Анализ крови на аминокислоты и ацилкарнитины (32 показателя)

Общая информация об исследовании

Аминокислоты – это сложные органические вещества, главная функция которых состоит в том, что они являются строительным материалом для синтеза белка в организме. В настоящее время известно несколько сотен химических формул различных аминокислот, но только 20 из них способны участвовать в образовании протеинов. Существует важнейшее деление аминокислот на две группы: заменимые (способные синтезироваться в организме) и незаменимые (могут поступать только в составе пищи). В группу заменимых аминокислот входят аланин, аспарагин, аспаргиновая кислота, глицин, глютамин, глютаминовая кислота, пролин, серин, тирозин, цистеин. К незаменимым аминокислотам у взрослых относятся валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин, а у детей также аргинин и гистидин.

L-карнитин, или левокарнитин, представляет собой вещество, подобное витаминам группы В, синтезируется в организме и является необходимым для осуществления многих жизненно важных метаболических процессов. 

Ацилкарнитины являются органическими веществами, производными карнитина и жирных кислот, являются участниками сложнейших биохимических реакций клеточного метаболизма.

Данный комплекс позволяет оценить количественное содержание наиболее значимых аминокислот и ацилкарнитинов.

Аланин – аминокислота, которая состоит из двух подвидов: альфа (является частью различных белков) и бета (присутствует в составе многих биологически активных веществ, например пантотеновой кислоты). Важнейшим свойством аланина является способность его к превращению в глюкозу в печени (один из путей синтеза глюкозы в организме).

Аргинин – аминокислота, имеющая специфическую функцию в виде участия в синтезе оксида азота NO, который обладает возможностями влияния стенку сосудов. Это позволяет контролировать процессы, в первую очередь, сердечно-сосудистой системы, иммунных и противовоспалительных реакций, дезинтоксикации и регенерации и др.

Валин является основным структурным компонентом белков мышечной и нервной тканей, играя при этом важнейшую роль для скелетной мускулатуры, центральной и вегетативной нервной системы, также принимает участие в работе печени.

Глицин – наиболее известен в составе лекарственного препарата, так как обладает тормозящим действием на нейроны, вызывая успокоительный эффект, а также оказывая нейропротективное, нейрометаболическое, антиоксидантное воздействие в нервной системе.

Лейцин и изолейцин принимают участие во всех видах обменных и энергетических процессов, поддерживают структуру мышц, глюкозу в крови, обеспечивают выносливость и восстановление после физических нагрузок.

Метионин известен как достаточно сильный антиоксидант, является составной некоторых гормонов и других биологически активных веществ. Имеет важное свойство накапливаться в измененных опухолевым процессом тканях, поэтому используется в лучевых методах исследования.

Пролин – аминокислота, необходимая для синтеза коллагена, поэтому она наиболее важна для поддержания тонуса кожи, мышечной ткани, прочности и эластичности хрящевой ткани, а также сосудистой стенки, что способствует профилактике атеросклероза.

Тирозин играет роль в работе мозга (внимание, память, настроение, реакция на стресс и т. д.), щитовидной железы и гипофиза.

Фенилаланин незаменим для работы центральной нервной системы (концентрация внимания, память, ясность мышления, снижение тревожности), также участвует в синтезе гормона мелатонина, регулирующего цикл сна и бодрствования.

Орнитин является промежуточным продуктом в синтезе мочевины, следовательно, участвует в выведении продуктов обмена, также способен превращаться в некоторые другие аминокислоты.

Цитруллин также участвует в цикле мочевины и является субстратом для синтеза аргинина.

L-карнитин

поступает из пищи и синтезируется в организме с участием аминокислот метионина и лизина, ряда ферментов, витаминов и микроэлементов. Основная его функция заключается в участии в реакциях энергетического обмена. Также L-карнитин участвует в процессах укрепления костей и мышц, расщепления жировой ткани, снижения глюкозы крови, препятствует накоплению токсинов, что защищает клетки и ткани от их повреждающего воздействия.

В состав комплекса также входит определение содержания достаточно большого количества ацилкарнитинов. Ацилкарнитины представляют собой эфиры карнитина и жирных кислот и подразделяются на короткоцепочечные (С2-С5), среднецепочечные (С6-С12) и длинноцепочечные (С14-С18) в зависимости от длины углеродной цепи присоединенной кислоты. Химические названия этих соединений происходят от латинского обозначения цифр по количеству атомов углерода жирной кислоты, присоединенной к карнитину, например деканоилкарнитин (10 атомов углерода). Ацилкарнитины являются промежуточными веществами в сложных окислительно-восстановительных реакциях, протекающих в митохондриях и приводящих в итоге к синтезу АТФ – основного источника энергии для жизнеобеспечения каждой клетки и всего организма в целом.

Данное комплексное исследование направлено на диагностику различных нарушений метаболизма (обменных процессов) аминокислот или органических жирных кислот (для этого исследуется содержание ацилкарнитинов). Обменные патологии могут быть врожденными (обусловленными генетическими нарушениями) или приобретенными (связаны с нарушением синтеза в организме или усвоения из продуктов питания, разрушением данных соединений в организме или неправильной утилизацией и т. д.). Заболевания, связанные с нарушением обмена аминокислот, объединяются в общее название – аминоацидопатии. Среди врожденных аминоацидопатий наиболее значимыми и часто встречающимися являются фенилкетонурия, алкаптонурия, гомоцистинурия, цитруллинемия, тирозинемия и др. Приобретенные нарушения аминокислотного обмена, как правило, связаны с различными другими заболеваниями, к примеру с сахарным диабетом, онкологическими новообразованиями, хроническими воспалительными или инфекционными процессами ЖКТ, почек, нарушением питания. Ацилкарнитины являются участниками обмена жирных и органических кислот, следовательно, отклонение от нормы их концентрации указывает на нарушения в данных видах обмена, которые имеют свои нозологические формы или синдромы.

Комплексное определение концентрации аминокислот и ацилкарнитинов доступно с помощью использования метода высокоэффективной жидкостной хроматографии с тандемной масс-спектрометрией (ВЭЖХ/МС). В настоящее время данный вид исследования нашел широкое применение для проведения скрининговой диагностики, включающей большое количество показателей, сходных между собой. На первом этапе происходит качественный анализ – разделение изучаемых веществ по их физико-химическим свойствам. Затем, на втором этапе, оцениваются количественные характеристики каждой аминокислоты и ацилкарнитина, результаты которых отражаются в мкмоль/л и сравниваются с диапазоном референсных значений. ВЭЖХ/МС на сегодняшний день является одним из самых точных методов лабораторной диагностики с анализом большого количества показателей одновременно, обладает высокой чувствительностью и специфичностью и выполняется в достаточно короткие сроки, что также имеет значение при некоторых тяжелых формах обменных нарушений.

Кроме патологических процессов и заболеваний, связанных с обменом аминокислот и ацилкарнитинов, следует отметить, что данные вещества широко применяются в спортивном питании. Также в настоящее время популярны системы вегетарианского питания, исключающие поступления в организм белков животного происхождения, а значит, и некоторых незаменимых аминокислот. Комплексное исследование аминокислотного профиля может быть полезно и для данных категорий в целях оценки влияния режима питания на обменные процессы в организме. 

Для чего используется исследование?

• Диагностика врожденных (наследственных) и приобретенных заболеваний, связанных с нарушением обмена аминокислот, жирных и органических кислот – при возникновении их клинических симптомов или при отягощенном семейном анамнезе по наличию аминоацидопатий и нарушений метаболизма жирных кислот.
• Дифференциальная диагностика причин патологии азотистого обмена, увеличения в крови содержания аммиака и нарушения его выведения из организма.
• Определение пищевого статуса (особенно у вегетарианцев и при спортивном режиме питания).
• Контроль эффективности терапии при подтвержденном диагнозе обменных нарушений.
• Контроль соблюдения рекомендаций по питанию.

Когда назначается исследование?

• При подозрении на нарушение метаболизма аминокислот и жирных кислот у детей, проявлениями которых могут быть нарушения работы ЖКТ (рвота, диарея), нарушение психомоторного и психоречевого развития, наличие специфического запаха и окраски пеленок (белья), нарушения кислотно-щелочного равновесия (метаболический ацидоз).
• Скрининг новорождённых, имеющих отягощенный семейный анамнез по обменным нарушениям.
• При нарушении утилизации аммиака и увеличения его концентрации в крови (гипераммониемия).
• Обследование лиц, придерживающихся принципов спортивного питания с употреблением в пищу протеинов или вегетарианства.
• Необходимость контроля соблюдения рекомендаций по питанию или применения лекарственных препаратов.

ОПУС ДНК | ЦЕНТР имени Вс. МЕЙЕРХОЛЬДА

Пьеса «Опус ДНК» — это попытка распутать сложнейший узел взаимоотношений, завязанный на любви, родстве, стыде и страхе, на ворохе амбиций, взаимных обид и манипуляций. Средствами привычного языка достичь взаимопонимания мы всё чаще оказываемся бессильны: на этапе, когда мощное развитие этой цивилизации ставит под угрозу её собственное существование, проблемы языка требуют поиска специфических решений.

Поэтому в пьесе Екатерины Августеняк повседневные слова превращаются в язык генетического кода и обратно. Транскрипция происходит с помощью азбуки Морзе, как сигнала тревоги, который человек бессознательно посылает вместе с речью.  Способ перевода ДНК меняется  в каждой композиции, как бы расширяя свой охват и претерпевая новые превращения: от буквенных конструкций переходит к названиям аминокислот, а затем частям тела или даже предметам мебели.

Вы можете сами перевести любой русскоязычный текст в код азбуки Морзе или в код ДНК с помощью переводчика:

На первом этапе обычный текст кодируется по принципу азбуки Морзе. На втором этапе мы получаем язык ДНК, состоящий из четырех букв, получаемых путем кодирования текста в формате азбуки Морзе:

• A • одна точка (короткий сигнал)

 

• U − длинный сигнал (равен трем точкам)

 

• G ◦ короткая пауза

 

C ◦ ◦ длинная пауза

Последовательность символов разбивается на комбинации из трех символов-кодонов, каждому из которых соответствует название аминокислоты. На последующих этапах кодировки каждой аминокислоте присваивается предмет или явление, соответствующее ей согласно принципу каждого нового этапа кодировки.

Эти принципы описаны автором следующим образом:

«В тексте используется четкое соответствие триплентых оснований определенным аминокислотам. Привязка к частям тела и процессам человеческого организма является более менее условной, так как в большинстве процессов участвуют одновременно несколько аминокислот и каждая может оказывать влияние сразу на несколько сфер жизнедеятельности. Еще более условно соответствие продуктам. Конечно, в белковых продуктах присутствуют практически все аминокислоты, но чтобы получить определенную последовательность съедобных элементов, произведен определенный подбор. В нем есть масса допущений, но эта аналогия все же не далека от истины.

В ситуации с тканями некоторые связи являются довольно точными, например, серин был впервые синтезирован именно из шелка, но в большинстве своем, аналогии очень косвенные. Анализировался химический состав разных тканей, наличие в составе растений, шерсти животных содержание разных аминокислот, а также их синтезирование и применение в разных областях промышленности. Так финилаланин – ароматическая аминокислота – содержится в составе духов, пролин, входящий в состав желатина, используется при производстве искусственного жемчуга (да и в натуральном жемчуге какой-то небольшой процент пролина можно обнаружить).

На основе всех предыдущих подборок и анализа информации про аминокислоты подобраны предметы повседневного пользования. Например, само название аминокислоты валин связано с ее высоким содержанием в растении валерианы, поэтому валину соответсвует аптечка. Аминокислотам, которые в процентом соотношении больше остальных содержатся в разных породах древесины распределены: стол, стул, секретер, шкаф. Производное вещество от глицина, применяют при проявке фотографий, и так далее. При такой степени условности показалось допустимым подобрать предметы и стоп-кодонам, ориентируясь на их названия.

Все-таки язык (и код) — это набор правил, основанный не только на аналитическом поиске, но и на интуитивном ощущении его авторов, поэтому для языка и метода транскрипции текста опуса произведены приведенные выше раскладки».

Таблица соответствия аминокислот

Далее — слово автору:

«Лингвистический текст сформирован на основе бесхитростных фраз, банальных оборотов семейных разговоров и наставлений, а способ генетической транскрипции меняется от одной части к другой, пытаясь как бы преодолеть структурный барьер между двумя системами. Если в первой части код записан абстрактными для нашего восприятия буквенными сочетаниями, то уже в 4-й — код превращается в последовательность знакомых слов. Похожее происходит с человеком по мере взросления и освоения языка, которым пользуются окружающие его люди. Но системы продолжают пребывать в параллельных измерениях, их взаимодействие имеет скорее конфликтную форму. В финальной части правила обеих систем принципиально нарушаются в попытке сближения.

Как будет происходить взаимодействие двух кодировок в результате, и какая музыка получится в процессе перевода, можно понять только при исполнении опуса. Эти записи лишь партитура, ожидающая осуществления лингвистического, музыкального и перформативного эксперимента».

Вы можете сами перевести любой русскоязычный текст в код азбуки Морзе или в код ДНК с помощью приведенного выше переводчика.

AUU GAU UAG AGA UAG AGU AA

Спектакль создан благодаря ежегодному гранту Brewhouse Stage Prize проекта «Варочный цех» при поддержке фестиваля молодой драматургии «Любимовка».

   

Классификация протеиногенных аминокислот

Все протеиногенные аминокислоты имеют два названия: научное и традиционное. Научные названия аминокислот построены в соответствии с правилами, разработанными Международным союзом чистой и прикладной химии (International Union Pure and Applied Chemie — IUPAC). Согласно научной номенклатуре ИЮПАК название соединения однозначно отражает его структуру. На практике пользуются традиционными наименованиями аминокислот, происхождение которых исторически связано с названием объекта, в котором они впервые были обнаружены, или какими-либо их особыми свойствами. Используют также сокращенные трехбуквенные обозначения традиционных названий аминокислот.

Протеиногенные аминокислоты удобно классифицировать в зависимости от характера их боковых радикалов.

Простейшие аминокислоты

1. Глицин, или гликокол (аминоуксусная кислота). Сокращенное обозначение — гли.

H₂N-CH₂-COOH

Глицин был открыт в 1820 г. А. Браконно среди продуктов гидролиза желатина. Это простейшая протеиногенная аминокислота, не имеющая оптических изомеров. Свое название гликокол (греч. «гликис» — сладкий + «колла» — клей), или глицин, аминоуксусная кислота получила за сладкий вкус.

2. Аланин (α-аминопропионовая кислота). Сокращенное обозначение — ала.

NH₂-СH(СН₃)-СООН

В составе белка аланин впервые обнаружил Т. Вейл в 1888 г. при изучении продуктов гидролиза фиброина шелка.

Гидроксиаминокислоты

3. Серин (2-амино-3-гидроксипропионовая кислота). Сокращенное обозначение — сер.

HO₂C-CH(Nh3)CH₂OH

Серин (греч. «серикон» — шелк) был впервые выделен Э. Кремером из серицина шелка в 1865 г.

4. Треонин (α-амино-β-гидроксимасляная кислота). Сокращенное обозначение — тре.

Треонин впервые получили Д. Зелинский и В. Садиков в 1921 г. из кератина гусиного пера. Молекула треонина содержит два асимметрических атома углерода. Поэтому для него возможно существование четырех оптических изомеров.

