Informácie

Prečo sa aminokyseliny nespájajú vo funkčných skupinách kyslých a zásaditých aminokyselín?

Prečo sa aminokyseliny nespájajú vo funkčných skupinách kyslých a zásaditých aminokyselín?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Existujú „kyslé“ a „zásadité“ aminokyseliny ako aspartát a histidín.

Keď sa proteín syntetizuje s týmito aminokyselinami, čo zaisťuje, že aminokyseliny, ktoré sa majú zostaviť, sa nebudú viazať na amínové skupiny alebo kyslé skupiny vo funkčných skupinách aminokyselín v polypeptide?


Keď aminokyselina prichádza na ribozóm, je vo forme aminoacylovej tRNA, v ktorej je karboxylová skupina aminokyseliny esterifikovaná 3' OH skupinou ribózovej časti na 3' konci tRNA.

V mieste P ribozómu je už naviazaný rastúci peptid s voľnou -COOH skupinou, ktorá bude reagovať s -NH2 skupina prichádzajúcej aminokyseliny v mieste A za vzniku ďalšej peptidovej väzby. Táto reakcia prebieha v kontexte toho, čo je v podstate enzymaticky aktívne miesto. Reaktanty budú držané v správnych polohách, aby mohla prebiehať katalýza (v tomto prípade sa katalýza uskutočňuje ribozýmovou aktivitou malej ribozomálnej RNA).

Takže odpoveď je, že selektivita tejto reakcie je len ďalším príkladom spôsobu, akým sú enzýmy schopné vykonávať vysoko špecifické reakcie. Takže napríklad enzým hexokináza, ktorý fosforyluje glukózu v polohe 6, má potenciálne štyri ďalšie -OH skupiny, ktoré by sa, chemicky povedané, mohli fosforylovať.


Myslím si, že sa stáva, že k postranným reťazcom môže dôjsť k peptidovým väzbám. Z dôvodov, ktoré uvádza @AlanBoyd, sa to nestane pri konvenčnej syntéze peptidov a je to v zásade odpoveď na túto otázku.

Ak chcete pridať poznámku:

Neribozomálne peptidové syntázy môžu produkovať peptidy s mnohými následnými neortodoxnými modifikáciami. Ak sa pozriete na štruktúru bacitracínu, verím, že veľký kruh je uzavretý kondenzáciou medzi lyzínovým amínom a karboxylátom aminokyseliny na druhom konci kruhu. Malo by byť veľa iných príkladov.

Takzvané sekundárne metabolické dráhy vytvárajú mnoho rôznych zlúčenín - zdá sa, že je možné takmer všetko.


Prečo sa aminokyseliny nespájajú vo funkčných skupinách kyslých a zásaditých aminokyselín? - Biológia

Prolín zdieľa mnoho vlastností s alifatickou skupinou.

Prolín formálne NIE JE aminokyselina, ale an iminokyselina. Napriek tomu sa nazýva aminokyselina. Primárny amín na alfa uhlíku glutamátového semialdehydu tvorí Schiffovu bázu s aldehydom, ktorý sa potom redukuje, čím sa získa prolín.

Keď je prolín v peptidovej väzbe, nemá vodík na &alfa aminoskupine, takže nemôže darovať vodíkovú väzbu na stabilizáciu &alfa helixu alebo &beta listu. Často sa nepresne hovorí, že prolín nemôže existovať v &alfa helixe. Keď sa prolín nachádza v &alfa špirále, špirála bude mať mierny ohyb v dôsledku nedostatku vodíkovej väzby.

Prolín sa často nachádza na konci &alfa špirály alebo v zákrutách alebo slučkách. Na rozdiel od iných aminokyselín, ktoré existujú takmer výlučne v trans- tvoria sa v polypeptidoch, prolín môže existovať v cis-konfigurácia v peptidoch. The cis a trans formy sú takmer izoenergetické. The cis/trans izomerizácia môže hrať dôležitú úlohu pri skladaní proteínov a v tomto kontexte sa o nej bude diskutovať viac.


Oxidácia cysteínu

Tiolová (obsahujúca síru) skupina cysteínu je vysoko reaktívna. Najbežnejšou reakciou tejto skupiny je reverzibilná oxidácia, pri ktorej vzniká disulfid. Oxidáciou dvoch molekúl cysteínu vzniká cystín, molekula, ktorá obsahuje disulfidovú väzbu. Keď dva cysteínové zvyšky v proteíne tvoria takúto väzbu, označuje sa to ako disulfidový mostík. Disulfidové mostíky sú bežným mechanizmom používaným v prírode na stabilizáciu mnohých proteínov. Takéto disulfidové mostíky sa často nachádzajú medzi extracelulárnymi proteínmi, ktoré sa vylučujú z buniek. V eukaryotických organizmoch dochádza k tvorbe disulfidových mostíkov v organele nazývanej endoplazmatické retikulum.

V extracelulárnych tekutinách (ako je krv) sa sulfhydrylové skupiny cysteínu rýchlo oxidujú za vzniku cystínu. Pri genetickej poruche známej ako cystinúria existuje porucha, ktorá vedie k nadmernému vylučovaniu cystínu do moču. Pretože cystín je najmenej rozpustný z aminokyselín, kryštalizácia vylúčeného cystínu vedie k tvorbe kameňov – bežnejšie známych ako „kamene“ – v obličkách, močovode alebo močovom mechúre. Kamene môžu spôsobiť intenzívnu bolesť, infekciu a krv v moči. Lekársky zásah často zahŕňa podávanie d-penicilamínu. Penicilamín funguje tak, že tvorí komplex s cystínom, tento komplex je 50-krát rozpustnejší vo vode ako samotný cystín.

Stručne povedané, je to sekvencia aminokyselín, ktorá určuje tvar a biologickú funkciu proteínu, ako aj jeho fyzikálne a chemické vlastnosti. Funkčná diverzita proteínov teda vzniká, pretože proteíny sú polyméry 20 rôznych druhov aminokyselín. Napríklad „jednoduchý“ proteín je hormón inzulín, ktorý má 51 aminokyselín. S 20 rôznymi aminokyselinami na výber v každej z týchto 51 pozícií, celkovo 2051 alebo približne 1066, by sa teoreticky dali vyrobiť rôzne proteíny.


Aminokyselina vo forme zwitteriónu

Pretože karboxylová skupina je kyslá a aminoskupina zásaditá, budú tieto dve existovať ako zwitterión vo svojich konjugovaných nabitých formách pri fyziologickom pH. Viac o nábojoch zwitteriónu a aminokyselín v mojom ďalšom článku (odkaz na nasledovanie).

Jeden posledný koncept predtým, ako rozložíme jednotlivé aminokyseliny, a to je 3-rozmerná štruktúra proteínov. V biologickom systéme štruktúra určuje funkciu, takže pochopenie vlastností aminokyselín je kľúčom k pochopeniu štruktúry a v konečnom dôsledku funkcie proteínu.

Primárna štruktúra 3-D proteínu
Prvým a dôležitejším faktorom určujúcim štruktúru bielkovín je poradie aminokyselín. Ak je polypeptidový reťazec pripojený v inom poradí, získate veľmi odlišnú celkovú štruktúru.

Sekundárna štruktúra 3-D proteínu
Sekundárna štruktúra pochádza z hlavných interakcií vodíkových väzieb. Peptidová väzba premení každú bývalú karboxylovú a aminoskupinu na amidovú funkčnú skupinu. Sekundárna štruktúra alfa helixu a beta skladaných listov pochádza z vodíkovej väzby medzi čiastočne záporným kyslíkom na karbonyle a čiastočne kladným vodíkom na dusíku.

