Proliin

Proliin (süstemaatiline nimetus pürrolidiin-2-karboksüülhape) on looduslik aminohape, mis on ainsana tsükliline ja sisaldab aminorühma asemel sekundaarset amiini. Looduses esineb proliin L-isomeerina ehk S-isomeerina ning valkude koostises leiduvat proliinijääki (tähistatakse Pro või P) kodeerivad DNA tasemel nukleotiidijärjestused, mis algavad nukleotiididega CC (st CCA, CCC, CCG või CCT).^[1][2]

Proliini struktuur kaksikiooni kujul. Vasakul L-proliin, paremal D-proliin.

Täiskasvanud inimeste organism suudab proliini toota teisest aminohappest (L-glutamaadist ehk L-glutamiinhappest), mistõttu ei kuulu proliin asendamatute aminohapete hulka.^[3]

Üldised keemilised ja füüsikalised omadused

• Brutovalem: C₅H₉NO₂
• Molekulmass: 115 Da
• CAS-number: L-proliinil 147-85-3, D-proliinil 344-25-2
• Lahustuvus vees: 162 g/l
• Protoneeritud aminorühma pK_a väärtus: 10,60–10,64
• Karboksüülrühma pK_a väärtus: 1,95–1,99
• Isoelektriline punkt (pI väärtus): 6,30
• Oktanooli-vee jaotuskoefitsiendi kümnendlogaritm (log P väärtus): -2,54

Andmete allikad:^[4][5][6][7]

Ramachandrani graafik Pro konformatsioonide jaoks eri valkudes.

Struktuuri iseärasustest tingitud eriomadused valkude koosseisus

Ramachandrani graafik proliinijäägile eelneva aminohappejäägi konformatsioonide kohta eri valkudes.

Kuna proliini struktuur on tsükliline, siis vaba pöörlemine lämmastiku ja alfa-süsiniku vahelise üksiksideme ümber on takistatud. Seetõttu on proliini stabiilsete konformatsioonide arv oluliselt väiksem kui teistel looduslikel aminohapetel. Näiteks varieeruvad nn Ramachandrani graafiku alusel kahetahulise nurga φ väärtused proliinil üsna kitsas vahemikus (−63±15°), samas kui teistel aminohapetel on φ väärtused kahes laiemas vahemikus (−135 kuni −45 ja 45 kuni 90 kraadi). Lisaks proliinile endale limiteerib Pro jääk oma tsüklilise struktuuri tõttu peptiidide koosseisus ka eelneva aminohappejäägi konformatsioonide arvu.^[8][9][10]

Teiselt poolt esineb proliinijääke sisaldavates peptiidides väike erinevus peptiidsideme cis- ja trans-konfiguratsiooni stabiilsuses, kui vaadelda peptiidsidet Pro ja sellele eelneva aminohappejäägi vahel. Kui enamikus aminohapetes on trans-konfiguratsioon üle 1000 korra eelistatum, siis Pro sisaldavates peptiidides on trans-konfiguratsiooni esinemise tõenäosus vaid 4 korda suurem. Sellest tingituna esineb Pro sageli valgu struktuuri nendes osades, kus on vajalik ahela järsk pööre, või nendes osades, kus eelnev sekundaarne struktuur, näiteks alfaheeliks või beeta-leht, peab asenduma ilma sekundaarstruktuurita, paindliku aasaga. Seevastu ei osale Pro ise enamasti sekundaarsete struktuuride koosseisus, välja arvatud nn polüproliinheeliksites (vt allpool).^[11][12]

Proliini cis- ja trans-konfiguratsioonid. Üleminekut konfiguratsioonide vahel võivad kiirendada ensüümid prolüülisomeraasid (joonisel tähistatud PPIase).

Kuigi Pro olemasolu primaarjärjestuses aitab kaasa valkude korrektsele voltumisele, siis valgu primaarjärjestuse sünteesi käigus ribosoomil aeglustab Pro lisamine ahelasse sünteesi. Samuti aeglustub sünteesi järgmise aminohappejäägi lisamine proliinijäägiga lõppeva sünteesitava järjestuse sisse. Sünteesi aeglustumine on tingitud asjaolust, et oma ruumilise struktuuri tõttu ei sobitu tRNA-ga seotud proliin ega valguahelasse lisatud proliin ribosoomi vastavatesse taskutesse, mis raskendab Pro sobivat suunamist muu ahela või uue sissetuleva tRNA-ga seotud aminohappejäägi suhtes.^[1]

