Prolin

Prolin er en af de α-aminosyrer, der anvendes af levende organismer som byggesten i proteiner. L-isomeren af prolin, som er den eneste form, der er involveret i proteinsyntesen, er en af de 20 standardaminosyrer, der er almindelige i animalske proteiner, og som er nødvendige for normal funktion hos mennesker. Prolin er enestående blandt disse, idet nitrogenatomet er en del af ringstrukturen, den cykliske række af kulstofatomer, i stedet for at være uden for ringen. Det vil sige, at dens aminogruppe, hvorigennem den er forbundet med de andre aminosyrer, er en sekundær aminogruppe og ikke en primær aminogruppe (-NH2) som i de andre 19 aminosyrer.

Prolin er ikke klassificeret som en “essentiel aminosyre”, da den ikke skal indtages med kosten, men kan syntetiseres af menneskekroppen fra andre forbindelser gennem kemiske reaktioner, især fra glutaminsyre.

Prolins unikke struktur, hvor aminogruppen er en del af ringstrukturen, er vigtig for proteinernes form. Et proteins funktionalitet er afhængig af dets evne til at folde sig i en præcis tredimensionel form. Prolinets binding til andre aminosyrer gennem aminogruppen bidrager til forskellige bøjninger og knæk i proteinets form, uden hvilke proteinet ikke ville kunne fungere korrekt. Dette afspejler en ekstraordinær kompleksitet og harmoni. På en eller anden måde er proteiner, der består af hundredvis af aminosyrer, i stand til at konfigurere sig selv i den korrekte form og derefter udføre vitale funktioner.

Prolinets trebogstavskode er Pro, dets etbogstavskode er P, dets kodoner er CCU, CCC, CCA og CCG, og dets systematiske navn er pyrrolidin-2-carboxylsyre (IUPAC-IUB 1983).

Struktur

I biokemien bruges betegnelsen aminosyre ofte til at henvise specifikt til alfa-aminosyrer – de aminosyrer, hvor amino- og carboxylatgrupperne er knyttet til det samme kulstof, det såkaldte α-kulstof (alfa-kulstof). Den generelle struktur af disse alfa-aminosyrer er:

 R |H2N-C-COOH | H

hvor R repræsenterer en sidekæde, der er specifik for hver aminosyre. Prolin er undtagelsen fra denne grundstruktur, da dets sidekæde cykliserer sig på rygraden og danner en ringstruktur, hvor en sekundær aminogruppe erstatter den primære aminogruppe.

Prolin er enestående blandt de 20 standardaminosyrer, idet aminogruppen er en del af den cykliske ring af atomer. De andre nitten aminosyrer er alle primære aminosyrer, hvor aminogruppen ikke er en del af den cirkelformede række af atomer. På grund af den cykliske binding af den tre kulstofholdige sidekæde til nitrogenet i rygsøjlen mangler prolin imidlertid en primær aminegruppe (-NH2). Nitrogenet i prolin betegnes korrekt som en sekundær amin.

Denne konfiguration giver vigtige egenskaber for proteiner, da det er aminogruppen (og carboxylgruppen, -COOH), der binder den ene aminosyre til den anden. (En peptidbinding er en kemisk binding, der dannes mellem to molekyler, når carboxylgruppen i det ene molekyle reagerer med aminogruppen i det andet molekyle). Dette unikke aspekt af prolin er vigtigt for etableringen af proteinets struktur, idet det bidrager til forskellige bøjninger og knæk i proteinets form. For at et protein kan fungere, skal det have en bestemt konformationsform.

Prolin kaldes nogle gange en aminosyre, selv om IUPAC’s (International Union of Pure and Applied Chemistry) definition af en amin kræver en kulstof-stikstof-dobbeltbinding. I biologisk terminologi anses kategorien “aminosyrer” dog generelt for at omfatte prolin.

De fleste aminosyrer forekommer i to mulige optiske isomerer, kaldet D og L. L-aminosyrerne repræsenterer langt de fleste aminosyrer, der findes i proteiner. De kaldes proteinogene aminosyrer. Som navnet “proteinogene” (bogstaveligt talt “proteinopbyggende”) antyder, er disse aminosyrer kodet af den genetiske standardkode og deltager i proteinsynteseprocessen. I prolin er kun L-stereoisomeren involveret i syntesen af pattedyrs proteiner.

Prolin har den kemiske formel HO2CCH(NH[CH2)3, eller mere generelt C5H9NO2.

Strukturelle egenskaber

Den karakteristiske cykliske struktur af prolinets sidekæde låser dens ϕ {\displaystyle \phi } backbone dihedral vinkel på ca. -75°, hvilket giver prolin en usædvanlig konformationel stivhed sammenlignet med andre aminosyrer. Derfor mister prolin mindre konformationel entropi ved foldning, hvilket kan forklare dets større forekomst i proteiner fra termofile organismer.

