Aminohapped

Aminohapped ehk aminokarboksüülhapped on bioloogilise tähtsusega orgaanilised ühendid, mis sisaldavad funktsionaalsete rühmadena amino- (-NH₂) ja karboksüülrühma (-COOH) ning aminohappespetsiifilist kõrvalahelat.
Aminohappeid on võimalik mitmeti klassifitseerida. Struktuuri alusel jaotatakse aminohapped funktsionaalrühmade asukoha järgi alfa (α-), beeta- (β-), gamma- (γ-) ja delta- (δ-) aminohapeteks; veel on võimalik jaotada polaarsuse, pH ja kõrvalahela tüübi alusel (alifaatne, tsükliline, väävlit või hüdroksüülrühma sisaldav jne). Olles vee järel teisel kohal, moodustavad aminohapped (valkude koosseisus) keskmiselt 17% inimkeha massist.
Biokeemiliselt erilise tähtsusega on aminohapped, kus nii amino- kui ka karboksüülrühm on seotud esimese (alfa-) süsinikuga. Neid nimetatakse alfaaminohapeteks (α-aminohapeteks) üldvalemiga H2NCHRCOOH (v.a proliin), kus R tähistab orgaanilist asendajat – kõrvalahelat; tavaliselt käsitletakse "aminohapetena" just selliseid. Nende hulgas on 23 valkudes esinevat aminohapet, mis moodustavad peptiidahelaid (polüpeptiide) – need ongi valkude (proteiinide) ehituskivideks. Kõik sellised aminohapped on L-stereoisomeerid (-enantiomeerid), kuigi näiteks bakterite rakukestades esineb D-stereoisomeere. 23 aminohappest 20 on "standardsed" ja need on kodeeritud geneetilise koodi alusel otse koodontriplettide poolt. Ülejäänud 3 ("mittestandardsed") on pürrolüsiin (esineb metanogeensetes organismides ja teistes prokarüootides), selenotsüsteiin (esineb nii paljudes pro- kui ka enamikus eukarüootides) ja N-formüülmetioniin. Näiteks sisaldavad 25 inimese valku oma primaarstruktuuris selenotsüsteiini (Sec) ning sellised struktuurselt karakteriseeritud ensüümid (selenoensüümid) kasutavad selenotsüsteiini katalüütilise funktsionaalrühmana reaktsioonitsentrites.
Mitmetel tähtsatel proteinogeensetel (valke moodustavatel) ja mitteproteinogeensetel aminohapetel on organismis ka valkudega mitte seotud rolle. Näiteks glutamiinhape ja gammaaminovõihape ehk GAVH (ka GABA (ingl. k. Gamma-AminoButyric Acid)) on inimese ajus vastavalt põhilised eksitatoorsed ja inhibitoorsed virgatsained; hüdroksüproliin (üks kollageeni põhikomponentidest) sünteesitakse proliinist; glütsiini kasutatakse porfüriinide sünteesis, mida kasutavad vere punalibled; ja karnitiin on kasutusel lipiidide transpordis.
20 "standardsest" aminohappest 9 on inimesele "asendamatud", mis tähendab, et neid ei saa inimkeha muudest ainetest endale ise sünteesida ja neid peab omandama toidust. Osad neist võivad olla teatud tingimustel (vanus, haiguslik seisund) asendamatud. Asendamatud aminohapped võivad liikide vahel erineda.

Üldine struktuur

Lehe alguses näidatud struktuuris tähistab R igale aminohappele spetsiifilist kõrvalahelat. Karboksüülrühmast järgmist süsinikku nimetatakse alfasüsinikuks ning aminohappeid, mille kõrvalahel kinnitub alfasüsinikult, nimetatakse alfaaminohapeteks (α-aminohapped). Looduses ongi levinuimad just sellised aminohapped. Alfaaminohapetes on α-süsinik kiraalne (v.a glütsiin). Aminohapetes, kus süsinikahel kinnitub α-süsinikule (näiteks lüsiin) tähistatakse süsinikud ahelas α, β, γ, δ jne. Osadel aminohapetel kinnitub aminorühm näiteks β- või γ-süsinikule ja seetõttu nimetatakse neid vastavalt beeta- või gammaaminohapeteks.
Hargnenud ahelaga aminohappetel (ingl. k branched-chain amino acids – BCAA) on alifaatne mittelineaarne kõrvalahel. Nendeks on leutsiin, isoleutsiin ja valiin. Proliin on ainus proteinogeenne aminohape, mille kõrvalrühm seostub α-aminorühmale ja on seega ainus proteinogeenne aminohape, mis omab selles positsioonis sekundaarset aminorühma. Keemiliselt on proliin seega iminohape kuigi biokeemilises nomenklatuuris on ta siiski aminohape.

