脯氨酸

脯氨酸Proline,縮寫為Pro 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。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
IUPAC名
Proline
系统名
Pyrrolidine-2-carboxylic acid[1]
识别
CAS号 609-36-9  ✓
344-25-2((R))  ✓
147-85-3((S))  ✓
PubChem 614
8988((R))
145742((S))
ChemSpider 5948640 (R), 128566 (S)
SMILES
InChI
Beilstein 80812
Gmelin 26927
EINECS 210-189-3
ChEBI 26271
RTECS TW3584000
DrugBank DB02853
KEGG C16435
MeSH Proline
性质
化学式 C5H9NO2
摩尔质量 115.13 g·mol−1
精确质量 115.063328537 g mol−1
外观 Transparent crystals
熔点 205-228 °C(478-501 K)((decomposes))
溶解性 1.5g/100g ethanol 19 degC[2]
log P -0.06
pKa 1.99 (carboxyl), 10.96 (amino)[3]
危险性
安全术语 S:S22, S24/25
若非注明,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。

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L型較常具有S立體化學。

生物化學编辑

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]

  1. 谷氨酸5-激酶谷氨酸1-激酶(ATP依賴性)
  2. 氨酸脫氫酶(須具備NADH或NADPH)
  3. 吡咯啉-5-羧酸還原酶(須具備NADH或NADPH)
 
Zwitterionic structure of both proline enantiomers: (S)-proline (left) and (R)-proline

蛋白質結構的特性编辑

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)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]

順反異構物编辑

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。

用途编辑

脯氨酸和其衍生物通常在有機反應中當作對稱催化劑,CBS的減少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]

特色编辑

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。

歷史编辑

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]

合成编辑

外消旋混合物脯氨酸可以从丙二酸二乙酯丙烯腈被合成:[10]

 

参考文献编辑

  1. ^ 存档副本. [2014-06-23]. (原始内容存档于2014-01-16). 
  2. ^ H.-D. Belitz; W. Grosch; P. Schieberle. Food Chemistry. : 15. ISBN 978-3-540-69933-0. 
  3. ^ Nelson, D.L., Cox, M.M., Principles of Biochemistry. NY: W.H. Freeman and Company.
  4. ^ Template:Lehninger3rd.
  5. ^ 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 .
  6. ^ 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). 
  7. ^ 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). 
  8. ^ 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.
  9. ^ 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] 
  10. ^ Vogel, Practical Organic Chemistry 5th edition

延伸阅读编辑

参看编辑

外部链接编辑