Samas raskendab Pro ruumiline struktuur proliinijääki sisaldava peptiidahela seondumist proteaasidega, mistõttu Pro sisaldavad peptiidid on üldiselt bioloogiliselt üsna stabiilsed. Elusorganismides ja isegi mõningatel viirustel on aga olemas spetsialiseerunud proteaasid, mis keskenduvad just Pro-sisaldavate peptiidsidemete lagundamisele.^[13][14][15]

Polüproliinheeliks

PP-II heeliks külgvaates

Polüproliinheeliks (PP) on spiraalikujuline L-Pro jääkidest koosnev sekundaarne struktuur, millel eristatakse kaht tüüpi: nn paremakäelist PP-I, mis on vähem levinud ja kus Pro vaheline peptiidside on süstemaatiliselt cis-konfiguratsioonis, ning nn vasakukäelist PP-II, mis on levinum ja kus Pro vaheline peptiidside on süstemaatiliselt trans-konfiguratsioonis. Valguheeliksi käelisust määratakse vastavalt sellele, kas heeliksi voltumine N-terminaali poolt C-terminaali poole liikudes toimub kellaosuti liikumise suunas (paremakäeline) või vastu kellaosuti liikumise suunda (vasakukäeline). PP on struktuurselt jäik ja hästi defineeritud geomeetriaga: iga lisatud Pro kohta kasvab spiraali pikkus 3,1 Å võrra. Kuigi PP-d leidub ka looduslikes valkudes, kasutatakse seda sageli n-ö kunstlikult disainitud geneetiliselt kodeeritud konstruktides, kui eesmärk on jäigalt fikseerida konstrukti N- ja C-terminaali vahekaugused. Näiteks kasutatakse PP-d koos külgnevate fluorestseeruvate valkudega sageli Försteri raadiuse hindamiseks.^[16][17][18]

Glutamaat-5-semialdehüüdi struktuur

Alfa-ketoglutaraadi struktuur

Süntees ja metabolism organismides

Nii taimed kui ka loomad on võimelised sünteesima proliini, lähtudes L-glutamaadist. Selleks oksüdeeritakse ensüümide vahendusel glutamaadi külgahelas asuv karboksüülrühm aldehüüdiks, misjärel toimub molekulisisene reaktsioon aldehüüdi ja aminorühma vahel. Selle tulemusena tekib tsükkel, mis on keemiliselt vaadeldav Schiffi alusena; tsükli ensümaatilisel redutseerimisel saadaksegi proliin. Vastassuunalised reaktsioonid, st glutamaadi süntees proliinist, on samuti võimalikud, kuid need kulgevad teiste ensüümide vahendusel (vt allpool hüperprolineemia mõiste). Kuna glutamaat on närvisüsteemis oluline virgatsaine, siis on proliini sünteesi uuritud ka seoses neuronite reaktsiooniga psühhostimulantidele, nt metamfetamiinile.^[3][19]

Üle glutamaadi ja sellest sünteesitava alfa-ketoglutaraadi on proliin seotud ka tsitraaditsükliga.^[20]

(2S,4R)-4-hüdroksüproliini struktuur

Proliini levinuim translatsioonijärgne modifikatsioon on hüdroksüülimine, mille käigus ensüümid hüdroksülaasid lisavad hüdroksüülrühma proliini tsükli koosseisu kuuluvale süsinikule, muutes selle ühtlasi kiraalseks. Hüdroksüülimise levinuim saadus on (2S,4R)-4-hüdroksüproliin, mis on eriti oluline valgu kollageeni koosseisus. Nimelt stabiliseerib hüdroksüproliini olemasolu oluliselt kollageenile iseloomulikku kolmest heeliksist koosnevat struktuuri ja seda ka füsioloogilisel temperatuuril. Proliini hüdroksüülimine toimub endoplasmaatilises retiikulumis, enne kui kollageeni ahelad „pakendatakse“ kolmikheeliksiks.^[21][22][23]

Kollageeni fragmendi kristallstruktuur. Kolmikheeliksit moodustavad eri molekulid on näidatud oranži, rohelise ja lillakana. Punased sfäärid tähistavad hüdroksüproliini koostisse kuuluvat hüdroksüülrühma. Koordinaatide allikas: PDB 1CAG

Leidumine organismides ja seos patoloogiliste seisunditega

Proliini hüdroksüülitud vorm kuulub kollageeni koostisse, mis on kõigis loomades leiduv ja organismis rohkesti esindatud valk, olles sidekoe põhikomponent. Kollageenil on unikaalne struktuur, milles konformatsiooniliselt piiratud proliinijäägid vahelduvad konformatsiooniliselt paindlike glütsiinijääkidega. Kombinatsioonis kudede biomineraliseerituse erineva määraga võimaldab kollageen saavutada kompromissi tugevuse, jäikuse ja elastsuse vahel, mis on vajalik just vaadeldava koe või elundi (nt luude, naha, kõhrede) funktsioonide täitmiseks.^[24][25]