Terciárna štruktúra 3-D proteínu
Terciárna štruktúra je miestom, kde sa zavádza skutočné 3-dimenzionálne skladanie a toto je prvýkrát, čo si všimnete interakcie bočného reťazca. TOTO sú znalosti a pochopenie bočných reťazcov aminokyselín rozhodujúce.

Dovoľte mi zopakovať, terciárna štruktúra je prvýkrát, čo uvidíte interakcie postranných reťazcov R-skupiny na polypeptidovom reťazci. Mnoho študentov si to mýli so sekundárnou štruktúrou, ktorá je len chrbticovou interakciou.

Kvartérna štruktúra 3-D multi-polypeptidového proteínu
Kvartérna štruktúra sa týka interakcií variabilných skupín medzi rôznymi polypeptidmi za vzniku jedného väčšieho proteínu.

Kvartérne štruktúry sa nenachádzajú v každom proteíne. Ak proteín obsahuje iba jeden reťazec aminokyseliny, potom najvyššia úroveň skladania je jeho terciárna štruktúra. Ak sa však proteín skladá z viacerých polypeptidových podjednotiek, potom kvartérna štruktúra je to, čo drží rôzne polypeptidy pohromade.

Teraz, keď ste pochopili význam charakteristík bočného reťazca, poďme sa ponoriť do aminokyselín. Majte na pamäti, že keďže rodičovské amino a karboxylové skupiny sú „zaneprázdnené“ primárnou/sekundárnou štruktúrou, NIE sú analyzované pri štúdiu vlastností a charakteristík bočného reťazca.
To znamená, že ignorujete akúkoľvek potenciálnu polaritu na karboxylových aj aminoskupinách a pozeráte sa LEN na vedľajšie reťazce.


Kyselina verzus zásada: Základy o kyselinách

V chémii hovoríme o molekulách (ktoré sa samy o sebe skladajú z atómov). Základná molekula alebo zlúčenina je opakom kyseliny. Kyseliny sú zlúčeniny, ktoré dodávajú vodíkový ión (H+) zásade, zatiaľ čo zásaditá zlúčenina môže odstrániť protón (H+ je protón) z kyseliny. Silná zásaditá molekula môže deprotonovať alebo prijať protón slabšej kyseliny, ako je voda.

Voda, kyseliny a zásady

Molekuly vodíka sú dôvodom, prečo sa zásady a kyseliny často merajú v úrovniach pH (pH znamená „potenciál vodíka“) v súvislosti s čistou vodou. Stupnica pH sa pohybuje od 0 do 14. pH čistej vody je 7, presne v strede.

Keď sa kyselina rozpustí vo vode, stáva sa roztokom s vyššou aktivitou vodíkových iónov ako voda, čím sa stáva kyslejším s hodnotou pH menej ako 7. Keď sa báza rozpustí vo vode, vytvorí roztok s nižšou aktivitou vodíka ako voda, čo dáva hodnotu pH väčší než 7. Zásady, ktoré sa rozpúšťajú vo vode, sa nazývajú zásady. Zhrnúť:

  • Čistá voda
    • Úroveň pH: 7
    • Čistú vodu môžu ľudia prehltnúť, nie je žieravá ani žieravá a nepopáli ľudskú pokožku.
    • Úroveň pH: menej ako 7 (< 7)
    • Pomenovaný z lat acidus alebo acere, čo znamená kyslé.
    • Kyseliny sú žieravé.
    • Kyseliny v kombinácii s alkáliami strácajú svoju kyslosť.
    • Príkladmi sú: kyselina citrónová (citrónová šťava), kyselina octová (ocot), žalúdočná kyselina a kyselina z batérie.
    • Úroveň pH: vyššia ako (>7)
    • Zásady, ktoré sa môžu rozpustiť vo vode, sú tiež známe ako alkálie alebo alkalické látky.
    • Alkálie sú žieravé.
    • Pri vysokej koncentrácii korozívna látka spôsobí chemické popáleniny.
    • Príkladmi sú: morská voda, sóda bikarbóna, čpavok, záhradné vápno a silný lúh.

    Pre rekapituláciu: čím ďalej sa dostanete od čistej vody na stupnici pH, tým sa látka stáva leptavejšou alebo leptavejšou, a teda škodlivejšou (napríklad pre ľudskú pokožku). Na spodnom konci kyselín môžete piť pomarančový džús a na spodnom konci zásad môžete plávať v morskej vode. Na najvyššej úrovni kyselín máte kyselinu do batérií a na najvyššej úrovni zásad máte bielidlo, čistič odpadových vôd a lúh, ktoré si možno pamätáte z filmu z roku 1999 Bojový klub. Stalo sa to, keď postava Brada Pitta zmiešala ľudské sliny s lúhom na koži postavy Edwarda Nortona a povedala: "Toto je chemické popálenie. <. > Môžete použiť vodu a zhoršiť to, alebo použiť ocot na neutralizáciu popálenia." Ocot je 2 na stupnici pH, kyselina, ktorá skutočne dokáže neutralizovať silnú zásadu, ako je lúh (13 na stupnici pH).


    3.2.1. Proteíny majú jedinečné sekvencie aminokyselín, ktoré sú špecifikované génmi

    V roku 1953 Frederick Sanger určil aminokyselinovú sekvenciu inzulínu, proteínového hormónu (obrázok 3.22). Táto práca je medzníkom v biochémii, pretože prvýkrát ukázala, že proteín má presne definovanú sekvenciu aminokyselín. Okrem toho sa preukázalo, že inzulín pozostáva iba z 1 aminokyselín spojených peptidovými väzbami medzi α-amino a α-karboxylovými skupinami. Tento úspech podnietil ďalších vedcov, aby vykonali sekvenčné štúdie širokej škály proteínov. V skutočnosti sú teraz známe kompletné aminokyselinové sekvencie viac ako 100 000 proteínov. Pozoruhodným faktom je, že každý proteín má jedinečnú, presne definovanú sekvenciu aminokyselín. Aminokyselinová sekvencia proteínu sa často označuje ako jeho primárna štruktúra.

    Obrázok 3.22

    Aminokyselinová sekvencia hovädzieho inzulínu.

    Séria prenikavých štúdií koncom 50. a začiatkom 60. rokov odhalila, že aminokyselinové sekvencie proteínov sú geneticky určené. Sekvencia nukleotidov v DNA, molekula dedičnosti, špecifikuje komplementárnu sekvenciu nukleotidov v RNA, ktorá zase špecifikuje aminokyselinovú sekvenciu proteínu. Konkrétne, každá z 20 aminokyselín repertoáru je kódovaná jednou alebo viacerými špecifickými sekvenciami troch nukleotidov (časť 5.5).

