Аминокислота - Amino acid


Из Википедии, свободной энциклопедии

Структура альфа-аминокислоты в своей неионизованных форме

Аминокислоты являются органические соединения , содержащие амин (-NH 2 ) и карбоксильные (-СООН) функциональные группы , наряду с боковой цепи (R) группы , специфичные для каждой аминокислоты. Ключевые элементы аминокислоты являются углерод (С), водорода (Н), кислорода (О), а также азот (N), хотя и другие элементы находятся в боковых цепях некоторых аминокислот. Около 500 встречающиеся в природе аминокислоты известны (хотя только 20 появляются в генетическом коде ) и могут быть классифицированы по - разному. Они могут быть классифицированы в соответствии с местоположениями сердечника структурных функциональных групп , как альфа- (& alpha ; ) , бета- (& beta ; ) , гамма- (Г-) или дельта- (Д-) аминокислота; другие категории относятся к полярности , рН уровня, и боковой цепи типа группы ( алифатические , ациклических , ароматические , содержащие гидроксильную или серы и т.д.). В виде белков , аминокислоты остатки образуют второй по величине компонента ( вода является самым большим) человеческих мышц и других тканей . Помимо их ролей в качестве остатков в белках, аминокислоты участвуют в ряде процессов , такие как нейромедиатор транспорт и биосинтез .

В биохимии , аминокислоты , имеющие как амин и группы карбоновых кислот , прикрепленных к первой (альфа-) углерода атома имеют особое значение. Они известны как 2-, альфа-, или альфа-аминокислот (общая формула H 2 NCHRCOOH в большинстве случаев, где R представляет собой органический заместитель , известный как « боковой цепи »); часто термин «аминокислота» используется для конкретной ссылки на них. Они включают в себя 22 протеиногенных ( «белок-здание») аминокислоты, которые сочетают в себе в пептидных цепей ( «полипептиды») для формирования строительных блоков из огромного множества белков . Все эти L - стереоизомеры ( « левшаизомеры ), хотя некоторые D - аминокислота (“правые») происходит в бактериальных конвертах , как нейромодулятор ( D - серин ), а в некоторых антибиотиках .

Двадцать из протеиногенных аминокислот кодируются непосредственно триплетными кодонами в генетическом коде и известно как «стандартные» аминокислоты. Два других ( «нестандартных» или «неканонической») являются селеноцистеин (присутствует во многих прокариот , так как большинство эукариот , но не кодируется непосредственно ДНК ), и пирролизин (встречаются только в некоторых архей и одной бактерии ). Пирролизин и селеноцистеин кодируются с помощью варианта кодонов; например, селеноцистеин кодируется стоп - кодона и Secis элемента . N -formylmethionine (который часто является начальным аминокислотным белками у бактерий, митохондрий и хлоропласты ) , как правило , рассматривается как форма метионина , а не в виде отдельной протеиногенных аминокислоты. Codon- тРНК комбинация не встречающаяся в природе , также может быть использована для «расширить» генетический код и образует новые белки , известные как alloproteins , включающий не-протеиногенные аминокислоты .

Многие важные Протеиногенные и не Протеиногенные аминокислоты имеют биологические функции. Например, в человеческом мозге , глутамат (стандарт глутаминовой кислоты ) и гамма-амино-масл ной кислоты ( «ГАМК», нестандартное гамма-аминокислоты) представляют собой, соответственно, основной возбуждающих и тормозных нейротрансмиттеров . Гидроксипролин , основной компонент соединительной ткани коллагена , синтезируется из пролина . Глицин является биосинтетическим предшественник порфиринами , используемых в красных клетках крови . Карнитин используется в транспорте липидов .

Девять протеиногенные аминокислоты называются « существенной » для человека , потому что они не могут быть получены из других соединений в организме человека и поэтому должны быть приняты в качестве пищи. Другие могут быть условно незаменимыми для определенного возраста или медицинских условий. Незаменимые аминокислоты могут также различаться между видами .

Из - за их биологической значимости, аминокислоты играют важную роль в питании и обычно используются в пищевых добавок , удобрений , кормов и пищевых технологий . Промышленные применения включают производство лекарственных средств , биоразлагаемых пластмасс и хиральных катализаторов .

история

Первые несколько аминокислот были обнаружены в начале 19 - го века. В 1806 году французские химики Луи-Николя Воклен и Робике выделяли соединение в спаржи , который был впоследствии названного аспарагин , первая аминокислота , чтобы быть обнаружены. Цистеин был обнаружен в 1810 году, хотя его мономер, цистеин , остался нераскрытым до 1884. глицина и лейцин был обнаружен в 1820. Последнего из 20 обычных аминокислот , чтобы быть обнаруженным был треонин в 1935 годе Уильям Камминг Rose , который определил также важное значение аминокислоты и установлены минимальные ежедневные потребности всех аминокислот для оптимального роста в.

Единство химической категории было признано Вюрцем в 1865 году, но он не дал никакого особого имени. Использование термина «аминокислота» на английском языке с 1898, в то время как немецкий термин, Aminosäure , был использован ранее. Белки были найдены с получением аминокислоты после ферментативного расщепления или кислотного гидролиза . В 1902 году Эмиль Фишер и Франц Гофмейстер независимо предложили , что белки образуются из многих аминокислот, в результате чего образуются связи между аминогруппой одной аминокислоты с карбоксильной группой другой, что приводит к линейной структуре , что Фишер назвал « пептид ».

