Аминокислоты в биологии: Биологические функции аминокислот

D-аминокислоты: не только в Зазеркалье

03 октября 2009

Обзор

С какой стороны зеркального стекла? В последнее время стали открывать все больше примеров функций D-аминокислот не только в бактериях, но и в эукариотах. Так что, по-видимому, представление о том, что D-аминокислоты во вселенной белков, построенных из L-аминокислот, являются аутсайдерами, постепенно отходит в прошлое.

[11] (M. Twombly)

  • Автор
    • Антон Чугунов
  • Редакторы
    • Антон Чугунов
    • Андрей Панов
    Темы
    • Биомолекулы
    • Структурная биология

По до сих пор неизвестным причинам в состав белков живых организмов входят преимущественно L-энантиомеры (оптические изомеры) аминокислот, — за довольно редкими и разрозненными исключениями вроде пептидных веществ, образующихся в грибах и бактериях путём нерибосомного синтеза. (Зато сахара находятся преимущественно в D-форме.) Новое исследование выводит D-аминокислоты из «зазеркалья»: обнаружено, что некоторые бактерии — в частности, холерный вибрион и сенная палочка, — синтезируют D-формы аминокислот. Они используются бактериями как связующий компонент пептидогликанового слоя, а также регулируют работу ферментов, ответственных за армирование клеточных стенок.

Верно ли, что Оспод и Погг, не ограничиваясь обычным загрязнением беззащитной, пустынной планеты, решили, по пьяному делу, учинить на ней, самым бесстыдным и возмутительным образом, биологическую эволюцию, какой еще свет не видывал? <…> Верно ли, что эти безобразники, лишенные всякого чувства приличия и нравственных тормозов, вылили на скалы безжизненной Земли шесть бочек заплесневелого желатинового клея и два ведра испорченной альбуминовой пасты, подсыпали туда забродившей рыбозы, пентозы и левуллозы и, словно им мало было всех этих гадостей, добавили три больших бидона с раствором прокисших аминокислот, а получившееся месиво взболтали угольной лопатой, скособоченной влево, и кочергой, скрученной в ту же сторону, в результате чего белки всех будущих земных существ стали ЛЕВОвращающими?!

С. Лем,
«Звездные дневники Ийона Тихого. Путешествие восьмое» (1966 г.)

Вступив из своей комнаты в загадочный мир зазеркалья, маленькая героиня Льюиса Кэррола — английская девочка Алиса — узнала, что эти два мира, на первый взгляд выглядящие столь похожими, на самом деле существенно отличаются. Алиса интуитивно чувствует, что даже молоко в мире-отражении совсем не такое, как тот вкусный и полезный напиток, которым она привыкла наслаждаться у себя в Англии:

«Впрочем, не знаю, можно ли пить зазеркальное молоко? Не повредит ли оно тебе, Китти…» [1]. И правда: то ли Кэррол (то есть, конечно, Чарльз Лютвидж Доджсон) уже знал о стереохимических свойствах органических соединений, то ли предвосхитил это знание, — но так или иначе, подавляющее большинство биологических молекул может существовать в виде двух зеркальных отражений друг друга, не совмещаемых простым наложением. Девятнадцать из 20 природных аминокислот (кроме глицина) являются хиральными, — то есть, расположение заместителей вокруг центрального атома углерода (Cα) может дать две зеркально-симметричные молекулы, похожие друг на друга как перчатки с левой и правой руки.
Пары таких молекул называются стереоизомерами (или оптическими изомерами, или энантиомерами), и по одной из классификаций обозначаются L- и D-аминокислотами (см. рисунок в заглавии).

Одной из самых интересных загадок зарождения жизни является преимущественное использование в качестве «строительных блоков» белков именно L-аминокислот, в то время как их D-аналоги долгое время считались чуть ли не биохимическим недоразумением, которым можно с чистой совестью пренебречь [2–4]. (Впрочем, определённые соображения на этот счет все же есть: см. эпиграф. —  А. Ч.) Однако, время не стоит на месте: в журнале Science появилась статья, авторы которой бросают вызов этому устаревшему представлению и показывают, что D-аминокислоты играют важную роль в жизни бактерий, управляя их реакцией на различные пищевые стимулы [5].

