Quanti sono gli aminoacidi conosciuti

Composti organici contenenti ammine e gruppi carbossilici

Questo articolo riguarda la classe delle sostanze chimiche. Per le strutture e le proprietà degli amminoacidi proteinogenici standard, vedere Amminoacidi proteinogenici.

Gli amminoacidi sono composti organici che contengono sia gruppi funzionali amminici che acidi carbossilici. ^[1] Sebbene esistano oltre 500 amminoacidi in natura, di gran lunga i più importanti sono i 22 α-amminoacidi incorporati nelle proteine. ^[2] Solo questi 22 compaiono nel codice genetico della vita. ^{[3] [4]}

Gli amminoacidi possono essere classificati in base alla posizione dei gruppi funzionali strutturali principali (alfa- (α-), beta- (β-), gamma- (γ-) amminoacidi, ecc.); Altre categorie riguardano la polarità, la ionizzazione e il tipo di gruppo a catena laterale (alifatico, aciclico, aromatico, polare, ecc.). Sotto forma di proteine, i residui di aminoacidi costituiscono il secondo componente più grande (l'acqua è il più grande) dei muscoli umani e di altri tessuti. ^[5] Oltre al loro ruolo come residui nelle proteine, gli amminoacidi partecipano a una serie di processi come il trasporto dei neurotrasmettitori e la biosintesi. Si pensa che abbiano svolto un ruolo chiave nel consentire la vita sulla Terra e la sua comparsa. ^[6]

Gli amminoacidi sono formalmente denominati dalla IUPAC-IUBMBJoint Commission on Biochemical Nomenclature in termini di struttura "neutra" fittizia mostrata nell'illustrazione. Ad esempio, il nome sistematico dell'alanina è acido 2-amminopropanoico, basato sulla formula CH ₃ −CH(NH ₂ )−COOH. La Commissione ha giustificato questo approccio come segue: ^[7]

I nomi sistematici e le formule fornite si riferiscono a forme ipotetiche in cui i gruppi amminici sono i gruppi non protonati e carbossilici non sono dissociati. Questa convenzione è utile per evitare vari problemi di nomenclatura, ma non deve essere interpretata nel senso che queste strutture rappresentino una frazione apprezzabile delle molecole di amminoacidi.

I

primi amminoacidi furono scoperti all'inizio del 1800. ^{[8] [9]} Nel 1806, i chimici francesi Louis-Nicolas Vauquelin e Pierre Jean Robiquet isolarono un composto dagli asparagi che fu successivamente chiamato asparagina, il primo amminoacido ad essere scoperto. ^{[10] [11]} La cistina fu scoperta nel 1810, ^[12] Anche se il suo monomero, la cisteina, rimase sconosciuto fino al 1884. ^{[13] [11] [a]} La glicina e la leucina furono scoperte nel 1820. ^[14] L'ultimo dei 20 amminoacidi comuni ad essere La treonina fu scoperta nel 1935 da William Cumming Rose, che determinò anche gli aminoacidi essenziali e stabilì il fabbisogno giornaliero minimo di tutti gli aminoacidi per una crescita ottimale. ^{[15] [16]}

L'unità della categoria chimica fu riconosciuta da Wurtz nel 1865, ma non le diede un nome particolare. ^[17] Il primo uso del termine "amminoacido" nella lingua inglese risale al 1898, ^[18] mentre il termine tedesco, Aminosäure , era stato usato prima. ^[19] Si è scoperto che le proteine producono aminoacidi dopo la digestione enzimatica o l'idrolisi acida. Nel 1902, Emil Fischer e Franz Hofmeister proposero indipendentemente che le proteine sono formate da molti amminoacidi, per cui si formano legami tra il gruppo amminico di un amminoacido con il gruppo carbossilico di un altro, risultando in una struttura lineare che Fischer definì "peptide". ^[20]

Struttura

generale

2- , alfa- o α-amminoacidi ^[21] hanno la formula generica H ₂ NCHRCOOH nella maggior parte dei casi, ^[b] dove R è un sostituente organico noto come "catena laterale". ^[22]

Delle molte centinaia di amminoacidi descritti, 22 sono proteinogenici ("protein-building"). ^{[23] [24] [25]} Sono questi 22 composti che si combinano per dare una vasta gamma di peptidi e proteine assemblati dai ribosomi. ^[26] Gli amminoacidi non proteinogenici o modificati possono derivare da modificazioni post-traduzionali o durante la sintesi di peptidi non ribosomiali.

