آمینو اسیدها: ساختار، طبقه بندی و عملکرد آن ها

آمینو اسیدها مولکول های آلی هستند که وقتی به هم متصل می شوند، پروتئین ها را شکل می دهند. آمینو اسیدها برای حیات ضروری هستند زیرا پروتئین هایی که تشکیل می دهند در تقریباً تمامی عملکردهای سلولی درگیر هستند. برخی پروتئین ها به عنوان آنزیم عمل می کنند، برخی دیگر به عنوان پادتن و گروهی دیگر برای فراهم کردن حمایت ساختاری وجود دارند. هرچند که صدها آمینو اسید در طبیعت وجود دارد، پروتئین ها از مجموعه ای از ۲۰ آمینو اسید ساخته می شوند. طبقه بندی آمینو اسیدها بستگی به عملکردهایی دارد که در بدن انسان دارند.

نکات کلیدی

• تقریباً تمامی عملکردهای سلولی شامل پروتئین ها هستند. این پروتئین ها از مولکول های آلی به نام آمینو اسیدها تشکیل شده اند.
• با وجود اینکه آمینو اسیدهای مختلفی در طبیعت وجود دارند، پروتئین های ما از ۲۰ آمینو اسید تشکیل می شوند.
• از نظر ساختاری، آمینو اسیدها معمولاً از یک اتم کربن، یک اتم هیدروژن، یک گروه کربوکسیل به همراه یک گروه آمین و یک گروه متغیر تشکیل شده اند.
• براساس گروه متغیر، طبقه بندی آمینو اسیدها به چهار دسته می رسد: غیرقطبی، قطبی، باردار منفی و باردار مثبت.
• از مجموعه ۲۰ آمینو اسید، یازده عدد می توانند به طور طبیعی توسط بدن ساخته شوند و به آن ها آمینو اسیدهای غیرضروری گفته می شود. آمینو اسیدهایی که نمی توانند به صورت طبیعی توسط بدن تولید شوند، آمینو اسیدهای ضروری نامیده می شوند.

ساختار

ساختار پایه آمینو اسید: کربن آلفا، اتم هیدروژن، گروه کربوکسیل، گروه آمین و گروه "R" (زنجیره جانبی).

عموماً آمینو اسیدها خواص ساختاری زیر را دارند:

• یک کربن (کربن آلفا)
• یک اتم هیدروژن (H)
• یک گروه کربوکسیل (-COOH)
• یک گروه آمین (-NH2)
• یک گروه "متغیر" یا گروه "R"

تمامی آمینو اسیدها یک کربن آلفا متصل به یک اتم هیدروژن، گروه کربوکسیل و گروه آمین دارند. گروه "R" بین آمینو اسیدها متفاوت است و تفاوت های این مونومرهای پروتئینی را تعیین می کند. توالی آمینو اسیدهای یک پروتئین بر اساس اطلاعاتی که در کد ژنتیکی سلول وجود دارد، تعیین می شود. کد ژنتیکی توالی بازهای نوکلئوتیدی در اسیدهای نوکلئیک (DNA و RNA) است که برای آمینو اسیدها کد می دهد. این کدهای ژنی نه تنها ترتیب آمینو اسیدها در یک پروتئین را تعیین می کنند، بلکه ساختار و عملکرد پروتئین را نیز مشخص می کنند.

طبقه بندی آمینو اسیدها

آمینو اسیدها می توانند بر اساس خواص گروه "R" در هر آمینو اسید به چهار گروه کلی طبقه بندی شوند. آمینو اسیدها می توانند قطبی، غیرقطبی، باردار مثبت یا باردار منفی باشند. آمینواسیدهای قطبی دارای گروه های "R" هیدروفیلیک هستند، به این معنی که به دنبال تماس با محلول های آبی هستند. آمینو اسیدهای غیرقطبی در مقابل (هیدروفوبیک) هستند، به این معنی که از تماس با مایع دوری می کنند. این تعاملات نقش عمده ای در چینش پروتئین ها و ساختار سه بعدی آن ها ایفا می کنند. در زیر لیستی از ۲۰ آمینو اسید که بر اساس خواص گروه "R" آنها گروه بندی شده اند، آورده شده است. آمینو اسیدهای غیرقطبی هیدروفوبیک هستند، در حالی که گروه های باقی مانده هیدروفیلیک هستند.

