Prolin

Prolin je jednou z α-aminokyselin, které živé organismy používají jako stavební kameny bílkovin. L-izomer prolinu, což je jediná forma, která se podílí na syntéze bílkovin, je jednou z 20 standardních aminokyselin běžných v živočišných bílkovinách a potřebných pro normální fungování člověka. Prolin je mezi nimi jedinečný tím, že atom dusíku je součástí kruhové struktury, cyklického uspořádání atomů uhlíku, a nikoli mimo kruh. To znamená, že jeho aminoskupina, přes kterou se spojuje s ostatními aminokyselinami, je sekundární amin, nikoli primární aminoskupina (-NH2) jako u ostatních devatenácti aminokyselin.

Prolin není klasifikován jako „esenciální aminokyselina“, protože nemusí být přijímán se stravou, ale může být syntetizován v lidském těle z jiných sloučenin chemickými reakcemi, zejména z kyseliny glutamové.

Unikátní struktura prolinu s aminoskupinou, která je součástí kruhové struktury, je důležitá pro tvar bílkovin. Funkčnost bílkovin závisí na jejich schopnosti skládat se do přesného trojrozměrného tvaru. Vazba prolinu na ostatní aminokyseliny prostřednictvím aminoskupiny přispívá k různým ohybům a záhybům ve tvaru bílkoviny, bez nichž by bílkovina nemohla správně fungovat. To odráží mimořádnou složitost a harmonii. Bílkoviny složené ze stovek aminokyselin se nějakým způsobem dokáží nakonfigurovat do správného tvaru a poté vykonávat životně důležité funkce.

Třípísmenný kód prolinu je Pro, jeho jednopísmenný kód je P, jeho kodony jsou CCU, CCC, CCA a CCG a jeho systematický název je pyrrolidin-2-karboxylová kyselina (IUPAC-IUB 1983).

Struktura

V biochemii se termín aminokyselina často používá pro označení konkrétně alfa aminokyselin – těch aminokyselin, v nichž jsou amino a karboxylátová skupina navázány na stejný uhlík, tzv. α-uhlík (alfa uhlík). Obecná struktura těchto alfa aminokyselin je:

 R |H2N-C-COOH | H

kde R představuje postranní řetězec specifický pro každou aminokyselinu. Prolin je výjimkou z této základní struktury, protože jeho postranní řetězec cyklizuje na páteř a vytváří kruhovou strukturu, ve které sekundární aminoskupina nahrazuje primární aminoskupinu.

Prolin je mezi 20 standardními aminokyselinami jedinečný tím, že aminoskupina je součástí cyklického kruhu atomů. Všech ostatních devatenáct aminokyselin jsou primární aminokyseliny, u nichž aminoskupina není součástí kruhového uspořádání atomů. Vzhledem k cyklické vazbě tříuhlíkatého postranního řetězce na dusík páteře však prolin postrádá primární aminoskupinu (-NH2). Dusík v prolinu se správně označuje jako sekundární amin.

Tato konfigurace nabízí proteinům důležité vlastnosti, protože právě aminoskupina (a karboxylová, -COOH) spojuje jednu aminokyselinu s druhou. (Peptidová vazba je chemická vazba, která vzniká mezi dvěma molekulami, když karboxylová skupina jedné molekuly reaguje s aminoskupinou druhé molekuly). Tento jedinečný aspekt prolinu je důležitý při vytváření struktury bílkoviny a přispívá k různým ohybům a záhybům ve tvaru bílkoviny. Aby mohl protein fungovat, musí mít určitý konformační tvar.

Prolin se někdy nazývá aminokyselina, ačkoli definice aminu podle Mezinárodní unie pro čistou a užitou chemii (IUPAC) vyžaduje dvojnou vazbu uhlíku a dusíku. V biologické terminologii se však do kategorie „aminokyseliny“ obecně zahrnuje prolin.

Většina aminokyselin se vyskytuje ve dvou možných optických izomerech, nazývaných D a L. Aminokyseliny L představují převážnou většinu aminokyselin vyskytujících se v bílkovinách. Nazývají se proteinogenní aminokyseliny. Jak napovídá název „proteinogenní“ (doslova stavba bílkovin), tyto aminokyseliny jsou kódovány standardním genetickým kódem a účastní se procesu syntézy bílkovin. U prolinu se na syntéze savčích bílkovin podílí pouze L-stereoizomer.

Prolin má chemický vzorec HO2CCH(NH[CH2)3 nebo obecněji C5H9NO2.

Strukturní vlastnosti

Výrazná cyklická struktura postranního řetězce prolinu uzamyká jeho ϕ {\displaystyle \phi }. dihedrální úhel páteře přibližně -75°, což dává prolinu ve srovnání s jinými aminokyselinami výjimečnou konformační tuhost. Proto prolin při skládání ztrácí méně konformační entropie, což může být důvodem jeho vyššího výskytu v proteinech termofilních organismů.