Chiralità

L'atomo di carbonio accanto al gruppo carbossilico è chiamato α-carbonio. Negli amminoacidi proteinogenici porta l'ammina e la R gruppo o catena laterale specifica per ciascun amminoacido, nonché un atomo di idrogeno. Con l'eccezione della glicina, per la quale la catena laterale è anch'essa un atomo di idrogeno, il α-carbonio è stereogenico. Tutti gli amminoacidi proteogenici chirali hanno la configurazione L. Sono enantiomeri "levogiri", che si riferiscono agli stereoisomeri del carbonio alfa.

Alcuni D-amminoacidi ("destrorsi") sono stati trovati in natura, ad esempio, negli involucri batterici, come neuromodulatore (D-serina ) e in alcuni antibiotici. ^{[27] [28]} Raramente, i residui di D-amminoacido si trovano nelle proteine e vengono convertiti dall'L-amminoacido come modificazione post-traduzionale. ^{[29] [c]}

Cinque amminoacidi possiedono una carica a pH neutro. Spesso queste catene laterali appaiono sulle superfici proteine per consentire la loro solubilità in acqua e catene laterali con cariche opposte formano importanti contatti elettrostatici chiamati ponti salini che mantengono le strutture all'interno di una singola proteina o tra proteine interfacciate. ^[32] Molte proteine legano il metallo nelle loro strutture in modo specifico e queste interazioni sono comunemente mediate da catene laterali cariche come l'aspartato, il glutammato e l'istidina. In determinate condizioni, ogni gruppo ionico può essere caricato, formando doppi sali. ^[33]

I due amminoacidi caricati negativamente a pH neutro sono l'aspartato (Asp, D) e il glutammato (Glu, E). I gruppi carbossilati anionici si comportano come basi di Brønsted nella maggior parte delle circostanze. ^[32] Gli enzimi in ambienti a pH molto basso, come la proteasi aspartica pepsina nello stomaco dei mammiferi, possono avere residui catalitici di aspartato o glutammato che agiscono come acidi di Brønsted.

Esistono tre amminoacidi con catene laterali che sono cationi a pH neutro: arginina (Arg, R), lisina (Lys, K) e istidina (His, H). L'arginina ha un gruppo guanidino carico e la lisina un gruppo amminico alchilico carico e sono completamente protonate a pH 7. Il gruppo imidazolico dell'istidina ha un pK _a di 6,0 ed è solo circa il 10% protonato a pH neutro. Poiché l'istidina si trova facilmente nelle sue forme acide basiche e coniugate, spesso partecipa ai trasferimenti catalitici di protoni nelle reazioni enzimatiche. ^[32]

Gli amminoacidi polari non carichi serina (Ser, S), treonina (Thr, T), asparagina (Asn, N) e glutammina (Gln, Q) formano facilmente legami idrogeno con acqua e altri amminoacidi. ^[32] Non ionizzano in condizioni normali, un'eccezione importante è la serina catalitica nelle serina proteasi. Questo è un esempio di perturbazione grave e non è caratteristico dei residui di serina in Generale. La treonina ha due centri chirali, non solo il centro chirale L (2 S ) al carbonio α condiviso da tutti gli amminoacidi a parte la glicina achirale, ma anche (3 R ) al carbonio β. La specifica stereochimica completa è (2 S ,3 R )- L -treonina.

Le

interazioni amminoacidiche non polari sono la principale forza trainante dietro i processi che ripiegano le proteine nelle loro strutture funzionali tridimensionali. ^[32] Nessuna delle catene laterali di questi amminoacidi ionizza facilmente, e quindi non ha pK _a s, con l'eccezione della tirosina (Tyr, Y). L'idrossile della tirosina può deprotonato ad alto pH formando il fenolato caricato negativamente. Per questo motivo si potrebbe collocare la tirosina nella categoria polare degli amminoacidi non caricati, ma la sua bassissima solubilità in acqua corrisponde bene alle caratteristiche degli amminoacidi idrofobici.

Diverse catene laterali non sono ben descritte dalle categorie caricate, polari e idrofobiche. La glicina (Gly, G) potrebbe essere considerata un amminoacido polare poiché le sue piccole dimensioni fanno sì che la sua solubilità sia in gran parte determinata dai gruppi amminico e carbossilato. Tuttavia, la mancanza di qualsiasi catena laterale fornisce alla glicina una flessibilità unica tra gli amminoacidi con grandi ramificazioni nel ripiegamento delle proteine. ^[32] La cisteina (Cys, C) può anche formare facilmente legami idrogeno, il che la collocherebbe nella categoria degli amminoacidi polari, sebbene possa essere spesso trovata in strutture proteiche che formano legami covalenti, chiamati legami disolfuro, con altre cisteine. Questi legami influenzano il ripiegamento e la stabilità delle proteine e sono essenziali nella formazione degli anticorpi. La prolina (Pro, P) ha una catena laterale alchilica e potrebbe essere considerata idrofobica, ma poiché la catena laterale si ricongiunge al gruppo amminico alfa diventa particolarmente inflessibile quando incorporato nelle proteine. Simile alla glicina, questo influenza la struttura delle proteine in un modo unico tra gli amminoacidi. La selenocistina (Sec, U) è un amminoacido raro non codificato direttamente dal DNA, ma incorporato nelle proteine attraverso il ribosoma. La selenocisteina ha un potenziale redox inferiore rispetto alla cisteina simile e partecipa a diverse reazioni enzimatiche uniche. ^[34] La pirrolisina (Pyl, O) è un altro amminoacido non codificato nel DNA, ma sintetizzato in proteine dai ribosomi. ^[35] Si trova nelle specie archeali dove partecipa all'attività catalitica di diverse metiltransferasi.

