A1 胺基酸投影片


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除了水之外，生化課第一個碰到的重要生物分子，就是胺基酸。這一章將說明胺基酸的構造與性質，看它長麼樣子，做什麼用途。事實上，所有的生化分子，都可分成構造與性質兩方面來說明。

胺基酸雖然有二十種，但其基本構造骨架是相似的 (第一節)；我們將描述這些生物體內常見胺基酸的構造 (第二節)，並且分類，說明其側鏈基團的極性或非極性特質。我設計了一張模擬的地下鐵地圖，用來說明各種胺基酸之間的構造關係，並且方便記憶。請注意此圖並非代謝途徑。然後看兩個胺基酸間如何連接成胜肽 (第三節)，很多這樣的胜肽已經具有生理功能。

最後 (第四節) 說明胺基酸最重要的性質，就是很容易離子化的特性：一個胺基酸分子上，可能同時帶有正電及負電。當這些胺基酸組合成蛋白質時，這種離子性質也延續到蛋白質上，造就了蛋白質的離子特性，賦予蛋白質應有的構形與活性。這是學習生物化學成敗的第一個關卡，請一定要痛下決心整理清楚，否則以後的觀念都不會正確。

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胺基酸是組成蛋白質的單位小分子，其性質將影響最後所形成蛋白質的構造與特性。

胺基酸一個一個以頭尾相接，成為一長串的長鏈，就是一級構造。但是通常在細胞內，蛋白質並不是如此像一條繩子般攤開著，而是自動捲曲成幾種穩定的構造，最常見的一種是螺旋形的 a helix，另一種則是平板狀的 b sheet，稱為二級構造。細胞中也無法看到蛋白質只是以二級構造的形態存在，而是要再度捲繞成特定的形狀，就是三級構造。許多蛋白質在其三級構造的層次，已經具有活性及完整功能，但有一些蛋白質要再繼續聚集，形成四級構造後，才能正確行使功能。

其實，這種四級構造的分類，都是為了說明方便而提出來的，細胞內的蛋白質並不會如此一級一級地分次捲繞，而且其捲繞可能也有其他幫手參與，有更複雜的機制，以後會再提到。本節的重點要認清形成各級構造的力量為何，以及各級構造的特點。

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當你忘記胺基酸的構造時，胸前畫個十字禱告，奇蹟馬上出現。你只要在這十字的中央，先填上一個碳原子 (叫做 a 碳)，在周圍的四個位置分別填上一個胺基、酸基 (因為是胺基酸構造)、氫原子及一個 R 基團，基本的胺基酸構造即完成。

R 基團可以由最小的 H 開始填入，就是最簡單的 glycine；再來 CH₃ 就是 alanine；如此越來越大，並加入其它種類的原子 (如氧或硫)，或是額外的胺基、酸基或醇基，就可以組成多采多姿的二十種胺基酸。

請特別注意，胺基酸的『胺』不能寫成『氨』，因為氨字代表氣體 (NH₃)，而胺基酸的胺則為 -NH₂ 的 amino group，兩者意義完全不同。另外，金屬旁的『銨』代表 NH₄⁺ 銨離子，與上述兩個字也不一樣，例如硫酸銨就必須用這個字 (NH₄⁺)₂SO₄⁼。由此看來，把有機化學念好，對學習生物化學是很重要的。

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請注意 a 碳是不對稱的，因為它周圍的四個原子或基團都不相同；只有當 R 基團為氫原子時，是對稱的 a 碳 (因為接有兩個一樣的氫原子)；也就是說只有 glycine 是對稱的胺基酸。因此，除了 glycine 外，其它胺基酸都有立體異構物，兩立體異構物間的化學式完全一樣，但互相成為鏡像，以 L- 及 D-form 來表示之。地球上的生物都採用 L-form 胺基酸。幾年前分析一顆外太空來的隕石，發現其中的 L-form 胺基酸的比例稍微大於 D-form 者，令人推想地球上的生物使用 L-form 胺基酸可能有其演化上的原因。

