Lastnosti aminokislin

AMINOKISLINE Aminokisline so nasplošno velike organske molekule, ki vsebujejo tako aminsko (-NH2 ) kot karboksilno skupino (-COOH). Aminokisline, ki imajo karboksilno in aminsko skupino na istem C atomu (rečemo mu α-C atom) imenujemo α-aminokisline. Te se povezujejo v peptide oziroma proteine. Povprečna masa ene aminokisline je 110 Da. Splošna struktura α-aminokislin je taka:

           R
            |
H2N – C – COOH
            |
           H                          R.. stranska veriga; vsaka aminokislina ima drugačno

Aminokislinski ostanek nastane, ko se aminokislina veže v peptid, pri čemer se mora iz dveh aminokislin odcepiti voda. Konec, kjer je vezana NH2 skupina imenujemo amino oziroma N-konec, kjer je vezana COOH skupina pa karboksilni oziroma C-konec. Po dogovoru te molekule zapisujemo od N-terminalnega konca proti C-terminalnemu koncu. α-aminokisline oziroma kar aminokisline so nepogrešljive za življenje, saj imajo veliko pomembnih vlog v metabolizmu. Najpomembnejša vloga je torej tvorba proteinov, to so polimerne verige iz samih aminokislinskih preostankov. V našem telesu je 20 osnovnih, standardnih α –aminokislin, se med seboj razlikujejo po stranski verigi R, glede na velikost, obliko, naboj, možnost tvorbe vodikove vezi, hidrofobni karakter in kemijsko reaktivnost. Seznam osnovnih aminokislin z imenom, tričrkovno in enočrkovno oznako: Slika:120px-L-alanine-skeletal.png L-alanin (Ala/A) Slika:71px-L-arginine-skeletal-(tall).png L-arginin (Arg/R) Slika:102px-L-asparagine-skeletal.png L-asparagin (Asn/N) Slika:102px-L-aspartic-acid-skeletal.png L-asparaginska kislina (Asp/D) Slika:118px-L-cysteine-skeletal.png L-cistein (Cys/C) Slika:120px-L-glutamic-acid-skeletal.png L-glutaminska kislina (Glu/E) Slika:120px-L-glutamine-skeletal.png L-glutamin (Gln/Q) Slika:120px-Glycine-skeletal.png L-glicin (Gly/G) Slika:101px-L-histidine-skeletal.png L-Histidin (His/H) Slika:113px-L-isoleucine-skeletal.png L-izolevcin (Ile/I) Slika:113px-L-leucine-skeletal.png L-levcin (Leu/L) Slika:120px-L-lysine-skeletal.png L-lizin (Lys/K) Slika:120px-L-methionine-skeletal.png L-metionin (Met/M) Slika:118px-L-phenylalanine-skeletal.png L-fenilalanin (Phe/F) Slika:120px-L-proline-skeletal.png L-prolin (Pro/P) Slika:120px-L-serine-skeletal.png L-serin (Ser/S) Slika:120px-L-threonine-skeletal.png L-treonin (Thr/T) Slika:111px-L-tryptophan-skeletal.png L-triptofan (Trp/W) Slika:120px-L-tyrosine-skeletal.png L-tirozin (Tyr/Y) Slika:L-valine-skeletal.png L-valin (Val/V)

V beljakovinah pa so lahko prisotne tudi drugačne, nestandardne aminokisline. Te nastanejo iz standardnih s posttranslacijskimi modifikacijami. Ta proces je včasih nujno potreben, da protein (encim) postane aktiven. Taki aminokislini sta selenocistein in pirolizin.

