Непротеїногенні амінокислоти

У біохімії некодовані або непротеїногенні амінокислоти відрізняються від 22 протеїногенних амінокислот (21 в еукаріот ^[1]), які природним чином закодовані в геномі організмів для формування білків. Проте понад 140 непротеїногенних амінокислот зустрічаються в білках природним шляхом, і тисячі інших можуть зустрічатися в природі або синтезуватися в лабораторії. ^[2] Хімічно синтезовані амінокислоти можна назвати неприродними амінокислотами. Неприродні амінокислоти можуть бути отримані синтетичним шляхом з їхніх нативних аналогів за допомогою модифікацій, таких як алкілування аміном, заміна бічного ланцюга, циклізація подовження структурного зв’язку та ізостерична заміна в амінокислотному скелі. ^[3] Багато непротеїногенних амінокислот є важливими:

• проміжні продукти біосинтезу,
• у посттрансляційному утворенні білків,
• у фізіологічній ролі (наприклад, компоненти стінок бактеріальних клітин, нейромедіатори та токсини ),
• природні або створені людиною фармакологічні сполуки,
• міститься в метеоритах або використовується в пребіотичних експериментах (таких як експеримент Міллера-Юрі ),
• можуть бути важливими нейромедіаторами, такими як γ-аміномасляна кислота ^[4] і
• може відігравати вирішальну роль у клітинній біоенергетиці, наприклад креатин . ^[5]

Діаграма Венна, яка показує, що 22 протеїногенні амінокислоти є невеликою часткою всіх амінокислот

Означення шляхом заперечення

Лізин

Технічно будь-яка органічна сполука з функціональною групою аміну (–NH ₂ ) і карбонової кислоти (–COOH) є амінокислотою. Протеїногенні амінокислоти є невеликою підмножиною цієї групи, яка має центральний атом вуглецю (α- або 2-), що містить аміногрупу, карбоксильну групу, бічний ланцюг і α-водневу ліву конформацію, за винятком гліцину, який є ахіральний, і пролін, аміногрупа якого є вторинним аміном і, отже, часто згадується як імінокислота з традиційних причин, хоча і не є імінокислотою.

Генетичний код кодує 20 стандартних амінокислот для включення в білки під час трансляції. Однак є дві додаткові протеіногенні амінокислоти: селеноцистеїн і піролізин . Ці нестандартні амінокислоти не мають виділеного кодону, але додаються замість стоп-кодону, коли присутня певна послідовність, кодон UGA та елемент SECIS для селеноцистеїну, ^[6] послідовність UAG PYLIS для піролізину. ^[7] Усі інші амінокислоти називаються «непротеїногенними».

• 
  Селеноцистеїн. Ця амінокислота містить селенольну групу на β-вуглеці
• 
  Піролізин. Ця амінокислота утворюється шляхом приєднання до ε-аміногрупи лізину карбоксильованого піролінового кілця.

Існують різні групи амінокислот: ^[8]

• 20 стандартних амінокислот
• 22 протеїногенні амінокислоти
• понад 80 амінокислот, створених абіотично у високих концентраціях
• близько 900 виробляються природними шляхами
• понад 118 сконструйованих амінокислот були введені в білок

Ці групи перетинаються, але не є ідентичними. Усі 22 протеїногенні амінокислоти біосинтезуються організмами, і деякі, але не всі, з них також є абіотичними (виявлені в пребіотичних експериментах і метеоритах). Деякі природні амінокислоти, такі як норлейцин, помилково включаються в білки під час трансляції через порушення процесу синтезу білка. Багато амінокислот, таких як орнітин, є метаболічними проміжними продуктами, що виробляються біосинтетично, але не включені трансляційно в білки. Посттрансляційна модифікація амінокислотних залишків у білках призводить до утворення багатьох білкових, але непротеїногенних амінокислот. Інші амінокислоти містяться виключно в абіотичних сумішах (наприклад, α-метилнорвалін). Більше 30 неприродних амінокислот було включено у білок під час трансляції синтетичним шляхом, але вони не є біосинтетичними. ^[8]

