Aminoácidos - Amino acid


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La estructura de un aminoácido alfa en su forma no ionizada

Los aminoácidos son compuestos orgánicos que contienen amina (-NH 2 ) y carboxilo (-COOH) grupos funcionales , junto con una cadena lateral (grupo R) específicos para cada aminoácido. Los principales elementos de un aminoácido son de carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), y nitrógeno (N), aunque otros elementos se encuentran en las cadenas laterales de ciertos aminoácidos. Se conocen unos 500 aminoácidos de origen natural (aunque sólo 20 aparecen en el código genético ) y pueden clasificarse de muchas maneras. Se pueden clasificar de acuerdo con las ubicaciones de los grupos funcionales estructurales básicos como alfa- (α-) , beta- (β-) , gamma- (y-) o delta (δ-) aminoácidos; otras categorías se refieren a polaridad , pH nivel, y la cadena lateral tipo de grupo ( alifático , acíclico , aromático , que contiene hidroxilo o azufre , etc.). En la forma de proteínas , aminoácidos residuos forman el segundo mayor componente ( agua es el más grande) de humanos músculos y otros tejidos . Más allá de su papel como residuos en proteínas, aminoácidos participan en una serie de procesos tales como neurotransmisor transporte y biosíntesis .

En la bioquímica , aminoácidos que tienen tanto la amina y los grupos ácido carboxílico unidos a la primera (alfa-) de carbono átomo tienen particular importancia. Se les conoce como 2-, alfa-, o ácidos α-amino (genérico fórmula H 2 NCHRCOOH en la mayoría de los casos, donde R es un orgánico sustituyente conocido como una " cadena lateral "); a menudo el término "aminoácido" se usa para referirse específicamente a estos. Incluyen el 22 proteinogénico ( "construcción de proteína") aminoácidos, que se combinan en peptídicos cadenas ( "polipéptidos") para formar los bloques de construcción de una amplia gama de proteínas . Estos son todos L - estereoisómeros ( " zurdo ' isómeros ), aunque unos pocos D -aminoácidos (' mano derecha") se producen en sobres bacterianas , como un neuromodulador ( D - serina ), y en algunos antibióticos .

Veinte de los aminoácidos proteinogénicos se codifican directamente por tripletes codones en el código genético y se conocen como aminoácidos "estándar". Los otros dos ( "no estándar" o "no canónica") son selenocisteína (presente en muchos procariotas , así como la mayoría de los eucariotas , pero no codificado directamente por el ADN ), y pyrrolysine (encuentran sólo en algunos archea y una bacteria ). Pyrrolysine y selenocisteína se codifican mediante los codones de variante; por ejemplo, selenocisteína está codificada por el codón de parada y elemento SECIS . N -formylmethionine (que es a menudo el aminoácido inicial de proteínas en bacterias, mitocondrias y cloroplastos ) se considera generalmente como una forma de metionina en lugar de como un aminoácido proteinogénico separada. Codon- tRNA combinaciones que no se encuentran en la naturaleza también se pueden utilizar para "ampliar" el código genético y formar nuevas proteínas conocidas como alloproteins que incorporan aminoácidos no proteinógenos .

Muchos importantes aminoácidos proteinogenic y no proteinogenic tienen funciones biológicas. Por ejemplo, en el cerebro humano , glutamato (estándar ácido glutámico ) y gamma-amino-butírico ( "GABA", el ácido no estándar gamma-amino) son, respectivamente, la principal neurotransmisores excitadores e inhibidores . Hidroxiprolina , un componente principal de la tejido conectivo de colágeno , se sintetiza a partir de prolina . La glicina es un precursor biosintético de las porfirinas se utilizan en las células rojas de la sangre . La carnitina se utiliza en el transporte de lípidos .

Nueve aminoácidos proteinogénicos se llaman " esencial " para los seres humanos porque no pueden ser producidos a partir de otros compuestos por el cuerpo humano y por lo tanto deben ser tomadas en como alimento. Otros pueden ser condicionalmente esencial para ciertas edades o condiciones médicas. Los aminoácidos esenciales también pueden diferir entre especies .

Debido a su importancia biológica, los aminoácidos son importantes en la nutrición y se usan comúnmente en suplementos alimenticios , fertilizantes , piensos y tecnología de los alimentos . Los usos industriales incluyen la producción de medicamentos , plásticos biodegradables , y catalizadores quirales .

Historia

Los primeros pocos aminoácidos fueron descubiertos en el siglo 19. En 1806, los químicos franceses Louis-Nicolas Vauquelin y Pierre Robiquet aislaron un compuesto en espárragos que posteriormente fue nombrado asparagina , el primer aminoácido que debe ser descubierto. Cistina fue descubierto en 1810, aunque su monómero, cisteína , permaneció sin descubrir hasta 1884. La glicina y leucina fueron descubiertos en 1820. El último de los 20 aminoácidos comunes que se descubrió fue treonina en 1935 por William Cumming Rose , que también determina la esencial aminoácidos y establecieron los requerimientos diarios mínimos de todos los aminoácidos para un crecimiento óptimo.

La unidad de la categoría química fue reconocido por Wurtz en 1865, pero no dio ningún nombre en particular a la misma. El uso del término "aminoácido" en el idioma Inglés es de 1.898, mientras que el término alemán, Aminosäure , se utilizó anteriormente. Se encontraron proteínas para producir aminoácidos después de la digestión enzimática o ácido hidrólisis . En 1902, Emil Fischer y Franz Hofmeister propusieron independientemente de que las proteínas se forman a partir muchos aminoácidos, con lo que se forman enlaces entre el grupo amino de un aminoácido con el grupo carboxilo de otro, lo que resulta en una estructura lineal que Fischer denomina " péptido ".

