生物化學基礎 Biochemistry Basics 2008

胺基酸 Amino Acid  投影片  A1 - A2

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水分子 的強大功用,是因於它強大的極性,因此具有極強的介電常數,這是因為氧與氫原子之間的陰電性相差太大所致。水分子也因此可以解離出質子,而質子濃度是構成溶液酸鹼度的基石。

在 4.1 小節將探討分子的解離特性,並複習緩衝液的作用機制,與酸鹼度的計算實例。胺基酸含有若干官能基團,都很容易解離,因此是很好的觀察實例。這些解離掉的質子,也很容易回到帶有負電或電子的官能基上,這完全決定於環境質子的濃度,也就是酸鹼度 pH。質子的獲取或者失落,會造成官能基分子上電荷的改變;因此一個分子上所附的電荷量多寡,甚或正負,都會隨著環境 pH 的改變而改變。

在同一個分子上,當環境的 pH 使得該分子所具有的正負電荷基團數目相等時,這個 pH 即稱為該分子的等電點 pI。等電點是一個分子或蛋白質的重要指標,可以利用等電點來控制該分子的帶電性質 (只要改變環境的 pH 即可)。

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前面 所提的幾個常見重要原子中,氧原子可與兩個氫原子結合成氧化二氫,就是水分子;水分子的一些特性也已經描述過,但還有一個非常重要的性質,是有關質子的解離與酸鹼度的影響。

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水分子 含有氧與氫兩種原子,二者的陰電性相差頗大,因此氫的電子全被氧原子所吸引,氫的質子幾乎是赤裸裸地露在外面,有時就乾脆離開水分子,分裂成質子與氫氧離子。 但是解離的水分子還是不多,一杯純水中的水濃度約 55.5 M (水 1 升有 1 公斤重,因此每公升濃度為 1,000 g ÷ 18 = 55.5 M),只有相當少數的 10-7 M 解離,因此含 10-7 M 質子;為了方便,只取 7 來表示質子的濃度,記為 pH = 7。因此,我們平常所說的 pH,就表示質子的濃度;這個數字越大,事實上質子濃度越小,因為我們省去了負號;反之,pH 越低表示質子越濃。 當溶液中的質子濃度越高,例如 pH 2 表示有 10-2 M 質子,質子會令我們的味蕾感到酸酸的,因此稱為酸性;反之則感到澀澀的,就是鹼性。

因為溶度積恆定的關係,[H+] 與 [OH-] 的乘積一定為常數 10-14,因此代表酸的質子濃度,與代表鹼的氫氧根濃度,互相為共軛消長,也就是說若 [H+] 濃度升高,則 [OH-] 就會下降到一定值。(為什麼?)

水溶液中的質子濃度是很重要的指標,因為質子會影響其他分子的帶電性質,使得分子所帶的淨電荷改變,進而影響分子活性。

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氫原子 是唯一不含有中子的原子,因為原子核中只有一個質子,所以不須要中子介入。氫原子有一個電子,當它獲得一個額外電子,即成為氫離子 (稱 hydride, :H-);若 hydride 丟掉一個電子,就變回氫原子;當氫原子再失去一個電子,就剩下質子 (H+)。

附在分子基團上的氫原子 (如 -COOH 上面的 H) 因其陰電性太弱,因此電子常被附近的大原子搶走,剩下的質子脫出,電子則留在原來的分子,成為帶負電基團 (-COO-)。 游離出來的質子,很容易吸附到電子較多的基團上 (例如 -NH2 上有一對多餘的電子),而給後者帶來一個正電 (成為 -NH3+)。這些可放出或吸收質子的基團,就是緩衝液的基本材料。當環境質子太多,就容易吸收質子;當環境質子太少,就釋放質子出來。

在水環境中,質子數量的多寡就是酸鹼度的指標,會影響分子上各種基團的帶電性質。而巨分子上這些電荷性質的變化,就是生物化學裡許多反應機制的根本肇因。

雖然環境中到處充斥著質子,但以能量而言,質子並無貢獻;因為質子已經失去了電子,而電子是生物界的能量根源。但具有一個額外電子的 hydride 就是具有能量位階的粒子,是自然界中能量的貯藏處。

汽油是由飽和碳氫化合物所組成 (如辛烷),其碳原子接滿氫原子,這些氫原子都擁有足額電子,有相當的化學能蘊藏。故當汽車燃燒汽油,氧化反應奪取這些電子,把碳原子變成二氧化碳,氫變成水分子 (氧化二氫 H2O),同時放出能量。

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中國 有兩條大河,北方的黃河與南方的長江。黃河的氾濫是有名的,由來已久;長江則是較為溫和,因此餵飽了沿河流域的廣大民眾。 為何兩條大河有如此的差異? 因為黃河泥沙淤積極為嚴重,而長江除了淤積較輕之外,沿河還有幾個大湖,隨時調節長江的水量,可說是一種緩衝作用。 黃河唯一比較安定的地方是河套,河套在靠近內蒙附近有劇烈分枝,也是類似調節水量的功能。