Isomeerid

Standardsetest aminohapetest võivad kõik peale glütsiini esineda ühena kahest enantiomeerist – L- või D- vormist, mis on teineteise peegelpildid (vaata isomeerid). Kuigi ribosoomides esinevad translatsioonil kõik aminohapped L-vormis, leidub D-aminohappeid mõnedes valkudes, mis pärast translokatsiooni endoplasmaatilisse retiikulumi läbivad ensüümide poolt posttranslatsioonilise modifikatsiooni (näiteks mõnda liiki eksootilises mereteos). Samuti on D-aminohappeid küllaldaselt bakterite peptidoglükaankihis ja D-seriin käitub neurotransmitterina ajus.

Tsvitterioonid

Aminohapetes esinevad amino- ja karboksüülrühmad annavad aminohapetele amfoteersed omadused. Karboksüülrühm (−COOH) saab deprotoneeruda ja muutuda negatiivse laenguga karboksülaadiks (−COO⁻) ning alfaaminorühm (NH₂−) saab protoneeruda ja muutuda positiivselt laetud alfaammooniumrühmaks (⁺NH₃−). pH väärtuste korral, mis on kõrgemad kui karboksüülrühma pKa (umbes 2,2 enamiku standardsete aminohapete puhul), domineerib negatiivne karboksülaatioon. pH väärtuste korral, mis on madalamad kui alfaaminorühma pKa (umbes 9,4 enamiku standardsete aminohapete puhul), domineerib protoneeritud lämmastik ja positiivselt laetud alfaammooniumrühm. Seega on pH 2,2–9,4 juures olukord, kus aminohappes esineb korraga positiivselt laetud ammoonium- ja negatiivselt laetud karboksülaatrühm ja molekuli summaarne laeng on 0. Sellist molekulaarset olekut nimetatakse hübriid- ehk tsvitteriooniks.

Standardaminohapped

Aminohapped on kõikide valkude struktuurseteks ühikuteks (monomeerideks). Aminohapped ühinevad omavahel lühemateks ja pikemateks lineaarseteks hargnemata ahelateks. Sellist protsessi nimetatakse translatsiooniks ja selle käigus lülitavad ribosoomid üksteise järel kasvavasse polüpeptiidahelasse aminohappeid. Aminohapete järjekorra ahelas määrab mRNA molekul, millelt geneetilise koodi alusel loetakse vastav aminohappeline järjestus. 25 aminohapet kuuluvad valkude koosseisu – on proteinogeensed. Nendest 20 on kodeeritud universaalse geneetilise koodi poolt. Ülejäänud 2 – selenotsüsteiin ja pürrolüsiin – lülitatakse valkudesse unikaalsete sünteetiliste mehhanismide poolt. Selenotsüsteiin lülitub polüpeptiidahelasse kui transleeritavas mRNAs sisaldub SECIS element (ingl. k. selenocysteine insertion sequence, SECIS), mis paneb UGA koodoni kodeerima selenotsüsteiini, mitte käituma kui stoppkoodon. Pürrolüsiini kasutavad mõned metanogeensed arhed metaani tootmiseks vajalikes ensüümides. Pürrolüsiin on kodeeritud UAG koodoni poolt, mis on tavaliselt stoppkoodon. Sellisele UGA koodonile järgneb PYLIS downstream järjestus (ingl. k pyrrolysine insertion sequence, PYLIS).

Mittestandardsed aminohapped

Lisaks 22 standardaminohappele on palju mitteproteinogeenseid aminohappeid. Neid kas ei sisaldu valkudes (nt karnitiin, GABA) või ei toodeta neid klassikalise rakusisese masinavärgi abil (nt hüdroksüproliin ja selenometioniin).
Mittestandardsed aminohapped, mida leidub ka valkudes, viiakse sinna posttranslatsioonilise modifikatsiooni käigus. Sellised modifikatsioonid on sageli hädavajalikud valgu korrektseks funktsioneerimiseks või regulatsiooniks ja määravad sageli ära ka valgu paiknemise rakus. Näiteks pikkade hüdrofoobsete ahelate lisamine valgule põhjustab selle valgu seostumise fosfolipiidsele membraanile.
Mittestandardsed aminohapped, mis ei esine valkudes, on näiteks lantioniin, 2-aminoisovõihape, dehüdroalaniin ja virgatsaine gammaaminovõihape. Mittestandardsed aminohapped esinevad sageli standardaminohapete metaboolsetes radades vaheühenditena – näiteks ornitiin ja tsitrulliin esinevad uurea tsüklis, ühes osas aminohapete katabolismist. Harv erand alfaaminohapete domineerimises on beetaaminohape beetaalaniin, mida taimed ja mikroorganismid kasutavad pantoteenhappe (B₅-vitamiin), koensüüm A komponendi sünteesis.

