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입체 이성질체인 D-페닐알라닌은 단일 거울상 이성질체 또는 라세미 혼합물의 성분으로서 통상적인 유기 합성에 의해 생성될 수 있다. D-페닐알라닌은 소량의 단백질, 특히 노화된 단백질 및 가공된 식품 단백질에서 발견되지만 단백질 생합성에서는 참여하지 않는다. D-페닐알라닌이 니아신 수용체 2에 대해 약리학적 활성을 가지고 있지만, D-아미노산의 생물학적 기능은 불분명하다.&lt;ref name="IUPHAR/BPS-bio"&gt;&lt;/ref&gt;
DL-페닐알라닌은 진통 및 항우울 활성을 위한 식이 보충제로 판매된다. DL-페닐알라닌은 D-페닐알라닌과 L-페닐알라닌의 혼합물이다. DL-페닐알라닌의 유명한 진통 활성은 카복시펩티데이스 A에 의한 D-페닐알라닌의 엔케팔린 분해에 의한 차단 가능성으로 설명될 수 있다.&lt;ref name="IUPHAR/BPS-clinical"&gt;&lt;/ref&gt; DL-페닐알라닌의 추정되는 항우울제 활성의 메커니즘은 신경전달물질인 노르에피네프린과 도파민의 합성에서 L-페닐알라닌의 전구체 역할에 의해 설명될 수 있다. 엔케팔린은 뮤 및 델타 오피오이드 수용체의 작용제로 작용하며, 이러한 수용체의 작용제는 항우울 효과를 나타내는 것으로 알려져 있다. DL-페닐알라닌의 추정되는 항우울제 활성의 메커니즘은 신경전달물질인 노르에피네프린과 도파민의 합성에서 L-페닐알라닌의 전구체 역할에 의해 설명될 수 있으나 임상 시험에서 L-페닐알라닌 단독으로는 항우울 효과를 발견하지 못했다. 뇌에서 노르에피네프린과 도파민의 수치 증가는 항우울 효과를 가지는 것으로 생각된다. D-페닐알라닌은 소장에서 흡수되어 문맥 순환을 통해 간으로 운반된다. 소량의 D-페닐알라닌이 L-페닐알라닌으로 전환되는 것으로 보인다. D-페닐알라닌은 전신 순환을 통해 신체의 다양한 조직에 분포될 수 있다. D-페닐알라닌은 L-페닐알라닌보다 혈액뇌장벽을 덜 효율적으로 통과하는 것으로 보이며, 섭취한 소량의 D-페닐알라닌은 중추신경계를 통하지 않고 소변으로 배설된다.
L-페닐알라닌은 Ki가 980 nM인 α2δ Ca2+ 칼슘 통로에서 길항제이다.
뇌에서 L-페닐알라닌은 NMDA 수용체의 글리신 결합 부위와 AMPA 수용체의 글루탐산 결합 부위에서 경쟁적 길항제이다. NMDA 수용체의 글리신 결합 부위에서 L-페닐알라닌은 실트 회귀에 의해 추정된 573 μM의 겉보기 평형 해리 상수(KB)를 가지며, 이는 치료되지 않은 사람의 페닐케톤뇨증에서 관찰된 뇌의 L-페닐알라닌의 농도보다 상당히 낮다. L-페닐알라닌은 또한 고전적인 페닐케톤뇨증에서 볼 수 있는 뇌에서의 농도인 980 μM의 IC50으로 해마와 대뇌 피질의 글루탐산작동성 시냅스에서 신경전달물질의 방출을 억제하는 반면, D-페닐알라닌은 이에 대한 효과가 훨씬 더 작다.
상업적 합성.
L-페닐알라닌은 페닐알라닌과 같은 방향족 아미노산을 자연적으로 생성하는 대장균을 이용하여 의료용, 사료용 및 아스파르탐과 같은 영양학적 용도로 대량 생산된다. 상업적으로 생산되는 L-페닐알라닌의 양은 조절 프로모터를 변경하거나 아미노산 합성을 담당하는 효소를 조절하는 유전자의 수를 증폭하는 것과 같이 대장균을 유전적으로 조작함으로써 증가될 수 있다.
유도체.
보로노페닐알라닌(BPA)은 중성자 포획요법에서 사용되는 페닐알라닌의 다이하이드록시보릴 유도체이다.
4-아지도-L-페닐알라닌은 화학생물학에서 생체접합을 위한 도구로 사용되는 단백질을 구성하는 비천연 아미노산이다.
히스티딘() (기호: His 또는 H)은 단백질의 생합성에 사용되는 α-아미노산이다. 히스티딘은 α-아미노기(생물학적 조건에서 양성자화된 −NH3+ 형태), α-카복실기(생물학적 조건에서 탈양성자화된 −COO− 형태) 및 곁사슬인 이미다졸(부분적으로 양성자화됨)을 포함하고 있다. 히스티딘은 생리학적 pH에서 양전하를 띤 아미노산으로 분류된다. 처음에는 유아에게만 필수적인 것으로 생각되었지만 이제는 장기간의 연구를 통해 성인에게도 필수적인 것으로 밝혀졌다. 히스티딘은 CAU, CAC 코돈에 의해 암호화되어 있다.
히스티딘은 1896년에 독일의 의사인 알브레히트 코셀과 스벤 구스타프 헤딘에 의해 최초로 분리되었다. 히스티딘은 또한 면역 반응에서 중요한 염증 물질인 히스타민의 전구체이기도 하다. 히스티딘의 아실 라디칼은 히스티딜()이다.
히스티딘에서 이미다졸 곁사슬의 짝산(양성자화된 형태)은 약 6.0의 p"K"a를 갖는다. 따라서 pH 6 미만에서 이미다졸 고리는 대부분 양성자화(헨더슨-하셀바흐 방정식에 의해 설명됨)된다. 생성된 이미다졸륨 고리는 2개의 NH 결합을 갖고 양전하를 띤다. 양전하는 두 질소 사이에 균등하게 분포되어 있으며, 두 개의 똑같이 중요한 공명 구조로 나타낼 수 있다. 때로는 일반적인 기호인 His 대신에 이러한 양성자화된 형태에 대해 기호 Hip이 사용된다. pH 6 이상에서는 두 개의 양성자 중 하나가 소실된다. 이미다졸 고리의 나머지 양성자는 질소에 존재하여 N1-H 또는 N3-H 호변 이성질체로 알려진 것을 생성할 수 있다. 위의 그림에 표시된 N3-H 호변 이성질체는 아미노기 및 카복실기를 포함하는 아미노산 골격으로부터 멀리 떨어진 3번 질소에서 양성자화되는 반면, N1-H 호변 이성질체는 골격에서 가까운 질소에서 양성자화된다. 이러한 중성 호변 이성질체는 양성자화되는 질소(각각 Nδ 및 Nε)에 따라 Hid 및 Hie 기호로 표시되기도 한다. 히스티딘의 이미다졸/이미다졸륨 고리는 모든 pH 범위에서 방향족성이다.
이미다졸 곁사슬의 산-염기 특성은 많은 효소들에서 촉매 메커니즘과 관련이 있다. 촉매 삼잔기에서 히스티딘의 염기성 질소는 세린, 트레오닌 또는 시스테인으로부터 양성자를 추출하여 친핵체로 활성화된다. 히스티딘 양성자 셔틀에서 히스티딘은 양성자를 빠르게 왕복시키는 데 사용된다. 염기성 질소로 양성자를 추출하여 양전하를 띤 중간생성물을 만든 다음, 완충제인 또 다른 분자를 사용하여 산성 질소로부터 양성자를 추출함으로써 이를 수행할 수 있다. 탄산무수화효소에서 히스티딘 양성자 셔틀은 효소의 활성 형태를 신속하게 재생하기 위해 아연 결합 물 분자로부터 양성자를 빠르게 왕복시키는 데 사용된다. 헤모글로빈의 나선 E와 F에서 히스티딘은 일산화 탄소(CO) 뿐만 아니라 산소 분자(O2)의 결합에 영향을 미친다. 이러한 상호작용은 O2에 대한 Fe(II)의 친화력을 항상시키지만, CO의 결합을 불안정하게 하며, 이는 자유 헴에서 20,000배 더 강한 것과 비교하여 헤모글로빈에서 200배만 더 강하게 결합하도록 한다.
