脯氨酸

脯氨酸（Proline，縮寫為Pro 或P ）是一個α-氨基酸，又是一個環狀氨基酸，20個DNA編碼的其中之一。它極易溶於水，微溶於乙醇、丙酮、苯，不溶於乙醚、丙醇。 雖然屬於蛋白氨基酸，並不是一級胺而是二級胺（舊稱為亞氨酸），因此具有特殊構象剛性，影響肽的二級結構。其對應密碼子為CCU、CCC、CCA和CCG。

脯氨酸
Structural formula of proline Ball and stick model of (S)-proline
IUPAC名 Proline
系統IUPAC名 Pyrrolidine-2-carboxylic acid[1]
識別
CAS編號	609-36-9  Y 344-25-2（R）  Y 147-85-3（S）  Y
PubChem	614 8988（R） 145742（S）
ChemSpider	594, 8640 (R), 128566 (S)
SMILES	OC(=O)C1CCCN1
InChI	1/C5H9NO2/c7-5(8)4-2-1-3-6-4/h4,6H,1-3H2,(H,7,8)
Beilstein	80812
Gmelin	26927
EINECS	210-189-3
ChEBI	26271
RTECS	TW3584000
DrugBank	DB02853
KEGG	C16435
MeSH	Proline
性質
化學式	C5H9NO2
摩爾質量	115.13 g·mol−1
外觀	透明晶體
熔點	205-228 °C（478-501 K）（分解）
溶解性	1.5g/100g（乙醇，19 °C）[2]
log P	-0.06
pKa	1.99（羧基）、10.96（氨基）[3]
危險性
安全術語	S：S22, S24/25
若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。

脯氨酸不是一種必需氨基酸，人體可以自行合成。在20個蛋白質形成氨基酸中，其最特別之處在於胺氮被綁定到並非一個而是兩個烷基基團，因此使它具有二級胺結構，天然的脯氨酸為L型，手性碳的構型為S。

生物化學

脯氨酸由氨基酸的L-穀氨酸和其中間前驅物亞氨基乙酸（(''S'')-1 -吡咯啉-5-羧酸甲酯（P5C）生物合成而成，典型生物合成所需要的酶包括：^[4]

1. 穀氨酸5-激酶，穀氨酸1-激酶（ATP依賴性）
2. 氨酸脫氫酶（須具備NADH或NADPH）
3. 吡咯啉-5-羧酸還原酶（須具備NADH或NADPH）

Zwitterionic structure of both proline enantiomers: (S)-proline (left) and (R)-proline

蛋白質結構的特性

脯氨酸側鏈的獨特環狀結構，使脯氨酸相對於其他氨基酸具有特殊構象剛性，它也影響了脯氨酸和其他氨基酸之間肽鍵形成的速率，當脯氨酸在一個肽鍵中被綁定作為酰胺時，其氮原子未綁定到任何的氫原子，則它不能作為氫鍵供體，但可以是氫鍵受體。

Pro-tRNA^Pro的肽鍵形成相較於其他tRNA相當的緩慢，此為N-烷基氨基羧酸一般的特徵，^[5] tRNA和脯氨酸鍵結端部之間肽鍵的形成也相當緩慢，在所有脯氨酸鍵結和脯氨酸鍵結之間的創造是速度最慢的。^[6]

脯氨酸的特殊構象剛性影響蛋白質的二級結構，其蛋白質鄰近於一個脯氨酸殘基，而使脯氨酸在嗜熱生物蛋白質中的高發病率，蛋白質的二級結構可以兩面角φ，ψ和蛋白質主鏈ω表示，脯氨酸側鏈的鎖環結構的夾角φ約-60℃。

脯氨酸在正規二級結構元素中間為結構性干擾物，如α螺旋和β片層，脯氨酸是α螺旋常見的第一個殘基，也同時是β片層的邊緣鏈，脯氨酸也常發現於匝數（另一種二級結構）中，且有助於β匝數的形成，儘管具有一個完整的脂肪族側鏈，脯氨酸通常暴露於溶劑之外。