Общая структура

21 протеиногенные альфа-аминокислоты найдены в эукариот , сгруппированы в соответствии с их боковых цепей рК значения и зарядов , переносимых при физиологическом рН (7,4)

В структуре , показанной в верхней части страницы, R представляет собой боковую цепь , специфичную для каждой аминокислоты. Углерода атом рядом с карбоксильной группой (которая , следовательно , пронумерованной 2 в углеродной цепи , начиная с этой функциональной группой) называется α-углерода . Аминокислоты , содержащие аминогруппу , присоединенную непосредственно к альфа - углерода, упоминаются как альфа - аминокислот . Они включают аминокислоты , такие как пролин , которые содержат вторичные амины , которые используются для быть часто упоминается как «иминокислот».

Изомерия

В альфа - аминокислоты являются наиболее распространенной формой встречается в природе, но только тогда , когда происходит в L - изомером. Альфа - углерод является хиральным атомом углерода, за исключением глицина , который имеет два неразличимых атомы водорода на альфа - углероде. Таким образом, все альфа - аминокислота , но глицин может существовать в одном из двух энантиомеров , называемых L или D аминокислотой, которые являются зеркальными отражениями друг друга ( смотрите также хиральность ). В то время как L - аминокислоты представляют все из аминокислот , обнаруженных в белках при переводе в рибосоме, D - аминокислоты найдены в некоторых белков , продуцируемых ферментов посттрансляционных модификаций после перевода и транслокации в эндоплазматический ретикулум , как и в экзотических морских организмов, обитающих такие , как конус улиток . Они также являются обильные компоненты пептидогликана клеточной стенки бактерий и D -serine может выступать в качестве нейротрансмиттера в головном мозге. D - аминокислоты используют в рацемической кристаллографии для создания центросимметричные кристаллов, которые ( в зависимости от белка) может позволить более простой и надежной определения структуры белка. L и D конвенция о конфигурации аминокислоты относится не к оптической активности самой, а к оптической активности изомера аминокислоты глицеральдегида , из которого , что аминокислота может, теоретически, быть синтезирована ( D -glyceraldehyde является правовращающим; л -glyceraldehyde является левовращающим). В альтернативной моде, (S) и (R) десигнатор используются для обозначения абсолютной стереохимии . Почти все из аминокислот в белках (S) , при угле & alpha ; , с цистеином будучи (R) и глицин не- хиральных . Цистеин имеет боковую цепь в одной и той же геометрической позиции , как и другие аминокислоты, но / S R терминология обратной связи с более высоким атомным номером серы по сравнению с карбоксильной кислорода дает боковой цепи более высокий приоритет, тогда как атомы в большинстве другие боковые цепи дают им более низкий приоритет.

Боковые цепи

Лизин с атомами углерода , меченного положением

В аминокислот , которые имеют углеродную цепь , присоединенную к & alpha; углерода (такие , как лизин , показано справа) атомы углерода обозначены для того , как & alpha ; , β, γ, δ, и так далее. В некоторых аминокислот, аминогруппа присоединена к бета или гамма-углерод, и они , следовательно , упоминается как бета или гамма - аминокислот .

Аминокислоты обычно классифицируют по свойствам их боковых цепей на четыре группы. Боковая цепь может сделать это аминокислоте в слабую кислоту или слабое основание , и гидрофил , если боковая цепь полярная или гидрофобный , если это неполярное . В химических структурах из 22 стандартных аминокислот, наряду с их химическими свойствами, описаны более подробно в статье на этих протеиногенные аминокислотах .

Фраза « с разветвленной цепью аминокислоты » или ВСАА относится к аминокислот , имеющих алифатические боковые цепи , которые не являются линейными; это лейцин , изолейцин и валин . Пролин является единственными протеиногенными аминокислотами , чья-группа ссылки на α-аминогруппу и, таким образом, также является единственными протеиногенными аминокислотами , содержащих вторичный амин в этом положении. С химической точки зрения, пролин Таким образом, существует иминокислота , поскольку в нем отсутствует первичная аминогруппу , хотя он по - прежнему классифицируются как аминокислоты в текущей биохимической номенклатуре, а также может быть назван «N-алкилирует альфа-аминокислотой ».

амфотерные

Аминокислоты в своем (1) неионизованных и (2) цвиттерионный формах

Α- карбоновой кислоты группа аминокислот является слабой кислотой , а это означает , что он выпускает Hydron (например, протона ) при умеренных значениях рН. Другими слова, группы карбоновых кислот (-CO 2 H) могут быть депротонированы , чтобы стать отрицательными карбоксилатами (-СО 2 - ). Отрицательно заряженный ион карбоксилат преобладает при значениях рН больше , чем рКа группы карбоновой кислоты (среднее значение для 20 обычных аминокислот составляет около 2,2 см таблицу структур аминокислотных выше). В дополнительной моды, α- амин аминокислоты является слабым основанием , а это означает , что он принимает протон при умеренных значениях рН. Другими словами, альфа-аминогруппы (NH 2 -) может быть протонирован , чтобы стать положительным α-аммониевые группы ( + NH 3 -). Положительно заряженные группы α-аммония преобладает при значениях рН меньше , чем рК группы α-аммония (среднее значение для 20 общих альфа-аминокислот составляет около 9,4).