이미다졸 곁사슬의 호변 이성질체 및 산-염기 특성은 15N NMR 분광법으로 특성화되었다. 두 개의 15N의 화학적 이동은 유사하다(시그마 스케일의 질산에 대해 약 200 ppm, 여기서 증가된 차폐는 화학적 이동 증가에 해당함). NMR 스펙트럼 측정은 N1-H의 화학적 이동이 약간 떨어지는 반면, N3-H의 화학적 이동은 상당히 떨어지는 것으로(약 190 ppm 대 145 ppm) 나타났다. 이 변화는 N1-H 호변 이성질체가 선호됨을 나타내며, 이는 아마도 인접한 암모늄에 대한 수소 결합 때문일 수 있다. N3에서의 차폐는 질소의 고립 전자쌍과 방향족 고리의 여기된 π* 상태 사이의 대칭 허용 상호작용을 포함하는 2차 상자성 효과로 인해 실질적으로 감소된다. pH &gt; 9에서 N1 및 N3의 화학적 이동은 약 185 ppm 및 170 ppm이다.
리간드.
히스티딘은 많은 금속 이온들과 착물을 형성할 수 있다. 히스티딘 잔기의 이미다졸 곁사슬은 일반적으로 금속단백질에서 리간드로 작용한다. 한 가지 예는 미오글로빈과 헤모글로빈의 Fe에 부착된 축 염기이다. 폴리히스티딘 태그(6개 이상의 연속된 히스티딘 잔기)는 마이크로몰의 친화도로 니켈 또는 코발트 컬럼에 결합하여 단백질 정제에 사용된다. 독사인 아테리스 스쿠아미게라("Atheris squamigera")의 독에서 발견되는 천연 폴리히스티딘 펩타이드는 Zn2+, Ni2+, Cu2+와 결합하고 독 메탈로프로테이스의 기능에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
L-히스티딘은 사람에서 신생합성되지 않는 필수 아미노산이다. 사람과 다른 동물들은 히스티딘이나 히스티딘 함유 단백질을 섭취해야 한다. 히스티딘의 생합성은 대장균과 같은 원핵생물에서 널리 연구되어 왔다. 대장균에서 히스티딘의 생합성은 8가지 유전자 산물들(His1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8)이 관여하며 10단계로 일어난다. 이것은 단일 유전자 산물이 하나 이상의 반응을 촉매할 수 있는 능력을 가지고 있기 때문에 가능하다. 예를 들어 히스티딘 생합성 경로에서 볼 수 있듯이 His4 유전자의 산물인 히스티딘올 탈수소효소는 대사 경로에서 4가지 다른 단계들을 촉매한다.
히스티딘은 오탄당 인산 경로에서 리보스-인산 다이포스포키네이스에 의해 리보스 5-인산으로부터 만들어지는 포스포리보실 피로인산(PRPP)로부터 합성된다. 히스티딘 생합성의 첫 번째 반응은 ATP 포스포리보실기전이효소에 의한 포스포리보실 피로인산(PRPP)과 아데노신 삼인산(ATP)의 축합 반응이다. ATP 포스포리보실기전이효소는 그림에서 His1로 표시되어 있다. 그런 다음 His4 유전자의 산물은 축합 반응의 산물인 포스포리보실-ATP를 가수분해하여 비가역적인 단계에서 포스포리보실-AMP(PRAMP)를 생성한다. 그런 다음 His4 유전자의 산물은 포스포리보실폼이미노AICAR-인산의 형성을 촉매하고, 이것은 His6 유전자의 산물에 의해 포스포리불로실폼이미노-AICAR-P로 전환된다. His7 유전자의 산물은 포스포리불로실폼이미노-AICAR-P를 분해하여 D-에리트로-이미다졸-글리세롤-인산을 형성한다. 이후 His3 유전자의 산물은 이미다졸 아세톨-인산을 형성하면서 물을 방출한다. 그런 다음 His5 유전자의 산물은 L-히스티딘올-인산을 만들고, 이것은 His2 유전자의 산물이 히스티딘올을 만드는 것에 의해 가수분해된다. His4 유전자의 산물인 히스티딘올 탈수소효소는 L-히스티딘올의 산화를 촉매하여 아미노 알데하이드인 L-히스티딘알을 형성한다. 마지막 단계에서 L-히스티딘알은 L-히스티딘으로 전환된다.
히스티딘 생합성 경로는 균류인 붉은빵곰팡이("Neurospora crassa")에서 연구되었으며, 다중효소 복합체를 암호화하는 유전자(His-3)가 대장균의 His4 유전자와 유사한 것으로 밝혀졌다. 붉은빵곰팡이 히스티딘 돌연변이체에 대한 유전적 연구에서는 다중효소 복합체의 개별 활성이 His-3 유전자 지도의 별개의 연속 섹션에서 발생함을 나타냈으며, 이는 다중효소 복합체의 다양한 활성이 서로 별도로 암호화된다는 것을 시사한다. 그러나 세 가지 활성이 동시에 결여된 돌연변이체도 발견되었는데, 이는 일부 돌연변이가 복합체 전체의 기능 상실을 초래한다는 것을 암시한다.
동물과 미생물과 마찬가지로 식물도 생장과 발생에 히스티딘이 필요하다. 미생물과 식물은 히스티딘을 합성할 수 있다는 점에서 유사하다. 미생물과 식물은 둘 다 생화학적 대사 중간생성물인 포스포리보실 피로인산으로부터 히스티딘을 합성한다. 일반적으로 히스티딘 생합성은 미생물과 식물에서 매우 유사하다.
생합성의 조절.
히스티딘 생합성 경로를 진행시키려면 에너지가 필요한 데 ATP는 대사 경로의 첫 번째 효소인 ATP 포스포리보실기전이효소(오른쪽 그림에서 His1로 표시됨)를 활성화시킨다. ATP 포스포리보실기전이효소는 음성 피드백을 통해 조절되는 속도 결정 단계를 촉매하는 효소로, 생성물인 히스티딘이 존재하면 저해된다.
히스티딘은 시트르산 회로의 대사 중간생성물로 전환될 수 있는 아미노산 중 하나이다. 히스티딘은 프롤린 및 아르기닌과 같은 다른 아미노산과 함께 아미노기가 제거되는 과정인 탈아미노화에 참여한다. 원핵생물에서 히스티딘은 먼저 히스티데이스에 의해 유로칸산으로 전환된다. 그런 다음 유로카네이스는 유로칸산을 이미다졸-4-온-5-프로피온산으로 전환한다. 이미다졸론프로피오네이스는 이미다졸-4-온-5-프로피온산으로부터 폼이미노글루탐산(FIGLU)을 형성하는 반응을 촉매한다. 폼이미노기는 테트라하이드로폴산으로 전이되고, 나머지 5개의 탄소는 글루탐산을 형성한다. 전반적으로 이들 반응은 글루탐산과 암모니아를 생성한다. 그런 다음 글루탐산은 글루탐산 탈수소효소에 의해 탈아미노화되거나 아미노기 전이 반응에 의해 α-케토글루타르산을 형성할 수 있다.
필요 요건.
