Протеїногенна амінокислота

Протеїногенні амінокислоти — це амінокислоти, які біосинтетично включаються до білків під час трансляції з РНК. Слово «протеїногенні» означає «створюючи білок». У відомому нам житті існує 22 генетично кодовані (протеїногенні) амінокислоти, 20 з яких входять до стандартного генетичного коду, а ще 2 (селеноцистеїн і піролізин) можуть бути включені за допомогою спеціальних механізмів трансляції.^[1]

Протеїногенні амінокислоти складають невелику частину всіх амінокислот.

На відміну від них, непротеїногенні амінокислоти — це амінокислоти, які або не включаються до складу білків (як ГАМК, L-ДОФА або трийодтиронін), неправильно включаються замість генетично кодованої амінокислоти, або не виробляються безпосередньо та ізольовано стандартними клітинними механізмами (як гідроксипролін). Останнє часто є результатом посттрансляційної модифікації білків. Деякі непротеїногенні амінокислоти включаються до складу нерибосомних пептидів, які синтезуються нерибосомними пептидсинтетазами.

Як еукаріоти, так і прокаріоти до складу своїх білків можуть включати селеноцистеїн за допомогою нуклеотидної послідовності, відомої як SECIS-елемент, яка спрямовує клітину на трансляцію сусіднього кодону UGA як селеноцистеїну (UGA зазвичай є стоп-кодоном). У деяких метаногенних прокаріотів кодон UAG (зазвичай стоп-кодон) також може бути трансльований у піролізин.^[2]

У еукаріотів існує лише 21 протеїногенна амінокислота, 20 стандартного генетичного коду, плюс селеноцистеїн. З інших амінокислот або з інших молекул проміжного метаболізму людський організм може синтезувати 12 амінокислот. Інші дев'ять повинні споживатися (зазвичай у вигляді їх білкових похідних), тому їх називають незамінними амінокислотами. Незамінними амінокислотами є гістидин, ізолейцин, лейцин, лізин, метіонін, фенілаланін, треонін, триптофан і валін (тобто H, I, L, K, M, F, T, W, V).^[3]

Було виявлено, що протеїногенні амінокислоти пов'язані з набором амінокислот, які можуть розпізнаватися системами аутоаміноацилювання рибозимів.^[4] Таким чином, непротеїногенні амінокислоти були виключені через випадковий еволюційний процес нуклеотидних форм життя. Були запропоновані й інші причини, щоб пояснити, чому певні специфічні непротеїногенні амінокислоти зазвичай не включаються до складу білків; наприклад, орнітин і гомосерин циклізуються відносно пептидного остова та фрагментують білок з відносно коротким періодом напіврозпаду, тоді як інші є токсичними, оскільки їх можна помилково включити до складу білків, як-от аналог аргініну канаванін.

Було висловлено припущення, що еволюційний відбір певних протеїногенних амінокислот з первинного бульйону, на відміну від непротеїногенних амінокислот, зумовлений їх кращим включенням у поліпептидний ланцюг.^[5]

Структури

Нижче наведено структури та абревіатури 21 амінокислоти, які безпосередньо кодуються для синтезу білка генетичним кодом еукаріотів. Наведені нижче структури є стандартними хімічними структурами, а не типовими формами цвітер-іонів, що існують у водних розчинах.

Структура 21 протеїногенної амінокислоти з 3- та 1-літерними кодами, згрупованих за функціональністю бічного ланцюга

• 
  L-Alanine
  
  (Ala / A)
• 
  L-Arginine
  
  (Arg / R)
• 
  L-Asparagine
  
  (Asn / N)
• 
  L-Aspartic acid
  
  (Asp / D)
• 
  L-Cysteine
  
  (Cys / C)
• 
  L-Glutamic acid
  
  (Glu / E)
• 
  L-Glutamine
  
  (Gln / Q)
• 
  Glycine
  
  (Gly / G)
• 
  L-Histidine
  
  (His / H)
• 
  L-Isoleucine
  
  (Ile / I)
• 
  L-Leucine
  
  (Leu / L)
• 
  L-Lysine
  
  (Lys / K)
• 
  L-Methionine
  
  (Met / M)
• 
  L-Phenylalanine
  
  (Phe / F)
• 
  L-Proline
  
  (Pro / P)
• 
  L-Serine
  
  (Ser / S)
• 
  L-Threonine
  
  (Thr / T)
• 
  L-Tryptophan
  
  (Trp / W)
• 
  L-Tyrosine
  
  (Tyr / Y)
• 
  L-Valine
  
  (Val / V)