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把二十種胺基酸構造編在虛擬的台北市地下鐵系統中，依其側基的特性分布在各條線路上，主要目的是要表達各種胺基酸的構造與特性，因為這在蛋白質中的角色很重要。請特別注意，這只是虛擬的構造相關圖，並非代謝路徑。

一定要把胺基酸的中英文名稱、兩種縮寫法 (三字母及一個字母的縮寫)、分子構造等，努力背起來，絕對有益你未來的學習與發展。依照上面各路線的分類來背，比較合乎邏輯，並且容易記憶。

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不管二十種胺基酸的構造、名稱是否背得起來，熟知各種胺基酸側鏈基團的性質，也是同等重要的事。若大略分成兩類，則可分成極性及非極性，可說是最重要的基本分類；因為胺基酸基團的極性或非極性，最後會影響所形成蛋白質的整體構造與性質。

很明顯地，非極性胺基酸在大小上有相當大的差別，而且是各種大小都有，好像是一套很完整的積木，將來可有效地填塞在蛋白質的核心部份，構成堅實的蛋白質構造。另一方面，極性胺基酸又分成酸性、中性、鹼性三大類，每大類又包含二到數種，也有大小上的差異，但鹼性胺基酸的基團都比較長。

上表的分類只是參考，一些比較難以分類的胺基酸 (如 Tyr, Gly, His)，其性質就比較模糊，但也各有其存在目的，而且經常有相當重要的角色。

■ 有一件事實相當有趣，就是基因密碼由三個鹼基組成 (例如 AUG 轉譯為 Met)，又因為有四種鹼基 (AUCG)，因此密碼總共有 64 個 (4 x 4 x 4)，而胺基酸只有 20 種，因此有許多胺基酸有一個以上的密碼來對應之。為何胺基酸不產生 60 種，可以更為多樣而好用？或者乾脆只有 16 種 (4 x 4)？

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非極性的胺基酸的大小非常齊全，由最小的 Gly 到最大的 Trp，大多是由飽和碳氫化合物所組成。當然 Tyr 或 Gly 的極性也不小，但為了方便比較，也列入其中。

對水溶性蛋白質而言，整個球狀的蛋白質分子中，大部分非極性胺基酸都擠在分子的核心部份，形成了堅實的『非極性核心』，使得蛋白質在水溶液中，得以保持其完整三級構造，因而保持其活性。因此這些非極性胺基酸，就採用各種大小不同的側基，充分填滿蛋白質核心部份。

另外，有兩個帶有硫原子的胺基酸，在功能上卻相差很遠。 Cys 因為有 –SH 硫醇基，可與另一個 Cys 形成雙硫鍵 (-S-S-)，對穩固蛋白質的構造，有極大的貢獻 (下一頁圖)。 Met 的硫並非硫醇，而是被甲基化，因此無法如 Cys 般形成雙硫鍵，但它是一個非常奇特的胺基酸，任何蛋白質的轉譯，其第一個胺基酸一定是 Met。

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硫醇基被氧化可以去掉氫，雙雙結合形成雙硫鍵 (-S-S-)，把兩條蛋白質鏈連結在一起，對蛋白質的構形有很大的貢獻。這種反應是可逆的，也就是說雙硫鍵可以被還原，回去變成硫醇，因此斷掉兩條蛋白質間的連結。

兩個獨立的 Cys (cysteine) 之間，也可以雙雙氧化硫醇基後形成二元體，特稱為 cystine，縮寫成為 (Cys)₂。注意英文寫法的不同。

Pro 是構造最突出的胺基酸，它的側基含有三個碳，由 a 碳出發後，回去與旁邊的氮原子接合，形成一個五員環。這樣的構造，非常彆扭，使蛋白質的長鏈必須轉折成固定角度；因此它在蛋白質的構形上，有非常重要的影響力，遇有 Pro 必出現劇烈轉折。