β- e γ-amminoacidi

Gli amminoacidi con struttura NH+3−CXY−CXY−CO−2, come la β-alanina, un componente della carnosina e di alcuni altri peptidi, sono β-amminoacidi. Quelli con struttura NH+3−CXY−CXY−CXY−CO−2 sono γ-amminoacidi, e così via, dove X e Y sono due sostituenti (uno dei quali è normalmente H). ^[7]

Le

forme naturali comuni di amminoacidi hanno una struttura zwitterionica, con gruppi funzionali "NH+3 (−NH+2" nel caso della prolina) e "CO−2" attaccati allo stesso atomo C, e sono quindi α-amminoacidi, e sono gli unici che si trovano nelle proteine durante la traduzione nel ribosoma. In soluzione acquosa a pH vicino alla neutralità, gli amminoacidi esistono come zwitterioni, cioè come ioni dipolari con NH+3 e CO−2 in stati carichi, quindi la struttura complessiva è NH+3−CHR−CO−2. A pH fisiologico le cosiddette "forme neutre" −NH ₂ −CHR−CO ₂ H non sono presenti in alcun grado misurabile. ^[36] Sebbene le due cariche nella struttura dello zwitterion si sommano a zero, è fuorviante chiamare "non carica" una specie con una carica netta pari a zero.

In condizioni fortemente acide (pH inferiore a 3), il gruppo carbossilato diventa protonato e la struttura diventa un acido carbossilico ammonio, NH+3−CHR−CO ₂ H. Questo è rilevante per enzimi come la pepsina che sono attivi in ambienti acidi come lo stomaco dei mammiferi e i lisosomi, ma non si applica in modo significativo agli enzimi intracellulari. In condizioni altamente basiche (pH superiore a 10, normalmente non osservato in condizioni fisiologiche), il gruppo ammoniaca viene deprotonato per dare NH ₂ −CHR−CO−2.

Sebbene in chimica vengano utilizzate varie definizioni di acidi e basi, l'unica che è utile per la chimica in soluzione acquosa è quella di Brønsted: ^{[37] [38]} un acido è una specie che può donare un protone a un'altra specie, e una base è quella che può accettare un protone. Questo criterio viene utilizzato per etichettare i gruppi nell'illustrazione precedente. Le catene laterali carbossilate dei residui di aspartato e glutammato sono le principali basi di Brønsted nelle proteine. Allo stesso modo, la lisina, la tirosina e la cisteina agiscono tipicamente come acido di Brønsted. L'istidina in queste condizioni può agire sia come acido di Brønsted che come base.

Punto

isoelettrico

Per gli amminoacidi con catene laterali non cariche, lo zwitterion predomina a valori di pH compresi tra i due valori di p K _a, ma coesiste in equilibrio con piccole quantità di ioni netti negativi e netti positivi. Nel punto medio tra i due valori di p K _a, la traccia di ioni netti negativi e la traccia di ioni netti positivi si bilanciano, in modo che la carica netta media di tutte le forme presenti sia zero. ^[39] Questo pH è noto come punto isoelettrico p I , quindi p I = 1/2(p K _a1 + p K _a2 ).

Per gli amminoacidi con catene laterali cariche, il p K _a del è coinvolta la catena laterale. Quindi, per l'aspartato o il glutammato con catene laterali negative, il gruppo amminico terminale è essenzialmente interamente nella forma carica -NH+3, ma questa carica positiva deve essere bilanciata dallo stato con un solo gruppo carbossilato C-terminale caricato negativamente. Ciò avviene a metà strada tra i due valori carbossilati p K _a: p I = 1/2(p K _a1 + p K _a(R) ), dove p K _a(R) è la catena laterale p K _a . ^[38]

Considerazioni simili valgono per altri amminoacidi con catene laterali ionizzabili, tra cui non solo il glutammato (simile all'aspartato), ma anche la cisteina, l'istidina, la lisina, la tirosina e l'arginina con catene laterali positive.

