蛋白質結構與功能氨基酸

1、蛋白質結構與功能氨基酸2010遺傳學Chapter 1 氨基酸I 蛋白質的天然組成天然蛋白質幾乎都是由18種普通的氨基酸組成：L-氨基酸，L-亞氨基酸(脯氨酸)和甘氨酸。一些稀有的氨基酸在少量的蛋白質中結合了L-硒代胱氨酸。II 氨基酸的結果每種氨基酸（除了脯氨酸）：都有一個羧基，一個氨基，一個特異性的側鏈（R基）連接在碳原子上。在蛋白質中，這些羧基和氨基幾乎全部都結合成肽鍵。在一般情況下，除了氫鍵的構成以外，是不會發(fā)生化學反應的。 氨基酸的側鏈殘基（R基）提供了多種多樣的功能基團，這些基團賦予蛋白質分子獨特的性質，導致：A. 一種獨特的折疊構象B. 溶解性的差異C. 聚集態(tài)D. 和配基或其他

2、大分子構成復合物的能力，酶活性等等。蛋白質的功能是與蛋白質氨基酸排列順序和每個氨基酸殘基的特征有關。那些殘基賦予蛋白質獨一無二的功能。氨基酸的分類是依照它的側鏈性質的A 非極性側鏈的氨基酸B 不帶電的極性側鏈氨基酸C 酸性側鏈的氨基酸D 堿性側鏈的氨基酸A.非極性側鏈氨基酸非極性氨基酸在蛋白質中的位置：在可溶性蛋白質中，非極性氨基酸鏈趨向于集中在蛋白質內部。甘氨酸(Gly G ) 結構：最簡單的氨基酸，在蛋白質氨基酸當中，是唯一缺乏非對稱結構的氨基酸。特征：甘氨酸在蛋白質結構中起到一個很重要的作用，與其它氨基酸殘基相比，由于缺少b-碳原子，它在蛋白質的構象上有很大的靈活性和更容易達到它的空間結

3、構。功能和位置：1. 甘氨酸經(jīng)常位于緊密轉角；和出現(xiàn)在大分子側鏈產(chǎn)生空間位阻影響螺旋的緊密包裝處（如膠原）和結合底物的地方。2. 由于缺乏空間位阻側鏈，所以甘氨酸在鄰近的肽鍵的位置有更強化學反應活性。例如：Asn-Gly3. 甘氨酸也出現(xiàn)在酶催化蛋白質特異性修飾的識別位點，例如N端的十四?；–H2(CH2)12CO)和精氨酸甲基化的信號序列。 丙氨酸(Ala A )結構：是20種氨基酸中最沒有“個性”的氨基酸，沒有長側鏈，沒有特別的構象性質，可以出現(xiàn)在蛋白質結構的任何部位。特征：1、 丙氨酸是蛋白質中含量最豐富的氨基酸殘基之一，弱疏水性。2、 化學活性非常弱。纈氨酸(Val V)特征：中度

4、疏水的脂肪族側鏈殘基。功能：3、 這個中度疏水殘基碳原子上的甲基降低了蛋白質的構象的靈活性。2、使鄰近的肽鍵的化學反應產(chǎn)生空間位阻，特別是相鄰殘基具有-分支的側鏈（纈氨酸或異亮氨酸）。異亮氨酸（Ile I） 特征：疏水的脂肪族殘基側鏈 功能：1. b-分支鏈在空間上阻礙鄰近的肽鍵反應。2. 疏水側鏈趨向在折疊蛋白的內部，比起a螺旋這種側鏈在二級結構中更容易形成b折疊。3. 異亮氨酸有第二個不對稱中心。亮氨酸（ Leu L）結構：有一個大的疏水殘基。 功能：1. 這種氨基酸通常存在于球狀蛋白中。在這類蛋白質中因有大的脂肪族殘基側鏈而形成疏水中心2. 是膜蛋白中跨膜螺旋的主要組成部分。3. 形成有

5、規(guī)則地“亮氨酸拉鏈”結構。苯丙氨酸（Phe F）結構：擁有龐大的疏水側鏈苯環(huán)特征：弱的極性特性利于其與其它的芳香族和其它極性基團相互作用時優(yōu)先定位功能：是球狀蛋白疏水核心和膜蛋白跨膜區(qū)域的重要成分。甲硫氨酸（Met M）結構：兩種含硫氨基酸中的一個（硫醚基）特征：1. 大小和疏水性跟亮氨酸的相似。2. 硫原子可以和金屬離子相互作用發(fā)生化學反應，特別是跟氧化劑發(fā)生反應。3. 硫醚基可以被烷基化，在酸性條件下也可以跟溴化氰發(fā)生反應。色氨酸（Trp W）結構：一種帶有吲哚NH基的氨基酸。特征：1. 色氨酸殘基經(jīng)常在結構性包裝作用中起關鍵作用。2. 它的高度疏水性受到吲哚NH基的調節(jié)。3. 色氨酸殘基

