蛋白质结构与功能氨基酸

1、蛋白质结构与功能氨基酸2010遗传学Chapter 1 氨基酸I 蛋白质的天然组成天然蛋白质几乎都是由18种普通的氨基酸组成：L-氨基酸，L-亚氨基酸(脯氨酸)和甘氨酸。一些稀有的氨基酸在少量的蛋白质中结合了L-硒代胱氨酸。II 氨基酸的结果每种氨基酸（除了脯氨酸）：都有一个羧基，一个氨基，一个特异性的侧链（R基）连接在碳原子上。在蛋白质中，这些羧基和氨基几乎全部都结合成肽键。在一般情况下，除了氢键的构成以外，是不会发生化学反应的。 氨基酸的侧链残基（R基）提供了多种多样的功能基团，这些基团赋予蛋白质分子独特的性质，导致：A. 一种独特的折叠构象B. 溶解性的差异C. 聚集态D. 和配基或其他

2、大分子构成复合物的能力，酶活性等等。蛋白质的功能是与蛋白质氨基酸排列顺序和每个氨基酸残基的特征有关。那些残基赋予蛋白质独一无二的功能。氨基酸的分类是依照它的侧链性质的A 非极性侧链的氨基酸B 不带电的极性侧链氨基酸C 酸性侧链的氨基酸D 碱性侧链的氨基酸A.非极性侧链氨基酸非极性氨基酸在蛋白质中的位置：在可溶性蛋白质中，非极性氨基酸链趋向于集中在蛋白质内部。甘氨酸(Gly G ) 结构：最简单的氨基酸，在蛋白质氨基酸当中，是唯一缺乏非对称结构的氨基酸。特征：甘氨酸在蛋白质结构中起到一个很重要的作用，与其它氨基酸残基相比，由于缺少b-碳原子，它在蛋白质的构象上有很大的灵活性和更容易达到它的空间结

3、构。功能和位置：1. 甘氨酸经常位于紧密转角；和出现在大分子侧链产生空间位阻影响螺旋的紧密包装处（如胶原）和结合底物的地方。2. 由于缺乏空间位阻侧链，所以甘氨酸在邻近的肽键的位置有更强化学反应活性。例如：Asn-Gly3. 甘氨酸也出现在酶催化蛋白质特异性修饰的识别位点，例如N端的十四酰基化（CH2(CH2)12CO)和精氨酸甲基化的信号序列。 丙氨酸(Ala A )结构：是20种氨基酸中最没有“个性”的氨基酸，没有长侧链，没有特别的构象性质，可以出现在蛋白质结构的任何部位。特征：1、 丙氨酸是蛋白质中含量最丰富的氨基酸残基之一，弱疏水性。2、 化学活性非常弱。缬氨酸(Val V)特征：中度

4、疏水的脂肪族侧链残基。功能：3、 这个中度疏水残基碳原子上的甲基降低了蛋白质的构象的灵活性。2、使邻近的肽键的化学反应产生空间位阻，特别是相邻残基具有-分支的侧链（缬氨酸或异亮氨酸）。异亮氨酸（Ile I） 特征：疏水的脂肪族残基侧链 功能：1. b-分支链在空间上阻碍邻近的肽键反应。2. 疏水侧链趋向在折叠蛋白的内部，比起a螺旋这种侧链在二级结构中更容易形成b折叠。3. 异亮氨酸有第二个不对称中心。亮氨酸（ Leu L）结构：有一个大的疏水残基。 功能：1. 这种氨基酸通常存在于球状蛋白中。在这类蛋白质中因有大的脂肪族残基侧链而形成疏水中心2. 是膜蛋白中跨膜螺旋的主要组成部分。3. 形成有

5、规则地“亮氨酸拉链”结构。苯丙氨酸（Phe F）结构：拥有庞大的疏水侧链苯环特征：弱的极性特性利于其与其它的芳香族和其它极性基团相互作用时优先定位功能：是球状蛋白疏水核心和膜蛋白跨膜区域的重要成分。甲硫氨酸（Met M）结构：两种含硫氨基酸中的一个（硫醚基）特征：1. 大小和疏水性跟亮氨酸的相似。2. 硫原子可以和金属离子相互作用发生化学反应，特别是跟氧化剂发生反应。3. 硫醚基可以被烷基化，在酸性条件下也可以跟溴化氰发生反应。色氨酸（Trp W）结构：一种带有吲哚NH基的氨基酸。特征：1. 色氨酸残基经常在结构性包装作用中起关键作用。2. 它的高度疏水性受到吲哚NH基的调节。3. 色氨酸残基

