蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能-氨基酸

1、 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能氨基酸2010 遺傳學Chapter 1 氨基酸I 蛋白質(zhì)的天然組成天然蛋白質(zhì)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 。蛋白質(zhì)的功能是與蛋白質(zhì)氨基酸 排列順序 和每個 氨基酸 殘基的特征 有關(guān)。那些殘基賦予蛋白質(zhì)獨一無 二的功能。氨基酸的 分類 是依照它的 側(cè)鏈性質(zhì) 的一些稀有的氨基酸在少量的蛋白質(zhì)中結(jié)合了L- 硒 代胱氨酸 。II 氨基酸的結(jié)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(cè)鏈（ R基） 連接在碳原子上。A 非極性側(cè)鏈的氨基酸B 不帶電的極性側(cè) 鏈氨基酸在蛋白質(zhì)中，這些羧

2、基和氨基幾乎全部都結(jié)合成 肽鍵 。在一般情況下，除了 氫鍵的構(gòu)成以外，是不會 發(fā)生化學反應的。氨基酸的 側(cè)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(zhì)分子獨特的性質(zhì)， 導致：一種獨特的折疊構(gòu)象溶解性的差異聚集態(tài)和配基或其他大分子構(gòu)成復合物的能力，酶C 酸性側(cè)鏈 的氨基酸個性 ”的氨基酸，D 堿性側(cè)鏈 的氨基酸甘氨酸也出現(xiàn)在 酶催化蛋白質(zhì)特異性修飾的 識別位點 ，例如 N 端的十四酰基化 (CH2(CH2)12CO ) 和精氨酸甲基化的信號序列。丙氨酸(Ala A )結(jié)構(gòu)：是 20 種氨基酸中最沒有A.非極性側(cè)鏈氨基酸非極性氨基酸在蛋白質(zhì)中的位置：在可溶性蛋白質(zhì)中，非極

3、性氨基酸鏈趨向于集中 在蛋白質(zhì) 內(nèi)部 。甘氨酸(Gly G ) 結(jié)構(gòu)： 最簡單的氨基酸，在蛋白質(zhì)氨基酸當中， 是 唯一缺乏 非對稱結(jié)構(gòu)的氨基酸。特征： 甘氨酸在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)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 - 碳原子， 它在蛋白質(zhì)的構(gòu)象上有很大的 靈活性 和更容易達到它 的 空間結(jié)構(gòu) 。功能和位置：甘氨酸經(jīng)常位于 緊密轉(zhuǎn)角 ；和出現(xiàn)在 大分子側(cè) 鏈產(chǎn)生空間位阻影響螺旋的緊密包裝處 (如膠原) 和 結(jié)合底物的地方 。由于缺乏空間位阻側(cè)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-Gly 沒有長側(cè)鏈 ， 沒有特別的構(gòu)象性質(zhì) ，可以出現(xiàn)在蛋白 質(zhì)結(jié)

4、構(gòu)的 任何部位 。特征：1、丙氨酸是蛋白質(zhì)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：中度疏水 的脂肪族側(cè)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(zhì)的構(gòu)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(cè)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(cè)鏈 功能：- 分支鏈在空間上阻礙鄰近的肽鍵反應。疏水側(cè)鏈趨向在 折疊蛋白的內(nèi)部 ，比起 螺旋 這種側(cè)鏈在二級結(jié)構(gòu)中 更容易形成 折疊 。異亮氨酸有第二個不對稱中心。亮氨酸( Leu L ) 結(jié)構(gòu) ：有一個 大的疏水殘

5、基功能 ：這種氨基酸通常存在于球狀蛋白中。在這類 蛋白質(zhì)中因有大的脂肪族殘基側(cè)鏈而形成 疏水中心是膜蛋白中 跨膜螺旋 的主要組成部分。形成有規(guī)則地 “亮氨酸拉鏈” 結(jié)構(gòu)。苯丙氨酸（ Phe F ）結(jié)構(gòu)： 擁有龐大的 疏水側(cè)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(jié)構(gòu) ：兩種含硫氨基酸中的一個（硫醚基） 特征：大小 和疏水性 跟亮氨酸的相似。色氨酸殘基的吲哚環(huán)容易受到 親電攻擊 。蛋白質(zhì)的 光敏感性 在很大程度上是因為色氨酸殘 基的氧化降解。色氨酸殘基具有最大的 紫外

6、吸收 和 熒光特性 。脯氨酸（Pro P ）結(jié)構(gòu)： 次級氨基酸，具有脯氨?；卣鳎焊彼釟埢臉?gòu)象 靈活性 受到限制，脯氨酸殘基 經(jīng)常出現(xiàn)在緊密轉(zhuǎn)角蛋白質(zhì)表面。脯氨酸不可參加全部 螺旋的 氫鍵的形成 ，它們在 螺旋軸上形成一個 扭曲 。在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中存在 順式的肽 - 脯氨酸結(jié)合物 （除 了最常見的反式形式）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(nèi)切酶位點， 多肽和蛋白質(zhì)的脯氨酸依賴性已被提出。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。烷基化 ，在酸性條件下也可以跟 溴硫醚基可以被 化氰 發(fā)生反應。色氨酸（Trp W）結(jié)構(gòu)：