آمینو اسیدهای غیرقطبی

• Ala: آلانین Gly: گلیسین Ile: ایزولوسین Leu: لوسین
• Met: متیونین Trp: تریپتوفان Phe: فنیل آلانین Pro: پرولین
• Val: والین

آمینو اسیدهای قطبی

• Cys: سیستئین Ser: سرین Thr: ترئونین
• Tyr: تیروزین Asn: آسپاراژین Gln: گلوتامین

آمینو اسیدهای قطبی پایه (باردار مثبت)

• His: هیستیدین Lys: لیزین Arg: آرژینین

اسیدهای آمینه قطبی و اسیدی (بار منفی)

• آسپ: آسپارتات گلوت: گلوتامات

در حالی که اسیدهای آمینه برای زندگی ضروری هستند، همه آن ها نمی توانند به طور طبیعی در بدن تولید شوند. از 20 نوع اسید آمینه، 11 نوع به طور طبیعی تولید می شوند. این اسیدهای آمینه غیراجباری شامل آلانین، آرژنین، آسپاراژین، آسپارتات، سیستئین، گلوتامات، گلوتامین، گلیسین، پرولین، سرین و تیروزین هستند. به جز تیروزین، اسیدهای آمینه غیراجباری از محصولات یا واسطه های مسیرهای متابولیکی حیاتی ساخته می شوند. به عنوان مثال، آلانین و آسپارتات از مواد تولید شده در طول تنفس سلولی به دست می آیند. آلانین از پیروات، که محصولی از گلیکولیز است، سنتز می شود و آسپارتات از اگزالوآستات، که واسطه ای از چرخه اسید سیتریک است، سنتز می شود. شش نوع از اسیدهای آمینه غیراجباری (آرژنین، سیستئین، گلوتامین، گلیسین، پرولین و تیروزین) تحت عنوان غیرضروری مشروط شناخته می شوند زیرا ممکن است در طی یک بیماری یا در کودکان به مکمل های غذایی نیاز باشد. اسیدهای آمینه ای که نمی توانند به طور طبیعی تولید شوند، اسیدهای آمینه ضروری نامیده می شوند. آن ها شامل هیستیدین، ایزولوسین، لوسین، لیزین، متیونین، فنیل آلانین، ترئونین، تریپتوفان و والین هستند. اسیدهای آمینه ضروری باید از طریق رژیم غذایی تأمین شوند. منابع غذایی رایج برای این اسیدهای آمینه شامل تخم مرغ، پروتئین سویا و ماهی سفید هستند. برخلاف انسان ها، گیاهان قادر به سنتز همه 20 اسید آمینه هستند.

اسیدهای آمینه و سنتز پروتئین

در طول رونویسی، رشته های RNA پیام رسان (mRNA) سنتز و توسط ریبوزوم ها ترجمه می شوند.

DR ELENA KISELEVA/Getty Images

پروتئین ها از طریق فرآیندهای رونویسی و ترجمه DNA تولید می شوند. در سنتز پروتئین، ابتدا DNA رونویسی یا کپی می شود و به RNA تبدیل می شود. RNA حاصل یا انتقال دهنده RNA (mRNA) سپس برای تولید اسیدهای آمینه از کد ژنتیکی رونویسی شده ترجمه می شود. ارگانل هایی به نام ریبوزوم و یک مولکول RNA دیگر به نام RNA انتقالی به ترجمه mRNA کمک می کنند. اسیدهای آمینه حاصل از طریق سنتز ادهیدراسیون به هم پیوند می خورند، فرآیندی که در آن پیوند پپتیدی بین اسیدهای آمینه تشکیل می شود. یک زنجیره پلی پپتید زمانی تشکیل می شود که تعداد زیادی از اسیدهای آمینه به وسیله پیوندهای پپتیدی به هم متصل شوند. پس از چند تغییر، زنجیره پلی پپتید به یک پروتئین کاملاً عملکردی تبدیل می شود. یک یا چند زنجیره پلی پپتیدی که به شکل 3 بعدی پیچیده شده اند، یک پروتئین را تشکیل می دهند.

پلیمرهای زیستی

در حالی که اسیدهای آمینه و پروتئین ها نقش اساسی در بقای موجودات زنده دارند، پلیمرهای زیستی دیگری نیز وجود دارند که برای عملکرد طبیعی بیولوژیکی ضروری هستند. همراه با پروتئین ها، کربوهیدرات ها، لیپیدها و نوکلیک اسیدها چهار کلاس اصلی ترکیبات آلی در سلول های زنده را تشکیل می دهند.