为什么只有20种天然氨基酸?

食物 6个月前 (04-26) 68次浏览

我们知道20个氨基酸对于蛋白质的结构和功能是必要的和充分的。一年级的生物化学学生必须记住所有的名字和结构,他们认为20是很多而不是很少。这个工具包当然似乎足以做这项工作,特别是当蛋白质和酶的功能范围可以大大增加与结合金属和辅因子。线粒体电子传递链是这一原理的一个重要组成部分。氨基酸残基很容易被翻译后修饰以增加更多的多样性。

为什么只有20种天然氨基酸?

增加蛋白质组氨基酸库会得到什么?也许有了更大的工具箱,细胞可以制造出更复杂的蛋白质,但代价是什么呢?

对于大肠杆菌这样的原核生物来说,最重要的进化原则是平衡DNA复制、转录和翻译的准确性与所有这些过程发生的速度。要在指令库中添加一个新的氨基酸,例如一个新的支链氨基酸(除了val, leu ileu),将需要两个新的长路径进行合成和降解。伴随通路的基因,一个新的转移RNA和一个新的氨酰基- tRNA合成酶酶。

然后是基因调控的成本。当E。大肠杆菌是在最小的培养基上生长的,这意味着葡萄糖是碳源,氨是氮源,细胞必须以某种方式合成所有氨基酸的正确比例。添加一个更昂贵的氨基酸会使这个复杂的工作变得更加复杂。

扩展工具包的另一个缺点是,一旦细胞用这种新的氨基酸合成了数百种蛋白质,细胞就永远依赖于它。它在进化上更不合适,而不是更合适。

氨基酸在细胞中起着许多重要的作用。它们不仅是蛋白质的构建块,而且是所有含氮分子的前体,如嘌呤和嘧啶、卟啉、门苯类脂头基团、维生素/辅因子和信号分子。

可以认为,细胞必须合成丙氨酸、精氨酸、天门冬氨酸、半胱氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、组氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、丝氨酸、色氨酸和酪氨酸,即使它们不是用来构建蛋白质的。

为了说明这一点,丝氨酸被用作膜脂磷脂酰丝氨酸头部组的一部分。它也是乙醇胺和胆碱合成的前体,磷脂酰乙醇胺和磷脂酰胆碱的头基组分。

丝氨酸的大小决定了所有这些头族成分的大小,这不是微不足道的,因为头族的大小影响脂类的物理性质。

同时,丝氨酸是叶酸单碳基最重要的供体,形成N5-、N10亚甲基四氢叶酸。一个碳的新陈代谢对于细胞内无数的反应是必不可少的。

半胱氨酸最著名的作用是在蛋白质结构,形成二硫键。但它也是谷胱甘肽的关键成分,谷胱甘肽是用来保护细胞免受自由基伤害的分子。

从进化的角度来看,细胞选择那些能扮演尽可能多角色的氨基酸是有意义的。只要有可能,这些途径应该是短而廉价的。这就是所谓的非必需氨基酸的情况。

与任何工程项目(请原谅这个比喻)一样,随着最终设计规格的增加,材料的选择逐渐减少到少数。


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