非タンパク質性アミノ酸

生化学において、非コード化アミノ酸または非タンパク質構成 アミノ酸は、タンパク質の組み立てのために生物のゲノムに自然にコード化されている22 種類のタンパク質構成アミノ酸(真核生物では 21 種類^{[注 1]} ) とは区別されます。ただし、140 種類を超える非タンパク質構成アミノ酸がタンパク質に自然に存在し、さらに数千種類が自然界に存在するか、研究室で合成される可能性があります。^[1]化学的に合成されたアミノ酸は、非天然アミノ酸と呼ばれることがあります。非天然アミノ酸は、アミンアルキル化、側鎖置換、構造結合延長環化、アミノ酸骨格内の等量置換などの修飾を介して、天然類似体から合成できます。^[2]多くの非タンパク質構成アミノ酸が重要です。

• 生合成中間体、
• タンパク質の翻訳後形成において、
• 生理学的役割（例：細菌細胞壁、神経伝達物質、毒素の成分）
• 天然または人工の薬理化合物、
• 隕石中に存在したり、前生物実験（ミラー・ユーリー実験など）に使用されたり、
• γ-アミノ酪酸などの重要な神経伝達物質である可能性がある^[3 ]
• クレアチンなどの細胞エネルギーにおいて重要な役割を果たすことができる。^[4]

技術的には、アミン(–NH ₂ ) およびカルボン酸(–COOH)官能基を持つ有機化合物はすべてアミノ酸です。タンパク質構成アミノ酸は、アミノ基、カルボキシル基、側鎖、および α-水素レボ配座を持つ中心炭素原子 (α- または 2-) を持つこのグループの小さなサブセットです。ただし、アキラルなグリシンと、アミン基が第二級アミンであるプロリンは例外で、イミノではありませんが、伝統的な理由から イミノ酸と呼ばれることがよくあります。

遺伝暗号は、翻訳中にタンパク質に組み込まれる20種類の標準アミノ酸をコード化している。しかし、セレノシステインとピロリシンという2つの余分なタンパク質構成アミノ酸が存在する。これらの非標準アミノ酸には専用のコドンはないが、特定の配列が存在する場合に終止コドンの代わりに追加される。セレノシステインの場合はUGAコドンとSECIS要素、^[5]ピロリシンの場合はUAG PYLIS下流配列。^[6]その他のアミノ酸はすべて「非タンパク質構成」と呼ばれる。

• 
  セレノシステイン。このアミノ酸はβ炭素にセレノール基を含む。
• 
  ピロリシン。このアミノ酸は、リジンのε-アミノ基にカルボキシル化されたピロリン環が結合して形成される。

アミノ酸には様々なグループがある：^[7]

• 20種類の標準アミノ酸
• 22種類のタンパク質構成アミノ酸
• 80種類以上のアミノ酸が非生物的に高濃度で生成される
• 約900は自然経路で生成される
• 118種類以上の人工アミノ酸がタンパク質に組み込まれている

これらのグループは重複しているが、同一ではない。22 種類のタンパク質構成アミノ酸はすべて生物によって生合成され、一部は非生物的でもある（前生物実験や隕石に見られる）。ノルロイシンなどの一部の天然アミノ酸は、タンパク質合成プロセスの不正確さにより、翻訳的にタンパク質に誤って組み込まれる。オルニチンなどの多くのアミノ酸は、生合成によって生成される代謝中間体であるが、翻訳的にはタンパク質に組み込まれない。タンパク質中のアミノ酸残基の翻訳後修飾により、多くのタンパク質性だが非タンパク質構成アミノ酸が形成される。その他のアミノ酸は、非生物混合物にのみ存在する（α-メチルノルバリンなど）。30 種類以上の非天然アミノ酸が人工システムで翻訳的にタンパク質に挿入されているが、生合成ではない。^[7]

有機分子中のさまざまな炭素を区別するためのIUPAC番号体系に加えて、カルボキシル基を形成する炭素も含め、各炭素に順番に番号を割り当てることによって、アミノ酸の側鎖に沿った炭素をギリシャ文字でラベル付けすることもできます。ここで、α炭素はカルボキシル基、側鎖、およびα-アミノ酸の場合はアミノ基を持つ中心のキラル炭素であり、カルボキシル基の炭素はカウントされません。^[8]（したがって、多くの非タンパク質性α-アミノ酸のIUPAC名は2-アミノ-で始まり、-ic acidで終わります。）

天然アミノ酸のほとんどはL配置の α アミノ酸ですが、例外もいくつかあります。

生物の中には、α 以外のアミノ酸も存在します。これらの構造では、アミン基はアミノ酸分子のカルボキシル基末端からさらに離れています。したがって、β アミノ酸は 2 番目の炭素に結合したアミン基を持ち、γ アミノ酸は 3 番目の炭素に結合しています。例としては、β-アラニン、GABA、δ-アミノレブリン酸などがあります。

