脯氨酸
脯氨酸 (Proline ,縮寫為Pro 或P )是一個α-氨基酸 ,又是一個環狀胺基酸,20個DNA 編碼的其中之一。它极易溶于水,微溶于乙醇、丙酮、苯,不溶于乙醚、丙醇。 虽然属于蛋白胺基酸 ,并不是伯胺 而是仲胺 (旧称为亞胺酸 ),因此具有特殊構象剛性,影響肽的二級結構 。其對應密碼子 為CCU、CCC、CCA和CCG。
脯氨酸不是一種必需氨基酸 ,人體可以自行合成。在20個蛋白質形成氨基酸中,其最特別之處在於胺氮被綁定到並非一個而是兩個烷基基團,因此使它具有仲胺 结构,天然的脯氨酸为L 型,手性碳的构型为S 。
生物化學
脯氨酸由氨基酸的L -谷氨酸 和其中間前驅物亞氨基乙酸 ((''S'')-1 -吡咯啉-5-羧酸甲酯 (P5C)生物合成 而成,典型生物合成所需要的酶包括:[4]
谷氨酸5-激酶 ,谷氨酸1-激酶 (ATP依賴性)
氨酸脫氫酶 (須具備NADH或NADPH)
吡咯啉-5-羧酸還原酶 (須具備NADH或NADPH)
Zwitterion ic structure of both proline enantiomers: (S )-proline (left) and (R )-proline
蛋白質結構的特性
脯氨酸側鏈的獨特環狀結構,使脯氨酸相對於其他氨基酸具有特殊構象剛性,它也影響了脯氨酸和其他氨基酸之間肽鍵形成的速率,當脯氨酸在一個肽鍵中被綁定作為酰胺時,其氮原子未綁定到任何的氫原子,則它不能作為氫鍵 供體,但可以是氫鍵受體。
Pro-tRNAPro 的肽鍵形成相較於其他tRNA相當的緩慢,此為N-烷基氨基羧酸一般的特徵,[5] tRNA和脯氨酸鍵結端部之間肽鍵的形成也相當緩慢,在所有脯氨酸鍵結和脯氨酸鍵結之間的創造是速度最慢的。[6]
脯氨酸的特殊構象剛性影響蛋白質的二級結構 ,其蛋白質鄰近於一個脯氨酸殘基,而使脯氨酸在嗜熱生物 蛋白質中的高發病率,蛋白質的二級結構 可以兩面角φ,ψ 和蛋白質主鏈ω表示,脯氨酸側鏈的鎖環結構的夾角φ約-60℃。
脯氨酸在正規二級結構 元素中間為結構性干擾物,如α螺旋 和β片層 ,脯氨酸是α螺旋 常見的第一個殘基,也同時是β片層 的邊緣鏈,脯氨酸也常發現於匝數 (另一種二級結構)中,且有助於β匝數的形成,儘管具有一個完整的脂肪族 側鏈,脯氨酸通常暴露於溶劑之外。
一排中的多個脯氨酸和/或羥基脯氨酸 可以創造一個聚脯氨酸螺旋 ,聚脯氨酸螺旋是膠原 中的主要二級結構 ,脯氨酸經由脯氨酰羥化酶 (或其它添加的吸電子取代基,如氟 )的羥基化 ,顯著增加膠原蛋白 的構象穩定性。[7] 因此,脯氨酸的羥基化是一個關鍵生化過程,用以維持高等生物體的結締組織 ,嚴重疾病如敗血症 ,可導致羥基化的缺陷,例如在酶脯氨酰羥化酶中突變或缺乏必要的抗壞血酸(維生素C) 輔助因子。
脯氨酸和2-氨基異丁酸 (AIB)的序列也可以形成一個螺旋圈結構。[來源請求]
順反異構物
同大多數氨基酸肽鍵採用反式異構體 (非應變條件下通常為99.9%)不同,脯氨酸和其它N-取代的氨基酸(如肌氨酸 )的肽鍵 既能形成順式 異構物也能形成反式 異構物。这是因为在大多數氨基酸中,反式異構體比顺式异构体具有更小的空間位阻斥力,然而在X-Pro肽鍵的“順”“反”異構物(X表示任何氨基酸)中,相鄰取代基的空间位阻幾乎相同。因此,X-Pro的肽鍵在非應變條件下,其“順式”異構體的比例可以达到10-40%,这一比例輕微依賴於前面氨基酸的类型,特别是具有芳香族殘基的氨基酸有利於使其成為“順式”異構物。
從動力學的角度來看,脯氨酸的“順”-“反”異構化 是一個非常緩慢的過程,这一过程可以通过捕獲一個或多個脯氨酸關鍵殘基,从而阻礙非自然異構物的蛋白質折疊 ,特别是當自然蛋白質需要“順式”異構物時。这是因為當脯氨酸殘基在核糖體中只能被合成為反式构象。所有生物體都需要利用脯氨酰異構酶催化異構化,而一些細菌 具有專門的與核糖體 有關的脯氨酰異構酶 。然而,脯氨酸並非对所有的折疊都是必須的,儘管具有許多X-脯肽鍵的非天然異構物的蛋白質是以正常的速率進行折疊的。
用途
脯氨酸和其衍生物通常在有機反應中當作對稱催化劑,CBS还原反应 和脯氨酸被催化羥醛縮合反應 是突出的例子。
L -脯氨酸是一種滲透保護劑 ,因此可用於多種藥物,生物技術的應用。
在釀造時,蛋白質富含和多酚結合的脯氨酸,可產生霧度(濁度)。[8]
特色
脯氨酸是不符合典型的拉氏图 的两种氨基酸之一,另一个是甘氨酸。由於連接β碳原子的環形成時,肽鍵的ψ和φ角度有較少允許度的旋轉,因此,它經常被發現於蛋白質的“匝數”當其自由熵(ΔS)比其他氨基酸大,因此在折疊的形式與未折疊的形式的比較中熵的變化較少,此外,脯氨酸的α和β結構很少被發現,因為其側鏈上α-N只能形成一個氫鍵,它會降低結構的穩定性。
此外,脯氨酸是唯一的在色谱法 中使用茚三酮 后不形成蓝/紫色的氨基酸,相反,脯氨酸产生橙/黄色。
歷史
在1990年,里夏德·维尔施泰特(Richard Willstätter) 透過丙二酸二乙酯 的鈉鹽與1,3 -二溴丙烷 的反應合成脯氨酸。在1901年, 赫尔曼·埃米尔·费歇尔 (Hermann Emil Fischer)從酪蛋白和γ-鄰苯二甲酰-propylmalonic酯的分解產物分離脯氨酸。[9]