Номенклатура

На додаток до системи нумерації IUPAC для диференціації різних атомів вуглецю в органічній молекулі шляхом послідовного присвоєння номера кожному вуглецю, включаючи ті, що утворюють карбоксильну групу, атоми вуглецю вздовж бічного ланцюга амінокислот також можна позначати грецькими літерами., де α-вуглець є центральним хіральним вуглецем, що має карбоксильну групу, бічний ланцюг і, в α-амінокислотах, аміногрупу – вуглець у карбоксильних групах не враховується. ^[9] (Отже, назви IUPAC багатьох непротеїногенних α-амінокислот починаються з 2-аміно- і закінчуються на -інова кислота .)

Природні не- L -α-амінокислоти

Більшість природних амінокислот є α-амінокислотами в L- конфігурації, але існують деякі винятки.

Не альфа

Деякі не-α-амінокислоти існують в організмах. У цих структурах амінна група зміщується далі від кінця карбонової кислоти молекули амінокислоти. Таким чином, β-амінокислота має аміногрупу, приєднану до другого вуглецю, а γ-амінокислота має її на третьому. Приклади включають β-аланін, ГАМК і δ- амінолевулінову кислоту.

• 
  β-аланін: амінокислота синтезується аспартат 1-декарбоксилазою та є попередником коензиму А та пептидів карнозину та ансерину.
• 
  γ-Аміномасляна кислота (GABA, ГАМК): нейромедіаітор у тварин.
• 
  δ-Амінолевулінова кислота: інтермедіат у біосинтезі тетрапіролів (гем, хлорофіл, кобаламін тощо).
• 
  4-Амінобензойна кислота (PABA, ПАБК): інтермедіат у біосинтезі фолієвої кислоти.

Причина, чому α-амінокислоти використовуються в білках, пов’язана з їх пошиерністю в метеоритах і пребіотичних експериментах. ^[10] Початкове припущення про шкідливі властивості β-амінокислот з точки зору вторинної структури ^[10] виявилося невірним. ^[11]

D-амінокислоти

Деякі амінокислоти містять протилежну абсолютну хіральність, хімічні речовини, які недоступні із звичайних механізмів трансляції та транскрипції. Стінки більшості бактеріальних клітин утворені пептидогліканом, полімером, що складається з аміноцукрів, зшитих короткими олігопептидами, сполученими між собою. Олігопептид не синтезується рибосомами і містить кілька особливостей, включаючи D-амінокислоти, як правило, D -аланін і D -глутамат. Ще одна особливість полягає в тому, що D -аланін рацемізується ферментами, що зв’язують PLP (кодуються alr або гомологом dadX ), тоді як D -глутамат рацемізується незалежним від кофактора ферментом (murI ). Наприклад, D -лізин присутній у Thermotoga spp., а в деяких стійких до ванкоміцину бактеріях присутній D -серин (ген vanT ). ^{[12] [13]}

Без водню на α-вуглеці

Усі протеїногенні амінокислоти мають принаймні один атом водню на α-вуглеці. Гліцин має два атоми водню, а всі інші мають один атом водню та один бічний ланцюг. Заміна водню, що залишився, більшим замісником, таким як метильна група, спотворює білкову основу. ^[10]

У деяких грибах α-аміноізомасляна кислота виробляється як попередник пептидів, деякі з яких виявляють антибіотичні властивості. ^[14] Ця сполука подібна до аланіну, але має додаткову метильну групу на α-вуглеці замість водню. Тому він є ахіральним. Іншою сполукою, подібною до аланіну без α-водню, є дегідроаланін, який має метиленовий бічний ланцюг. Це одна з кількох природних дегідроамінокислот .