    Poznanie aminokyselinových sekvencií je dôležité z niekoľkých dôvodov. Po prvé, znalosť sekvencie proteínu je zvyčajne nevyhnutná na objasnenie mechanizmu jeho účinku (napr. katalytického mechanizmu enzýmu). Okrem toho môžu byť proteíny s novými vlastnosťami generované zmenou sekvencie známych proteínov. Po druhé, aminokyselinové sekvencie určujú trojrozmerné štruktúry proteínov. Aminokyselinová sekvencia je spojením medzi genetickou správou v DNA a trojrozmernou štruktúrou, ktorá vykonáva biologickú funkciu proteínu. Analýzy vzťahov medzi aminokyselinovými sekvenciami a trojrozmernými štruktúrami proteínov odhaľujú pravidlá, ktorými sa riadi skladanie polypeptidových reťazcov. Po tretie, sekvenčné stanovenie je súčasťou molekulárnej patológie, rýchlo rastúcej oblasti medicíny. Zmeny v sekvencii aminokyselín môžu spôsobiť abnormálnu funkciu a ochorenie. Závažné a niekedy smrteľné ochorenia, ako je kosáčikovitá anémia a cystická fibróza, môžu byť výsledkom zmeny jedinej aminokyseliny v proteíne. Po štvrté, sekvencia proteínu prezrádza veľa o jeho evolučnej histórii (pozri kapitolu 7). Proteíny sa navzájom podobajú v sekvencii aminokyselín iba vtedy, ak majú spoločného predka. V dôsledku toho možno molekulárne udalosti v evolúcii vysledovať zo sekvencií aminokyselín, molekulárna paleontológia je prosperujúcou oblasťou výskumu.


    Stručný sprievodca dvadsiatimi bežnými aminokyselinami

    klikni na zväčšenie

    Proteíny, ktoré tvoria živé organizmy, sú obrovské molekuly, ale skladajú sa z menších stavebných blokov, známych ako aminokyseliny. V prírode sa nachádza viac ako 500 aminokyselín, no z nich ľudský genetický kód priamo kóduje iba 20. Každý proteín vo vašom tele sa skladá z nejakej prepojenej kombinácie týchto aminokyselín – tento obrázok znázorňuje štruktúru každý, ako aj uvedenie niekoľkých informácií o spôsobe zápisu použitého na ich reprezentáciu.

    Vo všeobecnosti možno týchto dvadsať aminokyselín rozdeliť do dvoch skupín: esenciálne a neesenciálne. Neesenciálne aminokyseliny sú tie, ktoré je ľudské telo schopné syntetizovať, zatiaľ čo esenciálne aminokyseliny musia byť získané zo stravy. Neesenciálne aminokyseliny sú alanín, arginín, asparagín, aspartát, cysteín, kyselina glutámová, glutamín, glycín, prolín, serín a tyrozín, niektoré z nich možno označiť aj ako ‘podmienečne esenciálne’, čo znamená, že môžu byť potrebné od diéta počas choroby alebo v dôsledku zdravotných problémov. Táto podkategória zahŕňa arginín, glycín, cysteín, tyrozín, prolín a glutamín. Esenciálne aminokyseliny sú histidín, izoleucín, leucín, lyzín, metionín, fenylalanín, treonín, tryptofán a valín.

    Aminokyseliny si telo nedokáže ukladať rovnakým spôsobom ako tuk a škrob, preto je dôležité, aby sme tie, ktoré si nedokážeme syntetizovať, získavali zo stravy. Ak tak neurobíte, môže dôjsť k inhibícii syntézy bielkovín v tele, čo môže mať celý rad následných zdravotných účinkov. Aminokyseliny sa získavajú rozkladom bielkovín v strave, takže strava s nedostatkom bielkovín môže mať vplyv na príjem esenciálnych aminokyselín.

    Pretože proteíny tvorené aminokyselinami môžu byť neuveriteľne veľké molekuly, je veľmi časovo náročné a ťažké zistiť ich chemickú štruktúru rovnakým spôsobom, ako to robíme pre menšie molekuly. Z tohto dôvodu sú bežným aminokyselinám, ktoré tvoria proteíny, priradené kódy, ktoré môžu byť použité na ich reprezentáciu, keď sa vyskytujú v molekulách, aby sa uľahčil opis štruktúry proteínov. Existujú trojpísmenové aj jednopísmenové kódy, pôvod jednopísmenových kódov bol spôsobený požiadavkou, keď boli počítače staršie a neohrabanejšie, zmenšiť veľkosť súborov používaných na opis sekvencií aminokyselín tvoriacich proteíny. Tieto jednopísmenové kódy vyvinula Dr. Margaret Oakley Dayhoffová, považovaná za priekopníčku v oblasti bioinformatiky (používanie softvéru a informačných systémov na ukladanie, organizovanie a interpretáciu biologických údajov).

    Hoci táto tabuľka ukazuje 20 aminokyselín, ktoré ľudský genetický kód priamo kóduje, prebehla určitá diskusia o tom, či by iná aminokyselina mala byť klasifikovaná ako 21. alebo nie. Selenocysteín je aminokyselina, ktorá sa nachádza v malom počte ľudských proteínov na rozdiel od 20 tu zobrazených, nie je však kódovaná priamo, ale špeciálnym spôsobom. Ešte ďalší, pyrolyzín, je kódovaný podobným spôsobom a považuje sa za 22. aminokyselinu.

    (Poznámka: Iný spôsob delenia aminokyselín je založený na ich fyzikálnych vlastnostiach. Prehľad tejto metódy kategorizácie aminokyselín si môžete pozrieť tu.)

    Môžete si tiež stiahnuť verziu grafiky, ktorá zobrazuje kodóny DNA pre každú z aminokyselín, ako aj štruktúry pri fyziologickom (telesnom) pH.


    Prečo sa aminokyseliny nespájajú vo funkčných skupinách kyslých a zásaditých aminokyselín? - Biológia

    PREDSTAVUJEME AMINOKYSELINY

    Táto stránka vysvetľuje, čo sú aminokyseliny, so zameraním na 2-aminokyseliny, ktoré sú biologicky dôležité. Podrobne sa zaoberá ich jednoduchými fyzikálnymi vlastnosťami, ako je rozpustnosť a teplota topenia.

    Aminokyseliny sú presne také, ako sa hovorí! Sú to zlúčeniny obsahujúce aminoskupinu -NH2a skupina karboxylovej kyseliny, -COOH.

    Biologicky dôležité aminokyseliny majú aminoskupinu pripojenú k atómu uhlíka vedľa skupiny -COOH. Sú známe ako 2-aminokyseliny. Sú tiež známe (trochu mätúce) ako alfa-aminokyseliny. To sú tie, na ktoré sa zameriame.

    Dve najjednoduchšie z týchto aminokyselín sú kyselina 2-aminoetánová a kyselina 2-aminopropánová.

    Kvôli biologickému významu molekúl, ako sú tieto, sú bežne známe pod ich tradičnými biochemickými názvami.

    Zvyčajne sa nazýva napríklad kyselina 2-aminoetánová glycína kyselina 2-aminopropánová je zvyčajne známa ako alanín.

    Všeobecný vzorec pre 2-aminokyseliny je:

    . . . kde "R" môže byť dosť komplikovaná skupina obsahujúca ďalšie aktívne skupiny ako -OH, -SH, iné amínové alebo karboxylové skupiny atď. Rozhodne to NIE JE nevyhnutne jednoduchá uhľovodíková skupina!

    Poznámka: Pre úplnú presnosť má jedna z 20 biologicky dôležitých aminokyselín (prolín) trochu inú štruktúru. Skupina "R" je ohnutá do kruhu, ktorý sa opäť viaže na dusík namiesto jedného z vodíkov. Táto komplikácia v skutočnosti nerobí veľký rozdiel v chémii zlúčeniny - dusík sa stále správa rovnakým spôsobom ako v iných aminokyselinách. Toto nie je niečo, o čo by ste sa mali na úvodnej úrovni pre chemické účely obávať.

    Aminokyseliny sú kryštalické pevné látky s prekvapivo vysokými teplotami topenia. Je ťažké presne určiť body topenia, pretože aminokyseliny majú tendenciu sa rozkladať skôr, ako sa roztopia. Rozklad a topenie majú tendenciu byť v rozmedzí 200 - 300 ° C.