IUPAC/IUBMB тепер також рекомендує стандартні скорочення для наступних двох амінокислот:

• 
  L -селеноцистеїн
  (Sec / U)
• 
  L -піролізин
  (Pyl/ О)

Хімічні властивості

Нижче наведено таблицю, в якій перераховано однолітерні символи, трилітерні символи та хімічні властивості бічних ланцюгів стандартних амінокислот. Зазначені маси базуються на середньозважених значеннях елементарних ізотопів за їх природного вмісту. Утворення пептидного зв'язку призводить до відщеплення молекули води. Отже, маса білка дорівнює масі амінокислот, з яких складається білок, мінус 18,01524 Да на пептидний зв'язок.

Загальні хімічні властивості

Амінокислота	Однолітерне позначення	Абревіатура	Середня маса (Да)	Ізоелектрична точка	pK1 (α-COO−)	pK2 (α-NH3+)
Alanine	A	Ala	89.09404	6.01	2.35	9.87
Cysteine	C	Cys	121.15404	5.05	1.92	10.70
Aspartic acid	D	Asp	133.10384	2.85	1.99	9.90
Glutamic acid	E	Glu	147.13074	3.15	2.10	9.47
Phenylalanine	F	Phe	165.19184	5.49	2.20	9.31
Glycine	G	Gly	75.06714	6.06	2.35	9.78
Histidine	H	His	155.15634	7.60	1.80	9.33
Isoleucine	I	Ile	131.17464	6.05	2.32	9.76
Lysine	K	Lys	146.18934	9.60	2.16	9.06
Leucine	L	Leu	131.17464	6.01	2.33	9.74
Methionine	M	Met	149.20784	5.74	2.13	9.28
Asparagine	N	Asn	132.11904	5.41	2.14	8.72
Pyrrolysine	O	Pyl	255.31	?	?	?
Proline	P	Pro	115.13194	6.30	1.95	10.64
Glutamine	Q	Gln	146.14594	5.65	2.17	9.13
Arginine	R	Arg	174.20274	10.76	1.82	8.99
Serine	S	Ser	105.09344	5.68	2.19	9.21
Threonine	T	Thr	119.12034	5.60	2.09	9.10
Selenocysteine	U	Sec	168.053	5.47	1.91	10
Valine	V	Val	117.14784	6.00	2.39	9.74
Tryptophan	W	Trp	204.22844	5.89	2.46	9.41
Tyrosine	Y	Tyr	181.19124	5.64	2.20	9.21

Властивості бічного ланцюга

Амінокислота	Боковий ланцюг	Гідрофобність	pKa§	Полярність	pH	Малий розмір	Слабкість	Ароматичнаабо аліфатична	Радіус Ван дер Ваалься(Å3)
Alanine	-CH3		-		-			Аліфатична	67
Cysteine	-CH2SH		8.55		кисла			-	86
Aspartic acid	-CH2COOH		3.67		кисла			-	91
Glutamic acid	-CH2CH2COOH		4.25		кисла			-	109
Phenylalanine	-CH2C6H5		-		-			Ароматична	135
Glycine	-H		-		-			-	48
Histidine	-CH2-C3H3N2		6.54		слабо основна			Ароматична	118
Isoleucine	-CH(CH3)CH2CH3		-		-			Аліфатична	124
Lysine	-(CH2)4NH2		10.40		основна			-	135
Leucine	-CH2CH(CH3)2		-		-			Аліфатична	124
Methionine	-CH2CH2SCH3		-		-			Аліфатична	124
Asparagine	-CH2CONH2		-		-			-	96
Pyrrolysine	-(CH2)4NHCOC4H5NCH3		N.D.		слабо основна			-	?
Proline	-CH2CH2CH2-		-		-			-	90
Glutamine	-CH2CH2CONH2		-		-			-	114
Arginine	-(CH2)3NH-C(NH)NH2		12.3		сильно основна			-	148
Serine	-CH2OH		-		-			-	73
Threonine	-CH(OH)CH3		-		-			-	93
Selenocysteine	-CH2SeH		5.43		кисла			-	?
Valine	-CH(CH3)2		-		-			Аліфатична	105
Tryptophan	-CH2C8H6N		-		-			Ароматична	163
Tyrosine	-CH2-C6H4OH		9.84		слабо кисла			Ароматична	141

