Prolina

Prolina jest jednym z α-aminokwasów, które są wykorzystywane przez organizmy żywe jako składniki budulcowe białek. L-izomer proliny, która jest jedyną formą, która bierze udział w syntezie białek, jest jednym z 20 standardowych aminokwasów wspólnych w białkach zwierzęcych i wymaganych do normalnego funkcjonowania u ludzi. Prolina jest wyjątkowa wśród nich w tym, że atom azotu jest częścią struktury pierścienia, cykliczny układ atomów węgla, a nie na zewnątrz pierścienia. To znaczy, że jej grupa aminowa, przez którą łączy się z innymi aminokwasami, jest drugorzędową aminą, a nie pierwszorzędową grupą aminową (-NH2), jak w innych dziewiętnastu aminokwasach.

Prolina nie jest klasyfikowana jako „aminokwas niezbędny”, ponieważ nie musi być przyjmowana z dietą, ale może być syntetyzowana przez organizm ludzki z innych związków poprzez reakcje chemiczne, zwłaszcza z kwasu glutaminowego.

Unikalna struktura proliny, z grupą aminową częścią struktury pierścienia, jest ważna dla kształtu białek. Funkcjonalność białka zależy od jego zdolności do składania się do precyzyjnego trójwymiarowego kształtu. Powiązania proliny z innymi aminokwasami przez grupę aminową przyczynia się do różnych zakrętów i zagięć w kształcie białka, bez których białko nie może funkcjonować prawidłowo. Odzwierciedla to niezwykłą złożoność i harmonię. W jakiś sposób, białka składające się z setek aminokwasów są w stanie skonfigurować się do prawidłowego kształtu, a następnie wykonywać funkcje życiowe.

Trójliterowy kod proliny to Pro, jej jednoliterowy kod to P, jej kodony to CCU, CCC, CCA i CCG, a jej nazwa systematyczna to kwas pirolidyno-2-karboksylowy (IUPAC-IUB 1983).

Struktura

W biochemii termin aminokwas jest często używany w odniesieniu do aminokwasów alfa – tych aminokwasów, w których grupy aminowa i karboksylowa są przyłączone do tego samego węgla, tak zwanego węgla α (węgiel alfa). Ogólna struktura tych aminokwasów alfa jest:

 R |H2N-C-COOH | H

gdzie R reprezentuje łańcuch boczny specyficzny dla każdego aminokwasu. Prolina jest wyjątkiem od tej podstawowej struktury, ponieważ jej łańcuch boczny cyklizuje na szkielet, tworząc strukturę pierścienia, w którym wtórna grupa aminowa zastępuje pierwotną grupę aminową.

Prolina jest wyjątkowa wśród 20 standardowych aminokwasów w tym, że grupa aminowa jest częścią cyklicznego pierścienia atomów. Pozostałe dziewiętnaście aminokwasów to wszystkie aminokwasy pierwszorzędowe, z grupą aminową, która nie jest częścią pierścieniowego układu atomów. Jednakże, ze względu na cykliczne wiązanie trójwęglowego łańcucha bocznego z azotem w szkielecie, prolina nie posiada pierwszorzędowej grupy aminowej (-NH2). Azot w prolinie jest prawidłowo określane jako wtórne amin.

Ta konfiguracja oferuje ważne właściwości do białek, ponieważ jest to grupa aminowa (i karboksyl, -COOH), który łączy jeden aminokwas do innych. (Wiązanie peptydowe jest wiązaniem chemicznym utworzonym między dwoma cząsteczkami, gdy grupa karboksylowa jednej cząsteczki reaguje z grupą aminową drugiej cząsteczki). Ten unikalny aspekt proliny jest ważny w tworzeniu struktury białka, przyczyniając się do powstawania różnych zagięć i załamań w kształcie białka. Dla białka do funkcji, jego musi mieć szczególny kształt konformacyjny.

Prolina jest czasami nazywany aminokwasem, chociaż Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) definicja aminy wymaga podwójnego wiązania węgiel-azot. W terminologii biologicznej, jednak kategoria „aminokwasy” jest ogólnie przyjęta do włączenia proliny.

Większość aminokwasów występuje w dwóch możliwych izomerów optycznych, zwanych D i L. Aminokwasy L stanowią zdecydowaną większość aminokwasów występujących w białkach. Są one nazywane aminokwasami proteogennymi. Jak wskazuje nazwa „proteinogenne” (dosł. budujące białka), aminokwasy te są kodowane przez standardowy kod genetyczny i biorą udział w procesie syntezy białek. W prolinie tylko L-stereoizomer bierze udział w syntezie białek ssaków.

Prolina ma wzór chemiczny HO2CCH(NH[CH2)3, lub bardziej ogólnie, C5H9NO2.

Właściwości strukturalne

Wyróżniająca się cykliczna struktura łańcucha bocznego proliny blokuje jej ϕ {displaystyle \phi } kąt dihedralny szkieletu na około -75°, co daje prolinie wyjątkową sztywność konformacyjną w porównaniu z innymi aminokwasami. Stąd prolina traci mniej entropii konformacyjnej podczas fałdowania, co może tłumaczyć jej częstsze występowanie w białkach organizmów termofilnych.