合成
外消旋混合物 脯氨酸可以从丙二酸二乙酯 和丙烯腈 被合成:[10]
参考文献
^ 存档副本 . [2014-06-23 ] . (原始内容存档 于2014-01-16).
^ H.-D. Belitz; W. Grosch; P. Schieberle. Food Chemistry . : 15 [2014-06-23 ] . ISBN 978-3-540-69933-0 . (原始内容存档 于2016-05-15).
^ Nelson, D.L., Cox, M.M., Principles of Biochemistry. NY: W.H. Freeman and Company.
^ Template:Lehninger3rd .
^ Pavlov, Michael Y; Watts, Richard E; Tan, Zhongping; Cornish, Virginia W; Ehrenberg, Måns; Forster, Anthony C, Slow peptide bond formation by proline and other N-alkylamino acids in translation , PNAS, 2010, 106 (1): 50–54, PMC 2629218 , PMID 19104062 , doi:10.1073/pnas.0809211106 .
^ Buskirk, Allen R.; Green, Rachel. Getting Past Polyproline Pauses . Science . 2013, 339 (6115): 38–39 [2014-06-23 ] . doi:10.1126/science.1233338 . (原始内容 存档于2012-01-18).
^ Szpak, Paul. Fish bone chemistry and ultrastructure: implications for taphonomy and stable isotope analysis . Journal of Archaeological Science . 2011, 38 (12): 3358–3372 [2014-06-23 ] . doi:10.1016/j.jas.2011.07.022 . (原始内容 存档于2012-01-18).
^ K.J. Siebert, "Haze and Foam",存档副本 . [2010-07-13 ] . (原始内容存档 于2010-07-11). Accessed July 12, 2010.
^ R.H.A. Plimmer, R.H.A. Plimmer & F.G. Hopkins , 编, The chemical composition of the proteins , Monographs on biochemistry, Part I. Analysis 2nd, London: Longmans, Green and Co.: 130, 1912 [1908] [September 20, 2010]
^ Vogel, Practical Organic Chemistry 5th edition
延伸阅读
Balbach, J.; Schmid, F. X., Proline isomerization and its catalysis in protein folding, Pain, R. H. (编), Mechanisms of Protein Folding 2nd, Oxford University Press: 212–49, 2000, ISBN 0-19-963788-1 .
For a thorough scientific overview of disorders of proline and hydroxyproline metabolism, one can consult chapter 81 of OMMBID Charles Scriver , Beaudet, A.L., Valle, D., Sly, W.S., Vogelstein, B., Childs, B., Kinzler, K.W. (Accessed 2007). The Online Metabolic and Molecular Bases of Inherited Disease (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ). New York: McGraw-Hill. - Summaries of 255 chapters, full text through many universities. There is also the OMMBID blog .
参看
外部链接