Prolin

Prolin (Symbol Pro oder P ) ^{[ 4 ]} ist eine organische Säure, die zu den proteinogenen Aminosäuren zählt (sie wird in der Biosynthese von Proteinen verwendet), obwohl sie keine Aminogruppe -NH enthält.₂^{Es handelt sich vielmehr um} ein sekundäres Amin . Der Stickstoff des sekundären Amins liegt unter biologischen Bedingungen protoniert (NH₂⁺ _{) vor, während die} Carboxylgruppe deprotoniert (−COO− ⁾ ist . Die Seitenkette des α-Kohlenstoffs ist mit dem Stickstoff verbunden und bildet eine Pyrrolidinschleife , wodurch es zu den aliphatischen Aminosäuren zählt . Es ist für den Menschen nicht essentiell, d. h. der Körper kann es aus der nicht essentiellen Aminosäure L - Glutamat synthetisieren . Es wird durch alle Codons codiert , die mit CC beginnen (CCU, CCC, CCA und CCG).

Prolin ist die einzige proteinogene Aminosäure, die ein sekundäres Amin ist , da das Stickstoffatom sowohl an das α-Kohlenstoffatom als auch an eine Kette aus drei Kohlenstoffatomen gebunden ist, die zusammen einen Fünfring bilden.

Prolin wurde erstmals 1900 von Richard Willstätter isoliert , der die Aminosäure bei Untersuchungen von N- Methylprolin gewann und Prolin durch die Reaktion des Natriumsalzes von Diethylmalonat mit 1,3-Dibrompropan synthetisierte . Im darauffolgenden Jahr isolierte Emil Fischer Prolin aus Casein und den Zersetzungsprodukten von γ-Phthalimidopropylmalonsäureester ^{[ 5 ]} und veröffentlichte die Synthese von Prolin aus Phthalimidopropylmalonsäureester ^{[ 6 ] .}

Der Name Prolin leitet sich von Pyrrolidin ab , einem seiner Bestandteile. ^{[ 7 ]}

Prolin wird biosynthetisch aus der Aminosäure L - Glutamat gebildet . Glutamat-5-semialdehyd entsteht zunächst durch Glutamat-5-Kinase (ATP-abhängig) und Glutamat-5-semialdehyd-Dehydrogenase (die NADH oder NADPH benötigt). Dieses kann dann entweder spontan zu 1-Pyrrolin-5-carbonsäure cyclisieren , welche durch Pyrrolin-5-carboxylat-Reduktase (unter Verwendung von NADH oder NADPH) zu Prolin reduziert wird, oder durch Ornithin-Aminotransferase in Ornithin umgewandelt werden , welches anschließend durch Ornithin-Cyclodeaminase zu Prolin cyclisiert wird. ^{[ 8 ]}

L -Prolin wirkt als schwacher Agonist des Glycinrezeptors sowie sowohl von NMDA- als auch von Nicht-NMDA-( AMPA / Kainat ) -ionotropen Glutamatrezeptoren . ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} Es wird als potenzielles endogenes Exzitotoxin diskutiert . ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} In Pflanzen ist die Prolinakkumulation eine häufige physiologische Reaktion auf verschiedene Stressfaktoren, aber auch Teil des Entwicklungsprogramms in generativen Geweben (z. B. Pollen ). ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

EPRS1 belädt sich mit Prolin, um es auf tRNA zu übertragen , die es während der Proteinübersetzung in die neu synthetisierte Peptidkette einbauen kann. ^{[ 16 ]}

EPRS1 wirkt in menschlichen Zellen als proviraler Faktor bei der Infektion mit Mammarenaviren, einschließlich LCMV , JUNV und LASV , und seine Hemmung mit der Verbindung Halofuginon , einem Prolyldomäneninhibitor, hebt die Virusinfektion vollständig auf, indem sie die Virusassemblierung und -knospung unterbricht. ^{[ 17 ]}

