脯氨酸Proline,缩写为Pro P )是一个α-氨基酸,又是一个环状胺基酸,20个DNA编码的其中之一。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(旧称为亚胺酸),因此具有特殊构象刚性,影响肽的二级结构。其对应密码子为CCU、CCC、CCA和CCG。

脯氨酸
Structural formula of proline
Ball and stick model of (S)-proline
IUPAC名
Proline
系统名
Pyrrolidine-2-carboxylic acid[1]
识别
CAS号 609-36-9  checkY
344-25-2R checkY
147-85-3S checkY
PubChem 614
8988R
145742S
ChemSpider 5948640 (R), 128566 (S)
SMILES
 
  • OC(=O)C1CCCN1
InChI
 
  • 1/C5H9NO2/c7-5(8)4-2-1-3-6-4/h4,6H,1-3H2,(H,7,8)
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
外观 透明晶体
熔点 205-228 °C(478-501 K)(分解)
溶解性 1.5g/100g(乙醇,19 °C)[2]
log P -0.06
pKa 1.99(羧基)、10.96(氨基)[3]
危险性
安全术语 S:S22, S24/25
若非注明,所有数据均出自标准状态(25 ℃,100 kPa)下。

脯氨酸不是一种必需氨基酸,人体可以自行合成。在20个蛋白质形成氨基酸中,其最特别之处在于胺氮被绑定到并非一个而是两个烷基基团,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

生物化学

脯氨酸由氨基酸的L-谷氨酸和其中间前驱物亚氨基乙酸(''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依赖性)
  2. 氨酸脱氢酶(须具备NADH或NADPH)
  3. 吡咯啉-5-羧酸还原酶(须具备NADH或NADPH)
 
Zwitterionic structure of both proline enantiomers: (S)-proline (left) and (R)-proline

蛋白质结构的特性

脯氨酸侧链的独特环状结构,使脯氨酸相对于其他氨基酸具有特殊构象刚性,它也影响了脯氨酸和其他氨基酸之间肽键形成的速率,当脯氨酸在一个肽键中被绑定作为酰胺时,其氮原子未绑定到任何的氢原子,则它不能作为氢键供体,但可以是氢键受体。

Pro-tRNAPro的肽键形成相较于其他tRNA相当的缓慢,此为N-烷基氨基羧酸一般的特征,[5] tRNA和脯氨酸键结端部之间肽键的形成也相当缓慢,在所有脯氨酸键结和脯氨酸键结之间的创造是速度最慢的。[6]

脯氨酸的特殊构象刚性影响蛋白质的二级结构,其蛋白质邻近于一个脯氨酸残基,而使脯氨酸在嗜热生物蛋白质中的高发病率,蛋白质的二级结构可以两面角φ,ψ和蛋白质主链ω表示,脯氨酸侧链的锁环结构的夹角φ约-60℃。

脯氨酸在正规二级结构元素中间为结构性干扰物,如α螺旋β片层,脯氨酸是α螺旋常见的第一个残基,也同时是β片层的边缘链,脯氨酸也常发现于匝数(另一种二级结构)中,且有助于β匝数的形成,尽管具有一个完整的脂肪族侧链,脯氨酸通常暴露于溶剂之外。

一排中的多个脯氨酸和/或羟基脯氨酸可以创造一个聚脯氨酸螺旋,聚脯氨酸螺旋是胶原中的主要二级结构,脯氨酸经由脯氨酰羟化酶(或其它添加的吸电子取代基,如)的羟基化,显著增加胶原蛋白的构象稳定性。[7] 因此,脯氨酸的羟基化是一个关键生化过程,用以维持高等生物体的结缔组织,严重疾病如败血症,可导致羟基化的缺陷,例如在酶脯氨酰羟化酶中突变或缺乏必要的抗坏血酸(维生素C)辅助因子。

脯氨酸和2-氨基异丁酸(AIB)的序列也可以形成一个螺旋圈结构。[来源请求]

顺反异构物

同大多数氨基酸肽键采用反式异构体(非应变条件下通常为99.9%)不同,脯氨酸和其它N-取代的氨基酸(如肌氨酸)的肽键既能形成顺式异构物也能形成反式异构物。这是因为在大多数氨基酸中,反式异构体比顺式异构体具有更小的空间位阻斥力,然而在X-Pro肽键的“顺”“反”异构物(X表示任何氨基酸)中,相邻取代基的空间位阻几乎相同。因此,X-Pro的肽键在非应变条件下,其“顺式”异构体的比例可以达到10-40%,这一比例轻微依赖于前面氨基酸的类型,特别是具有芳香族残基的氨基酸有利于使其成为“顺式”异构物。

从动力学的角度来看,脯氨酸的“顺”-“反”异构化是一个非常缓慢的过程,这一过程可以通过捕获一个或多个脯氨酸关键残基,从而阻碍非自然异构物的蛋白质折叠,特别是当自然蛋白质需要“顺式”异构物时。这是因为当脯氨酸残基在核糖体中只能被合成为反式构象。所有生物体都需要利用脯氨酰异构酶催化异构化,而一些细菌具有专门的与核糖体有关的脯氨酰异构酶。然而,脯氨酸并非对所有的折叠都是必须的,尽管具有许多X-脯肽键的非天然异构物的蛋白质是以正常的速率进行折叠的。

用途

脯氨酸和其衍生物通常在有机反应中当作对称催化剂,CBS还原反应和脯氨酸被催化羟醛缩合反应是突出的例子。

L-脯氨酸是一种渗透保护剂,因此可用于多种药物,生物技术的应用。

在酿造时,蛋白质富含和多酚结合的脯氨酸,可产生雾度(浊度)。[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。由于连接β碳原子的环形成时,肽键的ψ和φ角度有较少允许度的旋转,因此,它经常被发现于蛋白质的“匝数”当其自由熵(ΔS)比其他氨基酸大,因此在折叠的形式与未折叠的形式的比较中熵的变化较少,此外,脯氨酸的α和β结构很少被发现,因为其侧链上α-N只能形成一个氢键,它会降低结构的稳定性。

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。

历史

在1990年,里夏德·维尔施泰特(Richard Willstätter)透过丙二酸二乙酯的钠盐与1,3 -二溴丙烷的反应合成脯氨酸。在1901年, 赫尔曼·埃米尔·费歇尔(Hermann Emil Fischer)从酪蛋白和γ-邻苯二甲酰-propylmalonic酯的分解产物分离脯氨酸。[9]

合成

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

  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 [2014-06-23]. ISBN 978-3-540-69933-0. (原始内容存档于2016-05-15). 
  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

参看

外部链接