6、经常构成配体连接位点的一部分。4. 色氨酸残基的吲哚环容易受到亲电攻击。5. 蛋白质的光敏感性在很大程度上是因为色氨酸残基的氧化降解。6. 色氨酸残基具有最大的紫外吸收和荧光特性。脯氨酸（Pro P）结构：次级氨基酸，具有脯氨酰基特征：1. 脯氨酸残基的构象灵活性受到限制，脯氨酸残基经常出现在紧密转角蛋白质表面。2. 脯氨酸不可参加全部a螺旋的氢键的形成，它们在螺旋轴上形成一个扭曲。3. 在蛋白质结构中存在顺式的肽-脯氨酸结合物（除了最常见的反式形式）4. 化学活性, 1) 脯氨酸残基是惰性的。 2）脯氨酸残基是脯氨酸特异的多肽内切酶位点，多肽和蛋白质的脯氨酸依赖性已被提出。B极性不带电侧链的

7、氨基酸（这些氨基酸在中性的pH中不带电荷）丝氨酸（Ser S）结构：带有初级脂肪族羟基的氨基酸特征：1. 既是氢键的供体，也是氢键的受体。在折叠蛋白表面时常与溶剂水相互作用。2. 氧原子是具有弱亲核性的，但是在很多种类的蛋白酶（丝氨酸蛋白酶）和酯酶的活性位点中它的亲核性会大大地增强。3. 在体内可以形成稳定的共价键。那些碳水化合物（氧连接的糖基化作用）和磷酸盐是重要的例子。苏氨酸（Thr T）结构与特点：1. 与丝氨酸残基在化学和生物特性上有些相同，为O-连接的糖基化和磷酸化作用提供位点，但是它和丝氨酸相比有比较大的空间阻碍和弱的化学活性。2. 拥有2个手性碳原子。 半胱氨酸（Cys C ）结

8、构：带有硫醇基基团。特征：1. 在半胱氨酸去质子化的形式下（硫醇盐）它的硫醇基是一个强亲核基团，很容易跟醛，酰化和烷化试剂发生反应。2. 它具有和金属离子有强的亲和力如锌，铁和铜（和有毒金属如钙和汞）。3. 通过肽链间和肽链内的半胱氨酸氧化成胱氨酸残基形成二硫键，为很多胞外蛋白提供必要的稳定性。4. 在生物化学活性：半胱氨酸残基也可以通过酰化作用和烃基化作用进行修饰。半胱氨酸残基也可以用作辅基的共价连接，如亚铁血红素。5. 胱氨酸残基在碱性（alkaline）的条件下会发生b消除反应。天冬氨酰（Asp N）特征：1. 天冬氨酰的b酰胺基是氢键的供体和受体。2. 天冬氨酰残基经常出现蛋白质折叠结

9、构的转角处。3. 酰胺基相对容易水解。在没有空间障碍的情况下，可能会形成环状亚胺结构（失去氨）。1）.这个过程可能会经历外消旋作用，然后分裂形成L-或D-天冬氨酰或者L-或D-异天冬氨酰残基。2）.这个亚胺结构也很容易跟羟胺发生反应，导致肽链的分裂。功能：天冬酰胺一个重要的功能作为N-端糖基化的连接位点，主要在真核生物糖蛋白的细胞外和膜外部分中。天冬氨酰糖基转移的一个必要而非充分条件是：-Asn-Xaa-(Ser or Thr) 谷氨酰胺（Gln Q）特征：谷氨酰胺的特性大体上和天冬酰胺相似，虽然谷氨酸的酰胺基比天冬氨酸弱，但谷氨酰胺的残基比天冬酰胺的残基要稳定。酪氨酸（Tyr Y）结构：带有

