Aminosyrors struktur och klassificering

Aminosyrors biologiska egenskaper bestäms av α-kolatomens stereokemi, amino- och karboxylgruppernas protonering samt sidokedjans storlek, polaritet, laddning och reaktivitet. Samma förening kan därför klassificeras parallellt efter struktur, syra–basegenskaper, genetisk inkorporering, metabolt öde och människans förmåga att täcka behovet genom endogen syntes.

Definition, grundstruktur och nomenklatur

Aminosyror är organiska föreningar som innehåller både en aminofunktion och en karboxylsyrafunktion. I de α-aminosyror som bygger upp ribosomalt syntetiserade proteiner är båda funktionerna bundna till samma kolatom, α-kolet, Cα. Den generella strukturformeln skrivs ofta H₂N–CH(R)–COOH, där R betecknar sidokedjan. Atomerna i den gemensamma delen bildar aminosyrans huvudkedja, medan R-gruppen ger varje aminosyra dess specifika steriska, kemiska och fysikaliska egenskaper.

Cα är tetraedriskt och bundet till aminogruppen, karboxylgruppen, en väteatom och sidokedjan. Kolatomer längre ut i sidokedjan benämns successivt β, γ, δ och så vidare räknat från Cα. I systematisk nomenklatur betraktas karboxylkolet som kol 1; alanin, CH₃–CH(NH₂)–COOH, benämns därför 2-aminopropansyra.

Den elektriskt neutrala formeln H₂N–CH(R)–COOH är huvudsakligen en nomenklatur- och ritkonvention. I vatten nära fysiologiskt pH föreligger fria aminosyror i stället främst som dipolära joner, ⁺H₃N–CH(R)–COO⁻. Att nettoladdningen kan vara noll innebär alltså inte att molekylen saknar laddade grupper. Jonformen påverkar bland annat löslighet, elektroforetisk migration, kristallstruktur och reaktivitet.

Klassificering efter aminogruppens position

Aminosyror kan klassificeras efter vilken kolatom som bär aminogruppen i förhållande till karboxylkolet. I en α-aminosyra sitter aminogruppen på den närmast angränsande kolatomen, Cα. I en β-aminosyra sitter den på nästa kolatom, Cβ, och i en γ-aminosyra på Cγ. Motsvarande beteckningar kan fortsätta till δ-, ε- och högre aminosyror.

De aminosyror som normalt inkorporeras av ribosomen är α-aminosyror. Kedjegeometrin hos α-aminosyror ger en regelbundet upprepad ryggrad av typen –N–Cα–C(=O)– och möjliggör proteiners karakteristiska sekundärstrukturer. β- och γ-aminosyror har ett eller flera extra kol mellan amino- och karboxylfunktionen och ger därför andra konformationer och polymerisationsegenskaper.

β-Alanin, 3-aminopropansyra, ingår i pantotensyra, vitamin B₅, och därmed indirekt i koenzym A. Det ingår även tillsammans med histidin i dipeptiden karnosin, som bidrar till intracellulär buffring i skelettmuskel. γ-Aminosmörsyra, GABA, bildas genom dekarboxylering av glutamat och är en central inhibitorisk neurotransmittor.

Taurin sammanförs ibland funktionellt med aminosyror, men är kemiskt 2-aminoetansulfonsyra och saknar karboxylgrupp. Det är därför en aminosulfonsyra snarare än en egentlig aminokarboxylsyra. Taurin fungerar bland annat som organisk osmoly t och konjugeras med gallsyror.

Stereokemi: L/D, R/S och biologisk homokiralitet

Hos alla kanoniska aminosyror utom glycin är Cα bundet till fyra olika substituenter och utgör därmed ett stereogent centrum. Två icke överlagringsbara spegelbilder, enantiomerer, är möjliga. Ribosomalt syntetiserade proteiner är nästan uteslutande uppbyggda av L-aminosyror, vilket innebär biologisk homokiralitet och är avgörande för reproducerbar proteinveckning och enzymers stereospecificitet.

