Кодируемые аминокислоты: строение, свойства, классификации. Написать формулы серина, глутаминовой

Биохимия — ПСБГПМУ, Педиатрия

Кодируемые аминокислоты: общая характеристика

Кодируемые (протеиногенные) аминокислоты — это 20 стандартных α-аминокислот, которые непосредственно кодируются триплетами генетического кода и входят в состав полипептидных цепей всех известных белков.

Строение. Каждая кодируемая аминокислота содержит:

• α-углерод (), к которому присоединены четыре заместителя:
• первичная аминогруппа () — основный центр;
• карбоксильная группа () — кислотный центр;
• боковой радикал (R-группа) — определяет уникальные свойства аминокислоты;
• атом водорода ().
• Все протеиногенные аминокислоты (кроме глицина, где ) имеют L-стереоконфигурацию при -углероде.

Свойства:

• Амфотерность: в растворе существуют в виде цвиттер-ионов (), проявляют свойства кислот и оснований.
• Изоэлектрическая точка (pI): pH, при котором молекула электронейтральна; рассчитывается как среднее значений pK соседних ионизируемых групп.
• Оптическая активность: все L-аминокислоты (кроме глицина) вращают плоскость поляризованного света.
• Способность к конденсации: образование пептидной связи между α-COOH и α-NH₂ под действием рибосом.

Классификации:

По химической структуре бокового радикала

| Группа | Примеры |

|--------|---------|

| Алифатические (R — углеводородная цепь) | Глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин |

| С гидроксильной группой () | Серин, треонин |

| С серосодержащими группами | Цистеин, метионин |

| С карбоксильной группой ( или ) | Аспарагиновая, глутаминовая |

| С амидной группой | Аспарагин, глутамин |

| С основной группой (гуанидино-, имидазолил-, амино-) | Аргинин, гистидин, лизин |

| Ароматические | Фенилаланин, тирозин, триптофан |

| Иминокислота (циклический радикал) | Пролин |

По полярности R-группы при pH 7,0

• Неполярные (гидрофобные) — глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, метионин, триптофан, пролин.
• Полярные незаряженные — серин, треонин, цистеин, тирозин, аспарагин, глутамин.
• Отрицательно заряженные (кислые) — аспарагиновая кислота (Asp), глутаминовая кислота (Glu).
• Положительно заряженные (основные) — лизин (Lys), аргинин (Arg), гистидин (His) (при pH 7 частично).

По способности к синтезу в организме человека

• Заменимые (синтезируются в достаточном количестве: Ala, Asn, Asp, Glu, Gln, Gly, Pro, Ser, Tyr).
• Незаменимые (не синтезируются, обязательно поступают с пищей: His, Ile, Leu, Lys, Met, Phe, Thr, Trp, Val).
• Условно заменимые (синтез ограничен в определённые периоды: Arg, Cys, Gln, Gly, Pro, Ser, Tyr).

> [!simple] Простыми словами: Кодируемые аминокислоты — это «кирпичики», из которых собраны все белки. Их ровно 20, у каждой своя боковая цепь, которая определяет, как белок будет сворачиваться и работать.

---

Формулы серина, глутаминовой кислоты и лизина

Серин (Ser, S)

Трёхбуквенный код: Ser

Однобуквенный: S

Боковой радикал: (гидроксиметильная группа)

Структурная формула (в цвиттер-ионной форме):

Линейная запись: или

Глутаминовая кислота (Glu, E)

Трёхбуквенный код: Glu

Однобуквенный: E

Боковой радикал: (-карбоксипропильная группа)

Структурная формула:

Линейная запись:

Лизин (Lys, K)

Трёхбуквенный код: Lys

Однобуквенный: K

Боковой радикал: (-аминобутильная группа)

Структурная формула:

(В цвиттер-ионе при pH 7 -аминогруппа также протонирована)

Линейная запись:

> [!example] Пример: В составе белков эти аминокислоты часто расположены на поверхности. Серин и лизин участвуют в каталитических центрах ферментов (например, сериновые протеазы), а глутаминовая — в связывании ионов металлов.

---

Посттрансляционная модификация серина, глутаминовой кислоты и лизина

Посттрансляционная модификация (ПТМ) — это ковалентное изменение бокового радикала аминокислотного остатка после завершения синтеза полипептидной цепи. ПТМ расширяют функциональный репертуар белков, регулируют активность, стабильность, локализацию и взаимодействия.

1. Серин (Ser)

А. Фосфорилирование — наиболее распространённая модификация.

• Химизм: Атом кислорода гидроксильной группы серина атакует -фосфат АТФ (или GTP). Образуется фосфосерин ():

• Ферменты: протеинкиназы (PKA, PKC, MAPK, циклин-зависимые киназы и др.).
• Фосфатазы (PP1, PP2A, PP2B) — удаляют фосфат обратно (гидролиз).
• Функция: универсальный механизм переключения активности ферментов, рецепторов, факторов транскрипции; распознаётся адаптерными белками с доменами SH2, 14-3-3.

> [!example] Пример: Фосфорилирование серина 473 в киназе Akt (PKB) — маркер её активации в сигнальном пути инсулина.

Б. О-гликозилирование (O-GlcNAc)

• Химизм: Присоединение N-ацетилглюкозамина (GlcNAc) через O-гликозидную связь к гидроксилу серина (или треонина).