미국 의학 연구소의 식품 영양 위원회(FNB)는 2002년에 필수 아미노산에 대한 권장 식이 허용량(RDA)을 제정했다. 19세 이상의 성인의 경우 매일 체중 1 kg 당 14 mg의 히스티딘이 필요하다. 히스티딘의 보충은 신경 장애, 아토피성 피부염, 대사 증후군, 당뇨병, 요독성 빈혈, 궤양, 염증성 장질환, 악성 종양 및 격렬한 운동 중 근육 손상을 비롯한 다양한 질환에 사용하기 위해 연구되고 있다.
아이소류신() (기호: Ile 또는 I)은 단백질의 생합성에 사용되는 α-아미노산이다. 아이소류신은 α-아미노기(생물학적 조건에서 양성자화된 −NH 형태), α-카복실기(생물학적 조건에서 탈양성자화된 −COO 형태) 및 가지가 있는 탄화수소 곁사슬(3개의 다른 탄소 원자에 결합된 중심 탄소 원자)를 포함하고 있다. 아이소류신은 비극성, 비전하(생리학적 pH에서), 가지사슬, 지방족 아미노산으로 분류된다. 아이소류신은 사람에게 필수적인 아미노산으로 신체에서 합성되지 않으며 음식을 통해 섭취해야 한다. 아이소류신은 세균과 같은 다른 생물체에서 류신 생합성 효소들을 사용하여 피루브산으로부터 합성될 수 있다. 아이소류신은 AUU, AUC, AUA 코돈에 의해 암호화되어 있다.
필수 영양소로서 아이소류신은 체내에서 합성되지 않기 때문에 일반적으로 단백질의 구성 요소로 섭취해야 한다. 식물과 미생물에서 아이소류신은 피루브산과 α-케토뷰티르산에서부터 시작하여 여러 단계를 거쳐 합성된다. 아이소류신의 생합성에 관여하는 효소들은 다음과 같다.
아이소류신은 포도당생성성 아미노산이면서 케톤체생성성 아미노산이다. 아이소류신은 α-케토글루타르산으로 아미노기 전이 후에 탄소 골격은 산화되어 프로피오닐-CoA와 아세틸-CoA로 분해된다. 프로피오닐-CoA는 시트르산 회로의 대사 중간생성물인 석시닐-CoA로 전환되며, 석시닐-CoA는 포도당신생합성을 위해 옥살로아세트산으로 전환(따라서 포도당생성성 아미노산)될 수 있다. 포유류에서 아세틸-CoA는 탄수화물로 전환될 수 없지만, 옥살로아세트산과 축합하여 시트르산을 형성함으로써 시트르산 회로에 공급되거나 케톤체(따라서 케톤체생성성 아미노산) 또는 지방산의 합성에 사용될 수 있다.
다른 가지사슬 아미노산들과 마찬가지로 아이소류신은 인슐린 저항성과 관련이 있다. 당뇨병에 걸린 쥐 및 사람의 혈액에서 높은 수준의 아이소류신이 관찰된다. 하루 동안 아이소류신이 결핍된 먹이를 섭취한 쥐는 인슐린 감수성이 개선되었으며, 1주일 동안 아이소류신이 결핍된 먹이를 섭취한 쥐는 혈당 수치가 유의미하게 감소되었다. 식이로 유발된 비만 및 인슐린 저항성 쥐에서 아이소류신의 수치가 감소된 식이(다른 가지사슬 아미노산의 유무에 관계없이)는 지방 감소 및 인슐린 감수성의 개선을 초래한다. 저단백질 식이의 유익한 대사 효과를 위해서는 아이소류신의 섭취를 줄이는 것이 필요하다. 사람의 경우 단백질을 제한한 식단은 아이소류신의 혈중 농도를 낮추고 공복 혈당 수치를 감소시킨다. 사람의 경우 아이소류신의 식이 수준이 높아질수록 체질량 지수가 높아진다.
미국 의학 연구소의 식품 영양 위원회(FNB)는 2002년에 필수 아미노산에 대한 권장 식이 허용량(RDA)을 제정했다. 19세 이상의 성인의 경우 매일 체중 1 kg당 19 mg의 아이소류신이 필요하다.
영양 공급원.
아이소류신은 동물에서 생성되지는 않지만 다량으로 저장된다. 다량의 아이소류신이 함유된 식품에는 계란, 콩 단백질, 해조류, 칠면조, 닭고기, 양고기, 치즈 및 생선이 있다.
아이소류신은 2-브로모뷰테인과 말론산 다이에틸로부터 시작되는 다단계 반응으로부터 합성될 수 있다. 합성 아이소류신은 1905년에 프랑스의 화학자 루이 보우볼트에 의해 처음으로 보고되었다.
리신() (기호: Lys or K)은 단백질의 생합성에 사용되는 α-아미노산이다. 리신은 α-아미노기(생물학적 조건에서 양성자화된 −NH3+ 형태), α-카복실기(생물학적 조건에서 탈양성자화된 −COO− 형태) 및 곁사슬인 리실기((CH2)4NH2)를 포함하고 있다. 리신은 염기성 양전하(생리학적 pH에서), 지방족 아미노산으로 분류된다. 리신은 AAA, AAG 코돈에 의해 암호화되어 있다. 거의 모든 다른 아미노산들과 마찬가지로 α-탄소는 카이랄성이며, 리신은 2가지 거울상 이성질체 또는 2가지를 모두 포함하는 라세미 혼합물을 나타낼 수 있다. 이 문서에서 리신은 생물학적으로 활성인 거울상 이성질체인 L-리신을 의미하며, 여기서 α-탄소는 "S" 입체배치이다.
인체는 리신을 합성할 수 없다. 리신은 사람에서 필수 아미노산이며, 따라서 식사를 통해 섭취해야 한다. 리신을 합성하는 생물에서는 두 가지 주요 생합성 경로인 다이아미노피멜산 경로 및 α-아미노아디프산 경로가 존재하며, 이들 경로는 별개의 효소와 기질을 사용하고 다양한 생물에서 발견된다. 리신의 이화작용은 여러 대사 경로들 중 하나를 통해 일어나며, 이 중 가장 일반적인 경로는 사카로핀 경로이다.
리신의 역할은 가장 중요하게는 단백질 생성 뿐만 아니라 콜라겐 폴리펩타이드의 가교 형성, 필수 미네랄 영양소의 흡수, 지방산 대사의 핵심적인 화합물인 카르니틴의 생성하는 역할을 한다. 리신은 또한 종종 히스톤 변형에 관여하기 때문에 후성유전체에 영향을 미친다. ε-아미노기는 종종 수소 결합에 참여하고 촉매 작용의 일반 염기로 사용된다. ε-아미노기는 카복실기와 결합하고 있는 α-탄소로부터 4번째 탄소에 부착된다.
여러 생물학적 과정에서 리신의 중요성으로 인해 리신이 부족하면 결합 조직의 결함, 지방산 대사의 장애, 빈혈 및 전신 단백질 에너지 결핍을 비롯한 여러 질병 상태가 발생할 수 있다. 대조적으로 비효율적인 이화작용으로 인한 과도한 리신은 심각한 신경 질환을 유발할 수 있다.
리신은 1889년에 독일의 생화학자 페르디난트 하인리히 에드문트 드레흐셀(Ferdinand Heinrich Edmund Drechsel)에 의해 우유의 카제인 단백질에서 처음으로 분리되었다. 그는 분리한 물질을 "lysin"이라고 명명했다. 1902년에 독일의 화학자 에밀 피셔와 프리츠 바이게르트(Fritz Weigert)는 합성을 통해 리신의 화학 구조를 결정했다.
리신 합성에 대한 두 가지 경로가 자연계에서 확인되었다. 다이아미노피멜산(DAP) 경로는 아스파르트산 유도 생합성 패밀리에 속하며, 트레오닌, 메티오닌 및 아이소류신의 합성에도 관여한다. 반면 α-아미노아디프산(AAA) 경로는 글루탐산 생합성 패밀리의 일부이다.