Если вернуться к Алисе, то её сомнения насчет молока были отнюдь не беспочвенными: ведь пара «зеркальных» молекул, хотя во многих отношениях и идентична (например, молекулярная масса, углы и длины связей у них равны), может иметь разительно отличающиеся биологические характеристики.

В частности, Алисе вряд ли удалось бы переварить молоко, белки которого состоят исключительно из D-аминокислот. Такое смещение «равновесия» в сторону L-аминокилот, безусловно, ставит вопрос: а играют ли D-аминокислоты какую-то роль в природе? Исследование Губерта Лэма (Hubert Lam) [5] — учёного из Гарварда и Института Ховарда Хьюза в США, — а также его коллег, показывает, что неизвестное — не значит «не существующее»: согласно их данным, D-аминокислоты управляют у бактерий таким важным процессом как «сборка» клеточной стенки.

Клеточная стенка является, по сути, «крепостной стеной» бактериальной клетки, защищая её от разнообразных неблагоприятных факторов окружающей среды. Состоит она главным образом из пептидогликана — эластичного полимера, в котором сахара и аминокислоты «сшиваются» между собой подобно сетке и охватывают бактериальную мембрану целиком. Одна из ролей D-аминокислот здесь — образовывать поперечные пептидные сшивки между длинными углеводными тяжами пептидогликанов; эти сшивки обогащены D-аланином и D-глутаминовой кислотой, роль которых предположительно заключается в противостоянии расщеплению клеточной стенки враждебными ферментами-гидролазами, «настроенными» только на L-аминокислоты.

Для успешного роста и процветания микроорганизмов пептидогликан должен обладать незаурядной пластичностью: ведь бактерии, оказавшись в богатой питательными веществами среде, немедленно начинают делиться, и клеточная стенка должна делиться вместе с ними, чтобы не оставить потомство без защиты. В период сомнений и тягостных раздумий

стресса же пептидогликан должен, наоборот, становиться жёстче, чтобы максимально усилить защиту бактерии. Однако факторы, управляющие этими сложными превращениями при переходе от «довольства» к голоданию, практически не были известны.

Одним из объектов, с которым работала команда Лэма, является бактерия Vibrio cholerae, или холерный вибрион, являющийся возбудителем острой кишечной инфекции. Исследователи отметили, что состояние клеточной стенки бактерии меняется в зависимости от содержания в питательной среде определённых аминокислот. К удивлению учёных, D- (а не L-!) энантиомеры метионина и лейцина вызывали замедление синтеза пептидогликана и смену «режима» образования поперечных сшивок в клеточной стенке. Роль этих аминокислот в перестройке клеточной стенки была дополнительно подтверждена открытием у холерного вибриона нового фермента, синтезирующего эти D-аминокислоты. Что интересно, в аналогичный процесс у грамположительной бактерии

Bacillus subtilis (сенной палочки) оказались также вовлечены две D-аминокислоты, но другие: D-тирозин и D-фенилаланин.

Как именно под действием D-аминокислот происходит перестройка клеточной стенки, пока в точности не ясно. По-видимому, увеличение их содержания как-то влияет на частоту и/или длину сшивок пептидогликана и, следовательно, на прочность и гибкость. Нельзя исключить также возможность, что D-аминокислоты регулируют активность периплазматических ферментов, синтезирующих и перестраивающих клеточную стенку.

Постепенно накапливаются и другие примеры функциональной важности D-аминокислот. У некоторых видов бацилл образование вегетативных клеток из спор регулируется именно относительным содержанием в среде L- и D-аминокислот, которые, соответственно, индуцируют или замедляют проращивание посредством взаимодействия со специальными рецепторами на поверхности спор [6].

На поверхности капсулы B. anthracis — возбудителя сибирской язвы — находятся полимеры с высоким содержанием D-глутаминовой кислоты, что, по-видимому, защищает бактерию от действия протеаз [7]. D-аминокислоты во множестве содержатся в природных антибиотиках, иммуносупрессорных лекарствах и противоопухолевых веществах [8].

