Hydroxylyzin

Základní charakteristika

Hydroxylyzin (Hyl) je modifikovaná aminokyselina, která vzniká post-translační hydroxylací aminokyseliny lysinu. Jedná se o neesenciální, nekódovanou L-α-aminokyselinu, která není přímo zakódována genetickým kódem a nepatří mezi proteinogenní aminokyseliny. Přesto má zásadní biologický význam díky své roli v stabilizaci kolagenu a dalších pojivových tkání. Společně s hydroxyprolinem, dalším post-translačně modifikovaným derivátem aminokyseliny (prolinu), tvoří klíčovou dvojici pro zajištění mechanické stability a termodynamické pevnosti trojité šroubovice kolagenu. Tyto dvě aminokyseliny společně přispívají k tvorbě vodíkových můstků a stereochemické stabilizaci kolagenových vláken.

chemická struktura

• Systematický název dle IUPAC: (2S,5R)-2,6-diamino-5-hydroxyhexanová kyselina.
• Molekulární vzorec: C₆H₁₄N₂O₃.
• Molekulová hmotnost: ≈162,19 g/mol.
• Strukturní vzorec: Obsahuje α-aminoskupinu (-NH₂), hydroxylovou skupinu (-OH) na uhlíku v poloze 5 a dvě aminoskupiny na uhlících s lokanty 2 a 6.
• Třípísmenkové kódování: "Hyl", Jednopísmenkové kódování: "X" (pro nekódované aminokyseliny)

Stereoisomerie

Hydroxylyzin má čtyři možné stereoisomery díky dvěma stereogenním centrům:

1. (2S,5R)-5-hydroxy-L-lysin: Nejčastější forma přítomná v kolagenu.
2. (2S,5S)-5-hydroxy-L-lysin.
3. (2R,5R)-5-hydroxy-D-lysin.
4. (2R,5S)-5-hydroxy-D-lysin.

Stereogenní centra se nacházejí na uhlících s lokanty 2 (α uhlík/C_α/α) a 5 (hydroxylovaný uhlík).

Funkce

Hydroxylyzin má několik biologických funkcí:

1. Kolagenová stabilita:
   • Slouží jako místo pro glykosylaci v kolagenu, což zvyšuje jeho mechanickou stabilitu.
   • Přispívá k tvorbě trojité šroubovice kolagenu. Hydroxylace lysinu i prolinu probíhá během syntézy prekurzoru kolagenu – preprokolagenu – na ribosomech endoplazmatického retikula.
   • Post-translační modifikace zahrnují nejen hydroxylaci, ale také glykosylaci hydroxylysinu.
2. Spolupráce s hydroxyprolinem:
   • Obě aminokyseliny umožňují ostré stáčení kolagenové šroubovice a zajišťují její pevnost prostřednictvím stereochemických efektů a vodíkových vazeb.
   • Hydroxylyzin spolu s hydroxyprolinem tvoří specifické zbytky v primární sekvenci kolagenu typu Gly-X-Y.
3. Tkáňová integrita:
   • Zajišťuje pevnost a pružnost pojivových tkání.
4. Regulace RNA splicingu:
   • Stereoisomer (5S) se podílí na modifikaci RNA splicingového faktoru prostřednictvím enzymu JMJD6.

Biosyntéza

Hydroxylyzin vzniká enzymatickou hydroxylací lysinu za účasti několika kofaktorů:

1. Enzym lysyl hydroxyláza:
   • Lysyl hydroxylázy jsou α-ketoglutarát-dependentní dioxygenázy.
   • Hydroxylace probíhá v cisternách hrubého endoplazmatického retikula (ER).
2. Kofaktory:
   • Vitamin C (askorbát, kyselina askorbová): Zajišťuje regeneraci aktivního centra enzymu.
   • Železo (Fe²⁺): Slouží jako katalytický iont.
   • α-ketoglutarát: Substrát pro oxidaci při hydroxylaci.
   • Molekulární kyslík (O₂): Akceptor elektronů při reakci.
3. Spolupráce s prolyl hydroxylázou:
   • Hydroxylace prolinu enzymem prolyl hydroxylázou probíhá paralelně s hydroxylací lysinu a obě reakce jsou nezbytné pro správnou montáž kolagenu.
4. Patologické souvislosti:
   • Nedostatek vitaminu C vede k narušení hydroxylace lysinu i prolinu, což způsobuje poruchy syntézy kolagenu (např. kurděje).

Chemické a biotechnologické podrobnosti

1. Průmyslová výroba:
   • Rekombinantní E. coli exprimující lysyl hydroxylázu umožňuje syntézu hydroxylysinu s vysokou regioselektivitou a stereoselektivitou.
   • V experimentálních podmínkách bylo dosaženo vysoké konverze (až 89 %) při výrobě hydroxylysinu z lysinu během 52 hodin.
2. Využití stereoisomerů:
   • (2S,5R)-hydroxylyzin je klíčový pro syntézu kolagenu v medicíně a kosmetice.
   • Další stereoisomery mají potenciální aplikace v oblasti genové regulace a biotechnologie.

Závěr

Hydroxylyzin je unikátní aminokyselina s významnou rolí v biologii pojivových tkání a potenciálním využitím v průmyslu. Společně s hydroxyprolinem tvoří základní stavební kameny kolagenu, jejichž synergická funkce zajišťuje mechanickou pevnost i pružnost pojivových tkání. Biosyntéza hydroxylysinu zahrnuje komplexní enzymatické procesy s využitím klíčových kofaktorů, jako je vitamin C a dvojmocné železo, což poskytuje možnosti pro aplikace v medicíně i kosmetice.