• 
  β-アラニン：アスパラギン酸1-脱炭酸酵素によって生成されるアミノ酸であり、補酵素A ^[9]やペプチドのカルノシンおよびアンセリンの前駆体である。
• 
  γ-アミノ酪酸（GABA）：動物の神経伝達物質。
• 
  δ-アミノレブリン酸：テトラピロール生合成（ヘム、クロロフィル、コバラミンなど）の中間体。
• 
  4-アミノ安息香酸（PABA）：葉酸生合成の中間体

α-アミノ酸がタンパク質に使用されている理由は、隕石やプレバイオティクス実験におけるその頻度と関連している。^[10]二次構造の観点から見たβ-アミノ酸の有害な特性に関する当初の推測^[10]は誤りであることが判明した。^[11]

一部のアミノ酸は、反対の絶対キラリティー、つまり通常のリボソーム翻訳および転写機構からは得られない化学物質を含む。ほとんどの細菌細胞壁は、互いに架橋された短いオリゴペプチドで架橋されたアミノ糖からなるポリマーであるペプチドグリカンによって形成される。オリゴペプチドは非リボソーム合成され、 D-アミノ酸、一般にD-アラニンおよびD-グルタミン酸を含むいくつかの特性を含む。さらなる特性は、前者はPLP結合酵素（alrまたは相同体dadXによってコードされる）によってラセミ化されるのに対し、後者は補因子非依存酵素（murI ）によってラセミ化されることである。いくつかの変異体が存在し、 Thermotoga spp.にはD-リジンが存在し、特定のバンコマイシン耐性細菌にはD-セリンが存在する（vanT遺伝子）。^{[12] [13]}

すべてのタンパク質構成アミノ酸はα炭素上に少なくとも1つの水素を持っています。グリシンは2つの水素を持ち、他のアミノ酸はすべて1つの水素と1つの側鎖を持っています。残りの水素をメチル基などのより大きな置換基に置き換えると、タンパク質骨格が変形します。^[10]

一部の菌類では、α-アミノイソ酪酸がペプチドの前駆体として生成され、その一部は抗生物質としての性質を示す。^[14]この化合物はアラニンに似ているが、α炭素上に水素の代わりにメチル基が追加されている。そのためアキラルである。α水素を持たないアラニンに似た別の化合物は、メチレン側鎖を持つデヒドロアラニンである。これは、天然に存在するいくつかのデヒドロアミノ酸の1つである。

• 
  アラニン
• 
  アミノイソ酪酸
• 
  デヒドロアラニン

L -α-アミノ酸のサブセットでは、2つの末端のうちどちらがα-炭素であるかが不明瞭である。タンパク質では、システイン残基が別のシステイン残基とジスルフィド結合を形成し、タンパク質を架橋することができる。2つの架橋システインがシスチン分子を形成する。システインとメチオニンは、通常、直接の硫化によって生成されるが、一部の種では、活性化ホモセリンまたはセリンがシステインまたはホモシステインに融合してシスタチオニンを形成する、硫化転移によって生成される。同様の化合物にランチオニンがあり、これはチオエーテル結合でつながった2つのアラニン分子として見られ、さまざまな生物に見られる。同様に、ジェンコール豆由来の植物毒素であるジェンコール酸は、メチレン基でつながった2つのシステインで構成されている。ジアミノピメリン酸は、ペプチドグリカンの架橋剤として使用されるほか、リジンの前駆体（脱炭酸反応による）としても使用されます。

• 
  シスチン
• 
  シスタチオニン
• 
  ランチオニン
• 
  ジェンコール酸
• 
  ジアミノピメリン酸

隕石や生命誕生前の実験（ミラー・ユーリー実験など）では、20種類の標準アミノ酸よりもはるかに多くのアミノ酸が発見されており、そのうちのいくつかは標準よりも高濃度である。アミノ酸ベースの生命が宇宙の他の場所で発生した場合、共通するアミノ酸は75%以下であると推測されている。^[10]最も注目すべき異常は、アミノ酪酸の欠如である。

遺伝暗号は凍結された事故として説明されており、直鎖の標準アミノ酸がアラニンだけである理由は、単にバリン、ロイシン、イソロイシンとの重複によるものである可能性があります。^[10]しかし、直鎖アミノ酸ははるかに安定したαヘリックスを形成することが報告されています。^[15]

• 
  グリシン（水素側鎖）
• 
  アラニン（メチル側鎖）
• 
  ホモアラニン、またはα-アミノ酪酸（エチル側鎖）
• 
  ノルバリン（n-プロピル側鎖）
• 
  ノルロイシン（n-ブチル側鎖）
• 
  ホモノロイシン（n-ペンチル側鎖、ヘプタン酸を示す）

