Кіріспе
Аминқышқылы трансляция кезінде ақуыздарға биосинтезденіп қосылады. Протеиногендік аминқышқылдар – трансляция кезінде ақуыздарға биосинтезденіп қосылатын аминқышқылдар. "Протеиногендік" сөзі "белок жасайтын" дегенді білдіреді. Қазіргі таңдағы барлық тіршілікте 22 генетикалық кодталған (протеиногендік) аминқышқыл бар, оның 20-сы стандартты генетикалық кодта, ал қалған 2-еуі (селеноцистеин және пирролизин) арнайы аударма механизмдері арқылы қосылуы мүмкін. Керісінше, протеиногендік емес аминқышқылдар – ақуыздарға қосылмаған (мысалы, ГАБА, L-ДОФА немесе трийодотиронин), генетикалық кодталған аминқышқылдың орнына қате қосылған немесе стандартты жасушалық механизмдермен тікелей және жеке өндірілмейтін (мысалы, гидроксипролин) аминқышқылдар. Соңғысы көбінесе ақуыздардың трансляциядан кейінгі модификациясынан туындайды. Кейбір протеиногендік емес аминқышқылдар рибосомаға тәуелсіз пептидтерге қосылады, олар рибосомаға тәуелсіз пептид синтетазаларымен синтезделеді. Эукариоттар мен прокариоттар селеноцистеинды өз ақуыздарына SECIS элементі деп аталатын нуклеотидтік тізбек арқылы қоса алады, ол жасушаны жақын жердегі UGA кодонын селеноцистеинге аударуға бағыттайды (UGA әдетте тоқтату кодоны болып табылады). Кейбір метаногенді прокариоттарда UAG кодоны (әдетте тоқтату кодоны) пирролизинге де аударылуы мүмкін. Эукариоттарда 21 протеиногендік аминқышқыл ғана бар, оның 20-сы стандартты генетикалық кодқа және селеноцистеинге жатады. Адамдар осылардың 12-сін бір-бірінен немесе басқа аралық метаболизм молекулаларынан синтездеуге қабілетті. Қалған тоғызын тамақпен (әдетте олардың ақуыз туындылары түрінде) алу қажет, сондықтан олар қажетті аминқышқылдар деп аталады. Қажетті аминқышқылдар: гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан және валин (яғни H, I, L, K, M, F, T, W, V). Протеиногендік аминқышқылдардың рибозимдік автоаминоацилирлеу жүйелерімен танылатын аминқышқылдар жиынтығымен байланысты екені анықталды. Осылайша, нуклеотидтік тіршілік формаларының эволюциялық сәттілігі үшін протеиногендік емес аминқышқылдар жоққа шығарылған болуы мүмкін. Белгілі бір протеиногендік емес аминқышқылдардың протеиндерге қосылмауының басқа да себептері ұсынылды; мысалы, орнитин мен гомосерин пептидтік тізбекке қарсы циклдеуге бейім және салыстырмалы түрде қысқа жартылай өмірмен ақуызды ыдыратады, ал басқалары уытты, өйткені олар протеиндерге қате қосылуы мүмкін, мысалы, аргинин аналогы канаванин. Белгілі бір протеиногендік аминқышқылдардың бастапқы сорпадан эволюциялық іріктелуі олардың протеиногендік емес аминқышқылдарға қарағанда полипептидтік тізбекке жақсы кіріктірілуімен байланысты болуы мүмкін.
