Prolin

Prolin är en av de α-aminosyror som används av levande organismer som byggstenar i proteiner. L-isomeren av prolin, som är den enda form som är involverad i proteinsyntesen, är en av de 20 standardaminosyror som är vanliga i animaliska proteiner och som krävs för normal funktion hos människor. Prolin är unikt bland dessa eftersom kväveatomen är en del av ringstrukturen, den cykliska ordningen av kolatomer, snarare än utanför ringen. Det innebär att dess aminogrupp, genom vilken den är kopplad till de andra aminosyrorna, är en sekundär amin, snarare än en primär aminogrupp (-NH2), som i de andra nitton aminosyrorna.

Prolin klassificeras inte som en ”essentiell aminosyra” eftersom den inte behöver tas in med kosten, utan kan syntetiseras av människokroppen från andra föreningar genom kemiska reaktioner, särskilt från glutaminsyra.

Prolinets unika struktur, med aminogruppen som en del av ringstrukturen, är viktig för proteinernas form. Ett proteins funktionalitet är beroende av dess förmåga att veckas till en exakt tredimensionell form. Prolinets koppling till andra aminosyror genom aminogruppen bidrar till olika böjningar och knutar i proteinets form, utan vilka proteinet inte skulle kunna fungera korrekt. Detta återspeglar en extraordinär komplexitet och harmoni. På något sätt kan proteiner som består av hundratals aminosyror konfigurera sig själva i rätt form och sedan utföra vitala funktioner.

Prolinets trebokstavskod är Pro, dess enbokstavskod är P, dess kodoner är CCU, CCC, CCA och CCG och dess systematiska namn är pyrrolidin-2-carboxylsyra (IUPAC-IUB 1983).

Struktur

I biokemin används termen aminosyra ofta för att specifikt hänvisa till alfaaminosyror – de aminosyror där amino- och karboxylatgrupperna är knutna till samma kol, det så kallade α-kolet (alfakol). Den allmänna strukturen för dessa alfaaminosyror är:

 R |H2N-C-COOH | H

där R representerar en sidokedja som är specifik för varje aminosyra. Prolin är undantaget från denna grundstruktur eftersom dess sidokedja cykliserar på ryggraden och bildar en ringstruktur där en sekundär aminogrupp ersätter den primära aminogruppen.

Prolin är unikt bland de 20 standardaminosyrorna genom att aminogruppen är en del av den cykliska atomringen. De övriga nitton aminosyrorna är alla primära aminosyror, där aminogruppen inte ingår i den cirkulära ordningen av atomer. På grund av den cykliska bindningen av den trekoliga sidokedjan till kvävet i ryggraden saknar prolin dock en primär amingrupp (-NH2). Kvävet i prolin kallas korrekt för en sekundär amin.

Denna konfiguration erbjuder viktiga egenskaper för proteiner eftersom det är aminogruppen (och karboxylgruppen, -COOH) som binder den ena aminosyran till den andra. (En peptidbindning är en kemisk bindning som bildas mellan två molekyler när karboxylgruppen i den ena molekylen reagerar med aminogruppen i den andra molekylen). Denna unika aspekt av prolin är viktig för att fastställa proteinets struktur och bidrar till olika böjningar och knutar i proteinets form. För att ett protein ska fungera måste det ha en viss konformationsform.

Prolin kallas ibland för en aminosyra, även om IUPAC:s (International Union of Pure and Applied Chemistry) definition av en amin kräver en dubbelbindning mellan kol och kväve. I biologisk terminologi anses dock kategorin ”aminosyror” i allmänhet omfatta prolin.

De flesta aminosyror förekommer i två möjliga optiska isomerer, som kallas D och L. L-aminosyrorna representerar den stora majoriteten av de aminosyror som finns i proteiner. De kallas proteinogena aminosyror. Som namnet ”proteinogena” (bokstavligen, proteinbyggande) antyder kodas dessa aminosyror av den genetiska standardkoden och deltar i proteinsyntesen. I prolin är endast L-stereoisomeren involverad i syntesen av däggdjurens proteiner.

Prolin har den kemiska formeln HO2CCHCH(NH[CH2)3, eller mer allmänt C5H9NO2.

Strukturella egenskaper

Den distinkta cykliska strukturen hos prolinets sidokedja låser dess ϕ {\displaystyle \phi } ryggradets dihedralvinkel vid ungefär -75°, vilket ger prolin en exceptionell konformationell styvhet jämfört med andra aminosyror. Prolin förlorar därför mindre konformationell entropi vid veckning, vilket kan förklara dess större förekomst i proteiner från termofila organismer.