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二十種胺基酸基團在蛋白質分子構形中的模擬位置，可以看出各種基團大小不同，在蛋白質構造中所造成的不同填充效果。較大的基團 (如 Trp) 可佔據較大的空間，較小如 Gly 者幾乎看不到；非極性的胺基酸基團，都可以作為類似積木般的填充單位。

另外，各種帶有電荷的胺基酸基團，也會對蛋白質的構形或性質做出貢獻；比較 Asp 與 Glu 的側鏈長短不同，因此其基團所帶的負電荷，在空間中伸出的長度也不同。帶有正電的鹼性基團 (如 Lys, Arg) 都有相當長的側鏈基團，因此有相當大的自由活動空間。至於最彆扭的 Pro 則在蛋白質表面轉折成一個急轉角，蛋白質長鏈通常會在此逆轉方向，形成一個 turn。

雖然這二十種胺基酸很稱職地組合成蛋白質的立體構造，但是其反應性基團的活性都不是非常高，無法提供極強力的官能基，以供催化反應時的活性基團。因此，許多蛋白質合成出來之後，經常還要進行各種修飾 (例如磷酸化)，或添加其它輔助因子 (例如金屬或輔脢)，以便達成更複雜的任務。

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胺基酸像樂高玩具或積木一樣，可以一個一個頭尾接起來，組成一個巨分子蛋白質。連接的方法非常簡單，前一個胺基酸 (1) 的酸基與後一個胺基酸 (2) 的胺基，經脫水反應即可。所生成的雙胜 (1-2) 都還有一個胺基及酸基，可以繼續連接下去。如此兩個胺基酸間所產生的新鍵，稱為胜肽鍵 (peptide bond)，如上圖中的 C-N。許多胜肽鍵組成了蛋白質的骨架，蛋白質是生物的重要分子，因此胜肽鍵也可以說是組合了生命的基本骨架。在試管中也可以把兩個胺基酸連結在一起，使用脫水劑 carbodiimide，進行如上的操作。

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胜肽鍵看似單鍵，但 C-N 鍵旁的 C=O 雙鍵會與它產生共振，因此具有雙鍵的性質；且中心的 C 與 N 原子都是使用 sp² 軌道，因此其前後六個原子都躺在同一平面上，稱為胜肽平面 (如上圖虛線所圍起)。注意每一個胺基酸的中心是 a 碳，而兩個 a 碳之間是以胜肽平面連在一起，因此蛋白質可以說是由許多胜肽平面以 a 碳為接點連成的。

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為何胜肽鍵 (-C-N-) 具有雙鍵性質？

氮原子上面有一對 lone pair 電子，是以 p 軌道繞行在平面的上下兩邊；而 –C=O 的雙鍵，是碳與氧原子的兩對 p 軌道所形成。因此總共在 O=C-N 上共有三個 p 軌道，有時碳與氮的 p 軌道會混在一起，形成短暫的雙鍵；也可以把這三個 p 軌道的電子，一起混成為一個類似共振的綜合軌道，使得胜肽鍵具有雙鍵的資格。

如此混成所形成的雙鍵，造成胜肽鍵 (C-N) 無法自由轉動，也就是說胜肽平面所包含的六個原子，必須平躺在同一平面上。

■ 我常常想像著生命與無生物之間的臨界點在那裡？當然，細胞可以說是具有生命的形式，而細胞是由很多成份所組合成的，其中極為重要而具有生物活性的就是蛋白質。若我們假設蛋白質算是有一點生命活性，而組成蛋白質的是胺基酸，沒有人會認為胺基酸是具有生命的物質。因此，看來生命與無生物的界限，好像可以畫在蛋白質與胺基酸之間。當胺基酸一個一個連接起來，組成蛋白質時，每個胺基酸之間的胜肽鍵，顯然扮演非常重要的角色。因為有了如此的胜肽鍵，所形成蛋白質才能循序摺疊成正確構形，發揮蛋白質的生物活性與催化特質，成就了細胞的種種生理現象。