Proteinogenic amino acids are amino acids that are incorporated biosynthetically into proteins during translation. The word "proteinogenic" means "protein creating". Throughout known life, there are 22 genetically encoded (proteinogenic) amino acids, 20 in the standard genetic code and an additional 2 (selenocysteine and pyrrolysine) that can be incorporated by special translation mechanisms. In contrast, non proteinogenic amino acids are amino acids that are either not incorporated into proteins (like GABA, L DOPA, or triiodothyronine), misincorporated in place of a genetically encoded amino acid, or not produced directly and in isolation by standard cellular machinery (like hydroxyproline). The latter often results from post translational modification of proteins. Some non proteinogenic amino acids are incorporated into nonribosomal peptides which are synthesized by non ribosomal peptide synthetases. Both eukaryotes and prokaryotes can incorporate selenocysteine into their proteins via a nucleotide sequence known as a SECIS element, which directs the cell to translate a nearby UGA codon as selenocysteine (UGA is normally a stop codon). In some methanogenic prokaryotes, the UAG codon (normally a stop codon) can also be translated to pyrrolysine. In eukaryotes, there are only 21 proteinogenic amino acids, the 20 of the standard genetic code, plus selenocysteine. Humans can synthesize 12 of these from each other or from other molecules of intermediary metabolism. The other nine must be consumed (usually as their protein derivatives), and so they are called essential amino acids. The essential amino acids are histidine, isoleucine, leucine, lysine, methionine, phenylalanine, threonine, tryptophan, and valine (i. e. H, I, L, K, M, F, T, W, V). The proteinogenic amino acids have been found to be related to the set of amino acids that can be recognized by ribozyme autoaminoacylation systems. Thus, non proteinogenic amino acids would have been excluded by the contingent evolutionary success of nucleotide based life forms. Other reasons have been offered to explain why certain specific non proteinogenic amino acids are not generally incorporated into proteins; for example, ornithine and homoserine cyclize against the peptide backbone and fragment the protein with relatively short half lives, while others are toxic because they can be mistakenly incorporated into proteins, such as the arginine analog canavanine. The evolutionary selection of certain proteinogenic amino acids from the primordial soup has been suggested to be because of their better incorporation into a polypeptide chain as opposed to non proteinogenic amino acids.
Химиялық қасиеттері
Төменде стандартты аминқышқылдарының бір әріпті символдары, үш әріпті символдары және бүйірлік тізбектерінің химиялық қасиеттері тізімделген кесте келтірілген. Берілген массалар элементтік изотоптардың табиғи изотоптық құрамы бойынша есептелген орташа салмақтарына сүйенген. Пептидтік байланыс пайда болғанда су молекуласы бөлінеді. Сондықтан, ақуыздың массасы құрамындағы аминқышқылдарының массасынан бір пептидтік байланысқа шамамен 18.01524 Да кем болады.
Жалпы химиялық қасиеттері