SESTAVLJANJE AMINOKISLIN IN PROTEINI Če se aminska skupina ene aminokisline združi s karboksilno skupino druge aminokisline, se tvori peptidna vez in nastane dipeptid. Pri tem se odcepi voda. Če se poveže več aminokislin, nastane polipeptid. Terminološko uporabljamo besedo protein, kadar se poveže v polipeptid vsajt petdesetih aminokislin, zaradi večje termodinamske stabilnosti pa se le-ti zvijejo v specifično 3D strukturo. Točno zaporedje aminokislin v posameznem proteinu je gensko določeno, nastajanje proteinov poteka torej s prevajanjem informacijske RNA (mRNA), ki služi kot matrica genskega zapisa. Ta proces polimerizacije aminokislin v polipeptidno verigo imenujemo translacija in vključuje dodajanje eno-po-eno aminokislino na nastajajočo verigo. Sinteza proteinov poteka na celičnih organelih – ribosomih. Vsak protein ima svoje lastno zaporedje aminokislin, to zaporedje predstavlja primarno strukturo proteina. Sekundarna struktura proteina pa predstavlja urejeno strukturo v bližnji okolici, oziroma je določena s sekundarnimi motivi kot so α-heliksi in ß-ravnine. Prostorsko razporeditev elementov sekundarne strukture in položaj posameznih atomov v molekuli proteina opisuje terciarna struktura. Protein ima lahko tudi kvartarno strukturo, če se poveže več terciarnih struktur. Rečemo, da je sestavljen iz večih podenot. Proteini opravljajo različne funkcije, delimo jih na: a) Encime: so katalizatorji biokemijskih reakcij v živih organizmih. Poznamo 6 skupin encimov, ki se ločijo po svoji vlogi: • oksidoreduktaze (prenos elektronov ali protonov), • transferaze (prenos funkcionalnih skupin), • hidrolaze (cepijo vezi s hidrolizo), • liaze (nastanek dvojnih vezi in dodajanje skupin nanje), • izomeraze (pretvorba enega izomera v drugega), • ligaze (nastanek vezi). b) Transportne in skladiščne proteine: npr. hemoglobin prenaša kisik, transferin prenaša železo, feritin skladišči železo. c) Gibalne proteine: npr. aktin sodeluje pri mišični kontrakciji, mikrotubuli pri gibanju kromosomov. d) Strukturne proteine: npr. kolagen, ki je glavna sestavina kože in kosti, elastin je v vezivnem tkivu pljuč in večjih žil. e) Obrambne proteine: npr. protitelesa, ki so namenjena temu, da ob stiku z antigenom vežejo antigen. f) Regulatorne in receptorske proteine: npr. receptorji v živčni celici, rastni faktorji, inzulin, ki se izloča pri povečanih koncentracijah glukoze v krvi.

LASTNOSTI AMINOKISLIN KIRALNOST IN IZOMERIJA Vse z izjemo glicina (kjer je R = H) so optično aktivne, kar pomeni da se pojavljajo v dveh izomernih oblikah stereoizomerih, natančneje enantiomerih. Optično aktivnost omogoča α-ogljikov atom, na katerega so vezane štiri različne funkcionalne skupine. Posledica sta torej dva enantiomera, vsaka aminokislina ima torej D- in L- izomerno strukturo, med seboj pa sta zrcalno simetrični. Da je spojina optično aktivna pomeni, da raztopine čistih stereoizomerov sučejo ravnino linearno polarizirane svetlobe. Oznaka D- pomeni desnosučnost, L- pa levosučnost. V proteinih in nasplošno v naravi se nahajajo L-aminokisline, pri nekaterih bakterijah in morski organizmi pa so našli tudi D-izomere nekaterih aminokislin, kot odpornost na hidrolitične encime. Nekatere D-izomere pa so našli tudi v človeški celici, nastale so z racemizacijo pri procesu staranja. Nekatere aminokisline pa imajo celo dva kiralna centra, torej še dodaten kiralni ogljikov atom. To sta dve aminokislini: izolevcin in treonin. Izomere imenujemo diastereoizomeri.

IZGLED IN FIZIKALNE LASTNOSTI V čistih oblikah so bele kristalične snovi. Obnašajo se kot soli. So topne v vodi in netopne v organskih topilih. Imajo visoka tališča, vodne raztopine pa prevajajo električni tok. Beljakovine imajo absorbcijski vrh pri 280nm, zaradi česa jih je tudi mogoče identificirati. Pri tej valovni dolžini namreč svetlobo absorbirajo aminokisline z aromatskim značajem (fenilalanin, triptofan in tirozin). Optični izomeri aminokislin imajo kljub različni sučnosti enake fizikalne lastnosti.

VODNE RAZTOPINE Za te molekule je značilno, da so hkrati kisline in baze, so amfoliti. Ionsko stanje skupin in s tem celokupni naboj aminokisline sta odvisna od vrednosti pH-ja topila. Pri okoli pH=7 so aminokisline v dipolarni ionski obliki, kar pomeni da je aminska skupina protonirana, karboksilna pa deprotonirana (splošno označeno: H3N+-CHR-COO- ). Aminska skupina deluje kot baza, saj sprejme proton, karboksilna pa kot kislina, saj odda proton. Kadar je torej aminokislina v dipolarni ionski obliki, je hkrati pozitivno in negativno nabita. Rečemo da je aminokislina v obliki iona dvojčka oziroma Zwitter iona (neto naboj je nič). pH vrednost pri kateri je aminokislina v zwitter ionski obliki imenujemo izoelektrična točka (IP) in je za vsako aminokislino drugačna. Topnost aminokislin v izoelektrični točki je minimalna, zato jih pri takih pogojih lahko oborimo in izoliramo. Zaradi teh lastnosti imajo aminokisline značilne titracijske krivulje, ki spominjajo na krivulje šibkih kislin. Prikazujejo odvisnost neto naboja od pH vrednosti. Iz njih lahko razberemo pK vrednosti za karboksilno, aminsko in pri nekaterih tudi za stransko skupino, ter prevladujoče oblike pri določenih pH vrednostih.