Gli amminoacidi hanno mobilità zero nell'elettroforesi al loro punto isoelettrico, anche se questo comportamento è più comunemente sfruttato per peptidi e proteine rispetto ai singoli amminoacidi. Gli zwitterioni hanno una solubilità minima al loro punto isoelettrico, e alcuni amminoacidi (in particolare, con catene laterali non polari) possono essere isolati per precipitazione dall'acqua regolando il pH al punto isoelettrico richiesto.

Proprietà fisico-chimiche

I 20 amminoacidi canonici possono essere classificati in base alle loro proprietà. Fattori importanti sono la carica, l'idrofilia o l'idrofobicità, le dimensioni e i gruppi funzionali. ^[28] Queste proprietà influenzano la struttura delle proteine e le interazioni proteina-proteina. Le proteine idrosolubili tendono ad avere i loro residui idrofobici (Leu, Ile, Val, Phe e Trp) sepolti nel mezzo della proteina, mentre le catene laterali idrofile sono esposte al solvente acquoso. (In biochimica, un residuo si riferisce a un monomero specifico all'interno della catena polimerica di un polisaccaride, proteina o acido nucleico.) L'integrale Le proteine di membrana tendono ad avere anelli esterni di amminoacidi idrofobici esposti che le ancorano nel doppio strato lipidico. Alcune proteine della membrana periferica hanno una macchia di amminoacidi idrofobici sulla loro superficie che si attacca alla membrana. In modo simile, le proteine che devono legarsi a molecole caricate positivamente hanno superfici ricche di amminoacidi caricati negativamente come il glutammato e l'aspartato, mentre le proteine che si legano a molecole caricate negativamente hanno superfici ricche di amminoacidi caricati positivamente come la lisina e l'arginina. Ad esempio, la lisina e l'arginina sono presenti in grandi quantità nelle regioni a bassa complessità delle proteine leganti l'acido nucleico. ^[40] Esistono varie scale di idrofobicità dei residui di amminoacidi. ^[41]

Alcuni aminoacidi hanno proprietà speciali. La cisteina può formare legami disolfuro covalenti con altri residui di cisteina. La prolina forma un ciclo verso la spina dorsale polipeptidica, e la glicina è più flessibile di altri aminoacidi.

La glicina e la prolina sono fortemente presenti all'interno delle regioni a bassa complessità delle proteine eucariotiche e procariotiche, mentre l'opposto è il caso della cisteina, della fenilalanina, del triptofano, della metionina, della valina, della leucina, dell'isoleucina, che sono altamente reattive, o complesse, o idrofobiche. ^{[40] [42] [43]}

Molte proteine subiscono una serie di modifiche post-traduzionali, per cui gruppi chimici aggiuntivi sono attaccati alle catene laterali dei residui di amminoacidi, a volte producendo lipoproteine (che sono idrofobiche), ^[44] o glicoproteine (che sono idrofile) ^[45], consentendo alla proteina di attaccarsi temporaneamente a una membrana. Ad esempio, una proteina di segnalazione può attaccarsi e poi staccarsi da una membrana cellulare, perché contiene residui di cisteina che possono avere l'acido grasso palmitico acido aggiunto ad essi e successivamente rimosso. ^[46]

Tabella delle abbreviazioni e delle proprietà standard degli amminoacidi

"Codice degli amminoacidi" reindirizza qui. Per la codifica delle coppie di basi degli amminoacidi, vedi Codice genetico § Codoni.

Sebbene

i simboli di una lettera siano inclusi nella tabella, IUPAC-IUBMB raccomandano ^[7] che "l'uso dei simboli di una lettera dovrebbe essere limitato al confronto di lunghe sequenze".

La notazione di una lettera è stata scelta dalla IUPAC-IUB in base alle seguenti regole: ^[47]

• Le lettere iniziali sono usate dove non c'è ambuiguità: C cisteina, H istidina, I isoleucina, M metionina, S serina, V valina, ^[47]
• Dove è necessaria un'assegnazione arbitraria, gli amminoacidi strutturalmente più semplici hanno la precedenza: A Alanina, G glicina, L leucina, P prolina, T treonina, ^[47]
• F PH enilalanina e R a R ginina sono assegnati foneticamente suggestivi, ^[47]
• W triptofano è assegnato in base al doppio anello che è visivamente suggestivo alla lettera voluminosa W, ^[47]
• K lisina e Y tirosina sono assegnati come alfabeticamente più vicini alle loro iniziali L e T (si noti che U è stato evitato per la sua somiglianza con V, mentre X era riservato agli amminoacidi indeterminati o atipici); per la tirosina è stata proposta anche la rosina mnemonica t Y, ^[48]
• l'aspartato D è stato assegnato arbitrariamente, con l'acido mnemonico aspar D ic; ^[49] il glutammato E è stato assegnato in sequenza alfabetica essendo più grande di un solo gruppo metilene –CH ₂ –, ^[48]
• l'asparagina N è stata assegnata arbitrariamente, con il asparagi mnemonici N e; ^[49] La glutammina Q è stata assegnata in sequenza alfabetica di quelle ancora disponibili (si noti ancora una volta che la O è stata evitata a causa della somiglianza con la D), con la proposta mnemonica Q lutamina. ^[49]