Estructura general

Los 21 a-aminoácidos proteinógenos encuentran en eucariotas , agrupados de acuerdo con sus cadenas laterales pK unos valores y las cargas llevadas a pH fisiológico (7,4)

En la estructura mostrada en la parte superior de la página, R representa una cadena lateral específica para cada aminoácido. El carbono átomo al lado del grupo carboxilo (que por lo tanto se numera 2 en la cadena de carbono a partir de ese grupo funcional) se llama la α-carbono . Los aminoácidos que contienen un grupo amino unido directamente al carbono alfa se conocen como alfa aminoácidos . Estos incluyen aminoácidos tales como prolina que contienen aminas secundarias , que solían ser referido a menudo como "imino ácidos".

isomería

Los alfa aminoácidos son la forma más común que se encuentra en la naturaleza, pero sólo cuando se produce en el L isómero. El carbono alfa es un quiral átomo de carbono, con la excepción de la glicina que tiene dos átomos de hidrógeno indistinguibles en el carbono alfa. Por lo tanto, todos los alfa aminoácidos pero glicina pueden existir en forma de dos enantiómeros , llamados L o D aminoácidos, que son imágenes especulares entre sí ( véase también la quiralidad ). Mientras L -aminoácidos representan todos los aminoácidos encontrados en las proteínas durante la traducción en el ribosoma, D -aminoácidos se encuentran en algunas proteínas producidas por la enzima modificaciones postraduccionales después de traducción y translocación al retículo endoplásmico , como en organismos exóticos mar-vivienda tales como caracoles cono . También son abundantes componentes de los peptidoglicano paredes celulares de bacterias, y D -serina pueden actuar como un neurotransmisor en el cerebro. D -aminoácidos se utilizan en la cristalografía racémica para crear cristales centrosimétricos, que (dependiendo de la proteína) puede permitir la determinación de la estructura de proteínas más fácil y más robusto. La L y D convención para la configuración de aminoácidos no se refiere a la actividad óptica del propio sino más bien a la actividad óptica del isómero de ácido amino gliceraldehído a partir del cual que el ácido amino puede, en teoría, ser sintetizado ( D gliceraldehído es dextrógiro; L gliceraldehído es levógiro). De manera alternativa, el (S) y (R) designadores se utilizan para indicar la absoluta estereoquímica . Casi la totalidad de los aminoácidos en las proteínas son (S) en el carbono α, con la cisteína siendo (R) y glicina no quiral . La cisteína tiene su cadena lateral en la misma posición geométrica como los otros aminoácidos, pero el R / S terminología se invierte debido a la mayor número atómico de azufre en comparación con el oxígeno carboxilo da la cadena lateral de una prioridad más alta, mientras que los átomos en la mayoría otras cadenas laterales les dan prioridad más baja.

Las cadenas laterales

Lisina con los átomos de carbono marcado por la posición

En aminoácidos que tienen una cadena de carbono unida a la α-carbono (tales como lisina , muestran a la derecha) los carbonos están etiquetados en orden como α, β, γ, δ, y así sucesivamente. En algunos aminoácidos, el grupo amina está unido a la β o γ-carbono, y por lo tanto estos se denominan como beta o aminoácidos gamma .

Los aminoácidos se clasifican generalmente por las propiedades de su cadena lateral en cuatro grupos. La cadena lateral puede hacer que un aminoácido un ácido débil o una base débil , y una hidrófilo si la cadena lateral es polar o un hidrófobo si es no polar . Las estructuras químicas de los 22 aminoácidos estándar, junto con sus propiedades químicas, se describen más detalladamente en el artículo sobre estos aminoácidos proteinogénicos .

La frase " aminoácidos de cadena ramificada " o BCAA se refiere a los aminoácidos que tienen alifáticos cadenas laterales que son no lineal; estos son leucina , isoleucina y valina . Proline es el único proteinogénico aminoácido cuya grupo lateral enlaces para el grupo α-amino y, por tanto, es también el único aminoácido proteinogénico que contiene una amina secundaria en esta posición. En términos químicos, la prolina es, por lo tanto, un ácido imino , ya que carece de un grupo amino primario , aunque todavía se clasifica como un aminoácido en la nomenclatura bioquímica actual, y también puede ser llamado un "ácido alfa-amino N-alquilado ".

zwitteriones

Un aminoácido en su (1) no ionizada y (2) formas zwitteriónicas

El α- ácido carboxílico grupo de aminoácidos que es un ácido débil , lo que significa que se libera una hydron (como un protón ) a valores de pH moderados. En otras palabras, grupos de ácido carboxílico (-CO 2 H) pueden desprotonarse para convertirse negativos carboxilatos (-CO 2 - ). El ion carboxilato cargado negativamente predomina a valores de pH mayor que el pKa del grupo ácido carboxílico (media para los 20 aminoácidos comunes se aproximadamente 2,2, consulte la tabla de las estructuras de aminoácidos arriba). De manera complementaria, la α- amina de los aminoácidos es una base débil , lo que significa que acepta un protón a valores de pH moderados. En otras palabras, grupos a-amino (NH 2 -) pueden ser protonados para convertirse en grupos α-amonio positivas ( + NH 3 -). El grupo α-amonio cargado positivamente predomina a valores de pH menos que el pKa del grupo α-amonio (media para los 20 a-aminoácidos comunes es de aproximadamente 9,4).

