекулярная микробиология . 31 (6): 1653–1664. DOI : 10.1046 / j.1365-2958.1999.01294.x . PMID 10209740 . S2CID 25796469 .
- ^ Гао, X .; Chooi, YH; Эймс, Б.Д.; Wang, P .; Уолш, Коннектикут; Тан, Ю. (2011). "Грибковый индоловый алкалоидный биосинтез: генетическое и биохимическое исследование пути триптоквиаланина в Penicillium aethiopicum" . Журнал Американского химического общества . 133 (8): 2729–2741. DOI : 10.1021 / ja1101085 . PMC 3045477 . PMID 21299212 .
- ^ Padmanabhan, S .; Болдуин, Р.Л. (1991). «Неполярные аминокислоты с прямой цепью хорошо образуют спираль в воде». Журнал молекулярной биологии . 219 (2): 135–137. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (91) 90553-I . PMID 2038048 .
- ^ Рамадан, ЮВ; Разак, А.А.; Рагаб, AM; Эль-Мелейги, М. (1989). «Включение теллура в аминокислоты и белки у устойчивых к теллуру грибов». Биологические исследования микроэлементов . 20 (3): 225–232. DOI : 10.1007 / BF02917437 . PMID 2484755 . S2CID 9439946 .
- ^ Curis, E .; Nicolis, I .; Moinard, C .; Osowska, S .; Zerrouk, N .; Bénazeth, S .; Кинобер, Л. (2005). «Почти все о цитруллине у млекопитающих». Аминокислоты . 29 (3): 177–205. DOI : 10.1007 / s00726-005-0235-4 . PMID 16082501 . S2CID 23877884 .
- Перейти ↑ Vermeer, C. (1990). «Гамма-карбоксиглутамат-содержащие белки и витамин К-зависимая карбоксилаза» . Биохимический журнал . 266 (3): 625–636. DOI : 10.1042 / bj2660625 . PMC 1131186 . PMID 2183788 .
- ^ Бхаттачарджи, А; Бансал, М. (2005). «Структура коллагена: тройная спираль Мадраса и текущий сценарий». IUBMB Life . 57 (3): 161–72. DOI : 10.1080 / 15216540500090710 . PMID 16036578 . S2CID 7211864 .
- Перейти ↑ Park, MH (2006). «Посттрансляционный синтез аминокислоты, производной полиамина, гипузина, в эукариотическом факторе инициации трансляции 5A (eIF5A)» . Журнал биохимии . 139 (2): 161–9. DOI : 10.1093 / Jb / mvj034 . PMC 2494880 . PMID 16452303 .
- ^ Blenis, J; Реш, доктор медицины (1993). «Субклеточная локализация, определяемая ацилированием и фосфорилированием белков». Текущее мнение в клеточной биологии . 5 (6): 984–9. DOI : 10.1016 / 0955-0674 (93) 90081-Z . PMID 8129952 .
- ^ Копли, SD; Франк, E .; Кирш, WM; Кох, TH (1992). «Обнаружение и возможное происхождение аминомалоновой кислоты в гидролизатах белка». Аналитическая биохимия . 201 (1): 152–157. DOI : 10.1016 / 0003-2697 (92) 90188-D . PMID 1621954 .
- ^ Ван Бускерк, JJ; Кирш, WM; Kleyer, DL; Баркли, РМ; Кох, TH (1984). «Аминомалоновая кислота: идентификация в кишечной палочке и атеросклеротической бляшке» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 81 (3): 722–725. Bibcode : 1984PNAS ... 81..722V . DOI : 10.1073 / pnas.81.3.722 . PMC 344907 . PMID 6366787 .
- ^ Дасури, К .; Ebenezer, PJ; Уранга, РМ; Gavilán, E .; Zhang, L .; Фернандес-Ким, СОК; Брюс-Келлер, AJ; Келлер, Дж. Н. (2011). «Токсичность аналога аминокислот в первичных культурах нейронов и астроцитов крыс: последствия для неправильного свертывания белка и регуляции TDP-43» . Журнал неврологических исследований . 89 (9): 1471–1477. DOI : 10.1002 / jnr.22677 . PMC 3175609 . PMID 21608013 .
- ^ Троун, PW; Smith, B .; Абрахам, EP (1963). «Биосинтез цефалоспорина С из аминокислот» . Биохимический журнал . 86 (2): 284–291. DOI : 10.1042 / bj0860284 . PMC 1201751 . PMID 13994319 .