Eine prolinreiche Ernährung wurde in einer Studie aus dem Jahr 2022, die in einer begrenzten präklinischen Studie an Menschen und hauptsächlich an anderen Organismen getestet wurde, mit einem erhöhten Depressionsrisiko in Verbindung gebracht. Die Ergebnisse waren bei den anderen Organismen signifikant. ^{[ 18 ]}

Die charakteristische zyklische Struktur der Prolin-Seitenkette verleiht Prolin im Vergleich zu anderen Aminosäuren eine außergewöhnliche Konformationsstabilität. Sie beeinflusst auch die Geschwindigkeit der Peptidbindung zwischen Prolin und anderen Aminosäuren. Liegt Prolin als Amid in einer Peptidbindung vor, ist sein Stickstoffatom nicht an ein Wasserstoffatom gebunden, sodass es nicht als Wasserstoffbrückendonator , sondern nur als Wasserstoffbrückenakzeptor fungieren kann.

Die Peptidbindung mit der einlaufenden Pro-tRNA ^{^Pro} im Ribosom verläuft deutlich langsamer als mit anderen tRNAs, was ein allgemeines Merkmal von N -Alkylaminosäuren ist. ^{[ 19 ]} Auch die Peptidbindung zwischen einer einlaufenden tRNA und einer mit Prolin endenden Kette verläuft langsam; die Bildung von Prolin-Prolin-Bindungen ist dabei am langsamsten. ^{[ 20 ]}

Die außergewöhnliche Konformationsstabilität von Prolin beeinflusst die Sekundärstruktur von Proteinen in der Nähe eines Prolinrests und könnte die höhere Prävalenz von Prolin in den Proteinen thermophiler Organismen erklären. Die Proteinsekundärstruktur lässt sich anhand der Diederwinkel φ, ψ und ω des Proteinrückgrats beschreiben. Die zyklische Struktur der Prolin-Seitenkette fixiert den Winkel φ bei etwa −65°. ^{[ 21 ]}

Prolin wirkt als Strukturstörer innerhalb regulärer Sekundärstrukturelemente wie Alpha-Helices und Beta-Faltblättern ; dennoch findet man Prolin häufig als ersten Rest einer Alpha-Helix und auch in den Randsträngen von Beta-Faltblättern . Prolin kommt außerdem häufig in Schleifen (einer anderen Art von Sekundärstruktur) vor und trägt zur Bildung von Beta-Schleifen bei. Dies könnte die ungewöhnliche Tatsache erklären, dass Prolin trotz seiner rein aliphatischen Seitenkette üblicherweise lösungsmittelzugänglich ist .

Mehrere Prolin- und/oder Hydroxyprolinreste in Folge können eine Polyprolinhelix bilden , die vorherrschende Sekundärstruktur im Kollagen . Die Hydroxylierung von Prolin durch Prolylhydroxylase (oder die Anlagerung anderer elektronenziehender Substituenten wie Fluor ) erhöht die Konformationsstabilität von Kollagen signifikant. ^{[ 22 ]} Daher ist die Hydroxylierung von Prolin ein entscheidender biochemischer Prozess für den Erhalt des Bindegewebes höherer Organismen. Schwere Erkrankungen wie Skorbut können durch Defekte in dieser Hydroxylierung entstehen, z. B. durch Mutationen des Enzyms Prolylhydroxylase oder durch einen Mangel des notwendigen Cofaktors Ascorbat (Vitamin C) .