Debido a que todos los aminoácidos contienen grupos funcionales de ácido de amina y carboxílico, comparten anfipróticas propiedades. Por debajo de pH 2,2, la forma predominante tendrá un grupo neutral carboxílico y un ion de α-amonio positivo (carga neta 1), y por encima de pH 9,4, un carboxilato negativo y el grupo α-amino neutral (carga neta -1). Pero a pH entre 2,2 y 9,4, un aminoácido por lo general contiene tanto un carboxilato negativo y un grupo α-amonio positivo, como se muestra en la estructura (2) a la derecha, por lo que tiene carga neta cero. Este estado molecular se conoce como un zwitterión , del alemán Zwitter significa hermafrodita o híbrido . La forma completamente neutral (estructura (1) a la izquierda) es una especie muy menores en solución acuosa a lo largo del intervalo de pH (menos de 1 parte en 10 7 ). Existen aminoácidos como zwitteriones también en la fase sólida, y se cristalizan con propiedades de sal similar a diferencia de los ácidos o aminas orgánicas típicos.

Punto isoeléctrico

Compuesto de curvas de valoración de veinte aminoácidos proteinógenos agrupados por categoría cadena lateral

La variación de las curvas de valoración cuando los aminoácidos pueden ser agrupados por categorías. Con la excepción de la tirosina, utilizando titulación de distinguir entre aminoácidos hidrófobos es problemática.

A valores de pH entre los dos valores de pKa, el zwitterion predomina, pero coexiste en equilibrio dinámico con pequeñas cantidades de iones positivos y negativos netos netos. En el punto medio exacto entre los dos valores de pKa, la cantidad traza de negativa neta y rastro de iones positivos netos exactamente de equilibrio, de modo que la carga neta promedio de todas las formas presentes es cero. Este pH se conoce como el punto isoeléctrico pI, de modo pI = ½ (pKa 1 + pKa 2 ). Los aminoácidos individuales todas ligeramente diferentes valores de pKa, por lo que tienen diferentes puntos isoeléctricos. Para los aminoácidos con cadenas laterales cargadas, el pKa de la cadena lateral está involucrado. Así, por Asp, Glu con cadenas laterales negativos, pI = ½ (pKa 1 + pKa R ), donde pKa R es la cadena lateral pKa. La cisteína también tiene cadena lateral potencialmente negativo con pKa R = 8,14, por lo pI debe calcularse como para Asp y Glu, a pesar de que la cadena lateral no está cargada de manera significativa a pH neutro. Para His, Lys, Arg y con cadenas laterales positivos, pI = ½ (pKa R + pKa 2 ). Los aminoácidos tienen la movilidad cero en la electroforesis en su punto isoeléctrico, aunque este comportamiento es más habitualmente explotada para péptidos y proteínas que los aminoácidos individuales. Zwitteriones tienen solubilidad mínima en su punto isoeléctrico y algunos aminoácidos (en particular, con cadenas laterales no polares) se puede aislar por precipitación a partir de agua ajustando el pH al punto isoeléctrico necesario.

Ocurrencia y funciones en la bioquímica

Una proteína se representa como una cadena larga no ramificada de círculos unidos cada uno representa los aminoácidos
Un polipéptido es una cadena no ramificada de aminoácidos
comparación esquemática de las estructuras de β-alanina y α-alanina
ß-alanina y su isómero α-alanina
Un diagrama que muestra la estructura de selenocisteína
El aminoácido selenocisteína

aminoácidos proteinogénicos

Los aminoácidos son las unidades estructurales (monómeros) que componen las proteínas. Se unen entre sí para formar cortas de polímero cadenas llamados péptidos o cadenas más largas llamados ya sea polipéptidos o proteínas . Estos polímeros son lineales y no ramificados, con cada aminoácido dentro de la cadena unida a dos aminoácidos vecinos. El proceso de hacer proteínas codificadas por el material genético de ADN / ARN se llama traducción e implica la adición paso a paso de aminoácidos a una cadena de proteína en crecimiento por una ribozima que se llama un ribosoma . El orden en que se añaden los aminoácidos se lee a través del código genético a partir de un mRNA de plantilla, que es un ARN copia de uno de del organismo genes .

Veintidós aminoácidos se incorporan naturalmente en los polipéptidos y se llaman proteinogenic aminoácidos o naturales. De éstos, 20 se codifican por lo universal código genético . El restante 2, selenocisteína y pirrolisina , se incorporan en proteínas por mecanismos sintéticos únicos. Selenocysteine se incorpora cuando el mRNA siendo traducido incluye un elemento SECIS , que hace que el codón UGA para codificar selenocisteína en lugar de un codón de parada . Pyrrolysine es utilizado por algunos metanogénicas arqueas en las enzimas que utilizan para producir metano . Se codifica para con el codón UAG, que normalmente es un codón de parada en otros organismos. Este codón UAG es seguido por una secuencia aguas abajo PYLIS .

Los aminoácidos no proteinógenos

Aparte de los 22 aminoácidos proteinógenos , muchos no proteinogénicos son conocidos aminoácidos. Aquellos o bien no se encuentran en las proteínas (por ejemplo carnitina , GABA , levotiroxina ) o no se producen directamente y de forma aislada por la maquinaria celular estándar (por ejemplo, hidroxiprolina y selenometionina ).