Reaktsioonid

Kuna aminohapetel on nii primaarne aminorühm kui ka primaarne karboksüülrühm, saavad nad läbida enamiku nende rühmadega seotud reaktsioone, mille hulka kuuluvad nukleofiilne liitumine, amiidsete sidemete tekkimine ja karboksüülrühma dekarboksüleerimine. Aminohapete erinevad kõrvalahelad saavad samuti osa võtta paljudest reaktsioonidest sõltuvalt kõrvalahelate iseloomust.

Keemiline süntees

Aminohapete sünteesiks on mitu võimalust. Üks vanimatest on Hell-Volhard-Zelinsky halogeenimine, mis hõlmab aminohappe alfasüsiniku bromineerimist ja seejärel muudab nukleofiilne asendusreaktsioon ammoniaagiga alküülbromiidi aminohappeks. Alternatiivne võimalus on Streckeri aminohappesüntees, mis kujutab endast aldehüüdi töötlemist kaaliumtsüaniidi ja ammoniaagiga. Sellises protsessis saadakse vaheühendina alfaaminonitriil. Nitriili hüdrolüüs annab saagiks aminohappe.
Praegusel ajal on kõige laialdasemalt kasutusel automaatne süntees tahketel kandjatel (polüstüroolkuulid) kasutades kaitserühmi (Fmoc, t-Boc) ja aktiveerivaid rühmi (DCC, DIC).

Peptiidsidemete tekkimine

Nii amino- kui ka karboksüülrühm aminohappes on võimelised amiidsete sidemete tekitamiseks ja tänu sellele saavad erinevad aminohapped omavahel reageerida moodustamaks dipeptiidi. Selline polümerisatsioon ongi valkude moodustumise aluseks ja kondensatsiooni tulemuseks on peptiidsideme moodustumine ja ühe molekuli vee eraldumine. Rakkudes ei toimu see reaktsioon otse, vaid on vahendatud tRNA poolt estersideme kaudu. Aminohappega seostunud tRNA moodustub ATP-sõltuvas reaktsioonis, mida viib läbi aminoatsüül-tRNA süntetaas. Aminoatsüül-tRNA on substraadiks ribosoomile, mis katalüüsib aminorühma liitumist eelmise aminohappe karboksüülrühmale. Selle mehhanismi tulemusena sünteesitakse kõik valgud algusega N-terminuses ja lõpuga C-terminuses.
Päris kõik peptiidsidemed ei moodustu selle mehhanismi järgi. Mõnel juhul sünteesivad peptiide spetsiifilised ensüümid. Näiteks tripeptiid glutatioon on hädavajalik element raku vastupanuvõimel oksüdatiivsele stressile. Glutatioon sünteesitakse kahes etapis vabadest aminohapetest. Esimeses etapis kondenseerib gammaglutamüültsüsteiini süntetaas tsüsteiini ja glutamaadi moodustades peptiidsideme glutamaadi kõrvalahela karboksüülrühma ja tsüsteiini aminorühma vahel. Teises etapis kondenseerib glutatiooni süntetaas tekkinud dipeptiidi glütsiiniga moodustades glutatiooni.

Biosüntees

Taimedes assimileeritakse lämmastik orgaanilistesse ühenditesse glutamaadina, mis moodustub mitokondrites alfaketoglutaraadist ja ammoniaagist. Aminohapete saamiseks võtab taim kasutusele transaminaasid, mis liigutavad aminorühma teisele alfaketokarboksüülhappele. Näiteks aspartaadi aminotranferaas teeb glutamaadist ja oksaalatsetaadist alfaketoglutaraadi ja aspartaadi. Ka teised organismid kasutavad aminohapete sünteesiks transaminaase.
Mittestandardsed aminohapped sünteesitakse tavaliselt standardaminohapete modifikatsioonil. Näiteks homotsüsteiin moodustub transsulfuratsiooni rajas või metioniini demetüleerimisel vaheühendi S-adenosüül metioniin kaudu. Hüdroksüproliin valmib proliini posttranslatsioonilisel modifikatsioonil.
Mikroorganismid ja taimed sünteesivad mitmeid ebatavalisi aminohappeid. Mõningad mikroobid sünteesivad näiteks 2-aminoisovõihapet ja lantioniini, mis on sulfiidsillaga derivaat alaniinist. Mõlemaid on leitud peptiidsete lantibiootikumide koosseisus.

Katabolism

Aminohapete degradatsioon hõlmab sageli deamineerimist, mille käigus liigutatakse aminorühm alfaketoglutaraadile moodustades glutamaadi. See protsess kasutab sarnaselt sünteesiga transaminaase. Paljudes selgroogsetes eemaldatakse aminorühm uurea tsüklis kuid aminohapete degradatsioon võib toota uurea asemel ka kusihapet või ammoniaaki. Näiteks seriini dehüdrataas muudab seriini püruvaadiks ja ammoniaagiks. Pärast ühe või mitme aminorühma eraldamist saab järelejäänud molekule kasutada kas uute aminohapete sünteesiks või sisenevad need glükolüüsi või tsitraaditsüklisse, nagu näidatud joonisel.