Хотя еще совсем недавно D-аминокислоты считались исключительно «артефактом» бактерий и грибов, появляются данные и о роли этих веществ у эукариот. Эндогенный D-серин выполняет в мозгу млекопитающих функцию нейротрансмиттера [9]. D-аспарагиновая кислота найдена в нейроэндокринных тканях млекопитающих, где она модулирует гормональную секрецию [10].

Возвращаясь напоследок снова к Алисе — точнее, к её создателю Чарлзу Доджсону, — можно высказать предположение, что он (Доджсон) всё-таки знал о вопросах, возникающих в стереохимии, поскольку Луи Пастер (знаменитый химик и микробиолог) был его современником. Пастер к тому моменту уже опубликовал несколько работ по хиральным свойствам винной кислоты, найденной

на дне бутылки во многих восхитительных яствах по эту сторону зеркального стекла, — например, в винах и некоторых фруктах и растениях.

Открытия новых функций D-аминокислот, несомненно, продолжатся, и несправедливой дискриминации этих неплохих, в сущности, соединений недолго ещё осталось жить на Земле 🙂

По материалам рубрики «Перспектива» Science [11].

  1. Кэррол Л. Сквозь зеркало и что там увидела Алиса, или Алиса в Зазеркалье. М.: «Наука», 1991;
  2. Victor S Lamzin, Zbigniew Dauter, Keith S Wilson. (1995). How nature deals with stereoisomers. Current Opinion in Structural Biology. 5, 830-836;
  3. Stephen F. Mason. (1984). Origins of biomolecular handedness.
    Nature
    . 311, 19-23;
  4. V Prelog. (1976). Chirality in chemistry. Science. 193, 17-24;
  5. H. Lam, D.-C. Oh, F. Cava, C. N. Takacs, J. Clardy, et. al.. (2009). D-Amino Acids Govern Stationary Phase Cell Wall Remodeling in Bacteria. Science. 325, 1552-1555;
  6. M. T. McKevitt, K. M. Bryant, S. M. Shakir, J. L. Larabee, S. R. Blanke, et. al.. (2007). Effects of Endogenous D-Alanine Synthesis and Autoinhibition of Bacillus anthracis Germination on In Vitro and In Vivo Infections. Infection and Immunity. 75, 5726-5734;
  7. J. W. Ezzell, S. L. Welkos. (1999). The capsule of Bacillus anthracis, a review. J Appl Microbiol. 87, 250-250;
  8. J. Grunewald, M. A. Marahiel. (2006). Chemoenzymatic and Template-Directed Synthesis of Bioactive Macrocyclic Peptides. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 70, 121-146;
  9. Aude Panatier, Dionysia T. Theodosis, Jean-Pierre Mothet, Bastien Touquet, Loredano Pollegioni, et. al.. (2006). Glia-Derived d-Serine Controls NMDA Receptor Activity and Synaptic Memory. Cell. 125, 775-784;
  10. A. S. Huang. (2006). D-Aspartate Regulates Melanocortin Formation and Function: Behavioral Alterations in D-Aspartate Oxidase-Deficient Mice. Journal of Neuroscience. 26, 2814-2819;
  11. S. R. Blanke. (2009). Expanding Functionality Within the Looking-Glass Universe. Science. 325, 1505-1506.

Wsn180110 – DW – 18.01.2010

Фото: picture-alliance/ dpa

18 января 2010 г.

В основе всех живых организмов лежат белки. Природа сумела создать огромное многообразие белков, используя всего лишь 20 аминокислот в самых разных комбинациях. Но человеку этих кирпичиков показалось мало.

https://p.dw.com/p/LZ2Y

Реклама

Первые в истории человечества искусственные постройки были сооружены, конечно же, из природных материалов — глины, древесины, камней. Сегодня строители располагают поистине необъятным ассортиментом искусственных материалов — от бетона и стали до пластмасс и стекла. Столь широкий выбор стройматериалов и связанные с ними новые возможности предопределили и изменения в архитектуре сооружений. Похоже, сходные метаморфозы ждут нас и в биологии.

