Histidiin

Histidiin (süstemaatiline nimetus: 2-amino-3-(1H-imidasool-4-üül)propaanhape) on looduslik aminohape, mis sisaldab külgahelas imidasoolituuma. Looduses esineb histidiin L-isomeerina, mis vastab R/S-nomenklatuuris S-isomeerile. L-histidiini CAS number on 71-00-1 ja D-histidiini CAS number on 351-50-8.

Valkude koostises leiduvat histidiinijääki tähistatakse lühendiga His või H ning seda kodeerib DNA tasemel nukleotiidijärjestus CAT või CAC ning vastavalt mRNA tasemel järjestus CAU või CAC. Histidiini loetakse asendamatuks aminohappeks.

Histidiini eraldas esimesena lõhe spermas sisalduvast valgust protamiinist Saksa biokeemik Albrecht Kossel 1896. aastal. Aminohappe nimetus pärineb kreekakeelsest iστíoν [histion], mis tähendab võrgustikku või kude.

Struktuur ja roll aminohappejäägina valkude koostises

Neutraalse imidasoolituumaga histidiin esineb tautomeeride seguna, kus vesinik on seotud kas tsükli N1 või N3 lämmastikuaatomiga. Kuna imidasoolituuma protoneeritud vormi pK_a väärtus on ligikaudu 6,0, siis kuigi füsioloogilise pH juures pole histidiinijäägi külgahel laetud, võib see kergesti protoneeruda. Protoneeritud imidasoolis on resonantsi tõttu positiivne laeng võrdselt jaotunud mõlema lämmastikuaatomi vahel.

Külgahela võime kergesti protoneeruda füsioloogilisele pH-le lähedastel pH-del tingib His keskset rolli mitmete ensüümide katalüütilistes tsentrites. Näiteks seriiniproteaaside (sh trüpsiini, kümotrüpsiini) koostises esineb nn katalüütiline triaad Ser-His-Asp. Triaadis aitab deprotoneeritud aspartaadijäägi külgahela karboksüülrühm sobivalt positsioneerida histidiinijäägi pürasooli, mis omakorda osaliselt deprotoneerib seriinijäägi hüdroksüülrühma, muutes viimase nukleofiilseks ja seega reaktsioonivõimeliseks.

Histidiini enda külgahela nukleofiilsus teeb selle heaks kompleksimoodustajaks: näiteks esineb His kelaatori rollis mitmetes valkudes, mis vajavad kofaktorina metalliioone (nt Zn²⁺, Fe²⁺). Enamasti on d-metallide ioonide stabiilse kelaadi tekkeks vaja mitut histidiinijääki. Nii sisaldab valkude tuntud struktuurne motiiv, mida nimetatakse tsinksõrmeks, kaht tsüsteiinijääki ja kaht histidiinijääki: X₂-Cys-X_2-4-Cys-X₁₂-His-X_3-5-His (X tähistab teisi aminohappejääke, põhiliselt hüdrofoobse külgahelaga). Tsinksõrmi sisaldavad mitmed transkriptsioonifaktorid.

Histidiinijärjestuste võimet osaleda stabiilsete kelaatide moodustamisel rakendatakse ka rekombinantsete valkude tootmisel. Nimelt lisatakse paljude toodetavate valkude loodusliku järjestuse N-terminaali või C-terminaali heksahistidiini järjestust (His₆), mida saab kasutada valgu puhastamiseks afiinsuskromatograafias. Afiinsuskolonni täidiseks on sel juhul Ni²⁺ ja nitriloäädikhapet (erialases kirjanduses on levinud lühend NTA) sisaldav funktsionaliseeritud vaik. Ni-NTA loob püsiva kompleksi heksahistidiiniga, võimaldades puhastada His₆ järjestust sisaldavaid valke keerulistest bioloogilistest segudest. Puhastatud valgu elueerimiseks kasutatakse kontsentreeritud imidasooli lahust.

Biosüntees

L-histidiini biosüntees koosneb kokku kümnest ensümaatilisest reaktsioonist ning sünteesirada on evolutsiooniliselt säilinud, olles omane nii arhedele, grampositiivsetele bakteritele, lihtsamatele eukarüootidele kui ka taimedele. Sünteesi lähteaineks on fosforibosüülpürofosfaat (riboosi derivaat, millel on 5. asendis paikneva hüdroksüülrühma küljes üks fosfaadijääk ja 1. asendis paikneva hüdroksüülrühma küljes kaks fosfaadijääki) ning lämmastiku allikaks on ATP.