Серосодержащие аминокислоты

5. Цистеин (α-амино-β-тиопропионовая кислота). Сокращенное обозначение — цис.

HO₂CCH(NH₂)CH₂SH

Благодаря наличию сульфгидрильной группы, цистеин может легко превращаться в аминокислоту цистин (β, β-ди-тиобис-(α-аминопропионовая кислота)), не входящую в число 20 протеиногенных.

Цистин содержит дисульфидную группу -S-S-. Чтобы показать в упрощенном виде участие сульфгидрильных групп в процессе образования цистина.

Реакция превращения цистеина (восстановленная форма) в цистин (окисленная форма) — один из примеров реакций биологического окисления, чрезвычайно широко распространенных в живой природе.

Цистин (греч. «кистис» — пузырь) первым выделил В. Волластон в 1810 г. из камней мочевого пузыря. В 1901 г. Г. Эмбден впервые выделил из яичного белка цистеин.

6. Метионин (α-амино-γ-метилтиомасляная кислота). Сокращенное обозначение — мет.

HO₂CCH(NH₂)CH₂CH₂SCH₃

Метионин был впервые обнаружен в 1922 г. Ю. Мюллером в казеине молока.

Аминокислоты с разветвленным углеводородным радикалом

7. Валин (α-аминоизовалериановая кислота). Сокращенное обозначение — вал.

HO₂CCH(NH₂)CH(CH₃)₂

Валин в составе белка был впервые найден П. Шютценбергером в 1879 г. при исследовании продуктов гидролиза альбумина.

8. Лейцин (α-аминоизокапроновая кислота). Сокращенное обозначение — лей.

HO₂CCH(NH₂)CH₂CH(CH₃)₂

Лейцин был открыт в 1820 г. А. Браконно как один из продуктов гидролиза белков шерсти и мышц. Лейцином (греч. «лейкос» — белый) богат яичный белок.

9. Изолейцин (α-амино-β-метилвалериановая кислота). Сокращенное обозначение — иле.

HO₂CCH(NH₂)CH(CH₃)CH₂CH₃

Изолейцин обнаружил Ф. Эрлих в 1904 г. сначала в продуктах гидролиза фибрина крови, а позднее и в других белках. У изолейцина два асимметрических атома углерода и, следовательно, четыре оптических изомера.

Аминокислоты, содержащие ароматическое ядро

10. Фенилаланин (α-амино-β-фенилпропионовая кислота). Сокращенное обозначение — фен.

C₉H₁₁NO₂

Фенилаланин был впервые выделен из продуктов гидролиза растительных белков в 1881 г. Э. Шульце и Ю. Барбьери.

11. Тирозин (α-амино-β-(п-гидроксифенил)пропионовая кислота). Сокращенное обозначение — тир.

C₉H₁₁NO₃

Тирозин (греч. «тирос» — сыр) впервые получен в 1846 г. Ю. Либихом из казеина молока.

12. Триптофан (α-амино-β-(β-индолил)-пропионовая кислота). Сокращенное обозначение — три.

C₁₁H₁₂N₂O₂

В состав радикала триптофана входит гетероцикл индол. Поэтому триптофан — гетероциклическая аминокислота. Ее первыми выделили из казеина молока в 1901 г. Ф. Гопкинс и С. Кол.

13. Пролин (пирролидин-α-карбоновая кислота). Сокращенное обозначение — про.

C₅H₉NO₂

Пролин представляет собой гетероциклическое соединение — производное пирролидина. Он является иминокислотой, так как содержит не аминную (-NH₂), а иминную (-NH) группу. При взаимодействии с нингидрином пролин образует соединение желтого цвета. Пролин открыт Э. Фишером в 1901 г. при изучении продуктов гидролиза казеина молока.

Рассмотренные аминокислоты не содержат в боковых радикалах ионогенных групп, поэтому суммарный заряд их молекул в водном растворе равен нулю.

Основные аминокислоты за счет ионизации присутствующих в их боковых радикалах основных группировок обладают в водном растворе суммарным положительным зарядом.

14. Гистидин (α-амино-β-имидазолилпропионовая кислота). Сокращенное обозначение — гис.

C₆H₉N₃O₂

В состав бокового радикала гистидина входит гетероцикл — имидазол. Наряду с триптофаном и пролином, гистидин также является гетероциклическим соединением. Азот имидазола сообщает гетероцикл) основные свойства.

Гистидин (греч. «гистос» — ткань) был впервые выделен А. Косселем из стурина — белка спермы осетра в 1896 г. и независимо от него С. Хединым из казеина молока.

15. Лизин (2,6-диаминогексановая кислота). Сокращенное обозначение — лиз.

HO₂CCH(NH₂)(CH₂)₄NH₂

Радикал лизина, содержащий аминогруппу, проявляет свойства основания при ее ионизации.

Лизин (греч. «лизис» — растворение) получил свое название из-за очень хорошей растворимости в воде. Впервые выделен из казеина молока Э. Дрекселем в 1889 г.

16. Аргинин (α-амино-δ-гуанидинвалериановая кислота). Сокращенное обозначение — арг.

(NH-C(NH₂)NH(CH₂)₃CH(NH₂)-COOH)

Основные свойства аргинина обусловлены наличием в его радикале гуанидиновой группировки, способной присоединять ион водорода.

Аргинин (лат. «argentum» — серебро) впервые получен С. Хединым в 1895 г. из продуктов гидролиза кератина рога в виде азотносеребряной соли.

Кислые аминокислоты

Кислые аминокислоты в водном растворе обладают суммарным отрицательным зарядом за счет диссоциации карбоксильных групп боковых радикалов.

17. Аспарагиновая кислота (аминоянтарная кислота). Сокращенное обозначение — асп.

HO₂CCH(NH₂)CH₂CO₂H

Аспарагиновую кислоту первым выделил из растительного белка Г. Риттхаузен в 1868 г.

18. Глутаминовая кислота (α-аминоглутаровая кислота). Сокращенное обозначение — глу.

C₅H₉NO₄

Глутаминовая кислота (лат. «gluten» — клей) была впервые выделена Г. Риттхаузеном в 1866 г. из продуктов гидролиза клейковинных белков зерна пшеницы.

Амиды кислых аминокислот

В белках присутствуют амиды кислых аминокислот (в карбоксильной группе их бокового радикала гидроксильная группа замещена на аминогруппу). Амидные группировки в обычных условиях не диссоциируют. Суммарный заряд молекул амидов кислых аминокислот в водном растворе равен нулю.

19. Аспарагин (β-амид аминоянтарной кислоты). Сокращенное обозначение — асн.

HOOC-CH(NH₂)-CH₂-CONH₂

Аспарагин впервые обнаружили Л. Вокелен и П. Робике в соке спаржи (аспарагуса) в 1806 г., что и отражено в его названии. Наличие аспарагина в белках доказал М. Дамодаран и др. в 1932 г., выделив его из эдестина конопли.

20. Глутамин (γ-амид α-аминоглутаровой кислоты). Сокращенное обозначение — глн.

O=C(NH₂)-CH₂-CH₂-CH(NH₂)-COOH

Наличие глутамина в белках доказал М. Дамодаран и др. в J 932 г., выделив его из эдестина.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Руководство по изучению аминокислот

: структура и функции

Внимание: Этот пост был написан несколько лет назад и может не отражать последние изменения в программе AP®. Мы постепенно обновляем эти сообщения и удалим этот отказ от ответственности после обновления этого сообщения. Спасибо за ваше терпение!

В биохимии ДНК содержит генетический код жизни. Когда гены экспрессируются, ДНК транскрибируется в мРНК, которая затем транслируется в белки.Белки — это сложные биомолекулы, которые выполняют важнейшие функции в клетке. Эти белки состоят из более мелких строительных блоков, называемых аминокислот (AA). AA связаны между собой рибосомами, которые читают инструкции, данные им мРНК. Ошибки в размещении аминокислот действительно случаются и в некоторых случаях могут привести к гибели клеток. Всегда помните, что структура дает функцию .

Учебные советы

Большинство курсов биохимии потребуют от вас знания следующего: название аминокислоты, структура, pKa ионизируемых атомов водорода, а также трехбуквенное и однобуквенное сокращение.Для 20 аминокислот это непростая задача.

Чтобы выучить структуру, имена и стенографию, лучший метод здесь — это запоминание. Используйте флеш-карточки, доски или любой другой метод повторного запоминания. Таблица общих аминокислот представлена ​​на рисунке 1. Ее следует загрузить и распечатать. Обратите внимание, что селеноцистеин (Sec, U) не является распространенной аминокислотой и его можно пропустить.

Если читать рисунок 1, AA в верхнем левом углу — это аргинин. Три буквы в скобках — это трехбуквенное сокращение, а буква в красном кружке — это односимвольное сокращение: e.g., аргинин, Arg, R. Держите стол при себе; как и периодическая таблица элементов в химии, вы будете обращаться к этой таблице AA на протяжении всего курса. Также обратите внимание на номенклатуру и условности, представленные вам в классе.

Рисунок 1. Таблица аминокислот. Источник изображения: Викимедиа

Запоминание идет пока что. Чтобы изучить влияние pH или физико-химические свойства отдельных АК, лучше всего попытаться понять процесс и то, как изменение микросреды повлияет на поведение АК.Кроме того, некоторые аминокислоты обладают уникальными свойствами, которые увеличивают их функциональность.

Карбоновый каркас

Все аминокислоты состоят из амина (-NH ₂ ) и карбоновой кислоты (-COOH), связанных центральным α-углеродом (рис. 2). Группа R или боковая цепь уникальна для каждой аминокислоты; в результате α-углерод является хиральным центром, за исключением глицина, где R = водород. Биохимики сосредотачиваются на L-аминокислотах, как показано на Рисунке 1 (клиновые связи), но D-аминокислоты актуальны для фармацевтических применений.

Если вы не уверены в стереохимии, освежитесь в прогнозах Фишера из органической химии. Преподаватели курса будут рисовать конструкции разными способами. По возможности попросите инструктора предоставить стереохимию. Изменение или инверсия структуры повлияет на клин или хэшированных ( пунктирных ) отмеченных облигаций (рис. 3).

Рисунок 2. Общая аминокислотная структура. Источник изображения: Wikimedia Commons

Аминокислоты — это мономерные строительные блоки белков; клетка строит белки, соединяя аминокислоты друг с другом от карбоксильной группы к аминогруппе.Вновь образованная амидная связь или пептидная связь образуется в результате реакции дегидратации. Короткие последовательности менее 50 АК называются пептидами, а последовательности более 50 АК называются белками. В литературе конкретный AA может обозначаться как остаток ; например, «Остатки лизина в гистонах ацетилируются, чтобы способствовать упаковке дцДНК».

Рисунок 3. Аминокислоты, соединенные пептидными связями синим цветом. Источник изображения: Wikimedia Commons

На рисунке 3 четыре аминокислоты — аланин, серин, глицин и лейцин — связаны пептидными связями (синий цвет).Группа –NH ₂ первого пептида называется амином или N-концом ; группа –COOH последнего пептида представляет собой карбокси или С-конец . Пептиды и белки написаны и пронумерованы слева направо, начиная с N-конца и заканчивая C-концом. Последовательность выше (в трехбуквенном коде) — Ala1-Ser2-Gly3-Leu4. В клетке белки синтезируются от аминного конца до карбоксильного конца, и мы поддерживаем это соглашение в описании последовательностей.Ошибки в синтезе ( мутаций ) сообщаются следующим образом: Ser2 ➔ Thr; это означает, что серин в положении 2 был мутирован в треонин. В сокращенном виде: S2T.

Рис. 4. Перекрывающиеся p-орбитали стабилизируют плоскую геометрию. Источник изображения: Wikimedia Commons

Когда AA соединяются, образующаяся пептидная связь имеет плоскую геометрию (рис. 4). Выравнивание р-орбиталей между амидным азотом и карбонильным углеродом и кислородом облегчает обмен электронами, укрепляя связи, делая их жесткими псевдодвойными связями.Это известно как таутомеризация . А-атомы углерода с обеих сторон закреплены в определенных геометрических формах, которые позже сформируют а-спирали и b-листы в белках.

Классификация аминокислот

20 распространенных аминокислот можно классифицировать по их боковым цепям. Две основные группы — это гидрофобных аминокислот (водобоязнь) и гидрофильных аминокислот (водолюбивые). Вездесущий растворитель в клетках — вода; физиологические условия предполагают pH 7.4 и температуре около 37 ° C. Обратите внимание, что pH не имеет единицы измерения и перед символом градуса стоит пробел.

Гидрофобные аминокислоты неполярные и ограничивают их воздействие на воду. Эти остатки имеют тенденцию зарываться в ядра белков. Гидрофобные аминокислоты можно далее разделить на алкильных или ароматических остатков. Боковые алкильные цепи напоминают насыщенные углеводородные цепи и включают глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин и пролин.Ароматические аминокислоты — фенилаланин и триптофан. Ароматические углеводороды могут самостабилизироваться путем наложения друг на друга p-стека (как блины).

Гидрофильные аминокислоты полярны и будут тяготеть к любой поверхности, контактирующей с водой. Этими остатками выстланы внешние поверхности белков и белковые каналы. Гидрофильные аминокислоты можно разделить на три группы: нейтральных , кислых и основных аминокислот. Нейтральные аминокислоты — это тирозин, серин, треонин, цистеин, глутамин и аспарагин.Обратите внимание, что тирозин бывает полярным и ароматическим. Кислые аминокислоты — это глутаминовая кислота (глутамат) и аспарагиновая кислота (аспартат). Основные аминокислоты — лизин, гистидин и аргинин. Полное обсуждение эффектов pH для каждого из этих типов АК приведено ниже.

Сводка аминокислот

В этой таблице обобщены свойства AA и даны подсказки для быстрой идентификации. См. Рисунок 1 для полной структуры L-аминокислот.

Имя	3 буквы код	1 буква код	Боковая цепь
Глицин	Gly	G	H	Оптически неактивен.
Аланин	Ала	А	-CH 3	Простейший оптически активный АА. Все остальные AA будут строиться на аланине, как в начале алфавита.
Валин	Вал	В	-КАНАЛ (КАНАЛ 3 ) 2	Боковая цепь разветвлена ​​как V.
Лейцин	лей	л	-CH 2 [CH (CH 3 ) 2 ]	Боковая цепь разветвлена ​​как Y.
Изолейцин	Иль	I	-КАНАЛ (КАНАЛ 3 ) (C 2 H 5 )	Изомер лейцина. Одна ветка длиннее другой.
Пролин	Pro	-п.	-КАНАЛ 2 Канал 2 Канал 2 —	Единственный циклический алифатический.
Цистеин	Cys	С	-CH 2 -SH	Цистеин имеет сульфгидрильную (SH) группу.
метионин	Мет	M	— (Канал 2 ) -S- (Канал 3 )	Тиол является синонимом серы. Метионин — это метилированная сера.
Фенилаланин	Phe	F	-CH 2 (C 6 H 5 )	Бензольное (или фенил ) кольцо, присоединенное к аланину. F нравится его название.
Триптофан	Трп	Вт	-индольное кольцо	AA с самой большой боковой цепью, два сросшихся кольца (двойные).
Тирозин	Тир	Y	-CH 2 (C 6 H 4 OH)	A гидроксилированный (OH) фенилаланин.
Серин	Ser	S	-CH 2 ОН	Гидроксилированный аланин.
Треонин	Thr	т	— СН (ОН) (СН 3 )	Три части этого АА: аланин, метил и гидроксил.
Аргинин	Арг.	R	— (CH 2 ) 3 -мочевина	Боковая цепь имеет группу мочевины (NH 2 -C (NH 2 + ) (NH)) (любимый пиратами AA, аргинин).
Лизин	Lys	К	— (CH 2 ) 4 -NH 3 +	Основная прямая цепь AA с аминогруппой.
Гистидин	Его	H	-CH 2 — (C 3 N 2 H 4 ) +	Эта аминокислота имеет имидазол, ароматическое кольцо с двумя атомами азота, которое может быть протонировано.
Аспартат	Асп	D	-CH 2 COOH	Кислый аланин. Вспомните Д.
Глутамат	Glu	E	-CH 2 CH 2 COOH	Более длинная версия Asp. E следует за D в алфавите.
аспарагин	Асн	N	-CH 2 CONH 2	Amidated Asp.
Глютамин	Gln	Q	-CH 2 CH 2 CONH 2	AmidatedGlu.