Новые задачи требуют новых белков

Природа создала практически все живые организмы — от бактерии до человека — по одному рецепту: наследственная информация, закодированная в генах, определяет состав и последовательность синтеза белков в клетках. Именно белки, собственно, и являются основой жизни — по крайней мере, в той форме, в которой она существует на Земле. Белки же представляют собой высокомолекулярные органические вещества, состоящие преимущественно из аминокислот. Набор аминокислот, образующих белки, невелик: их всего 20, так что все гигантское многообразие свойств белковых молекул определяется лишь различными комбинациями этих аминокислот.

Так задумала природа. Однако эти рамки представляются некоторым исследователям слишком узкими. В их числе и Недилько Будиша (Nediljko Budiša), хорватский ученый, работающий в Германии, в Институте биохимии Общества Макса Планка в Мартинсриде близ Мюнхена: «Все живые организмы используют эти 20 основных кирпичиков для синтеза белков, — поясняет ученый. — Но природа не могла предусмотреть, что мы поставим перед собой какие-то новые цели и начнем развивать биотехнологии».

Это и побудило исследователя взяться за создание новых аминокислот — с тем, чтобы использовать их в качестве составных элементов новых белков. Он начал с того, что сконструировал две не существующие в природе аминокислоты, а затем ему удалось заставить бактерии производить белки, в состав которых вошли и эти самые искусственные субстанции. Сегодня ученый уже владеет богатым ассортиментом приемов, с помощью которых он может заставить бактерии встраивать в синтезируемые ими белки самые разные химические элементы, природой там отнюдь не предусмотренные.

Фторопласты, липазы и катализаторы

«Фтор — это элемент, который природа практически никогда не использовала, или использовала крайне редко, — говорит Недилько Будиша. — Так, в организме человека фтор содержится разве что в зубной эмали. Это связано, прежде всего, с тем, что фториды — кристаллические соединения, в форме которых фтор встречается в природе, — нерастворимы в воде. Между тем, за последние годы и десятилетия в мире сформировалось целое направление органической химии, занимающееся фторсодержащими соединениями. Это чрезвычайно перспективное направление, здесь уже имеются весьма значительные достижения. Если мы искусственно создадим фторсодержащую аминокислоту и встроим ее в белок, то такой белок может и в органических растворителях быть таким же активным, как в воде».

Химической промышленности такие фторсодержащие белки будут как нельзя более кстати. Ведь сегодня фторопласты, то есть полимеры, содержащие атомы фтора и обладающие поэтому высокой химической стойкостью, получают чисто химическим путем, используя метод электролиза. Между тем, в биореакторах синтез фторопластов был бы более экологичным и обходился бы дешевле, — уверен Недилько Будиша.

Еще один пример — это липазы, водорастворимые ферменты, помогающие расщеплять жиры. Они широко применяются в моющих средствах и стиральных порошках. Путем внедрения в состав этих ферментов целого ряда специальных, не существовавших ранее в природе, аминокислот исследователю удалось существенно повысить эффективность моющих средств.

«Если говорить о важных в промышленном отношении ферментах, то их эффективность — как, например, в случае с этими липазами, — можно повысить ни много ни мало в 10 раз, — подчеркивает Недилько Будиша. — Ну, скажем, в 10 раз уменьшить расход катализаторов, необходимых для поддержания технологических процессов. Ведь эти катализаторы чрезвычайно дороги, и вот появляется возможность повысить их эффективность в 10 раз».

То, что поначалу выглядело — а возможно, и было, — забавой, сегодня стало уже серьезной инновацией. Казалось бы, промышленность должна двумя руками ухватиться за эту разработку. Но не тут-то было, — сетует Недилько Будиша: «Сравнивая свою ситуацию с ситуацией моих американских коллег, я должен сказать, что немецкая промышленность не проявляет особого интереса к новым технологиям. Она берет только то, что полностью готово к внедрению и не требует никаких дополнительных капиталовложений».