Поскольку все аминокислоты содержат аминные и карбоксильные функциональные группы, они разделяют амфипротное свойство. Ниже рН 2,2, преобладающая форма будет иметь нейтральную группу карбоновой кислоты и положительный ион α-аммоний (суммарный заряд + 1), а при рНе выше 9,4, отрицательный карбоксилат и нейтральный альфа-аминогруппы (суммарный заряд -1). Но при рН между 2,2 и 9,4, аминокислоты , как правило , содержит как отрицательную карбоксилат и положительную группу α-аммония, как показано на структуре (2) с правой стороны , так что имеет чистый нулевой заряд. Это молекулярное состояние известно как цвиттерион , от немецкого цвиттера означает «гермафродит» или «гибрид». Полностью нейтральная форма (структура (1) на левой стороне ) является очень незначительные виды в водном растворе в течение всего диапазона рН (менее чем 1 часть в 10 7 ). Аминокислоты существовать в виде цвиттера также в твердой фазе, и кристаллизуются с солеобразными свойствами в отличии от типичных органических кислот или аминов.

изоэлектрической точки

Композитные кривые титрования двадцати протеиногенных аминокислот , сгруппированный по боковой цепи категории

Изменение кривых титрования, когда аминокислоты могут быть сгруппированы по категориям. За исключением тирозина, используя титрование выделить среди гидрофобных аминокислот является проблематичным.

При значениях рН между двумя значениями рКа, цвиттериона преобладает, но сосуществует в динамическом равновесии с небольшими количествами чистых отрицательных и чистых положительных ионов. При точном средней точки между двумя значениями рКа, в следовых количествах чистого негатива и следа чистых положительных ионов в точности баланса, так что средний чистый заряд всех форм , присутствующих равна нулю. Этот рН известен как изоэлектрической точки изоэлектрической, так что Pi = ½ (рКа 1 + рКа 2 ). Отдельные аминокислоты все имеют несколько различных значения рКа, так что имеют разную изоэлектрическую точку. Для аминокислот с заряженными боковыми цепями, рКа боковой цепи участвуют. Таким образом , для Asp, Glu с отрицательными боковыми цепями, ИТ = ½ (рКа 1 + рКа R ), где рКа R обозначает боковую цепь рКа. Цистеин также имеет потенциально отрицательную боковую цепь с рКа R = 8,14, поэтому ИЭТ следует рассчитывать как на Asp и Glu, даже если боковая цепь существенно не заряжена при нейтральном рН. Для His, Lys и Arg с положительными боковыми цепями, ИТ = ½ (рКа R + рКа 2 ). Аминокислоты имеют нулевую подвижность в электрофорезе в их изоэлектрической точке, хотя такое поведение , как правило , больше , эксплуатировало для пептидов и белков , чем отдельные аминокислоты. Цвиттер иметь минимальную растворимость в их изоэлектрической точке и некоторых аминокислот (в частности, с неполярными боковыми цепями) может быть выделен путем осаждения из воды путем доведения рН до требуемого изоэлектрической точки.

Возникновение и функции в области биохимии

Белок изображен в виде длинной неразветвленной строки связанных кругов каждой из которых представляет аминокислоту
Полипептид представл ет собой неразветвленную цепь аминокислот
Схематическое сравнение структур бета-аланин и альфа-аланина
бета-аланин и его α-аланин-изомер
Диаграмма, показывающая структуру селеноцистеина
Аминокислота селеноцистеин

Протеиногенных аминокислоты

Аминокислоты являются структурными единицами (мономеры) , которые составляют белки. Они объединяются с образованием коротких полимерных цепей , называемых пептидами или более длинные цепями , называемых либо полипептидами или белками . Эти полимеры являются линейными и неразветвленными, с каждой аминокислотой в пределах цепи , присоединенной к двум соседним аминокислотам. Процесс изготовления белков , кодируемых ДНК / РНК генетического материала называется перевод и включает добавление шаг за шагом аминокислот к растущей белковой цепи с помощью рибозима , который называется рибосомы . Порядок , в котором добавлены аминокислоты , считывается посредством генетического кода из мРНК шаблона, который представляет собой РНК - копии одного из организма генов .

Двадцать две аминокислоты естественно включены в полипептиды и называются протеиногенных или природные аминокислоты. Из них 20 кодируются универсальным генетическим кодом . Остальные 2, селеноцистеин и пирролизин , включены в белки уникальных синтетических механизмами. Селеноцистеина включается , когда мРНК переводится включает в себя элемент Secis , который вызывает UGA кодона для кодирования селеноцистеин вместо стоп - кодона . Пирролизин используются некоторыми метаногенными архебактерий в ферментах , которые они используют для получения метана . Он кодируется для с кодоном UAG, который обычно представляет собой стоп - кодон в других организмах. Этот кодон UAG сопровождается вниз по течению последовательности PYLIS .