Особые свойства аминокислот

Некоторые аминокислоты обладают уникальными свойствами. Эти свойства могут влиять на окончательную структуру белка, электростатику белка или способствовать количественной оценке концентраций белка.

Цистеин Рисунок 5.Цистеин (слева) и дисульфидный мостик (справа). Источник изображения: Wikimedia Commons

На рисунке 5 показан цистеин в виде свободного тиола (-SH). Тиоловая группа очень реактивна к реакциям окисления и образует дисульфидный мостик с другим цистеином. Эта связь может образовываться между цистеинами в одной и той же полипептидной цепи ( внутримолекулярная ) или между двумя разными цепями ( межмолекулярная ). Эта ковалентная связь фиксирует пептидный каркас в определенной ориентации и может быть разорвана только в восстановительных условиях.Метионин, другой серосодержащий АК, не может образовывать дисульфидные мостики и является стартовым кодоном для синтеза белка.

Пролин и глицин

Рисунок 6: Пролин (слева) и глицин (справа). Источник изображения: Wikimedia Commons

Структурно пролин (рис. 6) уникален среди AA, потому что его боковая цепь замыкается и повторно соединяется с пептидным остовом. Все другие АК имеют первичные амины, и, будучи связанными в полипептидную цепь, они становятся вторичными амидами; Pro внутри цепи становится третичным амидом.Благодаря геометрии Pro Lock в пептидную цепь вносятся изломы. Глицин, с другой стороны, не имеет боковой цепи. А-углерод имеет много свободного вращения; эти точки очень гибкие в пептидной цепи. Пролин и глицин работают вместе, чтобы разрушить вторичную структуру белков и известны как разрушители а-спирали .

Тирозин и триптофан

Рис. 7. Тирозин (слева) и триптофан (справа). Источник изображения: Wikimedia Commons

Тирозин и триптофан являются двумя ароматическими аминокислотами (рис. 7) и обладают сильным поглощением УФ-света при 280 нм.Фенилаланин, также ароматический, поглощается с гораздо меньшей частотой. Белки и пептиды, содержащие Tyr или Trp, можно количественно определить с помощью спектроскопии УФ-видимого света, поскольку они поглощают свет в УФ-спектре. Коэффициенты молярной экстинкции равны Tyr = 1490 л / см ^-1 M ^-1 и Trp = 5500 л / см ^-1 M ^-1 . Эти коэффициенты аддитивны; например, если у вас есть белок с двумя Tyr и тремя Trp, коэффициент экстинкции этого белка = (2 x 1490) + (3 x 5500) = 19 480 л · см ^-1 M ^-1 .

Гистидин Рисунок 8. Гистидин. Источник изображения: Wikimedia Commons

Гистидин имеет имидазольную боковую цепь (рис. 8) с pKa 6,0, что близко к физиологическому pH 7,4. Это позволяет His действовать как буфер, который может принимать или отдавать водород при необходимости. Многие активные центры используют His для опосредования реакций. Его также можно использовать в качестве конструкции соляного моста.

Кислоты, основания и солевые мостики Рисунок 9. Иллюстрация солевого мостика между глутаматом и лизином.Источник изображения: Wikimedia Commons

Последние группы — это кислоты — аспартат и глутамат — и основания — аргинин, лизин и иногда гистидин — которые образуют солевые мостики (рис. 9). Электростатические взаимодействия между положительными основаниями и отрицательными кислотами через пространство стабилизируют белковые структуры. Эти взаимодействия сильнее водородных связей (4 ккал / моль), но слабее, чем дисульфидные связи (60 ккал / моль). Солевые мостики также обнаруживаются в сайтах связывания белков, часто содержащих лигандов для транспорта или субстратов для ферментативных реакций.

Влияние pH

Аминокислоты имеют как основной мотив, так и кислотный мотив. При физиологическом pH большинство АК будут цвиттерионов (рис. 10), не считая боковых цепей. Карбокси-конец депротонирован с отрицательным зарядом, в то время как аминный конец протонирован с положительным зарядом. Чистый заряд молекулы равен нулю. Изменяя pH системы, вы можете протонировать или депротонировать концы. Когда АК образуют пептидные связи, они больше не влияют на pH.

Рис. 10. Цвиттерионы аминокислот. Источник изображения: Wikimedia Commons

Неионизируемые боковые цепи

Большинство аминокислот не имеют ионизируемых боковых цепей, и вам нужно беспокоиться только о протонировании концов при изучении эффектов pH: это относится к Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Met, Pro, Phe, Thr , Ser, Asn, Gln и Trp. Среднее значение pKa C-конца составляет ~ 2,0, что означает, что если pH больше 2, он находится в карбоксилатной (-COO ^—) форме, а если pH меньше 2, он находится в протонированной форме. форма (-COOH).Для N-конца среднее значение pKa составляет ~ 9,5. Когда pH больше 9,5, амин депротонируется (-NH ₃ ) до тех пор, пока pH не упадет ниже 9,5, затем образуется протонированный амин (-NH ₄ ⁺ ). Ключевые идеи: (1) чем ниже pH, тем больше водорода (H ⁺ ) присутствует и (2) основания протонируются раньше кислот.

Ионизируемые боковые цепи

Для аминокислот Arg, Lys, Tyr, His, Cys, Asp и Glu необходимо учитывать боковые цепи.На рисунке 1 перечислены pKa боковой цепи. Основания, Arg и Lys, имеют рКа боковой цепи 12,3 и 10,7 соответственно. В физиологических условиях они протонированы. PKa кислотных АК составляет 3,7 для Asp и 4,15 для Glu. Они депротонируются в клетке. Буферная способность His была объяснена ранее; его pKa более кислая при 6.0.

Tyr и Cys ведут себя как спирты, но в отличие от Ser и Thr они легко депротонируются. Cys предпочел бы связываться с другим Cys, но свободный тиол Cys действительно присутствует в белках, иногда в активных центрах.Его pKa составляет 8,37. Tyr имеет pKa на уровне 10,1, аналогично Lys из-за резонансной стабилизации .

Изоэлектрическая фокусировка и электрофорез

Какое значение имеет заряд аминокислоты? Оказывается, аминокислотами и, соответственно, белками можно манипулировать в зависимости от их заряда. Изоэлектрическая точка (pI) — это pH, при котором аминокислоты или белки имеют чистый нулевой заряд. Затем смешанный образец АК может быть разделен с помощью изоэлектрической фокусировки (IEF) с использованием градиента pH и электрического тока (рис. 11).

Движение заряженных частиц относительно жидкости в однородном электрическом поле называется электрофорезом . Расширением IEF является вестерн-блоттинг , при котором образцы сначала разделяют электрофорезом, затем переносят в среду связывания и анализируют.

Рисунок 11. Изоэлектрическое фокусирование белков. Источник изображения: Wikimedia Commons

Пост-трансляционные модификации

После того, как рибосома завершила обработку мРНК, некоторые аминокислоты могут быть ферментативно модифицированы.Они известны как посттрансляционные модификации (PTM). PTM встречается на определенных AA или на остатке в определенной последовательности.

Ацетилирование может происходить по боковой цепи лизина. Добавление убиквитина, белка, осуществляется путем ацетилирования. Убиквитинирование важно для убиквитин-опосредованной деградации белков, метода пометки белков для повторного использования. Другими распространенными типами ацетилирования являются липидирование и пренилирование цистеина и N-концевых глицинов.

Фосфорилирование добавляет -OPO ₃ ^-2 к серину, треонину, тирозину, гистидину, аргинину или лизину. Этот тип PTM резко изменяет электростатику остатка; нейтральные или базовые AA получают заряд -2. Клетки используют фосфорилирование как метод передачи сигнала для активации или деактивации метаболических путей.

Гликозилирование добавляет углевод к АК. Сообщается как Asn-X-Ser или Asn-X-Thr, где X представляет собой любой остаток, эта согласованная последовательность означает, что гликозилирование будет происходить в серине или треонине, который находится на расстоянии двух остатков от аспарагина.

Сводка

Это много, поэтому делайте это по частям. Как можно быстрее запомните названия и структуру аминокислот, но найдите время, чтобы понять физические процессы, которые влияют на аминокислоты. Эти небольшие изменения окажут огромное влияние на структуру и функцию белков.

Была ли эта статья полезной? Мы бы хотели получить от Вас отзывы. Какой совет по учебе помогает вам больше всего?

Давайте применим все на практике. Попробуйте этот практический вопрос по биохимии:

Ищете дополнительную практику в области биохимии?

Вы можете найти тысячи практических вопросов об Альберте.io. Albert.io позволяет настроить процесс обучения так, чтобы он ориентировался на практику там, где вам больше всего нужна помощь. Мы зададим вам сложные практические вопросы, которые помогут вам достичь совершенства в биохимии.

Начните практиковать здесь .

Вы преподаватель или администратор, заинтересованный в улучшении результатов учащихся по биохимии?

Узнайте больше о наших школьных лицензиях здесь .

Мнемоника аминокислот | Эпомедицина

Что такое аминокислоты?

Аминокислоты — это молекулы, содержащие:

1. Аминную группу
2. Карбоновую кислотную группу
3. Боковую цепь, которая варьируется между разными аминокислотами

Назначьте названия этих аминокислот 20 различным алфавитам

Техника, которую вы собираетесь использовать, чтобы запомнить все это, приведена чуть ниже списка.

• A — аланин
• B: ⊗
• C: цистеин
• D: аспартат
• E: глутамат
• F: фенилаланин
• G: глицин
H: гистидин
H: гистидин
• ⊗
• K: лизин
• L: лейцин
• M: метионин
• N: аспаргин
• O: ⊗
• P: пролин
• Q: глютамин
• R: аргинин
: аргинин Треонин
• U:
• V: валин
• W: Триптофан
• X: ⊗
• Y: Тирозин
• Z: ⊗

Техника запоминания этого репрезентативного алфавита Из составной схемы.com

1. Аминокислоты с уникальной первой буквой:

• Цистеин (C)
• Гистидин (H)
• Изолейцин (I)
• Метионин (M)
• Валин (V)
• Серин (S)

2. Первая буква для более чем одной аминокислоты — но зарезервирована для их представления:

• Аланин (A)
• Глицин (G)
• Лейцин (L)
• Пролин (P)
• Треонин (T)

3. Фонетически наводит на мысль:

• Аргинин (R-гинин)
• Фенилаланин (F-енилаланин)
• Тирозин (тирозин)
• Триптофан (W-структура триптофана)
• 907Прочие:
  • Аспартат или аспарагиновая кислота (asparDic)
  • Аспарагин (aspargiN)
  • Глутамат или глутаминовая кислота (глюЭ-тамат)
  • Глутамин (Q-тамин)
  Лизин Аминокислоты, классифицированные с помощью мнемоники

  A. Основа структуры:

  1. Алифатические боковые цепи: GAVLI

  • Глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин

  2. С группой STY:

  • Серин, треонин, тирозин

  3.Кислотный: AAGG

  • Аспартат, аспаргин, глутамат, глутамин

  4. Содержащий серу: CM

  5. Основной: HI история ARG Hisdine Lentina

  , Аргинин, лизин

  6. Ароматический: HTTP

  • Гистидин, триптофан, тирозин, фенилаланин

  7. Имид:

  B. Незаменимые и несущественные:

  .Незаменимые аминокислоты: PVT TIM HALL

  • Фенилаланин
  • Валин
  • Треонин
  • Триптофан
  • Изолейцин
  • Метионин
  • Гистидин
  • Гистидин 902вин
  • Гистидин 902вин
  Гистидин Гистидин

  2. Заменимые аминокислоты1: Остальные 10 аминокислот

  C. Метаболическая судьба аминокислот:

  1. Кетогенные: лизин, лейцин

  2.Частично кетогенные / глюкогенные: изолейцин и 3 другие ароматические аминокислоты (тирозин, триптофан, фенилаланин)

  3. Глюкогенные: остальные

  D. Полярность:

  1. Полярность без заряда на R (гидрофильном): STY ( Серин, треонин, тирозин), CNQ (цистеин, аспаргин, глутамин)

  2. Полярный с + ve R (гидрофильный): аргинин, гистидин, лизин (основной)

  3. Полярный с -ve R (гидрофильный): аспартат , Глутамат (кислотный)

  4. Неполярный (гидрофобный): остальное, т.е.е. GAVLI MFWP (глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, фенилаланин, триптофан, пролин)

  Глицин

  • Самая маленькая и простая аминокислота
  • Оптически отвечает за гибкость белка
  • неактивность
  • Глицин с аргинином и метионином (GAM + орнитин) синтезирует кретин.
  • Глицин (с сукцинил-КоА) используется для синтеза гема.

  Гистидин

  • Наиболее стабильная аминокислота при физиологическом pH
  • Может служить лучшим буфером при pH 7
  • Может протонировать и депротонировать при нейтральном pH
  • Предшественник гистамина

  Глютамин

  • Форма хранения и транспортировки
  • аммиак
  • Удаление аммиака из головного мозга
  • Предшественник пуринов и пиримидинов

  Фенилаланин и тирозин

  • Фенилаланин является предшественником тирозина
  • Тирозин является предшественником тирозина
  • 02
  C

  Цистеин

  • Может синтезироваться в организме из метионина (оба содержат серу)
  • Отвечает за снижение действия глутатиона

  Метионин

  • Форма S-аденозилметионина (SAM), который является основным донором метильной группы
  в организме

  Глутатион

  • А нтиоксидант (восстанавливающее свойство обусловлено сульфгидрильной группой цистеина) — детоксифицирует h3O2 с помощью глутатионпероксидазы
  • Носитель при транспортировке определенных аминокислот через мембрану в почках
  • Реакция конъюгации

  Триптофан

  • )
  • 60 мг форма триптофана 1 мг ниацина
  • Также известна как альфа-амино бета-3 индолпропионовая кислота

  Аргинин

  • Самая основная аминокислота
  • Предшественник оксида азота

  Аланин

  • аммиака из мышц

    Он является редактором секции ортопедии в эпомедицине.Он ищет и делится более простыми способами сделать сложные медицинские темы простыми. Еще он любит писать стихи, слушать и играть музыку.

