Proliin

• Brutovalem: C₅H₉NO₂
• Molekulmass: 115 Da
• CAS-number: L-proliini puhul 147-85-3, D-proliini puhul 344-25-2
• Lahustuvus vees: 162 g/l
• Protoneeritud aminorühma pK_a väärtus: 10,60–10,64
• Karboksüülrühma pK_a väärtus: 1,95–1,99
• Isoelektriline punkt (pI väärtus): 6,30
• Oktanooli-vee jaotuskoefitsiendi kümnendlogaritm (logP väärtus): -2,54

Andmete allikad:^[4][5][6][7]

Kuna proliini struktuur on tsükliline, siis vaba pöörlemine lämmastiku ja alfa-süsiniku vahelise üksiksideme ümber on takistatud. Tulemuseks on proliini stabiilsete konformatsioonide arv oluliselt väiksem kui teiste looduslike aminohapete puhul. Näiteks varieeruvad nn Ramachandrani graafiku alusel kahetahulise nurga φ väärtused proliini puhul üsna kitsas vahemikus (−63 ± 15 kraadi), samas kui teiste aminohapete puhul omab φ väärtusi kahes laiemas vahemikus (−135 kuni −45 ja 45 kuni 90 kraadi). Lisaks proliinile endale, limiteerib Pro jääk oma tsüklilise struktuuri tõttu peptiidide koosseisus ka eelneva aminohappejäägi konformatsioonide arvu.^[8][9][10]

Teiselt poolt esineb proliinijääke sisaldavate peptiidide korral väike erinevus peptiidsideme cis- ja trans-konfiguratsiooni stabiilsuses (vaadeldes peptiidsidet Pro ja sellele eelneva aminohappejäägi vahel). Kui enamike aminohapete puhul on trans-konfiguratsioon üle 1000 korra eelistatum, siis Pro sisaldavate peptiidide puhul on trans-konfiguratsiooni esinemise tõenäosus vaid 4 korda suurem. Sellest tingituna esineb Pro sageli valgu struktuuri nendes osades, kus on vajalik ahela järsk pööre, või nendes osades, kus eelnev sekundaarne struktuur (näiteks alfa-heeliks või beeta-leht) peab asenduma ilma sekundaarstruktuurita, paindliku aasaga. Seevastu ei osale Pro ise enamasti sekundaarsete struktuuride koosseisus, välja arvatud nn polüproliin-heeliksite puhul (vt allpool).^[11][12]

Kuigi Pro olemasolu primaarjärjestuses aitab kaasa valkude korrektsele voltumisele, siis valgu primaarjärjestuse sünteesi käigus ribosoomil on Pro lisamine ahelasse sünteesi aeglustav faktor. Samuti aeglustub ka järgmise aminohappejäägi lisamine proliinijäägiga lõppeva sünteesitava järjestuse sisse. Sünteesi aeglustumine on tingitud asjaolust, et oma ruumilise struktuuri tõttu ei sobitu tRNA-ga seotud proliin ega valguahelasse lisatud proliin ribosoomi vastavatesse taskutesse, mis raskendab Pro sobivat suunamist muu ahela või uue sissetuleva tRNA-ga seotud aminohappejäägi suhtes.^[1]

Samas raskendab Pro ruumiline struktuur ka proliinijääki sisaldava peptiidahela seondumist proteaasidega, mistõttu Pro sisaldavad peptiidid on üldiselt bioloogiliselt üsna stabiilsed. Elusorganismides ja isegi mõningatel viirustel on aga olemas spetsialiseerunud proteaasid, mis keskenduvad just Pro-sisaldavate peptiidsidemete lagundamisele.^[13][14][15]

