Amino acid

Biochemistry Basics
細胞與分子．胺基酸．蛋白質．酵素．核酸
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胺基酸


	[1] 胺基酸基本構造 [2] 胺基酸分類 [3] 胜肽 [4] 胺基酸的離子性質 [Q] 問題集
	圖1 圖2 圖3 圖 4 表1 幻燈片集成 Reference

	胺基酸是構成蛋白質的基本單位，蛋白質是生物体內最重要的活性分子，其中擔任催化生理代謝反應的酵素，更是近代生物化學的研究中心。二十種性質各異的胺基酸，連接組成多樣的蛋白質，且賦予蛋白質特定的分子構形，使蛋白質分子能夠具有生化活性。

	■ 胺基酸課程內容 (針對其構造與性質)
	◆ 胺基酸與蛋白質的故事 (以漫畫說明胺基酸如何組成蛋白質)


1	胺基酸基本構造：

	胺基酸種類很多，但有共同的基本構造；先畫一個十字，如下述方法在四端加上四個化學基團即可。圖 1 為其基本構造，注意單醣也有類似的基本架構。


F1
	圖 1 胺基酸的基本構造
	當你忘記胺基酸的構造時，畫個十字奇蹟馬上出現。你只要在這十字的中央填上一個碳原子 (叫做 a 碳)，在周圍的四個位置分別填上一個氫原子、胺基、羧基及一個 R 基團，基本的胺基酸構造即完成。
	R 基團可以由最簡單的 H 開始填入，就是最簡單的 glycine；再來是 CH₃ 就是 alanine；如此越來越大，並加入其它種類的原子 (如氧或硫)，或額外的胺基或羧基，就可以組成多采多姿的二十種胺基酸。
	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，其它胺基酸都有其立體異構物，兩立體異構物間的化學式完全一樣，但互相成為鏡像，胺基酸的立體異構物以 L- 及 D-form 來表示之；地球上的生物大都採用 L-from 胺基酸。

a.	分子構造的中心為一碳原子，稱為 a 碳 (a carbon)。
b.	接在 a 碳上，有一個胺基及一個酸基 (故名胺基酸)。
c.	另有一氫原子及一基團 (R) 接在 a 碳上 (碳為 sp3 軌道)。
d.	a 碳接了四個不同的基團，為不對稱碳，有光學異構物 (D/L)。通常細胞的代謝只使用 L 型胺基酸，但有些細菌細胞壁或抗生素上，有 D 型胺基酸。
e.	隨 R 基團的不同，各胺基酸的性質互有差異，組成二十種胺基酸 (見表 1)。
	◆ 碳原子的 sp3 軌道，是整個蛋白質構造化學的根本，請探討其組成及立體構型。
	◆ 辨別一個胺基酸時，請先抓出 a 碳，再以此為中心辨認胺基、酸基及 R 基團。當胺基酸組成蛋白質後，胺基與酸基都用來鍵結，連有 R 基團者即為 a 碳。


2	胺基酸分類：

	胺基酸由其 R 基團的化學構造不同，可分為數大類。

a.	胺基酸的基團形形色色，有大有小、有直鏈有環狀、有正有負也有不帶電。表 1 中列出蛋白質中所用的二十種胺基酸，是以 R 基團的化學構造來分組。
b.	R 基團也可以其極性大小來分類，代表它們親水性的強弱；可把胺基酸分為極性及非極性兩大類，極性者又分為酸性、中性、鹼性三類。
c.	胺基酸本身的性質，以及所組成蛋白質分子的功能與性質，均決定於 R 基團的本質；這點在講解蛋白質的構造時，將發揮盡致。
	◆ 把二十種胺基酸的構造多寫幾次，注意 R 基團的極性、大小與其特殊官能基。
	◆ Amino Acid Structures (The OMM Exhibits 線上巨分子博物館)
	◆ Side-by-Side Images of Amino Acids (Carnegie Mellon University 生化巨分子網站，要 Chime)
	◆ The Amino Acid Repository (德國 Jena IMB 生物技術所網站，所有胺基酸的資料)