다이아미노피멜산 경로는 원핵생물과 식물 모두에서 발견되며 다이하이드로다이피콜린산 생성효소(DHDPS) ()에 의해 시작되어 아스파르트산 유래 L-아스파르트산 세미알데하이드 및 피루브산 간의 축합 반응을 통해 (4"S")-4-하이드록시-2,3,4,5-테트라하이드로-(2"S")-다이피콜린산(HTPA)을 생성한다. 그런 다음 생성물은 전자 공여체인 NAD(P)H와 함께 다이하이드로다이피콜린산 환원효소(DHDPR) ()에 의해 환원되어 2,3,4,5-테트라하이드로다이피콜린산(THDP)을 생성한다. 이 지점부터 아세틸레이스, 아미노기전이효소, 탈수소효소, 석시닐레이스 경로의 4가지 경로 변형이 발견되었다. 아세틸레이스 및 석시닐레이스 변형 경로는 둘 다 4개의 효소 촉매 단계를 사용하고, 아미노기전이효소 경로는 2개의 효소를 사용하며, 탈수소효소 경로는 단일 효소를 사용한다. 이들 4가지 변형 경로는 두 번째 생성물인 메소-다이아미노피멜산의 형성으로 수렴되며, 이는 후속적으로 다이아미노피멜산 탈카복실화효소(DAPDC) ()에 의해 촉매되는 비가역적 반응에서 효소적으로 탈카복실화되어 L-리신을 생성한다. 다이아미노피멜산 경로는 다이하이드로다이피콜린산 생성효소가 촉매하는 축합 단계 뿐만 아니라 아스파르트산 처리에 관여하는 효소를 포함한 여러 단계에서 조절된다. 리신은 이러한 효소에 강력한 음성 피드백 루프를 제공하고, 그 후 전체 경로를 조절한다.
α-아미노아디프산 경로는 L-리신 합성을 위한 대사 중간생성물인 α-아미노아디프산을 통한 α-케토글루타르산과 아세틸-CoA의 축합을 포함한다. 이 대사 경로는 여러 효모 종과 원생생물 및 고등 균류에 존재하는 것으로 밝혀졌다. 테르무스 테르모필루스("Thermus thermophilus")와 피로코쿠스 호리코시이("Pyrococcus horikoshii")에서 α-아미노아디프산 경로의 대체 변이 경로가 발견된 것으로 보고되었으며, 이는 이 경로가 원래 제안된 것보다 원핵생물에 더 널리 분포하는 것임을 나타낼 수 있다. α-아미노아디프산 경로의 첫 번째 단계이자 속도 제한 단계는 아세틸-CoA와 α-케토글루타르산 사이의 축합 반응으로 호모시트르산 생성효소()에 의해 촉매되어 대사 중간생성물인 호모시트릴-CoA를 생성하며, 호모시트릴-CoA는 동일한 효소인 호모시트르산 생성효소에 의해 가수분해되어 호모시트르산을 생성한다. 호모시트르산은 호모아코니트산 수화효소()에 의해 효소적으로 탈수되어 시스-호모아코니트산을 생성한다. 그런 다음 호모아코니트산 수화효소는 시스-호모아코니트산을 재수화시켜 호모아이소시트르산을 생성하는 두 번째 반응을 촉매한다. 생성물은 호모아이소시트르산 탈수소효소()에 의한 산화적 탈카복실화를 거쳐 α-케토아디프산을 생성한다. 그런 다음 α-아미노아디프산은 아미노기 공여체로 글루탐산을 사용하는 피리독살 인산 의존성 아미노기전이효소인 2-아미노아디프산 아미노기전이효소()에 의해 형성된다. 이 지점부터 α-아미노아디프산 경로는 계에 따라 차이가 난다. 균류에서 α-아미노아디프산은 홀로-(아실 운반 단백질) 생성효소()에 의해 활성화되는 아데닐릴화 및 환원을 모두 포함하는 독특한 과정에서 L-2-아미노아디프산 환원효소()를 통해 α-아미노아디프산-세미알데하이드로 환원된다. 세미알데하이드가 형성되면 사카로핀 탈수소효소 (NADP+, L-글루탐산 형성) ()는 글루탐산 및 전자 공여체인 NAD(P)H와의 축합 반응을 촉매하고 이민은 환원되어 끝에서 두 번째 생성물인 사카로핀을 생성한다. 균류에서 대사 경로의 마지막 단계는 사카로핀 탈수소효소 (NADP+, L-리신 형성) ()에 의한 사카로핀의 산화적 탈아미노화를 포함하며 L-리신을 생성한다. 일부 원핵생물에서 발견되는 변형 α-아미노아디프산 경로에서 α-아미노아디프산은 먼저 "N"-아세틸-α-아미노아디프산으로 전환되고, 인산화된 다음 환원적으로 탈인산화되어 ε-알데하이드로 전환된다. 그런 다음 알데하이드는 "N"-아세틸-리신으로 아미노기 전이되고, 이는 탈아세틸화되어 L-리신을 생성한다. 그러나 이러한 변이 경로에 관여하는 효소는 추가적인 검증이 필요하다.
다른 모든 아미노산들과 마찬가지로 리신의 분해는 식이 리신의 섭취 또는 세포 내 단백질의 분해로부터 시작된다. 리신의 분해는 또한 유리 리신의 세포 내 농도를 조절하고 과도한 유리 리신의 독성 효과를 방지하기 위해 정상 상태를 유지하는 수단으로 사용된다. 리신의 분해와 관련된 여러 경로가 있지만 가장 일반적으로 사용되는 경로는 사카로핀 경로이며, 주로 동물의 간(및 동등한 기관), 특히 미토콘드리아 내에서 일어난다. 이 대사 경로는 앞에서 설명한 α-아미노아디프산 경로의 반대 과정이다. 동물과 식물에서 사카로핀 경로의 처음 두 단계는 리신-케토글루타르산 환원효소와 사카로핀 탈수소효소 (NADP+, L-리신 형성) () 활성을 둘 다 가지고 있는 이기능성 효소인 α-아미노아디프산 세미알데하이드 생성효소에 의해 촉매된다. 반면에 세균과 균류와 같은 다른 생물에서는 이들 두 효소가 모두 별도의 유전자에 의해 암호화된다. 첫 번째 단계는 NAD(P)H가 전자 공여체로 작용하여 사카로핀을 생성하기 위해 α-케토글루타르산의 존재 하에서 리신-케토글루타르산 환원효소에 의한 L-리신의 환원을 포함한다. 그런 다음 사카로핀은 NAD+의 존재 하에서 사카로핀 탈수소효소 (NADP+, L-리신 형성)에 의해 촉매되는 탈수 반응을 거쳐 α-아미노아디프산 세미알데하이드와 글루탐산을 생성한다. L-아미노아디프산-세미알데하이드 탈수소효소 ()는 분자를 α-아미노아디프산으로 추가적으로 탈수시킨다. 결과적으로 2-아미노아디프산 아미노기전이효소는 α-아미노아디프산 생합성 경로의 역반응을 촉매하여 α-아미노아디프산이 α-케토아디프산으로 전환되도록 한다. 생성물인 α-케토아디프산은 NAD+ 및 조효소 A의 존재 하에 탈카복실화되어 글루타릴-CoA를 생성하지만, 이와 관련된 효소는 아직 완전히 밝혀지지 않았다. 일부 증거는 α-케토글루타르산 탈수소효소 복합체 ()의 E1 소단위체와 구조적으로 상동인 2-옥소아디프산 탈수소효소 복합체가 탈탄산 반응을 담당한다는 것을 시사한다. 마지막으로 글루타릴-CoA는 글루타릴-CoA 탈수소효소 ()에 의해 크로토닐-CoA로 산화적 탈카복실화되며, 이는 시트르산 회로에 관여하는 필수 탄소 대사 산물인 아세틸-CoA를 생성하기 위해 여러 효소 단계를 거쳐 추가적으로 처리된다.
