Proteinogene Aminosäure

Proteinogene Aminosäuren sind Aminosäuren , die während der Translation von RNA biosynthetisch in Proteine ​​eingebaut werden . Der Begriff „proteinogen“ bedeutet „proteinbildend“. Im gesamten bekannten Leben gibt es 22 genetisch kodierte (proteinogene) Aminosäuren, 20 davon im Standard- Genetischen Code und zwei weitere ( Selenocystein und Pyrrolysin ), die durch spezielle Translationsmechanismen eingebaut werden können. ^{[ 1 ]}

Im Gegensatz dazu sind nicht-proteinogene Aminosäuren solche, die entweder nicht in Proteine ​​eingebaut werden (wie GABA , L -DOPA oder Triiodthyronin ), fälschlicherweise anstelle einer genetisch kodierten Aminosäure eingebaut werden oder nicht direkt und isoliert durch die zellulären Standardmechanismen produziert werden (wie Hydroxyprolin ). Letzteres ist häufig die Folge posttranslationaler Modifikationen von Proteinen. Einige nicht-proteinogene Aminosäuren werden in nichtribosomale Peptide eingebaut , die von nichtribosomalen Peptidsynthetasen synthetisiert werden.

Sowohl Eukaryoten als auch Prokaryoten können Selenocystein über eine Nukleotidsequenz, das sogenannte SECIS-Element , in ihre Proteine ​​einbauen. Dieses Element weist die Zelle an, ein nahegelegenes UGA- Codon als Selenocystein zu übersetzen (UGA ist normalerweise ein Stoppcodon ). Bei einigen methanogenen Prokaryoten kann auch das UAG-Codon (normalerweise ein Stoppcodon) in Pyrrolysin übersetzt werden . ^{[ 2 ]}

Bei Eukaryoten gibt es nur 21 proteinogene Aminosäuren: die 20 des Standard-Genetischen Codes plus Selenocystein . Der Mensch kann 12 davon selbst synthetisieren, entweder aus anderen Aminosäuren oder aus Molekülen des Intermediärstoffwechsels. Die übrigen neun müssen über die Nahrung aufgenommen werden (üblicherweise als Proteinderivate) und werden daher als essentielle Aminosäuren bezeichnet . Zu den essentiellen Aminosäuren gehören Histidin , Isoleucin , Leucin , Lysin , Methionin , Phenylalanin , Threonin , Tryptophan und Valin (kurz: H, I, L, K, M, F, T, W, V). ^{[ 3 ]}

Es wurde festgestellt, dass proteinogene Aminosäuren mit denjenigen Aminosäuren verwandt sind, die von Ribozym- Autoaminoacylierungssystemen erkannt werden können . ^{[ 4 ]} Demnach wären nicht-proteinogene Aminosäuren durch den evolutionären Erfolg nukleotidbasierter Lebensformen ausgeschlossen worden. Es wurden weitere Gründe dafür angeführt, warum bestimmte nicht-proteinogene Aminosäuren im Allgemeinen nicht in Proteine ​​eingebaut werden; beispielsweise cyclisieren Ornithin und Homoserin gegen das Peptidgerüst und fragmentieren das Protein mit relativ kurzen Halbwertszeiten , während andere toxisch sind, da sie fälschlicherweise in Proteine ​​eingebaut werden können, wie etwa das Arginin-Analogon Canavanin .

Die evolutionäre Selektion bestimmter proteinogener Aminosäuren aus der Ursuppe wird auf deren bessere Einbindung in eine Polypeptidkette im Vergleich zu nicht-proteinogenen Aminosäuren zurückgeführt. ^{[ 5 ]}

Nachfolgend sind die Strukturen und Abkürzungen der 21 Aminosäuren dargestellt, die im genetischen Code von Eukaryoten direkt für die Proteinsynthese codiert sind. Die unten angegebenen Strukturen sind Standardstrukturen und nicht die typischen Zwitterionen , die in wässrigen Lösungen vorkommen.