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一個個胜肽平面連接起來，組成了蛋白質長鏈，而各平面之間的接點就是 a 碳原子。請特別注意，a 碳上面就是接著每種胺基酸的獨特側基，有大有小、有正有負、有極性有非極性，每種胜肽或蛋白質的獨特性格，於此開始形成。

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Peptide 由胜肽鍵所組成，其骨架上有 -N-C-C-N-C-C- 的重複架構，所有的蛋白質也是都如此，不會改變。對於這樣的固定架構，有幾點應該注意，且應仔細辨別︰ (1) 兩端的原子分別為何？各屬於何種官能基團？ (2) 骨架上的 a 碳在哪裡？為何要找出 a 碳？ (3) 能否指出每一個單位的胺基酸？ (4) 能否指出每一個胜肽鍵在哪裡？

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有許多胜肽已經具有生理功能，而且作用強大。以上各例請仔細琢磨。這些胜肽的合成方式都不盡相同，有些是經過蛋白質轉譯後切下來的片段，有些是要用酵素把一個一個胺基酸接上去的。它們的基本作用機制很相似，都是以該胜肽所組成的特殊立體構形，與目標細胞膜上的受體 (receptor) 結合，進而對細胞產生作用。味覺對糖類的甜味接受器，與對味素的甘味接受器不同。

含有數個至數十個胺基酸者，稱為胜肽 (peptide) 或多胜、多肽 (polypeptide)；百個以上者可稱蛋白質，至於其間的模糊地帶，稱蛋白質或多肽均可。另一方面，很多胺基酸也有生理作用，例如味素成分的麩胺酸也是神經傳導物質的一種，而色胺酸有安眠的作用，牛奶中含有很多色胺酸。

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人工甘味劑阿斯巴甜其實是由兩個胺基酸所組成的，但尾端再修飾成甲酯。雖說是人工甘味，但原先的 Asp-Phe 是天然產物，很早就被分離出來，但沒有人嚐出其甜味，直到有一天某科學家一邊拿著阿斯巴甜，一邊用手指沾口水翻書… (事實上有點危險)。

Asp-Phe 的甜度比蔗糖高兩百倍，阿斯巴甜則更高。其甜味顯然與分子構造有關，可模擬蔗糖與甜味接受器結合而刺激之。有趣的是，若把 Asp-Phe 中的 L-Phe 改成 D-Phe，則不但沒有甜味，反而呈現苦味。

味素會給人『甘味 umami』的味覺，與蔗糖或阿斯巴甜的『甜味』不同，甘味覺與甜味覺分別有不同的受器，所能接受的分子形狀差很多，一個是糖類，另一是胺基酸。

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人體有一種代償機制，就是受到極大痛苦或折磨之後，腦中會產生一些短鏈胜肽，與其專一性受體結合，然後引發一連串信息傳導，產生鎮痛及欣快感等作用；這些短鏈胜肽統稱為腦啡。

因此，電影中那些烈士們在受盡酷刑折磨後，也不會出賣同伴們，很可能已經產生腦啡。 (演壞人的要注意了，用刑時在適當時候要休息，以免對方誘生腦啡出來)

自然界的罌粟果實會分泌乳劑，提煉後稱鴉片，含有一種二次代謝物 morphine (嗎啡)；嗎啡的構造可模擬腦啡，也一樣會產生麻醉與止痛的感覺。

■ Science (2004) 304:1983-1986. Deficit in attachment behavior in mice lacking the m-opioid receptor gene (News)。

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Enkephalin 是腦啡的一種，由五個胺基酸連接而成，所形成的分子構形，可以與腦啡接受器結合，引發身體對痛覺的遲鈍化。嗎啡的部份構造與腦啡很像，因此也會與腦啡接受器作用。

開發新藥採取類似策略，可用電腦模擬的方法，對某些目標分子，設計出可以互相結合或作用的藥物，稱為 computer-aided drug design。

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