Впрочем, 20-ти аминокислотам потребовалось 3,5 миллиарда лет на то, чтобы прочно занять свое место в составе белков. Ясно, что новичкам приходится туго.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Дарья Брянцева

Реклама

Пропустить раздел Еще по теме

Еще по теме

Показать еще

Пропустить раздел Топ-тема

1 стр. из 3

Пропустить раздел Другие публикации DW

На главную страницу

Аминокислоты | Биология по специальности I

Результаты обучения

  • Продемонстрировать знакомство с мономерными единицами белков: аминокислотами

Белки являются одними из самых распространенных органических молекул в живых системах и обладают самым разнообразным набором функций среди всех макромолекул. Белки могут быть структурными, регуляторными, сократительными или защитными; они могут служить при транспортировке, хранении или мембранах; или они могут быть токсинами или ферментами. Каждая клетка живой системы может содержать тысячи белков, каждый из которых выполняет уникальную функцию. Их структура, как и их функции, сильно различаются. Однако все они являются полимерами аминокислот , расположенных в линейной последовательности.

Рисунок 1. Аминокислоты имеют центральный асимметричный углерод, к которому присоединены аминогруппа, карбоксильная группа, атом водорода и боковая цепь (группа R).

Аминокислоты представляют собой мономеры, из которых состоят белки. Каждая аминокислота имеет одинаковую фундаментальную структуру, которая состоит из центрального атома углерода, также известного как альфа ( α ) углерода, связанного с аминогруппой (Nh3), карбоксильной группой (COOH) и атомом водорода. . Каждая аминокислота также имеет другой атом или группу атомов, связанных с центральным атомом, известную как группа R (рис. 1).

Название «аминокислота» происходит от того факта, что они содержат как аминогруппу, так и карбоксильную группу в своей основной структуре. Как уже упоминалось, в белках присутствует 20 аминокислот. Девять из них считаются незаменимыми аминокислотами для человека, потому что человеческий организм не может их вырабатывать и они поступают с пищей.

Для каждой аминокислоты группа R (или боковая цепь) отличается (рис. 2).

Практический вопрос

Рисунок 2. В белках обычно встречаются 20 аминокислот, каждая из которых имеет свою R-группу (вариантную группу), которая определяет ее химическую природу.

Какие категории аминокислот вы ожидаете обнаружить на поверхности растворимого белка и какие внутри? Какое распределение аминокислот вы ожидаете найти в белке, встроенном в двойной липидный слой?

Показать ответ

Химическая природа боковой цепи определяет природу аминокислоты (то есть, является ли она кислотной, основной, полярной или неполярной). Например, аминокислота глицин имеет атом водорода в качестве группы R. Аминокислоты, такие как валин, метионин и аланин, являются неполярными или гидрофобными по своей природе, в то время как аминокислоты, такие как серин, треонин и цистеин, являются полярными и имеют гидрофильные боковые цепи. Боковые цепи лизина и аргинина заряжены положительно, поэтому эти аминокислоты также известны как основные аминокислоты. Пролин имеет группу R, которая связана с аминогруппой, образуя кольцеобразную структуру. Пролин является исключением из стандартной структуры аминокислоты, поскольку его аминогруппа не отделена от боковой цепи (рис. 2).

Аминокислоты обозначаются одной заглавной буквой или трехбуквенным сокращением. Например, валин известен под буквой V или трехбуквенным символом val. Так же, как некоторые жирные кислоты необходимы для диеты, некоторые аминокислоты также необходимы. Они известны как незаменимые аминокислоты, и у человека они включают изолейцин, лейцин и цистеин. Незаменимые аминокислоты относятся к аминокислотам, необходимым для построения белков в организме, хотя и не вырабатываемым организмом; какие аминокислоты являются незаменимыми, варьируется от организма к организму.

Рисунок 3. Образование пептидной связи представляет собой реакцию синтеза дегидратации. Карбоксильная группа одной аминокислоты связана с аминогруппой входящей аминокислоты. При этом высвобождается молекула воды.