    Vzhľadom na veľkosť molekúl je to veľmi vysoké. Musí sa stať niečo nezvyčajné.

    Ak sa znova pozriete na všeobecnú štruktúru aminokyseliny, uvidíte, že má tak zásaditú amínovú skupinu, ako aj skupinu kyslej karboxylovej kyseliny.

    Dochádza k vnútornému prenosu vodíkového iónu zo skupiny -COOH na -NH2 skupiny, aby zostal ión so záporným aj kladným nábojom.

    Toto sa nazýva a zwitterion.

    Zwitterión je zlúčenina bez celkového elektrického náboja, ktorá však obsahuje oddelené časti, ktoré sú kladne a záporne nabité.

    Toto je forma, v ktorej existujú aminokyseliny aj v pevnom stave. Namiesto slabších vodíkových väzieb a iných medzimolekulových síl, ktoré by ste mohli očakávať, máte v skutočnosti oveľa silnejšie iónové príťažlivosti medzi jedným iónom a jeho susedmi.

    Tieto iónové príťažlivosti vyžadujú viac energie na rozbitie, a preto majú aminokyseliny vysoké teploty topenia vzhľadom na veľkosť molekúl.

    Aminokyseliny sú všeobecne rozpustné vo vode a nerozpustné v nepolárnych organických rozpúšťadlách, ako sú uhľovodíky.

    To opäť odráža prítomnosť zwitteriónov. Vo vode sú iónové príťažlivosti medzi iónmi v pevnej aminokyseline nahradené silnými príťažlivosťami medzi polárnymi molekulami vody a zwitteriónmi. Je to takmer rovnaké ako ktorákoľvek iná iónová látka rozpúšťajúca sa vo vode.

    Rozsah rozpustnosti vo vode sa mení v závislosti od veľkosti a povahy skupiny "R".

    Poznámka: V tomto bode by som sa normálne pokúsil dať do súvislosti skutočné hodnoty rozpustnosti rôznych aminokyselín s ich štruktúrou. Žiaľ, z hodnôt rozpustnosti, ktoré som získal (a nie som presvedčený, že sú nevyhnutne správne), nemôžem nájsť žiadne zjavné vzorce – v skutočnosti existujú naozaj veľmi zvláštne prípady.

    Nedostatočná rozpustnosť v nepolárnych organických rozpúšťadlách, ako sú uhľovodíky, je spôsobená nedostatočnou príťažlivosťou medzi molekulami rozpúšťadla a zwitteriónmi. Bez silnej príťažlivosti medzi rozpúšťadlom a aminokyselinou sa neuvoľní dostatok energie na roztrhnutie iónovej mriežky.

    Ak sa ešte raz pozriete na všeobecný vzorec pre aminokyselinu, uvidíte, že (okrem glycínu, kyseliny 2-aminoetánovej) má uhlík v strede štruktúry pripojené štyri rôzne skupiny. V glycíne je skupina "R" ďalším atómom vodíka.

    To isté platí, ak namiesto tejto jednoduchšej štruktúry nakreslíte štruktúru zwitteriónu.

    Kvôli týmto štyrom rôznym skupinám pripojeným k rovnakému atómu uhlíka sú aminokyseliny (okrem glycínu). chirálny.

    Dôležité: Ak neviete presne tak čo to znamená, kliknite na tento odkaz na stránku o optickej izomérii. Optickú aktivitu aminokyselín nájdete v spodnej časti tejto stránky, ale prečítajte si celú stránku, aby ste si boli istí, že rozumiete tomu, čo sa deje.

    Na návrat na túto stránku použite tlačidlo SPÄŤ v prehliadači.

    Neprítomnosť roviny symetrie znamená, že budú existovať dva stereoizoméry aminokyseliny (okrem glycínu) - jeden neprekrývateľný zrkadlový obraz druhého.

    Pre všeobecnú 2-aminokyselinu sú izoméry:

    Poznámka: Ak neviete, čo znamenajú rôzne symboly dlhopisov, nemali ste sa dostať až sem! Prejdite na vyššie uvedený odkaz na stránku o optickej izomérii. Prečítajte si túto stránku a kliknite na ďalší odkaz na tejto stránke na kreslenie organických molekúl.

    Na návrat na túto stránku použite tlačidlo SPÄŤ v prehliadači.

    Všetky prirodzene sa vyskytujúce aminokyseliny majú v tomto diagrame pravú štruktúru. Toto je známe ako konfigurácia "L-". Druhá je známa ako konfigurácia "D-".

    Takmer určite to nemusíte vedieť na účely chémie na úrovni Spojeného kráľovstva A, ale ak vás to zaujíma, konfiguráciu L môžete rozpoznať tak, že si predstavíte, že sa pozeráte zhora na pravú štruktúru v poslednom diagrame - inými slovami, s atómom vodíka, ktorý je vám najbližšie. Ak budete čítať okolo ostatných skupín v smere hodinových ručičiek, dostanete slovo CORN.

    Pozor: Existujú rôzne iné spôsoby, ako to vyriešiť aj na základe slova CORN, ale pri pohľade na molekulu z iného uhla pohľadu, čo by mohlo znamenať, že CORN musí byť aplikovaná proti smeru hodinových ručičiek a nie proti smeru hodinových ručičiek pre L-formu.

    Ak ste sa už naučili iné pravidlo, držte sa ho. Ak ste študent chémie na úrovni A (alebo ekvivalent), zistite, čo (ak niečo) vaši skúšajúci očakávajú, a naučte sa to. Ak o tom nemusíte vedieť, zabudnite na to!

    Pri pohľade na štruktúru nemôžete povedať, či tento izomér bude otáčať rovinu polarizácie rovinne polarizovaného svetla v smere alebo proti smeru hodinových ručičiek. Všetky prirodzene sa vyskytujúce aminokyseliny majú rovnakú L- konfiguráciu, ale zahŕňajú príklady, ktoré otáčajú rovinu v smere hodinových ručičiek (+) a tie, ktoré robia naopak (-).

    Je celkom bežné, že prírodné systémy pracujú iba s jedným z optických izomérov (enantiomérov) opticky aktívnej látky, ako sú aminokyseliny. Nie je príliš ťažké pochopiť, prečo by to tak mohlo byť. Pretože molekuly majú rôzne priestorové usporiadanie rôznych skupín, iba jedna z nich pravdepodobne správne zapadne do aktívnych miest enzýmov, s ktorými pracujú.

    Otázky na overenie vášho porozumenia

    Ak je toto prvá skupina otázok, ktoré ste položili, prečítajte si prosím úvodnú stránku skôr, ako začnete. Budete musieť použiť TLAČIDLO SPÄŤ vo vašom prehliadači, aby ste sa sem potom vrátili.


    8 esenciálnych aminokyselín

    Pochopenie toho podstatného a pokus o ich optimalizáciu vo vašej strave by mali byť základnými znalosťami každého kulturistu.

    Kompletné spektrum aminokyselín a optimálne zdravie možno dosiahnuť len tak, že sa váš príjem bielkovín nasmeruje na týchto 8 aminokyselín. Takže aj keď o doplnení o bezplatné formuláre ani neuvažujete, prečítajte si aspoň týchto 8 odsekov a poučte sa.

    Histidín

    V ľudskom tele je histidín potrebný na rast a opravu tkanív každého druhu. Hrá kľúčovú úlohu pri udržiavaní a výrobe gliových nervových buniek nazývaných oligo-dendrocyty, ktoré sa ovíjajú okolo vašich nervov a vytvárajú ochranný obal nazývaný myelín.

