Proline

Proline is een van de α-aminozuren die door levende organismen worden gebruikt als de bouwstenen van eiwitten. De L-isomeer van proline, de enige vorm die betrokken is bij de eiwitsynthese, is een van de 20 standaardaminozuren die veel voorkomen in dierlijke eiwitten en vereist zijn voor het normaal functioneren van de mens. Proline is uniek in die zin dat het stikstofatoom deel uitmaakt van de ringstructuur, de cyclische reeks van koolstofatomen, in plaats van buiten de ring. Dat wil zeggen, de aminogroep, waardoor het zich verbindt met de andere aminozuren, is een secundaire amine, in plaats van een primaire aminogroep (-NH2), zoals in de andere negentien aminozuren.

Proline is niet geclassificeerd als een “essentieel aminozuur”, omdat het niet hoeft te worden opgenomen met de voeding, maar kan door het menselijk lichaam worden gesynthetiseerd uit andere verbindingen door middel van chemische reacties, met name uit glutaminezuur.

De unieke structuur van proline, met de aminogroep een deel van de ringstructuur, is belangrijk voor de vorm van eiwitten. De functionaliteit van een eiwit is afhankelijk van zijn vermogen om zich in een precieze driedimensionale vorm te vouwen. De koppeling van proline aan andere aminozuren via de aminogroep draagt bij tot verschillende bochten en knikken in de vorm van het eiwit, zonder welke het eiwit niet goed zou kunnen functioneren. Dit weerspiegelt een buitengewone complexiteit en harmonie. Op de een of andere manier zijn proteïnen, opgebouwd uit honderden aminozuren, in staat zichzelf in de juiste vorm te configureren, en vervolgens vitale functies uit te voeren.

Proline’s drielettercode is Pro, zijn eenlettercode is P, zijn codons zijn CCU, CCC, CCA, en CCG, en zijn systematische naam is pyrrolidine-2-carboxylzuur (IUPAC-IUB 1983).

Structuur

In de biochemie wordt de term aminozuur vaak gebruikt om specifiek te verwijzen naar alfa-aminozuren – die aminozuren waarin de amino- en carboxylaatgroepen aan dezelfde koolstof zijn verbonden, de zogenaamde α-koolstof (alfacarbon). De algemene structuur van deze alfa-aminozuren is:

 R |H2N-C-COOH | H

waarbij R een zijketen vertegenwoordigt die specifiek is voor elk aminozuur. Proline is de uitzondering op deze basisstructuur, omdat zijn zijketen cycliseert op de ruggengraat, en zo een ringstructuur vormt waarin een secundaire aminogroep de primaire aminogroep vervangt.

Proline is uniek onder de 20 standaard aminozuren in die zin dat de aminogroep deel uitmaakt van de cyclische ring van atomen. De andere negentien aminozuren zijn alle primaire aminozuren, waarbij de aminogroep geen deel uitmaakt van de cirkelvormige reeks atomen. Door de cyclische binding van de drie-koolstofzijketen aan de stikstof van de ruggengraat, mist proline echter een primaire aminegroep (-NH2). De stikstof in proline wordt een secundaire amine genoemd.

Deze configuratie biedt belangrijke eigenschappen aan eiwitten, omdat het de aminogroep (en de carboxyl, -COOH) is die het ene aminozuur aan het andere verbindt. (Een peptidebinding is een chemische verbinding die tussen twee moleculen wordt gevormd wanneer de carboxylgroep van het ene molecuul reageert met de aminogroep van het andere molecuul). Dit unieke aspect van proline is belangrijk voor de structuur van het eiwit, omdat het bijdraagt tot de verschillende kronkels en bochten in de vorm van het eiwit. Om te kunnen functioneren moet een proteïne een bepaalde conformatievorm hebben.

Proline wordt soms een aminozuur genoemd, hoewel de definitie van de Internationale Unie voor Zuivere en Toegepaste Chemie (IUPAC) van een amine een dubbele binding van koolstof en stikstof vereist. In biologische terminologie, echter, wordt de categorie “aminozuren” over het algemeen genomen om proline te omvatten.

De meeste aminozuren komen voor in twee mogelijke optische isomeren, genaamd D en L. De L-aminozuren vertegenwoordigen de overgrote meerderheid van aminozuren die in eiwitten worden gevonden. Zij worden proteinogene aminozuren genoemd. Zoals de naam “proteinogeen” (letterlijk: proteïne-bouwend) suggereert, worden deze aminozuren gecodeerd door de standaard genetische code en nemen ze deel aan het proces van proteïnesynthese. Bij proline is alleen het L-stereoisomeer betrokken bij de synthese van zoogdiereiwitten.

Proline heeft de chemische formule HO2CCH(NH[CH2)3, of meer algemeen, C5H9NO2.

Structurele eigenschappen

De kenmerkende cyclische structuur van de zijketen van proline vergrendelt zijn ϕ {displaystyle \phi } de dihedraalhoek van de ruggengraat op ongeveer -75°, waardoor proline een uitzonderlijke conformationele stijfheid heeft in vergelijking met andere aminozuren. Hierdoor verliest proline minder conformatie-entropie bij het vouwen, wat de hogere prevalentie in eiwitten van thermofiele organismen kan verklaren.