§: Тільки іонізуючі залишки мають значуще значення pKa. Значення для Asp, Cys, Glu, His, Lys та Tyr були визначені з використанням амінокислотного залишку, розташованого центрально в аланіновому пентапептиді.^[6] Значення для Arg взято з Pace et al. (2009).^[7] Значення для Sec взято з Byun & Kang (2011).^[8]

Експресія генів та біохімія

Амінокислота	Кодон(и)	Частота у білках				Незамінніl‡ у
		Археї	Бактерії	Еукаріоти	Людина
Alanine	GCU, GCC, GCA, GCG	8.2	10.06	7.63	7.01	Ні
Cysteine	UGU, UGC	0.98	0.94	1.76	2.3	Conditionally
Aspartic acid	GAU, GAC	6.21	5.59	5.4	4.73	Ні
Glutamic acid	GAA, GAG	7.69	6.15	6.42	7.09	Conditionally
Phenylalanine	UUU, UUC	3.86	3.89	3.87	3.65	Так
Glycine	GGU, GGC, GGA, GGG	7.58	7.76	6.33	6.58	Conditionally
Histidine	CAU, CAC	1.77	2.06	2.44	2.63	Так
Isoleucine	AUU, AUC, AUA	7.03	5.89	5.1	4.33	Так
Lysine	AAA, AAG	5.27	4.68	5.64	5.72	Так
Leucine	UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG	9.31	10.09	9.29	9.97	Так
Methionine	AUG	2.35	2.38	2.25	2.13	Так
Asparagine	AAU, AAC	3.68	3.58	4.28	3.58	Ні
Pyrrolysine	UAG*	0	0	0	0	Ні
Proline	CCU, CCC, CCA, CCG	4.26	4.61	5.41	6.31	Ні
Glutamine	CAA, CAG	2.38	3.58	4.21	4.77	Ні
Arginine	CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG	5.51	5.88	5.71	5.64	Conditionally
Serine	UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC	6.17	5.85	8.34	8.33	Ні
Threonine	ACU, ACC, ACA, ACG	5.44	5.52	5.56	5.36	Так
Selenocysteine	UGA**	0	0	0	>0	Ні
Valine	GUU, GUC, GUA, GUG	7.8	7.27	6.2	5.96	Так
Tryptophan	UGG	1.03	1.27	1.24	1.22	Так
Tyrosine	UAU, UAC	3.35	2.94	2.87	2.66	Conditionally
Stop codon†	UAA, UAG, UGA††	?	?	?	Н/Д	Н/Д

* UAG зазвичай є стоп-кодоном, але в організмах, що містять біологічний апарат, кодований кластером генів pylTSBCD, амінокислота піролізин буде включена.^[9] ** UGA зазвичай є стоп-кодоном opal (або umber), але кодує селеноцистеїн, якщо присутній SECIS-елемент. † Стоп-кодон не є амінокислотою, але включено для повноти картини. †† UAG та UGA не завжди діють як стоп-кодони (див. вище). ‡ Незамінна амінокислота не може синтезуватися в організмі людини і тому повинна надходити з їжею. Умовно незамінні амінокислоти зазвичай не потрібні в раціоні, але повинні надходити екзогенно для певних груп населення, які не синтезують їх у достатніх кількостях. & Наявність амінокислот базується на протеомах 135 архей, 3775 бактерій, 614 еукаріот та протеомах людини (21 006 білків) відповідно.^[10]