    To zabraňuje neúmyselným impulzom, ktoré môžu zjavne viesť k vážnym poruchám v mozgu a mieche. Akoby to nemalo dosť práce, histidín je aj výrobcom červených aj bielych krviniek.

    Pomáha tiež pri ochrane pred žiarením a pri odstraňovaní nadbytočných ťažkých kovov (ako je železo) z tela. V žalúdku produkuje žalúdočné šťavy, ktoré môžu urýchliť a zlepšiť trávenie, takže je to užitočný nástroj v boji proti tráviacim ťažkostiam a poruchám tráviaceho traktu.

    Je prekurzorom neesenciálnej aminokyseliny histamínu, ktorú uvoľňuje imunitný systém ako odpoveď na alergické reakcie. V nedávnych štúdiách sa tiež spája s dlhšími orgazmami a lepším sexuálnym pôžitkom pre tých z vás, ktorí majú v tejto oblasti trochu problémy.

    Zhrnutie kulturistov

    Použitie pre kulturistov: Minimálne, len v zlepšení trávenia

    Dávkovanie: Minimálne 1000 mg denne, ale odporúča sa 8-10 mg denne na kilogram telesnej hmotnosti. Je pravdepodobné, že vo svojej strave dostanete aspoň dvakrát alebo trikrát toľko.

    Predávkovanie: Príliš veľa histidínu môže viesť k stresu a zhoršeniu duševných porúch, ako je úzkosť a schizofrénia.

    Lekárske využitie: Používa sa pri liečbe artritídy a nervovej hluchoty.

    Zdroje: Nachádza sa v mliečnych výrobkoch, mäse, hydine, rybách, ako aj v ryži, pšenici a raži.

    Nedostatok: Neznámy.

    Použitie: Zlepšenie trávenia - Zdroje: Mlieko, mäso, ryby, ryža, pšenica a raž

    Lyzín

    L-lyzín je jednou z aminokyselín, ktorá je mimoriadne dôležitá pre rast a vývoj. V tele sa používa na vstrebávanie vápnika, čo má za následok rast kostí a svalov, ako aj mobilizáciu tukov na energetické využitie.

    Udržuje dusíkovú rovnováhu a pomáha udržiavať svalovú hmotu v období extrémneho stresu a únavy. Je tiež potrebný na produkciu protilátok, hormónov (GH, testosterón, inzulín, čo si len spomeniete), enzýmov, kolagénu a na opravu poškodeného tkaniva, podobne ako histidín a väčšina esenciálnych aminokyselín.

    Okrem jej udržiavania tiež pomáha budovať nové svalové bielkoviny. A kardiovaskulárne výhody zahŕňajú udržiavanie zdravých krvných ciev.

    Zhrnutie kulturistov

    Použitie pre kulturistov: Okrem udržiavania a tvorby svalových bielkovín hrá lyzín úlohu pri revitalizácii tela v boji proti únave a pretrénovaniu a udržiava pozitívnu dusíkovú bilanciu, čím vytvára anabolické prostredie v tele.

    Dávkovanie: Normálne odporúčanie je 12 mg na kilogram telesnej hmotnosti, ale denný príjem to presahuje a aj keď prijmete 1,5 gramu bielkovín na kilogram telesnej hmotnosti, pár mg navyše nezaškodí. Je to prioritná aminokyselina pre športovca. ale pozor na predávkovanie.

    Predávkovanie: Môže mať za následok vyšší LDL cholesterol, hnačku a žlčníkové kamene.

    Lekárske využitie:Liečba oparov a nedostatku energie.

    Zdroje: Syr, vajcia, mlieko, mäso, droždie, zemiaky a fazuľa lima.

    Nedostatok: Môže viesť k poruchám enzýmov, nedostatku energie, vypadávaniu vlasov (časté pri nedostatku bielkovín), chudnutiu, nechutenstvo a strate koncentrácie.

    Použitie: Bojuje proti únave a pretrénovaniu — Zdroje: Syr, vajcia, mlieko, mäso, droždie, zemiaky a fazuľa lima

    Fenylalanín

    Fenylalanín je, alebo skôr bol, horúcou témou. Zdá sa, že niektorí ľudia na to reagujú dosť zle a veľa sa vyskytlo, že sa používa vo výrobkoch. Veci sa upokojili a štúdie ukázali, že zdravým ľuďom neškodí.

    Zvyšuje náladu stimuláciou nervového systému a môže byť dôležité, aby ste zostali motivovaní z akéhokoľvek dôvodu. Podporuje pamäť a spolu s jeho derivátom, glutamínom, je považovaný za inteligentný vitamín (aj keď to nie sú vitamíny).

    Zvyšuje hladiny adrenalínu, norepinefrínu a dopamínu v prednej hypofýze. Všetky tri sú dôležité neurotransmitery potrebné pre optimálnu činnosť nervového systému. Pomáha tiež absorpcii UV lúčov pri slnečnom svetle, čo zase poskytuje vyššiu mieru vitamínu D, silného telesného hormónu.

    Jeho hlavným metabolitom je tyrozín, ktorý zvyšuje hladiny dopamínu a norepinefrínu, ako je uvedené vyššie. Je tiež jedným z výrobcov glutamínu, aminokyseliny, ktorá tvorí najväčšiu časť zásoby aminokyselín.

    Fenylalanín sa v lise často zle obalí. Používa sa ako nesacharidové sladidlo v mnohých nealkoholických nápojoch (v kombinácii s kyselinou asparágovou, ako aspartám) a nedávno sa dostal do titulkov, keď niektorí tvrdili, že je nebezpečný pre mozog, a neskôr sa spájal s karcinogénnym rizikom.

    Toxické hladiny fenylalanínu môžu byť skutočne smrteľné, ale verte mi, že aj čokoľvek iné. Keby som ti priložil pištoľ k hlave a prinútil ťa vypiť dvadsať galónov čistenej vody, bol by si tiež mŕtvy. A to je voda. Predstavte si, čo dokážu vitamíny alebo minerály?

    Akosi však pochybujem, že by niekto mal pocit, že vitamíny sú zlý jed, ktorý sa dal na zem, aby ťa zabil. No ani fenylalanín. Je to esenciálna aminokyselina a väčšina odborníkov na výživu vám povie, že máte skôr nedostatok, ako riziko predávkovania.

    Toxické dávky presahujú 3- až 4-násobok množstva, ktoré by ste v priemere dostali zo stravy obsahujúcej 250-300 gramov bielkovín denne. Aby vás tá extra diétna Cola nezabila.

    Zhrnutie kulturistov

    Použitie pre kulturistov: Okrem motivácie a extra vitamínu D je fenylalanín užitočný aj kvôli nervovej obnove, ktorá umožní maximálnu kontrakciu a relaxáciu svalov. DL-forma sa často dopĺňa ako posilňovač vytrvalosti. Kvôli úrovni toxicity sa to nikdy nerobí dlhodobo.

    Dávkovanie: Odporúčaná dávka je 14 mg na kilogram telesnej hmotnosti. Niet pochýb o tom, že dostanete viac, a nevidím potrebu to zvyšovať. Najmä s možnými vedľajšími účinkami.

    Predávkovanie: Toto nie je múdry doplnok, ktorý by mali užívať tehotné ženy a diabetici. Výsledkom je vyšší krvný tlak, bolesti hlavy, nevoľnosť, srdcové problémy a poškodenie nervov.

    Lekárske využitie: Na liečbu artritídy a depresie.

    Zdroje: Všetky mliečne výrobky, mandle, avokádo, orechy a semená.

