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20种常见氨基酸——特殊的脯氨酸

原创

千株松生物

中文名：脯氨酸

英文名：Proline

别 名：2-吡咯烷羧酸

化学名：Pyrrolidine-2-carboxylic acid

分子式：C5H9NO2

CAS号：L 147-85-3；D/L 609-36-9；D 344-25-2

分子量：115.13g/mol

密 度：1.35

外 观：白色结晶粉末

熔 点：228°C

沸 点：252.2ºC at 760 mmHg

等电点：6.30

水溶性：25℃时100g水中可溶162 g左右

Skeletal formula of L-phenylalanine骨架结构式

ball-and-stick model球棍模型

space-filling model空间结构模型

脯氨酸(符号Pro或P)是一种被分类为蛋白质源性氨基酸(用于蛋白质的生物合成)的有机酸，尽管它不包含氨基-NH2，而是一种仲胺。仲胺氮在生物条件下为质子化形式(NH2+)，羧基为脱质子化-COO−形式。α碳的“侧链”与氮连接形成吡咯烷环，将其归类为脂肪族氨基酸。它对人体来说不是必需的，这意味着人体可以从非必需氨基酸L-谷氨酸中合成它。它由所有以CC开头的密码子编码(CCU、CCC、CCA和CCG)。水中溶解度比任何氨基酸都大，易潮解不易得结晶，有甜味。与茚三酮溶液共热，生成黄色化合物。一旦进入肽链后，可发生羟基化作用，从而形成4-羟脯氨酸，是组成动物胶原蛋白的重要成分。羟脯氨酸也存在于多种植物蛋白质中，尤其与细胞壁的形成有关。植物体在干旱、高温、低温、盐渍等多种逆境下，常常有脯氨酸的明显积累。

脯氨酸是唯一一种蛋白原的二级氨基酸，它是一种二级胺，因为氮原子既连接在α-碳上，也连接在一个由三个碳组成的五元环上。

历史和词源

脯氨酸最早由研究N-甲基脯氨酸的Richard Willstätter于1900年分离出来，他在研究n -甲基脯氨酸的过程中得到了氨基酸，并通过丙二酸二乙酯钠盐与1,3-二溴丙烷反应合成了脯氨酸。第二年，Emil Fischer从酪蛋白和γ-酞酰亚胺-丙基丙二酸酯的分解产物中分离出脯氨酸，并发表了由酞酰亚胺丙基丙二酸酯合成脯氨酸的研究成果。

脯氨酸这个名字来自于它的成分之一——吡咯烷（pyrrolidine）。

吡咯烷（pyrrolidine）

生物合成

脯氨酸是由L-谷氨酸氨基酸生物合成而来。谷氨酸-5-半醛首先由谷氨酸5-激酶(依赖于ATP)和谷氨酸-5-半醛脱氢酶(需要NADH或NADPH)形成。然后，它可以自发环化形成1-吡咯-5-羧酸，吡咯-5-羧酸还原酶(利用NADH或NADPH)将其还原为脯氨酸，或者通过鸟氨酸转氨酶将其转化为鸟氨酸，然后由鸟氨酸环脱氨酶环化形成脯氨酸。

两种脯氨酸对映体的两性离子结构:(S)-脯氨酸(左)和(R)-脯氨酸

生物活性

L-脯氨酸已被发现作为甘氨酸受体和NMDA和非NMDA (AMPA/kainate)离子性谷氨酸受体的弱激动剂。它被认为是一种潜在的内源性兴奋毒素。在植物中，脯氨酸的积累是对各种胁迫的常见生理反应，但也是生殖组织(如花粉)发育程序的一部分。

2022年的一项研究表明，富含脯氨酸的饮食与人类患抑郁症的风险增加有关，该研究在一项有限的临床前试验中对人类进行了测试，主要是在其他生物身上。在其他生物体中也有显著的结果。

蛋白质结构特点

与其他氨基酸相比，脯氨酸侧链独特的环状结构使其具有特殊的构象刚性。

它也影响了脯氨酸和其他氨基酸之间肽键形成的速率。当脯氨酸在肽键中以酰胺的形式结合时，它的氮不与任何氢结合，这意味着它不能作为氢键的供体，但可以作为氢键的受体。

与传入的Pro-tRNAPro形成肽键的速度比与其他tRNAs形成肽键的速度慢得多，这是N-烷基氨基酸的普遍特征。在进入的tRNA和以脯氨酸结尾的链之间，肽键的形成也很缓慢;脯氨酸-脯氨酸键的形成是最慢的。