Translatsioonijärgsed modifikatsioonid ja roll muude ühendite prekursorina

Histidiini translatsioonijärgsetest modifikatsioonidest on enim tuntud fosforüülimine ja metüülimine. Kuigi mõlemad esinevad ka inimorganismi kontekstis, on nende täpne roll hetkeseisuga vähe uuritud.

• Histidiini imidasooli lämmastikuaatomite metüülimine esineb histoonide puhul ning on tõenäoliselt seotud epigeneetiliste modifikatsioonidega, mis mõjutavad geenide avaldumist. Nagu ka teiste metüülitavate aminohapete puhul (lüsiin, arginiin), on metüülrühma doonoriks S-adenosüülmetioniin ning reaktsiooni katalüüsivad metüültransferaaside klassi kuuluvad ensüümid.
• Histidiini fosforüülimine toimub imetajates näiteks oksüdatiivse fosforüülimise vaheetapina. Nagu ka teiste fosforüülitavate aminohapete puhul (seriin, treoniin, türosiin), on fosforüülrühma doonoriks ATP ning reaktsiooni katalüüsivad kinaaside klassi kuuluvad ensüümid. Bakterites omab aga histidiinijääkide fosforüülimine ensüümseotud retseptorites CheA olulist rolli kemotaksise tagamisel, kuna fosforüülimise tulemusena muutub bakteri viburi pöörlemine.

Histidiini rollidest biosünteesi prekursori ehk lähteainena on eriti tuntud histamiini süntees – üheetapiline reaktsioon, mida katalüüsib ensüüm histidiini dekarboksülaas. Histamiinil on omakorda oluline roll organismis põletikuliste vastuste ning eriti allergiliste reaktsioonide vahendamisel. Samuti võib histidiini mitmeetapilise muundamise kaudu saada tsitraaditsükli vaheühendina funktsioneerivat α-ketoglutaraati. Reaktsiooniraja esimeseks etapiks on histidiini deamineerimine, mida katalüüsib ensüüm histidaas.

Suure histidiinisisaldusega valgud ja bioaktiivsed peptiidid

Inimorganismis leiduvatest valkudest on histidiini sisaldus suurim nn histidiinirikkal glükoproteiinil (ingl k histidine-rich glycoprotein ehk HRG). See on vereplasmas leiduv valk, mille täpne funktsioon on teadmata, kuid see on võimeline seonduma mitmete teiste valkudega ning on oluline vere hüübimise tagamisel ja immuunvastuse moduleerimisel. HRG molekulmassist moodustavad histidiinijäägid veidi üle 15%.

Histidiini sisaldus on väga suur ka hemoglobiinis (massi järgi 8,1%). Hemoglobiini molekulis osaleb histidiinijääk ka heemi koostisse kuuluva Fe²⁺-iooni koordineerimisel, kusjuures histidiinijäägi imidasoolituum paikneb heemi tasandi all (ingliskeelses kirjanduses kasutatakse selle His kohta mõistet proximal histidine ning see paikneb hemoglobiini alaühiku F-alfaheeliksis). Veel üks histidiinijääk stabiliseerib hapnikumolekuli asendit, kui hemoglobiin on hapnikuga seotud (nn distal histidine, paikneb hemoglobiini alaühiku E-alfaheeliksis).

Inimorganismis sisalduvatest peptiididest on väga suure sisaldusega türotropiini vabastav hormoon (ingl k thyrotropin-releasing hormone ehk TRH). TRH on hüpotalamuse-ajuripatsi-kilpnäärme telje üks olulisemaid liikmeid, mis hoiab enda kontrolli all organismis nii metabolismi, kasvu, paljunemisega kui ka stressivastusega seotud funktsioone. TRH on glutamiinist, histidiinist ja proliinist koosneva tripeptiidi derivaat (histidiini massiprotsendiline sisaldus 38%) ning seda toodetakse prohormoonist, mis sisaldab antud aminohappelist järjestust kuues korduses.

