21.7
חומצות אמינו הן המונומרים המרכיבים חלבונים. לכל חומצת אמינו יש אותו מבנה בסיסי, המורכב מאטום פחמן מרכזי, או פחמן אלפא (α), הקשור לקבוצת אמינו (NH2), ק…
חומצות אמינו הן תרכובות אורגניות העשויות בעיקר מפחמן, ממימן, מחמצן ומחנקן. למרות שקיימות מאות חומצות אמינו, 20 מתוכן מתפקדות כאבני בניין של חלבונים. שמותיהן של 20 חומצות אמינו אלה לעיתים קרובות מקוצרים לשלוש אותיות או לאות אחת.
לכל חומצות האמינו יש פחמן מרכזי שנקרא פחמן אלפא, המתפקד כמרכז כיראלי ברוב חומצות אמינו. הוא מקושר לקבוצת אמינו, קבוצת קרבוקסיל, אטום מימן וקבוצת R משתנה. למולקולה כיראלית יש ארבע קבוצות מובחנות המאורגנות סביב אטום מסוים, המכונה המרכז הכיראלי.
כיוון שמימן הוא קבוצת ה-R של גליצין, אין לו ארבע קבוצות שונות ולכן אין לו מרכז כיראלי. ארבע קבוצות אלה יכולות ליצור שתי תצורות שונות או סטראואיזומרים הנקראים איזומרים L ו-D. איזומרים אלה הם תמונות ראי ואינם יכולים לחפוף זה את זה.
חומצות אמינו המשמשות ביצירית חלבון הן תמיד איזומרים-L. קבוצת האמין בחומצות אמינו יכולה לשמש כבסיס ולקבל פרוטון, מה שיוצר מטען חיובי, בעוד שקבוצת קרבוקסיל יכולה לשמש כחומצה ולתרום פרוטון, מה שיוצר מטען שלילי. ב-pH פיזיולוגי, חומצות אמינו בדרך כלל מתקיימות עם מטען כפול ונקראות צוויטריונים, מולקולות עם מספר שווה של מטענים חיוביים ושליליים.
לכל חומצת אמינ ו יש קבוצת R ייחודית האחראית לתכונות המשתנות שלה, הכוללות גודל, מסיסות ומטען. חומצות אמינו מסווגות באופן כללי לשתי קטגוריות לפי קבוצות R שלהן:חומצות לא קוטביות וקוטביות. חומצות אמינו לא קוטביות נחלקות לאליפטיות ולארומטיות.
חומצות אמינו קוטביות נחלקות לחומציות, לבסיסיות וללא טעונות, בעלות pH ניטרלי. קבוצות אליפטיות הן פחמימנים בעלי קשר יחיד המתקיימים כשרשראות ישרות, מסועפות או טבעתיות. חומצות אמינו עם קבוצות R אליפטיות הן גליצין, חומצת אמינו הפשוטה ביותר;אלנין, ולין, לאוצין ואיזולאוצין, שהן הידרופוביות ביותר ונקשרות זו לזו ליצירת מבנה ליבה יציב בחלבונים;מתיונין, חומצת אמינו המכילה גופרית;ופרולין, בעלת טבעת אליפטית.
קבוצות ארומטיות הן פחמימנים המתקיימים כטבעות לא רוויות עם קשרים יחידים וכפולים לסירוגין. חומצות אמינו הארומטיות הן פנילאלנין, טירוזין וטריפטופן, כולן גדולות ומסוגלות להשתתף באינטראקציות הידרופוביות. חומצות האמינו החומציות הן אספרטט וגלוטמט.
יש להן קבוצות קרבוקסיל התורמות פרוטון כדי להפוך לטעונות במטען שלילי. חומצות האמינו הבסיסיות הן ליזין, ארגינין והיסטידין. יש להן קבוצות אמינו בשרשראות הצדדיות שלהן שמקבלות פרוטון וכך נטענות במטען חיובי.
חומצות האמינו הקוטביות הלא טעונות הן סרין, תראונין, ציסטאין, אספרגין וגלוטמין. הן הידרופיליות ומכילות קבוצות פונקציונליות קוטביות שונות:קבוצות הידרוקסיל בסרין ותראונין, קבוצת סולפידריל בציסטין וקבוצות אמיד באספרגין ובגלוטמין.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What are the four groups attached to the alpha carbon in amino acids?
The alpha carbon in amino acids is bonded to four distinct groups: an amino group, a carboxyl group, a hydrogen atom, and a variable R group. These four groups arrange around the alpha carbon, which functions as a chiral center for most amino acids. The R group differs for each amino acid, determining its unique chemical properties and characteristics.
Q2: Why is glycine considered an exception among amino acids?
Glycine is the simplest amino acid because its R group is just a hydrogen atom, not a more complex side chain. Since it has only three distinct groups attached to its alpha carbon instead of four, glycine lacks a chiral center. This makes glycine unique among the twenty common amino acids used in protein synthesis.
Q3: What is a zwitterion and how do amino acids form them?
A zwitterion is a molecule with an equal number of positive and negative charges. At physiological pH, amino acids exist as zwitterions because the amino group accepts a proton and becomes positively charged, while the carboxyl group donates a proton and becomes negatively charged. This dual-charged state is the typical form of amino acids in living cells.
Q4: How do nonpolar and polar amino acids differ in their R groups?
Nonpolar amino acids have hydrophobic R groups that are either aliphatic or aromatic hydrocarbons. Polar amino acids have hydrophilic R groups containing functional groups like hydroxyl, sulfhydryl, or amide groups. The chemical nature of the R group determines whether an amino acid is acidic, basic, polar, or nonpolar, directly affecting its behavior in proteins.
Q5: What makes aromatic amino acids distinct from aliphatic amino acids?
Aromatic amino acids like phenylalanine, tyrosine, and tryptophan have R groups containing unsaturated rings with alternating single and double bonds. Aliphatic amino acids like glycine, alanine, and valine have single-bonded hydrocarbon R groups arranged as straight, branched, or cyclic chains. Both types are nonpolar and hydrophobic, but aromatic amino acids are larger and participate in hydrophobic interactions.
Q6: How do acidic and basic amino acids differ in their charge properties?
Acidic amino acids like aspartate and glutamate have carboxyl groups on their R groups that donate protons, becoming negatively charged. Basic amino acids like lysine, arginine, and histidine have amino groups on their side chains that accept protons, becoming positively charged. These charged R groups enable amino acids to participate in ionic interactions and affect protein structure and function.
Q7: Why are L-isomers the only amino acids used in protein synthesis?
Amino acids exist as L and D isomers, which are stereoisomers and mirror images that cannot be superimposed on each other. Proteins exclusively use L-isomers because biological systems evolved to recognize and incorporate only this configuration during protein synthesis. This specificity ensures consistent protein structure and function across all living organisms.