Введение

Пролин (символ Pro или P) — органическая кислота, классифицируемая как протеиногенная аминокислота (используемая в биосинтезе белков), хотя она не содержит аминогруппу, а представляет собой вторичный амин. Вторичный аминоазот находится в протонированной форме (NH2+) в биологических условиях, а карбоксильная группа — в депротонированной форме −COO−. "Боковая цепь", отходящая от α-углерода, соединяется с азотом, образуя пирролидиновое кольцо, что классифицирует его как алифатическую аминокислоту. Пролин является незаменимой аминокислотой для человека, то есть организм способен синтезировать его из незаменимой аминокислоты L-глутамата. Он кодируется всеми кодонами, начинающимися с CC (CCU, CCC, CCA и CCG). Пролин — единственная протеиногенная вторичная аминокислота, являющаяся вторичным амином, поскольку атом азота связан как с α-углеродом, так и с цепью из трех углеродных атомов, которые вместе образуют пятичленное кольцо.

История и этимология

Пролин был впервые выделен в 1900 году Ричардом Вильштеттером, который получил эту аминокислоту при изучении N-метилпролина и синтезировал пролин реакцией натриевой соли диэтилмалоната с 1,3-дибромопропаном. В следующем году Эмиль Фишер выделил пролин из казеина и продуктов разложения γ-фталимидопропил малонового эфира, а также опубликовал метод синтеза пролина из фталимидопропил малонового эфира. Название "пролин" происходит от пирролидина, одного из его компонентов.

Биосинтез

Пролин биосинтетически происходит из аминокислоты L-глутамата. Глютамат-5-семиальдегид первоначально образуется под действием глютамат-5-киназы (АТФ-зависимой) и глютамат-5-семиальдегид-дегидрогеназы (которая требует NADH или NADPH). Затем он может либо спонтанно циклизоваться с образованием 1-пирролин-5-карбоновой кислоты, которая восстанавливается до пролина пирролин-5-карбоксилатредуктазой (с использованием NADH или NADPH), либо превращаться в орнитин орнитиновой аминотрансферазой, после чего происходит циклизация орнитиновой циклодеаминазой с образованием пролина.

Биологическая активность

L-Пролин был обнаружен как слабый агонист глицинового рецептора, а также NMDA- и не-NMDA (AMPA/каинат) ионотропных глутаматных рецепторов. Предполагается, что он может являться потенциальным эндогенным экзитотоксином. Исследование 2022 года выявило связь между диетой, богатой пролином, и повышенным риском развития депрессии у людей. Это исследование было проведено в рамках ограниченного доклинического испытания на людях и, главным образом, на других организмах, где результаты оказались значимыми.

Свойства структуры белка

Отличительная циклическая структура боковой цепи пролина придает пролину исключительную конформационную жесткость по сравнению с другими аминокислотами. Она также влияет на скорость образования пептидных связей между пролином и другими аминокислотами. Когда пролин входит в пептидную связь в виде амида, его азот не связан ни с одним атомом водорода, что означает, что он не может выступать в качестве донора водородной связи, но может быть акцептором водородной связи. Формирование пептидной связи с поступающей Pro-тРНКPro в рибосоме происходит значительно медленнее, чем с любыми другими тРНК, что является общей особенностью N-алкиламинокислот. Образование пептидной связи также происходит медленно между поступающей тРНК и цепью, заканчивающейся пролином; при этом образование пептидных связей пролин-пролин происходит медленнее всего. Исключительная конформационная жесткость пролина влияет на вторичную структуру белков вблизи пролинового остатка и может объяснять более высокую распространенность пролина в белках термофильных организмов. Вторичная структура белка может быть описана с точки зрения двугранных углов φ, ψ и ω белкового скелета. Циклическая структура боковой цепи пролина фиксирует угол φ примерно на −65°. Пролин действует как разрушитель структуры в середине регулярных элементов вторичной структуры, таких как альфа-спирали и бета-листы; однако пролин часто встречается в качестве первого остатка альфа-спирали, а также в краевых цепях бета-листов. Пролин также часто встречается в поворотах (другой вид вторичной структуры) и способствует образованию бета-поворотов. Это может объяснить любопытный факт, что пролин обычно экспонирован растворителем, несмотря на наличие полностью алифатической боковой цепи. Несколько пролинов и/или гидроксипролинов подряд могут образовывать полипролиновую спираль, которая является преобладающей вторичной структурой коллагена. Гидроксилирование пролина пролилгидроксилазой (или другие добавления электроноакцепторных заместителей, таких как фтор) значительно повышает конформационную стабильность коллагена. Следовательно, гидроксилирование пролина является важнейшим биохимическим процессом для поддержания соединительной ткани высших организмов. Тяжелые заболевания, такие как цинга, могут быть вызваны дефектами этого гидроксилирования, например, мутациями в ферменте пролилгидроксилазе или недостатком необходимого аскорбата (витамина С) в качестве кофактора.