L/D-systemet definieras genom Fischerprojektion och relationen till glyceraldehyd, inte genom optisk rotationsriktning. När en α-aminosyra ritas med karboxylgruppen överst, sidokedjan underst och de horisontella bindningarna riktade mot betraktaren ligger aminogruppen till vänster i L-formen och till höger i D-formen. Prefixen L och D anger således relativ konfiguration; de anger inte om ämnet vrider planpolariserat ljus åt vänster eller höger.

Absolut konfiguration anges enligt Cahn–Ingold–Prelogs R/S-system, där substituenter prioriteras efter atomnummer och därefter efter nästa bundna atomer. De flesta L-aminosyror har S-konfiguration vid Cα. L-cystein är ett undantag och har R-konfiguration, eftersom svavelatomen i sidokedjan ger denna högre prioritet än karboxylgruppen vid jämförelsen enligt CIP-reglerna. Glycin är akiralt eftersom R = H och Cα därmed bär två identiska väteatomer.

Isoleucin och treonin har dessutom ett andra stereogent centrum i sidokedjan. Den proteinogena formen av treonin är L-treonin med konfigurationen (2S,3R), medan proteinogent L-isoleucin är (2S,3S). Diastereomerer, exempelvis allotreonin, får andra biologiska egenskaper trots oförändrad summaformel.

D-aminosyror är ovanliga men biologiskt betydelsefulla. D-alanin och D-glutamat ingår i bakteriers peptidoglykan och minskar känsligheten för många proteaser som är selektiva för L-substrat. D-serin förekommer i däggdjurens nervsystem och fungerar som koagonist vid NMDA-receptorns glycinställe. D-rester kan också bildas genom enzymatisk eller spontan racemisering efter proteinsyntesen.

Syra–basjämvikter och zwitterjoner

En fri α-aminosyra utan joniserbar sidokedja har två centrala protonjämvikter. Vid lågt pH dominerar den fullt protonerade katjonen, ⁺H₃N–CH(R)–COOH, med nettoladdning +1. När karboxylgruppen avger en proton bildas zwitterjonen ⁺H₃N–CH(R)–COO⁻, med nettoladdning 0. Vid ytterligare pH-stegring deprotoneras ammoniumgruppen och anjonen H₂N–CH(R)–COO⁻, med nettoladdning −1, blir dominerande.

Typiska pK_a-värden är cirka 2,0–2,4 för α-COOH och 9,0–10,0 för α-NH₃⁺. Mellan dessa pK_a-värden dominerar zwitterjonen. Vid fysiologiskt pH är α-karboxylgruppen därför praktiskt taget deprotonerad och α-aminogruppen huvudsakligen protonerad. Aminosyror med joniserbara sidokedjor kan ändå ha positiv eller negativ total nettoladdning.

För en protolysjämvikt gäller Henderson–Hasselbalchrelationen:

[ \mathrm{pH=p}K_a+\log\frac{[\text{deprotonerad form}]}{[\text{protonerad form}]} ]

När pH = pK_a finns lika stora mängder av de båda formerna. En pH-enhet över pK_a är kvoten deprotonerad/protonerad cirka 10:1, och en pH-enhet under pK_a cirka 1:10. För en sidokedja med pK_a 6,0 är den deprotonerade formen således starkt överrepresenterad vid pH 7,4, medan en lysinsidokedja med pK_a omkring 10,5 huvudsakligen är protonerad.

I ett protein är tabellvärden för fria aminosyror endast utgångspunkter. Ett hydrofobt mikromiljö med lågt effektivt dielektricitetsvärde missgynnar laddningsseparation. Närliggande laddningar, vätebindningar, metalljoner och begränsad lösningsmedelsexponering kan stabilisera antingen den protonerade eller deprotonerade formen och förskjuta pK_a med flera enheter. Sådana förskjutningar är centrala i enzymkatalys, där exempelvis Asp, Glu, His, Lys eller Cys måste växla protonering under reaktionscykeln.

Isoelektrisk punkt, buffring och löslighet

Den isoelektriska punkten, pI, är det pH där en population av molekyler har medelladdningen noll. pI beräknas som medelvärdet av de två pK_a-värden som omger den art vars nettoladdning är noll. Det är inte alltid α-karboxylens och α-ammoniumgruppens pK_a; hos sura och basiska aminosyror måste sidokedjans protolys tas med.