리신은 사람에서 필수 아미노산이다. 사람의 영양 요구량은 유아기의 약 60 mg/kg에서 30 mg/kg까지 다양하다. 이러한 요구량은 일반적으로 권장 요구량을 훨씬 초과하는 육류 및 채소 공급원으로부터 리신을 섭취하는 서구 사회에서 충족된다. 채식주의 식단에서 리신의 섭취량은 육류에 비해 곡물의 제한된 리신의 양으로 인해 더 적다.
곡물의 리신의 양이 제하되어 있다는 것을 감안하여 유전자 변형을 통해 리신의 함량이 증가될 수 있을 것이라고 오랫동안 추측되어 왔다. 종종 이러한 유전자 변형은 다이하이드로다이피콜린산 생성효소의 리신 피드백-민감성 오르토로그를 도입함으로써 다이아미노피멜산 경로의 의도적인 조절 장애를 수반한다. 이러한 방법은 증가된 유리 리신의 독성 부작용과 시트르산 회로에 대한 간접적인 영향으로 인해 제한된 성공을 거두었다. 식물은 식물 종자 내에서 발견되는 저장 단백질의 형태로 리신 및 기타 아미노산을 축적하며, 이는 작물의 식용 성분을 나타낸다. 이것은 유리 리신을 증가시킬 뿐만 아니라 안정한 종자 단백질의 합성을 위해 리신을 직접적으로 증가시킬 필요가 있음을 강조하고, 결과적으로 작물의 소비성 성분의 영양 가치를 증가시킨다. 유전자 변형은 제한적인 성공을 거두었지만, 보다 전통적인 선택적 육종 기술은 필수 아미노산인 리신과 트립토판의 수준을 크게 증가시킨 품질 단백질 옥수수의 분리를 가능하게 했다. 이러한 리신의 함량 증가는 리신 결핍 제인 관련 종자 저장 단백질의 전사를 감소시키고 결과적으로 리신이 풍부한 다른 단백질의 함량을 증가시키는 불투명-2 돌연변이에 기인한다. 일반적으로 가축 사료에 제한적으로 존재하는 리신을 보충하기 위해 산업적으로 생산된 리신을 첨가한다. 산업적 공정에는 코리네박테리움 글루타미쿰("Corynebacterium glutamicum")의 발효 배양과 리신의 후속 정제가 포함된다.
리신의 좋은 공급원으로는 달걀, 육류(특히 붉은 고기, 양고기, 돼지고기, 가금류), 콩, 완두, 치즈(특히 파르미자노 레자노), 특정 생선(대구 및 정어리 등)과 같은 고단백 식품들이 있다. 리신은 대부분의 곡물에서 제한 아미노산(특정 식품에서 가장 적은 양으로 발견되는 필수 아미노산)이지만, 대부분의 콩류에는 풍부하다. 콩에는 옥수수에 없는 리신이 포함되어 있으며, 고고학 기록에서 콩, 옥수수, 호박의 세 자매처럼 콩과 옥수수가 함께 등장하는 경우가 많다.
단백질 1 g당 최소 51 mg의 리신을 포함하고 있다면(단백질이 5.1%의 리신을 포함하도록) 식품에 충분한 양의 리신이 있는 것으로 간주된다. L-리신 HCl은 80.03%의 L-리신을 제공하는 식이 보충제로 사용된다. 이와 같이 L-리신 HCl 1.25 g에는 L-리신 1 g이 함유되어 있다.
리신의 가장 일반적인 역할을 단백질 생성에 참여하는 것이다. 리신은 종종 단백질의 구조에서 중요한 역할을 한다. 리신의 곁사슬은 한쪽 끝에 양전하를 띤 작용기와 골격에 가까운 긴 소수성 탄소 꼬리를 포함하고 있기 때문에 리신은 다소 양친매성으로 간주된다. 이러한 이유로 리신은 수용성 환경과 상호작용할 수 있는 용매 채널 및 단백질 외부에서도 더 일반적으로 묻혀 있는 상태로 발견된다. 리신은 또한 ε-아미노기가 종종 수소 결합, 염다리 및 공유결합성 상호작용에 참여하여 시프 염기를 형성하기 때문에 단백질의 안정성에 기여할 수 있다.
리신의 두 번째 주요 역할은 히스톤 변형을 통한 후성유전적 조절이다. 히스톤의 돌출된 꼬리에서 발견되는 리신 잔기를 일반적으로 포함하는 공유결합성 히스톤 변형에는 여러 유형이 존재한다. 이러한 변형에는 종종 아세틸기(−CH3CO)를 첨가 또는 제거하여 아세틸리신을 형성하거나 리신으로 되돌리는 것, 최대 3개의 메틸기(−CH3), 유비퀴틴 또는 SUMO 단백질을 첨가 또는 제거하는 것이 포함된다. 다양한 변형은 유전자가 활성화되거나 억제될 수 있는 유전자 발현의 조절에서 하류 효과를 가지게 할 수 있다.
리신은 또한 결합 조직의 구조 단백질, 칼슘의 항상성, 지방산 대사를 포함한 다른 생물학적 과정에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 리신은 콜라겐에 있는 3개의 나선형 폴리펩타이드 사이의 가교 형성에 관여하여 안정성과 인장 강도에 기여하는 것으로 나타났다. 이러한 메커니즘은 세균의 세포벽에서 리신의 역할과 유사하며, 여기서 리신(및 메소-다이아미노피멜산)은 가교 형성 및 세포벽의 안정성 유지에 중요하다. 이 개념은 이전에 잠재적으로 병원성인 유전자 변형 세균의 원치 않는 방출을 피하기 위한 수단으로 연구되었다. 대장균의 영양요구성 균주(X1776)는 다이아미노피멜산의 보충없이는 생존할 수 없고 따라서 실험실 환경 밖에서는 살 수 없기 때문에 모든 유전자 변형 실험에 사용될 수 있다고 제안되었다. 리신은 또한 장에서 칼슘 흡수 및 콩팥에서의 유지에 관여하는 것으로 제안되었으며, 따라서 칼슘의 항상성 유지에 역할을 할 수 있다. 마지막으로 리신은 지방산을 산화시켜 에너지를 생성하기 위해 지방산을 미토콘드리아로 운반하는 카르니틴의 전구체인 것으로 나타났다. 카르니틴은 특정 단백질의 분해 산물인 트라이메틸리신으로부터 합성된다. 이러한 리신은 먼저 단백질로 통합되고 카르니틴으로 전환되기 전에 메틸화되어야 한다. 그러나 포유류에서 카르니틴의 주요 공급원은 리신의 전환에 의한 것보다는 식이 공급원의 섭취에 의한 것이다.
로돕신과 같은 옵신 및 시각 옵신(OPN1SW, OPN1MW 및 OPN1LW 유전자에 의해 암호화 됨)에서 레티날은 보존된 리신 잔기와 함께 시프 염기를 형성하고 빛과 레티닐리덴기의 상호작용은 색각에서 신호 변환을 유발한다.
논쟁의 여지가 있는 역할.
리신이 정맥 내 또는 경구 투여될 때 성장 호르몬의 방출을 상당히 증가시킬 수 있다는 논의가 오랫동안 있어 왔다. 이러한 논의 덕분에 운동 선수들이 훈련 중에 근육 성장을 촉진하는 수단으로 리신을 사용하게 되었지만, 리신의 이러한 작용을 뒷받침하는 중요한 증거는 현재까지 발견되지 않았다.