    • Facebook13
    • Twitter
    • Pinterest

    Советы и мнемоники для запоминания аминокислотных структур

    Изучение аминокислотных структур — сложная часть курсовой работы по биологии и биохимии. Многие студенты чувствуют себя совершенно подавленными заданием. Лучший способ овладеть этим навыком — это много повторяться (вот ссылка на викторину Sporcle, которая может помочь вам с частью повторения), но могут быть полезны уловки и мнемоника, чтобы вы начали.Ниже приведена таблица с некоторыми мнемониками и приемами, которые я собирал за эти годы — надеюсь, это станет хорошей отправной точкой для вашего мастерства в отношении аминокислот!

    Приступим!

    Глицин

    Глицин — самая простая аминокислота. Лучше просто запомнить, что эта важная аминокислота имеет функциональную группу, которая содержит только водород!

    Аланин

    Аланин также имеет действительно простую функциональную группу (просто метильную группу), на которой строятся некоторые другие функциональные группы AA.Вы можете запомнить название, потому что алфавит основан на букве А, а другие функциональные группы основаны на простой группе аланина R. А как насчет других аминокислот A? Что ж, у аланина самая короткая группа R (помимо глицина), поэтому вы можете помнить, что у него самое короткое название аминокислот, начинающееся с A!

    Валин

    Эта аминокислота — единственная, которая начинается с буквы V, а функциональная группа имеет V-образную форму!

    Лейцин

    Вы можете думать о лейцине как о «более свободной» версии валина с немного более длинной R-группой.

    Изолейцин

    Изолейцин — изомер лейцина! Для тех, кто еще не изучал химию, изомер — это молекула, имеющая ту же химическую формулу, но другое расположение атомов. Вы можете вспомнить, что есть что, потому что у лейцина простое название и более простое (менее однобокое) расположение атомов, чем у изолейцина.

    Движение направо …

    Пролин

    Пролин уникален по своей структуре и часто встречается в чередовании.Его боковая цепь изгибается и связывается с собой, что делает его похожим на петлю в букве «P» для пролина!

    метионин

    Метионин имеет короткую 2-углеродную цепь, за которой следует сера, а затем метильная группа. Вы можете помнить это, потому что Met — это сокращение от метила, а в химии это указывает на присутствие серы!

    ЦИСТИНА

    Цистеин начинается со звука «сс», и это единственная аминокислота, которая образует двойную связь S-S.Фактически, только одна боковая цепь другой аминокислоты содержит серу (метионин), но она не находится на конце R-группы и не может образовывать связи S-S. Вот еще один глупый совет, который я усвоил, когда был студентом: когда вы думаете о цистеине, представьте себе знаменитую картину в Сикстинской капелле, изображающую Адама и Бога, соприкасающуюся пальцами! Это немного похоже на формирование связи. Это должно помочь вам помнить, что цистеин содержит S и является единственной аминокислотой, способной к образованию связи S-S.

    Фенилаланин

    Фенильная группа представляет собой углеводородное кольцо.Группа R фенилаланина представляет собой группу R аланина плюс фенил!

    ТИРОЗИН

    Тирозин выглядит как фенилаланин с группой ОН, присоединенной к фенильной группе. Вы можете запомнить это, потому что первая часть этого названия аминокислоты (tyr) звучит как шина, что должно напоминать вам, что группа R содержит фенильную группу в форме шины. За Tyr следует буква «о», которая должна напоминать вам, что группа -ОН присоединена к фенилу.

    И, конечно, вы не можете забыть…

    Триптофан

    Триптофан — это химическое вещество, от которого хочется спать после еды индейки в День Благодарения! Вы можете узнать эту структуру, потому что она имеет две кольцевые структуры, которые немного похожи на индейку. Вы также можете распознать эту структуру, потому что это, пожалуй, самая сложная группа R, и изучение сложных групп R может вызвать у вас сонливость!

    Серин

    Серин похож на цистеин по структуре и названию! Единственное отличие состоит в том, что группа -SH заменена группой -OH.Вот мнемоника, которая поможет вам это запомнить: О нет, STY! Аминокислоты, содержащие группу -ОН, представляют собой серин, треонин и тирозин, а их однобуквенные сокращения — S, T и Y.

    Треонин

    Вы можете распознать треонин, потому что у него есть три элемента, выходящие за пределы углерода группы R: водород, гидроксильная группа и метильная группа.

    Аспартат и глутамат

    Аспартат и глутамат очень похожи по структуре! Оба они имеют группу R, состоящую из углеродной цепи, оканчивающейся карбоксильной группой.Единственная разница в том, что аспартат имеет только 1 C, а глутамат — 2 Cs. Вот два, которые нужно запомнить: 1) A стоит перед G в алфавите, поэтому аспартат короче глутамата и 2) в аспартате есть спарт, что очень похоже на спартанское, поэтому в нем должно быть меньше C. В глутамате есть избыток, поэтому он должен быть жадным и иметь больше Cs. Вы можете отличить эти аминокислоты от очень похожих аминокислот глутамина и аргинина, потому что они заканчиваются на -ат, поэтому они должны содержать карбоксильную группу!

    И последнее, но не менее важное!

    Аргинин

    Гистидин, аргинин и лизин (HAL) являются тремя основными аминокислотами, и все они имеют азотсодержащие боковые цепи.Вы можете распознать аргинин, потому что это аминокислота HAL с наибольшим числом n в названии, а также аминокислота HAL с группой R, которая содержит наибольшее количество n.

    Лизин

    Группа R лизина содержит углеродную цепь, оканчивающуюся атомом азота. Это самая прямая из азотсодержащих боковых цепей HAL, поэтому вы можете помнить об этом, потому что лизин — это линейная аминокислота HAL.

    Гистидин

    Гистидин — последняя аминокислота HAL.У него короткая цепь из 2 атомов углерода, а затем кольцо, содержащее два атома азота.

    Аспарагин и глутамин

    Аспарагин и глутамин действительно легко запомнить, если вы знаете глутамат и аспартат! Единственное отличие состоит в том, что у них есть амидная группа, которая заменяет карбоксильную группу после атомов углерода. Вы можете запомнить это различие, потому что суффикс -ine указывает на присутствие азота.

    Теперь у вас есть полный доступ к ТОЧНОМУ ключу исследования аминокислот!

    Структура и функции — Аминокислоты — Введение в биохимию

    «Это одно из наиболее поразительных обобщений биохимии… что двадцать аминокислот и четыре основания, с небольшими оговорками, одинаковы во всей Природе.” — Фрэнсис Крик

    Все аминокислоты имеют одинаковую основную структуру, показанную на Рисунке 2.1. В центре каждой аминокислоты находится углерод, называемый α-углеродом, и к нему присоединены четыре группы — водород, группа карбоновой кислоты, аминогруппа и R-группа, иногда называемая вариабельной группой или боковой цепью. . Α-углерод, карбоновая кислота и аминогруппы являются общими для всех аминокислот, поэтому R-группа является единственным изменяющимся признаком. За исключением глицина, который имеет R-группу, состоящую из атома водорода, все аминокислоты в белках имеют четыре разные группы, присоединенные к ним, и, следовательно, могут существовать в двух зеркальных изомерных формах.

    Обозначения, используемые в органической химии, обычно не применяются к номенклатуре аминокислот, но аналогичная система использует L и D для описания этих энантиомеров. Природа не распределила стереоизомеры аминокислот равномерно. Вместо этого, за очень небольшими исключениями, каждая аминокислота, обнаруженная в клетках и белках, имеет L-конфигурацию.

    Рисунок 2.1 — Общая аминокислотная структура

    В белках содержатся 22 аминокислоты, из которых только 20 определены универсальным генетическим кодом.Другие, селеноцистеин и пирролизин, используют тРНК, которые способны образовывать пары оснований со стоп-кодонами в мРНК во время трансляции. Когда это происходит, эти необычные аминокислоты могут быть включены в белки. Ферменты, содержащие селеноцистеин, например, включают глутатионпероксидазы, тетрайодтиронин-5′-дейодиназы, тиоредоксинредуктазы, формиатдегидрогеназы, глицинредуктазы и селенфосфатсинтетазу. Белки, содержащие пирролизин, встречаются гораздо реже и в основном встречаются в архее.

    Существенные и второстепенные

    Диетологи делят аминокислоты на две группы — незаменимые аминокислоты и заменимые аминокислоты. Незаменимые аминокислоты должны быть включены в наш рацион, потому что наши клетки не могут их синтезировать. То, что важно, значительно варьируется от одного организма к другому и даже различается у людей, в зависимости от того, взрослые они или дети. Таблица 2.1 показывает незаменимые и заменимые аминокислоты в организме человека.

    Некоторые аминокислоты, которые обычно не являются незаменимыми, в определенных случаях может потребоваться получить с пищей.Людям, которые не синтезируют достаточное количество аргинина, цистеина, глутамина, пролина, селеноцистеина, серина и тирозина, например, из-за болезни, могут потребоваться пищевые добавки, содержащие эти аминокислоты.

    Таблица 2.1 — Незаменимые и заменимые аминокислоты

    Небелковые аминокислоты

    Есть также аминокислоты, обнаруженные в клетках, которые не включены в белки. Общие примеры включают орнитин и цитруллин.Оба эти соединения являются промежуточными продуктами цикла мочевины, важного метаболического пути.

    Химия группы R

    Таблица 2.2 — Категории аминокислот (на основе свойств R-группы)

    Аминокислоты можно классифицировать на основе химического состава их R-групп. Таким образом полезно классифицировать аминокислоты, потому что именно эти боковые цепи придают каждой аминокислоте ее характерные свойства. Таким образом, можно ожидать, что аминокислоты с (химически) подобными боковыми группами будут функционировать аналогичным образом, например, во время сворачивания белка.Конкретные категории категорий могут различаться, но все системы представляют собой попытки организовать и понять взаимосвязь между структурой аминокислоты и ее свойствами или поведением как части более крупной системы.

    Неполярные аминокислоты

    Аминокислоты этой группы включают:

    • Аланин (Ala / A)
    • Глицин (Gly / G)
    • Изолейцин (Ile / I)
    • лейцин (лей / л)
    • Метионин (Met / M)
    • Валин (Val / V)

    Аминокислоты этой группы имеют неполярные гидрофобные R-группы.При включении в глобулярные белки они имеют тенденцию упаковываться внутрь среди других гидрофобных групп. В белках, которые внедряются в мембраны или через них, эти аминокислоты могут ориентироваться на гидрофобные части внутренней части мембраны.

    Небольшие группы R здесь легче собираются в плотные образования. Пролин является исключительным в том, что он имеет группу R, которая складывается и ковалентно связывается с основной цепью аминокислоты, создавая более жесткий элемент в белковой цепи, который уменьшает свободное движение полипептидной цепи.Кроме того, пролин может подвергаться реакциям гидроксилирования, стабилизируя структуру белка. Это происходит в коллагене с помощью аскорбиновой кислоты (витамина С). Одним из симптомов синдрома дефицита витамина С «цинга» является снижение качества коллагена в тканях, включая кожу и десны. Это может привести к ухудшению состояния и потере зубов.

    Рисунок 2.2 — Свойства боковой цепи аминокислот Wikipedia

    Рисунок 2.3 — Неполярные аминокислоты

    Кислотные аминокислоты (боковые цепи карбоновых кислот)

    Аминокислоты этой группы включают:

    • Аспарагиновая кислота (Asp / D)
    • Глутаминовая кислота (Glu / E)

    Рисунок 2.4 — Карбоксиламинокислоты

    Каждая из этих аминокислот содержит группу карбоновой кислоты как часть вариабельной группы. При физиологическом pH эти группы существуют в основном в депротонированном состоянии. Если они нарисованы в этом состоянии, их легко запутать, потому что их названия включают «кислота», в то время как структура не показывает ионизируемого протона, а заряд группы R отрицательный.

    Глутаминовая кислота (в депротонированной форме, называемой «глутамат») помимо своей роли в качестве строительного блока белков является нейротрансмиттером.Он также распознается рецептором во рту, способствуя возникновению вкусовых ощущений, описываемых как «умами». Многие продукты содержат значительное количество глутамата, которое распознается нашими вкусовыми рецепторами и побуждает нас есть эти вещества. Эти продукты часто содержат белок, который до некоторой степени расщепился: вареное мясо, ферментированные соусы, такие как вустерширский или соевый, тахини, бульоны и дрожжевые экстракты.

    Основные аминокислоты (азотсодержащие боковые цепи)

    В эту группу аминокислот входят:

    • Аргинин (Arg / R)
    • Гистидин (His / H)
    • Лизин (Lys / K)

    Рисунок 2.5 — Амин-аминокислоты

    Вариабельная группа в каждой из этих аминокислот содержит азот, который придает группе способность существовать в протонированном и депротонированном состояниях. Их часто называют основными, но они также часто находятся в протонированном состоянии, которое более распространено при физиологическом pH.

    Аргинин (Arg / R) интересен тем, что является незаменимой диетической аминокислотой для недоношенных детей, которые не могут ее синтезировать. Кроме того, хирургическая травма, сепсис и ожоги увеличивают потребность в аргинине, и для правильного заживления может потребоваться диетическое питание.

    Гистидин содержит азотсодержащую имидазольную функциональную группу с pKa, равным 6. Это означает, что он может улавливать или отдавать ионы водорода в ответ на небольшие изменения pH. В белках гистидин часто играет важную роль, участвуя непосредственно в реакциях с переносом ионов водорода.

    Группа R лизина часто химически модифицируется для того, чтобы она могла образовывать необычные связи с другими химическими группами или участвовать в определенных химических реакциях. Лизин часто добавляют в корм для животных, поскольку он является ограничивающей аминокислотой и необходим для оптимизации роста животных, выращиваемых для потребления.

    Ароматические аминокислоты

    Рисунок 2.6 — Ароматические аминокислоты

    Аминокислоты с ароматическими боковыми цепями включают:

    • Фенилаланин (Phe / F)
    • Триптофан (Trp / W)
    • Тирозин (Tyr / Y)

    Эти аминокислоты включены в белковые структуры, но также служат предшественниками в некоторых важных биохимических путях, приводя к выработке гормонов, таких как L-допа и серотонин.

    Гидроксиламинокислоты

    В эту группу входят

    • Треонин (Thr / T)
    • Серин (Ser / S)
    • Тирозин (уже обсуждался как ароматическая аминокислота)

    Аминокислоты этой группы содержат спиртовые группы, которые могут участвовать во взаимодействиях водородных связей.Как часть белковых молекул они гидрофильны и могут ориентироваться наружу в водянистой среде. Спиртовая группа подвержена химическим реакциям или модификациям, например, когда углеводные группы ковалентно связаны с белками.

    Рисунок 2.7 — Гидроксиламинокислоты

    Рисунок 2.8 — Аминокислотные свойства Википедия

    Другие аминокислоты

    • Аспарагин (Asn / N) — полярная аминокислота.Амид функциональной группы не является основным.
    • Цистеин (Cys / C)
    • Глутамин (Gln / Q)

    Рисунок 2.9 — Прочие аминокислоты

    Цистеин, содержащий тиол. Тиолы могут реагировать друг с другом путем окисления, образуя дисульфидные связи, содержащие два ковалентно связанных атома серы. Переменные группы метионина в белковых цепях могут вступать в такие реакции, ковалентно связывая цепи друг с другом короткой связью. Такие дисульфидные связи или мостики ограничивают подвижность белковых цепей и способствуют формированию более определенных структур.