    Nedostatok: Je to zriedkavé, ale ak sa vyskytne, vedie k slabosti, letargii, poškodeniu pečene a spomaleniu rastu.

    Použitie: Umožňuje maximálnu kontrakciu a relaxáciu svalov — Zdroje: Mlieko, mandle, avokádo, orechy a semená

    Metionín

    Nepochybne sa na túto tému znova odvolám, keď budeme diskutovať o ZMA v budúcom článku, ale metionín pomáha pri rozklade a využívaní tukov, čo zase vedie k vyššej miere testosterónu.

    Spolu so zinkom tak robí ZMA svoje. Odstraňuje tiež prebytočný tuk z krvného obehu, čo má za následok menej potenciálneho tukového (tukového) tkaniva. Je kľúčový pri trávení a odstraňovaní ťažkých kovov zo žalúdka a pečene. Je to dobrý antioxidant, pretože ľahko dodáva síru, inaktivuje voľné radikály a pomáha pri vybavovaní pamäti.

    Je to prekurzor cysteínu, čo je aminokyselina, ktorá produkuje glutatión na detoxikáciu pečene. Je to tiež jedna z troch aminokyselín, ktoré sú potrebné na výrobu monohydrátu kreatínu v tele, základnej zlúčeniny pre produkciu energie a rast svalov.

    Zhrnutie kulturistov

    Použitie pre kulturistov: Metabolizmus tukov, lepšie trávenie a antioxidačné vlastnosti z neho robia cennú zlúčeninu.

    Dávkovanie: 12 mg na kilogram telesnej hmotnosti. If you think it may be a good idea to supplement this, you may as well invest in some ZMA. The supplement is cost-effective and yields higher results than just Methionine.

    Overdosing: None, except in case of a shortage of B-Vitamins, in which case you are an easy target for arteriosclerosis.

    Medical Uses: Used to treat depression, arthritis and liver disease.

    Zdroje: Meat, fish, beans, eggs, garlic, lentils, onions, yogurt and seeds.

    Nedostatok: Causes dementia, fatty liver, slow growth, weakness, skin lesions and edema.

    BCAAs

    Branched-chain amino acids are held in high regard in bodybuilding circles and justly so. They are the three most important amino acids in the manufacture, maintenance and repair of muscle-tissue. All three exert a strong synergistic effect.

    Using just Valine or Iso-leucine does little as far as anabolics is concerned but both, when dosed in the right amounts, enhance the effect of the all-important Leucine. As with certain other supplements, the relative dose is more important than the overall dose.

    It is believed that a 2-1-2 equilibrium in Leucine/Iso-leucine/Valine dosing yields the best results. The dosages listed are the FDA recommendations for taking the individual BCAA's. BCAAs are used medically to treat headaches, dizziness, fatigue, depression and irritability as a result of protein deficiency.

    BCAAs are always best used together. A little useful stack advice: BCAAs stack well with B-complex vitamins.

    Leucín

    Leucine, the strongest of the BCAAs, is responsible for the regulation of blood-sugar levels, the growth and repair of tissues in skin, bones and of course skeletal muscle.

    It's a strong potentiator to Human Growth Hormone (HGH). It helps in healing wounds, regulating energy, and assists in the preventing the breakdown of muscle tissue.

    Bodybuilder Summary

    Use To Bodybuilders: Leucine may be one of the strongest natural anabolic agents in the world. It will not give you amazing results, however, simply because you are already taking in quite large amounts of it.

    Dosage: 16 mg per kilo of bodyweight.

    Overdosing: Unknown, may increase ammonia.

    Medical Uses: Prevention of muscle-wasting in states of deprivation.

    Zdroje: Found in nearly all protein sources, including brown rice, beans, nuts, and whole wheat.

    Nedostatok: Unknown.

    Uses: Natural anabolic agent — Sources: All protein sources including brown rice, beans, nuts, and whole wheat

    Izoleucín

    Very similar to leucine in most every way. Isoleucine promotes muscle recovery, regulates the blood-sugar levels and stimulates HGH release. But isoleucine holds its own in terms of wound healing.

    It helps in the formation of hemoglobin and is strongly involved in the formation of blood-clots, the body's primary defense against infection through open wounds.

    Bodybuilder Summary

    Use To Bodybuilders: Of similar importance as leucine, Very important as part of the BCAA stack.

    Dosage: 10-12 mg per kilo of bodyweight.

    Overdosing: Causes elevated urination. No serious problems. May become serious if you have kidney or liver disease.

    Medical Uses: Wound healing.

    Zdroje: Chicken, cashews, fish, almonds, eggs, lentils, liver, meat.

    Nedostatok: Unknown.

    Promotes muscle recovery — Sources: Chicken, cashews, fish, almonds, eggs, lentils, liver, and meat

    Valine

    Valine helps the repair and growth of muscle tissue, as commonly attributed to BCAAs. It maintains the nitrogen balance and preserves the use of glucose.

    Bodybuilder Summary

    Use To Bodybuilders: In combination with Isoleucine and Leucine.

    Dosage: 16 mg per kilo of bodyweight.

    Overdosing: Crawling sensation in the skin is common, hallucination, may be hazardous to people with kidney and liver disease.

    Medical Uses: None, not separately.

    Zdroje: Dairy, meat, grain, mushrooms, soy, peanuts.

    Nedostatok: Leads to MSUD.

    Uses: Promotes repair and growth of muscle tissue — Sources: Dairy, meat, mushrooms, soy, and peanuts

    Treonín

    An essential amino acid that is not manufactured within the body, ever. Since its main sources are animal (dairy and meat) this doesn't bode well to vegans. It's found in heart, skeletal muscle and nerve tissue in the central nervous system.

    Threonine (reminds me of that chick on "Star Trek: Voyager") is used to form the body's two most important binding substances, collagen and elastin. It is also essential to maintain proper protein balance.

    Threonine is involved in liver functioning, lipotropic functions (when combined with aspartic acid and methionine) and in the maintenance of the immune system by helping in the production of antibodies and promoting growth and activity of the thymus.

    But perhaps its most useful property of all is that it allows better absorption of other nutrients, so protein sources containing threonine are more bio-available than others.

    Bodybuilder Summary

    Use To Bodybuilders: Absorption of protein, maintenance of muscle and important to good health.

    Dosage: 8 mg per kilo of bodyweight, generally advised in amounts of 100-500 mg when supplemented.

    Overdosing: Not known.

    Medical Uses: Treatment for mental health.

    Zdroje: Meat, dairy, and eggs.

    Nedostatok: Irritability and being difficult, nothing severe. Less immunity against disease.

    Uses: Absorption of protein — Sources: Meat, dairy, and eggs


    The alphabet soup of life

    For many researchers, studying the chemical origins of life is a side project – it’s what they do in between their grant-funded work on the causes and cure of human disease. But understanding evolution at the chemical level is their passion, even when funding is sparse. How chemistry could have brought us to complex life poses many open questions. One fundamental question is why life is based on a set 20 amino acids. Why 20 and not 10 or 30? And why those particular 20? Over the last few decades, the passionate chemists and molecular biologists who can’t leave these questions alone have started piecing together some convincing explanations.

    From alanine (A) to tyrosine (Y), 20 ‘proteinogenic’ amino acids, each abbreviated to a different initial, make up the alphabet soup of life. They are the building blocks for proteins, biology’s workhorse macromolecules that provide structure and function in all organisms. But why amino acids? Bernd Moosmann, an expert in redox medicine at the Johannes Gutenberg University of Mainz in Germany suggests the first amino acids were used to anchor membranes to RNA structures: ‘You can see this even in modern life: DNA and RNA in bacteria and mitochondria are always attached from the inside to a membrane.’ Most researcher think this would have been occurring at least 4 billion years ago in an ‘RNA world’, where RNA molecules were the first self-replicators, as well as performing the catalytic role that proteins play today.