Аминқышқылы Қысқаша белгісі (Қысқаша) Орташа масса (Да) Изоэлектрлік нүкте (pI) pK1(α COO ) pK2(α NH3+) Аланин A Ala 89.09404 6.01 2.35 9.87 Цистеин C Cys 121.15404 5.05 1.92 10.70 Аспартик қышқылы D Asp 133.10384 2.85 1.99 9.90 Глутамин қышқылы E Glu 147.13074 3.15 2.10 9.47 Фенилаланин F Phe 165.19184 5.49 2.20 9.31 Глицин G Gly 75.06714 6.06 2.35 9.78 Гистидин H His 155.15634 7.60 1.80 9.33 Изолейцин I Ile 131.17464 6.05 2.32 9.76 Лизин K Lys 146.18934 9.60 2.16 9.06 Лейцин L Leu 131.17464 6.01 2.33 9.74 Метионин M Met 149.20784 5.74 2.13 9.28 Аспарагин N Asn 132.11904 5.41 2.14 8.72 Пирролизин O Pyl 255.31 Пролин P Pro 115.13194 6.30 1.95 10.64 Глутамин Q Gln 146.14594 5.65 2.17 9.13 Аргинин R Arg 174.20274 10.76 1.82 8.99 Серин S Ser 105.09344 5.68 2.19 9.21 Треонин T Thr 119.12034 5.60 2.09 9.10 Селеноцистеин U Sec 168.053 5.47 1.91 10 Валин V Val 117.14784 6.00 2.39 9.74 Триптофан W Trp 204.22844 5.89 2.46 9.41 Тирозин Y Tyr 181.19124 5.64 2.20 9.21
Бүйірлік тізбектің қасиеттері
Аминқышқылы Қысқаша белгісі (Қысқаша) Бүйір тізбегі Гидрофобтық Қышқылдың диссоциациялық тұрақтысы (pKa§) Полярлы pH Кішкентай Шағын Ароматты немесе Алифатты ван дер Ваальс көлемі (Å3) Аланин A Ala CH3 Алифатты 67 Цистеин C Cys CH2SH 8.55 қышқыл 86 Аспартик қышқылы D Asp CH2COOH 3.67 қышқыл 91 Глутамик қышқылы E Glu CH2CH2COOH 4.25 қышқыл 109 Фенилаланин F Phe CH2C6H5 Ароматты 135 Глицин G Gly H 48 Гистидин H His CH2C3H3N2 6.54 әлсіз негізді Ароматты 118 Изолейцин I Ile CH(CH3)CH2CH3 Алифатты 124 Лизин K Lys (CH2)4NH2 10.40 негізді 135 Лейцин L Leu CH2CH(CH3)2 Алифатты 124 Метионин M Met CH2CH2SCH3 Алифатты 124 Аспарагин N Asn CH2CONH2 96 Пирролизин O Pyl (CH2)4NHCOC4H5NCH3 Белгісіз әлсіз негізді Пролин P Pro CH2CH2CH2 90 Глутамин Q Gln CH2CH2CONH2 114 Аргинин R Arg (CH2)3NHC(NH)NH2 12.3 күшті негізді 148 Серин S Ser CH2OH 73 Треонин T Thr CH(OH)CH3 93 Селеноцистеин U Sec CH2SeH 5.43 қышқыл Валин V Val CH(CH3)2 Алифатты 105 Триптофан W Trp CH2C8H6N Ароматты 163 Тирозин Y Tyr CH2C6H4OH 9.84 әлсіз қышқыл Ароматты 141
§: Аспартик, цистеин, глутамик, гистидин, лизин және тирозин үшін pKa мәндері аминқышқылы қалдығын аланин пентапептидінің ортасына орналастыру арқылы анықталды. Аргинин үшін мән Pace және авторлар (2009) еңбегінен алынған. Селеноцистеин үшін мән Byun & Kang (2011) еңбегінен алынған. Белгісіз: Пирролизиннің pKa мәні жарияланбаған. Ескерту: Кішкентай пептидтегі аминқышқылы қалдығының pKa мәні, әдетте, ол ақуыздың ішінде болған кезде сәл өзгеше болады. Ақуыздың pKa есептеулері кейде осы жағдайда аминқышқылы қалдығының pKa мәнінің өзгеруін есептеу үшін қолданылады.
Гендік экспрессия және биохимия
Аминқышқылдары Қысқаша (Қысқаша) Кодон(дар) Кездесуі Адамдар үшін қажеттілігі‡ Археялық протеиндерде (%)& Бактериялық протеиндерде (%)& Эукариоттық протеиндерде (%)& Адам протеиндерінде (%)& Аланин A Ala GCU, GCC, GCA, GCG 8.2 10.0 67.63 7.01 Цистеин C Cys UGU, UGC 0.98 0.94 1.76 2.3 Аспартик қышқылы D Asp GAU, GAC 6.2 15.59 5.4 4.73 Глутамин қышқылы E Glu GAA, GAG 7.69 6.15 6.42 7.09 Фенилаланин F Phe UUU, UUC 3.86 3.89 3.87 3.65 ✔ Глицин G Gly GGU, GGC, GGA, GGG 7.58 7.76 6.33 6.58 Гистидин H His CAU, CAC 1.77 2.06 2.44 2.63 ✔ Изолейцин I Ile AUU, AUC, AUA 7.03 5.89 5.1 4.33 ✔ Лизин K Lys AAA, AAG 5.27 4.68 5.64 5.72 ✔ Лейцин L Leu UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG 9.31 10.09 9.29 9.97 ✔ Метионин M Met AUG 2.35 2.38 2.25 2.13 ✔ Аспарагин N Asn AAU, AAC 3.68 3.58 4.28 3.58 Пирролизин O Pyl UAG* 0 0 0 0 Пролин P Pro CCU, CCC, CCA, CCG 4.26 4.61 5.41 6.31 Глутамин Q Gln CAA, CAG 2.38 3.58 4.21 4.77 Аргинин R Arg CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG 5.51 5.88 5.71 5.64 Серин S Ser UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC 6.17 5.85 8.34 8.33 Треонин T Thr ACU, ACC, ACA, ACG 5.44 5.52 5.56 5.36 ✔ Селеноцистеин U Sec UGA** 0 0 0 >0 Валин V Val GUU, GUC, GUA, GUG 7.8 7.27 6.2 5.96 ✔ Триптофан W Trp UGG 1.03 1.27 1.24 1.22 ✔ Тирозин Y Tyr UAU, UAC 3.35 2.94 2.87 2.66 Тоқтату кодоны† Term UAA, UAG, UGA†† * UAG әдеттегідей апельсин тоқтату кодоны, бірақ pylTSBCD гендер кластерімен кодталған биологиялық механизмдері бар организмдерде пирролизин аминқышқылы қосылады. ** UGA әдетте опал (немесе көмір) тоқтату кодоны, бірақ SECIS элементі болған жағдайда селеноцистеинды кодтайды. † Тоқтату кодоны аминқышқылы емес, бірақ толықтығы үшін қосылған. †† UAG және UGA әрқашан тоқтату кодондары ретінде әрекет етпейді (жоғарыда қараңыз). ‡ Адамдарда синтездеуге болмайтын қажетті аминқышқылы диетамен қамтамасыз ету қажет. Шартты түрде қажетті аминқышқылдары әдетте диетада қажет емес, бірақ оларды жеткілікті мөлшерде синтездемейтін белгілі бір популяцияларға сырттан беру қажет. & Аминқышқылдарының кездесуі 135 Архея, 3775 Бактерия, 614 Эукариот протеомы және адам протеомы (21 006 белок) бойынша есептелген.
* UAG is normally the amber stop codon, but in organisms containing the biological machinery encoded by the pylTSBCD cluster of genes the amino acid pyrrolysine will be incorporated. ** UGA is normally the opal (or umber) stop codon, but encodes selenocysteine if a SECIS element is present. † The stop codon is not an amino acid, but is included for completeness. †† UAG and UGA do not always act as stop codons (see above). ‡ An essential amino acid cannot be synthesized in humans and must, therefore, be supplied in the diet. Conditionally essential amino acids are not normally required in the diet, but must be supplied exogenously to specific populations that do not synthesize it in adequate amounts. & Occurrence of amino acids is based on 135 Archaea, 3775 Bacteria, 614 Eukaryota proteomes and human proteome (21 006 proteins) respectively.
Стейхиометрия және жасушадағы метаболистік шығын
Төмендегі кестеде *E. coli* жасушаларындағы аминқышқылдарының мөлшері және аминқышқылдарын синтездеудің метаболизмік құны (АТФ) көрсетілген. Теріс сандар метаболизмік процестердің энергияны үнемдеуге бағытталғандығын және жасушаның таза АТФ шығынына себеп болмайтындығын көрсетеді. Аминқышқылдарының мөлшеріне еркін және полимерленген (белоктар) түрдегі аминқышқылдары кіреді.
Аминқышқылы | Қысқартылған атауы | Мөлшері (молекула саны (×10⁸) *E. coli* жасушасына шаққанда) | Синтездеуге қажетті АТФ | Аэробты жағдайлар | Анаэробты жағдайлар
---|---|---|---|---|---
Аланин | A Ala | 2.9 | 1 | 1 |
Цистеин | C Cys | 0.52 | 11 | 15 |
Аспартат қышқылы | D Asp | 1.4 | 0 | 2 |
Глутамат қышқылы | E Glu | 1.5 | 7 | 1 |
Фенилаланин | F Phe | 1.1 | 6 | 2 |
Глицин | G Gly | 3.5 | 2 | 2 |