	表 1 二十種胺基酸的分類及性質：


3	胜肽：

	胜肽是較短的蛋白質，許多胜肽有重要的生物功能或活性。

a.	胜鍵 (peptide bond) 是由一個胺基酸的酸基，與次一胺基酸的胺基，行脫水縮合反應而成的 C-N 鍵，具有雙鍵的性質，與相鄰總共六個原子在同一平面上，因此 C-N 鍵不能自由轉動；胜鍵是構成蛋白質架構的基本單位，非常重要，請注意研究其立體構成。
	◆ 練習畫出胜鍵的化學構造，注意胜鍵平面上各原子的相對位置，不要弄錯。
	■ Peptide bond 的生成 (是一種脫水反應); Peptide bond 的性質 (◆ 兩個 p 軌道電子的共振)
b.	兩個胺基酸以胜鍵連成的二元体，稱之為雙胜 (dipeptide)，三個胺基酸則以兩個胜鍵連成三胜 (tripeptide)，許多胺基酸連成多胜 (polypeptide)；再大的胜肽即為蛋白質。
	■ 如何看待一段 peptide (請指認 a 碳)
c.	某些胺基酸或胜肽具有較特殊的生理活性，如味素 (Glu)、腦啡以及部份荷爾蒙等。
	■ 具有生理功能的 peptides (許多短鏈 peptides 即具有生理活性)
	◆ 心智重塑 (痛苦的膏藥：腦啡。時報出版主題書坊 NEXT 系列)
	◆ 味精 (元氣生活館)
	◆ Peptide Hormone (The Pro-Opiomelanocortin Family 荷爾蒙的裝配線)

	■ 到幻燈片集成

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4.1	解離度 (pK_a)：
	質子是化學層次最小的粒子，很容易由一極性基團解離出來，在水溶液中無所不在；其解離難易可以解離度 (pK_a) 表示之，水的 pK_a在 6-7 之間。
	■ 質子的產生 (氫丟掉電子) (氫的原子核沒有中子只有質子)
a.	質子搶奪：
	氫原子若與陰電性大的原子 (如酸基 -COOH 中的氧原子) 共價，則其電子易遭搶奪而使質子裸露 (-COO^-H⁺)，進而解離成 H⁺。質子又易受帶有高電子密度的基團 (如 -NH₂⁺) 所吸引，使後者成為一帶有正電的基團 (-NH₃⁺)。
	■ 弱酸才可作為緩衝液分子 (為何強酸不可以？)
b.	Ampholyte：
	胺基酸的酸基易解離出質子 (成為帶負電基團 -COO^-)，而其胺基又會接受一質子 (成為 -NH₃⁺)。如此一分子同時帶有正電與負電者，稱為 ampholyte。
	■ 質子可以吸附或脫離一基團 (因此溶液中質子濃度可以改變)
c.	質子解離：
	解離程度決定於該水溶液的 pH 與分子上解離基團 pK_a 的高低。 pK_a值的大小，顯示一個官能基容不容易放出 H⁺，越小的越容易放出。圖 3 列出各種胺基酸的解離基團及其 pK_a，請注意各種基團在不同的 pH 下解離。當環境的 pH 等於某基團的 pK_a時，該基團恰有一半數目的分子解離 (pH = pK_a + log ([A^-]/[HA])，請見圖 4 說明。


F3
	圖 3 各種胺基酸基團的解離及其 pK_a
F4
	圖 4 以乙酸為例說明緩衝分子如何在其 pK_a 發揮作用
	乙酸根會吸收或放出一個質子，可以用解離常數 K_a 描述之；對 K_a 進行數學轉換可得 Henderson- Hasselbalch 公式，此式描述當 [A^-] 等於 [AH] 時，環境的 pH 恰等於乙酸的 pKa (= 5)，有最大的緩衝效果。
	■ Henderson-Hasselbalch 公式 (解釋緩衝液 pKa 的作用機制)

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4.2	等電點 (pI)：
	等電點是所有細胞分子帶電性質的重要指標。
a.	官能基可能帶有電荷：
	胺基酸 a 碳上的胺基及酸基各有一帶電基團，故有二 pK_a，分別界定胺基及酸基的解離 pH。此二 pK_a 平均值即為該胺基酸的 pI (等電點)，即 (pK_a1 + pK_a2) ÷ 2 = pI。
b.	等電點：
	若環境的 pH 等於某胺基酸的 pI，則此胺基酸的淨電荷為零；因為在此 pH 下，剛好有一正電基團及一負電基團。 Ampholytes 中淨電荷為零者，其正、負電基團數目相等，特稱為 Zwitterion。
c.	環境控制胺基酸的淨電荷：
	胺基酸的淨電荷是正是負，受環境的 pH 所控制；環境 pH > pI 帶負電，反之則帶正電。上一章圖 3 即說明此一影響，同時請注意環境的 pH 離該分子的 pI 越遠，則其所帶之正或負淨電荷越大。
d.	有三個官能基的胺基酸：
	某些胺基酸的 R 基團，有額外的帶電基團 (例如 Lys 另有一胺基)，則可有三個 pK_a；即每個可解離出 H⁺ 或可吸收 H⁺ 的官能基，都有一個 pK_a。這三個 pK_a 中，有兩個 pK_a 的胺基酸帶一個淨正電或淨負電，則這兩個 pK_a 值的平均即為其 pI。
	◆ 練習畫出帶電胺基酸的 pK_a 滴定曲線，並觀察其電荷改變情形。
e.	如何計算多肽的淨電荷：
	多肽在某 pH 下的淨電荷，是所組成的胺基酸各基團所帶正、負電荷的總和。例如一條十胜所含的十個胺基酸 (AELKVGRRDV) 中，若有五個胺基酸為非極性，三個帶正電基團，兩個帶負電，則此十胜在中性 pH 下的淨電荷為一個正電荷。