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  L -Alanin (Ala / A)
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  L -Arginin (Arg / R)
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  L -Asparagin (Asn / N)
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  L -Asparaginsäure (Asp/D)
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  L -Cystein (Cys / C)
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  L -Glutaminsäure (Glu / E)
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  L -Glutamin (Gln / Q)
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  Glycin (Gly / G)
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  L -Histidin (His / H)
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  L -Isoleucin (Ile / I)
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  L -Leucin (Leu / L)
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  L -Lysin (Lys / K)
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  L -Methionin (Met / M)
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  L -Phenylalanin (Phe / F)
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  L -Prolin (Pro / P)
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  L -Serin (Ser / S)
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  L -Threonin (Thr / T)
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  L -Tryptophan (Trp/W)
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  L -Tyrosin (Tyr / Y)
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  L -Valin (Val / V)

Die IUPAC / IUBMB empfiehlt nun auch Standardabkürzungen für die folgenden beiden Aminosäuren:

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  L -Selenocystein (Sec / U)
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  L -Pyrrolysin (Pyl / O)

Die folgende Tabelle listet die Ein- und Dreibuchstabensymbole sowie die chemischen Eigenschaften der Seitenketten der Standardaminosäuren auf. Die angegebenen Massen basieren auf gewichteten Mittelwerten der Elementisotope in ihrer natürlichen Häufigkeit . Bei der Bildung einer Peptidbindung wird ein Wassermolekül abgespalten . Daher entspricht die Masse des Proteins der Masse der Aminosäuren, aus denen es besteht, abzüglich 18,01524 Da pro Peptidbindung.

Aminosäure	Kurz	Abkürzung.	Seitenkette	Hydrophob​	pKa §	Polar	pH	Klein	Winzig	Aromatisch oder aliphatisch	Van-der-Waals -Volumen ( ų )
Alanin	A	Ala	-CH 3		-		-			Aliphatisch	67
Cystein	C	Cys	-CH 2 SH		8,55		sauer			-	86
Asparaginsäure	D	Asp	-CH₂COOH​​		3,67		sauer			-	91
Glutaminsäure	E	Glu	-CH₂CH₂COOH​​​​		4,25		sauer			-	109
Phenylalanin	F	Phe	-CH 2 C 6 H 5		-		-			Aromatisch	135
Glycin	G	Gly	-H		-		-			-	48
Histidin	H	Sein	-CH 2 - C 3 H 3 N 2		6,54		schwache Grundkenntnisse			Aromatisch	118
Isoleucin	ICH	Insel	-CH(CH 3 )CH 2 CH 3		-		-			Aliphatisch	124
Lysin	K	Lys	-(CH 2 ) 4 NH 2		10.40		Basic			-	135
Leucin	L	Leu	-CH₂CH ( CH₃ ) ₂​		-		-			Aliphatisch	124
Methionin	M	Met	-CH₂CH₂SCH₃​​​​​​		-		-			Aliphatisch	124
Asparagin	N	Asn	-CH 2 CONH 2		-		-			-	96
Pyrrolysin	O	Pyl	-(CH 2 ) 4 NHCO C 4 H 5 N CH 3		ND		schwache Grundkenntnisse			-	?
Prolin	P	Pro	-CH 2 CH 2 CH 2 -		-		-			-	90
Glutamin	Q	Gln	-CH₂CH₂CONH₂​​​​​		-		-			-	114
Arginin	R	Arg	-(CH 2 ) 3 NH-C(NH)NH 2		12.3		stark basisch			-	148
Serin	S	Ser	-CH 2 OH		-		-			-	73
Threonin	T	Thr	-CH(OH)CH 3		-		-			-	93
Selenocystein	U	Abschnitt	-CH 2 SeH		5,43		sauer			-	?
Valin	V	Val	-CH(CH 3 ) 2		-		-			Aliphatisch	105
Tryptophan	W	Trp	-CH₂C₈H₆N​​​​​​		-		-			Aromatisch	163
Tyrosin	Y	Tyr	-CH 2 -C 6 H 4 OH		9,84		schwach sauer			Aromatisch	141