Гистидин | H His | 0.54 | 1 | 7 |
Изолейцин | I Ile | 1.7 | 7 | 11 |
Лизин | K Lys | 2.0 | 5 | 9 |
Лейцин | L Leu | 2.6 | 9 | 1 |
Метионин | M Met | 0.88 | 21 | 23 |
Аспарагин | N Asn | 1.4 | 3 | 5 |
Пирролизин | O Pyl | - | - | - |
Пролин | P Pro | 1.3 | 2 | 4 |
Глутамин | Q Gln | 1.5 | 6 | 0 |
Аргинин | R Arg | 1.7 | 5 | 13 |
Серин | S Ser | 1.2 | 2 | 2 |
Треонин | T Thr | 1.5 | 6 | 8 |
Селеноцистеин | U Sec | - | - | - |
Валин | V Val | 2.4 | 2 | 2 |
Триптофан | W Trp | 0.33 | 7 | 7 |
Тирозин | Y Tyr | 0.79 | 8 | 2 |
Ескертпелер
Аминқышқылы Аббревиатура (Аббревиатуралар) Ескертулер Аланин A Ala Өте көп және өте әмбебап, глицинге қарағанда қатаңырақ, бірақ белок конформациясы үшін аз ғана стерикал шектеу тудырады. Жетері жақсы бейтарап, белоктың сыртындағы гидрофильді аймақтарда да, ішкі гидрофобтық аймақтарда да орналаса алады. Аспарагин немесе аспарта қышқылы B Asx Аминқышқылының орнын алмастырушы Цистеин C Cys Күкірт атомы ауыр металл иондарымен оңай байланысады. Окистендіру жағдайында екі цистеин дисульфидтік байланыс арқылы бірігіп, цистин аминқышқылын құрайды. Цистиндер ақуыздың бір бөлігі болғанда, мысалы инсулин, үшінші құрылым тұрақтандырылады, бұл ақуызды денатурацияға төзімді етеді; сондықтан дисульфидтік байланыстар ас қорыту ферменттерінде (мысалы, пепсин және химотрипсин) және құрылымдық ақуыздарда (мысалы, кератин) сияқты қатал ортада жұмыс істеуі керек ақуыздарда жиі кездеседі. Дисульфидтер өздері тұрақты пішінде ұстай алмайтын өте кішкентай пептидтерде де кездеседі (мысалы, инсулин). Аспарта қышқылы D Asp Аспарта глутамин қышқылына ұқсас әрекет етеді және күшті теріс зарядты гидрофильді қышқыл тобын алып жүреді. Әдетте ол ақуыздың сыртқы бетінде орналасады, сондықтан ол суда ериді. Ол оң зарядталған молекулалар мен иондарға байланысады және көбінесе ферменттерде металл ионын бекіту үшін қолданылады. Ақуыздың ішінде аспартат пен глутамат әдетте аргинин мен лизинмен жұптасады. Глутамин қышқылы E Glu Глутамин қышқылы аспарта қышқылына ұқсас әрекет етеді және оның тізбегі ұзағырақ, сәл икемдірек болады. Фенилаланин F Phe Адам үшін маңызды, фенилаланин, тирозин және триптофанның жақтағы тізбектерінде үлкен, қатты хош иісті топ бар. Бұл ең үлкен аминқышқылы. Изолейцин, лейцин және валин сияқты олар гидрофобты және бүктелген ақуыз молекуласының ішкі жағына қарай бағытталады. Фенилаланин тирозинге айналуы мүмкін. Глицин G Gly А-көміртектегі екі сутек атомының арқасында глицин оптикалық белсенді емес. Бұл ең кішкентай аминқышқылы, оңай айналады және ақуыз тізбегіне икемділік береді. Ол ең кішкентай кеңістікке, мысалы, коллагеннің үштік спираліне сыяды. Әдетте, аса икемділік қажет емес болғандықтан, ол құрылымдық компонент ретінде аланинге қарағанда аз таралған. Гистидин H His Гистидин адам үшін өте қажет. Тіпті аздап қышқылданған жағдайда азот протондалады, гистидиннің және полипептидтің қасиеттері өзгеріп отырады. Оны көптеген белоктар реттеуші механизм ретінде пайдаланады, полипептидтің конформациясы мен мінез-құлқын қышқыл аймақтарда, мысалы, соңғы эндосома немесе лизосомаларда өзгертеді, ферменттердегі конформация өзгеруін мәжбүрлейді. Алайда, бұл үшін аз мөлшерде гистидиндер қажет, сондықтан ол салыстырмалы түрде аз. Изолейцин I