Teistest organismidest on aga hästi tuntud histidiini suure sisaldusega valk HRP2 (ingl k histidine-rich protein II) malaariaparasiidis P. falciparum. Oma elustaadiumis, mis kulgeb inimese erütrotsüütides, kasutab malaariaparasiit aminohapete allikana hemoglobiini. Hemoglobiini tarbimise tulemusena vabaneb aga hemoglobiinis sisalduv heem, mis on hemoglobiini-väliselt toksiline. Ellujäämiseks on P. falciparum kohastunud selle toksilisust leevendama ning parasiidi valk HRP2 omabki selles olulist rolli. HRP2 molekulis on histidiini massiprotsendiline sisaldus lausa 37%.

Seos patoloogiliste seisunditega

Kuna histidiin on histamiini prekursoriks, mängib see kaudset rolli organismi immuunvastuses allergeenile ja allergiliste nähtude kujunemisel. Samas on histidiinil teisigi seoseid patoloogiliste seisunditega:

• Kuna histidiin on oluline aminohappejääk hemoglobiini koosseisus, on histidiini puudus seotud aneemiaga. Seda on eriti detailselt uuritud kroonilise neeruhaiguse kontekstis, kus patsientidel on anomaalselt väike histidiini sisaldus vereplasmas. Ühe ravimeetmena kasutatakse sel juhul histidiini manustamist infusioonilahusena, kuid teaduslikud uuringud on näidanud varieeruvaid tulemusi selles osas, kas histidiini manustamine aitab aneemiat leevendada.
• Mutatsioonid hemoglobiini α-, β- või γ-alaühikut kodeerivas geenis, mille tulemusena alaühiku E- või F-alfaheeliksis paiknevad histidiinijäägid (vt eespool distal ja proximal histidine) asendatakse türosiinijääkidega, tingivad hemoglobinopaatiat (seda nimetatakse ka hemoglobiin-M tüüpi methemoglobineemiaks). Mutatsioonide tõttu suureneb tõenäosus hemoglobiini heemis sisalduva rauaiooni oksüdeerumiseks oksüdatsiooniastmeni +3 ehk tekib methemoglobiin, millel on hemoglobiiniga võrreldes oluliselt kehvem võime hapnikku transportida. Vastavatel patsientidel kujuneb tsüanoos (sõrmede, varvaste jm kehaosade värvumine siniseks). Sümptomite tõsidus oleneb ringleva methemoglobiini hulgast veres: kuigi enamasti on sümptomid suhteliselt leebed, on ägedamatel juhtudel (sageli stressi poolt käivitatuna) haigus surmav.
• Mutatsioonid histidaasi kodeerivas geenis, mis muudavad ensüümi katalüütiliselt mitteaktiivseks, tingivad haruldust haigust histidineemiat. Kuna terves organismis katalüüsib histidaas histidiini lagundamise esimest etappi (aminorühma eemaldamist), siis haiguse tunnuseks on histidiini anomaalselt kõrge tase vereplasmas ja ka uriinis. Üldiselt kulgeb haigus asümptomaatiliselt, kuid kombinatsioonis teiste ebasoodsate teguritega võib vastsündinute puhul histdineemia suurendada kesknärvisüsteemiga seotud tervisehäirete riski.
• Mutatsioonid histidiini dekarboksülaasi kodeerivas geenis, mis muudavad ensüümi katalüütiliselt mitteaktiivseks, on seotud Tourette'i sündroomiga. Terves organismis katalüüsib see ensüüm histidiinist histamiini teket ning kuigi histamiini on ajalooliselt seostatud eeskätt allergiliste nähtudega, on histamiin ka oluline neurotrasmitter. Muteerunud histidiini dekarboksülaasi väike aktiivsus tingib histamiini taseme langust, mida on seostatud histamiini retseptorite (eriti H3R) anomaalse paigutuse ja hulgaga ajus ning Tourette'i sündroomile iseloomulike sümptomitega nagu lihasetõmblused (tikid). Seepärast on Tourette’i sündroomi ravimikandidaadina testitud loommudelites nii histamiini ennast kui ka vastupidi – H3R antagoniste, kuid seni pole ükski nendest ravimeetoditest kliinilisse kasutusse jõudnud.

Viited