    Source: © Royal Society of Chemistry

    How the proteinogenic amino acids came to be on earth is another crucial question. The famous Miller–Urey experiment from 1952 showed that with electric sparks simulating lightning, simple compounds like water, methane, ammonia and hydrogen would form well over 20 different amino acids. 1 They are also found in meteorites: analysis of the Murichison meteorite, which landed in Australia in 1969, found at least 86 amino acids, substituent chains of up to nine carbon atoms and dicarboxyl and diamino functional groups. 2 Perhaps these generally simple and readily available amino acids were the first to be press-ganged into life?

    Andrew Doig, a chemical biologist at the University of Manchester in the UK, has been thinking about the chemistry of evolution, when not carrying out his research into Alzheimer’s disease. He has a different take on the question: ‘[The proteinogenic amino acids] were chosen in the RNA world, where there had been life and metabolism for millions of years, already generating a vast number of organic molecules.’ If amino acids were a product of RNA metabolism this would hugely increase their concentrations in the environment, he argues.

    But the selection of the 20 amino acids used in biology is clearly linked to the development of proteins. By polymerising amino acids in long polypeptide chains, proteins could fold into soluble structures with close-packed cores and ordered binding pockets. The arrival of proteins and the eventual adoption of the standard 20 amino acids was likely to have been a big evolutionary step.

    Source: Meteorite image (left) courtesy of Argonne National Lab

    Plenty of amino acids (right) were found on the Murchison meteorite (left)

    But according to Doig, this is all speculation. ‘We have no direct evidence at all.’ What we do know from comparing genomes of organisms today is that by 3.5–3.8 billion years ago our common ancestor – known as the last universal common ancestor – was using the 20 amino acids common to all living things.

    A frozen accident?

    So why that particular set of 20 amino acids rather than any other? ‘The obvious missing thing is the ability to do redox reactions,’ explains Doig. ‘They weren’t selected for ability to do catalysis directly.’ Today, proteins form enzymes for biological catalysis, but the first biological catalysts in the RNA world were probably what we now call co-factors – metal ions or non-protein organic molecules (coenzymes) that assist enzymes during the catalysis of reactions and are often made from vitamins.

    The 20 amino acids have a range of properties…

    There has been a tendency to see the choice of the 20 amino acids as arbitrary – as in the ‘frozen accident theory’ proposed by British molecular biologist Francis Crick in the 1960s, which suggested a different group of 20 would be just as good. ‘I kept on reading this and realising this wasn’t right,’ says Doig. This spurred him on to put down his thoughts in a recent paper where he argues there are reasons for the selection of every amino acid making them a near ideal group. 3 The factors he took into account included each amino acid’s component atoms, functional groups and biosynthetic cost.

    Forming soluble, stable protein structures with close‐packed cores and ordered binding pockets needed the variety of amino acids we see today, explains Doig. Multiple hydrophobic proteins are needed. ‘The core of a protein is a 3D jigsaw puzzle – if you have lots of different hydrophobic amino acids it gives you more options to build a core without any gaps.’

    The fact that the hydrophobic amino acids tend to have branched side chains can also be explained. Inside the protein core, the molecule is no longer able to rotate and loses some of its associated entropy. ‘If you have branched amino acids like valine, leucine and isoleucine, you lose less entropy when you bury them, so evolution has chosen hydrophobic amino acids not just because they are hydrophobic but also because they are branched,’ explains Doig. ‘If you want amino acids to go in the core of a protein you make it branched and hydrophobic, if you want it to be on the surface then you make it a straight chain and polar like arginine and glutamic acid.’

    Chemical space

    Stephen Freeland, an astrobiologist at the University of Maryland in the US, has come up with a method to show that the amino acids adopted by biology were not chosen randomly. He borrowed the idea of chemical space from drug discovery, where molecules are plotted in 3D space to help discover gaps that might reap novel drug molecules. The three parameters investigated by Freeland and his team were size, charge and hydrophobicity. ‘They are not perfect,’ admits Freeland, ‘but as rough proxies of what amino acids do and why they do it, those three are pretty good.’ Hydrophobicity obviously plays a pivotal role in how proteins fold, charge is important in reactions and active sites, and size was just intuitive, Freeland says.

    ‘We found that the set that is used by biology has a number of surprisingly non-random properties that stand out very clearly,’ says Freeland. The amino acids were widely distributed through their chemical space, but also showed an evenness within that distribution – as if trying to cover as many different property sets as possible. 4 ‘What we find with [proteinogenic] amino acids is the moment you build in both of those two factors [hydrophobicity and charge] , just about every test you can throw at them says they are non-random – not only do they cover a good range but they are not clumped to extremes.’

    So if this non-random set of amino acids was chosen for good reason, is it possible to create an order in which they were incorporated into biology? ‘There is a consensus now that they didn’t all arrive at once, which to my mind is overwhelming,’ says Freeland. An attempt to come up with a comprehensive order was made by Israeli molecular biophysicist Edward Trifonov, now at the Institute of Evolution at the University of Haifa. Trifonov discovered multiple novel codes in DNA and in the early 2000s turned his attention to amino acids.

    Placing the chemically simplest amino acids first might seem obvious, but Trifonov took this further. He looked at multiple criteria, including the energetic cost of their synthesis, the type of transfer-RNA molecules used to transport them and the number of codons (the sequence of three RNA nucleotides that corresponds with a specific amino acid) used in protein synthesis amino acids with multiple codons are probably older than those with one. He averaged the data and proposed a temporal order starting with alanine and glycine. 5

    Freeland also looked at how patterns might vary with amino acids assumed to be adopted earlier and later. Using the first 10 alone in chemical space, he found non-random properties in contrast to an examination of all the possible amino acids available on the prebiotic earth (from Miller–Urey or meteorites). Then he added in the complete set of 20. ‘The later ones expand the chemical space of the earlies in ways that maximise range and evenness, and for my money the most interesting single thing is they seem to plug the region of chemical space that was underpopulated, between where the earlies sit and where dimers of the earlies would sit,’ he says. ‘It just makes perfect sense, that this is where you would plug.’

    Oxygen expands the code

    We certainly know proteins can be made with a much smaller set of amino acids. A Japanese group headed by Satoshi Akanuma at Waseda University recently showed that a 13 amino acid alphabet can create folded, soluble, stable and catalytically active ‘proteins’, albeit not as active or stable as the parent proteins on which they were based. 6 So what might have prompted the addition of extra amino acids? According to Moosmann, molecular oxygen forced life to incorporate the last six novel amino acids.

    The presumed last six amino acids (histidine, phenylalanine, cysteine, methionine, tryptophan and tyrosine) are all chemically ‘softer’ – they are strongly polarizable and bond covalently. ‘It’s most likely adaptive and not a coincidence or a drift,’ says Moosmann. The idea came to Moosmann during studies on mouse brain tissue (his ‘day job’ involves research into neurodegenerative diseases). He noticed that some amino acids were much more prone to oxidative degradation – those thought to have been adopted later.