Ile Изолейцин адам үшін өте маңызды. Изолейцин, лейцин және валиннің үлкен алифатикалық гидрофобтық жанама тізбектері бар. Олардың молекулалары қатты, ал олардың өзара гидрофобтық өзара әрекеттесулері ақуыздардың дұрыс бүгуі үшін маңызды, өйткені бұл тізбектер ақуыз молекуласының ішінде орналасады. Лейцин немесе изолейцин J Xle Аминқышқылының бірі орын алатын орын ұстаушы Лизин K Lys Лизин адам үшін маңызды және аргининге ұқсас әрекет етеді. Оның ұзындығы, иілгіш, оң зарядталған ұшы бар. Желідегі икемділігі лизин мен аргининді олардың бетінде көптеген теріс зарядтары бар молекулаларға байлануға ыңғайлы етеді. Мысалы, ДНК-мен байланысатын белоктардың белсенді аймақтарында аргинин мен лизин көп болады. Қатты заряд осы екі аминқышқылының ақуыздардың сыртқы гидрофильді бетінде орналасуына бейім етеді; олар ішінен табылған кезде, олар әдетте сәйкес теріс зарядталған аминқышқылымен, мысалы, аспартат немесе глутаматпен жұптасады. Лейцин L Leu Лейцин адам үшін маңызды және изолейцин мен валинге ұқсас әрекет етеді. Метионин M Met Метионин адам үшін өте қажет. Белсенің құрамына кіретін алғашқы аминқышқылы, кейде аудармадан кейін алынып тасталады. Цистеин сияқты, оның құрамында күкірт бар, бірақ сутегі орнына метил тобы бар. Метил тобын белсендіре алады және жаңа көміртек атомы басқа молекулаға қосылатын көптеген реакцияларда қолданылады. Аспарагин N Asn Аспарта қышқылына ұқсас, Asn құрамында амид тобы бар, ал Asp карбоксилге ие. Пирролизин O Pyl Лизинге ұқсас, бірақ оған пирролин сақинасы қосылған. Пролин P Pro Пролиннің N аяғындағы аминдiк тобына ерекше сақина бар, ол CO NH амидiк тізбекiн тұрақты конформацияға мәжбүрлейдi. Ол α спираль немесе β табақ сияқты белок бүлу құрылымын бұза алады, бұл белок тізбегінде қажетті қисықтықты тудырады. Коллагенде жиі кездесетін ол гидроксипролинге трансляциялық модификациядан кейін жиі өтеді. Глютамин Q Gln Глютамин қышқылына ұқсас, Gln құрамында амид тобы бар, ал Glu карбоксилге ие. Ақуыздарда қолданылады және аммиак сақтау үшін қолданылады, ол денедегі ең көп аминқышқылы. Аргинин R Arg Аргининге функционалдық ұқсас. Серин S Ser Серин мен треонин қысқа топпен аяқталады, онда гидроксил тобы бар. Оның сутегін оңай алуға болады, сондықтан серин мен треонин ферменттерде сутек доноры ретінде жиі әрекет етеді. Екеуі де өте гидрофильді, сондықтан суда еритін белоктардың сыртқы аймақтары оларға бай болады. Треонин T Thr Треонин адам үшін маңызды, треонин серинге ұқсас әрекет етеді. Селеноцистеин U Sec Цистеиннің селен аналогы, онда күкірт атомы селенмен ауыстырылған. Валин V Val Валин адам үшін маңызды, валин изолейцин мен лейцинге ұқсас әрекет етеді. Триптофан W Trp Триптофан адам үшін маңызды, триптофан фенилаланин мен тирозинге ұқсас әрекет етеді. Ол серотониннің алдын қорғаушысы және табиғатта флуоресцентті. Белгісіз X Xaa Аминқышқылы белгісіз немесе маңызсыз болғандағы орын ұстаушы. Тирозин Y Tyr Тирозин фенилаланинге (тирозиннің алдын қорғаушысы) және триптофанға ұқсас әрекет етеді, және меланин, адреналин және тироид гормондарының алдын қорғаушысы. Табиғатта флуоресцентті, оның флуоресценциясы көбінесе триптофандарға энергия беру арқылы басылады. Глутамин қышқылы немесе глутамин Z Glx Аминқышқылының бірі орын алатын орын ұстаушы.