단순포진 바이러스(HSV) 단백질은 이들이 감염시키는 세포의 단백질보다 아르기닌이 풍부하고 리신이 부족하기 때문에 리신 보충제가 치료제로 사용할 수 있는지 여부가 시도되었다. 이들 두 가지 아미노산은 장에서 흡수되고 콩팥에서 재흡수되며 동일한 아미노산 수송체에 의해 세포로 이동되기 때문에 이론상 풍부한 리신은 바이러스 복제에 사용할 수 있는 아르기닌의 양을 제한한다. 임상 연구에 따르면 리신의 보충이 단순포진 바이러스에 의한 발병에 대한 예방 또는 치료에 대해 효과가 있다는 좋은 증거는 발견되지 않았다. 리신이 단순포진 바이러스에 대한 면역 반응을 개선할 수 있다는 주장에 대해 유럽 식품안전청의 리뷰 결과에서 인과 관계에 의한 증거는 발견되지 않았다. 2011년에 발표된 동일한 리뷰에서는 리신이 콜레스테롤을 낮추고, 식욕을 증가시키며, 일반 영양소 이외의 다른 역할에서 단백질 합성에 기여하거나, 칼슘 흡수 또는 보유를 증가시킬 수 있다는 주장을 뒷받침하는 증거를 발견하지 못했다.
질병에서의 역할.
리신과 관련된 질병은 리신의 하류 처리, 즉 단백질로의 통합 또는 대체 생체분자로의 변형의 결과이다. 콜라겐에서 리신의 역할은 위에서 설명했듯이 콜라겐 펩타이드의 가교 형성에 관여하는 리신과 하이드록시리신의 결핍은 결합 조직의 질병 상태와 관련이 있다. 카르니틴은 지방산 대사에 관여하는 주요 리신 유래 대사 산물이기 때문에 충분한 카르니틴과 리신이 부족한 표준 이하의 식단은 카르니틴의 수치를 감소시켜 개인의 건강에 상당한 연쇄 영향을 미칠 수 있다. 리신은 철분의 흡수에 영향을 미치는 것으로 의심되고, 그 결과 혈장 내 페리틴의 농도에 영향을 미치는 것으로 의심되기 때문에 리신은 빈혈에도 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다. 그러나 정확한 작용 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았다. 가장 일반적으로 리신의 결핍은 비서구 사회에서 찾아볼 수 있으며, 개인의 건강에 중대하고 전신적인 영향을 미치는 단백질-에너지 영양실조로 나타난다. 리신의 분해를 담당하는 효소, 즉 사카로핀 경로의 이기능성 α-아미노아디프산 세미알데하이드 생성효소의 돌연변이와 관련된 유전 질환도 있다. 리신 이화작용의 결핍으로 인해 아미노산이 혈장에 축적되고 환자에게서 뇌전증, 운동실조, 경직 및 정신운동 지체를 포함한 심각한 신경질환에 무증상으로 나타날 수 있는 고리신혈증이 발병할 수 있다. 고리신혈증의 임상적 중요성은 신체적 또는 정신적 장애와 고리신혈증 사이에 상관관계가 없다는 일부 연구로 인해 현장에서 논쟁의 대상이다. 이 외에도 리신 대사와 관련된 유전자의 돌연변이는 피리독신 의존성 뇌전증(ALDH7A1 유전자), α-아미노아디프산뇨증 및 α-케토아디프산뇨증(DHTKD1 유전자), 글루타르산뇨증 1형(GCDH 유전자)을 비롯한 여러 질병 상태와 관련이 있다.
고리신혈증은 소변에 다량의 리신이 발견된다. 고리신혈증은 리신의 분해에 관여하는 단백질이 유전적 돌연변이로 인해 기능을 하지 못하는 대사성 질환으로 인해 발병하는 경우가 많다. 고리신혈증은 또한 세뇨관 수송의 실패로 인해 발생할 수 있다.
동물 사료에 리신의 사용.
동물 사료용 리신의 생산은 2009년에 거의 700,000톤에 달하는 주요 글로벌 산업이며, 시장 가치는 12억 2천만 유로(€) 이상이다. 리신은 육류 샌산을 위해 돼지 및 닭과 같은 특정 동물의 생장을 최적화할 때의 제한 아미노산이기 때문에 동물 사료에 중요한 첨가제이다. 리신을 보충하면 높은 생장률을 유지하고 질소 배설로 인한 오염을 제한하면서 저렴한 식물성 단백질(예: 콩보다 옥수수)을 사용할 수 있다. 그러나 옥수수가 가금류 및 돼지 사료로 사용될 때 주요 환경 비용은 인산염에 의한 오염이다.
리신은 주로 당류를 기반으로 미생물 발효에 의해 산업적으로 생산된다. 유전공학에서는 생산 효율을 높이고 다른 기질로부터 리신을 합성할 수 있는 세균 균주를 적극적으로 얻으려고 애쓰고 있다.
1993년의 영화 《쥬라기 공원》(1990년의 마이클 크라이튼의 동명의 소설을 원작으로 함)에서는 조작된 영양요구변이체의 한 예로 리신을 생산할 수 없도록 유전적으로 변형된 공룡들이 묘사된다. 이것은 "리신 우발상황(lysine contingency)"으로 알려졌으며 복제된 공룡들이 공원 밖에서 살아남는 것을 방지하기 위해 공원의 수의사가 제공하는 리신 보충제에 의존하도록 했다. 실제로 리신(필수 아미노산)을 생산할 수 있는 동물은 없다.
1996년에 리신은 미국 역사상 가장 큰 가격 담합 사건에서 초점이 되었다. 아처 대니얼스 미들랜드 컴퍼니는 1억 달러의 벌금을 냈고, 경영진 중 3명은 유죄 판결을 받고 복역했다. 또한 가격 담합 사건에서 일본 기업 2곳(아지노모토, 교와 핫코)과 한국 기업(세원)이 유죄 판결을 받았다. 리신의 가격을 담합한 공모자들의 비밀 비디오 녹화물은 온라인이나 미국 법무부 독점금지과에 비디오를 요청하여 찾아볼 수 있다. 이 사건은 영화 《인포먼트》와 동명의 책의 바탕이 되었다.
류신(, , , 기호: Leu or L)은 단백질의 생합성에 사용되는 필수 아미노산이다. 류신은 α-아미노산이며, α-아미노기(생물학적 조건에서 양성자화된 −NH3+ 형태), α-카복실기(생물학적 조건에서 탈양성자화된 −COO− 형태) 및 곁사슬인 아이소뷰틸기를 포함하고 있다. 류신은 비극성 지방족 아미노산이다. 류신은 사람에게 필수적인 아미노산으로 신체에서 합성되지 않으며 음식을 통해 섭취해야 한다. 사람은 육류, 유제품, 콩 제품, 기타 콩류와 같은 단백질을 함유한 식품으로부터 류신을 얻을 수 있다. 류신은 UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG 코돈에 의해 암호화되어 있다.
발린과 아이소류신과 마찬가지로 류신은 가지사슬 아미노산이다. 류신 대사의 주요한 대사 최종 산물은 아세틸-CoA와 아세토아세트산이다. 따라서 류신은 리신과 함께 케톤체생성성 아미노산이다. 류신은 사람에서 가장 중요한 케톤체생성성 아미노산이다.
류신 및 류신의 소량 대사산물인 β-하이드록시 β-메틸뷰티르산은 사람에서 약리학적 활성을 나타내며, mTOR의 인산화를 통해 단백질의 생합성을 촉진하는 것으로 입증되었다.
식이 류신.
식품 첨가물로 사용되는 L-류신은 E 번호 E641로 향미 증진제로 분류된다.
미국 의학 연구소의 식품 영양 위원회(FNB)는 2002년에 필수 아미노산에 대한 권장 식이 허용량(RDA)을 제정했다. 19세 이상의 성인의 경우 매일 체중 1 kg당 42 mg의 류신이 필요하다.