セリン、ホモセリン、O -メチルホモセリン、O -エチルホモセリンは、ヒドロキシメチル、ヒドロキシエチル、O -メチルヒドロキシメチル、O -メチルヒドロキシエチル側鎖を持ち、一方システイン、ホモシステイン、メチオニン、エチオニンはチオール相当物を持つ。セレノール相当物は、セレノシステイン、セレノホモシステイン、セレノメチオニン、セレノエチオニンである。次のカルコゲン下位のアミノ酸も自然界に存在し、硫黄が存在しないアスペルギルス・フミガトゥス、アスペルギルス・テレウス、ペニシリウム・クリソゲナムなどのいくつかの種は、テルロシステインとテルロメチオニンを生成し、タンパク質に組み込むことができる。 ^[16]

細胞、特に独立栄養生物では、いくつかの非タンパク質構成アミノ酸が代謝中間体として見つかります。しかし、PLP 結合酵素の触媒柔軟性にもかかわらず、多くのアミノ酸はケト酸(4-メチル-2-オキソペンタノエートからロイシンなど) として合成され、最終段階でアミノ化されるため、非タンパク質構成アミノ酸中間体の数はかなり少なく抑えられます。

オルニチンとシトルリンは、アミノ酸分解の一部である尿素回路で発生します（下記参照）。^[17]

一次代謝に加えて、いくつかの非タンパク質構成アミノ酸は、小さな化合物または非リボソームペプチド（いくつかの毒素など）を作るための二次代謝の前駆体または最終生成物です。

タンパク質構成アミノ酸として遺伝コードにコード化されていないにもかかわらず、一部の非標準アミノ酸はタンパク質中に存在します。これらは、標的タンパク質に存在する標準アミノ酸の側鎖の翻訳後修飾によって形成されます。これらの修飾は、タンパク質の機能や調節に不可欠な場合が多くあります。たとえば、γ-カルボキシグルタミン酸では、グルタミン酸のカルボキシル化によりカルシウム陽イオンの結合が改善されます。^[18]また、ヒドロキシプロリンでは、プロリンの水酸化が結合組織の維持に重要です。^[19]もう 1 つの例は、リジン残基の修飾による翻訳開始因子 EIF5A のヒプシンの形成です。[ 20 ]このよう^{な修飾は、タンパク質の局在を決定することもできます。たとえば、長い疎水性基を追加すると、タンパク質が}リン脂質膜に結合する可能性があります。^[21]

• 
  カルボキシグルタミン酸。グルタミン酸は 1 つの γ-カルボキシル基を持ちますが、カルボキシグルタミン酸は 2 つ持っています。
• 
  ヒドロキシプロリン。このイミノ酸は、炭素 4 位にヒドロキシル基があるためプロリンと異なります。
• 
  ヒプシン。このアミノ酸は、リジンのε-アミノ基に4-アミノブチル基（スペルミジンから得られる）を付加することによって得られる。
• 
  ピログルタミン酸

アミノマロン酸がタンパク質中に誤って存在する可能性があるという予備的な証拠がいくつかある。^{[22] [23]}

いくつかの非タンパク質構成アミノ酸は、チアリジンなどのタンパク質構成アミノ酸の特定の特性を模倣する能力のために毒性があります。キスカル酸、カナバニン、アゼチジン-2-カルボン酸など、一部の非タンパク質構成アミノ酸は、神経伝達物質として使用されるアミノ酸（つまり、タンパク質の生合成に使用されないアミノ酸）を模倣することで神経毒性を示します。 ^[24] セファロスポリンCは、セファロスポリン部分でアミド化されたα-アミノアジピン酸（ホモグルタミン酸）骨格を持っています。^[25] ペニシラミンは治療用アミノ酸ですが、その作用機序は不明です。

• 
  チアリジン
• 
  キスカル酸
• 
  カナバニン
• 
  アゼチジン-2-カルボン酸
• 
  セファロスポリンC
• 
  ペニシラミン

天然に存在するシアノトキシンには、非タンパク質構成アミノ酸も含まれることがあります。たとえば、ミクロシスチンとノジュラリンは、どちらもβ-アミノ酸である ADDAから生成されます。

タウリンはアミノスルホン酸であり、アミノカルボン酸ではありませんが、特定の生物（猫など）の栄養要求性を抑制するために必要な量が、ビタミン（補因子栄養要求性）よりも「必須アミノ酸」（アミノ酸栄養要求性）の量に近いため、アミノカルボン酸として考慮されることがあります。

オスモライトであるサルコシンとグリシンベタインはアミノ酸から派生していますが、それぞれ第二級アミンと四級アミンを持っています。

• ジカルボン酸