生物化學基礎 Biochemistry Basics 2008

胺基酸 Amino Acid  投影片  A1 - A2

回胺基酸 4

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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 (K_a)；我們於是由弱酸的解離公式開始，由其平衡常數 (K_a) 依下頁的導法，可求得 H-H 公式。

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由 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 (pK_a)，與環境酸鹼度的關係；當兩者相等時 (pK_a = 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，pK_a 為該緩衝分子的解離常數再取負指數；例如醋酸的 K_a = 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 pK_a = 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；pK_a 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。

pK_a 因此成為弱酸 (或弱鹼) 性質的一個指標，當環境的 pH 高於其 pK_a，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 pK_a 時，此基團將帶負電；反之則帶正電。因此，一個基團的 pK_a 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 pK_a 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 pK_a)；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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由 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 pK_a 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 pK_a 附近。而 pK_a 越小者，越容易放出質子，比較適用在酸性 pH 的緩衝液；pK_a 大者則適用在鹼性的 pH。

所有胺基酸的胺基及酸基，其 pK_a 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 pK_a (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 pK_a 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 pK_a 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 pK_a 與環境的 pH，即可得知。當環境的 pH 小於官能基的 pK_a 時，因為環境比較起來偏酸 (pH < pK_a)，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 pK_a 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 pK_a 平均即可，而鹼性胺基酸則把較大的那兩個 pK_a 平均。為何如此做的原理，應該不難理解。

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