Buffertkapaciteten är störst nära respektive pK_a, där både protonerad och deprotonerad form finns i betydande mängd. En aminosyra med flera joniserbara grupper får flera buffertområden. Vid pH nära pI är nettoladdningen liten, men molekylen är fortfarande oftast en zwitterjon med separata positiva och negativa laddningar.

Vid pI är den elektroforetiska mobiliteten minimal eftersom elektriska krafter på positiva och negativa arter i genomsnitt tar ut varandra. Lösligheten är ofta lägst nära pI: minskad nettoladdning reducerar elektrostatisk repulsion mellan molekyler och kan gynna kristallisation eller aggregation. Detta utnyttjas vid isoelektrisk fällning av proteiner, men sambandet är inte absolut eftersom lösligheten även beror på sidokedjor, salter och temperatur.

Uppmätta pK_a- och pI-värden påverkas av temperatur, jonstyrka och lösningsmedel. För proteinbundna rester saknas dessutom fria α-amino- och α-karboxylgrupper utom vid kedjans terminaler. Det är därför fel att beräkna ett proteins laddning genom att okritiskt använda pK_a för fria aminosyror utan hänsyn till terminaler och lokal proteinmiljö.

De 20 kanoniska aminosyrorna och deras beteckningar

De 20 kanoniska aminosyrorna är de monomerer som direkt motsvaras av kodon i den universella genetiska koden. Trebokstavskoder används i strukturell och biokemisk nomenklatur, medan enbokstavskoder framför allt används för längre sekvenser.

Selenocystein och pyrrolysin är proteinogena men inte kanoniska i denna snäva betydelse. De infogas genom specialiserad omtolkning av kodon som annars fungerar som stoppkodon. Posttranslationellt bildade rester, exempelvis hydroxyprolin och γ-karboxyglutamat, finns i proteiner men motsvaras inte av egna standardkodon.

Xaa eller X betecknar en okänd eller ospecificerad aminosyrarest. Ett stoppkodon representerar däremot ingen aminosyra. Symbolerna Ter eller * anger translationsterminering och ska inte räknas som en rest i polypeptiden.

Sidokedjor: opolära och hydrofoba aminosyror

Till den opolära gruppen räknas vanligen alanin, valin, leucin, isoleucin, metionin och prolin samt de aromatiska aminosyrorna fenylalanin och tryptofan. Glycin placeras ibland här men är ett särfall: det saknar en egentlig kolhaltig sidokedja, och dess egenskaper domineras i hög grad av huvudkedjan.

Valin, leucin och isoleucin är förgrenade aminosyror, BCAA. Valin och isoleucin är β-förgrenade, vilket begränsar steriskt tillgängliga ryggradskonformationer. Metionins svavel ingår i en oladdad tioeter och gör inte sidokedjan lika polär som cysteins tiol. Prolins alifatiska sidokedja sluter en ring till huvudkedjans kväve och påverkar därför proteinets geometri mer än dess hydrofobicitet ensam antyder.

Fenylalanin har en hydrofob fenylring. Tryptofans indol innehåller ett kväve som kan donera en vätebindning, men den stora aromatiska ytan gör aminosyran övergripande hydrofob och ofta amfipatisk. Aromatiska sidokedjor kan delta i π–π-interaktioner och katjon–π-interaktioner.

På Kyte–Doolittles hydropatiskala sträcker sig värdena från isoleucin +4,5 till arginin −4,5. Valin har +4,2, leucin +3,8 och fenylalanin +2,8. Positiva värden talar på denna skala för hydrofobicitet. Sammanhängande hydrofoba sekvenser används därför för att identifiera möjliga transmembrana α-helixar.

Hydrofoba sidokedjor drivs samman i vatten eftersom deras begravning frigör ordnade vattenmolekyler från opolära ytor. Denna hydrofoba effekt är en huvudkraft bakom proteiners kollaps till kompakta strukturer. Klassgränser varierar dock mellan hydrophobicitetsskalor eftersom de bygger på olika referenssystem, exempelvis lösningsmedelsöverföring, membranpartitionering eller hur ofta en rest är begravd i kända proteinstrukturer.