10、酚羟基。特征：1. 具有强的极性。2. 大多数的酪氨酸残基在生理pH值中是中性的。3. 充当金属（如Fe2+）的配基和氢键的供体和受体。4. 苯酚盐在氧和芳香环碳上都有是有反应性的亲核基团。5. 在体内的共价修饰包括磷酸化和硫酸盐化作用，在无脊椎动物里的胞外蛋白中可以与其他酪氨酸残基交联。6. 酪氨酸残基也是的甲状腺激素来源。C带有酸性侧链的氨基酸天冬氨酸和谷氨酸是质子供体,这些氨基酸在生理pH值的下带负电。天冬氨酸(Asp D)结构：带有两个羧基。特征：1. 天冬氨酸的羧基基团（Pka值一般在4.0左右）在生理条件下以离子化的羧酸盐形式存在。1). 强极性的侧链主要存在在蛋白质的表面，为金属

11、离子和正电荷配基提供结合位点，特别是钙离子。2).在羧酸基团和供体基团之间形成强的氢键（比如胍盐）。3).天冬氨酸b羧基可能直接参与酶的催化作用。4).阳离子运输机制的Na+,K+-ATP酶和原膜的Ca2+ATP酶和内质网的Ca2+ATP酶催化过程中通过天冬氨酸b羧基形成酰基磷酸盐中间体。2. 化学活性：1).天冬氨酸侧链发生典型的羧酸反应，如在活化剂存在的状态下形成酯类和酰胺类，如强酸或者碳化二亚胺和亲核试剂如醇和胺。2).由于侧链羧基对肽键羧基的影响使得邻近效应显著，而且在弱酸条件下，天冬氨酰肽键比其它氨酰基肽键水解得更快。3).天冬氨酸残基在体内可能被修饰为b-天冬羟胺残基。谷氨酸（Gl

12、u E）特征：1. 谷氨酸的残基的羧基比起天冬氨酸残基的羧基有更高的pKa（在4.5上下），但在大体具有相似的功能和性质，如促成静电，蛋白质内氢键相互作用和结合配基，包括金属离子。2. 谷氨酸残基肽键是稳定的，没有提供酸性蛋白酶必须的活性位点的残基。功能：在体内，-羧基谷氨酸残基修饰对许多血凝蛋白的功能是必不可少的，比如血凝素，它的丙二酸集团增强与Ca2+亲和力。D.带碱性侧链的氨基酸碱性氨基酸的侧链接受质子，在生理pH的状态下，赖氨酸和精氨酸的侧链被完全电离并且带正电荷。相比之下，组氨酸显弱碱性。精氨酸（Arg R）结构：带胍基的氨基酸特征：精氨酸残基强碱性的胍基（pKa在12.0左右)在所

13、以生理相关pH值下都完全质子化。功能：1. 精氨酸残基在蛋白质里通常充当正电基团的功能。2. 和赖氨酸一起，精氨酸为膜蛋白组装、前体蛋白切割、核与核仁的定位提供正电信号.3. 在中性PH条件下几乎没有化学活性；在碱性条件下生成环状，常常是荧光产物，有-或二酮及相关的化合物。在体内，甲基化和ADP核糖基化是重要的修饰。赖氨酸（Lys L）特征：1、 中性条件下大部分赖氨酸带正电荷，一般在球状蛋白的非极性内部被排除。2、它的脂肪族四亚甲基是疏水的，但质子化的氨基基团亲水性占主要地位3、它的长灵活侧链促成很多-氨基在晶体决定结构上缺乏定义。4. 作为正电荷的载体，促成赖氨酸残基和负电荷配基的结合，常

14、常形成强的氢键。5. 在化学上，赖氨酸侧链的反应是典型的初级的脂肪族胺的代表。6. 在体内，赖氨酸是很多辅基的连接位点，如生物素和视网膜醛。组氨酸（His H）结构：带有咪唑基的氨基酸。特征：1. 组氨酸残基的咪唑基特有的PK值在6.5左右，比蛋白质的其它功能基团更接近中性。2. 在酶反应中，组氨酸残基经常充当质子转移的催化剂。3. 组氨酸侧链也容易形成交联复合物，和半胱氨酸的交联来连接金属离子比如Zn2+，Ca2+,和Fe2+。4从化学上讲，咪唑集团是一个亲核集团，可以被酸酐（虽然它的产物是易水解的不稳定的）还有芳香黄酰氯酰基化，尽管很慢但可以和碘乙酸发生烷化作用。硒代半胱氨酸特征:1. 硒代半胱氨酸一般不认为是主要蛋白质氨基酸的一种，它和其它已知的变异氨基酸不同之处是它在进入核糖体时用密码子UGA（通常是种终止密码子）在