    The introduction of oxygen to the atmosphere meant new amino acids were needed

    If these amino acids were added to biology for their redox activity he had a hunch that these adaptations were linked to increases in molecular oxygen levels on earth. Oxygen is thought to have become part of the earth’s environment around 2.5 billion years ago in what is known as the ‘great oxidation event’, but Moosmann says that the basic first origin of local low-dose oxygen production is probably older. According to recent research on the evolution of the enzymes involved in photosynthesis, Tanai Cardona at Imperial College London in the UK has suggested the origin of oxygenic photosynthesis to have been 3.6 billion years ago. 7

    He decided to probe further by looking at the Homo–Lumo gaps for all biological amino acids. The energy gap between the highest occupied molecular orbital and the lowest unoccupied molecular orbital predicts the reactivity of a compound with respect to electron transfer. 8 ‘The Homo–Lumo gaps [of all 20 amino acids] had a pattern, just falling at the very point (number 14) when “adaptive” properties came in, and this coincidence is probably not a coincidence!’

    The substantially smaller gaps found for the later amino acids suggests their primary function was to undergo redox reactions and Moosmann argues this was needed in an environment where oxygen free-radicals could form, which are particularly destructive to lipids. The ‘softer’ and more redox-active amino acids were capable of protecting cells: ‘These [new amino acid] species could maintain the lipid bilayer integrity in the presence of the rising oxygen concentrations or in the presence of chemical influences which tend to attack or degrade unsaturated fatty acids,’ says Moosmann. ‘For the last three [methionine, tryptophan and tyrosine] there is overwhelming evidence for a response to oxygen.’

    One question this then raises is whether our last universal common ancestor contained the full suite of amino acids. A 2016 study identified a set of 355 genes inferred to have been present in the organism that has become known as Luca. 9 Moosman says the date for Luca has been placed between 3.7 and 2.9 billion years ago, so it is possible oxygen was available. ‘The consequence of this is indeed that Luca (if it ever existed) had fewer than 20 amino acids.’ He suggests that later genetic code additions could have been distributed laterally to all modern lines: ‘My best guess is that Luca had 17–18 AAs, lacking methionine and tryptophan and perhaps tyrosine.’

    Why stop at 20?

    Adaptation to an oxygenated world may explain the expansion of the code to 20 amino acids, but why stop there? ‘I would say, look what 20 can do,’ says Freeland. ‘Apparently 20 is good enough for almost every living organism to have adapted to an unimaginable number of habitats over the entire history of life.’

    In fact there are at least two additional amino acids used in organisms, although only one of these is found in human proteins – the selenium-containing selenocysteine. It is found in the active sites of 25 human proteins, but is incorporated by a more complex mechanism than normal protein synthesis. ‘This shows that the process had not stopped, it reached a point where incorporating new amino acids is extremely hard,’ says Lluis Ribas, a molecular biologist at the Institute for Research in Biomedicine, Barcelona, Spain. ‘If you want to do it then you need to find very original solutions.’

    The limitation is in the recognition of the tRNA

    To answer ‘Why 20?’, Riblas has taken a close look at the protein synthesis mechanism – translation. The process is carried out in the cell’s ribosome, a very large complex of RNA and protein molecules. Each amino acid is carried by a bespoke transfer RNA (tRNA) molecule, attached through a hydroxyl group to form an ester. This then reacts with the terminal amino acid of the growing protein chain. The correct amino acid sequence is translated from messenger RNA molecules through Watson–Crick base-pairing with the tRNA molecules. Each tRNA contains a sequences of three bases specific to one of the 20 amino acids – a codon.

    Given each amino acid is coded by a sequence of three bases, you might assume there would be 64 possible combinations (of the four possible bases). While three codons are used as instructions to stop protein synthesis, that still leaves 61 – so why stop at 20 unique amino acids? ‘The limitation is in the recognition of the tRNA.’ Ribas says. Each tRNA molecule has a well-defined tertiary structure that is recognized by the enzyme aminoacyl tRNA synthetase, which adds the correct amino acid. From studying tRNA structures, Ribas concluded the problem is finding ways to make new tRNA molecules that could recognise a new amino acid without picking up existing ones. 10 The possible structures are limited as they must also fit with the existing protein translation machinery.

    ‘It’s like if you have a very simple kind of lock where you could only change three or four pins, you come to a point where you wouldn’t be able to make new keys because a new key will open a lock you have already used and that defeats the purpose,’ he explains. The point where nature was unable to create new unique tRNAs that would not be mistaken for others seems to have been at 20 amino acids. In modern biology this allows most amino acids to be coded by more than one codon – the redundancy helping more accurate translation (amino-acid incorporation mistakes are estimated to occur once in 1000 to 10,000 codons).

    Expanding the amino acid code

    Ribas says his work also has implication for synthetic biologists who are trying to take the genetic code a step further by incorporating unnatural amino acids and perhaps one day improving on nature. In 2011 a team including Harvard synthetic biologist George Church removed one of the three stop codons from E. coli bacteria so it could be replaced with an alternative non-proteinogenic amino acid, and other labs have incorporated such amino acids into proteins.

    Evolutionary theory tell us that the set that we have got is a microcosm of what’s possible

    But Ribas isn’t sure it will be that this will be a successful strategy for synthetic biologists. ‘If you try to develop a system in vivo for the generation of proteins with unnatural amino acids, it’s not very effective, the efficiency is low, and often you have specificity problems,’ he says. Ribas puts this down to the difficulty in creating new tRNA molecules within the current protein translation machinery. ‘I don’t think there is any way around it, [without] extensive remodelling of the whole machinery’ although, he adds, this is something currently being done.

    Even if it becomes possible, Freeland thinks there will be few advantages. ‘Everything in evolutionary theory tell us that the set that we have got is a microcosm of what’s possible.’ Whether expanding the amino acid repertoire of life will turn out to have useful applications remains to be seen, but there is now plenty of evidence that life’s 20 amino acids were well chosen and not a ’frozen accident’.

    But Freeland cautions against an understanding that looks to neatly order chemical evolution. The chances are it was once much messier, with many different types of molecules and mechanisms involved that may have now been replaced. ‘It’s so tempting to work your way up from nothing to something, because that’s what happens when a chemist sits down with a beaker of distilled water and tries to make a reaction happen – but that isn’t what’s happening in the universe, the universe is full of messy chemistry.’

    Rachel Brazil is a science writer based in London, UK

    Referencie

    1 A P Johnson a kol, Veda, 2008, 322, 404 (DOI: 10.1126/science.1161527)

    2 T Koga and H Naraoka, Sci. Rep., 2017, 7, 636 (DOI: 10.1038/s41598-017-00693-9)

    3 A Doig, FEBS J., 2016, 284, 1296 (DOI: 10.1111/febs.13982)

    4 M A Ilardo and S J Freeland, J. Syst. Chem., 2014, 5, 1 (DOI: 10.1186/1759-2208-5-1)

    5 E N Trifonov, J. Biomol. Struct. Dyn., 2004, 22, 1 (DOI: 10.1080/07391102.2004.10506975)

    6 R Shibue a kol, Sci. Rep., 2018, 8, 1227 (DOI: 10.1038/s41598-018-19561-1)

    7 T Cardona, Heliyon, 2018, 4, e00548 (DOI: 10.1016/j.heliyon.2018.e00548)

    8 M Granold a kol, Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2018, 115, 41 (DOI: 10.1073/pnas.1717100115)

    9 M C Weiss a kol, Nat. Microbiol., 2016, 1, 16116 (DOI: 10.1038/nmicrobiol.2016.116)

    10 A Saint-Léger a kol, Sci. Adv., 2016, 2, e1501860 (DOI: 10.1126/sciadv.1501860)


    Pozri si video: Aminokyseliny (Február 2023).