    • Селеноцистеин (Sec / U) — компонент селенопротеинов, обнаруженных во всех сферах жизни. Двадцать пять белков человека содержат селеноцистеин. Он является компонентом нескольких ферментов, включая глутатионпероксидазы и тиоредоксинредуктазы. Это не кодируется стандартным генетическим кодом.
    • Пирролизин (Pyl / O) — двадцать вторая аминокислота, но редко встречается в белках. Как и селеноцистеин, он не закодирован в генетическом коде и должен быть включен необычными способами.

    Ионизирующие группы

    Некоторые, но не все аминокислоты имеют R-группы, которые могут ионизировать. Заряд белка тогда возникает из зарядов аминогруппы, карбоксильной группы и суммы зарядов ионизированных R-групп. Титрование / ионизация аспарагиновой кислоты показано на рисунке 2.10. Ионизация (или деионизация) в структуре белка может иметь значительное влияние на общую конформацию белка и, поскольку структура связана с функцией, большое влияние на активность белка.

    Рисунок 2.10 — Кривая титрования для аспарагиновой кислоты Изображение Пенелопы Ирвинг

    Строительные полипептиды

    Хотя аминокислоты выполняют в клетках и другие функции, их наиболее важная роль заключается в том, что они являются составными частями белков. Белки, как мы уже отмечали ранее, представляют собой полимеры аминокислот.

    Аминокислоты связаны друг с другом пептидными связями, в которых карбоксильная группа одной аминокислоты присоединяется к аминогруппе следующей с потерей молекулы воды.Дополнительные аминокислоты добавляются таким же образом путем образования пептидных связей между свободным карбоксилом на конце растущей цепи и аминогруппой следующей аминокислоты в последовательности. Цепь, состоящая всего из нескольких связанных вместе аминокислот, называется олигопептидом (олиго = несколько), а типичный белок, состоящий из множества аминокислот, называется полипептидом (поли = много). Конец пептида, который имеет свободную аминогруппу, называется N-концом (для Nh3), а конец со свободным карбоксилом называется C-концом (для карбоксила).

    Рисунок 2.16 Образование пептидной связи

    Как мы уже отмечали ранее, функция зависит от структуры, и цепочка аминокислот должна складываться в определенную трехмерную форму или конформацию, чтобы образовался функциональный белок. Сворачивание полипептидов в их функциональные формы — тема следующего раздела.

    В этой таблице показаны 64 кодона и каждая аминокислота кодонного кода для

    В этой таблице показаны 64 кодона и амино кислота каждый кодон кодирует.
    		2-я база
    		U	К	А	G
    1-й база	U	UUU Фенилаланин UUC фенилаланин UUA лейцин UUG лейцин	UCU Серин UCC Serine UCA Серин UCG Серин	UAU Тирозин ОАК Тирозин UAA Ocher ( Stop ) UAG Янтарь ( Stop )	UGU Цистеин UGC Цистеин УГА Опал ( Stop ) УГГ Триптофан
    	К	CUU Лейцин CUC лейцин CUA лейцин CUG Лейцин	CCU Proline CCC Proline CCA Proline CCG Proline	CAU Христидин CAC Гистидин CAA глутамин CAG Глютамин	CGU Аргинин CGC аргинин CGA Аргинин CGG Аргинин
    	А	AUU Изолейцин AUC изолейцин AUA Изолейцин AUG Метионин	ACU Треонин ACC Треонин ACA Треонин ACG Треонин	AAU аспарагин AAC аспарагин ААА лизин AAG лизин	AGU Серин AGC Серин AGA Аргинин AGG Аргинин
    	G	ГУ Валин GUC Валин GUA Valine GUG Valine	GCU Аланин GCC Аланин GCA Аланин GCG Аланин	GAU аспарагиновая кислота кислота GAC аспарагиновая кислота GAA глутаминовая кислота GAG глутаминовая кислота	ГГУ Глицин GGC Глицин GGA Глицин GGG Глицин

    Почему двадцати типов аминокислотных остатков достаточно (d) для поддержки всех живых систем

    Abstract

    Хорошо известно, что белки состоят из алфавита из 20 различных типов аминокислот.Этого достаточно, чтобы позволить белку свернуться в свою рабочую форму, соответствующую его требуемым функциональным ролям. Для выполнения этих назначенных функций в некоторых случаях может возникнуть необходимость в посттрансляционных модификациях, и было установлено, что в какой-то момент в этот процесс были задействованы дополнительные три типа аминокислот. Но все же остается в силе то, что упомянутые 20 типов остатков являются основными строительными блоками во всех земных белках и, вероятно, «повсеместно».Учитывая этот факт, удивительно, что не было дано удовлетворительного ответа на два вопроса: «почему 20?» и «почему именно эти 20?». Кроме того, сделано предположение относительно того, как эти 20 кодонов отображаются в репертуар кодонов, который в принципе способен обслуживать 64 различных типа остатков. В этой статье делаются попытки ответить на эти вопросы, используя комбинацию квантово-химических и химиоинформатических инструментов, которые применяются к 20 стандартным типам аминокислот, а также к 3 «нестандартным» типам, встречающимся в природе, — набору вымышленных, но выполнимых. аналоговые структуры, разработанные для проверки необходимости большего охвата функционального пространства и сбора возможных альтернативных структур, обнаруженных либо на метеоритах, либо в экспериментах, предназначенных для реконструкции сценариев дожизненных.

    Образец цитирования: Bywater RP (2018) Почему двадцати типов аминокислотных остатков достаточно (d) для поддержки всех живых систем. PLoS ONE 13 (10): e0204883. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0204883

    Редактор: Христос А. Узунис, CPERI, ГРЕЦИЯ

    Поступила: 4 мая 2017 г .; Принята к печати: 17 сентября 2018 г .; Опубликовано: 15 октября 2018 г.

    Авторские права: © 2018 Robert P.Байуотер. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

    Доступность данных: Все данные предоставляются либо загруженными «как есть» (рисунки), либо в виде дополнительной информации (таблицы).

    Финансирование: Эта работа была поддержана Институтом Фрэнсиса Крика, который получает основное финансирование от Cancer Research UK (FC001179), Совета медицинских исследований Великобритании (FC001179) и Wellcome Trust (FC001179).Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

    Конкурирующие интересы: Автор заявил, что конкурирующих интересов не существует.

    Введение

    Поиск органических соединений, которые могли бы выступать в качестве компонентов или прекурсоров ключевых пребиотических химикатов, активно велся более 60 лет [1–3]. Было найдено лишь относительно небольшое количество таких кандидатов, насчитывающее около 50 человек.Это число исчезающе мало по сравнению с предполагаемой потенциальной заселенностью химического пространства («пространство» здесь используется в его общем математическом смысле). Химическое пространство было определено [4] как ансамбль всех возможных молекул, который, как считается, содержит не менее 10 ⁶⁰ органических молекул ниже 500 Да. Возможно, миллионы соединений еще предстоит открыть в космическом пространстве, но число реально известных соединений ничтожно по сравнению с этим числом. Между тем на Земле и биология, и изобретательность человечества способны создавать миллионы различных химических структур в крошечных замкнутых пространствах.Контраст между химической стерильностью известного космического пространства и Земли не может быть большим. Конечно, биологическая эволюция во многом связана с производством этих миллионов соединений (однако все еще далеко от оценки Реймонда и др.), Но химическая эволюция, которая привела к появлению жизни, была связана с 50 обсуждаемых здесь, из которых 19 являются существующими и все еще необходимыми L-аминокислотами вместе с ахиральным глицином и на некоторой стадии еще 3 типа.

    Степень заселения химического пространства пребиотическими химическими веществами уже рассматривалась, и в этих поисках использовались передовые химиоинформатические инструменты [5–9]. В частности, было указано [6], что «… данные о частотах аминокислот, образованных этими разнообразными механизмами, и… независимо от источника, эти 10 ранних аминокислот могут быть ранжированы в порядке (можно предсказать с помощью термодинамики) уменьшения численности. в контексте пребиотиков ». Именно в этом духе (хемоинформатика и термодинамические ограничения) этот поиск продолжается здесь с использованием нескольких новых и некоторых старых методологий.

    Белки выполняют широкий набор функций, которые имеют решающее значение для выживания всех живых организмов. К ним относятся структурные, каталитические, регуляторные функции, транспорт биоактивных материалов, роль трансдукции сигналов и транскрипции генов и многие другие. Это огромное разнообразие функций тем более примечательно, если учесть, что химический состав белков кажется обманчиво простым — алфавит, состоящий всего из 20 типов аминокислотных остатков, обеспечивает платформу или стадию, на которой могут выполняться все эти сложные роли.Эти 20 типов остатков обладают, благодаря химической природе своих боковых цепей, почти всей необходимой химической функциональностью. Нужно сказать «почти все», потому что в некоторых случаях существует значительная дополнительная поддержка, обеспечиваемая посттрансляционными модификациями, добавлением кофакторов или ионов металлов и т. Д. . но сами аминокислоты предоставляют необходимую информацию для правильного присоединения этих вспомогательных веществ. Уже упоминались три дополнительных, относительно редких, протеиногенных типа аминокислот, два из которых кодируются замещением стоп-кодона, UAG в случае пирролизина и UGA в случае селеноцистеина [10–14].Основное внимание в этой работе уделяется 20 стандартным или каноническим типам аминокислот, но хотя эти два дополнительных типа до сих пор не были обнаружены за пределами биосферы, они играют важную роль в биологии «пост-РНК», поэтому они включены в анализ, который следует, наряду с третьим новичком, селенометионином [15], другими кандидатными аналогами аминокислот, как указано ниже.

    Выбор 20 стандартных типов остатков был сделан на ранней стадии эволюции — их появление предшествовало РНК и ДНК, и весьма вероятно, что они уже играли жизненно важную роль на протяжении химической эволюции пребиотиков (~ 4 млрд лет назад) [7,8].Вопросы, которые возникают сейчас и даже раньше [16], заключаются в следующем: почему эти 20 «канонических» типов аминокислот пришли в мир белков и почему другие (в принципе, многие возможные альтернативы [16]) не были выбраны?

    Эти вопросы актуальны как для современной биохимии, так и для рассмотрения их роли в происхождении жизни (OoL). Недавно мы были проинформированы о природе органической химической полезной нагрузки на борту кометы 67P [17], но в основном это были очень примитивные структуры, включая многие азотсодержащие частицы, но не содержащие серу (или селен), и четыре органических соединения: метилизоцианат, ацетон, пропионовый альдегид. и ацетамид, но без аминокислот.Со временем мы получим информацию о ряде планет Солнечной системы, а также о бесчисленных экзопланетах. Хотя могут быть некоторые сюрпризы, на основании текущих данных может показаться, что слово «универсально» — подходящее наречие. Если это так, ответ должен потребовать от нас выяснить, каковы факторы, относящиеся к белкам, которые ограничивают поглощение любых мономеров, которые органическая химия может предложить в суровых условиях.

    Наконец, наиболее актуальный вопрос, упомянутый в Abstract и уже присутствующий в более раннем списке [16] вопросов: почему только 20, а не 64 типа аминокислот.Этот вопрос рассматривается в данной статье.

    Методы

    Ключом к этой статье является понимание концепции и ценности использования различных определений молекулярной сложности. Если кто-то когда-либо хочет понять, как жизнь могла возникнуть из пребиотической химической библиотеки из 50 соединений (среди огромного множества из 10 ⁶⁰ возможных химических кандидатов, большинство из которых мы никогда не встретим), необходимо прибегнуть к количественным измерениям, которые отражают вероятность того, что какое-либо соединение когда-либо будет изготовлено.Есть два (дополнительных) подхода к этому: один основан на математических дескрипторах молекулярной структуры (хемоинформатика), а другой — на квантовой химии. Здесь применяются оба подхода. Обратите внимание, что в настоящей работе используется молекулярная сложность, основанная только на структуре, более раннее использование показателей «синтезируемости» [7,8] не актуально в этом контексте, поскольку мы заинтересованы в спонтанном производстве различных молекулярных видов, а не в их синтезе. включая сложные процедуры и циклы очистки на лабораторном столе.

    Чтобы исследовать эти вопросы, панель из 58 соединений, включая 20 канонических аминокислот, была подвергнута строгому статистическому аудиту их структурных и квантово-химических свойств. Выбор соединений-кандидатов для этого исследования был продиктован известными фактами, касающимися появления аминокислот, их предшественников и аналогов в метеорите Мерчисон [18] и в классическом эксперименте Миллера [1–3]. Панель выбранных здесь соединений — это те, которые перечислены в таблицах S1 – S5 и идентифицированы по названиям в таблице S6 .В описанной здесь работе эти наборы обозначаются как mrchsn для Murchison и mllr для Miller и Miller-Urey соответственно. (Информацию о соединениях с номерами 1–30 см .: http://en.wikipedia.org/wiki/Non-proteinogenic_aminos_acids). Следует отметить, что многие эксперименты были проведены со времени первоначальных экспериментов Миллера в разных условиях, но во всех смыслах и целях производятся одни и те же химические вещества [5,6,19–21]. Химические вещества, рассматриваемые в этой работе, изначально были разделены на две группы: L-аминокислоты, входящие в «канонический набор» (12 из 20) ( S2, таблица ), и другие аминокислотоподобные соединения ( S1 Таблица ) именуются «кандидатами».Важно подчеркнуть, что большинство этих кандидатов не являются аминокислотами. Они не могут быть включены в пептиды, поскольку в них отсутствует одна или другая или обе определяющие химические функциональные группы для образования пептидной связи. Есть некоторые исключения из этого, которые обсуждаются ниже.

    Далее, поскольку мы хотим исследовать химическую эволюцию, очень важно рассмотреть, какие химические вещества (имеющие отношение к современной биохимии) не присутствовали в этих двух источниках. Следовательно, была добавлена ​​третья группа ( S3, таблица ): это были оставшиеся 8 из набора из 20, которые не были обнаружены в метеоритах или в экспериментах по моделированию OoL.Конечно, эти 8, как и все другие типы пептидогенных аминокислот, в эпоху пост-РНК продуцируются ферментным катализом, но они присутствовали до появления РНК и белков. Все 20 следует рассматривать как пребиотики, а 8, не обнаруженные в экспериментах по моделированию или на метеоритах, обязаны своим происхождением земным катализаторам, как обсуждается ниже. Установленные (по данным метеоритов и экспериментов Миллера) 12 аминокислот соответствуют тем же самым основным 12 структурам, которые мы имеем сегодня. Эти структуры могли быть усовершенствованы во многих случаях, но они не наблюдались.Причина этого заключается в том, что все такие разработки, такие как разветвление цепи или введение новых хиральных центров (что обычно следует из разветвления цепи), требует затрат, которые измеримы с точки зрения сложности и синтезируемости и наблюдаемы с точки зрения возникновения. Эти строгие требования также действуют, чтобы ограничить следующий набор 8, которые мы все еще наблюдаем сегодня. Помимо изолейцина и треонина, не существует типов аминокислот с более чем одним хиральным центром с единственным, за исключением пирролизина (соединение 51 в S4 Таблице ), который имеет два дополнительных хиральных центра.Это отражается в очень высокой оценке сложности этой аминокислоты, как описано ниже.

    Мир белков (за исключением некоторых простетических групп и посттрансляционных модификаций) в основном населен атомами типов H, C, N и O, но мы уже упоминали аминокислоты, содержащие Se, и они включены сюда (соединения 52–54 в таблице S4 ).

    Могли быть или могли быть другие способы разработки аминокислотных структур, исследуя пространство ароматичности или создавая альтернативы существующим функциональным группам, таким как -CO2 (-) и -Nh4 (+).Чтобы исследовать это, был разработан небольшой набор аминокислот в решительных усилиях по изучению области «функционального пространства», ранее не исследованной ни химической эволюцией, ни даже синтетически. Члены этого набора были тщательно отобраны с целью изучения функционального пространства с хорошим охватом, но без избыточности. Это приняло форму расширения пространства ароматичности путем замены единственного бензольного кольца фенилаланина на нафталиновую группу (2-амино-3-нафтилпропановую кислоту, соединение 55 в S5, таблица ) и замены имидазольной части гистидина триазолами (2- Амино-3- (1H-1,2,3, триазол-4-ил) пропановая кислота, соединение 56 и 2-амино-3- (1H-1,3,5, триазол-4-ил) пропановая кислота, соединение 57) и тетразол (1H-1,2,3,5, тетразол-4-ил) пропановая кислота, соединение 58).Боковая цепь имидазола гистидина ионизируется в диапазоне pH биологических систем, что придает ему каталитические свойства, в то время как триазолы всегда заряжены положительно, а тетразолы отрицательно заряжены при физиологическом pH. Эти аналоги не встречаются в природе, и их действительно довольно сложно синтезировать.

    Не было сочтено необходимым дальнейшее изучение пространства алифатичности (соединения с высоким logP, как обсуждается ниже), поскольку это было адекватно охвачено ранней химической эволюцией (многие соединения в первой группе, в частности, нет.14). В любом случае расширение алифатичности путем изучения более высоких гомологов или очень разветвленных боковых цепей быстро столкнется с двумя дисквалификациями: низкой растворимостью и, со структурной точки зрения, чрезмерной избыточностью без каких-либо компенсационных выгод с точки зрения потенциала для улучшенного молекулярного распознавания или функции. Точно так же увеличение заряда за счет добавления дополнительных заряженных групп было бы самоубийственным, поскольку растворимые противоионы скоро уберут дополнительные заряды, в то время как будет сопутствующее увеличение «стоимости сложности» без какого-либо выигрыша в функциональности.

    Пять групп соединений подробно обсуждаются ниже.

    Входные модели выбранных соединений были построены с использованием пакета моделирования YASARA [22]. Они были сначала оптимизированы полуэмпирическими квантово-химическими расчетами в рамках гамильтониана PM3 и сохранены в форматах PDB, XYZ и SMILES. Файлы XYZ использовались в качестве входных данных для получения точных электронных структурных данных с использованием ab initio квантовых методов типа B3LYP / 6-31G *, реализованных в программе MOLCAS [23].Это было выбрано, потому что все соединения представляют собой структуры с закрытой оболочкой без задействованных возбужденных состояний или радикалов. Расчеты последнего типа необходимо проводить с осторожностью и вниманием ко многим факторам, помимо структуры и выбора специальных базовых наборов. Но для соединений, подобных изученным здесь, B3LYP вполне подходит. Дополнительная сложность в случае селеносоединений (№№ 52, 52 и 54) заключается в том, что для обеспечения точной сходимости scf требовалась релятивистская поправка (основа: ANO-RCC-VDZP), что несколько увеличивало вычислительные затраты. .Поскольку нет конкретной информации о природе окружающей среды, которая применима ко всем случаям (это может быть вакуум, вода, минеральные поверхности, липидный бислой в зависимости от случая), диэлектрическая проницаемость была установлена ​​равной единице. (Было указано [20], что во всех экспериментах Миллера и последующих попытках повторить их в различных условиях не учитывались геохимические условия). Из выходных данных B3LYP были извлечены энергии ДПФ ( дипм ) и дипольные моменты ( дипм ) для каждого соединения.Эти переменные суммируют различные электронные атрибуты молекул: дипм — суммарный дипольный момент молекулы. Дипольные моменты обычно разделяются по трем основным осям момента инерции молекулы, но, поскольку нет общего способа выровнять все молекулы (если такое выравнивание существует, это как раз направление этого суммарного вектора диполя), он В данной работе допускается использовать величину этого вектора как меру полярности. Энергия DFT молекулы, dften , сильно коррелирует со сложностью и молекулярной массой (см. Рис. 1 ), как и следовало ожидать.

    Молекулярная сложность ( cmplx в S1 – S5 Таблицы и Рис. 2–4 ) расчеты на основе данных энтропии Шеннона с использованием ранее опубликованного алгоритма [24] были выполнены, как описано ранее [7,8]. Этот метод собирает важную информацию о молекулярной структуре, включая количество и типы атомов, их связность, количество кратных связей и хиральность. Вопрос о «типах атомов» нуждается в некотором разъяснении: замена одного гетероатома другим гетероатомом сама по себе не меняет сложности в соответствии с этим методом подсчета очков.Пример: у селеноцистеина такой же балл, как у цистеина. Но на самом деле селенаналоги синтезировать гораздо труднее, и они намного сложнее электронно (см. Вышеупомянутые замечания о квантово-химических расчетах). По этим причинам они почти наверняка «приедут позже».

    В дополнение к этой метрике сложности была пересмотрена гораздо более ранняя методология, parachor ( prchr в таблицах S1 – S5 и рис. 2–4 ), которая основана на вкладе в поверхностное натяжение составляющих молекулярных фрагментов [ 25] и набран для этого исследования.Это произошло потому, что было сочтено, что это был способ обогатить статистическую обработку, что на практике оказалось так (см. Ниже). В качестве еще одного дополнения к вышеуказанным вычислениям сложности данные о сложности Колмогорова, полученные из строк дескриптора SMILES, были получены с использованием bzip2 в качестве алгоритма сжатия [26,27]. Эти оценки обозначаются как smlx . Липофильность ( logp ) определяли с помощью программы ALOGPS2.1 [28] (http://www.vcclab.org/lab/alogps/).

    Существует богатая традиция статистических исследований свойств аминокислот, начиная с основополагающей работы [29], которая привела к разработке программного обеспечения Sigma для этой цели. В этой работе для всех статистических расчетов и построения графиков использовалась программа R (R Development Core Team, 2008) (см. рисунки 1–4 и S1 – S5 таблицы ).

    Результаты

    Все данные для всех 58 соединений показаны в таблицах S1 – S5. Порядок в этом списке:

    1. ➢.Группа 1 (синий / номера: 1–30) нестандартные аминокислоты и непептидогенные аналоги, обнаруженные в наборах Мерчисона ( mrchsn ) или Миллера ( mrchsn ),
    2. ➢. Группа 2 (зеленый / номера: 31–42): члены канонического набора, которые наблюдались либо на метеорите Мерчисон, либо в эксперименте Миллера,
    3. ➢. Группа 3 (красные / номера: 43–50) члены канонического набора, которые не наблюдались в этих наборах, но которые сохранились,
    4. ➢. Группа 4 (пурпурный / №№.: 51–54) аминокислоты, которые не учитывались при разработке исходного генетического кода, но теперь известно, что они присутствуют у многих видов во всех трех сферах жизни. Это пирролизин (стандартное сокращение O, кодируемое стоп-кодоном UAG). селеноцистеин (стандартная аббревиатура U, кодируется UGA, другим стоп-кодоном) и селенометионин (не кодируется, но продуцируется ферментативно и здесь сокращенно J). В этот набор включен гомоселеноцистеин, который не встречается в природе (называемый здесь гомоU).Члены этой группы не обнаружены ни на метеоритах, ни в экспериментах типа Миллера. Все они, вероятно, являются «пост-РНК», за исключением homoU, который не был обнаружен / описан.
    5. ➢. Группа 5 (оранжевый / номера: 55–58) — полностью вымышленный набор аминокислот, предназначенный для изучения неизведанных областей «функционального пространства».

    Даже беглое изучение данных показывает, что то, что характеризует многих членов Группы 3, помимо других, — это более высокие оценки сложности ( см / см x ) по сравнению с Группой 2.Это наблюдалось и комментировалось ранее [8]. Примечательно, что D (соединение № 41) и E (№ 42) присутствуют в группе 2, но их амиды N (№ 44) и Q (№ 45) соответственно появляются первыми в группе 3. Сложность данные не объясняют этого, а также не объясняют, почему гомоцистеин (не встречающийся в белках) присутствует в группе 1, в то время как его более простой «канонический» родственный цистеин появляется первым в группе 3. Эти наблюдения предполагают, что действуют другие факторы, так как можно увидеть на рисунках, как описано ниже.Нет непосредственного объяснения того, почему гомоцистеин (соединение № 2) проявляется более заметно по сравнению с его низшим гомологом цистеином (№ 43), но ответ может заключаться в функциональных потребностях, которые диктуют выбор ротамерной структуры (обсуждается ниже). Также может быть аспект стабильности / истирания: цистеин может образовываться в больших количествах, но он более чувствителен к деградации, чем гомоцистеин.

    Рис. 1 показывает попарные корреляции между различными структурными и квантово-химическими переменными, статистические нагрузки ( cmplx , prchr , dipm , dften , logp , mllr , mrch, mrch mw и smlx , как указано выше).Хорошие корреляции явно наблюдаются для cmplx , prchr с mw и взаимно между cmplx и prchr , хотя эти методы оценки сложности имеют совершенно другое происхождение. C оценка сложности smlx кажется скорее антикоррелированной с cmplx , prchr и mw . Это связано с тем, что струны SMILES уже очень компактны и состоят из линейных струн, в которые проецируются трехмерные хиральные и гетероатомные структуры.Длина и содержимое этих строк действительно отражают размер молекулы и, конечно же, сложность, а алгоритм сжатия отражает меру этой сложности.

    Переменные dipm и dften , полученные из ab initio квантово-химических расчетов, как описано выше, по-разному коррелируют с mw , в частности: dipm почти полностью инвариантен относительно mw , а dften больше или менее линейно зависимый (молекулярная масса по самой своей природе подразумевает большую внутреннюю энергию).(См. рис. 1 ).

    На рис. 2 показаны результаты первого анализа PCA. Здесь наблюдается очень четкая кластеризация трех групп. Группа 3 (красный цвет, №№ 43–50 в S3 Table ) является наиболее отчетливой и характеризуется большими отрицательными значениями Компонента 1. В этом компоненте преобладают cmplx , mw , prchr и . dften . Вдоль Компонента 2 члены Группы 3 находятся в промежуточном диапазоне, особенно избегая того, чтобы быть сильно липофильными ( logp ).Как правило, группа 2 (номера 31–42, S2, таблица ) объединяется с более низкими степенями сложности (более высокие значения компонента 1) и частично перекрывает группу 1 (синий) кластер. Последнее понятно, учитывая, что Группа 1 состоит в основном из изомеров или близких аналогов аминокислот класса 2. Два выброса, № 31 и 32 представляют собой аминокислоты глицин и аланин соответственно. Они являются простейшими по структуре членами группы и могут рассматриваться как родительские элементы для всех членов групп 2, 3 и 4 и «истинных» аминокислот в группе 1.Их больше всего было как в mllr , так и в mrchsn , и такие простые соединения, вероятно, можно найти почти в любом месте межзвездного пространства. Два других выброса группы 2 № 41 и 42 представляют собой аспарагиновую и глутаминовую кислоты, соответственно, обе высокополярные, и они удовлетворяют потребности всех впоследствии образующихся белков для обеспечения кислотной функции в их боковых цепях. Также очень важна, особенно для аспартата, способность связывать ионы металлов с образованием каталитических центров.

    Группа 2 и Группа 3 вместе представляют то, что «выжило», канонический набор типов аминокислот, который у нас есть сегодня. Но они разные, кажется, что каждый находится по разные стороны «пропасти». Группа 2 смешивается с Группой 1, и эти два набора встречаются в межзвездном пространстве, на метеоритах ( mchlsn ) или в лабораторных экспериментах ( mchlsn ), тогда как для Группы 3 фактор, который, кажется, проявляется как Наиболее критичным для их внешнего вида является сложность в общем смысле.В частности: cmplx , prchr и smlx — все служат для «растягивания» ( Fig 2 ) членов всех трех групп вдоль оси, Компонент 1, основной характеристикой которого явно является молекулярная сложность. Это сложность, за которую нужно «платить», чтобы выполнять требуемые функции. На основании этих результатов были бы все основания изучать эти различные меры сложности и в других контекстах. Может быть, даже у почти полностью забытого парашюта есть будущее.

    Здесь представлены еще два результата. Во-первых, вопрос о том, адекватно ли покрытие функционального пространства каноническим набором из 20 типов аминокислот для поставленной задачи. Очевидно, что это так, как было оценено апостериори . После включения этих остатков в белки возникают дополнительные функциональные требования (в частности, катализ), которые необходимо удовлетворить. Это достигается посттрансляционными модификациями. Для правильного сворачивания самого белка требуется ряд типов остатков с липофильными боковыми цепями, как алифатического, так и ароматического типа.Но нет необходимости впадать в крайности, как в вымышленном соединении 55 или соединении Миллера (но не Мерчисона) 14. Эти крайние типы остатков не используются. Также нет «альтернатив» положительно заряженным остаткам лизин / аригинин (соединения 56 и 57) или отрицательно заряженным остаткам аспартат / глутамат (соединение 58). Распределение этих нестандартных «типов остатков» показано оранжевым цветом на Рис. 2 . Но существуют типы остатков, которые ранее не были включены в «канонический набор», и их необходимо учитывать.Хотя нет никаких доказательств того, что они играли какую-либо роль в химической эволюции пребиотиков или в самой OoL, сегодня они, безусловно, играют значительную роль. Они образуют группу 4 и включены в первый график PCA. Все три появляются как выбросы, окрашенные в пурпурный цвет: 51 (пирролизин) и 52–54 (селеносоединения). Первые обязаны своей высокой степенью сложности наличию трех хиральных центров, в то время как селеносоединения своим расположением обязаны простому факту, что селен заменил серу — электронная энергия ( dften ) и молекулярная масса ( mw ) равны соответственно выше.

    Разделение и кластеризация, наблюдаемые в группах 1, 2 и 3, становятся более ясными, когда выбросы пирролизина и селеносоединений удаляются, как показано на рис. 3 .

    Наконец, был составлен заговор, чтобы увидеть, каковы будут последствия отказа от mllr и mrchsn , чтобы ответить на любые возражения, что они каким-то образом влияют на результат. Этот график показан на Рис. 4 . Есть некоторая локальная взаимная перетасовка моментов в сюжете, но это никак не нарушается.Фактически, какое бы «смещение» mllr и mrchsn ни вводили, необходимо для этого анализа, потому что первые отражают экспериментальные данные, а вторые являются репрезентативными для реальных событий из межзвездного пространства.

    Чтобы создать отображение панели соединений в химическое пространство, был изучен очень полный и разнообразный набор параметров ( mw , cmplx , smlx , prchr , dften , dipm , логп , мкр и мкрчсн ).Из этих cmplx было выделено как важное и, вероятно, является основным ингредиентом в первом основном компоненте на графиках PCA Figs 2 и 3 . Сложность является атрибутом молекулярной структуры, но она также является основной причиной других атрибутов: способности вообще синтезироваться [7] и допускать более широкий спектр химических функций. Таким образом, это также можно рассматривать как фактор стоимости. Чтобы прояснить этот момент, был построен новый график, на котором cmplx было опущено как отдельный параметр, а вместо этого оставшиеся параметры были разделены на соответствующее значение для cmplx .Это дает нормализованную версию двух предыдущих графиков, что позволяет больше акцентировать внимание на влиянии оставшихся атрибутов.