Prolin fungerar som en strukturell störare i mitten av regelbundna sekundärstrukturelement som alfahelixer och betablad; prolin är dock vanligt förekommande som den första residen (komponenten) i en alfahelix och även i kantsträngarna i betablad. Prolin är också vanligt förekommande i svängar, vilket kan förklara det märkliga faktum att prolin vanligtvis är lösningsmedelsexponerat, trots att det har en helt alifatisk sidokedja. Eftersom prolin saknar väte i amidgruppen kan det inte fungera som givare av vätebindningar, utan endast som mottagare av vätebindningar.

Flera proliner och/eller hydroxiproliner i en rad kan skapa en polyprolinhelix, den dominerande sekundärstrukturen i kollagen. Hydroxylering av prolin med prolylhydroxylas (eller andra tillägg av elektronåterkallande substituenter som t.ex. fluor) ökar kollagens konformationsstabilitet avsevärt. Hydroxylering av prolin är därför en kritisk biokemisk process för att upprätthålla bindväven hos högre organismer. Allvarliga sjukdomar som skörbjugg kan bero på defekter i denna hydroxylering, t.ex. mutationer i enzymet prolylhydroxylas eller brist på den nödvändiga kofaktorn askorbat (vitamin C).

Cis-trans-isomerisering

Peptidbindningar till prolin och andra N-substituerade aminosyror (t.ex. sarkosin) kan befolka både cis- och trans-isomerer. De flesta peptidbindningar föredrar med överväldigande majoritet att anta trans-isomeren (typiskt 99,9 procent under oansträngda förhållanden), främst på grund av att amidväte (trans-isomeren) erbjuder mindre sterisk avstötning till den föregående C α {\displaystyle \mathrm {C} ^{\alpha }} atom än vad den följande C α {\displaystyle \mathrm {C} ^{\alpha }} atom (cis-isomer). Däremot är cis- och trans-isomererna av X-Pro-peptidbindningen nästan isosteriska (dvs. lika dåliga energimässigt); C α {\displaystyle \mathrm {C} ^{\alpha }} (cis-isomer) och C δ {\\displaystyle \mathrm {C} ^{\\delta }} atomer (trans-isomer) av prolin är steriskt sett ungefär likvärdiga. Därför varierar fraktionen av X-Pro-peptidbindningar i cis-isomeren under obelastade förhållanden från tio till 40 procent; fraktionen beror något på den föregående aminosyran X, med aromatiska rester som gynnar cis-isomeren något.

Cis-trans-prolinisomerisering är en mycket långsam process som kan hindra proteinets veckningsframsteg genom att fånga upp ett eller flera proliner som är avgörande för veckningen i den icke-natala isomeren, särskilt när den nativa isomeren är den mer sällsynta cis-isomeren. Alla organismer har prolylisomerasenzymer för att katalysera denna isomerisering, och vissa bakterier har specialiserade prolylisomeraser som är associerade med ribosomen. Alla proliner är dock inte nödvändiga för veckningen, och proteinveckningen kan fortskrida i normal takt trots att det finns icke-nativa isomerer av många X-Pro-peptidbindningar.

Biosyntes

Prolin är biosyntetiskt härlett från aminosyran L-glutamat och dess omedelbara föregångare är iminosyran (S)-Δ1-pyrrolin-5-karboxylat (P5C). Enzymer som är involverade i en typisk biosyntes inkluderar (Lehninger 2000):

• glutamatkinas (ATP-beroende)
• glutamatdehydrogenas (kräver NADH eller NADPH)
• pyrrolin-5-karboxylatreduktas (kräver NADH eller NADPH)

Funktion

Förutom dess vitala roll i proteinernas struktur, används prolin också som kosttillskott och i biokemisk, mikrobiologisk och näringsmässig forskning.

Prolin och dess derivat används ofta som asymmetriska katalysatorer i organiska reaktioner. CBS-reduktion och prolin-katalyserad aldolkondensation är framträdande exempel.

Prolin har en söt smak med en tydlig eftersmak. Prolin orsakar också en lätt irritation på tungan som Sichuanpeppar.

Se även

• Kollagen

• Balbach, J. och F. X. Schmid. ”Prolinisomerisering och dess katalys vid proteinveckning”. I R. H. Pain, red. Mechanisms of Protein Folding, 2nd ed. Oxford University Press, 2001. ISBN 0199637881
• Doolittle, R. F. ”Redundancies in protein sequences”. I G. D. Fasman, red. Prediction of Protein Structures and the Principles of Protein Conformation. New York: Plenum Press, 1989. ISBN 030643131319
• International Union of Pure and Applied Chemistry and International Union of Biochemistry and Molecular Biology (IUPAC-IUB) Joint Commission on Biochemical Nomenclature. 1983. Nomenklatur och symbolik för aminosyror och peptider: Recommendations on organic & biochemical nomenclature, symbols & terminology IUPAC-IUB. Hämtad den 30 augusti 2007.
• Lehninger, A. L., D. L. Nelson och M. M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry, 3rd ed. New York: Worth Publishing, 2000. ISBN 1572591536