Non-протеиногенные аминокислоты

Помимо 22 протеиногенных аминокислот , многие не-протеиногенные аминокислоты известны. Те , либо не обнаружены в белках (например , карнитин , ГАМК , левотироксин ) или не производятся непосредственно , так и в изоляции от стандартной сотовой техники (например, гидроксипролина и селенометионина ).

Номера протеиногенные аминокислоты , которые находятся в белках образуются посттрансляционной модификацией , которая является модификацией после перевода в процессе синтеза белка. Эти модификации часто имеет важное значение для функции или регуляции белка. Например, карбоксилирования из глутамата позволяет лучше связыванию катионов кальция и коллаген содержит гидроксипролина, порожденный гидроксилирования из пролина . Другим примером является формирование гипузин в фактор инициации трансляции EIF5A , путем модификации остатка лизина. Такие модификации можно также определить локализацию белка, например, добавление длинных гидрофобных групп может вызвать белка связываться с фосфолипидной мембраной.

Некоторые не-протеиногенные аминокислоты не найдены в белках. Примеры включают 2-аминоизомасляную кислоты и нейромедиатора гамма-аминомасляной кислоты . Номера протеиногенные аминокислот часто встречаются в качестве промежуточных продуктов в метаболических путях для стандартных аминокислот - например, орнитин и цитруллина происходят в цикле мочевины , часть аминокислотного катаболизма (см ниже). Редкое исключение к преобладанию альфа-аминокислот в биологии является β-аминокислоты беты - аланин (3-аминопропановая кислота), которая используется в растениях и микроорганизмах в синтезе пантотеновой кислоты (витамин B 5 ), компонент коэнзима А .

D -аминокислоты природное содержание

D -изомеры являются редкостью в живых организмах. Так , например, грамицидин представляет собой полипептид состоит из смеси D - и L - аминокислоты. Другие соединения , содержащие D - Амины кислоты являются tyrocidine и валиномицин . Эти соединения разрушают клеточные стенки бактерий, в частности , в грам-положительных бактерий. Только 837 D -аминокислот были найдены в базе данных Swiss-Prot (187 миллионов аминокислоты анализировала).

Нестандартные аминокислоты

20 аминокислот, которые кодируются непосредственно кодонами универсального генетического кода называется стандартной или каноническими аминокислотами. Модифицированная форма метионина ( Н -formylmethionine ) часто включается вместо метионина в качестве начальной аминокислоты белков у бактерий, митохондрий и хлоропластов. Другие аминокислоты называются нестандартными или неканоническими . Большинство нестандартных аминокислот также не-протеиногенные (т.е. они не могут быть включены в белки в процессе перевода), но два из них являются протеиногенными, так как они могут быть включены поступательны в белки посредством использования информации , не закодированной в универсальном генетическом коде ,

Две нестандартные протеиногенные аминокислоты селеноцистеин (присутствует во многих не-эукариот, а также большинство эукариот, но не кодируется непосредственно ДНК) и пирролизин (найденный только в некоторых архебактерий и одной бактерии ). Включение этих нестандартных аминокислот редко. Так , например, 25 человек белок включают селеноцистеин (сек) в их первичной структуре, а также структурно характеризуемые ферменты (selenoenzymes) использует Sec в качестве каталитического остатка в их активных центрах. Пирролизин и селеноцистеин кодируются с помощью варианта кодонов. Например, селеноцистеин кодируется стоп - кодона и Secis элемента .

В питании человека

Диаграмма, показывающая относительное возникновение различных аминокислот в сыворотке крови, полученные из различных диет
Доля аминокислоты в различных человеческих диетах и ​​полученная смесь аминокислот в сыворотке крови человека. Глутамат и глутамин являются наиболее частыми в пищу в более чем 10%, в то время как аланин, глютамин и глицин являются наиболее распространенными в крови.

Когда обрабатывают в организм человека из рациона, в 20 стандартных аминокислот либо используются для синтеза белков и других биомолекул или окислены до мочевины и диоксида углерода в качестве источника энергии. Путь окисления начинается с удалением аминогруппы с помощью трансаминазы ; аминогруппа затем подают в цикл мочевины . Другой продукт переамидирования является кето кислоты , которая входит в цикл лимонной кислоты . Глюкогенные аминокислоты также могут быть преобразованы в глюкозу, через глюконеогенез . Из 20 стандартных аминокислот, девять ( Его , Ile , Leu , Lys , Met , Phe , Thr , Trp и Val ) называются незаменимые аминокислоты , поскольку человеческий организм не может синтезировать их из других соединений на уровне , необходимого для нормального роста, поэтому они должны быть получены из пищи. Кроме того, цистеин , таурин , тирозин и аргинин считаются semiessential аминокислот у детей (хотя таурин не является технически аминокислота), потому что метаболические пути , которые синтезируют эти аминокислоты не полностью развиты. Суммы , необходимые также зависят от возраста и состояния здоровья человека, так что трудно сделать общие заявления о диетической потребности в некоторых аминокислотах. Диетическое воздействие на нестандартную аминокислоту BMAA было связанно с нейродегенеративными заболеваниями человека, в том числе АЛС .