6、經(jīng)常構成配體連接位點的一部分。4. 色氨酸殘基的吲哚環(huán)容易受到親電攻擊。5. 蛋白質的光敏感性在很大程度上是因為色氨酸殘基的氧化降解。6. 色氨酸殘基具有最大的紫外吸收和熒光特性。脯氨酸（Pro P）結構：次級氨基酸，具有脯氨?；卣鳎?. 脯氨酸殘基的構象靈活性受到限制，脯氨酸殘基經(jīng)常出現(xiàn)在緊密轉角蛋白質表面。2. 脯氨酸不可參加全部a螺旋的氫鍵的形成，它們在螺旋軸上形成一個扭曲。3. 在蛋白質結構中存在順式的肽-脯氨酸結合物（除了最常見的反式形式）4. 化學活性, 1) 脯氨酸殘基是惰性的。 2）脯氨酸殘基是脯氨酸特異的多肽內切酶位點，多肽和蛋白質的脯氨酸依賴性已被提出。B極性不帶電側鏈的

7、氨基酸（這些氨基酸在中性的pH中不帶電荷）絲氨酸（Ser S）結構：帶有初級脂肪族羥基的氨基酸特征：1. 既是氫鍵的供體，也是氫鍵的受體。在折疊蛋白表面時常與溶劑水相互作用。2. 氧原子是具有弱親核性的，但是在很多種類的蛋白酶（絲氨酸蛋白酶）和酯酶的活性位點中它的親核性會大大地增強。3. 在體內可以形成穩(wěn)定的共價鍵。那些碳水化合物（氧連接的糖基化作用）和磷酸鹽是重要的例子。蘇氨酸（Thr T）結構與特點：1. 與絲氨酸殘基在化學和生物特性上有些相同，為O-連接的糖基化和磷酸化作用提供位點，但是它和絲氨酸相比有比較大的空間阻礙和弱的化學活性。2. 擁有2個手性碳原子。 半胱氨酸（Cys C ）結

8、構：帶有硫醇基基團。特征：1. 在半胱氨酸去質子化的形式下（硫醇鹽）它的硫醇基是一個強親核基團，很容易跟醛，?；屯榛噭┌l(fā)生反應。2. 它具有和金屬離子有強的親和力如鋅，鐵和銅（和有毒金屬如鈣和汞）。3. 通過肽鏈間和肽鏈內的半胱氨酸氧化成胱氨酸殘基形成二硫鍵，為很多胞外蛋白提供必要的穩(wěn)定性。4. 在生物化學活性：半胱氨酸殘基也可以通過?；饔煤蜔N基化作用進行修飾。半胱氨酸殘基也可以用作輔基的共價連接，如亞鐵血紅素。5. 胱氨酸殘基在堿性（alkaline）的條件下會發(fā)生b消除反應。天冬氨酰（Asp N）特征：1. 天冬氨酰的b酰胺基是氫鍵的供體和受體。2. 天冬氨酰殘基經(jīng)常出現(xiàn)蛋白質折疊結

9、構的轉角處。3. 酰胺基相對容易水解。在沒有空間障礙的情況下，可能會形成環(huán)狀亞胺結構（失去氨）。1）.這個過程可能會經(jīng)歷外消旋作用，然后分裂形成L-或D-天冬氨?；蛘週-或D-異天冬氨酰殘基。2）.這個亞胺結構也很容易跟羥胺發(fā)生反應，導致肽鏈的分裂。功能：天冬酰胺一個重要的功能作為N-端糖基化的連接位點，主要在真核生物糖蛋白的細胞外和膜外部分中。天冬氨酰糖基轉移的一個必要而非充分條件是：-Asn-Xaa-(Ser or Thr) 谷氨酰胺（Gln Q）特征：谷氨酰胺的特性大體上和天冬酰胺相似，雖然谷氨酸的酰胺基比天冬氨酸弱，但谷氨酰胺的殘基比天冬酰胺的殘基要穩(wěn)定。酪氨酸（Tyr Y）結構：帶有

