Prolin

Prolin ist eine der α-Aminosäuren, die von lebenden Organismen als Bausteine von Proteinen verwendet werden. Das L-Isomer von Prolin, die einzige Form, die an der Proteinsynthese beteiligt ist, ist eine der 20 Standardaminosäuren, die in tierischen Proteinen vorkommen und für das normale Funktionieren des Menschen erforderlich sind. Prolin ist insofern einzigartig, als das Stickstoffatom Teil der Ringstruktur, der zyklischen Anordnung der Kohlenstoffatome, ist und nicht außerhalb des Rings liegt. Das heißt, seine Aminogruppe, über die es mit den anderen Aminosäuren verbunden ist, ist ein sekundäres Amin und nicht eine primäre Amingruppe (-NH2) wie bei den anderen neunzehn Aminosäuren.

Prolin wird nicht als „essentielle Aminosäure“ eingestuft, da es nicht mit der Nahrung aufgenommen werden muss, sondern vom menschlichen Körper durch chemische Reaktionen aus anderen Verbindungen, insbesondere aus Glutaminsäure, synthetisiert werden kann.

Die einzigartige Struktur von Prolin, bei der die Aminogruppe Teil der Ringstruktur ist, ist wichtig für die Form der Proteine. Die Funktionalität eines Proteins hängt von seiner Fähigkeit ab, sich in eine präzise dreidimensionale Form zu falten. Die Verknüpfung von Prolin mit anderen Aminosäuren über die Aminogruppe trägt zu verschiedenen Biegungen und Knicken in der Form des Proteins bei, ohne die das Protein nicht richtig funktionieren könnte. Dies spiegelt eine außergewöhnliche Komplexität und Harmonie wider. Irgendwie sind Proteine, die aus Hunderten von Aminosäuren bestehen, in der Lage, sich selbst in die richtige Form zu bringen und dann lebenswichtige Funktionen zu erfüllen.

Der Drei-Buchstaben-Code von Prolin ist Pro, sein Ein-Buchstaben-Code ist P, seine Codons sind CCU, CCC, CCA und CCG, und sein systematischer Name ist Pyrrolidin-2-Carbonsäure (IUPAC-IUB 1983).

Struktur

In der Biochemie wird der Begriff Aminosäure häufig speziell für Alpha-Aminosäuren verwendet, d. h. für Aminosäuren, bei denen die Amino- und Carboxylatgruppen an denselben Kohlenstoff, den sogenannten α-Kohlenstoff (Alpha-Kohlenstoff), gebunden sind. Die allgemeine Struktur dieser Alpha-Aminosäuren ist:

 R |H2N-C-COOH | H

wobei R eine für jede Aminosäure spezifische Seitenkette darstellt. Prolin ist die Ausnahme von dieser Grundstruktur, da seine Seitenkette an das Rückgrat zyklisiert und eine Ringstruktur bildet, in der eine sekundäre Aminogruppe die primäre Aminogruppe ersetzt.

Prolin ist einzigartig unter den 20 Standardaminosäuren, da die Aminogruppe Teil des zyklischen Ringes von Atomen ist. Die anderen neunzehn Aminosäuren sind alle primäre Aminosäuren, bei denen die Aminogruppe nicht Teil der kreisförmigen Anordnung der Atome ist. Aufgrund der zyklischen Bindung der Dreikohlenstoff-Seitenkette an den Stickstoff des Rückgrats fehlt Prolin jedoch eine primäre Aminogruppe (-NH2). Der Stickstoff in Prolin wird richtigerweise als sekundäres Amin bezeichnet.

Diese Konfiguration bietet wichtige Eigenschaften für Proteine, da es die Aminogruppe (und die Carboxylgruppe, -COOH) ist, die eine Aminosäure mit der anderen verbindet. (Eine Peptidbindung ist eine chemische Bindung, die zwischen zwei Molekülen entsteht, wenn die Carboxylgruppe des einen Moleküls mit der Aminogruppe des anderen Moleküls reagiert). Dieser einzigartige Aspekt von Prolin ist wichtig für die Struktur des Proteins und trägt zu den verschiedenen Biegungen und Knicken in der Form des Proteins bei. Damit ein Protein funktionieren kann, muss es eine bestimmte Konformationsform aufweisen.

Prolin wird manchmal als Aminosäure bezeichnet, obwohl die Definition der Internationalen Union für reine und angewandte Chemie (IUPAC) für ein Amin eine Kohlenstoff-Stickstoff-Doppelbindung erfordert. In der biologischen Terminologie wird die Kategorie „Aminosäuren“ jedoch im Allgemeinen so verstanden, dass sie Prolin einschließt.

Die meisten Aminosäuren kommen in zwei möglichen optischen Isomeren vor, die D und L genannt werden. Sie werden als proteinogene Aminosäuren bezeichnet. Wie der Name „proteinogen“ (wörtlich: proteinbildend) andeutet, werden diese Aminosäuren durch den genetischen Standardcode kodiert und sind am Prozess der Proteinsynthese beteiligt. Bei Prolin ist nur das L-Stereoisomer an der Synthese von Säugetierproteinen beteiligt.

Prolin hat die chemische Formel HO2CCH(NH[CH2)3 oder, allgemeiner ausgedrückt, C5H9NO2.

Strukturelle Eigenschaften

Die ausgeprägte zyklische Struktur der Seitenkette von Prolin schließt ihre ϕ {\displaystyle \phi } Backbone-Diagonalwinkel bei etwa -75°, was Prolin im Vergleich zu anderen Aminosäuren eine außergewöhnliche Konformationssteifigkeit verleiht. Daher verliert Prolin bei der Faltung weniger Konformationsentropie, was sein häufigeres Vorkommen in den Proteinen thermophiler Organismen erklären könnte.

Prolin wirkt als Strukturstörer in der Mitte regulärer Sekundärstrukturelemente wie Alpha-Helices und Beta-Sheets; Prolin findet sich jedoch häufig als erster Rest (Komponente) einer Alpha-Helix und auch in den Randsträngen von Beta-Sheets. Prolin kommt auch häufig in Windungen vor, was die merkwürdige Tatsache erklären könnte, dass Prolin in der Regel lösungsmittelexponiert ist, obwohl es eine vollständig aliphatische Seitenkette hat. Da Prolin kein Wasserstoff an der Amidgruppe hat, kann es nicht als Wasserstoffbrückenbindungs-Donor, sondern nur als Wasserstoffbrückenbindungs-Akzeptor wirken.

Mehrere Proline und/oder Hydroxyproline in einer Reihe können eine Polyprolin-Helix bilden, die vorherrschende Sekundärstruktur in Kollagen. Die Hydroxylierung von Prolin durch Prolylhydroxylase (oder andere Zusätze von elektronenziehenden Substituenten wie Fluor) erhöht die Konformationsstabilität von Kollagen erheblich. Daher ist die Hydroxylierung von Prolin ein entscheidender biochemischer Prozess für den Erhalt des Bindegewebes höherer Organismen. Schwere Krankheiten wie Skorbut können aus Defekten bei dieser Hydroxylierung resultieren, z. B. durch Mutationen im Enzym Prolylhydroxylase oder durch Mangel an dem notwendigen Cofaktor Ascorbat (Vitamin C).

Cis-trans-Isomerisierung

Peptidbindungen an Prolin und andere N-substituierte Aminosäuren (wie z. B. Sarkosin) können sowohl die cis- als auch die trans-Isomere besetzen. Die meisten Peptidbindungen nehmen bevorzugt das trans-Isomer an (typischerweise 99,9 % unter unbelasteten Bedingungen), vor allem weil der Amidwasserstoff (trans-Isomer) weniger sterische Abstoßung gegenüber dem vorhergehenden C α {\displaystyle \mathrm {C} ^{\alpha }} Atom als das folgende C α {\displaystyle \mathrm {C} ^{\alpha }} -Atom (cis-Isomer). Im Gegensatz dazu sind die cis- und trans-Isomere der X-Pro-Peptidbindung nahezu isosterisch (d. h. energetisch gleich schlecht); das C α {\displaystyle \mathrm {C} ^{\alpha }} (cis-Isomer) und C δ {\displaystyle \mathrm {C} ^{\delta }} -Atome (trans-Isomer) von Prolin sind sterisch ungefähr gleichwertig. Daher liegt der Anteil der X-Pro-Peptidbindungen im cis-Isomer unter unbelasteten Bedingungen zwischen zehn und 40 Prozent; der Anteil hängt geringfügig von der vorangehenden Aminosäure X ab, wobei aromatische Reste das cis-Isomer leicht bevorzugen.

Die cis-trans-Prolin-Isomerisierung ist ein sehr langsamer Prozess, der den Fortschritt der Proteinfaltung behindern kann, indem eine oder mehrere für die Faltung entscheidende Proline im nicht-nativen Isomer gefangen werden, insbesondere wenn das native Isomer das seltenere cis ist. Alle Organismen besitzen Prolylisomerase-Enzyme, die diese Isomerisierung katalysieren, und einige Bakterien haben spezielle Prolylisomerasen, die mit dem Ribosom verbunden sind. Allerdings sind nicht alle Proline für die Faltung essentiell, und die Proteinfaltung kann trotz nicht-nativer Isomere vieler X-Pro-Peptidbindungen normal verlaufen.

Biosynthese

Prolin wird biosynthetisch aus der Aminosäure L-Glutamat gewonnen, und sein unmittelbarer Vorläufer ist die Iminosäure (S)-Δ1-Pyrrolin-5-carboxylat (P5C). Zu den an einer typischen Biosynthese beteiligten Enzymen gehören (Lehninger 2000):

• Glutamatkinase (ATP-abhängig)
• Glutamatdehydrogenase (benötigt NADH oder NADPH)
• Pyrrolin-5-Carboxylat-Reduktase (benötigt NADH oder NADPH)

Funktion

Neben seiner wichtigen Rolle in der Struktur von Proteinen, wird Prolin auch als Nahrungsergänzungsmittel und in der biochemischen, mikrobiologischen und ernährungswissenschaftlichen Forschung verwendet.

Prolin und seine Derivate werden häufig als asymmetrische Katalysatoren in organischen Reaktionen eingesetzt. Die CBS-Reduktion und die Prolin-katalysierte Aldolkondensation sind prominente Beispiele.

Prolin hat einen süßen Geschmack mit einem deutlichen Nachgeschmack. Prolin verursacht auch leichte Irritationen auf der Zunge wie Sichuan-Pfeffer.

Siehe auch

• Collagen

• Balbach, J., und F. X. Schmid. „Proline isomerization and its catalysis in protein folding“. 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 0306431319
• International Union of Pure and Applied Chemistry and International Union of Biochemistry and Molecular Biology (IUPAC-IUB) Joint Commission on Biochemical Nomenclature. 1983. Nomenklatur und Symbolik für Aminosäuren und Peptide: Recommendations on organic & biochemical nomenclature, symbols & terminology IUPAC-IUB. Retrieved August 30, 2007.
• Lehninger, A. L., D. L. Nelson, and M. M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry, 3rd ed. New York: Worth Publishing, 2000. ISBN 1572591536