Aminokwasy biogenne niebiałkowe – jakie mogą spełniać funkcje?

Aminokwasy, inaczej kwasy aminowe, to organiczne związki chemiczne, które zawierają grupę zasadową (aminową) i kwasową (najczęściej karboksylową, -COOH). Aminokwasy możemy podzielić na syntetyczne i naturalne – aminokwasy biogenne, które z kolei dzielimy na białkowe i niebiałkowe. Jak wskazuje ich nazwa, aminokwasy białkowe wchodzą w skład białek organizmu człowieka, natomiast niebiałkowe – pełnią inne funkcje. Przyjrzyjmy się dokładnie, jaki jest podział aminokwasów, jakie są podstawowe aminokwasy białkowe i niebiałkowe oraz jakie mają zastosowania.

Właściwości aminokwasów

Jak już wspomniano, wszystkie aminokwasy dzielimy na białkowe i niebiałkowe. Te pierwsze posiadają zdolność tworzenia wiązań peptydowych, formując struktury białkowe. Występują one w formie α-aminokwasów. W warunkach fizjologicznego pH aminokwasy występują najczęściej w postaci jonu obojnaczego.

Aminokwasy niebiałkowe nie mają zdolności tworzenia białek, jednak również mogą się w nich znajdować. Nie tworzą ich w sposób bezpośredni, ale mogą być do nich wbudowywane na drodze modyfikacji potranslacyjnych. Dotyczy to ok. 140 aminokwasów niebiałkowych. Dodane w ten sposób aminokwasy spełniają ważne role w białku, np. determinując jego lokalizację w komórce, dając mu możliwości wiązania do błony fosfolipidowej czy do kationów wapniowych, a także różne inne właściwości determinujące funkcje danego białka.

Aminokwasy niebiałkowe mogą jednak pełnić odrębne role, nie będąc częścią białek. Tak jest w przypadku kwasu GABA, który pełni rolę neurotransmitera. Mogą spełniać także role pośrednie w cyklach metabolicznych standardowych aminokwasów – przykładem jest cytrulina biorąca udział w cyklu mocznikowym.

Podział aminokwasów

Wyróżniamy kilkaset aminokwasów. Spośród nich jedynie 20-23 to podstawowe aminokwasy białkowe. Wszystkie aminokwasy białkowe to: alanina, cysteina, kwas asparaginowy i glutaminowy, fenyloalanina, glicyna, histydyna, izoleucyna, lizyna, leucyna, metionina, asparagina, prolina, glutamina, arginina, seryna, treonina, walina, tryptofan i tyrozyna. Często wymienia się także selenocysteinę i pirolizynę.

Aminokwasy białkowe możemy podzielić ze względu na: polarność ich łańcucha bocznego, ich charakter chemiczny, finalny produkt ich rozkładu lub też ze względu na to, czy możliwa jest ich synteza w organizmie człowieka (aminokwasy endogenne), czy istnieje konieczność dostarczenia tych aminokwasów z zewnątrz (aminokwasy egzogenne).

Podział ten dotyczy standardowych aminokwasów powstających w drodze translacji. Są to aminokwasy pierwszorzędowe, czyli zawierające pierwszorzędową grupę aminową (-NH₂). Aminokwasy drugo- i trzeciorzędowe powstają na drodze potranslacyjnych modyfikacji. Zawierają one odpowiednio drugo- (-NHR) lub trzeciorzędową (-NR₃⁺) grupę aminową.

Ważne aminokwasy niebiałkowe

Aminokwasy niebiałkowe występują zarówno w organizmie człowieka, innych zwierząt, jak i roślin oraz mikroorganizmów. Istotne dla człowieka aminokwasy niebiałkowe to na przykład:

• karnityna – bierze udział w transporcie kwasów tłuszczowych w komórce, głównie w mięśniach;
• GABA (kwas gamma-aminomasłowy) – jest neuroprzekaźnikiem o działaniu hamującym;
• lewotyroksyna – jest niezbędnym hormonem produkowanym przez tarczycę;
• hydroksyprolina (Hyp) – stanowi główny składnik kolagenu, decydując o jego wytrzymałości mechanicznej;
• hydroksylizyna (Hyl) – występuje w białkach tworzących tkankę łączną, np. w kolagenie;
• cystyna – uczestniczy w stabilizacji struktury białek przez udział w tworzeniu mostków dwusiarczkowych;
• selenometionina (SeMet) – występuje w orzechach brazylijskich, ziarnach zbóż, soi i roślinach strączkowych; jest źródłem selenu dla człowieka;
• cytrulina – jest pochodną ornityny, wraz z nią bierze udział w cyklu mocznikowym, wraz z kwasem jabłkowym może stymulować tlenowe wytwarzanie energii przez mięśnie podczas wysiłku;
• beta-alanina – jest składnikiem związków biologicznie czynnych w organizmie człowieka: karnozyny, kwasu pantotenowego, baleniny i anseryny (antyoksydantu);
• sarkozyna – występuje w mięśniach ssaków oraz w antybiotykach (np. w aktynomycynie).

W roślinach występuje wiele aminokwasów niebiałkowych mających dla nich istotne znaczenie, np. biorących udział w mechanizmach ochronnych przeciwko roślinożercom (tzw. antyfidanty), jak kanawanina czy mimozyna. Beta-alanina również występuje w roślinach i mikroorganizmach – jest używana do syntezy kwasu pantotenowego (witaminy B5), który jest składnikiem koenzymu A odgrywającego kluczową rolę w metabolizmie. Niektóre aminokwasy niebiałkowe produkowane przez bakterie są antybiotykami, np. cykloseryna.

