脯胺酸Proline,縮寫為Pro P )是一個α-胺基酸,又是一個環狀胺基酸,20個DNA編碼的其中之一。它極易溶於水,微溶於乙醇、丙酮、苯,不溶於乙醚、丙醇。 雖然屬於蛋白胺基酸,並不是伯胺而是仲胺(舊稱為亞胺酸),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。

脯胺酸
Structural formula of proline
Ball and stick model of (S)-proline
IUPAC名
Proline
系統名
Pyrrolidine-2-carboxylic acid[1]
識別
CAS號 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
性質
化學式 C5H9NO2
摩爾質量 115.13 g·mol−1
外觀 透明晶體
熔點 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]
危險性
安全術語 S:S22, S24/25
若非註明,所有數據均出自標準狀態(25 ℃,100 kPa)下。

脯胺酸不是一種必需胺基酸,人體可以自行合成。在20個蛋白質形成胺基酸中,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,因此使它具有仲胺結構,天然的脯胺酸為L型,手性碳的構型為S

生物化學

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脯胺酸由胺基酸的L-穀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. 穀氨酸5-激酶穀氨酸1-激酶(ATP依賴性)
  2. 胺酸脫氫酶(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

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脯胺酸側鏈的獨特環狀結構,使脯胺酸相對於其他胺基酸具有特殊構象剛性,它也影響了脯胺酸和其他胺基酸之間肽鍵形成的速率,當脯胺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和脯胺酸鍵結端部之間肽鍵的形成也相當緩慢,在所有脯胺酸鍵結和脯胺酸鍵結之間的創造是速度最慢的。[6]

脯胺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胺酸殘基,而使脯胺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,脯胺酸側鏈的鎖環結構的夾角φ約-60℃。

脯胺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,脯胺酸是α螺旋常見的第一個殘基,也同時是β片層的邊緣鏈,脯胺酸也常發現於匝數(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,脯胺酸通常暴露於溶劑之外。

一排中的多個脯胺酸和/或羥基脯胺酸可以創造一個聚脯胺酸螺旋,聚脯胺酸螺旋是膠原中的主要二級結構,脯胺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,脯胺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。

脯胺酸和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

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同大多數胺基酸肽鍵採用反式異構體(非應變條件下通常為99.9%)不同,脯胺酸和其它N-取代的胺基酸(如肌胺酸)的肽鍵既能形成順式異構物也能形成反式異構物。這是因為在大多數胺基酸中,反式異構體比順式異構體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表示任何胺基酸)中,相鄰取代基的空間位阻幾乎相同。因此,X-Pro的肽鍵在非應變條件下,其「順式」異構體的比例可以達到10-40%,這一比例輕微依賴於前面胺基酸的類型,特別是具有芳香族殘基的胺基酸有利於使其成為「順式」異構物。

從動力學的角度來看,脯胺酸的「順」-「反」異構化是一個非常緩慢的過程,這一過程可以通過捕獲一個或多個脯胺酸關鍵殘基,從而阻礙非自然異構物的蛋白質折疊,特別是當自然蛋白質需要「順式」異構物時。這是因為當脯胺酸殘基在核糖體中只能被合成為反式構象。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,脯胺酸並非對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

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脯胺酸和其衍生物通常在有機反應中當作對稱催化劑,CBS還原反應和脯胺酸被催化羥醛縮合反應是突出的例子。

L-脯胺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胺酸,可產生霧度(濁度)。[8]

特色

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脯胺酸是不符合典型的拉氏圖的兩種胺基酸之一,另一個是甘胺酸。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)比其他胺基酸大,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,脯胺酸的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,脯胺酸是唯一的在色譜法中使用茚三酮後不形成藍/紫色的胺基酸,相反,脯胺酸產生橙/黃色。

歷史

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在1990年,里夏德·維爾施泰特(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胺酸。在1901年, 赫爾曼·埃米爾·費歇爾(Hermann Emil Fischer)從酪蛋白和γ-鄰苯二甲酰-propylmalonic酯的分解產物分離脯胺酸。[9]

合成

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外消旋混合物脯胺酸可以從丙二酸二乙酯丙烯腈被合成:[10]

 

參考文獻

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  1. ^ 存档副本. [2014-06-23]. (原始內容存檔於2014-01-16). 
  2. ^ H.-D. Belitz; W. Grosch; P. Schieberle. Food Chemistry. : 15 [2014-06-23]. ISBN 978-3-540-69933-0. (原始內容存檔於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. (原始內容存檔於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. (原始內容存檔於2012-01-18). 
  8. ^ K.J. Siebert, "Haze and Foam",存档副本. [2010-07-13]. (原始內容存檔於2010-07-11).  Accessed July 12, 2010.
  9. ^ R.H.A. Plimmer, R.H.A. Plimmer & F.G. Hopkins , 編, 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

延伸閱讀

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參看

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外部連結

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