Proline fungeert als een structurele verstoorder in het midden van reguliere secundaire structuurelementen zoals alfa-helixen en bètabladen; proline wordt echter vaak gevonden als het eerste residu (component) van een alfa-helix en ook in de randstrengen van bètabladen. Proline wordt ook vaak aangetroffen in bochten, hetgeen een verklaring kan zijn voor het merkwaardige feit dat proline gewoonlijk blootgesteld is aan oplosmiddelen, ondanks het feit dat het een volledig alifatische zijketen heeft. Omdat proline geen waterstof op de amidegroep heeft, kan het niet optreden als een donor van waterstofbruggen, maar alleen als een acceptor van waterstofbruggen.

Meerdere prolines en/of hydroxyprolines op een rij kunnen een polyproline helix vormen, de overheersende secundaire structuur in collageen. De hydroxylering van proline door prolylhydroxylase (of andere toevoegingen van elektrononttrekkende substituenten zoals fluor) verhoogt de conformatiestabiliteit van collageen aanzienlijk. De hydroxylering van proline is dan ook een cruciaal biochemisch proces voor de instandhouding van het bindweefsel van hogere organismen. Ernstige ziekten zoals scheurbuik kunnen het gevolg zijn van defecten in deze hydroxylering, b.v. mutaties in het enzym prolyl hydroxylase of gebrek aan de noodzakelijke ascorbaat (vitamine C) cofactor.

Cis-trans isomerisatie

Peptidebindingen aan proline en andere N-gesubstitueerde aminozuren (zoals sarcosine) zijn in staat om zowel de cis als de trans isomeren te bevolken. De meeste peptidebindingen verkiezen overwegend het trans-isomeer (typisch 99,9 procent onder onbelaste omstandigheden), vooral omdat de amide waterstof (trans-isomeer) minder sterische afstoting biedt aan de voorafgaande C α {\displaystyle \mathrm {C} ^{\alpha }} dan het volgende C α {\displaystyle \mathrm {C}} ^{\alpha }} atoom (cis isomeer). Daarentegen zijn de cis en trans isomeren van de X-Pro peptide binding bijna isosterisch (d.w.z. energetisch even slecht); het C α {\displaystyle \mathrm {C} ^{\alpha }} (cis isomeer) en C δ {\displaystyle \mathrm {C}} ^{\delta }} atomen (trans isomeer) van proline zijn sterisch ongeveer gelijkwaardig. Daarom varieert de fractie van X-Pro peptide bindingen in de cis isomeer onder ongeforceerde omstandigheden van 10 tot 40 procent; de fractie hangt enigszins af van het voorafgaande aminozuur X, waarbij aromatische residuen de cis isomeer iets bevoordelen.

Cis-trans proline isomerisatie is een zeer langzaam proces dat de voortgang van eiwitvouwing kan belemmeren doordat een of meer prolines die cruciaal zijn voor vouwing in de niet-natieve isomeer gevangen blijven, vooral wanneer de natieve isomeer de zeldzamere cis is. Alle organismen bezitten prolylisomerase-enzymen om deze isomerisatie te katalyseren, en sommige bacteriën hebben gespecialiseerde prolylisomerasen die met het ribosoom geassocieerd zijn. Niet alle proline is echter essentieel voor de vouwing, en eiwitvouwing kan normaal verlopen ondanks de aanwezigheid van niet-natieve isomeren van veel X-Pro peptide bindingen.

Biosynthese

Proline is biosynthetisch afgeleid van het aminozuur L-glutamaat en zijn directe precursor is het iminozuur (S)-Δ1-pyrroline-5-carboxylaat (P5C). Enzymen die betrokken zijn bij een typische biosynthese zijn onder meer (Lehninger 2000):

• glutamaat kinase (ATP-afhankelijk)
• glutamaat dehydrogenase (vereist NADH of NADPH)
• pyrroline-5-carboxylaat reductase (vereist NADH of NADPH)

Functie

Naast zijn vitale rol in de structuur van eiwitten, wordt proline ook gebruikt als voedingssupplement en in biochemisch, microbiologisch en voedingsonderzoek.

Proline en zijn derivaten worden vaak gebruikt als asymmetrische katalysatoren in organische reacties. De CBS-reductie en de door proline gekatalyseerde aldolcondensatie zijn prominente voorbeelden.

Proline heeft een zoete smaak met een duidelijke nasmaak. Proline veroorzaakt ook een lichte irritatie op de tong zoals Sichuan Peper.

Zie ook

• Collageen

• Balbach, J., en 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. Nomenclatuur en symboliek voor aminozuren en peptiden: Recommendations on organic & biochemical nomenclature, symbols & terminology IUPAC-IUB. Op 30 augustus 2007 ontleend.
• Lehninger, A. L., D. L. Nelson, and M. M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry, 3rd ed. New York: Worth Publishing, 2000. ISBN 1572591536