Aminoacidi	Simboli di 3 e 1 lettera		Catena laterale			Indice di idropatia [50]	Assorbimento molare [51]		Massa molecolare	Abbondanza nelle proteine (%) [52]	Codifica genetica standard, notazione IUPAC
	3	1	Classe	Polarità chimica [53]	Carica netta a pH 7,4 [53]		Lunghezza d'onda, λ max (nm)	Coefficiente ε (mM −1 ·cm −1 )
Alanina	Ala	A	Alifatico	Non polare	Neutro	1,8	89,094	8,76	GCN
Arginina		Arg R	Catione fisso Polare	basico	Positivo	−4,5	174,203	5,78	MGR, CGY [d]
Asparagina	Asn		N Ammide	Polare	Neutro	−3,5	132,119	3,93	AAY
Aspartato	Asp	D	Anione	Brønsted base	Negativo	−3,5	133,104	5,49	GAY
Cisteina	Cys	C	Tiolo	Brønsted acido	Neutro	2,5	250	0,3	121,154	1,38	UGY
Glutammina	Gln		Q Ammide	Polare	Neutro	−3,5	146,146	3,9	CAR
Glutammato	Glu	E	Anione	Brønsted base	Negativo	−3,5	147,131	6,32	GAR
Glicina	Gly	G	Alifatico	Non Polare	Neutro	−0,4	75,067	7,03	GGN
Istidina	His	H	Cationico	Acido e base di Brønsted	Positivo, 10% Neutro, 90% −	3,2	211	5,9	155,156	2,26	CAY
Isoleucina	Ile	I	Alifatico	Non Polare	Neutro	4,5	131,175	5,49	AUH
Leucina	L		Alifatico	Non Polare	Neutro	3,8	131,175	9,68	YUR, CUY [e]
Lisina	Lys	K	Cation	Brønsted acido	Positivo	−3,9	146,189	5,19	AAR
Metionina	Met	M	Tioetere	Non Polare	Neutro	1,9	149,208	2,32	AUG
Fenilalanina	Phe	F	Aromatico	Non Polare	Neutro	2,8	257, 206, 188	0,2, 9,3, 60,0	165,192	3,87	UUY
Prolina	Pro	P	Neutro	non polare	ciclico	−1,6	115,132	5,02	CCN
Serina	Ser	S	Neutro	polare	ossidrilico	−0,8	105,093	7,14	UCN, AGY
Treonina	Thr	T	Idrossile		Polar Neutral	−0,7	119,119	5,53	ACN
Triptofano	Trp	W	Aromatico	Non polare	Neutro	−0,9	280, 219	5,6, 47,0	204,228	1,25	UGG
Tyrosina		Tyr Y	Aromatico	Acido di Brønsted	Neutro	−1.3	274, 222, 193	1.4, 8.0, 48.0	181.191	2.91	UAY
Valina	Val	V	Alifatico	Non	polare Neutro	4.2	117.148	6.73	GUN

Due amminoacidi aggiuntivi sono in alcune specie codificati da codoni che sono solitamente interpretati come codoni di stop:

Oltre ai codici amminoacidici specifici, i segnaposto vengono utilizzati nei casi in cui l'analisi chimica o cristallografica di un peptide o di una proteina non può determinare in modo definitivo l'identità di un residuo. Sono anche usati per riassumere motivi di sequenze proteiche conservate. L'uso di singole lettere per indicare insiemi di residui simili è simile all'uso di codici di abbreviazione per basi degeneri. ^{[54] [55]}

Amminoacidi ambigui	3 lettere	1 lettera	Aminoacidi inclusi	Codoni inclusi
Qualsiasi / sconosciuto	Xaa	X	Tutti	NNN
Asparagina o aspartato	Asx	B	D, N	RAY
Glutammina o glutammato	Glx	Z	E, Q	SAR
Leucina o isoleucina	Xle	J	I, L	YTR, ATH, CTY [f]
Idrofobico	Φ	V, I, L, F, W, Y, M	NTN, TAY, TGG
Aromatico	Ω	F, W, Y, H	YWY, TTY, TGG [g]
Alifatico (non aromatico)	Ψ	V, I, L, M	VTN, TTR [h]
Piccolo	π	P, G, A, S	BCN, RGY, GGR
Idrofilo	ζ	S, T, H, N, Q, E, D, K, R	VAN, WCN, CGN, AGY [i]
Caricato positivamente	+	K, R, H	ARR, CRY, CGR
Caricato negativamente	−	D, E	GAN

Unk viene talvolta utilizzato al posto di Xaa , ma è meno standard.