ESENCIALNOST/NEESENCIALNOST Proteini so sestavljeni iz nabora standardnih 20-ih aminokislin in nekatere od njih lahko organizem sintetizira sam. Te imenujemo neesencialne aminokisline. Za razliko od teh pa moramo nekatere zaužiti s hrano, saj jih organizem ni sposoben sam sintetizirati. Te imenujemo esencialne aminokisline. Nekatere so esencialne le v določenih okoliščinah. Aminokisline arginin, cistein, glicin, glutamin, histidin, prolin, serin in tirozin so pogojno esencialne aminokisline, saj jih normalno telo samo proizvede v dovoljšnjih količinah, v določenih okoliščinah pa je potreben vnos s hrano. Aminokisline cistein, tirozin, histidin in arginin pa so pri otrocih celo esencialne, saj ne morejo jih sintetizirati v dovoljšnji količini.

ESENCIALNE NEESENCIALNE Izolevcin Alanin Arginin Aspartat Lizin Cistein Metionin Glutamat Fenilalanin Glutamin Treonin Glicin Triptofan Prolin Valin Serin Histidin Asparigin Tirozin Levcin

DELITEV

Aminokisline lahko razdelimo v tri velike skupine: nepolarne, polarne nenabite in polarne nabite. a) NEPOLARNE Sem spadajo glicin, alanin, valin, levcin, izolevcin, prolin, metionin, fenilalanin in triptofan. Stranske skupine teh aminokislin so enostavni ogljikovodiki, ki niso preveč reaktivni. Njihove alifatske oziroma aromatske skupine dajejo hidroboben značaj, zato se te aminokisline nahajajo predvsem v notranjosti proteinov. b) POLARNE, NENABITE Sem spadajo serin, treonin, cistein, tirozin, asparigin in glutamin. Te aminokisline imajo širok spekter funkcionalnih skupin za katere je značilno, da vsebujejo heteroatome (N,O,S), ki s svojim eletronskim parom omogočajo nastanek vodikovih vezi. To so torej hidrofobne aminokisline. Posebno zanimiv in biokemijsko pomemben je cistein s svojo tiolno (-SH) skupino, ki v oksidativnih razmerah omogoča nastanek kovalentne disulfidne vezi ( –S-S- ) med dvema cisteinoma. Te so izrednega pomena za mnoge proteine.

c) POLARNE, NABITE Sem spadajo aspartat, glutamat, lizin, arginin in histidin. Stranske skupine teh aminokislin kažejo dodatne bazične in kisle lastnosti. Pri kislih aminokislinah stranska veriga nosi dodatno karboksilno skupino, ki daje kisel značaj. Sem spadata: asparaginska in glutaminska kislina. Za bazične aminokisline je značilna dodatna amino skupina na stranski verigi, to daje bazičen značaj. To so: lizin, arginin, histidin. Te polarne aminokisline so (prav tako kot polarne nenabite) hidrofobne in se praviloma nahajajo na zunanjosti proteinov. Značilno zanje je, da so nabite tudi v fiziološkem pH, kisle so negativno nabite, bazične pa pozitivno. Njihova titracijska krivulja se nekoliko razlikuje od ostalih aminokislin, ima tri prevojne točke, saj imajo stranske skupine svojo pK vrednost (enako velja tudi za cistein in tirozin). Če stranska skupina izkazuje kisle ali bazične lastnosti, tudi ta namreč sodeluje pri ravnotežnih reakcijah.

NEPROTEINSKE FUNKCIJE Aminokisline sodelujejo ne le pri tvorbi proteinov, temveč tudi kot drugi intermediati oziroma prekurzorji: • Triptofan – prekurzor nevrotransmiterja serotonina • Tirozin – prekurzor nevrotransmiterja dopamina • Glicin – eden od reaktantov za sintezo porfirinov (npr. hem) • Arginin – prekurzor dušikovega oksida • Aspartat, glicin in glutamat – prekurzorji nukleotidov