Сигнальный каскад схемы
Схема молекулярных сигнальных каскадов , которые участвуют в миофибриллярного синтеза мышечного белка и митохондриального биогенеза в ответ на физические упражнения и специфических аминокислот или их производных ( в основном L - лейцина и HMB ). Многие аминокислоты , полученные из пищевого белка способствуют активации mTORC1 и увеличить синтез белка путем передачи сигналов через Rag GTPases .
График синтеза мышечного белка против времени
Сопротивление обучение стимулирует синтез мышечного белка (MPS) на период до 48 часов после тренировки (показано светлой пунктирной линией). Прием пищи в богатой белком еды в любой момент в течение этого периода увеличит рост вызванной физическими нагрузками в синтезе мышечного белка (показаны сплошными линиями).

Функции Небелковые

В организме человека, небелковой аминокислоты также играют важную роль в качестве метаболических промежуточных продуктов , например, в биосинтезе нейротрансмиттера гамма-амино-масляная кислота (ГАМК). Многие аминокислоты используются для синтеза других молекул, например:

Некоторые нестандартные аминокислоты используются в качестве защиты от травоядных в растениях. Например, канаванин является аналогом аргинина , который содержится во многих бобовых культурах , а в особо крупных размерах в канавалия gladiata (меч бобе). Эта аминокислота защищает растения от хищников , таких как насекомые и может вызвать болезнь у людей , если некоторые виды бобовых едят без обработки. Небелковая аминокислота , mimosine встречаются у других видов бобовых культур, в частности леуцена светлоголовчатого . Это соединение представляет собой аналог тирозина и может отравить животных , которые пасутся на этих растениях.

Применение в промышленности

Аминокислоты используются для различных применений в промышленности, но их основное использование в качестве добавка к корму для животных . Это необходимо, так как многие из сыпучих компонентов этих кормов, таких как соевые бобы , либо имеют низкий уровень или отсутствие некоторых незаменимых аминокислот : лизин, метионин, треонин, триптофан и являются наиболее важными в производстве этих кормов. В этой отрасли, аминокислоты также используются для хелат катионов металлов , с тем , чтобы улучшить поглощение минералов из добавок, которые могут потребоваться для улучшения здоровья или производства этих животных.

Пищевая промышленность также является основным потребитель аминокислот, в частности, глутаминовой кислоте , который используется в качестве усилителя вкуса , и аспарт (аспартить-фенилаланин-1-метиловый эфир) в качестве низкокалорийного искусственного подсластителя . Подобная технология , которая используется для кормления животных используется в человеческой индустрии питания для облегчения симптомов минеральной недостаточности, таких как анемия, за счет улучшения минерального поглощения и снижения негативных побочных эффектов от неорганических минеральных добавок.

Хелатирующий способность аминокислот была использована в сельском хозяйстве удобрений для , чтобы облегчить доставку минералов для растений с целью коррекции минеральных веществ, таких как железо хлороза. Эти удобрения также используется для предотвращения недостатков возникновения и улучшения общего состояния здоровья растений. Оставшееся производство аминокислот используют в синтезе лекарственных препаратов и косметических средств .

Кроме того , некоторые производные аминокислоты используют в фармацевтической промышленности. Они включают в себя 5-HTP (5-гидрокситриптофана) , используемый для экспериментального лечения депрессии, L -DOPA ( L -dihydroxyphenylalanine) для Паркинсона лечения и эфлорнитин препарата , который ингибирует орнитиндекарбоксилазу и используется при лечении сонной болезни .

Расширенный генетический код

С 2001 года , 40 неприродные аминокислоты , которые были добавлены в белок путем создания уникальной кодон (перекодирование) и соответствующий трансфер-РНК: аминоацил - тРНК-синтетазы пара , чтобы кодировать его с разнообразными физико - химическими и биологическими свойствами для того , чтобы использоваться в качестве инструмент для прогулок белковой структуры и функции или для создания новых или улучшенных белков.

Nullomers

Nullomers являются кодонами, что в коде теории для аминокислоты, однако в природе существует предубеждение против селективного использования этого кодона в пользу другого, например, бактерии предпочитают использовать CGA вместо AGA для кодирования аргинина. Это создает некоторые последовательности, которые не появляются в геноме. Эта характеристика может быть воспользовалась и используется для создания новых селективных противораковых препаратов и для предотвращения перекрестного загрязнения образцов ДНК из исследований места преступления.

Химические строительные блоки

Аминокислоты играют важную роль в качестве недорогих исходных материалов . Эти соединения используются в хирального синтеза бассейна , как энантиомерно чистых строительных блоков.

Аминокислоты были исследованы в качестве предшественников хиральных катализаторов , например, для асимметричных гидрогенизации реакций, хотя никаких коммерческих приложений не существует.