    Как показано на Рис. 4 Группы 1 и 2 очень сильно перекрываются друг с другом, как и Группы 3 и 4, но теперь между этими двумя созвездиями существует очень четкое разделение («разделение», упомянутое выше). Это говорит о том, что существует реальное разделение между подмножествами соединений, которые, как известно, обнаруживаются в космическом пространстве, и теми, которые известны только в земной среде.Это не означает, что они обязательно являются продуктами биосинтеза — как раз наоборот, как обсуждается ниже. Но это подтверждает мнение о том, что существуют определенные физические особенности планеты Земля (и, возможно, некоторых экзопланет), которые способствуют образованию этих более сложных соединений. Некоторые новые особенности графика в Рис. 4 требуют комментариев и пояснений: Соединение 43 (цистеин) теперь появляется в кластере, образованном «простыми» группами 1 и 2. Это согласуется с тем фактом, что его сложность составляет примерно такой же, как серин (а его «показатель синтезируемости» даже ниже, чем у серина [7]).Соединения 41 и 42, которые принадлежат Группе 2, теперь переместились в кластер Группы 3 + 4. Аминокислоты, аспарагиновая кислота и аспарагин были отнесены к группе 2 на основании их сильного присутствия в mrchsn и mllr , но их сложность и синтезируемость ставят их на границу между группами 2 и 3.

    Подводя итог, Рисунки 2–4 показывают, как аминокислоты (соединения 31–42 группы 2 (зеленые) и группы 3 (красные) 43–50) распределены относительно других пребиотических соединений (группа 1 (синий) 1– 30).Многомерный анализ выявил две основные ортогональные переменные, компонент 1, который четко выражает сложность (как совокупно определяется переменными cmplx , prchr , smlx , mldx , а также prchr и dftn , в то время как компонент 2 одинаково четко имеет характер гидрофобности против полярности (ранее предложенной Хиггсом и Пудрицем, 2009), что демонстрируется направлением векторов logp и dipm .Группа 2 имеет непересекающееся распределение, где A (32) и G (31) расположены отдельно от основной группы, как уже упоминалось. Они небольшие (низкая сложность) и почти полностью лишены гидрофобного характера ( logp ). Другой набор выбросов, D (41) и E (42), имеет чрезвычайно полярный характер. В остальном Группа 2 занимает центральное место, частично перекрываясь с Группой 1, но в основном распределена в сторону большей сложности по сравнению с Группой 1. Функционально простейшие пептидные структуры могут спонтанно образовываться из аминокислот в этой группе (особенно трансмембранных пептидов [7]).Позже, когда появятся более сложные типы аминокислот группы 3, они также могут быть включены в пептиды и, в конечном итоге, в белки. Они распределяются по спектру гидрофобности / полярности (компонент 2) по мере необходимости, и их большая сложность отражает требования все более высоких функциональных требований.

    Последнее замечание, относящееся к разделу Results , состоит в том, чтобы отметить совпадения между сериновыми номерами. 34 и его изомер нет. 30, лейцин нет. 36 и его гомолог ни лейцин нет.20 и валин нет. 33 и его изомеры нет. 19 и 29. Также заметна близость между цистеином № 43 и его гомолог гомоцистеин нет. 2 и аналогично между серином № 34 и его гомолог гомоцистеин нет. 1. Нет немедленного объяснения по причинам сложности (например): гомоцистеин был обнаружен в mllr , тогда как синтетически более простой цистеин не обнаружен. Об этом говорилось выше. Одна из причин этого может быть связана с доступной / необходимой структурой ротамера (обсуждается ниже) или, альтернативно, стабильностью и / или скоростью истирания.Ситуация с аналогичными соединениями селена вполне может быть аналогичной.

    Обсуждение

    Здесь утверждается, что настоящий анализ служит объяснением того, почему набор из 20 ныне встречающихся в природе типов аминокислотных остатков, канонический набор, имеет свое особое членство. Так или иначе, похоже, существует необходимость включить достаточную сложность (сопутствующую и указывающую на необходимость сохранения важных химических функциональных возможностей), при этом все еще необходимо оставаться в пределах стабильной и синтетически доступной структурной основы.Сложность почти наверняка сильно коррелирует со склонностью к молекулярному распознаванию, критически важным для сворачивания и функции белка. Требуются только очень немногие высокополярные остатки ( dipm ), аспартат и глутамат, упомянутые выше, и нет. 47 аргинин. Нет необходимости в каких-либо дополнительных заряженных остатках типа, специально созданного автором для проверки границ того, что является релевантным и необходимым (№№ 56–58 или аналогичным). Существует тенденция избегать слишком высокой липофильности ( logp ), которая в любом случае может вызвать проблемы растворимости и избыточности, упомянутые выше.Ароматичность уже адекватно удовлетворяется за счет фенилаланина (нет необходимости, например, в № 55 или ему подобном). Были предприняты все усилия для изучения расширенного репертуара «структурного пространства аминокислот», но никаких новых или полезных функций обнаружено не было. В рамках канонического набора существует достаточный баланс между двумя крайностями полярности и липофильности (/ ароматичности). Здесь действует нечто большее, чем намек на «принцип Златовласки». Понятие бережливости с точки зрения отказа от использования большего количества строительных блоков, чем это является строго необходимым, вполне может применяться здесь, как и во всей природе.

    Однако существует два основных подмножества типов аминокислотных остатков: Группа 2 (набор из 12 mrchsn / mllr из 12) и Группа 3 (остальные 8, которые появились позже в OoL), которые различаются по характеру. Для Группы 3 сложность, по-видимому, является доминирующим фактором, и эта сложность может быть просто слишком большой, чтобы позволить их производство в суровых условиях космоса или в лабораторной посуде в экстремальных условиях. Идея была выдвинута и убедительно обсуждена в контексте OoL, что для получения этой последней группы типов остатков необходимы особые условия, включающие воду, приливы, катализ и циклы пиролиза (Bywater, 2012).Это разделение между Группой 3 и Группами 1 и 2 («разделение», упомянутое выше) заставляет вспомнить еще одну межфазную область, обсуждаемую в этой статье: представление о том, что пляжи являются субстратом для этих событий [30]. Следует также упомянуть другие предложения, включая подводные гидротермальные источники или доставку из космоса [6], также обсуждаемую в [30].

    Возникает закономерный вопрос: а почему всего 20? Этот вопрос действительно уже ставился ранее [16].Стандартный аппарат для живых систем, основанный на ДНК, обслуживает 64 возможных типа аминокислот. Но, конечно, любому «языку» нужно больше, чем просто составляющие «буквы»; пунктуация тоже важна. Остановить и запустить кодоны, говоря языком ДНК. Итак, допустим, что из 64 кодонов, которые предоставляет нам ДНК, 61 «кодонный продукт» отвечает за удовлетворение всех структурных и функциональных потребностей транслированных и полноценных белков. Но мир белка не принял предложение о 61 альтернативе.Было сочтено (очень рано), что 20 достаточно. Почему? Один из ключей к решению этой загадки состоит в том, что для каждой молекулы с заданной структурой и оснащенной определенным набором химических функций существует определенный смысл, в котором энергетически хорошо разделенные конформеры любой данной молекулы, особенно в окружении хорошо упакованная структура белка, может рассматриваться как отдельный, индивидуальный, молекулярный вид. По крайней мере, в функциональных целях. Хотя существуют целые базы данных экспериментальных данных ротамеров боковых цепей, которые довольно «размывают» эти данные [31,32] (для этого есть причины упаковки кристаллов и ядер, а также экспериментальные ошибки), боковые цепи составляющих аминокислотные остатки действительно демонстрируют такой набор «энергетически хорошо разделенных конформеров».Они основаны на классических состояниях ротамеров [33] любой алифатической цепи, а именно на схемах gauche + , gauche- или trans : http://www.cryst.bbk.ac.uk/PPS95/course/9_quaternary /3_geometry/conform.html

    Этот вид модели использовался для построения теоретических библиотек ротамеров в прошлом. Первый из них [34] пришел к следующим выводам: «17 из 20 аминокислот (исключая Met, Lys и Arg) могут быть адекватно представлены 67 ротамерами боковых цепей», а в другом исследовании [35] количество аминокислот Состояние ротамера было показано динамическим кластерным анализом большой базы данных известных кристаллографических структур и составило ~ 109, но если отбросить состояния с заполнением менее 10%, то число уменьшится до 59.Даже «сглаженная» база данных [32] показывает отчетливую картину с 53 минимумами всего, как показано на данных гистограммы для торсионного угла χ-1. Таким образом, мы, кажется, заключили в скобки это «желаемое число», равное 61. Если это желаемое число. Это означает, что в коде перевода есть некоторая избыточность, о которой мы хорошо знаем. Необходимость заселения различных энергетически взаимно доступных, но эффективно различных ротамерных состояний по функциональным причинам и причинам упаковки, а также способность членов канонического набора делать это могли бы устранить необходимость наличия более 20 типов остатков.Здесь необходимо прояснить, что хотя данный тип аминокислоты или любое химическое соединение в этом отношении имеет уникальную идентичность, на уровне функции соединение может иметь множество идентичностей с очень разными электронными, стерическими, распознаванием / сродством и, конечно, биологические свойства в зависимости от ротамерных состояний, особенно если они заморожены или ограничены, как в случае аминокислот в белках. Это, кстати, может быть объяснением выбора, упомянутого в конце Результатов : серин, а не гомосерин, цистеин перед гомоцистеином, валин и лейцин, а не их изомеры.Эти альтернативные молекулярные структуры просто не предлагали требуемый функциональный репертуар. В конце концов, функция — решающий фактор в эволюции.

    Кроме того, могло быть больше, чем «канонические 20» типов аминокислот, которые выступили в качестве основных претендентов (для создания функциональных пептидов и белков), эти «сверхновые» типы аминокислот могли использоваться когда-то для выполнения определенной роли. каким-либо ротамером и, следовательно, могли иметь индивидуальные кодоны. Но если бы потом выяснилось, что эту функцию может удовлетворительно выполнять другая (более простая) аминокислота в подходящем ротамерном состоянии, тогда «сверхчеловеческая» могла бы стать «лишней».У нас нет записей об этом, и в любом случае вполне возможно, что такое исключение одноразовых структур также могло произойти пребиотически, и, вероятно, произошло с учетом модели протоклетки, предложенной ранее [7,8]. Таким образом, нет необходимости задействовать биохимические механизмы (белки, РНК) в этом процессе.

    Представленное здесь объяснение избыточности кодонов является новым, но необходимость предоставить какое-либо / какое-либо объяснение никоим образом не нова. Согласно предыдущим аргументам по этому поводу, может быть любое количество других причин для необходимости или просто случайного использования этой избыточности.К ним относятся вопрос о том, влияет ли на процесс локального сворачивания белка использование синонимичных кодонов (подробно обсуждается в другом месте [27]), предложения типа «генетический код сконструирован для ограничения ошибок в производстве белка» или он имеет отношение к такие вещи, как переводная пауза, скорость роста микроорганизмов или множество других объяснений, основанных на теории эволюции. Идея о существовании некоего «второго сообщения», закодированного в последовательности ДНК, выдвигалась много раз, но консенсуса так и не было достигнуто.Всякий раз, когда обсуждаются такие альтернативы, полезно ссылаться на хорошо зарекомендовавший себя принцип Оккама: в первую очередь следует отдавать предпочтение простейшему объяснению, а не более подробным. Все 20 типов аминокислот существовали до появления РНК и использовались в синтезе олигопептидов [36], где их можно было использовать для различных состояний ротамера. Таким образом, простейшее объяснение может заключаться в том, что различные состояния ротамеров уже выполняли разные функции до появления кодонов.Проведенная здесь работа предполагает, что какой бы выбор ни был сделан, он определялся функциональными преимуществами, которые таким образом были доступны, и окончательное решение было продиктовано в соответствии со стандартными эволюционными правилами элиминации / выживания сначала на химическом уровне, а затем на биологическом. параметр.

    Прежде чем закончить, следует сделать несколько замечаний о том, почему вопрос о химической эволюции пребиотиков так важен. Принимая во внимание весь процесс OoL, начиная с ~ 4,2 млрд. Лет назад мы, очевидно, не можем отбрасывать «мир РНК» (начиная с ~ 3.9 млрд лет назад), но нам определенно нужно учитывать то, что было до этого [8]. В недавнем обзоре [37] отслеживается прогресс »эволюции и постэволюции генетической информационной системы через появление жизни. Основные пройденные этапы включают синтез пребиотиков, функциональный отбор РНК по метаболитам, мир РНК, мир пептидированных РНК, совместную эволюцию генетического кода и биосинтез аминокислот, последнего универсального общего предка, дарвиновскую эволюцию и синтетическую жизнь ». Таким образом, обзор делает огромные усилия, чтобы охватить историю OoL, и охват превосходный, что касается периода мира РНК.Но все это категорически «пост-РНК», как заявлено в названии самой статьи («Возникновение жизни: от функционального отбора РНК к естественному отбору и далее»). Для настоящего обсуждения, которое в основном сосредоточено на пребиотическом мире, описанный мир РНК не имеет значения. Автор [37] непреднамеренно признает это, ссылаясь на работу [38], в которой подчеркивается неадекватность мира РНК. Вместо этого предлагается теория коэволюции, которая предполагает, что из 20 канонических аминокислот в белковом алфавите G, A, S, D, E, V, L, I, P и T представляют собой аминокислоты фазы 1, которые были ранее поставлены. окружающей средой, а остальные десять, F, Y, R, H, W, N, Q, K, C и M, представляют собой аминокислоты Фазы 2, полученные с опозданием, полученные из биосинтеза.Интересно, что набор типов аминокислот очень похож на тот, который был обнаружен ранее автором статьи (Bywater, 2012) на основе расчетов сложности. Был «набор 1», состоящий из G, A, V, S, I, L, C, T, P, K, M и «набор 2» N, Q, D, E, F, R, H, Y. , W. Но различия есть, и различия эти существенные. В последней схеме N, Q, D и E находятся во втором наборе — это назначение сделано на основании молекулярной сложности (образование двойных связей «дорого»). Отметим, что последняя схема предусматривает только химическую эволюцию — синтез пребиотиков при полном отсутствии ферментов или рибозимов.В отличие от этого, предполагаемое «раннее прибытие» (фаза 1) определяется как пребиотик, в то время как позднее прибытие (фаза 2) требует биосинтеза (Wong, 2014). Но оснований для такого предположения нет. Например, для образования цистеина требуется фермент (сложная пост-РНК-конструкция, которая наверняка потребует по крайней мере некоторых («Фаза 2») типов ароматических остатков для стабильности и функции), но его близкий родственник серин не , видимо. Бумага изобилует оригинальными монетами, не использовавшимися ранее или где-либо еще, такими как изобретенный биосинтез и претранс-синтез, требующий катализа рибозимом или ферментом.

    Следует признать, что РНК — это относительно поздняя разработка, в отличие от ферментов. Последние частично состоят из тех типов аминокислот, для создания которых, как считается, требуются ферменты. Но нет необходимости использовать эти механизмы, чтобы объяснить, как происходила химическая эволюция пребиотиков. Просто на изготовление второго набора ушло больше времени, и им, вероятно, потребовалась помощь наземных катализаторов. Существует множество катализаторов, необходимых для стимулирования этих синтетических процессов в мире минералов, например, на пляжах [30].Повторные циклы химического синтеза сопровождались механизмами сортировки и отбора. Естественный отбор не ограничивается миром (пост) РНК, естественный отбор путем химической эволюции был необходимым и, очевидно, достаточным предварительным условием для самого OoL.