Мас-спектрометрія

У мас-спектрометрії пептидів та білків корисним є знання мас залишків. Маса пептиду або білка дорівнює сумі мас залишків плюс маса води (моноізотопна маса = 18,01056 Да; середня маса = 18,0153 Да). Маси залишків обчислюються за табличними хімічними формулами та атомними вагами.^[11] У мас-спектрометрії іони також можуть включати один або декілька протонів (моноізотопна маса = 1,00728 Да; середня маса* = 1,0074 Да). *Протони не можуть мати середньої маси, що призводить до плутанини, оскільки дейтрони є дійсним ізотопом, але вони повинні бути іншого виду (див. Гідрон (хімія)).

Amino acid	Short	Abbrev.	Formula	Mon. mass§ (Da)	Avg. mass (Da)
Alanine	A	Ala	C3H5NO	71.03711	71.0779
Cysteine	C	Cys	C3H5NOS	103.00919	103.1429
Aspartic acid	D	Asp	C4H5NO3	115.02694	115.0874
Glutamic acid	E	Glu	C5H7NO3	129.04259	129.1140
Phenylalanine	F	Phe	C9H9NO	147.06841	147.1739
Glycine	G	Gly	C2H3NO	57.02146	57.0513
Histidine	H	His	C6H7N3O	137.05891	137.1393
Isoleucine	I	Ile	C6H11NO	113.08406	113.1576
Lysine	K	Lys	C6H12N2O	128.09496	128.1723
Leucine	L	Leu	C6H11NO	113.08406	113.1576
Methionine	M	Met	C5H9NOS	131.04049	131.1961
Asparagine	N	Asn	C4H6N2O2	114.04293	114.1026
Pyrrolysine	O	Pyl	C12H19N3O2	237.14773	237.2982
Proline	P	Pro	C5H7NO	97.05276	97.1152
Glutamine	Q	Gln	C5H8N2O2	128.05858	128.1292
Arginine	R	Arg	C6H12N4O	156.10111	156.1857
Serine	S	Ser	C3H5NO2	87.03203	87.0773
Threonine	T	Thr	C4H7NO2	101.04768	101.1039
Selenocysteine	U	Sec	C3H5NOSe	150.95364	150.0489
Valine	V	Val	C5H9NO	99.06841	99.1311
Tryptophan	W	Trp	C11H10N2O	186.07931	186.2099
Tyrosine	Y	Tyr	C9H9NO2	163.06333	163.1733

§ Моноізотопна маса

Стехіометрія та метаболічні витрати в клітині

У таблиці нижче наведено вміст амінокислот у клітинах E. coli та метаболічні витрати (АТФ) на синтез цих амінокислот. Від'ємні числа вказують на те, що метаболічні процеси є енергетично вигідними та не витрачають чистий АТФ клітини.^[12] Надлишок амінокислот включає амінокислоти у вільній формі та у полімеризованій формі (білки).

Амінокислота	Поширеність (# молекул (×108) на клітину E. coli )	ATФ вартість при синтезі
		Аеробні умови	Анаеробні умови
Alanine	2.9	−1	1
Cysteine	0.52	11	15
Aspartic acid	1.4	0	2
Glutamic acid	1.5	−7	−1
Phenylalanine	1.1	−6	2
Glycine	3.5	−2	2
Histidine	0.54	1	7
Isoleucine	1.7	7	11
Lysine	2.0	5	9
Leucine	2.6	−9	1
Methionine	0.88	21	23
Asparagine	1.4	3	5
Pyrrolysine	-	-	-
Proline	1.3	−2	4
Glutamine	1.5	−6	0
Arginine	1.7	5	13
Serine	1.2	−2	2
Threonine	1.5	6	8
Selenocysteine	-	-	-
Valine	2.4	−2	2
Tryptophan	0.33	−7	7
Tyrosine	0.79	−8	2