若把水位的高低,看作如水溶液中的氫質子濃度,則黃河無法調節水位的現象,好像是沒有使用緩衝分子的溶液,很容易氾濫或者鬧水荒。緩衝分子有如長江的幾個大湖,在缺水的時候釋出存水,在高水位時吸收多餘的水量,以免氾濫。因此,若有某種分子可以吸收或者釋放氫質子者,就可用來作為緩衝分子。

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那些 可放出或吸收質子的基團,就是緩衝液的基本材料︰當環境質子太多,就趕快吸收質子;當環境質子太少,就釋放質子出來。 通常都是弱酸或弱鹼才可作為緩衝分子,因為強酸 (如 HCl) 只會釋出大量質子,不會回收;而強鹼只會拼命吸附質子,無法釋出。

Henderson-Hasselbalch (H-H) 公式可描述弱酸或弱鹼的緩衝行為。因為弱酸會釋出質子,也會吸附質子,因此其釋出與吸附間會形成一個平衡狀態,在平衡狀態下,可測得其平衡常數 (Ka);我們於是由弱酸的解離公式開始,由其平衡常數 (Ka) 依下頁的導法,可求得 H-H 公式。

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平衡常數開始,一步一步推出 H-H 公式;此式描述弱酸或弱鹼的解離常數 (pKa),與環境酸鹼度的關係;當兩者相等時 (pKa = pH),此弱酸或弱鹼有最大的緩衝效果。

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H-H 公式的 pH 即環境所測得的酸鹼度,pKa 為該緩衝分子的解離常數再取負指數;例如醋酸的 Ka = 10-5 (意指每十萬個醋酸分子中,才有一個分子會解離,是弱酸的特性),則此 pKa = 5。 若環境的 pH 剛好 5,則依 H-H 公式︰5 = 5 + log ([A-]/[AH]),右項 log ([A-] /[AH]) 必須為零,而 log 1 = 0,即 [A-]/[AH] = 1,即 [A-] = [AH]。這表示在 pH = 5 時,醋酸分子的組成中,有一半是在未解離的狀態 [AH],而另一半是已解離狀態 [A-]。在此情形下醋酸有最大的緩衝能力,因為不管外來的 pH 如何變化,都有足夠的 [A-] 或 [AH] 去吸附或釋出質子。以滴定法做實驗,也證實醋酸在 pH = 5 時,外加的酸或鹼都不易改變其整體酸鹼度。

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因此,一種緩衝液的緩衝範圍,與其解離常數有極大關係;pKa 等於 5 的弱酸,其緩衝範圍就在 4~6 之間。為何如此奇妙? 當然利用 H-H 公式可以上述解釋說明,但總合起來說,還是基於解離常數的數學遊戲,以此來描述自然現象,沒有特別神奇的地方。

pKa 因此成為弱酸 (或弱鹼) 性質的一個指標,當環境的 pH 高於其 pKa,則此弱酸開始放出 H+,反之則會保守住其 H+,會改變其帶電性質。

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質子 proton 是宇宙中的奇妙粒子,這是一顆光溜溜的粒子;當氫原子丟掉一個電子後,即可得到質子,因此寫作 H+。 質子可以隨時附著到一個帶有電子密度的基團 (如胺基),使該基團多帶 了一個正電。質子也很容易由某一個基團脫出 (如酸基),而使該基團成為帶負電。

胺基酸同時帶有上面兩種基團,因此可同時帶有正電及負電,稱為雙性離子 ampholyte。若胺基酸同時帶有一個正電及一個負電,則其淨電荷為零,特稱之為 zwitterion。

請注意上述基團的解離,受環境 pH 影響甚鉅;當環境的 pH 大於此基團的 pKa 時,此基團將帶負電;反之則帶正電。因此,一個基團的 pKa 越小 (我們說越酸性的物質),就越容易帶負電,因為其質子很容易跑掉,剩下的分子就呈負電荷。

再舉一例,glycine 上有胺基及羧基各一,其 pKa 分別為 9.6 及 2.3,則在中性 pH 下,其胺基將帶正電如上圖 (因為環境 pH < 胺基的 pKa);反之酸基則帶負電如上圖。在中性溶液中,glycine 因此同時帶有正電及負電各一,是一個 zwitterion。

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胺基酸 非常特別,同一個分子上同時帶有一個弱酸及弱鹼;因此可以用胺基酸來作為酸性或鹼性的緩衝液。例如,某胺基酸的酸基 pK1 = 2,胺基的 pK2 = 9,則此胺基酸在 pH 為 2 或 9 附近,都有緩衝作用。