• Функция: конкурирует с фосфорилированием на тех же остатках, модулирует транскрипцию, цикл клетки, ответ на стресс.

В. Другие: сульфатирование (редко), присоединение липогликанов (в гликопротеинах ядерной поры).

> [!critical] Ключевой факт: Серин — главная мишень фосфорилирования в регуляторных белках. Одно фосфорилирование может изменить конформацию и активность всей белковой молекулы.

2. Глутаминовая кислота (Glu)

А. -Карбоксилирование — модификация, в результате которой образуется -карбоксиглутаминовая кислота (Gla).

• Химизм: С участием витамин К-зависимой карбоксилазы в -положении боковой цепи глутаминовой кислоты (молекула присоединяется к углероду при -CH) с образованием новой карбоксильной группы. Реакция требует восстановленного витамина К (гидрохинон), и .

• Функция: Gla-остатки хелатируют ионы , что критично для белков свёртывания крови (протромбин, факторы VII, IX, X, протеины C и S) и кальций-связывающих белков (остеокальцин).

> [!example] Пример: В протромбине 10 остатков Gla образуют Ca-зависимый домен, необходимый для закрепления белка на фосфолипидной мембране тромбоцитов.

Б. Другие модификации:

• Метилирование — образование метилового эфира -COOH (обнаружено у некоторых бактерий, у человека — редко).
• Амидирование — превращение в глутамин под действием специфических амидаз? Нет, это ферментативное превращение происходит при участии глутамин-трансамидазы, но в ПТМ встречается редко (основной путь — синтез глутамина из глутаминовой кислоты в цитозоле, но это не посттрансляционная, а метаболическая реакция). Для ПТМ глутаминовой кислоты наиболее характерно -карбоксилирование.

3. Лизин (Lys)

Лизин имеет уникальную -аминогруппу (), которая является сильным нуклеофилом и мишенью для многих модификаций.

А. Метилирование

• Химизм: Перенос метильной группы от S-аденозилметионина (SAM) на -NH лизина. Катализируется лизин-метилтрансферазами (KMT). Возможно моно-, ди- и триметилирование:

(и далее до , ).

• Функция: Метилирование гистонов — ключевой механизм эпигенетической регуляции (маркеры активного хроматина: H3K4me3 — триметилирование Lys4 гистона H3; репрессивные: H3K9me3, H3K27me3).

Б. Ацетилирование

• Химизм: Присоединение ацетильной группы от ацетил-кофермента А (Ac-CoA) к -аминогруппе. Катализируется лизин-ацетилтрансферазами (KAT), удаляется гистон-деацетилазами (HDAC).

• Функция: Нейтрализует положительный заряд лизина, что изменяет ионные и ДНК-связывающие свойства; ключевой механизм регуляции экспрессии генов (ацетилирование гистонов), активности транскрипционных факторов (p53, NF-B), метаболических ферментов.

В. Убиквитинирование (и родственные модификации — изопептидные связи)

• Химизм: С-конец убиквитина (76 аминокислотного белка) через тиоэфирный промежуточный этап (E1-E2-E3 каскад) образует изопептидную связь между -аминогруппой лизина и -COOH убиквитина.

• Функция: Полиубиквитинирование (цепь из 4+ убиквитинов) — сигнал к деградации в протеасоме; моноубиквитинирование — метка для эндоцитоза, ремоделирования хроматина, трафика.
• Аналогичные модификации: сумоилирование (SUMO-белки), неддилирование (NEDD8) — регулируют локализацию и активность.

Г. Гидроксилирование

• Химизм: Введение гидроксильной группы в -положение боковой цепи лизина (реже в другой углерод). Фермент — лизилгидроксилаза, кофакторы: , -кетоглутарат, аскорбат (витамин C).

• Функция: Гидроксилизин входит в состав коллагена; важен для стабилизации тройной спирали. Далее на гидроксилизин может присоединяться глюкозо-галактозный дисахарид (О-гликозилирование).

Д. Другие модификации: биотинилирование, пропионилирование, кротонилирование, 2-гидроксиизобутирилирование, лактилирование (регуляторные метки в протеомах).

> [!critical] Ключевой факт: Лизин — рекордсмен по числу известных ПТМ (более 20 типов). Ацетилирование и метилирование лизина в гистонах — основа эпигенетической памяти клетки.

---

Ключевой вывод

> [!critical] Ключевой факт: Посттрансляционные модификации серина (фосфорилирование), глутаминовой кислоты (-карбоксилирование) и лизина (ацетилирование, метилирование, убиквитинирование, гидроксилирование) радикально изменяют химическую природу их боковых радикалов, что обеспечивает переключение сигнальных путей, регуляцию экспрессии генов, сворачивание коллагена и свёртываемость крови. Без этих модификаций большинство белков не могли бы выполнять свои специализированные функции.

---

Итог. Стандартный набор из 20 кодируемых аминокислот характеризуется разнообразием боковых радикалов, что позволяет классифицировать их по полярности, структуре и биосинтетической доступности. Серин, глутаминовая кислота и лизин являются яркими примерами аминокислот, чьи боковые группы служат платформой для множества ковалентных модификаций, жизненно важных для регуляции белковых функций в клетке.

Все вопросы раздела: Подготовка к экзамену по Биохимии