Примітки

Амінокислота	Abbrev.		Remarks
Alanine	A	Ala	Дуже поширений і дуже універсальний, він є більш щільним, ніж гліцин, але досить малим, щоб створювати лише невеликі стеричні обмеження для конформації білка. Він поводиться досить нейтрально та може розташовуватися як у гідрофільних ділянках білка ззовні, так і в гідрофобних областях усередині.
Asparagine or aspartic acid	B	Asx	Заповнювач, коли будь-яка амінокислота може займати певну позицію
Cysteine	C	Cys	Атом сірки легко зв'язується з іонами важких металів. В окиснювальних умовах два залишки цистеїну можуть утворювати дисульфідний зв'язок, утворюючи амінокислоту цистин. Коли цистини є складовою білка, наприклад інсуліну, формується стабільна третинна структура, що робить білок більш стійким до денатурації; саме тому дисульфідні зв'язки характерні для білків, які функціонують у суворих умовах, зокрема для травних ферментів (наприклад, пепсин і хімотрипсин) та структурних білків (наприклад, кератин). Дисульфідні зв'язки зустрічаються також у пептидах, які самі по собі не здатні утримувати стабільну конформацію (наприклад, інсулін).
Aspartic acid	D	Asp	Аспартат поводиться подібно до глутамінової кислоти, має гідрофільну кислотну групу з сильним негативним зарядом. Зазвичай знаходиться на зовнішній поверхні білка, завдяки білок він добре розчиняється у воді. Аспартат взаємодіє з молекулами й іонами з позитивним зарядом, і часто використовується в ферментах для фіксації іонів металу. Усередині білка залишки аспартату і глутамату зазвичай розташовуються у парі з аргініном і лізином.
Glutamic acid	E	Glu	Глутамінова кислота поводиться подібно до аспарагінової кислоти, але має довший і трохи більш гнучкий бічний ланцюг.
Phenylalanine	F	Phe	Життєво необхідні для людини фенілаланін, тирозин і триптофан містять у бічному ланцюгу велику, жорстку ароматичну групу. Вони є найбільшими амінокислотами. Як ізолейцин, лейцин і валін, ці амінокислоти є гідрофобними і, як правило, орієнтуються до внутрішньої частини згорнутої молекули білка. Фенілаланін може перетворюватися на тирозин.
Glycine	G	Gly	Через наявність двох атомів Гідрогену при α-вуглеці гліцин не проявляє оптичної активності. Це найменша амінокислота, яка легко обертається і забезпечує гнучкість білкового ланцюга. Вона може вписуватися в найтісніші ділянки, наприклад, у потрійну спіраль колагену. Оскільки надмірна гнучкість зазвичай небажана, як структурний компонент гліцин зустрічається рідше, ніж аланін.
Histidine	H	His	Гістидин є незамінною для людини амінокислотою. Навіть за слабо кислих умов відбувається протонування атома Нітрогену, що змінює властивості гістидину й поліпептиду загалом. Багато білків використовують цю властивість як регуляторний механізм, змінюючи конформацію й поведінку поліпептиду в кислих середовищах, як-от у пізніх ендосомах чи лізосомах, спричиняючи конформаційні зміни ферментів. Однак лише кілька залишків гістидину достатньо для такої функції, тому його в складі білків відносно мало.
Isoleucine	I	Ile	Ізолейцин є незамінною для людини амінокислотою. Ізолейцин, лейцин і валін мають великі аліфатичні гідрофобні бічні ланцюги. Їхні молекули жорсткі, а взаємодія між цими гідрофобними радикалами важлива для правильного згортання білків, оскільки ці ланцюги зазвичай розташовуються всередині молекули білка. Ізолейцин незамінний для людини.
Leucine or isoleucine	J	Xle	Заповнювач, коли будь-яка амінокислота може займати певну позицію
