1.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(xué)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。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。在蛋白質(zhì)中，這些羧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(xué)反應(yīng)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(dǎo)致：A. 一種獨特的折疊構(gòu)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(gòu)成復(fù)合物的能力，酶活性等等。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A 非極性側(cè)鏈的氨基酸B 不帶電的極性側(cè)鏈氨基酸C 酸性側(cè)鏈的氨基酸D 堿性側(cè)鏈的氨基酸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(dāng)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b-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(dá)到它的空間結(jié)

3、構(gòu)。功能和位置：1. 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。2. 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(xué)反應(yīng)活性。例如：Asn-Gly3. 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“個性”的氨基酸，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)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(xué)活性非常弱。纈氨酸(Val V)特征：中度

4、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(xué)反應(yīng)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：1. b-分支鏈在空間上阻礙鄰近的肽鍵反應(yīng)。2. 疏水側(cè)鏈趨向在折疊蛋白的內(nèi)部，比起a螺旋這種側(cè)鏈在二級結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)：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(zhì)中因有大的脂肪族殘基側(cè)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(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：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(xué)反應(yīng)，特別是跟氧化劑發(fā)生反應(yīng)。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(yīng)。色氨酸（Trp W）結(jié)構(gòu)：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

6、經(jīng)常構(gòu)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(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。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(jié)構(gòu)：次級氨基酸，具有脯氨?；卣鳎?. 脯氨酸殘基的構(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。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(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）4. 化學(xué)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。B極性不帶電側(cè)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(jié)構(gòu)：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(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。蘇氨酸（Thr T）結(jié)構(gòu)與特點：1. 與絲氨酸殘基在化學(xué)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(xué)活性。2. 擁有2個手性碳原子。 半胱氨酸（Cys C ）結(jié)

8、構(gòu)：帶有硫醇基基團。特征：1. 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，?；屯榛噭┌l(fā)生反應(yīng)。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(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。4. 在生物化學(xué)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(yīng)。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(zhì)折疊結(jié)

9、構(gòu)的轉(zhuǎn)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(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?；蛘週-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(yīng)，導(dǎo)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(xì)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

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(dāng)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(yīng)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，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(cè)鏈的氨基酸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(fù)電。天冬氨酸(Asp D)結(jié)構(gòu)：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(cè)鏈主要存在在蛋白質(zhì)的表面，為金屬

11、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(nèi)質(zhì)網(wǎng)的Ca2+ATP酶催化過程中通過天冬氨酸b羧基形成酰基磷酸鹽中間體。2. 化學(xué)活性：1).天冬氨酸側(cè)鏈發(fā)生典型的羧酸反應(yīng)，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(yīng)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(nèi)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(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。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?。相比之下，組氨酸顯弱堿性。精氨酸（Arg R）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12.0左右)在所

13、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(dāng)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(xué)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。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(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。4. 作為正電荷的載體，促成賴氨酸殘基和負(fù)電荷配基的結(jié)合，常

14、常形成強的氫鍵。5. 在化學(xué)上，賴氨酸側(cè)鏈的反應(yīng)是典型的初級的脂肪族胺的代表。6. 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）結(jié)構(gòu)：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(zhì)的其它功能基團更接近中性。2. 在酶反應(yīng)中，組氨酸殘基經(jīng)常充當(dāng)質(zhì)子轉(zhuǎn)移的催化劑。3. 組氨酸側(cè)鏈也容易形成交聯(lián)復(fù)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(xué)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(rèn)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UGA（通常是種終止密碼子）在