    Еще один недавний обзор, в котором обсуждается охват химического состояния пространства [9]: «Наборы, которые покрывают химическое пространство лучше, чем генетически закодированный алфавит, чрезвычайно редки и являются энергетически дорогостоящими». Это очень хорошо согласуется с выводами настоящего исследования.Кроме того, эти авторы заявили: «Аминокислоты, используемые для конструирования кодируемых белков, могут представлять в значительной степени глобальный оптимум, так что любая водная биохимия будет использовать очень похожий набор». В этой работе я смог разделить два подмножества аминокислот на примитивное подмножество, которое можно было бы легко создать где угодно в космосе, и более сложное подмножество, которое могло существовать где-то в другом месте (но никогда не было найдено), но, скорее всего, могло иметь возникли в результате того или иного из вышеупомянутых геологических процессов, подводных жерл и приливных пляжей (как доступных на Земле, так и предположительно на экзопланетах, достаточно похожих на Землю).Хотя вторая подгруппа характеризуется большей сложностью, так что они, скорее всего, требуют какого-либо катализа для ускорения их производства, нет необходимости предполагать, что катализаторами были ферменты или рибозимы. Минеральных катализаторов было бы достаточно для выполнения этой работы. Таким образом, «любая водная биохимия будет использовать очень похожий набор» может быть заменена на «любая водная химия создаст очень похожий набор», и все это может происходить пребиотически. Нет необходимости предполагать, что РНК и / или ферменты были задействованы, и действительно, ферменты по требованию должны будут содержать типы аминокислот, такие как H, Y, W и другие во второй подгруппе.

    Подводя итог вышесказанному: любое предположение о том, что механизм отбора был основан на метаболической эволюции [9] или претрансинтезе [37], составляет круговой аргумент — метаболическая эволюция должна была иметь место после того, как эти типы аминокислот были сгенерированы. Вместо этого я предложил пребиотическую химическую эволюцию. Отбор после множества (мириад) циклов синтеза, разложения, разделения и нового синтеза [7].

    Можно было бы включить намного больше аминокислот и аминокислотоподобных соединений, и действительно, это было сделано другими, а также в этой работе, но эти результаты не сообщаются.Графики PCA уже очень переполнены, и простое увеличение избыточности не дает никаких преимуществ. Кроме того, как объяснено выше, химическая эволюция требует строгой экономии и избегания создания ненужной сложности за счет разветвления цепей, дополнительных хиральных центров и тому подобного. Вместо этого основное внимание было уделено типам веществ, которые считаются важными. Четыре гипотетических соединения (№№ 55–58) были включены, чтобы исследовать внешнюю оболочку обсуждаемого химического пространства, и действительно, именно там находятся эти соединения, но дальнейшая «инженерия» подобного рода принесет не намного больше. .В упомянутой выше работе [9] была изучена гораздо более обширная библиотека соединений, включающая 1913 соединений. Эти авторы использовали только три дескриптора (размер, гидрофобность и заряд) для разделения этого большого набора. Неясно, как это разделение было распределено в химическом пространстве, за исключением утверждения о «водной биохимии», обсуждавшегося выше, которое предполагает значительную степень совпадения в том, что стало каноническим 20. Из этих 20 типов аминокислот 17 обладают боковыми. цепочки, которые могут существовать в одном или нескольких различных ротамерных состояниях.В белках, которые имеют твердый характер (в отличие от жидкой или газовой фазы), эти ротамерные состояния следует рассматривать как отдельные индивидуальные молекулярные виды, особенно в отношении свойств распознавания и биологической функции. В той степени, в которой общее число доступных ротамерных состояний для этих 17 видов аминокислот вполне может составлять ~ 61, это выражение потребности в функциональном репертуаре, требуемом для успешных живых организмов. Таким образом, задолго до появления таких проблем, как вырождение кода, эти состояния ротамера стереохимически предрасполагали аминокислоты к заполнению требуемого функционального пространства (имеющего мощность ~ 61), используя только канонические 20.Попутно это решает загадку относительно того, почему было необходимо (намного позже) иметь триплетный код, как в ДНК. Дуплексный код обеспечил бы только 16 различных химических видов, что намного меньше ~ 61, а также меньше 20, которые уже были доступны, а позже использовались и были необходимы очень примитивным живым системам.

    Conclusions

    Ключевой момент, который вытекает из работы, представленной здесь, заключается в том, что существует набор фундаментальных физико-химических императивов, которые диктуют, пребиотически, выбор канонического набора из 20 типов аминокислотных остатков.Предполагается, что руководящий принцип на протяжении всего процесса выбора химических соединений связан с энергией и, прежде всего, основан на экономии, посредством которой сохраняются простейшие возможные структуры, имеющие ценность с точки зрения функции. Избегают повторения и ненужной сложности. Это то, что лежит в основе основного постулата этой работы, выраженного в названии. Заявление основано на проникающем квантово-химическом и химиоинформатическом анализе большой панели веществ-кандидатов с последующим статистическим анализом оценки сложности и свойств этих веществ, который определяет наиболее вероятные химические вещества, которые появились пребиотически, в первую очередь 20 типов аминокислот, которые являются все еще с нами.Если бы жизнь могла поддерживаться на платформе, состоящей только из 16 типов аминокислот, от каких из них можно было бы отказаться?

    Вспомогательная информация

    S4 Таблица. Группа 4: (№№ 51–54) аминокислоты, которые не учитывались при разработке исходного генетического кода, но, как теперь известно, присутствуют у многих видов во всех трех сферах жизни.

    Это пирролизин (стандартное сокращение O, кодируется стоп-кодоном UAG). селеноцистеин (стандартная аббревиатура U, кодируется UGA, другим стоп-кодоном) и селенометионин (не кодируется, но продуцируется ферментативно и здесь сокращенно J).В этот набор включен гомоселеноцистеин, который не встречается в природе (называемый здесь гомоU). Члены этой группы не обнаружены ни на метеоритах, ни в экспериментах типа Миллера.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0204883.s004

    (DOC)

    Благодарности

    Благодарим за предоставление программ моделирования на условиях академической лицензии: В. Верязова (МОЛКАС) и Э. Кригера и Г. Вринда (ЯСАРА). Благодарим Дж. Бада за ценные обсуждения и полезную литературу.Эта работа была начата во время пребывания в качестве внештатного сотрудника в Колледже Магдалины в Оксфорде, и автор хотел бы выразить свою благодарность Колледжу за прекрасные условия и атмосферу, в которой проводилась работа. То же самое и с Институтом Фрэнсиса Крика, где работа была завершена. Несколько коллег, в частности Уилли Тейлор, предоставили ценные сведения в области структурной биологии. Анонимный рецензент внес ценный вклад в эту статью, предложив включение пирролизина и селеноцистаина.

    Ссылки

    1. 1. Миллер С.Л. (1953) Производство аминокислот в возможных примитивных земных условиях. Science 117: 528–529. pmid: 13056598
    2. 2. Миллер С.Л., Юри ХК (1959) Синтез органических соединений на первобытной Земле. Наука 130: 245–251. pmid: 13668555
    3. 3. Oró J, Kamat SS (1961) Синтез аминокислот из цианистого водорода в возможных примитивных земных условиях. Природа 190: 442–443. pmid: 13731262
    4. 4.Reymond J-L, Van Deursen R. Blum IC, Ruddigkeit L (2010) Химическое пространство как источник новых лекарств. ChemComm 1: 30–38.
    5. 5. Lu Y, Freeland SJ (2008) Количественное исследование химического пространства, окружающего формирование алфавита аминокислот. J Теорет биол. 250: 349–61 pmid: 18005995
    6. 6. Хиггс П.Г., Пудриц Р.Э. (2009) Термодинамическая основа пребиотического синтеза аминокислот и природа первого генетического кода. Астробиология 9 (5): 483–490.pmid: 19566427
    7. 7. Bywater RP (2009) Мембранные пептиды и происхождение жизни. J Теорет биол. 261: 407–413. pmid: 19679140
    8. 8. Байуотер Р.П. (2012) О датировке этапов химической эволюции пребиотиков. Naturwissenschaften 99: 167–176. pmid: 22349494
    9. 9. Илардо М., Мерингер М., Фриланд С., Расулев Б., Кливес Х. Дж. (2015) Чрезвычайно адаптивные свойства генетически кодируемых аминокислот. Научные отчеты 5: 9414. pmid: 25802223
    10. 10.Штадтман Т. (1974) Биохимия селена. Наука 183 (4128): 915–922. pmid: 4605100
    11. 11. Polycarpo C, Ambrogelly A, Bérubé A, Winbush SM, McCloskey JA, Crain PF, et al (2004) Аминоацил-тРНК синтетаза, которая специфически активирует пирролизин «. Proc Nat Acad Sci USA.101 (34): 12450–12454. Pmid : 15314242
    12. 12. Юань Дж., Палиоура С., Салазар Дж. К., Су Д., О’Донохью П. Хон М. Дж. И др. (2006) РНК-зависимое преобразование фосфосерина образует селеноцистеин у эукариот и архей.Proc Nat Acad Sci USA 103 (50): 18923–18927. pmid: 17142313
    13. 13. Xu XM, Carlson BA, Mix H, Zhang Y, Saira K, Glass RS, et al (2007) Биосинтез селеноцистеина на его тРНК у эукариот ». PLoS Biology 5 (1): e4. Pmid: 17194211
    14. 14. Rother M, Kryzcki JA (2010) Селеноцистеин, пирролизин и уникальный энергетический метаболизм метаногенных архей. Archaea 2010, идентификатор статьи 453642. pmid: 20847933
    15. 15. Whanger PD (2002) Селеносоединения в растениях и животных и их биологическое значение.J Am Coll Nutr 21 (3): 223–232. pmid: 12074249
    16. 16. Вебер А.Л., Миллер С.Л. (1981) Причины появления двадцати кодируемых белковых аминокислот. J Mol Evol. 17: 273–284. pmid: 7277510
    17. 17. Goesmann F, Rosenbauer H, Bredehöft JH, Cabane M, Ehrenfreund P, Gautier T. и др. (2015) Органические соединения на комете 67P / Чурюмов-Герасименко, обнаруженные с помощью масс-спектрометрии COSAC. Наука 349 (6247): aab0689. pmid: 26228156
    18. 18. Квенволден К.А., Лоулесс Дж., Перинг К., Петерсон Э., Флорес Дж. Х., Поннамперума С. и др.Доказательства наличия внеземных аминокислот и углеводородов в метеорите Мерчисон. Природа 1970; 228: 923–926. pmid: 5482102
    19. 19. Parker ET, Cleaves HJ, Dworkin JP, Glavin DP, Callahan M, Aubrey A, et al (2011) Первичный синтез аминов и аминокислот в эксперименте Миллера 1958 года с богатым искровым разрядом h3S. PNAS USA 108: 5526–5531. pmid: 21422282
    20. 20. Bada JL (2013) Новое понимание химии пребиотиков на основе экспериментов Стэнли Миллера с искровым разрядом.Chem Soc Rev. 42: 2186–2196. pmid: 23340907
    21. 21. Cleaves HJ, Neish C, Callahan MP, Parker E, Fernández FM, Dworkin JP (2014) Аминокислоты, полученные из гидратированных толинов титана: сравнение с продуктами электрического разряда Миллера-Юри. Икар 237: 182–189.
    22. 22. Krieger E, Koraimann G, Vriend G (2002) Повышение точности сравнительных моделей с помощью YASARA NOVA — самопараметрического силового поля. Белки 47: 393–402. pmid: 11948792
    23. 23.Карлстрём Г., Линд Р., Мальмквист П., Роос Б. О., Райд Ю., Верязов В. и др. (2003) MOLCAS: программный пакет для вычислительной химии. Comput Mater Sci. 28: 222–239.
    24. 24. Бертц Ш. (1983) О сложности графов и молекул. Bull Math Biol. 45: 849–855.
    25. 25. Куэйл О.Р. (1953) Парахоры органических соединений. Chem Rev. 53: 439–591.
    26. 26. Emmert-Streib F (2010) Статистическая сложность: сочетание сложности Колмогорова с ансамблевым подходом.PLoS ONE 10 (4): e12256.
    27. 27. Байуотер РП. (2015) Прогнозирование структурных особенностей белка на основе данных о последовательностях на основе энтропии Шеннона и сложности Колмогорова. PLoS ONE 10 (4): e0119306. pmid: 25856073
    28. 28. Тетко И.В., Гастайгер Дж., Тодескини Р., Маури А., Ливингстон Д., Эртл П. и др. (2005) Виртуальная лаборатория вычислительной химии — дизайн и описание, J Comput Aided Mol Design 19: 453–463.
    29. 29. Sjöström M, Wold S (1985) Многофакторное исследование взаимосвязи между генетическим кодом и физико-химическими свойствами аминокислот.J Mol Evol. 22: 272–227. pmid: 3935806
    30. 30. Bywater RP, Conde-Frieboes K (2005) Жизнь началась на пляже? Астробиология 5: 568–574. pmid: 16078873
    31. 31. Dunbrack RL Jr, Cohen FE (1997) Байесовский статистический анализ предпочтений ротамеров боковой цепи белка. Наука о белке 6: 1661–1681. pmid: 9260279
    32. 32. Шаповалов М.С., Данбрак Р.Л.-мл. (2011) Сглаженная основно-зависимая библиотека ротамеров для белков, полученных на основе оценок и регрессий адаптивной плотности ядра.Структура 19: 844–858. pmid: 21645855
    33. 33. Мидзусима С. Структура молекул и внутреннее вращение. Академический пресс Нью-Йорк, 1954.
    34. 34. Ponder JW, Richards FM (1987) Третичные шаблоны для белков. Использование критериев упаковки при перечислении разрешенных последовательностей для различных структурных классов. J Mol Biol. 193: 775–791. pmid: 2441069
    35. 35. Tuffery P, Etchebest C, Hazout S, Lavery R (1991) Новый подход к быстрому определению конформации боковой цепи белка.J Biomol Struct Dyn. 8: 1267–1289. pmid: 1892586
    36. 36. Роде Б.М. (1999) Пептиды и происхождение жизни. Пептиды 20: 773–786. pmid: 10477135
    37. 37. Вонг Дж.Ф. (2014) Возникновение жизни: от функционального отбора РНК к естественному отбору и за его пределами. Границы биологических наук 19: 1117–1150.
    38. 38. Курляндская CG. Время снов РНК. Современные клетки содержат белки, которые могли поддерживать мир пребиотических полипептидов, но ничто не указывает на то, что мир РНК когда-либо существовал.Биологические исследования 2010; 32: 866–871. pmid: 20806270

    файлов ARIA — ARIA Portal

    Приносим извинения за неудобства, но страница, к которой вы пытались получить доступ, находится не по этому адресу. Вы можете использовать приведенные ниже ссылки, чтобы помочь вам найти то, что вы ищете.

    Если вы уверены, что имеете правильный веб-адрес, но столкнулись с ошибкой, пожалуйста, связаться с Администрацией сайта.

    Спасибо.

    Возможно, вы искали…

    Файлы ARIA

    Аминокислота.ру

    src / py / legacy / AminoAcid.py

    Нестандартные определения остатков

    Нестандартные определения остатков

    Нестандартные определения остатков

    Нестандартные определения остатков

    .