Ter o * (dalla terminazione) è usato nella notazione per le mutazioni nelle proteine quando si verifica un codone di stop. Non corrisponde a nessun amminoacido. ^[56]

Inoltre, molti amminoacidi non standard hanno un codice specifico. Ad esempio, diversi farmaci peptidici, come Bortezomib e MG132, sono sintetizzati artificialmente e mantengono i loro gruppi protettivi, che hanno codici specifici. Bortezomib è Pyz-Phe-boroLeu, e MG132 è Z-Leu-Leu-Leu-al. Per aiutare nel analisi della struttura delle proteine, sono disponibili analoghi degli amminoacidi fotoreattivi. Questi includono la fotoleucina ( pLeu ) e la fotometionina ( pMet ). ^[57]

Presenza e funzioni in biochimica

Aminoacidi proteinogenici

Articolo principale: Aminoacidi proteinogenici

Vedi anche: Struttura primaria delle proteine e modificazione post-traduzionale

Gli amminoacidi sono i precursori delle proteine. ^[26] Si uniscono per reazioni di condensazione per formare catene polimeriche corte chiamate peptidi o catene più lunghe chiamate polipeptidi o proteine. Queste catene sono lineari e non ramificate, con ogni residuo di amminoacido all'interno della catena attaccato a due amminoacidi vicini. In natura, il processo di produzione delle proteine codificate dal materiale genetico dell'RNA è chiamato traduzione e comporta l'aggiunta graduale di amminoacidi a una catena proteica in crescita da un ribozima che viene chiamato ribosoma. ^[58] L'ordine in cui gli amminoacidi vengono aggiunti viene letto attraverso il codice genetico da un modello di mRNA, che è un RNA derivato da uno dei geni dell'organismo.

Ventidue amminoacidi sono naturalmente incorporati nei polipeptidi e sono chiamati proteinogenici o amminoacidi naturali. ^[28] Di questi, 20 sono codificati dal codice genetico universale. Le restanti 2, selenocisteina e pirrolisina, sono incorporate nelle proteine da meccanismi sintetici unici. La selenocitina viene incorporata quando l'mRNA da tradurre include un elemento SECIS, che fa sì che il codone UGA codifichi la selenocisteina invece di un codone di stop. ^[59] La pirrolisina è utilizzata da alcuni metanogenicarchei negli enzimi che usano per produrre metano. È codificato con il codone UAG, che normalmente è un codone di stop in altri organismi. ^[60]

Diversi studi evolutivi indipendenti hanno suggerito che Gly, Ala, Asp, Val, Ser, Pro, Glu, Leu, Thr potrebbero appartenere a un gruppo di amminoacidi che costituivano il codice genetico primitivo, mentre Cys, Met, Tyr, Trp, His, Phe potrebbero appartenere a un gruppo di amminoacidi che costituivano aggiunte successive del codice genetico. ^{[61] [62] [63]}

Aminoacidi standard vs non standard

I 20 amminoacidi che sono codificati direttamente dai codoni del codice genetico universale sono chiamati amminoacidi standard o canonici. Una forma modificata di metionina ( N -formilmetionina) è spesso incorporata al posto della metionina come amminoacido iniziale delle proteine nei batteri, nei mitocondri e nei plastidi (compresi i cloroplasti). Altri amminoacidi sono chiamati non standard o non canonici . La maggior parte degli amminoacidi non standard sono anche non proteinogenici (cioè non possono essere incorporati nelle proteine durante la traduzione), ma due di essi sono proteinogenici, in quanto possono essere incorporati traduzionalmente nelle proteine sfruttando informazioni non codificate nel codice genetico universale.

I due amminoacidi proteinogenici non standard sono la selenocisteina (presente in molti non eucarioti e nella maggior parte degli eucarioti, ma non codificata direttamente dal DNA) e la pirrolisina (presente solo in alcuni archei e in almeno un batterio). L'incorporazione di questi amminoacidi non standard è rara. Ad esempio, 25 proteine umane includono la selenocisteina nella loro struttura primaria, ^[64] e gli enzimi strutturalmente caratterizzati (selenoenzimi) impiegano la selenocisteina come porzione catalitica nei loro siti attivi. ^[65] La pirrolisina e la selenocisteina sono codificate tramite codoni varianti. Ad esempio, la selenocisteina è codificata dal codone di stop e dall'elemento SECIS. ^{[66] [67] [68]}