脯氨酸异常的构象刚性影响了靠近脯氨酸残基的蛋白质的二级结构，这可能是脯氨酸在嗜热生物蛋白质中较高出现率的原因。蛋白质二级结构可以用蛋白质骨架的二面角φ、ψ和ω来描述。脯氨酸侧链的环状结构使φ角锁定在- 65°左右。

脯氨酸在常规二级结构元素(如α螺旋和β折叠)中间充当结构干扰物;然而，脯氨酸通常作为α螺旋的第一个残基，也在β折叠的边缘链中发现。脯氨酸也经常出现在转角中(另一种二级结构)，并有助于β折叠的形成。这可能解释了一个奇怪的事实，脯氨酸通常是溶剂暴露的，尽管有一个完全的脂肪族侧链。

多个脯氨酸和/或羟脯氨酸在一起可以形成一个多脯氨酸螺旋，这是胶原蛋白的主要二级结构。脯氨酸羟化酶对脯氨酸的羟化作用(或加入其他吸电子取代基如氟)显著提高了胶原蛋白的构象稳定性。因此，脯氨酸的羟化作用是维持高等生物结缔组织的重要生化过程。坏血病等严重疾病可能是由于羟化作用的缺陷造成的，例如脯氨酰羟化酶的突变或缺乏必要的抗坏血酸(维生素C)辅助因子。

顺反异构化

脯氨酸和其它N-取代氨基酸(如肌氨酸)结合成的肽键，可以形成顺式和反式异构体。大多数肽键。反式异构体占绝对优势(通常在无张力条件下99.9%)，主要是因为酰胺氢(反式异构体)对前面的Cα原子提供的空间排斥力小于后面的Cα原子(顺式异构体)。相比之下，X-Pro肽键的顺式和反式异构体(其中X代表任何氨基酸)都与邻近的取代体发生空间冲突，能量差也小得多。因此，在无张力条件下，顺式异构体中X-Pro肽键的比例显著升高，顺式比例通常在3-10%的范围内。然而，这些值取决于前面的氨基酸，Gly和芳香残基产生更多的顺式异构体。芳香-脯氨酸肽键的顺式组分已被鉴定为高达40%。

从动力学的角度来看，顺式-反式脯氨酸异构化是一个非常缓慢的过程，它可以通过将一个或多个脯氨酸残基trapping在非天然异构体中阻碍蛋白质折叠的进程，特别是当天然蛋白质需要顺式异构体时。这是因为脯氨酸残基在核糖体中作为反式异构体形式单独合成。所有生物体都具有脯氨酰异构酶来催化这种异构化，有些细菌具有专门的与核糖体相关的脯氨酰异构酶。然而，并不是所有的脯氨酸都是折叠所必需的，尽管有许多X-Pro肽键的非天然构象，蛋白质折叠仍能以正常速率进行。

使用

脯氨酸及其衍生物是脯氨酸有机催化反应中常用的不对称催化剂。CBS还原反应和脯氨酸催化的羟醛缩合反应是突出的例子。

在酿造过程中，富含脯氨酸的蛋白质与多酚结合产生浑浊。

L-脯氨酸是一种渗透保护剂，因此被用于许多制药和生物技术的应用。

用于植物组织培养的培养基中可添加脯氨酸。这可以促进生长，可能是因为它有助于植物耐受组织培养的压力。关于脯氨酸在植物胁迫反应中的作用，见§生物活性。

特点

脯氨酸和甘氨酸是两种不符合典型Ramachandran plot谱的氨基酸。由于环的形成与碳相连，肽键的ψ角和φ角允许的旋转度更小。因此，它经常在蛋白质的“转角”中被发现，因为它的自由熵(ΔS)不像其他氨基酸那么大，因此在折叠形式和展开形式时，熵的变化更小。此外，脯氨酸很少出现在α和β结构中，因为它的侧链α-N只能形成一个氮键，这会降低这类结构的稳定性。

此外，当被开发喷射茚三酮用于色谱分析时，脯氨酸是唯一一种不形成红色/紫色的氨基酸。相反，脯氨酸会产生橙色/黄色。

化学合成

丙二酸二乙酯和丙烯腈可合成外消旋脯氨酸:

丙二酸二乙酯和丙烯腈可合成外消旋脯氨酸