Los aminoácidos no proteinógenos que se encuentran en las proteínas se forman por modificación post-traduccional , que es la modificación después de la traducción durante la síntesis proteica. Estas modificaciones son a menudo esencial para la función o regulación de una proteína. Por ejemplo, la carboxilación de glutamato permite una mejor unión de cationes de calcio y colágeno contiene hidroxiprolina, generada por la hidroxilación de prolina . Otro ejemplo es la formación de hipusina en el factor de iniciación de la traducción EIF5A , a través de la modificación de un residuo de lisina. Tales modificaciones también pueden determinar la localización de la proteína, por ejemplo, la adición de grupos hidrófobos largos puede causar una proteína se una a un fosfolípido de membrana.

Algunos aminoácidos no proteinogénicos no se encuentran en las proteínas. Los ejemplos incluyen ácido 2-aminoisobutírico y el neurotransmisor ácido gamma-aminobutírico . Los aminoácidos no proteinógenos a menudo se producen como productos intermedios en las rutas metabólicas de aminoácidos estándar - por ejemplo, ornitina y citrulina ocurrir en el ciclo de la urea , parte del ácido amino catabolismo (ver abajo). Una rara excepción a la dominancia de los ácidos alfa-amino en biología es la β-amino ácido beta alanina (ácido 3-aminopropanoico), que se utiliza en plantas y microorganismos en la síntesis de ácido pantoténico (vitamina B 5 ), un componente de coenzima A .

D abundancia natural ácido -amino

D isómeros son poco comunes en los organismos vivos. Por ejemplo, gramicidina es un polipéptido compuesto a partir de mezcla de D - y L -aminoácidos. Otros compuestos que contienen D -aminoácido son tyrocidine y valinomicina . Estos compuestos interrumpen las paredes celulares bacterianas, particularmente en Gram-positivas bacterias. Sólo 837 D -aminoácidos se encontraron en la base de datos Swiss-Prot (187 millones de aminoácidos analizados).

Los aminoácidos no estándar

Los 20 aminoácidos que se codifican directamente por los codones de la universal de código genético se denominan estándar o canónicas aminoácidos. Una forma modificada de la metionina ( N -formylmethionine ) se incorpora a menudo en lugar de la metionina como el aminoácido inicial de proteínas en bacterias, mitocondrias y cloroplastos. Otros aminoácidos se denominan no estándar o no canónica . La mayoría de los aminoácidos no estándar son también no proteinogénico (es decir, no se pueden incorporar en las proteínas durante la traducción), pero dos de ellos son proteinogénico, ya que pueden ser incorporados en traslación en proteínas por la información de explotación no codificado en el código genético universal .

Los dos aminoácidos proteinogénicos no estándar son selenocisteína (presente en muchos no eucariotas, así como la mayoría de los eucariotas, pero no codificado directamente por el ADN) y pyrrolysine (que se encuentra sólo en algunas arqueas y una bacteria ). La incorporación de estos aminoácidos no estándar es raro. Por ejemplo, 25 proteínas humanas incluyen selenocisteína (Sec) en su estructura primaria, y las enzimas estructuralmente caracterizados (selenoenzimas) emplear Sec como el catalítico resto en sus sitios activos. Pyrrolysine y selenocisteína se codifican mediante los codones de variantes. Por ejemplo, selenocisteína está codificada por el codón de parada y elemento SECIS .

En la nutrición humana

Diagrama que muestra la ocurrencia relativa de los diferentes aminoácidos en suero de la sangre como se obtiene de diferentes dietas
Compartir de aminoácido en diferentes dietas humanas y la mezcla resultante de aminoácidos en suero sanguíneo humano. El glutamato y glutamina son los más frecuentes en los alimentos en más de 10%, mientras que la alanina, glutamina, y glicina son los más comunes en sangre.

Cuando tomado en el cuerpo humano de la dieta, los 20 aminoácidos estándar o bien se utilizan para sintetizar las proteínas y otras biomoléculas o se oxidan a urea y dióxido de carbono como fuente de energía. La vía de oxidación comienza con la eliminación del grupo amino por una transaminasa ; el grupo amino se introduce en el ciclo de la urea . El otro producto de transamidación es una ceto ácido que entra en el ciclo del ácido cítrico . Aminoácidos glucogénicos también se pueden convertir en glucosa, a través de la gluconeogénesis . De los 20 aminoácidos estándar, nueve ( Su , Ile , Leu , Lys , Met , Phe , Thr , Trp y Val ) son llamados aminoácidos esenciales debido a que el cuerpo humano no puede sintetizar a partir de otros compuestos en el nivel necesario para el crecimiento normal, por lo que deben obtenerse de los alimentos. Además, cisteína , taurina , tirosina , y arginina son considerados aminoácidos semiesenciales en niños (aunque taurina no es técnicamente un aminoácido), porque las vías metabólicas que sintetizan estos aminoácidos no están completamente desarrollados. Las cantidades requeridas dependen también de la edad y la salud del individuo, por lo que es difícil hacer afirmaciones generales sobre el requerimiento diario para algunos aminoácidos. La exposición alimentaria al aminoácido no estándar BMAA se ha relacionado con enfermedades neurodegenerativas humanas, incluyendo ALS .