건강에 대한 효과.
식이 보충제로서 류신은 나이든 쥐의 근육 단백질의 합성을 증가시켜 근육 조직의 분해를 늦추는 것으로 밝혀졌다. 그러나 비교 연구 결과는 상충된다. 장기간의 류신 보충은 건강한 노인 남성의 근육량이나 근력을 증가시키지 않는다. 더 많은 연구가 필요하며, 바람직하게는 객관적이고 무작위적인 사회 표본을 기반으로 하는 연구가 필요하다. 류신을 단독으로 또는 다른 가지사슬 아미노산과 함께 섭취하는 경우 류신 보충의 효과를 알아내기 위해 생활 방식, 연령, 성별, 식이, 운동 등과 같은 요인들을 분석시 고려해야 한다. 그때가지는 식이 류신 보충을 전체 인구에 대한 근육 생장 또는 최적 상태의 유지를 위한 주요 이유와 관련시킬 수 없다.
L-류신과 D-류신은 모두 뇌전증 발작으로부터 쥐를 보호한다. 또한 D-류신은 적어도 다이제팜만큼 효과적으로 진정 효과없이 발작이 시작된 후에 쥐의 발작을 종결시킨다. L-류신의 식이 섭취 감소는 쥐의 비만을 촉진한다. 류신의 높은 혈중 수치는 사람, 쥐 및 설치류에서 인슐린 저항성과 관련이 있다. 이것은 mTOR 신호전달을 자극하는 류신의 효과 때문일 수 있다. 류신 및 다른 가지사슬 아미노산의 식이 제한은 에너지 소비를 증가시켜 야행성 쥐에서 식이 유발 비만을 억제시킬 수 있고 과다섭취 쥐의 지방 증가를 제한할 수 있다.
대상부전 단풍시럽뇨병에서 볼 수 있는 류신 독성은 섬망과 신경학적 손상을 유발하고 생명을 위협할 수 있다.
류신을 많이 섭취하면 L-트립토판이 니아신으로 전환되는 것을 방해하기 때문에 니아신 수치가 낮은 사람들에게 펠라그라 증상을 유발하거나 악화시킬 수 있다.
500 mg/kg/d를 초과하는 용량의 류신은 고암모니아혈증에서 관찰되었다. 따라서 비공식적으로 건강한 성인 남성의 류신 허용 상한 섭취량(UL)은 급석 식이 조건에서 500 mg/kg/d 또는 35 g/d로 제안될 수 있다.
약력학.
류신은 근원섬유 근단백질 합성을 직접적으로 자극하는 능력을 가진 식이성 아미노산이다. 류신의 이러한 효과는 단백질 생합성 및 세포 생장을 조절하는 세린-트레오닌 단백질 키네이스인 mTOR의 활성인자로서의 역할에서 비롯된다. 류신에 의한 mTOR의 활성화는 Rag GTPase, 류실-tRNA 합성효소에 대한 류신의 결합, 세스트린 2에 대한 류신의 결합, 및 다른 가능한 메커니즘을 통해 매개된다.
사람에서의 물질대사.
류신 대사는 인체의 많은 조직에서 일어난다. 그러나 대부분의 식이 류신은 간, 지방 조직 및 근육 조직 내에서 대사된다. 지방 조직 및 근육 조직은 스테롤 및 기타 화합물의 형성에 류신을 사용한다. 이들 두 조직에서 결합된 류신의 사용은 간보다 7배 더 많다.
건강한 사람의 경우 식이 L-류신의 약 60%가 몇 시간 후에 대사되고, 식이 L-류신의 약 5%(2~10% 범위)가 β-하이드록시 β-메틸뷰티르산(HMB)으로 전환된다. 식이 L-류신의 약 40%는 아세틸-CoA로 전환되며, 이는 이후에 다른 화합물의 합성에 사용된다.
대부분의 L-류신 대사는 초기에 가지사슬 아미노산 아미노기전이효소에 의해 촉매되어 α-케토아이소카프로산(α-KIC)을 생성한다. α-케토아이소카프로산은 대부분 미토콘드리아의 효소인 가지사슬 α-케토산 탈수소효소 복합체에 의해 대사되어 아이소발레릴-CoA로 전환된다. 아이소발레릴-CoA는 이후에 아이소발레릴-CoA 탈수소효소에 의해 대사되어 아세틸-CoA 및 기타 화합물의 합성에 사용되는 β-메틸크로토닐-CoA로 전환된다. 비오틴 결핍증에서 β-하이드록시 β-메틸뷰티르산(HMB)은 β-메틸크로토닐-CoA(MC-CoA)를 β-하이드록시 β-메틸뷰티릴-CoA(HMB-CoA)로, β-하이드록시 β-메틸뷰티릴-CoA를 β-하이드록시 β-메틸뷰티르산으로 각각 전환시키는 엔오일-CoA 수화효소와 알려지지 않은 싸이오에스터레이스를 통해 β-메틸크로토닐-CoA로부터 합성될 수 있다. 상대적으로 적은 양의 α-케토아이소카프로산은 세포질의 효소 4-하이드록시페닐피루브산 이산소화효소에 의해 간에서 β-하이드록시 β-메틸뷰티르산으로 전환된다. 건강한 사람의 경우 L-류신이 α-케토아이소카프로산으로 전환된 다음 β-하이드록시 β-메틸뷰티르산으로 전환되는 이러한 마이너 경로가 β-하이드록시 β-메틸뷰티르산 합성의 주요 경로이다.
L-류신 대사의 작은 부분(약 33%를 차지하는 고환을 제외한 모든 조직에서 5% 미만)은 초기에 류신 2,3-아미노뮤테이스에 의해 촉매되어 β-류신을 생성하고, 이는 후속적으로 일련의 특성화되지 않은 효소들에 의해 β-케토아이소카프로산, β-케토아이소카프로일-CoA, 아세틸-CoA로 대사된다.
β-하이드록시 β-메틸뷰티르산(HMB)의 대사는 β-하이드록시 β-메틸뷰티릴-CoA(HMB-CoA)로 전환시키는 특성화되지 않은 효소에 의해 촉매된다. β-하이드록시 β-메틸뷰티릴-CoA는 엔오일-CoA 수화효소 또는 다른 특성화되지 않은 효소에 의해 대사되어 각각 β-메틸크로토닐-CoA(MC-CoA) 또는 β-하이드록시 β-메틸글루타릴-CoA(HMG-CoA)를 생성한다. 그런 다음 β-메틸크로토닐-CoA는 메틸크로토닐-CoA 카복실화효소에 의해 β-메틸글루타코닐-CoA(MG-CoA)로 전환되고, 이는 후속적으로 메틸글루타코닐-CoA 수화효소에 의해 β-하이드록시 β-메틸글루타릴-CoA로 전환된다. 그런 다음 β-하이드록시 β-메틸글루타릴-CoA는 β-하이드록시 β-메틸글루타릴-CoA 분해효소에 의해 아세틸-CoA와 아세토아세트산으로 분해되거나 메발론산 경로를 통해 콜레스테롤의 생산에 사용된다.
사람 이외의 생물에서의 합성.
동물에서 류신은 잠재적인 전구체 화합물로부터 신생합성되는 완전한 대사 경로가 없기 때문에 동물의 식단에서 필수 아미노산이다. 따라서 동물은 일반적으로 단백질의 구성 성분으로 류신을 섭취해야 한다. 식물과 미생물은 일련의 효소들을 사용하여 피루브산으로부터 류신을 합성한다.
소수성 아미노산인 발린의 합성에도 이 대사 경로의 초기 부분이 사용된다.
류신은 선형이 아닌 지방족 곁사슬을 가지고 있기 때문에 가지사슬 아미노산이다.