Polüproliin-heeliks (PP) on spiraalikujuline L-Pro jääkidest koosnev sekundaarne struktuur, mille puhul eristatakse kaht tüüpi: nn paremakäeline PP-I, mis on vähem levinud ja kus Pro vaheline peptiidside on süstemaatiliselt cis-konfiguratsioonis, ja nn vasakukäeline PP-II, mis on levinum ja kus Pro vaheline peptiidside on süstemaatiliselt trans-konfiguratsioonis. Valguheeliksi käelisust määratakse vastavalt sellele, kas heeliksi voltumine N-terminaali poolt C-terminaali poole liikudes toimub kellaosuti liikumise suunas (paremakäeline) või vastu kellaosuti liikumise suunda (vasakukäeline). PP on struktuurselt jäik ning hästi defineeritud geomeetriaga: iga lisatud Pro kohta kasvab spiraali pikkus 3,1 Å võrra. Kuigi PP-d leidub ka looduslikes valkudes, kasutatakse seda sageli n-ö kunstlikult disainitud geneetiliselt kodeeritud konstruktides, kui eesmärgiks on jäigalt fikseerida konstrukti N- ja C-terminaali vahekaugused. Näiteks kasutatakse PP-d koos külgnevate fluorestseeruvate valkudega sageli Försteri raadiuse hindamiseks.^[16][17][18]

Nii taimed kui ka loomad on võimelised sünteesima proliini, lähtudes L-glutamaadist. Selleks oksüdeeritakse ensüümide vahendusel glutamaadi külgahelas asuv karboksüülrühm aldehüüdiks, misjärel toimub molekulisisene reaktsioon aldehüüdi ja aminorühma vahel. Selle tulemusena tekib tsükkel, mis on keemiliselt vaadeldav Schiffi alusena; tsükli ensümaatilisel redutseerimisel saadaksegi proliin. Vastassuunalised reaktsioonid, st glutamaadi süntees proliinist, on samuti võimalikud, kuid need kulgevad teiste ensüümide vahendusel (vt allpool hüperprolineemia mõiste). Kuna glutamaat on närvisüsteemis oluline virgatsaine, siis on proliini sünteesi uuritud ka seoses neuronite reaktsiooniga psühhostimulantidele, nt metamfetamiinile.^[3][19]

Üle glutamaadi ja sellest sünteesitava alfa-ketoglutaraadi on proliin seotud ka tsitraaditsükliga.^[20]

Proliini levinuimaks translatsioonijärgseks modifikatsiooniks on hüdroksüülimine, mille käigus ensüümid hüdroksülaasid lisavad hüdroksüülrühma proliini tsükli koosseisu kuuluvale süsinikule, muutes seda ühtlasi kiraalseks. Hüdroksüülimise levinuimaks produktiks on (2S,4R)-4-hüdroksüproliin, mis on eriti oluline valgu kollageeni koosseisus. Nimelt stabiliseerib hüdroksüproliini olemasolu oluliselt kollageenile iseloomulikku kolmest heeliksist koosnevat struktuuri ning seda ka füsioloogilise temperatuuri juures. Proliini hüdroksüülimine toimub endoplasmaatilises retiikulumis, enne kui kollageeni ahelad „pakendatakse“ kolmikheeliksiks.^[21][22][23]

Proliini hüdroksüülitud vorm kuulub kollageeni koostisse, mis on kõigis loomades leiduv ja organismis rohkesti esindatud valk, olles sidekoe põhikomponent. Kollageenil on unikaalne struktuur, milles konformatsiooniliselt piiratud proliinijäägid vahelduvad konformatsiooniliselt paindlike glütsiinijääkidega. Kombinatsioonis kudede biomineraliseerituse erineva määraga võimaldab kollageen saavutada kompromissi tugevuse, jäikuse ja elastsuse vahel, mis on vajalik just vaadeldava koe või elundi (nt luude, naha, kõhrete) funktsioonide täitmiseks.^[24][25]

Analoogselt kuulub proliinijääk taimedes rakukesta moodustavate struktuursete valkude koostisse. Lisaks on avastatud, et vaba aminohappena on proliinil nn osmolüütne efekt, st see aitab taimel kohaneda keskkonna muutuva osmoossusega. Nii suureneb proliini sisaldus taimedes osmootse šoki järel (näiteks põua tingimustes). Suure proliinisisaldusega on ka taimede seemned ja õietolm, kus veesisaldus on samuti väike ning tuleb kaitsta teisi molekule n-ö kokkukleepumise (agregeerumise) eest.^[26][27][28]

