Введение

Аминокислота, которая биосинтетически включается в белки во время трансляции. Протеиногенные аминокислоты – это аминокислоты, которые биосинтетически включаются в белки во время трансляции. Слово «протеиногенный» означает «создающий белки». В течение всего существования известной жизни существует 22 генетически закодированных (протеиногенных) аминокислоты, 20 в стандартном генетическом коде и еще 2 (селеноцистеин и пирролизин), которые могут быть включены с помощью специальных механизмов трансляции. В отличие от них, непротеиногенные аминокислоты – это аминокислоты, которые либо не включаются в белки (например, ГАМК, L-ДОФА или трийодтиронин), либо ошибочно включаются вместо генетически закодированной аминокислоты, либо не производятся непосредственно и изолированно стандартным клеточным аппаратом (например, гидроксипролин). Последнее часто является результатом посттрансляционной модификации белков. Некоторые непротеиногенные аминокислоты включаются в нерибосомные пептиды, которые синтезируются нерибосомными пептидсинтетазами. Как эукариоты, так и прокариоты могут включать селеноцистеин в свои белки посредством нуклеотидной последовательности, известной как элемент SECIS, который направляет клетку на трансляцию близлежащего кодона UGA в селеноцистеин (UGA обычно является стоп-кодоном). У некоторых метаногенных прокариот кодон UAG (обычно стоп-кодон) также может быть транслирован в пирролизин. У эукариот насчитывается только 21 протеиногенная аминокислота: 20 из стандартного генетического кода плюс селеноцистеин. Люди могут синтезировать 12 из них друг из друга или из других молекул промежуточного метаболизма. Остальные девять необходимо получать с пищей (обычно в виде белковых производных), поэтому они называются незаменимыми аминокислотами. Незаменимые аминокислоты – это гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан и валин (т. е. H, I, L, K, M, F, T, W, V). Протеиногенные аминокислоты связаны с набором аминокислот, которые могут быть распознаны системами аутоаминоацилирования рибозимов. Таким образом, непротеиногенные аминокислоты были исключены благодаря случайному эволюционному успеху форм жизни на основе нуклеотидов. Были предложены и другие объяснения того, почему определенные непротеиногенные аминокислоты обычно не включаются в белки; например, орнитин и гомосерин циклизуются против пептидного скелета и фрагментируют белок с относительно коротким периодом полураспада, в то время как другие токсичны, поскольку могут ошибочно включаться в белки, например, аналог аргинина канаванин. Предполагается, что эволюционный отбор определенных протеиногенных аминокислот из первичного бульона произошел из-за их лучшего включения в полипептидную цепь по сравнению с непротеиногенными аминокислотами.

Химические свойства

Ниже представлена таблица с перечислением однобуквенных и трехбуквенных символов, а также химических свойств боковых цепей стандартных аминокислот. Указанные массы рассчитаны на основе средневзвешенных значений изотопов элементов в их природном соотношении. Образование пептидной связи сопровождается отщеплением молекулы воды. Следовательно, масса белка равна сумме масс аминокислот, входящих в его состав, минус 18,01524 Да на каждую пептидную связь.

Общие химические свойства

Аминокислоты. Краткое обозначение (Аббревиатура) Ср. масса (Да) Изоэлектрическая точка (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 Аспартат D Asp 133.10384 2.85 1.99 9.90 Глутамат 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

Свойства боковой цепи

Аминокислоты. Краткое обозначение (Аббревиатура) Боковая цепь Гидрофобная константа диссоциации кислоты (pKa§) Полярный pH Малый Малый Ароматический или Алифатический Объем Ван дер Ваальса (Å3) Аланин A Ala CH3 Алифатический 67 Цистеин C Cys CH2SH 8,55 Кислотный 86 Аспартат D Asp CH2COOH 3,67 Кислотный 91 Глутамат E Glu CH2CH2COOH 4,25 Кислотный 109 Фенилаланин F Phe CH2C6H5 Ароматический 135 Глицин G Gly H 48 Гистидин H His CH2 C3H3N2 6,54 Слабоосновный Ароматический 118 Изолейцин I Ile CH(CH3)CH2CH3 Алифатический 124 Лизин K Lys (CH2)4NH2 10,40 Основный 135 Лейцин L Leu CH2CH(CH3)2 Алифатический 124 Метионин M Met CH2CH2SCH3 Алифатический 124 Аспарагин N Asn CH2CONH2 96 Пирролизин O Pyl (CH2)4NHCOC4H5NCH3 N. D. Слабоосновный Пролин P Pro CH2CH2CH2 90 Глутамин Q Gln CH2CH2CONH2 114 Аргинин R Arg (CH2)3NH C(NH)NH2 12,3 Сильноосновный 148 Серин S Ser CH2OH 73 Треонин T Thr CH(OH)CH3 93 Селеноцистеин U Sec CH2SeH 5,43 Кислотный Валин V Val CH(CH3)2 Алифатический 105 Триптофан W Trp CH2C8H6N Ароматический 163 Тирозин Y Tyr CH2 C6H4OH 9,84 Слабокислый Ароматический 141