Prolin fungerer som en strukturel forstyrrer i midten af regelmæssige sekundære strukturelementer såsom alfa-helixer og beta-ark; prolin findes imidlertid almindeligvis som den første rest (komponent) i en alfa-helix og også i kantstrengene i beta-ark. Prolin er også almindeligt forekommende i vendinger, hvilket kan forklare den mærkelige kendsgerning, at prolin normalt er eksponeret for opløsningsmidler på trods af, at det har en fuldstændig alifatisk sidekæde. Da prolin mangler et hydrogen på amidgruppen, kan det ikke fungere som hydrogenbindingsdonor, men kun som hydrogenbindingsacceptor.

Multiple prolines og/eller hydroxyprolines i en række kan skabe en polyprolinhelix, den fremherskende sekundærstruktur i kollagen. Hydroxylering af prolin ved hjælp af prolylhydroxylase (eller andre tilføjelser af elektron-tabgivende substituenter som f.eks. fluor) øger kollagens konformationsstabilitet betydeligt. Hydroxylering af prolin er derfor en kritisk biokemisk proces for opretholdelse af bindevævet i højere organismer. Alvorlige sygdomme som skørbug kan skyldes defekter i denne hydroxylering, f.eks. mutationer i enzymet prolylhydroxylase eller mangel på den nødvendige ascorbat (C-vitamin) cofaktor.

Cis-trans isomerisering

Peptidbindinger til prolin og andre N-substituerede aminosyrer (f.eks. sarcosin) er i stand til at befolke både cis- og trans-isomerer. De fleste peptidbindinger foretrækker i overvejende grad at antage trans-isomeren (typisk 99,9 procent under ubelastede forhold), hovedsagelig fordi amidbrinten (trans-isomeren) giver mindre sterisk afstødning til den forudgående C α {\displaystyle \mathrm {C} ^{\\alpha }} atom end det efterfølgende C α {\displaystyle \mathrm {C} ^{\alpha }} atom (cis-isomer). I modsætning hertil er cis- og trans-isomererne af X-Pro-peptidbindingen næsten isosteriske (dvs. lige dårlige energimæssigt); C α {\displaystyle \mathrm {C} ^{\alpha }} (cis-isomer) og C δ {\ {\displaystyle \mathrm {C} ^{\\delta }}} atomer (trans-isomer) af prolin er sterisk nogenlunde ækvivalente. Derfor varierer fraktionen af X-Pro-peptidbindinger i cis-isomeren under ubelastede forhold fra ti til 40 procent; fraktionen afhænger lidt af den forudgående aminosyre X, idet aromatiske rester favoriserer cis-isomeren lidt.

Cis-trans prolinisomerisering er en meget langsom proces, der kan hindre proteinfoldningsprocessen ved at fange en eller flere proliner, der er afgørende for foldningen, i den ikke-native isomer, især når den native isomer er den sjældnere cis-isomer. Alle organismer besidder prolylisomeraseenzymer til at katalysere denne isomerisering, og nogle bakterier har specialiserede prolylisomeraser tilknyttet ribosomet. Det er dog ikke alle proliner, der er essentielle for foldning, og proteinfoldning kan foregå med normal hastighed på trods af, at der er ikke-native isomerer af mange X-Pro-peptidbindinger.

Biosyntese

Prolin er biosyntetisk afledt af aminosyren L-glutamat, og dets umiddelbare forløber er iminosyren (S)-Δ1-pyrrolin-5-carboxylat (P5C). Enzymer, der er involveret i en typisk biosyntese, omfatter (Lehninger 2000):

• glutamatkinase (ATP-afhængig)
• glutamatdehydrogenase (kræver NADH eller NADPH)
• pyrrolin-5-carboxylatreduktase (kræver NADH eller NADPH)

Funktion

Ud over sin vitale rolle i proteiners struktur, anvendes prolin også som kosttilskud og i biokemisk, mikrobiologisk og ernæringsmæssig forskning.

Prolin og dets derivater anvendes ofte som asymmetriske katalysatorer i organiske reaktioner. CBS-reduktion og prolin-katalyseret aldolkondensation er fremtrædende eksempler.

Prolin har en sødlig smag med en tydelig eftersmag. Prolin forårsager også en let irritation på tungen ligesom Sichuanpeber.

Se også

• Collagen

• Balbach, J., og F. X. Schmid. “Prolinisomerisering og dens katalysering i proteinfoldning”. In R. H. Pain, ed. Mechanisms of Protein Folding, 2nd ed. Oxford University Press, 2001. ISBN 0199637881
• Doolittle, R. F. “Redundancies in protein sequences.” In G. D. Fasman, ed. Prediction of Protein Structures and the Principles of Protein Conformation. New York: Plenum Press, 1989. ISBN 030643131319
• International Union of Pure and Applied Chemistry and International Union of Biochemistry and Molecular Biology (IUPAC-IUB) Joint Commission on Biochemical Nomenclature (fælles kommission for biokemisk nomenklatur). 1983. Nomenklatur og symbolik for aminosyrer og peptider: Anbefalinger om organisk & biokemisk nomenklatur, symboler & terminologi IUPAC-IUB. Hentet den 30. august 2007.
• Lehninger, A. L., D. L. Nelson, og M. M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry, 3. udgave. New York: Worth Publishing, 2000. ISBN 1572591536