Peptidbindungen zu Prolin und anderen N- substituierten Aminosäuren (wie Sarkosin ) können sowohl in cis- als auch in trans- Konformation vorliegen. Die meisten Peptidbindungen liegen überwiegend in der trans- Konformation vor (typischerweise 99,9 % unter spannungsfreien Bedingungen), hauptsächlich weil das Amidwasserstoffatom ( trans- Isomer) eine geringere sterische Hinderung zum vorhergehenden Cα-Atom aufweist _als das nachfolgende Cα _- Atom ( cis- Isomer). Im Gegensatz dazu erfahren die cis- und trans- Isomere der X-Pro-Peptidbindung (wobei X für eine beliebige Aminosäure steht) sterische Wechselwirkungen mit der benachbarten Substitution und weisen eine deutlich geringere Energiedifferenz auf. Daher ist der Anteil der X-Pro-Peptidbindungen in der cis- Konformation unter spannungsfreien Bedingungen signifikant erhöht und liegt typischerweise im Bereich von 3–10 %. ^{[ 23 ]} Diese Werte hängen jedoch von der vorhergehenden Aminosäure ab, wobei Glycin ^{[ 24 ]} und aromatische ^{[ 25 ]} Reste zu erhöhten Anteilen des cis- Isomers führen. Für aromatische Prolin-Peptidbindungen wurden cis- Anteile von bis zu 40 % identifiziert. ^{[ 26 ]}

Aus kinetischer Sicht ist die cis - trans- Prolin -Isomerisierung ein sehr langsamer Prozess, der die Proteinfaltung behindern kann, indem er ein oder mehrere für die Faltung essentielle Prolinreste im nicht-nativen Isomer fixiert, insbesondere wenn das native Protein das cis- Isomer benötigt. Dies liegt daran, dass Prolinreste im Ribosom ausschließlich als trans -Isomer synthetisiert werden. Alle Organismen besitzen Prolyl-Isomerasen, die diese Isomerisierung katalysieren, und einige Bakterien verfügen über spezialisierte, ribosomal assoziierte Prolyl-Isomerasen. Allerdings sind nicht alle Proline für die Faltung essentiell, und die Proteinfaltung kann trotz des Vorhandenseins nicht-nativer Konformere vieler X-Pro-Peptidbindungen normal verlaufen.

Prolin und seine Derivate werden häufig als asymmetrische Katalysatoren in Prolin-Organokatalyse -Reaktionen eingesetzt. Die CBS-Reduktion und die Prolin-katalysierte Aldolkondensation sind prominente Beispiele.

Beim Brauen verbinden sich prolinreiche Proteine ​​mit Polyphenolen und führen zu Trübungen. ^{[ 27 ]}

L -Prolin ist ein Osmoprotektivum und wird daher in vielen pharmazeutischen und biotechnologischen Anwendungen eingesetzt.

Das in der Pflanzenzellkultur verwendete Wachstumsmedium kann mit Prolin angereichert werden. Dies kann das Wachstum fördern, möglicherweise weil es der Pflanze hilft, die Belastungen der Zellkultur besser zu tolerieren. ^{[ 28 ]} Zur Rolle von Prolin in der Stressreaktion von Pflanzen siehe Abschnitt „Biologische Aktivität“ .

Prolin ist neben Glycin eine der beiden Aminosäuren, die nicht dem typischen Ramachandran-Plot folgen . Aufgrund der Ringbildung am β-Kohlenstoffatom weisen die ψ- und φ- Winkel um die Peptidbindung einen geringeren Rotationsspielraum auf. Daher findet man Prolin häufig in den Schleifen von Proteinen, da seine freie Entropie (ΔS ) im Vergleich zu anderen Aminosäuren geringer ist und somit der Entropieunterschied zwischen gefalteter und ungefalteter Form kleiner ausfällt. Darüber hinaus kommt Prolin selten in α- und β-Faltblattstrukturen vor, da es deren Stabilität verringern würde, weil sein α-Stickstoff in der Seitenkette nur eine Stickstoffbindung ausbilden kann.

Prolin ist zudem die einzige Aminosäure, die bei der Reaktion mit Ninhydrin für chromatographische Anwendungen keine rot-violette Färbung annimmt . Stattdessen ergibt Prolin eine orange-gelbe Färbung.

Racemisches Prolin kann aus Diethylmalonat und Acrylnitril synthetisiert werden : ^{[ 29 ]}

• Hyperprolinämie
• Angeborener Stoffwechseldefekt
• Prolidasemangel
• Prolinol

• Proline MS Spectrum
• Prolinbiosynthese
• Prolinbiosynthese