胺基酸質子解離過程中,在某個 pH 條件下,同時帶有一個正電及負電 (上圖中央),其淨電荷恰好為零,這種形式稱為 zwitterion,這個 pH 則稱為此胺基酸的等電點 (pI);處於等電點的胺基酸並非不帶電,而是正、負電荷的數目剛好相等。

等電點的算法很簡單,只要把等電點上下的兩個 pK 值平均即得;如上例中 (2 + 9) ÷ 2 = 5.5。

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上面胺基酸的滴定曲線看來,當環境的 [OH-] 逐漸增加時,在其兩個 pK 處的 pH 變化最小,具有緩衝作用;而在其 pI 處,幾乎完全沒有緩衝作用。為何處於等電點的分子,完全不具緩衝作用? 而其分子上有一個 H+,可以作為供應質子者;也有一個 -COO- 可以作為接受質子者,非常完美。

原因是這個 H+ 無法放出,因為攜帶 H+ 的基團是 -NH3+,要到 pH = 9 才會放出 (因為其 pK = 9);相似的理由,這個 -COO- 也無法接受質子,成為 -COOH,要到 3 以下才行。因此,你可以得到一個概念,分子上的這些基團能否收放質子,都決定於其自身的 pK。回頭想一想,pK 到底是什麼東西? pK 就是描述一個基團釋出或吸收質子的能力或程度,pK 越大的基團,就越不容易釋出;反之,pK 越小的基團,容易放出質子,也就是所謂的酸性物質。

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通常 一個蛋白質分子上都帶有電荷,有正電荷、也有副電荷,這些正、負電荷的淨值,即為此蛋白質所帶的 淨電荷;蛋白質的淨電荷可能為正、也可能為負,在某 pH 下蛋白質的淨電荷可能為零,則此 pH 稱為此蛋白質的『等電點』(isoelectric point, pI),一個蛋白質的 pI 通常不會變,除非其胺基酸的組成改變。

當環境的 pH 大於某蛋白質的的 pI (如上圖某蛋白質的 pI = 6,環境 pH = 9),則此蛋白質的淨電荷為負;反之則為正值。另外,環境的 pH 離其 pI 越遠,則其所帶的淨電荷數目將會越大;越接近 pI 時,所帶淨電荷變小,最後在其 pI 處淨電荷為零。因此,蛋白質溶液的 pH 要很小心選擇,以便使該蛋白質帶有我們所需要的淨電荷,或者不帶有淨電荷。

細胞中的蛋白質,其 pI 大多在 4~6 之間,因此處於中性的環境時,大多數帶有負電荷。

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胺基酸 上面的基團,若屬於弱酸或弱鹼,能夠可逆性地吸收或放出質子,就可以作為緩衝液之用。每個弱酸或弱鹼,都有一個解離常數,通常以 pKa 來表示;前面已經說過,一個可作為緩衝的基團,其緩衝範圍就在它的 pKa 附近。而 pKa 越小者,越容易放出質子,比較適用在酸性 pH 的緩衝液;pKa 大者則適用在鹼性的 pH。

所有胺基酸的胺基及酸基,其 pKa 都不接近中性,而 R 側基上的各種基團,只有 His 上面的 imidazole 有接近中性的 pKa (6.0)。 因此,His 在蛋白質的構造中,可以有緩衝的作用,是相當特殊的胺基酸,對蛋白質的功能有很重要的影響。

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大多數 胺基酸都只有兩個官能基,有 7 個胺基酸含有第三個官能基;前者 pI 的算法是把兩個官能基的 pKa 平均即得,那有 3 個官能基應該如何計算?

簡單的說,還是先去找到靜電荷為零的 pI ,然後把夾著 pI 的兩個 pKa 值平均即得,請看下頁的例子。

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Aspartic acid 有 3 個官能基,如何求得其 pI?

初次練習時,最好像上圖左邊一樣,把分子式寫出來,並且由酸性環境開始,把各官能基的解離狀況寫好,也就是說質子該解離的就解離,不該解離的就要把 H+ 加上去。至於如何知道該不該解離,只要比較各基團的 pKa 與環境的 pH,即可得知。當環境的 pH 小於官能基的 pKa 時,因為環境比較起來偏酸 (pH < pKa),則此官能基不便解離,應該加上質子;反之則減去質子。

如此,把每個基團的解離情形全部寫好。然後把每個不同 pH 下的淨電荷算出來,發現淨電荷變化由酸到鹼是 +1 → 0 → -1 → -2,可找到一個淨電荷為零的等電點,然後把等電點前後的兩個 pKa 平均即是等電點的值。

有點麻煩 (像建構數學)? 但是在弄熟了原理之後,酸性胺基酸可以直接把靠酸性的那兩個 pKa 平均即可,而鹼性胺基酸則把較大的那兩個 pKa 平均。為何如此做的原理,應該不難理解。

本網頁最近修訂日期: 2008/02/08