Señalización diagrama de cascada
Diagrama de las moleculares cascadas de señalización que están involucrados en miofibrilar síntesis de proteínas musculares y la biogénesis mitocondrial en respuesta a ejercicio físico y aminoácidos específicos o sus derivados (principalmente L -leucina y HMB ). Muchos aminoácidos derivados de proteínas de los alimentos promueven la activación de mTORC1 y aumentan la síntesis de proteínas por la señalización a través de GTPasas de trapo .
Abreviaturas y representaciones:
 • PLD: fosfolipasa D
 • PA: fosfatídico ácido
 • mTOR: diana de rapamicina en células de mamífero
 • AMP: adenosina monofosfato
 • ATP: adenosina trifosfato
 • AMPK: AMP-activated proteína quinasa
 • PGC-1α: proliferador de peroxisoma receptor gamma activado coactivador-1α
 • S6K1: p70S6 quinasa
 • 4EBP1: factor de iniciación de la traducción eucariota 4E-proteína de unión 1
 • eIF4E: eucariota de iniciación de traducción del factor 4E
 • RPS6: proteína ribosomal S6
 • eEF2: eucariótica factor de elongación 2
 • RE: ejercicios de resistencia; EE: la resistencia al ejercicio
 • Myo: miofibrilar ; Mito: mitocondrial
 • AA: amino ácidos
 • HMB: ß-hidroxi β-metilbutírico
 • ↑ representa la activación
 • Τ representa la inhibición
Gráfica de síntesis de proteínas musculares vs tiempo
El entrenamiento de resistencia estimula la síntesis de proteínas musculares (MPS) por un período de hasta 48 horas después del ejercicio (mostrado por más ligero línea de puntos). La ingestión de una comida rica en proteínas en cualquier momento durante este período será aumentar el aumento inducido por ejercicio en la síntesis de proteína muscular (mostrado por líneas continuas).

funciones no proteicos

En los seres humanos, los aminoácidos no proteico también tienen un papel importante como intermediarios metabólicos , tales como en la biosíntesis de la neurotransmisor ácido gamma-amino-butírico (GABA). Muchos aminoácidos se utilizan para sintetizar otras moléculas, por ejemplo:

Algunos aminoácidos no estándar se utilizan como defensas contra herbívoros en plantas. Por ejemplo, canavanina es un análogo de arginina que se encuentra en muchas legumbres , y en particular grandes cantidades en Canavalia gladiata (frijol de espada). Este aminoácido protege las plantas de los depredadores tales como insectos y puede causar enfermedades en las personas si algunos tipos de legumbres se comen sin procesamiento. El aminoácido no proteico mimosina se encuentra en otras especies de leguminosas, en particular Leucaena leucocephala . Este compuesto es un análogo de la tirosina y puede envenenar los animales que pastan en estas plantas.

Los usos en la industria

Los aminoácidos se utilizan para una variedad de aplicaciones en la industria, pero su uso principal es como aditivos para la alimentación animal . Esto es necesario, ya que muchos de los componentes a granel de estos alimentos, tales como la soja , o bien tienen niveles bajos o carecen de algunos de los aminoácidos esenciales : lisina, metionina, treonina y triptófano son los más importantes en la producción de estos alimentos. En esta industria, los aminoácidos se utilizan también para quelar cationes metálicos con el fin de mejorar la absorción de minerales a partir de suplementos, que pueden ser necesarios para mejorar la salud o la producción de estos animales.

La industria de la alimentación es también un gran consumidor de aminoácidos, en particular, ácido glutámico , que se usa como un potenciador del sabor , y aspartamo (éster de aspartil-fenilalanina-1-metil) como una baja en calorías edulcorante artificial . Una tecnología similar a la utilizada para la alimentación animal se emplea en la industria de la nutrición humana para aliviar los síntomas de deficiencias de minerales, tales como anemia, mediante la mejora de la absorción de minerales y reduciendo los efectos secundarios negativos de la suplementación mineral inorgánico.

La capacidad de quelación de los aminoácidos se ha utilizado en los fertilizantes para la agricultura para facilitar el suministro de minerales a las plantas con el fin de corregir deficiencias de minerales, tales como clorosis de hierro. Estos fertilizantes se utilizan también para prevenir las deficiencias que se produzcan y mejorar la salud general de las plantas. El resto de la producción de aminoácidos se utiliza en la síntesis de fármacos y cosméticos .

De manera similar, algunos derivados de los aminoácidos se utilizan en la industria farmacéutica. Ellos incluyen 5-HTP (5-hidroxitriptófano) utilizado para el tratamiento experimental de la depresión, L DOPA ( L -dihydroxyphenylalanine) para de Parkinson tratamiento, y eflornitina fármaco que inhibe la ornitina descarboxilasa y se utiliza en el tratamiento de la enfermedad del sueño .

código genético ampliado

Desde 2001, 40 aminoácidos no naturales se han añadido en la proteína mediante la creación de un codón único (recodificación) y un correspondiente ARN de transferencia: aminoacil - par de ARNt-sintetasa para codificar con diversa propiedades fisicoquímicas y biológicas con el fin de ser utilizado como una herramienta para la exploración de la estructura de proteínas y de la función o para crear novela o proteínas mejoradas.

Nullomers

Nullomers son codones que en el código de la teoría para un aminoácido, sin embargo, en la naturaleza hay un sesgo selectivo contra el uso de este codón en favor de otro, por ejemplo, bacterias prefieren utilizar CGA en lugar de AGA para codificar arginina. Esto crea algunas secuencias que no aparecen en el genoma. Esta característica puede ser aprovechada y se utiliza para crear nuevos fármacos selectivos para combatir el cáncer y para prevenir la contaminación cruzada de muestras de ADN de las investigaciones la escena del crimen.

bloques de construcción químicos

Los aminoácidos son importantes como de bajo coste de materias primas . Estos compuestos se utilizan en la síntesis de la piscina quiral como enantiómeros puros bloques de construcción.

Los aminoácidos se han investigado como precursores catalizadores quirales , por ejemplo, para asimétricos de hidrogenación reacciones, aunque no existen aplicaciones comerciales.