• 
  аланін
• 
  аміноізомасляна кислота
• 
  дегідроаланін

Подвійні стереоцентри амінокислот

Підгрупа L -α-амінокислот неоднозначна щодо того, який із двох кінців є α-вуглецем. У білках залишок цистеїну може утворювати дисульфідний зв’язок з іншим залишком цистеїну, таким чином зшиваючи білок. Два зшиті цистеїни утворюють молекулу цистину . Цистеїн і метіонін зазвичай утворюються шляхом прямого сульфурилювання, але в деяких видів вони можуть бути отримані шляхом транссульфурування, коли активований гомосерин або серин зливається з цистеїном або гомоцистеїном, утворюючи цистатіонін . Подібною сполукою є лантіонін, який можна розглядати як дві молекули аланіну, з’єднані тіоефірним зв’язком, який зустрічається в різних організмах. Подібним чином дженколієва кислота, рослинний токсин із бобів Дженгколь, складається з двох цистеїнів, з’єднаних метиленовою групою. Діамінопімелінова кислота використовується як місток у пептидоглікані та використовується як попередник лізину (через його декарбоксилювання).

Пребіотичні амінокислоти та альтернативна біохімія

У метеоритах і в пребіотичних експериментах (наприклад, в експерименті Міллера-Юрі ) виявлено набагато більше амінокислот, ніж двадцять стандартних амінокислот, деякі з яких містяться у вищих концентраціях, ніж стандартні. Було припущення, що якби амінокислотне життя виникло десь у Всесвіті, то не більше 75% амінокислот були б спільними. ^[10] Найбільш помітною аномалією є відсутність аміномасляної кислоти.

Співвідношення амінокислот відносно гліцину (%)

Сполука	Електричний заряд	Мерчисонський метеорит
гліцин	100	100
аланін	180	36
α-аміно-n-масляна кислота	61	19
норвалін	14	14
валін	4.4
норлейцин	1.4
лейцин	2.6
ізолейцин	1.1
алоізолейцин	1.2
t-лейцин	< 0.005
α-аміно-n-енантова кислота	0.3
пролін	0.3	22
піпеколієва кислота	0.01	11
α,β-діамінопропіонова кислота	1.5
α,γ-діаміномасляна кислота	7.6
орнітин	< 0.01
лізин	< 0.01
аспарагінова кислота	7.7	13
глутамінова кислота	1.7	20
серин	1.1
треонін	0.2
алотреонін	0.2
метіонін	0.1
гомоцистеїн	0.5
гомосерин	0.5
β-аланін	4.3	10
β-аміно-n-масляна кислота	0.1	5
β-аміноізомасляна кислота	0.5	7
γ-аміномасляна кислота	0.5	7
α-аміноізомасляна кислота	7	33
ізовалін	1	11
саркозин	12.5	7
N-етилгліцин	6.8	6
N-пропілгліцин	0.5
N-ізопропілгліцин	0.5
N-метилаланін	3.4	3
N-етилаланін	< 0.05
N-метил-β-аланін	1.0
N-етил-β-аланін	< 0.05
iзосерин	1.2
α-гідрокси-γ-аміномасляна кислота	17

Прямий бічний ланцюг

Генетичний код був описаний як заморожена випадковість, і причиною, чому існує лише одна стандартна амінокислота з прямим ланцюгом, аланін, може бути просто надлишок валіну, лейцину та ізолейцину. ^[10] Однак, вважається, що амінокислоти з прямим ланцюгом утворюють набагато більш стабільні альфа-спіралі. ^[15]

• 
  гліцин (бічний ланцюг водню)
• 
  аланін (метил бічний ланцюг)
• 
  гомоаланін, або α-аміномасляна кислота (етиловий бічний ланцюг)
• 
  норвалін (бічний ланцюг н-пропілу)
• 
  норлейцин (бічний ланцюг н-бутилу)
• 
  гомонорлейцин (бічний ланцюг п-пентилу, показана гептанова кислота)

Халькоген

Серин, гомосерин, O-метилгомосерин і O-етилгомосерин мають гідроксиметильний, гідроксиетиловий, O-метилгідроксиметильний і O-метилгідроксиетильний бічний ланцюг; тоді як цистеїн, гомоцистеїн, метіонін і етіонін мають тіолові еквіваленти. Еквівалентами селенолу є селеноцистеїн, селеногомоцистеїн, селенометіонін і селеноетіонін. Амінокислоти з наступним зниженням халькогену також зустрічаються в природі: кілька видів, таких як Aspergillus fumigatus, Aspergillus terreus і Penicillium chrysogenum, за відсутності сірки здатні продукувати та включати в білок телуроцистеїн і телурометіонін. ^[16]

Роль

У клітинах, особливо автотрофних, кілька непротеїногенних амінокислот зустрічаються як метаболічні проміжні продукти. Однак, незважаючи на каталітичну гнучкість PLP-зв'язуючих ферментів, багато амінокислот синтезуються як кетокислоти (наприклад, 4-метил-2-оксопентаноат до лейцину) і амінуються на останньому етапі, таким чином зберігаючи рівень непротеїногенних амінокислот у ролі проміжних продуктів досить низьким.