Последовательность и количество аминокислот в конечном итоге определяют форму, размер и функцию белка. Каждая аминокислота связана с другой аминокислотой ковалентной связью, известной как пептидная связь, которая образуется в результате реакции дегидратации. Карбоксильная группа одной аминокислоты и аминогруппа входящей аминокислоты соединяются, высвобождая молекулу воды. Образовавшаяся связь представляет собой пептидную связь (рис. 3).

Продукты, образованные такими связями, называются пептидами. По мере того, как к этой растущей цепи присоединяется все больше аминокислот, получающаяся в результате цепь известна как полипептид. Каждый полипептид имеет свободную аминогруппу на одном конце. Этот конец называется N-концом или амино-концом, а другой конец имеет свободную карбоксильную группу, также известную как C или карбоксильный конец. Хотя термины «полипептид» и «белок» иногда используются взаимозаменяемо, полипептид технически представляет собой полимер аминокислот, тогда как термин «белок» используется для полипептида или полипептидов, которые объединены вместе, часто имеют связанные непептидные простетические группы, имеют четкую форму. , и имеют уникальную функцию. После синтеза белка (трансляции) большинство белков модифицируются. Они известны как посттрансляционные модификации. Они могут подвергаться расщеплению, фосфорилированию или могут потребовать добавления других химических групп. Только после этих модификаций белок становится полностью функциональным.

Эволюционное значение цитохрома с

Цитохром с является важным компонентом цепи переноса электронов, частью клеточного дыхания и обычно находится в клеточных органеллах, митохондриях. Этот белок имеет простетическую группу гема, и центральный ион гема попеременно восстанавливается и окисляется при переносе электрона. Поскольку роль этого незаменимого белка в производстве клеточной энергии имеет решающее значение, она очень мало изменилась за миллионы лет. Секвенирование белка показало, что у разных видов существует значительная степень гомологии аминокислотной последовательности цитохрома с; другими словами, эволюционное родство можно оценить, измерив сходство или различие последовательностей ДНК или белков разных видов.

Ученые определили, что цитохром с человека содержит 104 аминокислоты. Для каждой молекулы цитохрома с из разных организмов, которая была секвенирована на сегодняшний день, 37 из этих аминокислот находятся в одном и том же положении во всех образцах цитохрома с. Это указывает на то, что у них мог быть общий предок. При сравнении последовательностей белков человека и шимпанзе различий в последовательностях обнаружено не было. Когда сравнивали последовательности человека и макаки-резуса, единственное обнаруженное различие заключалось в одной аминокислоте. В другом сравнении секвенирование человека и дрожжей показывает разницу в 44-м положении.

Попробуйте

У вас есть идеи по улучшению этого контента? Мы будем признательны за ваш вклад.

Улучшить эту страницуПодробнее

аминокислота | Изучайте науку в Scitable

Amino кислоты представляют собой небольшие молекулы, которые являются строительными блоками белков. Белки служат структурной опорой внутри клетки и выполняют многие жизненно важные функции. химические реакции. Каждый белок представляет собой молекулу, состоящую из различных комбинации 20 типов более мелких и простых аминокислот. Белковые молекулы длинные цепочки аминокислот, свернутые в трехмерную форму.

Химически, аминокислота представляет собой молекулу, которая имеет карбоксильную группу и аминогруппу каждый из которых присоединен к атому углерода, называемому α-углеродом. Каждый из 20 аминокислоты имеют специфическую боковую цепь, известную как группа R, которая также присоединен к α-углероду. Группы R имеют разнообразные формы, размеры, заряды и реактивность. Это позволяет сгруппировать аминокислоты по химические свойства их боковых цепей. Например, некоторые аминокислоты. имеют полярные боковые цепи, растворимые в воде; примеры включают серин, треонин и аспарагин. Другие аминокислоты избегают воды и называются гидрофобные, такие как изолейцин, фенилаланин и валин. Аминокислота цистеин имеет химически реактивную боковую цепь, которая может образовывать связи с другими цистеин.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *