Proliini

Proliini on yksi α-aminohapoista, joita elävät organismit käyttävät proteiinien rakennusaineina. Proliinin L-isomeeri, joka on ainoa proteiinisynteesiin osallistuva muoto, on yksi 20:stä vakioaminohaposta, jotka ovat yleisiä eläinproteiineissa ja joita tarvitaan ihmisen normaaliin toimintaan. Proliini on näistä proteiineista ainutlaatuinen siinä mielessä, että typpiatomi on osa rengasrakennetta eli hiiliatomien syklistä joukkoa eikä rengasrakenteen ulkopuolella. Toisin sanoen sen aminoryhmä, jonka kautta se liittyy muihin aminohappoihin, on sekundaarinen amiini eikä primaarinen amiiniryhmä (-NH2), kuten muissa 19 aminohapossa.

Proliinia ei luokitella ”välttämättömäksi aminohapoksi”, koska sitä ei tarvitse ottaa ravinnon mukana, vaan ihmiskeho voi syntetisoida sitä muista yhdisteistä kemiallisten reaktioiden avulla, erityisesti glutamiinihaposta.

Proliinin ainutlaatuinen rakenne, jossa aminoryhmä on osa rengasrakennetta, on tärkeä proteiinien muodon kannalta. Proteiinin toimivuus riippuu sen kyvystä taittua tarkkaan kolmiulotteiseen muotoon. Proliinin kytkeytyminen muihin aminohappoihin aminoryhmän kautta vaikuttaa osaltaan proteiinin muodon erilaisiin taivutuksiin ja mutkiin, joita ilman proteiini ei voisi toimia kunnolla. Tämä kuvastaa poikkeuksellista monimutkaisuutta ja harmoniaa. Jotenkin sadoista aminohapoista koostuvat proteiinit pystyvät konfiguroitumaan oikeaan muotoon ja sitten suorittamaan elintärkeitä toimintoja.

Proliinin kolmikirjaiminen koodi on Pro, yksikirjaiminen koodi on P, koodonit ovat CCU, CCC, CCA ja CCG ja systemaattinen nimi on pyrrolidiini-2-karboksyylihappo (IUPAC-IUB 1983).

Rakenne

Biokemiassa termiä aminohappo käytetään usein viittaamaan erityisesti alfa-aminohappoihin – niihin aminohappoihin, joissa amino- ja karboksylaattiryhmät ovat kiinnittyneet samaan hiileen, niin sanottuun α-hiileen (alfahiileen). Näiden alfa-aminohappojen yleinen rakenne on:

 R |H2N-C-COOH | H

jossa R edustaa kullekin aminohapolle ominaista sivuketjua. Proliini on poikkeus tästä perusrakenteesta, sillä sen sivuketju syklisoituu selkärangan päälle muodostaen rengasrakenteen, jossa sekundaarinen aminoryhmä korvaa primaarisen aminoryhmän.

Proliini on 20 vakioaminoidun aminohapon joukossa ainutlaatuinen siinä mielessä, että aminoryhmä on osa syklistä rengasatomia. Muut yhdeksäntoista aminohappoa ovat kaikki primaarisia aminohappoja, joissa aminoryhmä ei ole osa ympyränmuotoista atomiryhmää. Koska kolmihiilinen sivuketju kuitenkin sitoutuu syklisesti selkärangan typpeen, proliinista puuttuu primaarinen amiiniryhmä (-NH2). Proliinin typpeä kutsutaankin asianmukaisesti sekundaariseksi amiiniksi.

Tämä konfiguraatio tarjoaa tärkeitä ominaisuuksia proteiineille, sillä juuri aminoryhmä (ja karboksyyli, -COOH) yhdistää yhden aminohapon toiseen. (Peptidisidos on kemiallinen sidos, joka muodostuu kahden molekyylin välille, kun toisen molekyylin karboksyyliryhmä reagoi toisen molekyylin aminoryhmän kanssa). Tämä proliinin ainutlaatuinen piirre on tärkeä proteiinin rakenteen luomisessa, sillä se vaikuttaa proteiinin muodon erilaisiin mutkiin ja mutkitteluun. Jotta proteiini toimisi, sillä on oltava tietty konformaatiomuoto.