§: Значения для Asp, Cys, Glu, His, Lys и Tyr были определены при размещении аминокислотного остатка в центре аланнового пентапептида. Значение для Arg взято из Pace et al. (2009). Значение для Sec взято из Byun & Kang (2011). N. D.: Значение pKa пирролизина не сообщалось. Примечание: Значение pKa аминокислотного остатка в небольшом пептиде обычно немного отличается, когда он находится внутри белка. Расчет pKa белков иногда используется для расчета изменения значения pKa аминокислотного остатка в данной ситуации.

Экспрессия генов и биохимия

Аминокислота Краткое обозначение (Аббревиатура) Кодон(ы) Встречаемость Незаменима‡ у человека в протеинах Архей (%)& в протеинах Бактерий (%)& в протеинах Эукариот (%)& в протеинах человека (%)& Аланин A Ala GCU, GCC, GCA, GCG 8,2 10,0 67,6 7,01 Цистеин C Cys UGU, UGC 0,98 0,94 1,76 2,3 Аспарагиновая кислота D Asp GAU, GAC 6,2 15,5 95,4 4,73 Глутаминовая кислота 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 Стоп-кодон† Терм UAA, UAG, UGA†† * UAG обычно является янта́рным стоп-кодоном, но в организмах, содержащих биологический механизм, кодируемый кластером генов pylTSBCD, аминокислота пирролизин будет включена. ** UGA обычно является кодоном остановки опала (или амбера), но кодирует селеноцистеин, если присутствует элемент SECIS. † Стоп-кодон не является аминокислотой, но включен для полноты. †† UAG и UGA не всегда действуют как стоп-кодоны (см. выше). ‡ Незаменимая аминокислота не может быть синтезирована у человека и поэтому должна поступать с пищей. Условно незаменимые аминокислоты обычно не требуются в рационе, но должны быть экзогенно поставлены определенным группам населения, которые не синтезируют их в достаточных количествах. & Встречаемость аминокислот основана на 135 археях, 3775 бактериях, 614 протеомах эукариот и человеческом протеоме (21 006 белков) соответственно.

Стойхиометрия и метаболические затраты в клетке

В таблице ниже приведено содержание аминокислот в клетках E. coli и метаболическая стоимость (АТФ) для синтеза аминокислот. Отрицательные значения указывают на то, что метаболические процессы энергетически выгодны и не требуют чистого расхода АТФ клеткой. Содержание аминокислот включает аминокислоты в свободной форме и в полимеризованном виде (белки).

Аминокислота | Краткое обозначение (Аббревиатура) | Содержание (# молекул (×10⁸) на клетку E. coli) | Стоимость АТФ в синтезе | Аэробные условия | Анаэробные условия
---|---|---|---|---|---
Аланин | A | Ala | 2,9 | 1 | 1
Цистеин | C | Cys | 0,52 | 11 | 15
Аспартат | D | Asp | 1,4 | 0 | 2
Глутамат | 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