Prolina działa jako strukturalny destruktor w środku regularnych elementów struktury drugorzędowej, takich jak helisy alfa i arkusze beta; jednak prolina jest powszechnie spotykana jako pierwsza reszta (składnik) helisy alfa, a także w pasmach brzegowych arkuszy beta. Prolina jest również powszechnie spotykana w zakrętach, co może tłumaczyć ciekawy fakt, że prolina jest zwykle wystawiona na działanie rozpuszczalnika, mimo że ma całkowicie alifatyczny łańcuch boczny. Ponieważ prolinie brakuje wodoru na grupie amidowej, nie może działać jako donor wiązania wodorowego, tylko jako akceptor wiązania wodorowego.

Wielokrotne proliny i / lub hydroksyproliny w rzędzie może tworzyć helisę poliprolinową, dominującą strukturę drugorzędową w kolagenie. Hydroksylacja proliny przez hydroksylazę prolylową (lub inne dodanie podstawników odbierających elektrony, takich jak fluor) znacznie zwiększa stabilność konformacyjną kolagenu. Dlatego też hydroksylacja proliny jest krytycznym procesem biochemicznym dla utrzymania tkanki łącznej organizmów wyższych. Ciężkie choroby, takie jak szkorbut, mogą wynikać z defektów w tej hydroksylacji, np. mutacji w enzymie hydroksylazy prolylowej lub braku niezbędnego kofaktora askorbinianu (witaminy C).

Izomeryzacja cis-trans

Wiązania peptydowe do proliny i innych N-podstawionych aminokwasów (takich jak sarkozyna) są w stanie zasiedlić zarówno izomery cis, jak i trans. Większość wiązań peptydowych preferuje w przeważającej mierze przyjęcie izomeru trans (typowo 99,9 procent w warunkach bez naprężeń), głównie dlatego, że wodór amidowy (izomer trans) oferuje mniej odpychania sterycznego do poprzedzającego C α { {displaystyle \mathrm {C} ^{alpha }} niż następujący atom C α {{displaystyle ™mathrm {C} ^{alpha }} atom (izomer cis). Natomiast izomery cis i trans wiązania peptydowego X-Pro są prawie izosteryczne (tzn. równie złe energetycznie); atom C α {displaystyle \mathrm {C} ^{alpha }} (izomer cis) i C δ {displaystyle ™mathrm {C} ^{delta }} atomy (izomer trans) proliny są w przybliżeniu równoważne sterycznie. Stąd, ułamek wiązań peptydowych X-Pro w izomerze cis w warunkach bez naprężeń waha się od dziesięciu do 40 procent; ułamek zależy nieznacznie od poprzedzającego aminokwasu X, z resztami aromatycznymi faworyzującymi izomer cis nieznacznie.

Cis-trans izomeryzacja proliny jest bardzo powolnym procesem, który może utrudniać postępy w składaniu białka poprzez uwięzienie jednej lub więcej prolin kluczowych dla składania w izomerze nierodzimym, zwłaszcza gdy izomer rodzimy jest rzadszy cis. Wszystkie organizmy posiadają enzymy izomerazy prolowej, które katalizują tę izomeryzację, a niektóre bakterie posiadają wyspecjalizowane izomerazy prolowe związane z rybosomem. Jednakże nie wszystkie proliny są niezbędne do składania, a składanie białka może przebiegać w normalnym tempie pomimo posiadania nierodzimych izomerów wielu wiązań peptydowych X-Pro.

Biosynteza

Prolina pochodzi biosyntetycznie z aminokwasu L-glutaminianu, a jej bezpośrednim prekursorem jest iminokwas (S)-Δ1-pirolino-5-karboksylan (P5C). Enzymy biorące udział w typowej biosyntezie obejmują (Lehninger 2000):

• kinaza glutaminianowa (ATP-zależna)
• dehydrogenaza glutaminianowa (wymaga NADH lub NADPH)
• reduktaza pirolino-5-karboksylanowa (wymaga NADH lub NADPH)

Funkcja

Oprócz istotnej roli w strukturze białek, prolina jest również stosowana jako suplement diety oraz w badaniach biochemicznych, mikrobiologicznych i żywieniowych.

Prolina i jej pochodne są często wykorzystywane jako asymetryczne katalizatory w reakcjach organicznych. Redukcja CBS i kondensacja aldolowa katalizowana proliną są wybitnymi przykładami.

Prolina ma słodki smak z wyraźnym posmakiem. Prolina powoduje również lekkie podrażnienie języka jak pieprz syczuański.

Zobacz także

• Kolagen

• Balbach, J., and F. X. Schmid. „Izomeryzacja proliny i jej kataliza w procesie fałdowania białek”. 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. Nomenklatura i symbolika aminokwasów i peptydów: Zalecenia dotyczące organicznej & nomenklatury biochemicznej, symboli & terminologii IUPAC-IUB. Retrieved August 30, 2007.
• Lehninger, A. L., D. L. Nelson, and M. M. Cox. Lehninger Zasady biochemii, 3rd ed. New York: Worth Publishing, 2000. ISBN 1572591536

.