10、酚羥基。特征：1. 具有強的極性。2. 大多數(shù)的酪氨酸殘基在生理pH值中是中性的。3. 充當金屬（如Fe2+）的配基和氫鍵的供體和受體。4. 苯酚鹽在氧和芳香環(huán)碳上都有是有反應性的親核基團。5. 在體內的共價修飾包括磷酸化和硫酸鹽化作用，在無脊椎動物里的胞外蛋白中可以與其他酪氨酸殘基交聯(lián)。6. 酪氨酸殘基也是的甲狀腺激素來源。C帶有酸性側鏈的氨基酸天冬氨酸和谷氨酸是質子供體,這些氨基酸在生理pH值的下帶負電。天冬氨酸(Asp D)結構：帶有兩個羧基。特征：1. 天冬氨酸的羧基基團（Pka值一般在4.0左右）在生理條件下以離子化的羧酸鹽形式存在。1). 強極性的側鏈主要存在在蛋白質的表面，為金屬

11、離子和正電荷配基提供結合位點，特別是鈣離子。2).在羧酸基團和供體基團之間形成強的氫鍵（比如胍鹽）。3).天冬氨酸b羧基可能直接參與酶的催化作用。4).陽離子運輸機制的Na+,K+-ATP酶和原膜的Ca2+ATP酶和內質網(wǎng)的Ca2+ATP酶催化過程中通過天冬氨酸b羧基形成?；姿猁}中間體。2. 化學活性：1).天冬氨酸側鏈發(fā)生典型的羧酸反應，如在活化劑存在的狀態(tài)下形成酯類和酰胺類，如強酸或者碳化二亞胺和親核試劑如醇和胺。2).由于側鏈羧基對肽鍵羧基的影響使得鄰近效應顯著，而且在弱酸條件下，天冬氨酰肽鍵比其它氨?；逆I水解得更快。3).天冬氨酸殘基在體內可能被修飾為b-天冬羥胺殘基。谷氨酸（Gl

12、u E）特征：1. 谷氨酸的殘基的羧基比起天冬氨酸殘基的羧基有更高的pKa（在4.5上下），但在大體具有相似的功能和性質，如促成靜電，蛋白質內氫鍵相互作用和結合配基，包括金屬離子。2. 谷氨酸殘基肽鍵是穩(wěn)定的，沒有提供酸性蛋白酶必須的活性位點的殘基。功能：在體內，-羧基谷氨酸殘基修飾對許多血凝蛋白的功能是必不可少的，比如血凝素，它的丙二酸集團增強與Ca2+親和力。D.帶堿性側鏈的氨基酸堿性氨基酸的側鏈接受質子，在生理pH的狀態(tài)下，賴氨酸和精氨酸的側鏈被完全電離并且?guī)д姾伞Ｏ啾戎?，組氨酸顯弱堿性。精氨酸（Arg R）結構：帶胍基的氨基酸特征：精氨酸殘基強堿性的胍基（pKa在12.0左右)在所

13、以生理相關pH值下都完全質子化。功能：1. 精氨酸殘基在蛋白質里通常充當正電基團的功能。2. 和賴氨酸一起，精氨酸為膜蛋白組裝、前體蛋白切割、核與核仁的定位提供正電信號.3. 在中性PH條件下幾乎沒有化學活性；在堿性條件下生成環(huán)狀，常常是熒光產(chǎn)物，有-或二酮及相關的化合物。在體內，甲基化和ADP核糖基化是重要的修飾。賴氨酸（Lys L）特征：1、 中性條件下大部分賴氨酸帶正電荷，一般在球狀蛋白的非極性內部被排除。2、它的脂肪族四亞甲基是疏水的，但質子化的氨基基團親水性占主要地位3、它的長靈活側鏈促成很多-氨基在晶體決定結構上缺乏定義。4. 作為正電荷的載體，促成賴氨酸殘基和負電荷配基的結合，常

14、常形成強的氫鍵。5. 在化學上，賴氨酸側鏈的反應是典型的初級的脂肪族胺的代表。6. 在體內，賴氨酸是很多輔基的連接位點，如生物素和視網(wǎng)膜醛。組氨酸（His H）結構：帶有咪唑基的氨基酸。特征：1. 組氨酸殘基的咪唑基特有的PK值在6.5左右，比蛋白質的其它功能基團更接近中性。2. 在酶反應中，組氨酸殘基經(jīng)常充當質子轉移的催化劑。3. 組氨酸側鏈也容易形成交聯(lián)復合物，和半胱氨酸的交聯(lián)來連接金屬離子比如Zn2+，Ca2+,和Fe2+。4從化學上講，咪唑集團是一個親核集團，可以被酸酐（雖然它的產(chǎn)物是易水解的不穩(wěn)定的）還有芳香黃酰氯?；M管很慢但可以和碘乙酸發(fā)生烷化作用。硒代半胱氨酸特征:1. 硒代半胱氨酸一般不認為是主要蛋白質氨基酸的一種，它和其它已知的變異氨基酸不同之處是它在進入核糖體時用密碼子UGA（通常是種終止密碼子）在