Lysine	K	Lys	Лізин є незамінною для людини амінокислотою і поводиться подібно до аргініну. Він має довгий, гнучкий бічний ланцюг із позитивно зарядженим кінцем. Завдяки гнучкості ланцюга лізин і аргінін здатні зв'язуватися з молекулами, поверхня яких містить багато негативних зарядів, наприклад, білки, що зв'язуються з ДНК, мають активні ділянки, багаті на аргінін і лізин. Сильний позитивний заряд обумовлює переважне розташування цих двох амінокислот на зовнішніх гідрофільних поверхнях білків; коли вони перебувають усередині, то, як правило, попарно з відповідною негативно зарядженою амінокислотою (аспартат або глутамат).
Leucine	L	Leu	Лейцин є незамінною для людини амінокислотою та поводиться подібно до ізолейцину і валіну.
Methionine	M	Met	Метіонін є незамінною для людини амінокислотою. Він завжди є першою амінокислотою, що вбудовується у білковий ланцюг, але іноді видаляється після трансляції. Як і цистеїн, метіонін містить сірку, але має метильну групу замість гідрогену. Ця метильна група може бути активована і використовується у багатьох реакціях, коли до іншої молекули приєднується новий атом карбону.
Asparagine	N	Asn	Подібний до аспарагінової кислоти, аспарагін містить амідну групу там, де у аспартату знаходиться карбоксильна група.
Pyrrolysine	O	Pyl	Подібний до лізину, але має приєднане пирролінове кільце.
Proline	P	Pro	Пролін містить незвичайне піролідинове кільце при N-кінцевій аміногрупі, що фіксує амідний CO–NH ланцюг у певній конформації. Це може порушувати структуру білка, наприклад, альфа-спіраль або бета-лист, спричиняючи необхідний вигин у поліпептидному ланцюзі. Багато його міститься в колагені, де пролін часто модифікується після трансляції у гідроксипролін.
Glutamine	Q	Gln	Як і глутамінова кислота, глутамін містить амідну групу там, де в глутамату карбоксильна. Він використовується у білках та як резервуар для аміаку, і є найпоширенішою амінокислотою в організмі.
Arginine	R	Arg	Функціонально подібний лізину.
Serine	S	Ser	Серин і треонін мають короткий бічний ланцюг, який завершується гідроксильною групою. Гідроген цієї групи легко відщеплюється, тому серин і треонін часто виконують роль донорів водню в ферментах. Обидві амінокислоти дуже гідрофільні, тому зовнішні ділянки розчинних білків зазвичай багаті на них.
Threonine	T	Thr	Незамінна для людини, поводить себе подібно серину.
Selenocysteine	U	Sec	Аналог цистеїну з селеном, де селен замінює атом сульфуру.
Valine	V	Val	Незамінна для людини, поводить себе подібно ізолейцину та лейцину.
Tryptophan	W	Trp	Триптофан є незамінною для людини амінокислотою і поводиться подібно до фенілаланіну і тирозину. Це попередник серотоніну й природний флуоресцент.
Unknown	X	Xaa	Позначення невідомої або неважливої амінокислоти.
Tyrosine	Y	Tyr	Тирозин поводиться подібно до фенілаланіну (який є його попередником) і триптофану, а також є попередником меланіну, адреналіну й тироїдних гормонів. Тирозин є природним флуоресцентом, хоча його флуоресценція зазвичай гаситься через енергетичний перенос до триптофану.
Glutamic acid or glutamine	Z	Glx	Заповнювач, коли будь-яка амінокислота може займати певну позицію

Катаболізм амінокислот

Катаболізм

Амінокислоти можна класифікувати за властивостями їхніх основних продуктів:^[13]

• Глюкогенні амінокислоти, коли продукти мають здатність утворювати глюкозу шляхом глюконеогенезу
• Кетогенні амінокислоти, коли продукти не здатні утворювати глюкозу: ці продукти все ще можуть використовуватися для кетогенезу або синтезу ліпідів.
• Амінокислоти, які катаболізуються як у глюкогенні, так і в кетогенні продукти

Див. також

• Глюкогенні амінокислоти
• Кетогенні амінокислоти