Замечания

Аминокислоты (Сокращения) Замечания Аланин А Ala Очень распространенная и универсальная аминокислота, более жесткая, чем глицин, но достаточно маленькая, чтобы оказывать лишь небольшое стерическое влияние на конформацию белка. Она ведет себя достаточно нейтрально и может располагаться как в гидрофильных областях на поверхности белка, так и в гидрофобных областях внутри. Аспарагин или аспарагиновая кислота B Asx Заполнитель, когда любая из аминокислот может занимать позицию. Цистеин C Cys Атом серы легко образует связи с ионами тяжелых металлов. В окислительных условиях две молекулы цистеина могут образовывать дисульфидную связь, формируя аминокислоту цистин. Когда цистины входят в состав белка, например, инсулина, третичная структура стабилизируется, что делает белок более устойчивым к денатурации; поэтому дисульфидные связи часто встречаются в белках, функционирующих в жестких условиях, включая пищеварительные ферменты (например, пепсин и химотрипсин) и структурные белки (например, кератин). Дисульфиды также встречаются в пептидах, которые слишком малы для поддержания стабильной формы самостоятельно (например, инсулин). Аспарагиновая кислота D Asp Аспарагиновая кислота ведет себя аналогично глутаминовой кислоте и несет гидрофильную кислотную группу с сильным отрицательным зарядом. Обычно она располагается на внешней поверхности белка, что делает его водорастворимым. Она связывается с положительно заряженными молекулами и ионами и часто используется в ферментах для фиксации ионов металлов. Внутри белка аспартат и глутамат обычно взаимодействуют с аргинином и лизином. Глютаминовая кислота E Glu Глютаминовая кислота ведет себя аналогично аспарагиновой кислоте и имеет более длинную, немного более гибкую боковую цепь. Фенилаланин F Phe Необходим для человека. Фенилаланин, тирозин и триптофан содержат большую, жесткую ароматическую группу в боковой цепи. Это самые крупные аминокислоты. Как и изолейцин, лейцин и валин, они гидрофобны и склонны ориентироваться к внутренней части сложенной молекулы белка. Фенилаланин может превращаться в тирозин. Глицин G Gly Благодаря двум атомам водорода у α-углерода, глицин не является оптически активным. Это самая маленькая аминокислота, легко вращается и придает гибкость белковой цепи. Он может поместиться в самые узкие пространства, например, в тройную спираль коллагена. Поскольку избыточная гибкость обычно нежелательна, как структурный компонент, он менее распространен, чем аланин. Гистидин H His Гистидин необходим для человека. Даже в слегка кислых условиях происходит протонирование азота, что изменяет свойства гистидина и полипептида в целом. Многие белки используют его в качестве регуляторного механизма, изменяя конформацию и поведение полипептида в кислых средах, таких как поздняя эндосома или лизосома, вызывая изменение конформации в ферментах. Однако для этого требуется лишь несколько гистидинов, поэтому он относительно редок. Изолейцин I Ile Изолейцин необходим для человека. Изолейцин, лейцин и валин имеют большие алифатические гидрофобные боковые цепи. Их молекулы жесткие, и их взаимные гидрофобные взаимодействия важны для правильного сворачивания белков, поскольку эти цепи, как правило, находятся внутри молекулы белка. Лейцин или изолейцин J Xle Заполнитель, когда любая из аминокислот может занимать позицию. Лизин K Lys Лизин необходим для человека и ведет себя аналогично аргинину. Он содержит длинную, гибкую боковую цепь с положительно заряженным концом. Гибкость цепи делает лизин и аргинин подходящими для связывания с молекулами, имеющими множество отрицательных зарядов на поверхности. Например, белки, связывающие ДНК, имеют активные центры, богатые аргинином и лизином. Сильный заряд делает эти две аминокислоты склонными к расположению на внешних гидрофильных поверхностях белков; когда они находятся внутри, они обычно взаимодействуют с соответствующей отрицательно заряженной аминокислотой, например, аспартатом или глутаматом. Левцин L Leu Левцин необходим для человека и ведет себя аналогично изолейцину и валину. Метионин M Met Метионин необходим для человека. Всегда первая аминокислота, включаемая в белок, иногда удаляется после трансляции. Как и цистеин, он содержит серу, но с метильной группой вместо водорода. Эта метильная группа может быть активирована и используется во многих реакциях, когда к другой молекуле добавляется новый атом углерода. Аспарагин N Asn Подобно аспарагиновой кислоте, асн содержит амидную группу вместо карбоксильной группы. Пирролизин O Pyl Подобен лизину, но имеет присоединенное пирролиновое кольцо. Пролин P Pro Пролин содержит необычное кольцо, присоединенное к аминогруппе N-конца, что фиксирует последовательность CO-NH в определенной конформации. Он может нарушать структуры сворачивания белков, такие как α-спираль или β-лист, вызывая желаемый изгиб в белковой цепи. Часто встречается в коллагене и часто подвергается посттрансляционному модифицированию с образованием гидроксипролина. Глутамин Q Gln Подобно глутаминовой кислоте, глутамин содержит амидную группу вместо карбоксильной группы. Используется в белках и в качестве резервуара аммиака, является самой распространенной аминокислотой в организме. Аргинин R Arg Функционально похож на лизин. Серин S Ser Серин и треонин имеют короткую группу, заканчивающуюся гидроксильной группой. Его водород легко удаляется, поэтому серин и треонин часто выступают в качестве доноров водорода в ферментах. Оба очень гидрофильны, поэтому внешние области растворимых белков часто богаты ими. Треонин T Thr Треонин необходим для человека и ведет себя аналогично серину. Селеноцистеин U Sec Аналог цистеина, в котором селен заменяет атом серы. Валин V Val Валин необходим для человека и ведет себя аналогично изолейцину и лейцину. Триптофан W Trp Триптофан необходим для человека и ведет себя аналогично фенилаланину и тирозину. Является предшественником серотонина и обладает естественной флуоресценцией. Неизвестная X Xaa Заполнитель, когда аминокислота неизвестна или не имеет значения. Тирозин Y Tyr Тирозин ведет себя аналогично фенилаланину (предшественнику тирозина) и триптофану и является предшественником меланина, эпинефрина и гормонов щитовидной железы. Обладает естественной флуоресценцией, которая обычно гасится за счет передачи энергии триптофанам. Глютаминовая кислота или глутамин Z Glx Заполнитель, когда любая из аминокислот может занимать позицию.