Proliinia kutsutaan joskus aminohapoksi, vaikka Kansainvälisen puhtaan ja soveltavan kemian liiton (IUPAC) määritelmän mukaan amiini edellyttää hiili-typpi-kaksoissidosta. Biologisessa terminologiassa luokkaan ”aminohapot” luetaan kuitenkin yleensä proliini.

Useimmat aminohapot esiintyvät kahtena mahdollisena optisena isomeerinä, joita kutsutaan nimillä D ja L. L-aminohapot edustavat valtaosaa proteiineissa esiintyvistä aminohapoista. Niitä kutsutaan proteinogeenisiksi aminohapoiksi. Kuten nimestä ”proteinogeeninen” (kirjaimellisesti proteiinia rakentava) käy ilmi, nämä aminohapot on koodattu tavallisella geneettisellä koodilla ja ne osallistuvat proteiinisynteesiin. Proliinista vain L-stereoisomeeri osallistuu nisäkkäiden proteiinien synteesiin.

Proliinin kemiallinen kaava on HO2CCH(NH[CH2)3 tai yleisemmin C5H9NO2.

Rakenneominaisuudet

Proliinin sivuketjujen tunnusomainen syklinen rakenne lukitsee sen ϕ {\displaystyle \phi } selkärangan dihedraalikulman noin -75°:een, mikä antaa proliinille poikkeuksellisen konformaatiojäykkyyden muihin aminohappoihin verrattuna. Näin ollen proliini menettää vähemmän konformaatioentropiaa taittuessaan, mikä saattaa selittää sen suuremman esiintyvyyden termofiilisten organismien proteiineissa.

Proliini toimii rakenteellisena häiritsijänä säännöllisten sekundäärirakenne-elementtien, kuten alfaheliksien ja beetalehtien, keskellä; proliini esiintyy kuitenkin yleisesti alfaheliksien ensimmäisenä jäännöksenä (komponenttina) sekä myös beetalehtien reuna-arkkien reunasäikeissä. Proliinia esiintyy myös yleisesti käänteissä, mikä saattaa selittää sen kummallisen seikan, että proliini on yleensä liuotinaltis, vaikka sillä on täysin alifaattinen sivuketju. Koska proliinin amidiryhmästä puuttuu vety, se ei voi toimia vetysidoksen luovuttajana, vaan ainoastaan vetysidoksen hyväksyjänä.

Moninkertaiset proliinit ja/tai hydroksiproliinit peräkkäin voivat muodostaa polyproliinikierteen, joka on kollageenin vallitseva sekundäärirakenne. Proliinin hydroksylointi prolyylihydroksylaasin avulla (tai muiden elektronia vetävien substituenttien, kuten fluorin, lisääminen) lisää merkittävästi kollageenin konformaatiovakautta. Näin ollen proliinin hydroksylaatio on kriittinen biokemiallinen prosessi korkeampien organismien sidekudoksen ylläpitämiseksi. Vakavat sairaudet, kuten keripukki, voivat johtua tämän hydroksylaation vioista, esimerkiksi mutaatioista prolyylihydroksylaasientsyymissä tai tarvittavan askorbaattikofaktorin (C-vitamiinin) puuttumisesta.