§: Nur ionisierbare Aminosäurereste besitzen einen aussagekräftigen pKa-Wert. Die Werte für Asp, Cys, Glu, His, Lys und Tyr wurden anhand des zentral in einem Alanin-Pentapeptid positionierten Aminosäurerests bestimmt. ^{[ 6 ]} Der Wert für Arg stammt von Pace et al. (2009). ^{[ 7 ]} Der Wert für Sec stammt von Byun & Kang (2011). ^{[ 8 ]}

Hinweis: Der pKa-Wert eines Aminosäurerests in einem kleinen Peptid weicht typischerweise geringfügig ab, wenn er sich innerhalb eines Proteins befindet. Protein-pKa-Berechnungen werden mitunter verwendet, um die Änderung des pKa-Werts eines Aminosäurerests in diesem Fall zu ermitteln.

* UAG ist normalerweise das Amber-Stoppcodon . In Organismen, die die durch den pylTSBCD-Gencluster kodierte biologische Maschinerie besitzen, wird jedoch die Aminosäure Pyrrolysin eingebaut. ^{[ 9 ]} ** UGA ist normalerweise das Opal- (oder Umber-)Stoppcodon, kodiert aber Selenocystein, wenn ein SECIS-Element vorhanden ist. † Das Stoppcodon ist keine Aminosäure, wird aber der Vollständigkeit halber aufgeführt. †† UAG und UGA fungieren nicht immer als Stoppcodons (siehe oben). ‡ Essentielle Aminosäuren können vom menschlichen Körper nicht synthetisiert werden und müssen daher über die Nahrung aufgenommen werden. Bedingt essentielle Aminosäuren werden normalerweise nicht über die Nahrung benötigt, müssen aber bestimmten Populationen, die sie nicht in ausreichender Menge synthetisieren können, exogen zugeführt werden. Das Vorkommen von Aminosäuren basiert auf 135 Archaeen-, 3775 Bakterien-, 614 Eukaryoten-Proteomen bzw. dem menschlichen Proteom (21.006 Proteine). ^{[ 10 ]}

In der Massenspektrometrie von Peptiden und Proteinen ist die Kenntnis der Massen der Aminosäurereste von Nutzen. Die Masse des Peptids oder Proteins entspricht der Summe der Restmassen plus der Masse von Wasser ( monoisotopische Masse = 18,01056 Da; mittlere Masse = 18,0153 Da). Die Restmassen werden aus den tabellierten chemischen Formeln und Atomgewichten berechnet. ^{[ 11 ]} In der Massenspektrometrie können Ionen auch ein oder mehrere Protonen enthalten ( monoisotopische Masse = 1,00728 Da; mittlere Masse* = 1,0074 Da). *Protonen können keine mittlere Masse haben. Dies würde fälschlicherweise zu dem Schluss führen, dass Deuteronen ein gültiges Isotop sind, obwohl sie eine andere Spezies darstellen (siehe Hydron (Chemie) ).

§ Monoisotopische Masse

Die folgende Tabelle zeigt die Häufigkeit von Aminosäuren in E. coli- Zellen und den jeweiligen Stoffwechselaufwand (ATP) für deren Synthese. Negative Werte bedeuten, dass die Stoffwechselprozesse energetisch günstig sind und die Zelle netto kein ATP verbraucht. ^{[ 12 ]} Die angegebene Aminosäurehäufigkeit umfasst sowohl freie Aminosäuren als auch solche in polymerisierter Form (Proteine).

Aminosäuren können nach den Eigenschaften ihrer Hauptprodukte klassifiziert werden: ^{[ 13 ]}

• Glukogen, wobei die Produkte die Fähigkeit besitzen, durch Gluconeogenese Glucose zu bilden
• Ketogen, wobei die Produkte nicht in der Lage sind, Glucose zu bilden: Diese Produkte können dennoch zur Ketogenese oder Lipidsynthese verwendet werden .
• Aminosäuren werden sowohl in glukogene als auch in ketogene Produkte umgewandelt.

• Glukogene Aminosäure
• ketogene Aminosäure

• Der Ursprung des Einbuchstabencodes für die Aminosäuren