Sidokedjor: polära oladdade, sura och basiska aminosyror

Serin och treonin bär hydroxylgrupper och fungerar som både vätebindningsdonatorer och -acceptorer. Asparagin och glutamin har karboxamidgrupper som är polära men normalt inte joniseras vid fysiologiskt pH. Cysteins tiol är svagt sur och starkt nukleofil i deprotonerad form. Tyrosins fenol gör sidokedjan både aromatisk och polär.

Aspartat och glutamat har en extra karboxylgrupp som huvudsakligen föreligger som karboxylat vid pH 7,4. De bidrar därför vanligen med laddningen −1 per sidokedja. Lysin har en protonerbar ε-aminogrupp, arginin en resonansstabiliserad guanidiniumgrupp och histidin en imidazolring vars pK_a ligger nära fysiologiskt pH.

För histidin ger Henderson–Hasselbalchrelationen vid pH 7,4 och pK_a 6,0 en protonerad/deprotonerad kvot på ungefär 1:25. Endast en mindre andel av fria histidinsidokedjor är alltså protonerade, men andelen kan bli betydligt större i proteiners mikromiljö. Kombinationen av en neutral basform och en protonerad syraform gör histidin särskilt lämpat för protonöverföring i enzymers aktiva centrum.

Läkemedel kan direkt utnyttja dessa sidokedjor. Elektrofila hämmare kan bilda kovalenta bindningar med katalytiska cysteiner eller seriner, medan sura och basiska grupper i läkemedlet kan bilda saltbryggor med Lys, Arg, Asp eller Glu. Protonpumpshämmare aktiveras exempelvis i sur miljö och reagerar med cysteinrester i H⁺/K⁺-ATPas.

Strukturella särfall och reaktiva sidokedjor

Glycinets sidokedja är en väteatom. Frånvaron av en större R-grupp ger stor konformationsfrihet och gör glycin vanligt i täta svängar och andra positioner där steriskt utrymme är begränsat. Samma flexibilitet kan destabilisera regelbundna α-helixar, eftersom den ökar den oveckade kedjans konformationsentropi.

Prolins sidokedja är kovalent bunden till huvudkedjans kväve. Den cykliska sekundära aminstrukturen begränsar rotationen kring N–Cα-bindningen, och en prolinrest saknar det amidväte som normalt kan donera en vätebindning i proteinryggraden. Prolin bryter därför ofta α-helixar men kan stabilisera svängar. Cis-konfigurationen kring peptidbindningen före prolin är vanligare än för andra aminosyror, och prolylisomeraser kan accelerera cis–trans-isomerisering.

Två cysteinrester kan oxideras till cystin, varvid en disulfidbindning bildas. Intramolekylära och intermolekylära disulfider stabiliserar särskilt extracellulära och sekretoriska proteiner, där miljön är mer oxiderande än i cytosolen. Reducerande läkemedel och laboratoriereagens kan bryta disulfidbindningar, medan cysteinoxidering även kan fungera som reversibel redoxsignalering.

Metionin kan oxideras till metioninsulfoxid och vidare oxidationsprodukter; metioninsulfoxidreduktaser kan reversera vissa sådana förändringar. Fosforylering av Ser, Thr och Tyr tillför en stor, negativt laddad fosfatgrupp och kan ändra konformation, interaktionsytor och enzymaktivitet. Kinaser och fosfataser är därför centrala läkemedelsmål, bland annat inom onkologi.

Lysinacetylering neutraliserar ε-aminogruppens positiva laddning och förändrar exempelvis histoners bindning till DNA. Vitamin K-beroende γ-karboxylering av glutamat skapar γ-karboxyglutamat med hög affinitet för Ca²⁺ i koagulationsfaktorer; warfarin hämmar återbildningen av reducerat vitamin K och minskar denna modifiering. Hydroxylering av prolin stabiliserar kollagens trippelhelix och kräver bland annat askorbat; brist ger defekt bindväv vid skörbjugg.

Proteinogena, icke-kanoniska och icke-proteinogena aminosyror

Proteinogen betyder att en aminosyra kan inkorporeras i ett protein under translation. Kanonisk avser vanligen de 20 aminosyror som direkt specificeras av den universella genetiska kodens vanliga aminosyrakodon. En icke-kanonisk aminosyra ligger utanför denna uppsättning. Icke-proteinogen innebär att ämnet inte normalt infogas ribosomalt, även om det kan förekomma fritt, i metabolismen eller som modifierad rest i ett färdigt protein.