Zastosowanie aminokwasów niebiałkowych

Aminokwasy są szeroko stosowane jako suplementy diety czy składniki pasz zwierzęcych, jednak nie są to jedyne obszary ich użycia.

Leki i suplementy diety

Jako leki stosuje się na przykład takie aminokwasy, jak:

• GABA – jego działanie może być wzmocnione przez zastosowanie takich leków, jak benzodiazepiny czy barbiturany, przez co osiąga się działanie uspokajające, usypiające, rozluźniające mięśnie i przeciwdrgawkowe;
• lewotyroksyna – syntetyczna L-tyroksyna jest stosowana u osób z niedoczynnością tarczycy;
• L-DOPA (L-dihydroksyfenoalanina) – używana w lekach stosowanych w chorobie Parkinsona;
• eflornityna – stosowana w leczeniu śpiączki afrykańskiej i hirsutyzmu;
• cykloseryna – stosowana jako antybiotyk przeciwko gruźlicy;
• penicylamina – jej właściwości chelatujące są wykorzystywane w zatruciach metalami ciężkimi, dodatkowo jest stosowana w układowych chorobach tkanki łącznej (np. reumatoidalnym zapaleniu stawów), chorobie Wilsona i cystynurii.

Suplementy natomiast stanowią takie aminokwasy niebiałkowe, jak:

• selenometionina – występuje w postaci suplementu dostarczającego selen w dobrze przyswajalnej formie organicznej;
• 5-HTP (5-hydroksytryptofan) – występuje w suplementach diety wspierających osoby z depresją;
• beta-alanina – jest składnikiem karnozyny występującej w mięśniach, która redukuje zmiany pH powstające przez produkcję kwasu mlekowego w mięśniach w trakcie wysiłku; beta-alanina jako składnik odżywek i kreatyny dla sportowców redukuje zmęczenie fizyczne i zwiększa potencjał wysiłkowy;
• tauryna – składa się z metioniny i cysteiny, wpływa pozytywnie na funkcje widzenia oraz na wątrobę, utratę tkanki tłuszczowej, obniżenie ciśnienia krwi, a także podnosi poziom energii.

Żywienie zwierząt i rolnictwo

Aminokwasy mogą być dodawane do pasz dla zwierząt, które nie zawierają wszystkich niezbędnych aminokwasów. Pasza na bazie takich roślin, jak soja, może zawierać niedostateczną ilość lizyny, metioniny, treoniny czy tryptofanu, które należy uzupełnić. Dodatek aminokwasów może też służyć do chelatowania kationów metali w celu poprawy wchłaniania minerałów z suplementów paszowych. W podobny sposób można wykorzystywać dodatek aminokwasów do nawozów, aby ułatwić dostarczanie roślinom minerałów i zapobiegać ich niedoborom.

Przemysł spożywczy

W przemyśle spożywczym aminokwasy są wykorzystywane głównie jako wzmacniacze smaku oraz substancje dodawane w celu zapobiegania niedoborom minerałów czy poprawy ich wchłaniania. Szczególnie istotne jest to w przypadku żywności funkcjonalnej i przeznaczonej dla określonych grup, np. sportowców czy osób niedożywionych. Aspartylofenyloalanina jest ponadto stosowana do produkcji sztucznego słodzika – aspartamu. Tauryna natomiast jest stosowana jako dodatek do napojów energetycznych.

Nowe technologie i inne zastosowania

Eksploruje się potencjalne zastosowanie aminokwasów w budownictwie do tworzenia tanich elementów budulcowych drogą syntezy asymetrycznej. Znana jest również rola aminokwasów jako składników polimerów biodegradowalnych stosowane m.in. w medycynie czy do produkcji przyjaznych dla środowiska opakowań – przykładem jest tu poliasparaginian.

Aminokwasy niebiałkowe służą także do produkcji kosmetyków, które zawierają substancje aktywne. Niektóre aminokwasy niebiałkowe mają działanie antyoksydacyjne, a także są prekursorami kolagenu, co jest pożądane w produktach przeciwko starzeniu się skóry.

Aminokwasy stosuje się też w badaniach nad strukturą enzymów czy syntezą peptydów – przykładem jest tu homoseryna, która służy także jako prekursor syntezy izobutanolu i 1,4-butanodiolu.

W medycynie duże znaczenie ma np. homocysteina, której poziom we krwi jest markerem ryzyka chorób układu krążenia, takich jak: choroba wieńcowa, zakrzepica, zawały serca i udary mózgu, a także ryzyka poronień.

Dodatkowo obecność aminokwasów niebiałkowych stwierdzono w meteorytach, co zainspirowało badaczy to przeprowadzania eksperymentów dotyczących pochodzenia życia i alternatywnych procesów biochemicznych.

Produkcja aminokwasów biogennych

Niektóre aminokwasy występują w formie jedynie syntetycznej. Aminokwasy biogenne natomiast mogą być produkowane poprzez syntezę chemiczną lub biosyntezę. Niektóre z nich pozyskuje się w procesie fermentacji przy zastosowaniu wysokowydajnych szczepów odpowiednich bakterii. Procesy wytwarzania aminokwasów znacznie ułatwiło wprowadzenie do użytku enzymów i biokatalizatorów pełnokomórkowych. Roczne tempo przyrostu rynku aminokwasów wynosi 5-7%.