Орнітин і цитрулін беруть участь у циклі сечовини, що є частиною катаболізму амінокислот. ^[17]

На додаток до первинного метаболізму, кілька непротеїногенних амінокислот є попередниками або кінцевим продуктом у вторинному метаболізмі для створення невеликих сполук або нерибосомних пептидів (таких як деякі токсини).

Посттрансляційне включення у білок

Незважаючи на те, що вони не кодуються генетичним кодом як протеїногенні амінокислоти, деякі нестандартні амінокислоти все ж містяться в білках. Вони утворюються шляхом посттрансляційної модифікації бічних ланцюгів стандартних амінокислот, присутніх у цільовому білку. Ці модифікації часто необхідні для функціонування або регуляції білка; наприклад, в γ-карбоксиглутаматі карбоксилювання глутамату забезпечує краще зв'язування катіонів кальцію ^[18], а в гідроксипроліні гідроксилювання проліну є критичним для підтримки сполучних тканин . ^[19] Іншим прикладом є утворення гіпузину у факторі ініціації трансляції EIF5A шляхом модифікації залишку лізину. ^[20] Такі модифікації також можуть визначати локалізацію білка, наприклад, додавання довгих гідрофобних груп може призвести до зв’язування білка з фосфоліпідною мембраною. ^[21]

• 
  Карбоксиглутамінова кислота. Тоді як глутамінова кислота має одну γ-карбоксильну групу, карбоксиглутамінова кислота має дві.
• 
  Гідроксипролін. Ця амінокислота відрізняється від проліну гідроксильною групою при 4 вуглеці.
• 
  Гіпузин. Ця амінокислота отримується шляхом додавання до ε-аміногрупи лізину 4-амінобутилового фрагмента (отриманого зіспермідину)
• 
  Піроглутамінова кислота

Існують деякі попередні докази того, що аміномалонова кислота може бути присутня в білку, можливо, через неправильне включення. ^{[22] [23]}

Токсичні аналоги

Кілька непротеїногенних амінокислот є токсичними через їх здатність імітувати певні властивості протеїногенних амінокислот, таких як тіалізин . Деякі непротеїногенні амінокислоти є нейротоксичними, імітуючи амінокислоти, які використовуються як нейротрансмітери (тобто не для біосинтезу білка), включаючи квісквалінову кислоту, канаванін і азетидин-2-карбонову кислоту. ^[24] Цефалоспорин С має основу α-аміноадипінової кислоти (гомоглутамат), яка амідована цефалоспориновим фрагментом. ^[25] Пеніциламін є терапевтичною амінокислотою, механізм дії якої невідомий.

• 
  Тіалізин
• 
  Квісквалова кислота
• 
  Канаванін
• 
  Азетидин-2-карбонова кислота
• 
  Цефалоспорин С
• 
  Пеніциламін

Ціанотоксини, що зустрічаються в природі, також можуть включати непротеїногенні амінокислоти. Мікроцистин і нодулярін, наприклад, походять від ADDA, β-амінокислоти.

Не амінокислоти

Таурин є аміносульфоновою кислотою, а не амінокарбоновою кислотою, однак іноді її вважають такою, оскільки кількості, необхідні для пригнічення ауксотрофу в певних організмах (таких як коти), ближчі до кількості «незамінних амінокислот» (ауксотрофія амінокислот), ніж у вітамінів (кофакторна ауксотрофія).

Осмоліти, саркозин і гліцинбетаїн є похідними амінокислот, але мають вторинний і четвертинний амін відповідно.