Цистранс изомеризация

Пептидные связи с пролином и другими N-замещенными аминокислотами (такими как саркозин) способны существовать как в цис-, так и в транс-изомерной форме. Большинство пептидных связей преимущественно принимают транс-конфигурацию (обычно 99,9% в условиях отсутствия напряжения), главным образом потому, что амидный водород (в транс-изомере) оказывает меньшее стерическое отталкивание на предшествующий атом Cα, чем следующий атом Cα (в цис-изомере). В отличие от этого, цис- и транс-изомеры пептидной связи X-Pro (где X – любая аминокислота) испытывают стерические взаимодействия с соседними заместителями и имеют значительно меньшую разницу в энергии. Следовательно, доля пептидных связей X-Pro в цис-изомере в условиях отсутствия напряжения значительно возрастает, при этом цис-фракции обычно составляют от 3 до 10%. Однако эти значения зависят от предшествующей аминокислоты: глицин и ароматические остатки приводят к увеличению доли цис-изомера. Для ароматических пептидных связей с пролином были обнаружены цис-фракции до 40%. С кинетической точки зрения, цис-транс изомеризация пролина – очень медленный процесс, который может замедлять процесс сворачивания белка, удерживая один или несколько остатков пролина, критически важных для сворачивания, в неродной изомерной форме, особенно если нативная структура белка требует цис-изомера. Это связано с тем, что остатки пролина синтезируются рибосомой исключительно в транс-конфигурации. Все организмы обладают ферментами пролил-изомеразой, катализирующими эту изомеризацию, а у некоторых бактерий имеются специализированные пролил-изомеразы, связанные с рибосомой. Однако не все пролины необходимы для правильного сворачивания, и сворачивание белка может протекать с нормальной скоростью, даже если в пептидных связях X-Pro присутствуют неродные конформации.

Применение

Пролин и его производные часто используются в качестве асимметричных катализаторов в реакциях органокатализа пролина. Редукция CBS и пролин-катализируемая альдольная конденсация – яркие примеры. В пивоварении белки, богатые пролином, взаимодействуют с полифенолами, образуя помутнение (мутность). L-Пролин является осмопротектором и поэтому используется во многих фармацевтических и биотехнологических применениях. Питательная среда, используемая в культуре растительных тканей, может быть дополнена пролином. Это может способствовать росту, возможно, потому что помогает растению переносить стрессы, связанные с культурой тканей. Подробнее о роли пролина в стрессовом ответе растений см.

Специальности

Пролин – одна из двух аминокислот, не соответствующих типичному графику Рамачандрана, наряду с глицином. Благодаря образованию кольца, связанного с бета-углеродом, углы ψ и φ вокруг пептидной связи имеют меньший диапазон допустимых значений вращения. В результате пролин часто встречается в "поворотах" белков, поскольку его свободная энтропия (ΔS) не так велика, как у других аминокислот, и, следовательно, изменение энтропии при переходе из развернутого состояния в свернутое меньше. Кроме того, пролин редко встречается в α- и β-структурах, так как это снижает их стабильность, поскольку α-азот его боковой цепи может образовывать только одну связь. Также пролин – единственная аминокислота, которая не образует красно-фиолетовый цвет при обработке нингидрином для использования в хроматографии, а вместо этого дает оранжево-желтую окраску.