Selenocystein, Sec eller U, liknar cystein men har selenol i stället för tiol. Det infogas när UGA omtolkas i närvaro av specialiserat tRNA, translationsfaktorer och ett SECIS-element i mRNA. Selenoproteiner innefattar redoxenzymer där selenocysteins höga nukleofilicitet är funktionellt viktig. Pyrrolysin, Pyl eller O, kan infogas vid UAG i vissa arkéer och bakterier med hjälp av ett särskilt tRNA och aminoacyl-tRNA-syntetas.

Ornitin och citrullin är intermediärer i ureacykeln men ingår inte bland de 20 kanoniska aminosyrorna. β-Alanin förekommer i pantotenat och karnosin, medan GABA är en γ-aminosyra och neurotransmittor. Homocystein är en svavelhaltig intermediär i metioninmetabolismen; förhöjt plasmahomocystein kan bland annat ses vid folat- eller vitamin B₁₂-brist och vid vissa genetiska enzymdefekter.

Hydroxyprolin bildas genom posttranslationell hydroxylering av prolin i kollagen. γ-Karboxyglutamat bildas på motsvarande sätt från redan proteinbundet glutamat. Att en rest påvisas i ett protein innebär därför inte att den haft ett eget kodon eller laddats direkt på tRNA.

Näringsmässig klassificering hos människa

En aminosyra är essentiell när människans endogena syntes inte kan täcka behovet. Begreppet innebär inte nödvändigtvis total avsaknad av syntes; synteshastigheten kan vara otillräcklig eller beroende av en essentiell prekursor.

De nio essentiella aminosyrorna hos människa är:

• histidin
• isoleucin
• leucin
• lysin
• metionin
• fenylalanin
• treonin
• tryptofan
• valin

Villkorligt essentiella aminosyror kan behöva tillföras i ökad utsträckning vid prematuritet, snabb tillväxt, trauma, sepsis eller annan uttalad katabolism. Hit räknas beroende på kliniskt sammanhang bland annat arginin, cystein, glutamin, glycin och tyrosin. Definitionerna varierar något mellan åldersgrupper och nutritionsrekommendationer.

Metionin är prekursor för cystein genom transsulfureringsvägen. Cystein kan därför spara metionin, medan brist på metionin begränsar cysteinsyntesen. Tyrosin bildas från fenylalanin via fenylalaninhydroxylas. Vid fenylketonuri är denna omvandling nedsatt, vilket gör tyrosin funktionellt essentiellt samtidigt som fenylalanin måste begränsas. Bedömning av proteinets kvalitet måste därför ta hänsyn till både totalmängd och profil av essentiella aminosyror.

Metabol klassificering: glukogena och ketogena aminosyror

Vid katabolism överförs aminokvävet ofta till α-ketoglutarat genom transaminering, med glutamat som produkt. Alaninaminotransferas och aspartataminotransferas är kliniskt relevanta exempel. Kvävet kan därefter frigöras som ammonium och föras till ureacykeln, medan den återstående kolstommen går in i energimetabolismen.

Glukogena aminosyror ger pyruvat eller intermediärer i citronsyracykeln, exempelvis α-ketoglutarat, succinyl-CoA, fumarat eller oxaloacetat. Dessa kan bidra till glukoneogenes. Ketogena aminosyror ger acetyl-CoA eller acetoacetat, vilka kan användas för ketonkropps- och fettsyrasyntes.

Acetyl-CoA ger inte nettosyntes av glukos hos människa. Dess två kol går in i citronsyracykeln genom kondensation med oxaloacetat men förloras som koldioxid under cykelns oxidativa steg. Människan saknar glyoxylatcykel, som hos vissa andra organismer möjliggör nettokonservering av acetylkol till glukoneogena intermediärer.

Sidokedjans betydelse i peptider och proteiner

En peptidbindning bildas genom kondensation mellan en aminogrupp och en karboxylgrupp, formellt med avgång av vatten. I cellen sker reaktionen inte mellan oaktiverade fria aminosyror: aminoacyl-tRNA-syntetaser aktiverar först aminosyran ATP-beroende och kopplar den till tRNA, varefter ribosomen katalyserar peptidöverföringen.