Биоразлагаемые пластики

Аминокислоты находятся в стадии разработки в качестве компонентов целого ряда биоразлагаемых полимеров. Эти материалы имеют применение в качестве экологически чистой упаковки и в медицине в поставке наркотиков и строительство протезных имплантатов . Эти полимеры включают полипептиды, полиамиды , полиэфиры, полисульфиды, полиуретаны и с аминокислотами либо входящим в состав их основных цепей или скрепленный в виде боковых цепей. Эти модификации изменяют физические свойства и реакционную способность полимеров. Интересный пример таких материалов является полиаспартат , водорастворимый биоразлагаемый полимер , который может иметь применение в одноразовых подгузниках и сельском хозяйстве. Из - за его растворимость и способность хелатных ионов металлов, полиаспартаты также используются в качестве анти - biodegradeable масштабирования агента и ингибитора коррозии . Кроме того, ароматическая аминокислота тирозин в настоящее время разрабатываются в качестве возможной замены токсичных фенолов , таких как бисфенол А в производстве поликарбонатов .

Реакции

Поскольку аминокислоты имеют как первичную аминной группу и первичную карбоксильную группу, эти химические вещества могут пройти большинство реакций , связанные с этими функциональными группами. Они включают нуклеофильное присоединение , амидной связи образования и имина для аминогруппы, и этерификацию , амидной связи образования и декарбоксилирование для группы карбоновой кислоты. Сочетание этих функциональных групп позволяют аминокислоты , чтобы быть эффективными полидентатными лигандами для хелатов металлов-аминокислот. Многочисленные боковые цепи аминокислот также могут проходить химические реакции. Типы этих реакций определяются группами на этих боковых цепей и, следовательно, по- разному между различными типами аминокислоты.

Химический синтез

Для стадий реакции, увидеть текст.
Синтеза Стрекер аминокислота

Существует несколько способов , чтобы синтезировать аминокислоты. Одним из старейших методов начинается с бромирования на альфа-углерод карбоновой кислоты. Нуклеофильное замещение с аммиаком затем преобразует алкилбромид к аминокислоте. В альтернативной моде, синтез Стрекер аминокислоты включает обработку альдегида с цианидом калия и аммиаком, это производит альфа-амина нитрил в качестве промежуточного продукта . Гидролиз нитрила в кислоте затем дает альфа-аминокислоты. Использование аммиака или соли аммония в этой реакции дает незамещенные аминокислоты, тогда заменяя первичные и вторичные амины , дадут замещенные аминокислоты. Кроме того, с помощью кетонов , альдегидов вместо того, дает a, a-дизамещенных аминокислот. Классический синтез дает рацемические смеси альфа-аминокислот в качестве продуктов, но несколько альтернативных процедур с использованием вспомогательных вещества или асимметричными асимметричные катализаторы были разработаны.

В текущее время, наиболее принят метод является автоматизированный синтез на твердом носителе (например, полистирол бусин), с использованием защитных групп (например, Fmoc и трет-Вос ) и активирующих групп (например, DCC и DIC ).

образование пептидной связи

Две аминокислоты представлены рядом друг с другом.  Один теряет водород и кислород из его карбоксильной группы (COOH), а другой теряет водород из его аминогруппы (NH2).  Эта реакция производит молекулы воды (H2O) и две аминокислоты, соединенные пептидной связью (-CO-NH-).  Две соединенные аминокислоты называются дипептид.
Конденсации из двух аминокислот с образованием дипептида через пептидную связь

Поскольку как амин и группы карбоновых кислот , аминокислот , могут вступать в реакцию с образованием амидных связей, одна молекула аминокислоты может взаимодействовать с другим и становятся соединены посредством амидной связи. Эта полимеризация аминокислот является то , что создает белки. Эта реакция конденсации приводит к вновь образованной пептидной связи и молекулы воды. В клетках, эта реакция не происходит непосредственно; вместо этого, аминокислота сначала активируют путем присоединения к транспортной РНК молекулы через сложноэфирную связь. Это аминоацил-тРНК производится в АТФ -зависимой реакции , проводимой с помощью аминоацил тРНК синтетазы . Это аминоацил-тРНК затем субстрат для рибосомы , который катализирует атаку аминогруппы цепи удлиняя белок на эфирной связи. В результате этого механизма, все белки , сделанные рибосомы синтезируют , начиная с их N-конца и движется в сторону их С-конца.

Однако, не все пептидные связи формируются таким образом. В некоторых случаях, пептиды синтезируют специфическими ферментами. Например, трипептид глутатион является неотъемлемой частью защиты клеток от окислительного стресса. Этот пептид синтезируют в две стадии из свободных аминокислот. На первом этапе, гамма-glutamylcysteine синтетазы конденсируется цистеина и глутаминовой кислоты через пептидную связь , образованную между боковой цепи карбоксила глутамата (гамма углерода этой боковой цепи) и аминогруппой цистеина. Этот дипептид затем конденсируют с глицином с помощью глутатион - синтетазы с образованием глутатиона.

В химии, пептиды синтезируют с помощью различных реакций. Одним из наиболее часто используемых в синтезе пептидов в твердой фазе используют ароматические производные оксима аминокислот в качестве активированных единиц. Они добавляются последовательно на растущей пептидной цепи, который прикреплен к опоре твердой смолы. Возможность легко синтезировать огромное количество различных пептидов путем изменения типа и порядка аминокислот ( с использованием комбинаторной химии ) сделала пептидный синтез особенно важен при создании библиотек пептидов для использования в лекарственных препаратах через высокопроизводительный скрининг .