Analoogiliselt kuulub proliinijääk taimedes rakukesta moodustavate struktuursete valkude koostisse. Lisaks on avastatud, et vaba aminohappena on proliinil nn osmolüütne efekt, st see aitab taimel kohaneda keskkonna muutuva osmoossusega. Nii suureneb proliini sisaldus taimedes osmootse šoki järel, näiteks põua tingimustes. Suure proliinisisaldusega on ka taimede seemned ja õietolm, kus veesisaldus on samuti väike ning tuleb kaitsta teisi molekule n-ö kokkukleepumise (agregeerumise) eest.^[26][27][28]

DNA tasemel tekkinud vead, mis peegelduvad mRNA nukleotiidjärjestuses ja edaspidi ka valgu aminohappelises järjestuses, võivad olla rohkem või vähem patogeensete tulemustega olenevalt sellest, kui palju muutub valgu võime täita oma rolli organismis. Inimpatoloogiate kontekstis on näidatud, et Pro kodeerivad nukleotiidijärjestused (CCX, kus X tähendab suvalist nukleotiidijääki) asenduvad kas seriinijäägi (kodeeriv järjestus TCX), arginiinijäägi (kodeeriv järjestus CGX) või sagedamini leutsiinijäägiga (kodeeriv järjestus CTX). Nii Ser, Arg kui ka Leu on keemilistelt omadustelt proliinist oluliselt erinevad. Ka vastupidised mutatsioonid, mille tulemusena tekib Pro (näiteks Ser → Pro, Arg → Pro ja Leu → Pro), on patogeensed.^[29]

Seoses proliini puuduliku lagundamisega eristatakse omaette haiguste rühma hüperprolineemiaid, mille korral patsiendi organismis proliini kuhjub. Esimest tüüpi hüperprolineemia on tingitud mutatsioonidest geenis PRODH, mis oksüdeerib proliini pürroliin-5-karboksülaadiks. Teist tüüpi hüperprolineemia on tingitud mutatsioonidest geenis ALDH4A1, mis muundab pürroliin-5-karboksülaadi glutamaadiks. Mõlemad hüperprolineemiad on autosoomsed retsessiivsed haruldased haigused, mis võivad kulgeda sümptomiteta, kuid rasketel juhtudel põhjustavad neuroloogilisi probleeme ja neerupuudulikkust.^[30][31][32]

Kasutusalad

Lisinopriili struktuur

Proliinijääk on äärmiselt oluline kõrge vererõhu ja südamepuudulikkuse vastu kasutatavate peptiiditaoliste ravimite koostises, mis toimivad angiotensiini konverteeriva ensüümi (ACE) inhibiitoritena (näiteks lisinopriil). ACE inhibiitorid takistavad ensüümi tööd, langetades veresoonte kokkutõmbumist põhjustava peptiidhormooni angiotensiin-2 taset ja hoides kõrgel veresoonte lõtvumist põhjustava peptiidhormooni bradükiniini taset. Uuringute tulemusena selgus, et just proliinijäägi olemasolu ACE inhibiitorite C-terminaalses osas on oluline ravimite maksimaalse tõhususe saavutamiseks.^{[33][34][35][36]}

Tänu proliini võimele takistada valkude agregeerumist on seda kasutatud ravimite koostises ka vaba aminohappe vormis, stabiliseeriva abiainena.^[37][38]

Seoses proliini olulise rolliga kollageeni struktuuri moodustamisel ja hoidmisel kasutatakse proliini laialdaselt ka toidulisandina, et nahk ja kõhred paraneksid kiiremini.^[39]

Kuna proliini sisaldavad peptiidid on suhteliselt stabiilsed tüüpiliste proteaaside juuresolekul ja säilitavad hästi oma ruumilist struktuuri ka füsioloogilisel temperatuuril, on teiste aminohappejääkide asendamist proliiniga pakutud strateegiana denaturatsiooni ja lagundamise suhtes stabiilsete ensüümide disainil.^[40]

Vesikeskkonnas toimuva stereoselektiivses orgaanilise sünteesis on proliini ja selle derivaate kasutatud katalüsaatoritena, kuna proliin on kättesaadav nii L- kui ka D-enantiomeerina ning võib reaktsiooni loomusest ja keskkonnast olenevalt käituda kas Brønstedi happe või Brønstedi alusena.^[41][42]