Peptidbindningen är en amidbindning med resonans mellan karbonylgruppen och kvävets elektronpar. Den får partiell dubbelbindningskaraktär och är därför plan och relativt rotationshämmad. Ryggradens huvudsakliga konformationsfrihet finns kring bindningarna N–Cα och Cα–C(=O), beskrivna av torsionsvinklarna φ respektive ψ.

Efter inkorporering benämns monomeren en aminosyrarest. Dess α-amino- och α-karboxylgrupper ingår då i peptidbindningar och har inte längre fria aminosyrors syra–basegenskaper. Endast N-terminalen och C-terminalen behåller terminala joniserbara grupper, bortsett från eventuell kemisk blockering.

Hydrofob effekt driver opolära rester in mot lösliga proteiners kärna och exponerar dem på membranproteiners lipidvända ytor. Polära grupper bildar vätebindningar, laddade rester bildar saltbryggor och Asp, Glu, His och Cys kan koordinera metalljoner. Cystein kan skapa disulfidbindningar, medan aromatiska rester medverkar i π–π- och katjon–π-interaktioner. Samma krafter styr veckning, membranlokalisering, katalys, ligandbindning och protein–protein-interaktioner.

En proteinrests laddning kan inte säkert härledas från den fria aminosyrans pK_a. En begravd aspartatrest kan exempelvis vara protonerad, och en katalytisk lysinrest kan få sänkt pK_a så att en reaktiv neutral amin bildas. Strukturell miljö och kopplade protoneringsjämvikter måste därför beaktas vid tolkning av enzymmekanismer och läkemedelsbindning.

Analytisk klassificering och vanliga felkällor

Jonbyteskromatografi separerar aminosyror efter nettoladdning vid valt pH. Katjonbytare binder positivt laddade arter och anjonbytare negativa. Elektrofores utnyttjar samma princip: under pI migrerar en aminosyra i genomsnitt som katjon, över pI som anjon och vid pI har den minimal nettomigration. Isoelektrisk fokusering används framför allt för peptider och proteiner.

Omvändfaskromatografi separerar främst efter hydrofoba interaktioner med en opolär stationär fas; hydrofoba aminosyror eller derivat hålls kvar längre. Kirala stationära faser eller derivatisering med kirala reagens kan skilja L- och D-enantiomerer. Vanlig masspektrometri skiljer inte automatiskt enantiomerer eftersom de har samma massa, men ger molekylmassa, fragmenteringsmönster och information om posttranslationella modifieringar.

Ninhydrin reagerar med primära α-aminogrupper och ger vanligen den violetta produkten Ruhemanns purpur. Prolin har en sekundär aminstruktur och ger i stället en gulaktig produkt med annat absorptionsmaximum. Kvantifiering måste därför kalibreras med hänsyn till provets aminosyrasammansättning.

Provberedning kan förändra analyterna. Asparagin och glutamin kan deamideras till aspartat respektive glutamat, medan metionin och cystein oxideras. Hårda pH- och temperaturbetingelser kan ge racemisering. Vid klassisk sur proteinhydrolys förstörs tryptofan i stor utsträckning, och Asn respektive Gln kan inte längre skiljas säkert från sina deamideringsprodukter utan alternativa metoder.

En vanlig tolkningsmiss är att likställa den ritade neutrala strukturformeln med den verkliga protoneringsformen i vatten. En annan är att kalla en zwitterjon ”oladdad”: nettoladdningen kan vara noll trots att molekylen bär två eller flera formella laddningar. Även pH, jonstyrka, temperatur, oxidationstillstånd och om analyten är en fri aminosyra eller proteinbunden rest måste anges för att laddning och reaktivitet ska kunna bedömas korrekt.

Källor

• Amino acid
• Aminosyror
• Amino acid
• Bild: File:L-amino acid structure.svg — Smokefoot, Public domain
• Bild: File:ProteinogenicAminoAcids.svg — TungstenEinsteinium, CC BY-SA 4.0
• Bild: File:Amino acid catabolism revised.svg — Mikael Häggström, CC0