Биосинтез

В растениях азот сначала усваивается в органические соединения в виде глутамата , образованных из альфа-кето-и аммиака в митохондрии. Для того чтобы сформировать другие аминокислоты, растение использует трансаминазы , чтобы переместить аминогруппу в другой альфа-кето - карбоновую кислоту. Например, аспартатаминотрансфераза и преобразует глутамат оксалоацетат в альфа-кето-и аспартату. Другие организмы используют для синтеза трансаминазы аминокислоты, тоже.

Нестандартные аминокислоты, как правило , формируются путем модификации стандартных аминокислот. Например, гомоцистеин формируется через transsulfuration пути или путем деметилирования метионина через промежуточный метаболит S-аденозил метионин , в то время как гидроксипролина производится в посттрансляционной модификации из пролина .

Микроорганизмы и растения могут синтезировать многие необычные аминокислоты. Например, некоторые микробы делают 2-аминоизомасляную кислоту и лантионин , который представляет собой сульфид-мостик производного аланина. Оба из этих аминокислот найдены в пептидных лантибиотиках , такие как аламетицин . Тем не менее, в растениях, 1-аминоциклопропан-1-карбоновая кислота представляет собой небольшая дизамещенная циклическая аминокислота , которая является ключевым промежуточной в производстве растительного гормона этилена .

катаболизм

Катаболизм протеиногенных аминокислот. Аминокислоты могут быть классифицированы в зависимости от свойств их основных продуктов , как одно из следующих действий :
* глюкогенного , с продуктами , имеющими способность образовывать глюкозу посредством глюконеогенеза
* кетогенных , с продуктами , не имеющими способность образовывать глюкозу. Эти продукты по- прежнему могут быть использованы для кетогенеза или синтеза липидов .
* Аминокислота катаболизируется в обеих глюкогенных и кетогенные продукты.

Аминокислоты должен сначала пройти из органелл и клеток в кровоток через переносчиков аминокислот , так как амин и группы карбоновых кислот , как правило , ионизируется. Деградация аминокислоты, происходит в печени и почках, часто включает в себя дезаминирование , перемещая его аминогруппу в альфа-кето, образуя глутамат . Этот процесс включает трансаминазы, часто такие же , как те , которые используются в процессе синтеза аминирования. Во многих позвоночных, аминогруппа затем удаляется через цикл мочевины и выводится в виде мочевины . Тем не менее, деградация аминокислоты может производить мочевую кислоту или аммиак вместо этого. Например, серин дегидратаз преобразует серин в пируват и аммиак. После удаления одной или более аминогрупп, остальная часть молекулы иногда может быть использованы для синтеза новых аминокислот, или он может быть использован для производства энергии путем ввода гликолиза или цикла лимонной кислоты , как описан в изображении справа.

Физико-химические свойства аминокислот

20 аминокислот , закодированные непосредственно с помощью генетического кода можно разделить на несколько групп в зависимости от их свойств. Важными факторами являются заряд, гидрофильность или гидрофобность , размер и функциональные группы. Эти свойства имеют важное значение для структуры белков и белок-белковых взаимодействий . Водорастворимые белки , как правило, имеют свои гидрофобные остатки (Leu, Ile, Val, Phe, Trp и) захоронен в середине белка, тогда как гидрофильные боковые цепи подвергаются воздействию водного растворителя. (Обратите внимание , что в области биохимии , остаток относится к конкретному мономера в пределах полимерной цепи в виде полисахарида , белка или нуклеиновой кислоты .) В интегральные мембранные белки , как правило, имеют внешние кольца , подвергнутых гидрофобных аминокислот , которые якорь их в липидный бислой . В случае неполного пути между этими двумя крайностями, некоторые периферийные мембранные белки имеют участок гидрофобных аминокислот на их поверхности , что замки на мембрану. Аналогичным образом, белки , которые должны связываться с положительно заряженными молекулами имеют поверхности , богатые отрицательно заряженные аминокислоты , такие как глутамат и аспартаты , в то время как белки связывание с отрицательно заряженными молекулами имеют поверхности , богатые положительно заряженные цепи , как лизин и аргинин . Существует различная гидрофобность шкала аминокислотных остатков.

Некоторые аминокислоты обладают особыми свойствами , такими как цистеин , которые могут образовывать ковалентные дисульфидные связи с другими остатками цистеина, пролин , который образует цикл с полипептидной основной цепью, и глицин , который является более гибким , чем другие аминокислотами.

Многие белки подвергаются спектру посттрансляционных модификаций , когда дополнительные химические группы , которые присоединены к аминокислотам в белках. Некоторые модификации могут производить гидрофобные липопротеины , или гидрофильные гликопротеины . Этот тип модификации позволяют обратимое нацеливание белка к мембране. Например, добавление и удаление жирных кислот пальмитиновой кислоты до остатков цистеина в некоторых сигнальных белках вызывают белки для прикрепления , а затем отделить от клеточных мембран.