Prolin působí jako strukturní disruptor uprostřed pravidelných prvků sekundární struktury, jako jsou alfa šroubovice a beta listy; prolin se však běžně vyskytuje jako první zbytek (složka) alfa šroubovice a také v okrajových vláknech beta listů. Prolin se také běžně vyskytuje v závitech, což může vysvětlovat zvláštní skutečnost, že prolin je obvykle exponován rozpouštědlu, přestože má zcela alifatický postranní řetězec. Protože prolin postrádá vodík na amidové skupině, nemůže působit jako donor vodíkové vazby, pouze jako akceptor vodíkové vazby.

Více prolinů a/nebo hydroxyprolinů v řadě může vytvořit polyprolinovou šroubovici, převládající sekundární strukturu v kolagenu. Hydroxylace prolinu prolylhydroxylázou (nebo jiné přidání substituentů odnímajících elektrony, jako je fluor) výrazně zvyšuje konformační stabilitu kolagenu. Hydroxylace prolinu je tedy kritickým biochemickým procesem pro udržení pojivové tkáně vyšších organismů. Závažná onemocnění, jako jsou kurděje, mohou být důsledkem defektů této hydroxylace, např. mutací enzymu prolylhydroxylázy nebo nedostatku nezbytného kofaktoru askorbátu (vitaminu C).

Cis-trans isomerizace

Peptidové vazby na prolin a jiné N-substituované aminokyseliny (např. sarkosin) jsou schopny obsazovat jak cis, tak trans isomery. Většina peptidových vazeb dává v drtivé většině přednost trans izomeru (obvykle 99,9 % za nenamáhaných podmínek), především proto, že amidový vodík (trans izomer) nabízí menší sterické odpuzování vůči předchozímu C α {\displaystyle \mathrm {C}. ^{\alfa }} než následující C α {\displaystyle \mathrm {C} ^{\alfa }} atom (cis izomer). Naproti tomu cis a trans izomery peptidové vazby X-Pro jsou téměř izosterické (tj. energeticky stejně špatné); C α {\displaystyle \mathrm {C}. ^{\alfa }} (cis izomer) a C δ {\displaystyle \mathrm {C} ^{\delta }} (trans izomer) prolinu jsou stericky zhruba rovnocenné. Proto se podíl peptidových vazeb X-Pro v cis izomeru za nenamáhaných podmínek pohybuje od deseti do 40 %; podíl mírně závisí na předcházející aminokyselině X, přičemž aromatické zbytky mírně upřednostňují cis izomer.

Cis-trans izomerizace prolinu je velmi pomalý proces, který může bránit průběhu skládání proteinu tím, že uvězní jeden nebo více prolinů klíčových pro skládání v nenativním izomeru, zejména pokud je nativní izomer vzácnější cis. Všechny organismy mají enzymy prolyl-izomerázy, které tuto izomerizaci katalyzují, a některé bakterie mají specializované prolyl-izomerázy spojené s ribozomem. Ne všechny proliny jsou však pro skládání nezbytné a skládání proteinů může probíhat normální rychlostí, přestože mají nenativní izomery mnoha peptidových vazeb X-P.

Biosyntéza

Prolin je biosynteticky odvozen od aminokyseliny L-glutamátu a jeho bezprostředním prekurzorem je iminokyselina (S)-Δ1-pyrrolin-5-karboxylát (P5C). Enzymy zapojené do typické biosyntézy zahrnují (Lehninger 2000):

• glutamátkináza (závislá na ATP)
• glutamátdehydrogenáza (vyžaduje NADH nebo NADPH)
• pyrrolin-5-karboxylátreduktáza (vyžaduje NADH nebo NADPH)

Funkce

Kromě zásadní úlohy ve struktuře proteinů, se prolin používá také jako doplněk stravy a v biochemickém, mikrobiologickém a nutričním výzkumu.

Prolin a jeho deriváty se často používají jako asymetrické katalyzátory v organických reakcích. Významnými příklady jsou redukce CBS a aldolová kondenzace katalyzovaná prolinem.

Prolin má sladkou chuť s výraznou příchutí. Prolin také způsobuje mírné podráždění jazyka podobně jako sečuánský pepř.

Viz také

• Kollagen

• Balbach, J. a F. X. Schmid. „Izomerizace prolinu a její katalýza při skládání proteinů“. In R. H. Pain, ed. Mechanisms of Protein Folding, 2. vyd. 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 [Předpovídání proteinových struktur a principy konformace proteinů]. New York: Plenum Press, 1989. ISBN 0306431319
• Společná komise pro biochemické názvosloví Mezinárodní unie pro čistou a užitou chemii a Mezinárodní unie pro biochemii a molekulární biologii (IUPAC-IUB). 1983. Nomenklatura a symbolika pro aminokyseliny a peptidy: Doporučení pro organickou & biochemickou nomenklaturu, symboly & terminologie IUPAC-IUB. Retrieved 30. srpna 2007.
• Lehninger, A. L., D. L. Nelson a M. M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry, 3rd ed. New York: Worth Publishing, 2000. ISBN 1572591536

.