Los plásticos biodegradables

Los aminoácidos están en desarrollo como componentes de una variedad de polímeros biodegradables. Estos materiales tienen aplicaciones como el medio ambiente los envases y en la medicina en la administración de fármacos y la construcción de los implantes de prótesis . Estos polímeros incluyen polipéptidos, poliamidas , poliésteres, polisulfuros, poliuretanos y con aminoácidos, ya sea que forma parte de su cadena principal o unidos como cadenas laterales. Estas modificaciones alteran las propiedades físicas y reactividades de los polímeros. Un ejemplo interesante de tales materiales es poliaspartato , un polímero biodegradable soluble en agua que puede tener aplicaciones en desechables pañales y la agricultura. Debido a su solubilidad y la capacidad de quelar iones metálicos, poliaspartato también está siendo utilizado como un anti- biodegradable escalado agente y un inhibidor de la corrosión . Además, el aminoácido aromático tirosina está siendo desarrollado como un posible reemplazo para tóxicos fenoles tales como bisfenol A en la fabricación de policarbonatos .

reacciones

Como aminoácidos tienen tanto una primaria amina de grupo y un primario carboxilo grupo, estos productos químicos pueden sufrir la mayoría de las reacciones asociadas con estos grupos funcionales. Estos incluyen la adición nucleófila , enlace amida formación, y formación de imina para el grupo amina, y esterificación , enlace amida formación, y descarboxilación para el grupo de ácido carboxílico. La combinación de estos grupos funcionales permite aminoácidos que son ligandos polidentados eficaces para quelatos de ácido amino-metal. Las cadenas laterales múltiples de aminoácidos también pueden someterse a reacciones químicas. Los tipos de estas reacciones están determinadas por los grupos en estas cadenas laterales y son, por lo tanto, diferente entre los diversos tipos de aminoácidos.

La síntesis química

Para las etapas de la reacción, véase el texto.
La síntesis de Strecker de aminoácidos

Existen varios métodos para sintetizar aminoácidos. Uno de los métodos más antiguos comienza con la bromación en la α-carbono de un ácido carboxílico. La sustitución nucleófila con amoniaco convierte entonces la bromuro de alquilo para dar el ácido amino. De manera alternativa, la síntesis de aminoácidos de Strecker implica el tratamiento de un aldehído con cianuro de potasio y amoníaco, esto produce un nitrilo α-amino como un intermedio. La hidrólisis del nitrilo en ácido proporciona entonces un ácido α-amino. El uso de sales de amonio o de amonio en esta reacción da aminoácidos no sustituidos, mientras que la sustitución de aminas primarias y secundarias rendirá aminoácidos sustituidos. Del mismo modo, el uso de cetonas , en lugar de los aldehídos, da α, los aminoácidos a-disustituido. La síntesis clásica da mezclas racémicas de a-aminoácidos como productos, pero varios procedimientos alternativos utilizando auxiliares asimétricos o catalizadores asimétricos se han desarrollado.

En el momento actual, el método más adoptado-es un automatizado de síntesis sobre un soporte sólido (por ejemplo, poliestireno perlas), utilizando grupos protectores (por ejemplo, Fmoc y t-Boc ) y grupos activadores (por ejemplo, DCC y DIC ).

formación del enlace peptídico

Dos aminoácidos se muestran uno al lado del otro.  Uno pierde un hidrógeno y oxígeno a partir de su grupo carboxilo (COOH) y el otro pierde un hidrógeno de su grupo amino (NH2).  Esta reacción produce una molécula de agua (H2O) y dos aminoácidos unidos por un enlace peptídico (-CO-NH-).  Los dos aminoácidos unidos se llaman un dipéptido.
La condensación de dos aminoácidos para formar un dipéptido a través de un enlace peptídico

Como ambos grupos de ácido carboxílico de los aminoácidos la amina y pueden reaccionar para formar enlaces amida, molécula de un aminoácido puede reaccionar con otro y se vuelven unido a través de un enlace amida. Esta polimerización de los aminoácidos es lo que crea proteínas. Esta reacción de condensación se obtiene la recién formada enlace peptídico y una molécula de agua. En las células, esta reacción no se produce directamente; en cambio, el aminoácido se activa primero por unión a un ARN de transferencia molécula a través de un éster de bonos. Este aminoacil-tRNA se produce en un ATP reacción dependiente realizada por una aminoacil tRNA sintetasa . Este aminoacil-ARNt es entonces un sustrato para la ribosoma , que cataliza el ataque del grupo amino de la cadena de proteína de alargamiento sobre el enlace éster. Como resultado de este mecanismo, todas las proteínas producidas por los ribosomas se sintetizan a partir de su extremo N-terminal y en movimiento hacia su C-terminal.

Sin embargo, no todos los enlaces peptídicos se forman de esta manera. En unos pocos casos, los péptidos se sintetizan por enzimas específicas. Por ejemplo, el tripéptido glutatión es una parte esencial de las defensas de las células contra el estrés oxidativo. Este péptido se sintetizó en dos pasos de aminoácidos libres. En el primer paso, la sintetasa de gamma-glutamilcisteína condensa cisteína y ácido glutámico a través de un enlace peptídico formado entre el carboxilo de la cadena lateral del glutamato (el carbono gamma de esta cadena lateral) y el grupo amino de la cisteína. Este dipéptido se condensa después con glicina por glutatión sintetasa para formar glutatión.