Таблица стандартных сокращений аминокислот и свойств

Аминокислота 3-буквенный 1-буквенный Боковая цепь

учебный класс

Боковая цепь

полярность

Боковая цепь

заряда (рН 7,4)

Водолечение
индекс
Абсорбция

λ макс (нм)

ε в

λ макс (мМ -1 см -1 )

МВт

(вес)

Вхождение

в белках (%)

Кодирование в стандарте генетического кода ( с использованием IUPAC обозначения )
аланин Ala алифатический неполярный нейтральный 1,8 89,094 8,76 GCN
Аргинин Arg р основной основной полярная положительный -4,5 174,203 5,78 МГН, CGY (кодирующие кодоны также могут быть выражены: НКЗ, СМА)
аспарагин Asn N амид полярный нейтральный -3,5 132,119 3,93 AAY
Аспарагиновая кислота гадюка D кислота кислая полярная отрицательный -3,5 133,104 5,49 GAY
Цистеин Cys С серосодержащие неполярный нейтральный 2.5 250 0,3 121,154 1,38 UGY
Глютаминовая кислота Glu Е кислота кислая полярная отрицательный -3,5 147,131 6,32 GAR
глутамин Gln Q амид полярный нейтральный -3,5 146,146 3,9 АВТОМОБИЛЬ
Глицин Gly г алифатический неполярный нейтральный -0,4 75,067 7,03 GGN
Гистидин Его ЧАС основной ароматическое основной полярная положительные (10%)
нейтрально (90%)
-3,2 211 5,9 155,156 2,26 CAY
изолейцин Ile я алифатический неполярный нейтральный 4.5 131,175 5,49 AUH
лейцин Лея L алифатический неполярный нейтральный 3,8 131,175 9,68 ЮР, CuY (кодирующие кодоны также могут быть выражены: CUN, UUR)
Лизин Lys К основной основной полярная положительный -3,9 146,189 5,19 AAR
метионин Встретились M серосодержащие неполярный нейтральный 1,9 149,208 2,32 августе
Фенилаланин Phe F ароматический неполярный нейтральный 2,8 257, 206, 188 0.2, 9.3, 60.0 165,192 3,87 UUY
Proline профессионал п циклический неполярный нейтральный -1,6 115,132 5,02 CCN
серин Ser S гидроксилсодержащих полярный нейтральный -0,8 105,093 7,14 ОКН, AGY
Треонин Thr T гидроксилсодержащих полярный нейтральный -0,7 119,119 5,53 ACN
Триптофан Trp W ароматический неполярный нейтральный -0,9 280, 219 5,6, 47,0 204,228 1,25 UGG
Тирозин Tyr Y ароматический полярный нейтральный -1,3 274, 222, 193 1.4, 8.0, 48.0 181,191 2,91 UAY
валин Val В алифатический неполярный нейтральный 4,2 117,148 6,73 GUN

Два дополнительных аминокислот у некоторых видов , кодируемых кодонов , которые обычно интерпретируются как стоп - кодонов :

21-й и 22-й аминокислоты 3-буквенный 1-буквенный МВт (вес)
селеноцистеина Sec U 168,064
пирролизин Pyl О 255,313

В дополнение к конкретным кодам аминокислот, заполнители используются в тех случаях , когда химическое или кристаллографической анализ пептида или белка не может окончательно определить личность остатка. Они также используются для обобщения консервативных последовательности белка мотивов. Использование отдельных букв для обозначения множества подобных остатков аналогично использования аббревиатур кодов для вырожденных оснований .

Неоднозначные аминокислоты 3-буквенный 1-буквенный Аминокислоты в комплекте кодоны Включено
Любой / неизвестно Хаа Икс Все NNN
Аспарагин или аспарагиновая кислота Аскс В D, N RAY
Глютамин или глутаминовая кислота Glx Z Е, Q SAR
Лейцин или изолейцин XLE J I, L YTR, АТН, CTY (кодирующие кодоны также могут быть выражены: CTN, ATH, TTR; MTY, YTR, ATA; MTY, ОМТ, YTG)
гидрофобный Φ V, I, L, F, W, Y, М НТН, ТАЙ, TGG
ароматический Ω F, W, Y, Н YWY, ​​телетайп, TGG (кодирующие кодоны также могут быть выражены: РД, CAY, TGG)
Алифатический (неароматический) Ψ V, I, L, M ВТН, ТТР (кодирующие кодоны также могут быть выражены: NTR, VTY)
Маленький π P, G, A, S BCN, RGY, GGR
гидрофильный ζ S, T, H, N, Q, E, D, K, R VAN, WCN, НКЗ, AGY (кодирующие кодоны также могут быть выражены: VAN, WCN, МГр, CGP)
Положительно заряженные + K, R, H ARR, CRY, CGR
Отрицательно заряженный - D, Е GAN

Унк иногда используется вместо Хаа , но меньше стандартной.

Кроме того, многие нестандартные аминокислоты имеют определенный код. Например, несколько пептидных препараты, такие как БОРТЕЗОМИБ и MG132 , которые искусственно синтезированы и сохраняют свои защитные группы , которые имеют специфические коды. Бортезомиб является Pyz Phe-boroLeu и MG132 является Z - Leu-Leu-аль. Для того, чтобы помочь в анализе структуры белка, аналоги фотореактивной аминокислот доступны. К ним относятся photoleucine ( pLeu ) и photomethionine ( Pmet ).

Смотрите также

Ссылки и примечания

дальнейшее чтение

внешняя ссылка