Введение
Аминокислота, используемая в биосинтезе белков.
Аланин (символ Ala или A), или α-аланин, является α-аминокислотой, используемой в биосинтезе белков. Он содержит аминогруппу и карбоксильную группу, обе присоединены к центральному атому углерода, который также несет метильную группу в качестве боковой цепи. Следовательно, он классифицируется как неполярная, алифатическая α-аминокислота. В биологических условиях он существует в цвиттерионной форме, с протонированной аминогруппой (как −NH3+) и депротонированной карбоксильной группой (как −CO2−). Аланин не является незаменимой аминокислотой для человека, поскольку может синтезироваться метаболически и не требует поступления с пищей. Он кодируется всеми кодонами, начинающимися с GC (GCU, GCC, GCA и GCG). L-изомер аланина (левовращающий) является формой, включаемой в состав белков. L-аланин по частоте встречаемости уступает только L-лейцину, составляя 7,8% первичной структуры в выборке из 1150 белков. D-изомер аланина (правовращающий) встречается в пептидах в клеточных стенках некоторых бактерий (в пептидогликане) и в некоторых пептидных антибиотиках, а также в тканях многих ракообразных и моллюсков в качестве осмолита.
История и этимология
Аланин был впервые синтезирован в 1850 году, когда Адольф Штреккер соединил ацетальдегид и аммиак с синильной кислотой. Аминокислота получила название Alanin на немецком языке, отсылающее к альдегиду, с использованием интерфикса «an» для удобства произношения, а немецкое окончание «in» в химических соединениях аналогично английскому «ine».
Структура
Аланин — это алифатическая аминокислота, поскольку боковая цепь, присоединенная к α-углеродному атому, представляет собой метильную группу (CH3). Аланин является самой простой α-аминокислотой после глицина. Метильная боковая цепь аланина нереактивна и поэтому крайне редко непосредственно участвует в функционировании белков. Аланин — незаменимая аминокислота, то есть он может синтезироваться в организме человека и не требует поступления с пищей. Аланин содержится в широком спектре продуктов питания, но особенно концентрирован в мясе.
Биосинтез
Аланин может быть синтезирован из пирувата и аминокислот с разветвленной цепью, таких как валин, лейцин и изолейцин. Аланин образуется в результате редуцирующего аминирования пирувата, представляющего собой двухэтапный процесс. На первом этапе α-кетоглутарат, аммиак и NADH преобразуются глутаматдегидрогеназой в глутамат, NAD+ и воду. На втором этапе аминогруппа вновь образовавшегося глутамата переносится на пируват ферментом аминотрансферазой, регенерируя α-кетоглутарат и превращая пируват в аланин. Итоговый результат заключается в том, что пируват и аммиак превращаются в аланин, потребляя один восстановительный эквивалент.
Деградация
Аланин расщепляется путем окислительного деаминирования, обратной реакции редуктивному аминированию, описанному выше, катализируемой теми же ферментами. Направление процесса в значительной степени определяется относительной концентрацией субстратов и продуктов участвующих реакций. На основе этого факта была предложена гипотеза "Мира аланина". Эта гипотеза объясняет эволюционный выбор аминокислот в репертуаре генетического кода с химической точки зрения. В этой модели выбор мономеров (то есть аминокислот) для рибосомного синтеза белков достаточно ограничен производными аланина, подходящими для построения вторичных структурных элементов – α-спирали или β-листа. Доминирующими вторичными структурами в известных формах жизни являются α-спирали и β-листы, и большинство канонических аминокислот можно рассматривать как химические производные аланина. Поэтому большинство канонических аминокислот в белках могут быть заменены на Ala посредством точечных мутаций, при этом вторичная структура останется неизменной. Тот факт, что Ala имитирует предпочтения вторичной структуры большинства кодируемых аминокислот, находит практическое применение в мутагенезе с использованием аланинового сканирования. Кроме того, классическая рентгеновская кристаллография часто использует модель полиаланинового каркаса для определения трехмерных структур белков методом молекулярной замены – фазирования на основе модели.
Цикл глюкозо-аланина
У млекопитающих аланин играет ключевую роль в цикле глюкозы-аланина между тканями и печенью. В мышцах и других тканях, использующих аминокислоты в качестве топлива, аминогруппы собираются в форме глутамата посредством трансаминации. Глютамат затем может передавать свою аминогруппу пирувату – продукту мышечного гликолиза – под действием аланин-аминотрансферазы, образуя аланин и α-кетоглутарат. Аланин поступает в кровоток и транспортируется в печень. В печени реакция аланин-аминотрансферазы протекает в обратном направлении, где регенерированный пируват используется в глюконеогенезе для образования глюкозы, которая возвращается в мышцы через систему кровообращения. Глютамат в печени поступает в митохондрии и расщепляется глутамат-дегидрогеназой на α-кетоглутарат и аммоний, который, в свою очередь, участвует в цикле мочевины с образованием мочевины, выводимой через почки. Цикл глюкозы-аланина обеспечивает удаление пирувата и глутамата из мышц и их безопасную транспортировку в печень. Там пируват используется для регенерации глюкозы, которая затем возвращается в мышцы для метаболизма и получения энергии: это переносит энергетическую нагрузку глюконеогенеза из мышц в печень, позволяя всему доступному АТФ в мышцах быть направленным на мышечное сокращение.
Связь с диабетом
Изменения в аланиновом цикле, приводящие к повышению уровня аланинаминотрансферазы (АЛТ) в сыворотке крови, связаны с развитием диабета 2 типа.
Химические свойства
Аланин полезен в экспериментах по изучению потери функции, связанных с фосфорилированием. Некоторые методы включают создание библиотеки генов, каждый из которых содержит точечную мутацию в различных позициях в интересующей области, а иногда и в каждой позиции всего гена: это называется «сканирующим мутагенезом». Самый простой метод, и первый из использованных, – так называемое сканирование аланином, при котором каждая позиция последовательно мутирует в аланин. Гидрирование аланина дает аминоалкоголь аланинол, который является полезным хиральным строительным блоком.
Свободные радикалы
Деаминация молекулы аланина приводит к образованию свободного радикала CH3C•HCO2−. Деаминацию можно индуцировать в твердом или водном аланине с помощью излучения, вызывающего гомолитическое разрывание углерод-азотной связи. Это свойство аланина используется в дозиметрических измерениях в лучевой терапии. При облучении обычного аланина излучение заставляет определенные молекулы аланина превращаться в свободные радикалы, и поскольку эти радикалы стабильны, содержание свободных радикалов можно впоследствии измерить методом электронного парамагнитного резонанса, чтобы определить дозу полученного аланином излучения. Это считается биологически релевантной мерой радиационного повреждения, которому подверглась бы живая ткань при аналогичном облучении.