Cis-trans-isomerisaatio

Proliinin ja muiden N-substituoitujen aminohappojen (kuten sarkosiinin) peptidisidokset pystyvät populaatioimaan sekä cis- että trans-isomeerejä. Useimmat peptidisidokset omaksuvat ylivoimaisesti mieluummin trans-isomeerin (tyypillisesti 99,9 prosenttia rasittamattomissa olosuhteissa), pääasiassa siksi, että amidivety (trans-isomeeri) tarjoaa vähemmän steeristä hylkimistä edeltävälle C α \displaystyle \mathrm {C} ^{\alpha }} atomi kuin seuraava C α {\displaystyle \mathrm {C} ^{\alpha }} atomi (cis-isomeeri). Sitä vastoin X-Pro-peptidisidoksen cis- ja trans-isomeerit ovat lähes isosterisia (eli energeettisesti yhtä huonoja); C α {\displaystyle \mathrm {C} ^{\alpha }} (cis-isomeeri) ja C δ {\displaystyle \mathrm {C} ^{\delta }} -atomit (trans-isomeeri) ovat sterisesti suunnilleen samanarvoisia. Näin ollen cis-isomeerin X-Pro-peptidisidosten osuus cis-isomeerissä ei-rasitetuissa olosuhteissa vaihtelee kymmenestä 40 prosenttiin; osuus riippuu hieman edeltävästä aminohaposta X, ja aromaattiset jäämät suosivat hieman cis-isomeeria.

Cis-trans-proliinin isomerisaatio on hyvin hidas prosessi, joka voi estää proteiinin taittumisen etenemisen vangitsemalla yhden tai useamman taittumisen kannalta ratkaisevan proliinin ei-natiiviin isomeeriin, erityisesti silloin, kun natiivi isomeeri on harvinaisempi cis. Kaikilla organismeilla on prolyyli-isomeraasientsyymit, jotka katalysoivat tätä isomerisaatiota, ja joillakin bakteereilla on ribosomiin erikoistuneita prolyyli-isomeraaseja. Kaikki proliinit eivät kuitenkaan ole välttämättömiä taittumiselle, ja proteiinien taittuminen voi edetä normaalilla nopeudella huolimatta siitä, että monissa X-Pro-peptidisidoksissa on ei-natiivisia isomeerejä.

Biosynteesi

Proliini on biosynteettisesti johdettu aminohappo L-glutamaatista, ja sen välitön esiaste on iminohappo (S)-Δ1-pyrroliini-5-karboksylaatti (P5C). Tyypilliseen biosynteesiin osallistuvat entsyymit ovat (Lehninger 2000):

• glutamaattikinaasi (ATP-riippuvainen)
• glutamaattidehydrogenaasi (vaatii NADH:ta tai NADPH:ta)
• pyrroliini-5-karboksylaattireduktaasi (vaatii NADH:ta tai NADPH:ta)

Toiminta

Tärkeän roolinsa valkuaisaineiden rakenteen muodostamisessa lisäksi, proliinia käytetään myös ravintolisänä sekä biokemiallisessa, mikrobiologisessa ja ravitsemustutkimuksessa.

Proliinia ja sen johdannaisia käytetään usein epäsymmetrisinä katalyytteinä orgaanisissa reaktioissa. CBS-pelkistys ja proliinin katalysoima aldolikondensaatio ovat näkyviä esimerkkejä.

Proliinilla on makea maku, jossa on selvä jälkimaku. Proliini aiheuttaa myös lievää ärsytystä kielessä kuten Sichuan-pippuri.

Vrt. myös

• Kollageeni

• Balbach, J., ja F. X. Schmid. ”Proliinin isomerisaatio ja sen katalyysi proteiinien taittumisessa”. Teoksessa R. H. Pain, toim. Mechanisms of Protein Folding, 2nd ed. Oxford University Press, 2001. ISBN 0199637881
• Doolittle, R. F. ”Redundancies in protein sequences”. Teoksessa G. D. Fasman, toim. 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. Aminohappojen ja peptidien nimikkeistö ja symboliikka: Recommendations on organic & biochemical nomenclature, symbols & terminology IUPAC-IUB. Haettu 30. elokuuta 2007.
• Lehninger, A. L., D. L. Nelson ja M. M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry, 3rd ed. New York: Worth Publishing, 2000. ISBN 1572591536