一排中的多個脯氨酸和/或羥基脯氨酸可以創造一個聚脯氨酸螺旋，聚脯氨酸螺旋是膠原中的主要二級結構，脯氨酸經由脯氨酰羥化酶（或其它添加的吸電子取代基，如氟）的羥基化，顯著增加膠原蛋白的構象穩定性。^[7] 因此，脯氨酸的羥基化是一個關鍵生化過程，用以維持高等生物體的結締組織，嚴重疾病如敗血症，可導致羥基化的缺陷，例如在酶脯氨酰羥化酶中突變或缺乏必要的抗壞血酸（維生素C）輔助因子。

脯氨酸和2-氨基異丁酸（AIB）的序列也可以形成一個螺旋圈結構。^{[來源請求]}

順反異構體

同大多數氨基酸肽鍵採用反式異構體（非應變條件下通常為99.9％）不同，脯氨酸和其它N-取代的氨基酸（如肌氨酸）的肽鍵既能形成順式異構體也能形成反式異構體。這是因為在大多數氨基酸中，反式異構體比順式異構體具有更小的空間位阻斥力，然而在X-Pro肽鍵的「順」「反」異構體（X表示任何氨基酸）中，相鄰取代基的空間位阻幾乎相同。因此，X-Pro的肽鍵在非應變條件下，其「順式」異構體的比例可以達到10-40％，這一比例輕微依賴於前面氨基酸的類型，特別是具有芳香族殘基的氨基酸有利於使其成為「順式」異構體。

從動力學的角度來看，脯氨酸的「順」-「反」異構化是一個非常緩慢的過程，這一過程可以通過捕獲一個或多個脯氨酸關鍵殘基，從而阻礙非自然異構體的蛋白質折疊，特別是當自然蛋白質需要「順式」異構體時。這是因為當脯氨酸殘基在核糖體中只能被合成為反式構象。所有生物體都需要利用脯氨酰異構酶催化異構化，而一些細菌具有專門的與核糖體有關的脯氨酰異構酶。然而，脯氨酸並非對所有的折疊都是必須的，儘管具有許多X-脯肽鍵的非天然異構體的蛋白質是以正常的速率進行折疊的。

用途

脯氨酸和其衍生物通常在有機反應中當作對稱催化劑，CBS還原反應和脯氨酸被催化羥醛縮合反應是突出的例子。

L-脯氨酸是一種滲透保護劑，因此可用於多種藥物，生物技術的應用。

在釀造時，蛋白質富含和多酚結合的脯氨酸，可產生霧度（濁度）。^[8]

特色

脯氨酸是不符合典型的拉氏圖的兩種氨基酸之一，另一個是甘氨酸。由於連接β碳原子的環形成時，肽鍵的ψ和φ角度有較少允許度的旋轉，因此，它經常被發現於蛋白質的「匝數」當其自由熵（ΔS）比其他氨基酸大，因此在折疊的形式與未折疊的形式的比較中熵的變化較少，此外，脯氨酸的α和β結構很少被發現，因為其側鏈上α-N只能形成一個氫鍵，它會降低結構的穩定性。

此外，脯氨酸是唯一的在色譜法中使用茚三酮後不形成藍/紫色的氨基酸，相反，脯氨酸產生橙/黃色。

歷史

在1990年，里夏德·維爾施泰特(Richard Willstätter)透過丙二酸二乙酯的鈉鹽與1,3 -二溴丙烷的反應合成脯氨酸。在1901年， 赫爾曼·埃米爾·費歇爾(Hermann Emil Fischer)從酪蛋白和γ-鄰苯二甲酰-propylmalonic酯的分解產物分離脯氨酸。^[9]

合成

外消旋混合物脯氨酸可以從丙二酸二乙酯和丙烯腈被合成:^[10]