En química, los péptidos son sintetizados por una variedad de reacciones. Uno de los más-usado en la síntesis de péptidos en fase sólida utiliza los derivados de oximas aromáticas de aminoácidos como unidades activadas. Estos se añaden en la secuencia en la cadena peptídica en crecimiento, que está unido a un soporte de resina sólida. La capacidad de sintetizar fácilmente un gran número de diferentes péptidos mediante la variación de los tipos y orden de los aminoácidos (usando la química combinatoria ) ha hecho la síntesis de péptidos particularmente importante en la creación de bibliotecas de péptidos para su uso en el descubrimiento de fármacos a través de cribado de alto rendimiento .

Biosíntesis

En las plantas, el nitrógeno se asimila primero en compuestos orgánicos en forma de glutamato , formados a partir de alfa-cetoglutarato y amoníaco en la mitocondria. Con el fin de formar otros aminoácidos, la planta utiliza transaminasas para mover el grupo amino de otro ácido carboxílico alfa-ceto. Por ejemplo, aspartato aminotransferasa convierte el glutamato y oxaloacetato a la alfa-cetoglutarato y aspartato. Otros organismos usan transaminasas para la síntesis de aminoácidos, también.

Aminoácidos no estándar se forman habitualmente a través de modificaciones de aminoácidos estándar. Por ejemplo, la homocisteína se forma a través de la vía de transulfuración o mediante la desmetilación de la metionina a través del metabolito intermedio S-adenosil metionina , mientras que hidroxiprolina es hecha por una modificación postraduccional de la prolina .

Los microorganismos y las plantas pueden sintetizar muchos aminoácidos no comunes. Por ejemplo, algunos microbios hacen ácido 2-aminoisobutírico y lantionina , que es un derivado de sulfuro-puente de alanina. Ambos de estos aminoácidos se encuentran en peptídicos lantibióticos como alameticina . Sin embargo, en las plantas, el ácido 1-aminociclopropano-1-carboxílico es un pequeño disustituido aminoácido cíclico que es un intermedio clave en la producción de la hormona de la planta de etileno .

catabolismo

El catabolismo de los aminoácidos proteinogénicos. Los aminoácidos se pueden clasificar de acuerdo con las propiedades de sus productos principales como cualquiera de los siguientes:
* glucogénico , con los productos que tienen la capacidad de formar glucosa por gluconeogénesis
* cetogénica , con los productos no tener la capacidad para formar glucosa. Estos productos todavía se pueden utilizar para la cetogénesis o la síntesis de lípidos .
* Aminoácidos cataboliza en ambos productos glucogénicos y cetogénicas.

Los aminoácidos deben pasar primero de orgánulos y células en circulación de la sangre a través de transportadores de aminoácidos , ya que los grupos ácido carboxílico de amina y normalmente se ionizan. La degradación de un aminoácido, que se produce en el hígado y los riñones, a menudo implica la desaminación moviendo su grupo amino a la alfa-cetoglutarato, formando glutamato . Este proceso implica transaminasas, a menudo las mismas que las usadas en aminación durante la síntesis. En muchos vertebrados, se elimina entonces el grupo amino a través de la ciclo de la urea y se excreta en forma de urea . Sin embargo, amino degradación del ácido puede producir ácido úrico o amoníaco en su lugar. Por ejemplo, deshidratasa serina convierte serina en piruvato y amoniaco. Después de la eliminación de uno o más grupos amino, el resto de la molécula a veces puede ser usada para sintetizar nuevos aminoácidos, o puede ser utilizado para la energía mediante la introducción de la glucólisis o el ciclo del ácido cítrico , como se detalla en la imagen a la derecha.

Las propiedades fisicoquímicas de los aminoácidos

Los 20 aminoácidos codificados directamente por el código genético se pueden dividir en varios grupos basados en sus propiedades. Los factores importantes son la carga, hidrofilicidad o hidrofobicidad , tamaño, y grupos funcionales. Estas propiedades son importantes para la estructura de la proteína y proteína-proteína interacciones . Las proteínas solubles en agua tienden a tener sus residuos hidrófobos (Leu, Ile, Val, Phe, y Trp) enterrados en el medio de la proteína, mientras que las cadenas laterales hidrofílicas están expuestas al disolvente acuoso. (Tenga en cuenta que en la bioquímica , un residuo se refiere a un específico monómero dentro de la cadena polimérica de un polisacárido , proteína o ácido nucleico ). Las proteínas integrales de membrana tienden a tener anillos exteriores de expuestos hidrófobos aminoácidos que las anclan en la bicapa lipídica . En el caso parte de camino entre estos dos extremos, algunos proteínas de membrana periféricas tienen un parche de aminoácidos hidrófobos en su superficie que bloquea sobre la membrana. De manera similar, las proteínas que tienen que se unen a moléculas con carga positiva tienen superficies ricas en aminoácidos cargados negativamente como glutamato y aspartato , mientras que las proteínas de unión a moléculas con carga negativa tienen superficies ricas con cadenas cargados positivamente como lisina y arginina . Hay diferentes escalas de hidrofobicidad de los residuos de aminoácidos.

Algunos aminoácidos tienen propiedades especiales, tales como la cisteína , que puede formar covalentes enlaces disulfuro a otros residuos de cisteína, prolina que se forma un ciclo a la cadena principal del polipéptido, y glicina que es más flexible que otros aminoácidos.