DNA tasemel tekkinud vead, mis peegelduvad mRNA nukleotiidjärjestuses ning edaspidi ka valgu aminohappelises järjestuses, võivad olla rohkem või vähem patogeensete tulemustega (olenevalt sellest, kui palju muutub valgu võime täita oma rolli organismis). Inimpatoloogiate kontekstis on näidatud, et Pro kodeerivad nukleotiidijärjestused (CCX, kus X tähendab suvalist nukleotiidijääki) asenduvad kas seriinijäägi (kodeeriv järjestus TCX), arginiinijäägi (kodeeriv järjestus CGX) või sagedamini leutsiinijäägiga (kodeeriv järjestus CTX). Nii Ser, Arg kui ka Leu on keemilistelt omadustelt proliinist oluliselt erinevad. Ka vastupidised mutatsioonid, kus mutatsiooni tulemusena tekib Pro (näiteks Ser → Pro, Arg → Pro, Leu → Pro), on patogeensed.^[29]

Seoses proliini puuduliku lagundamisega eristatakse omaette haiguste rühma (hüperprolineemiad), mille puhul toimub patsiendi organismis proliini kuhjumine. Esimest tüüpi hüperprolineemia on tingitud mutatsioonidest geenis PRODH, mis oksüdeerib proliini pürroliin-5-karboksülaadiks. Teist tüüpi hüperprolineemia on tingitud mutatsioonidest geenis ALDH4A1, mis muundab pürroliin-5-karboksülaadi glutamaadiks. Mõlemad hüperprolineemiad on autosoomsed retsessiivsed haruldased haigused, mis võivad kulgeda ka sümptomiteta, kuid raskematel juhtudel põhjustavad neuroloogilisi probleeme ja neerupuudulikkust.^[30][31][32]

Proliinijääk on äärmiselt oluline kõrge vererõhu ja südamepuudulikkuse vastu kasutatavate peptiiditaoliste ravimite koostises, mis toimivad angiotensiini konverteeriva ensüümi (ACE) inhibiitoritena (näiteks lisinopriil). ACE inhibiitorid takistavad ensüümi tööd, langetades sel viisil veresoonte kokkutõmbumist põhjustava peptiidhormooni angiotensiin-2 taset ning hoides kõrgel veresoonte lõtvumist põhjustava peptiidhormooni bradükiniini taset. Uuringute tulemusena selgus, et just proliinijäägi olemasolu ACE inhibiitorite C-terminaalses osas on oluline ravimite maksimaalse efektiivsuse saavutamiseks.^{[33][34][35][36]}

Tänu proliini võimele takistada valkude agregeerumist on seda kasutatud ravimite koostises ka vaba aminohappe vormis, stabiliseeriva abiainena.^[37][38]

Seoses proliini olulise rolliga kollageeni struktuuri moodustamisel ja hoidmisel kasutatakse proliini laialdaselt ka toidulisandina, saavutamaks naha ja kõhrete kiiremat paranemist.^[39]

Kuna proliini sisaldavad peptiidid on suhteliselt stabiilsed tüüpiliste proteaaside juuresolekul ning säilitavad hästi oma ruumilist struktuuri ka füsioloogilisel temperatuuril, on teiste aminohappejääkide asendamist proliiniga pakutud strateegiana denaturatsiooni ja lagundamise suhtes stabiilsete ensüümide disainil.^[40]

Vesikeskkonnas toimuva stereoselektiivse orgaanilise sünteesi puhul on proliini ja selle derivaate kasutatud katalüsaatoritena, kuna proliin on kättesaadav nii L- kui ka D-enantiomeerina ning võib reaktsiooni loomusest ja keskkonnast olenevalt käituda kas Brønstedi happe või Brønstedi alusena.^[41][42]