La N-formilmetionina (che è spesso l'amminoacido iniziale delle proteine nei batteri, nei mitocondri e nei cloroplasti) è generalmente considerata come una forma di metionina piuttosto che come un amminoacido proteinogenico separato. Le combinazioni codone-tRNA non presenti in natura possono anche essere utilizzate per "espandere" il codice genetico e formare nuove proteine note come alloproteine che incorporano amminoacidi non proteinogenici. ^{[69] [70] [71]}

Aminoacidi non proteinogenici

Articolo principale: Aminoacidi non proteinogenici

A parte i 22 aminoacidi proteinogenici, sono noti molti aminoacidi non proteinogenici. Questi non si trovano nelle proteine (ad esempio carnitina, GABA, levotiroxina) o non sono prodotti direttamente e in isolamento dai macchinari cellulari standard. Per esempio idrossiprolina, è sintetizzato dalla prolina. Un altro esempio è la selenometionina).

Gli amminoacidi non proteinogenici che si trovano nelle proteine si formano per modificazione post-traduzionale. Tali modifiche possono anche determinare la localizzazione della proteina, ad esempio, l'aggiunta di lunghi gruppi idrofobici può causare il legame di una proteina a una membrana fosfolipidica. ^[72] Esempi:

alcuni amminoacidi non proteinogenici non si trovano nelle proteine. Gli esempi includono l'acido 2-aminoisobutirrico e il neurotrasmettitore acido gamma-aminobutirrico. Gli amminoacidi non proteinogenici si trovano spesso come intermedi nelle vie metaboliche degli amminoacidi standard: ad esempio, l'ornitina e la citrullina si trovano nel ciclo dell'urea, parte del catabolismo degli amminoacidi (vedi sotto). ^[76] Una rara eccezione alla predominanza degli α-aminoacidi in biologia è l'β-aminoacido beta alanina (acido 3-aminopropanoico), che viene utilizzato in piante e microrganismi nella sintesi dell'acido pantotenico (vitamina B ₅ ), un componente del coenzima A. ^[77]

Nella nutrizione

dei mammiferi

Articolo principale: Aminoacidi essenziali

Ulteriori informazioni: Sintesi di proteine (nutrienti) e aminoacidi

Gli aminoacidi non sono componenti tipici del cibo: gli animali mangiano proteine. La proteina viene scomposta in aminoacidi nel processo di digestione. Vengono quindi utilizzati per sintetizzare nuove proteine, altre biomolecole o vengono ossidati in urea e anidride carbonica come fonte di energia. ^[78] La via di ossidazione inizia con la rimozione del gruppo amminico da parte di una transaminasi; Il gruppo amminico viene quindi immesso nel ciclo dell'urea. L'altro prodotto della transammidazione è un chetoacido che entra nel ciclo dell'acido citrico. ^[79] Gli amminoacidi glucogenici possono anche essere convertiti in glucosio, attraverso gluconeogenesi. ^[80]

Dei 20 aminoacidi standard, nove (His, Ile, Leu, Lys, Met, Phe, Thr, Trp e Val) sono chiamati aminoacidi essenziali perché il corpo umano non può sintetizzarli da altri composti al livello necessario per la normale crescita, quindi devono essere ottenuti dal cibo. ^{[81] [82] [83]}

Aminoacidi semi-essenziali e condizionatamente essenziali e fabbisogni giovanili

Inoltre, la cisteina, la tirosina e l'arginina sono considerate aminoacidi semiessenziali e la taurina un acido aminosolfonico semi-essenziale nei bambini. Alcuni aminoacidi sono condizionatamente essenziali per determinate età o condizioni mediche. Gli aminoacidi essenziali possono anche variare da specie a specie. ^[j] Le vie metaboliche che sintetizzano questi monomeri non sono completamente sviluppate. ^{[84] [85]}

Funzioni non proteiche

Per ulteriori informazioni: Neurotrasmettitore aminoacidico

Molti amminoacidi proteinogenici e non proteinogenici hanno funzioni biologiche che vanno oltre ad essere precursori di proteine e peptidi. Nell'uomo, gli amminoacidi hanno anche ruoli importanti in diverse vie biosintetiche. Le difese contro gli erbivori nelle piante a volte impiegano aminoacidi. ^[89] Esempi:

Aminoacidi standard

Ruoli degli amminoacidi non standard

Tuttavia, non tutte le funzioni di altri amminoacidi non standard abbondanti sono note.