7、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(jié)構(gòu)性包裝作用 中起關(guān)鍵作用。2.它的高度疏水性受到吲哚 NH基 的調(diào)節(jié)。3.色氨酸殘基經(jīng)常構(gòu)成配體連接位點 的一部分。B極性不帶電側(cè)鏈的氨基酸（這些氨基酸在中性的 pH 中不帶電荷）絲氨酸（Ser S）結(jié)構(gòu)： 帶有初級脂肪族 羥基 的氨基酸特征：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。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 。在體內(nèi)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

8、氨酸（Thr T）結(jié)構(gòu)與特點：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 。擁有 2 個手性碳原子 。半胱氨酸 （Cys C ）結(jié)構(gòu)： 帶有硫醇基基團。特征：在半胱氨酸 去質(zhì)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，?；?和烷化試 劑發(fā)生反應。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） 。通過肽鏈間和肽鏈內(nèi)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 。在生物化學活性：半胱氨酸殘基也可以通過 酰化作用 和

9、烴基化作用進 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。胱氨酸殘基在堿性 （ alkaline ）的條件下會發(fā)生消除反應 。天冬氨酰 （Asp N ）特征：天冬氨酰的 酰胺基是 氫鍵 的供體和受體 。天冬氨酰殘基經(jīng)常出現(xiàn)蛋白質(zhì) 折疊結(jié)構(gòu) 的 轉(zhuǎn)角 處。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(jié)構(gòu)（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-天冬氨酰或者 L-或 D-異天冬氨酰殘基。2）. 這個亞胺結(jié)構(gòu)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，

10、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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)： 帶有酚羥基 。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(nèi)的共價修飾包括 磷酸化 和 硫酸鹽化 作用，

11、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。谷氨酸 （ Glu 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C帶有酸性側(cè)鏈的氨基酸 更高的 pKa（在上下） ，但在大體具有相似的功能和性 質(zhì)，如促成靜電，蛋白質(zhì)內(nèi) 氫鍵 相互作用和結(jié)合配基， 包括金屬離子。Pka 值一般在左右） 在生理精氨酸 （ Arg R ）天冬氨酸和谷氨酸是質(zhì)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(jié)構(gòu)：帶有兩個羧基 。特征：天冬氨酸的羧基基團 條件下以 離子化 的 羧酸鹽 形式存在。1）. 強極性的側(cè)鏈主要存在在蛋白質(zhì)的

12、表面 ，為 金屬離子 和正電荷配基 提供結(jié)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 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(nèi)質(zhì)網(wǎng)的 Ca2+ATP 酶催化過程中通過天冬 氨酸 羧基形成?；姿猁}中間體?；瘜W活性：1）. 天冬氨酸側(cè)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(cè)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酰基 肽鍵水解得更快。3

13、）. 天冬氨酸殘基在體內(nèi)可能被修飾為 - 天冬羥胺殘 基。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(nèi)， - 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(cè)鏈的氨基酸堿性氨基酸的側(cè)鏈接受質(zhì)子， 在生理 pH的狀態(tài)下， 賴氨酸和精氨酸的側(cè)鏈被完全電離并且?guī)д姾伞Ｏ?比之下，組氨酸顯弱堿性。結(jié)構(gòu) ：帶 胍基 的氨基酸特征 ：精氨酸殘基 強堿性 的胍基（ pKa在左右 ）在所以 生理相關(guān) pH 值下都 完全質(zhì)子化 。功能：1. 精氨酸殘基在蛋白質(zhì)里通常充當 正電基團 的功 2. 和賴氨

14、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 .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(guān) 的化合物。在體內(nèi)，甲基化和 ADP核糖基化是重要的修飾。組氨酸側(cè)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

15、性內(nèi)部被排除。2、它的脂肪族四亞甲基是 疏水 的，但質(zhì)子化的氨基基 團親水性占主要地位3、它的 長靈活側(cè)鏈 促成很多 - 氨基在晶體決定結(jié)構(gòu) 上缺乏定義。作為 正電荷的載體 ，促成賴氨酸殘基和 負電荷配 基的結(jié)合，常常形成強的氫鍵。在化學上，賴氨酸側(cè)鏈的反應是典型的 初級的脂 肪族胺 的代表。在體內(nèi)，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 ）特征:1. 硒代半胱氨酸一般不認為是主要蛋白質(zhì)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 UG（A 通常是種終止密碼子） 在一 個特殊的環(huán)境下，而不是作為一種翻譯后修飾2. 已知含硒代半胱氨酸的蛋白質(zhì)很少，并且大多數(shù) 這些單個硒代半胱氨酸是氧化還原反應的活性位點。它在化學上和賴氨酸相似，但作