Muchas proteínas se someten a una serie de modificaciones posteriores a la traducción , cuando los grupos químicos adicionales están unidos a los aminoácidos en las proteínas. Algunas modificaciones pueden producir hidrófobos lipoproteínas , o hidrófilos glicoproteínas . Este tipo de modificación permite la orientación reversible de una proteína a una membrana. Por ejemplo, la adición y la eliminación del ácido graso ácido palmítico a los residuos de cisteína en algunas proteínas de señalización hace que las proteínas para unir y luego desprenderse de las membranas celulares.

Tabla de abreviaturas de aminoácidos estándar y propiedades

Aminoácidos 3 letras 1-carta Cadena lateral

clase

Cadena lateral

polaridad

Cadena lateral

carga (pH 7,4)

hidropatıa
índice
absorbancia

λ max (nm)

ε en

λ max (mM -1 cm -1 )

MW

(peso)

Ocurrencia

en las proteínas (%)

Codificación en el código genético estándar (usando la notación de la IUPAC )
alanina Ala UNA alifáticos no polar neutral 1.8 89.094 8.76 GCN
arginina Arg R BASIC básica polar positivo -4.5 174.203 5.78 MGN, CGY (codones que codifican también pueden expresarse por: CGN, AGR)
asparagina Asn norte amida polar neutral -3.5 132.119 3.93 AAY
Ácido aspártico Áspid re ácido ácida polar negativo -3.5 133.104 5.49 GAY
cisteína Cys do que contiene azufre no polar neutral 2.5 250 0.3 121.154 1.38 UGY
Ácido glutamico Glu mi ácido ácida polar negativo -3.5 147.131 6.32 GAR
glutamina gln Q amida polar neutral -3.5 146.146 3.9 COCHE
glicina Gly sol alifáticos no polar neutral -0.4 75.067 7.03 GGN
histidina Su H básico aromático básica polar positivo (10%)
neutro (90%)
-3.2 211 5.9 155.156 2.26 ISLA PEQUEÑA
isoleucina ile yo alifáticos no polar neutral 4.5 131.175 5.49 AUH
leucina Leu L alifáticos no polar neutral 3.8 131.175 9.68 YUR, CUY (codones que codifican también pueden expresarse por: Cun, UUR)
lisina Lys K BASIC básica polar positivo -3.9 146.189 5.19 AAR
metionina Reunió METRO que contiene azufre no polar neutral 1.9 149.208 2.32 AGO
fenilalanina Phe F aromático no polar neutral 2.8 257, 206, 188 0,2, 9,3, 60,0 165.192 3.87 uuy
prolina Pro PAG cíclico no polar neutral -1.6 115.132 5.02 CCN
serina Ser S que contiene hidroxilo polar neutral -0.8 105.093 7.14 UCN, AGY
treonina Thr T que contiene hidroxilo polar neutral -0.7 119.119 5.53 ACN
triptófano Trp W aromático no polar neutral -0.9 280, 219 5.6, 47.0 204.228 1.25 UGG
tirosina Tyr Y aromático polar neutral -1.3 274, 222, 193 1,4, 8,0, 48,0 181.191 2.91 UAY
valina Val V alifáticos no polar neutral 4.2 117.148 6.73 PISTOLA

Dos aminoácidos adicionales están en algunas especies codificados por codones que por lo general se interpretan como codones de parada :

21a y aminoácidos 22ª 3 letras 1-carta MW (peso)
seleniocisteína Segundo T 168.064
pyrrolysine pyl O 255.313

Además de los códigos de aminoácidos específicos, marcadores de posición se utilizan en los casos en química o cristalográfica análisis de un péptido o proteína no pueden determinar de manera concluyente la identidad de un residuo. También se utilizan para resumir conservadas de secuencias de proteínas motivos. El uso de las letras individuales para indicar conjuntos de residuos similares es similar al uso de códigos de abreviatura de bases degeneradas .

aminoácidos ambiguas 3 letras 1-carta Amino Acids Incluye incluido codones
Cualquier / desconocido Xaa X Todos NNN
Asparagina o ácido aspártico ASX segundo D, N RAYO
La glutamina o ácido glutámico Glx Z E, Q SAR
Leucina o isoleucina Xle J ILLINOIS YTR, ATH, CTY (codones que codifican también se puede expresar por: CTN, ATH, TTR; MTY, YTR, ATA; MTY, HTA, HTC)
Hidrofóbico Φ V, I, L, F, W, Y, M NTN, Tay, TGG
Aromático Ω F, W, Y, H YWY, ​​TTY, TGG (codones que codifican también se puede expresar por: TWY, CAY, TGG)
Alifáticos (no aromático) Ψ V, I, L, M VTN, TTR (codones que codifican también pueden expresarse por: NTR, VTY)
Pequeña π P, G, A, S BCN, RGY, GGR
hidrófila ζ S, T, H, N, Q, E, D, K, R VAN, WCN, CGN, AGY (codones que codifican también se puede expresar por: VAN, WCN, MGY, CGP)
Cargado positivamente + K, R, H ARR, CRY, CGR
Cargado negativamente - D, E GAN

Unk se utiliza a veces en lugar de Xaa , pero es menos estándar.

Además, muchos aminoácidos no estándar tienen un código específico. Por ejemplo, varios fármacos peptídicos, tales como Bortezomib y MG132 , se sintetizan artificialmente y conservan sus grupos protectores , que tienen códigos específicos. Bortezomib es Pyz Phe-boroLeu, y MG132 es Z Leu-Leu-Leu-al. Para ayudar en el análisis de estructura de proteínas, análogos de aminoácidos foto-reactiva están disponibles. Estos incluyen photoleucine ( pLeu ) y photomethionine ( pMET ).

Ver también

Referencias y notas

Otras lecturas

enlaces externos