Usi nell'industria

Mangimi Gli

amminoacidi vengono talvolta aggiunti ai mangimi perché alcuni dei componenti di questi mangimi, come la soia, hanno bassi livelli di alcuni degli amminoacidi essenziali, specialmente di lisina, metionina, treonina e triptofano. ^[101] Allo stesso modo, gli amminoacidi vengono utilizzati per chelare i cationi metallici al fine di migliorare l'assorbimento dei minerali dagli integratori alimentari. ^[102]

L'industria alimentare è un importante consumatore di aminoacidi, in particolare acido glutammico, che viene utilizzato come esaltatore di sapidità, ^[103] e aspartame (aspartilfenilalanina 1-metilestere), che viene utilizzato come dolcificante artificiale. ^[104] Gli aminoacidi vengono talvolta aggiunti agli alimenti dai produttori per alleviare i sintomi di carenze minerali, come anemia, migliorando l'assorbimento dei minerali e riducendo gli effetti collaterali negativi dell'integrazione di minerali inorganici. ^[105]

Elementi costitutivi chimici

Ulteriori informazioni: Sintesi asimmetrica

Gli amminoacidi sono materie prime a basso costo utilizzate nella sintesi di pool chirali come elementi costitutivi enantiomericamente puri. ^{[106] [107]}

Gli amminoacidi sono utilizzati nella sintesi di alcuni cosmetici. ^[101]

Usi aspirazionali

Fertilizzante

La capacità chelante degli aminoacidi è talvolta utilizzata nei fertilizzanti per facilitare la consegna di minerali alle piante al fine di correggere le carenze minerali, come la clorosi ferrica. Questi fertilizzanti vengono utilizzati anche per prevenire il verificarsi di carenze e per migliorare la salute generale delle piante. ^[108]

Plastiche biodegradabili

Ulteriori informazioni: La plastica biodegradabile e

gli

amminoacidi biopolimerici sono stati considerati come componenti di polimeri biodegradabili, che hanno applicazioni come imballaggi ecologici e in medicina nella somministrazione di farmaci e nella costruzione di impianti protesici. ^[109] Un esempio interessante di tali materiali è il poliaspartato, un Polimero biodegradabile solubile in acqua che può avere applicazioni nei pannolini usa e getta e nell'agricoltura. ^[110] Grazie alla sua solubilità e alla capacità di chelare gli ioni metallici, il poliaspartato viene utilizzato anche come agente anticalcare biodegradabile e inibitore della corrosione. ^Articolo

principale: Sintesi di amminoacidi

Sintesi chimica

La produzione commerciale di amminoacidi di solito si basa su batteri mutanti che producono in eccesso singoli amminoacidi utilizzando il glucosio come fonte di carbonio. Alcuni amminoacidi sono prodotti da conversioni enzimatiche di intermedi sintetici. L'acido 2-amminotiazolina-4-carbossilico è un intermedio in una sintesi industriale di L-cisteina, per esempio. L'acido aspartico è prodotto dall'aggiunta di ammoniaca al fumarato utilizzando una liasi. ^[105]

biosintesi

Nelle piante, l'azoto viene prima assimilato in composti organici sotto forma di glutammato, formato dall'alfa-chetoglutarato e dall'ammoniaca nel mitocondrio. Per altri aminoacidi, le piante usano le transaminasi per spostare il gruppo amminico dal glutammato a un altro alfa-chetoacido. Ad esempio, l'aspartato aminotransferasi converte il glutammato e l'ossalacetato in alfa-chetoglutarato e aspartato. ^[113] Anche altri organismi usano le transaminasi per la sintesi degli aminoacidi.

Gli amminoacidi non standard si formano solitamente attraverso modifiche agli amminoacidi standard. Ad esempio, l'omocisteina si forma attraverso la via di transsolfurazione o dalla demetilazione della metionina attraverso il metabolita intermedio S-adenosilmetionina, ^[114] mentre l'idrossiprolina è prodotta da una modifica post-traduzionale della prolina. ^[115]

I microrganismi e le piante sintetizzano molti aminoacidi non comuni. Ad esempio, alcuni microbi producono acido 2-aminoisobutirrico e lantionina, che è un derivato dell'alanina a ponte solfuro. Entrambi questi amminoacidi si trovano nei lantibiotici peptidici come l'alameticina. ^[116] Tuttavia, nelle piante, l'acido 1-amminociclopropano-1-carbossilico è un piccolo amminoacido ciclico disostituito che è un intermedio nella produzione dell'ormone vegetale etilene. ^[117]

Si presume che la formazione di amminoacidi e peptidi abbia preceduto e forse indotto l'emergere della vita sulla terra. Gli amminoacidi possono formarsi da semplici precursori in varie condizioni. ^[118] Il metabolismo chimico superficiale degli amminoacidi e dei composti molto piccoli può aver portato all'accumulo di amminoacidi, coenzimi e piccole molecole di carbonio a base di fosfato. ^{[119] [ aggiuntivo citazione(i) necessaria(e) ]} Amminoacidi e elementi costitutivi simili potrebbero essere stati elaborati in proto-peptidi