라세미 류신은 생체분자의 비대칭 기원을 더 잘 이해하기 위해 원형 편광 싱크로트론 방사에 노출되었다. 2.6%의 거울성 이성질체의 증가가 유도되었으며, 이는 생체분자의 호모카이랄성의 가능한 광화학적 기원을 나타낸다.
메티오닌() (기호: Met 또는 M) 은 단백질의 생합성에 사용되는 α-아미노산이다. 시스테인 및 타우린과 같은 아미노산, "S"-아데노실메티오닌과 같은 다목적 화합물, 중요한 항산화제인 글루타티온과 같은 다른 아미노산들의 전구체인 메티오닌은 사람을 포함한 많은 생물들의 물질대사와 건강에 중요한 역할을 한다. 메티오닌은 필수 아미노산이며, AUG 코돈에 의해 암호화되어 있다.
메티오닌은 또한 새로운 혈관을 생성하는 혈관신생의 중요한 부분이다. 메티오닌 보충제는 구리 중독으로 고통받는 사람들에게 도움이 될 수 있다. 많은 연구에서 DNA 메틸화의 메틸기 공여체인 메티오닌의 과다 섭취는 암 성장과 관련이 있는 것으로 나타났다. 메티오닌은 1921년에 존 하워드 뮐러에 의해 처음으로 분리되었다.
생화학적 세부사항.
메티오닌은 단백질을 구성하는 데 참여하는 α-아미노산이다. 메티오닌은 α-아미노기(생물학적 조건에서 양성자화된 −NH3+ 형태), α-카복실기(생물학적 조건에서 탈양성자화된 −COO− 형태) 및 곁사슬인 "S"-메틸 싸이오에터를 포함하고 있다. 메티오닌은 비극성 지방족 아미노산이다.
고세균 및 진핵생물의 세포핵 유전자에서 메티오닌은 개시 코돈에 의해 암호화되어 있는데, 이는 암호화 영역의 시작을 나타내며 mRNA 번역 동안 초기 폴리펩타이드에서 생성된 첫 번째 아미노산임을 의미한다.
시스테인과 함께 메티오닌은 황을 함유한 단백질생성성 아미노산이다. 메티오닌이 산화환원반응의 센서로 작용할 수 있는 몇 가지 예외를 제외하고,(예: 메티오닌 설폭사이드) 메티오닌 잔기는 촉매 역할을 하지 않는다. 이것은 많은 단백질들에서 싸이올기가 촉매 역할을 하는 시스테인 잔기와 대조된다. 그러나 싸이오에터는 알려져 있는 모든 단백질 구조의 1/3에 존재하는 곁사슬의 황 원자와 방향족 아미노산 사이의 S/π 상호작용의 안정성 효과로 인해 구조적 역할이 미미하다. 이러한 강력한 역할의 부재는 메티오닌이 싸이오에터가 없는 선형 탄화수소 곁사슬을 가지고 있는 아미노산인 노르류신으로 대체된 단백질에서 거의 효과가 나타나지 않는 실험으로 확인할 수 있다. 노르류신은 유전 암호의 초기 버전에서 존재했지만 보조 인자인 "S"-아데노실메티오닌(SAM-e)에서 사용된다는 사실 때문에 유전 암호의 최종 버전에 메티오닌이 들어가게 된 것으로 추측되었다. 이러한 상황은 메티오닌에서만 일어난 것은 아니며 오르니틴과 아르기닌에서도 일어난 것일 수 있다.
메티오닌은 표준 유전 부호에서 단일 코돈(AUG)에 의해서 암호화되는 단 두 개의 아미노산 중 하나(다른 하나는 UGG에 의해서 암호화되는 트립토판임)이다. 이러한 코돈은 진화적 기원을 반영하며 다른 AU○ 코돈은 소수성 아미노산인 아이소류신을 암호화한다. 후생동물과 효모를 포함한 여러 생물체의 미토콘드리아 게놈에서 AUA 코돈은 메티오닌을 암호화한다. 표준 유전 부호에서 AUA는 아이소류신을 암호화하고 각각의 tRNA(대장균에서 ileX)는 특이한 염기인 리시딘(세균) 또는 아그마티딘(고세균)을 사용하여 AUG를 구별한다.
메티오닌을 암호화하는 AUG는 가장 일반적인 개시 코돈이다. 개시 코돈은 AUG가 코작 공통염기서열일 때 단백질 번역의 개시를 리보솜에 알리는 메세지이다. 결과적으로 메티오닌은 진핵생물과 고세균에서의 번역 과정에서 단백질의 N-말단 위치에 보통 위치하지만, 번역 후 변형에 의해 제거될 수 있다. 세균에서는 "N"-폼일메티오닌 유도체가 개시 아미노산으로 사용된다.
"S"-아데노실메티오닌.
메티오닌 유도체인 "S"-아데노실메티오닌(SAM-e)은 주로 메틸기 공여체로 작용하는 보조 인자이다. "S"-아데노실메티오닌은 메티오닌의 황에 (5' 탄소를 통해) 부착된 아데노실기로 구성되어 있으므로 설포늄 양이온(즉, 3개의 치환기 및 양전하)이 된다. 황은 보통 코발라민(사람의 경우 비타민 B12)과 같은 다른 보조 인자의 도움을 받아 "S"-메틸기가 산소, 질소 또는 방향족 시스템으로 전달되도록 하는 무른 루이스 산(즉, 공여체/친전자체)으로 작용한다. 일부 효소들은 "S"-아데노실메티오닌을 사용하여 라디칼 반응을 시작한다. 이들은 라디칼 "S"-아데노실메티오닌 효소라고 불린다. 메틸기 전이의 결과로 "S"-아데노실호모시스테인이 생성된다. 세균에서 이것은 메틸화에 의해 재생되거나 아데닌과 호모시스테인을 제거하고 회수하여 다이하이드록시펜탄다이온이 자발적으로 자가유도물질-2로 전환되도록 하고, 이는 노폐물/정족수 신호로 배설된다.
필수 아미노산인 메티오닌은 사람과 다른 동물들에서 새로 합성되지 않으며, 따라서 이들은 메티오닌 또는 메티오닌을 함유한 단백질을 섭취해야 한다. 식물과 미생물에서 메티오닌 생합성은 트레오닌 및 리신과 함께 아스파르트산 계열(다이아미노피멜산을 거치지만, α-아미노아디프산은 거치지 않음)에 속한다. 주 골격은 아스파르트산으로부터 유래하고, 황은 시스테인, 메테인싸이올 또는 황화 수소로부터 유래할 수 있다.
시스테인을 사용하는 경로를 황전환 경로라고 하며, 황화 수소(또는 메테인싸이올)을 사용하는 경로를 직접 설퍼릴화 경로(direct-sulfurylation pathway)라고 한다.
시스테인은 유사하게 생성되는데, 활성화된 세린과 호모시스테인(황전환 경로의 역반응) 또는 황화 수소(직접 설퍼릴화 경로)로부터 만들어질 수 있다. 활성화된 세린은 일반적으로 "O"-아세틸-세린(대장균에서 CysK 또는 CysM을 통해)이지만 에로피룸 페르닉스("Aeropyrum pernix") 및 일부 다른 고세균에서는 "O"-포스포세린이 사용된다. CysK 및 CysM은 상동체이지만 PLP 접힘 III형 계통군에 속한다.
황전환 경로.
대장균에서 메티오닌 생합성의 황전환 경로에 관여하는 효소들은 다음과 같다.
기타 생화학적 경로.
포유류는 메티오닌을 합성할 수 없지만 다양한 생화학적 경로에서 메티오닌을 사용할 수 있다.
메티오닌은 (1) 메티오닌 아데노실기전이효소에 의해 "S"-아데노실메티오닌(SAM-e)으로 전환된다.