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Q	問題集
	以下題目都沒有標準答案，許多甚至會引起很大的爭議；這樣就達到問題集之目的了。

1.	請畫出一個胜肽鍵 peptide bond 的構造，並以點線標出 peptide 平面。
2.	為何胜肽鍵平面不能自由轉動？
3.	Histidine 有三個可以解離的基團，其 pK_a 分別是 1.8, 6.0 及 9.2，請問其 pI 多少？
4.	同上題，His 能否用來作為中性 pH 的緩衝液之用？並請解釋為何。
5.	請依括號內的指示寫出下列各胺基酸有何特點或用途：
	Glutamate (食品) Serine (轉譯後修飾) Tryptophan (藥品) Cysteine (蛋白質三級構造) Proline (蛋白質二級構造)
6.	以下兩段胜肽有何異同之處？並請問二者的滴定曲線會不會一樣？為什麼？
	Ser-Glu-Gly-His-Ala Gly-His-Ala-Glu-Ser
7.	請判斷並說明下列各題的真偽：
	a. 胺基酸的 a 碳都是不對稱碳。
	b. 下列胺基酸的 R 基團為非極性者：Ala, Val, Ile, Leu。
	c. 下列胺基酸的 R 基團都帶有正電荷：Asp, Lys。
	d. 下列胺基酸的 R 基團帶有硫原子或氧原子：Cys, Ser, Thr, Met。
	e. 兩個胺基酸可以氫鍵連成雙胜。
	f. 蛋白質分子是活動的，因兩為個胜肽平面之間可自由轉動。
	g. 胺基酸分子所帶的電荷不會改變。
	h. 胺基酸可作為緩衝液是因為其基團官能基是一種強酸
	i. 胺基酸在其等電點時沒有帶任何電荷在分子上。
	j. His 上 imidazole pK_a 為 6.0，因此可作為細胞內的緩衝物質。
8.	寫出含有硫原子的胺基酸：(英文全名) 1______________ 2_______________
	寫出含有芳香基團的胺基酸： 1_______________ 2_______________ 3______________
	寫出含有醇基的胺基酸： 1_______________ 2_______________ 3______________
	寫出含飽和碳氫鏈的胺基酸： 1_______________ 2_______________ 3______________
	寫出側鏈基團帶有 -COOH 的兩種胺基酸： 1_______________ 2_______________
9.	細胞的各種分子構造中，那些構造或分子含有氫鍵？例如：a helix, 請再回答三個。
	那些構造或分子含有疏水鍵？例如：細胞膜請再回答兩個。
10.	有一段 peptide 序列如下： Glu-Phe-Lys-His-Ile-Arg-Val
	在 pH = 1 時其淨電荷為 ____；在 pH = 7 時淨電荷為 _____； pH = 11 時淨電荷為 _____
11.	請不要看書或講義，畫出上題胜肽的分子構造。 (請先畫出胜肽骨架，再填上 R 基團)
12.	是非選擇題 (答案寫在 □ 內，是 → ○、非 → ×)
	1) 在中性 pH 溶液中，那些胺基酸可做為此 pH 的緩衝分子？
	□ Val □ His □ Glu □ Trp
	2) 在 pH 2 溶液中，那些胺基酸可做為此 pH 的緩衝分子？
	□ Val □ His □ Glu □ Trp
	3) 下列何者為兩性 (amphoteric) 化合物？
	□ 胺基酸 □ 水分子 □ 蛋白質 □ DNA □ 葡萄糖
	4) 有關 pK_a 的性質描述：
	□ 解離常數 pK_a 是一平衡常數 □ pK_a 越高質子越容易解離 □ pK_a = 2 的基團在中性溶液下將會帶負電荷 □ 分子所帶的電荷固定不變
	5) 下述碳原子何者為不對稱碳？
	□ CH₄ □ glutamic acid 的 a 碳 □ 甘胺酸的 COOH □ 甘胺酸的 a 碳
	6) 有關胜肽鍵的性質描述：
	□ 其前後八個原子成一平面 □ 胜肽鍵有 p 電子共振 □ 胜肽鍵可以自由轉動 □ 胜肽鍵是經加水反應生成
13.	寫出三個具生理功能的胜肽： 1_______________ 2_______________ 3______________
14.	當一個分子上的正電荷數目等於負電荷，此種離子狀態稱之為 _____________；而此時的 pH 則為此分子之 _______。
15.	若某一弱酸的解離常數 pK_a 為 5，若此弱酸被用來作為緩衝液分子，其適用範圍多少？
16.	胺基酸是以代謝路徑一個一個合成出來的，而蛋白質是以 DNA 為信息經由 RNA，把胺基酸連接起來轉譯而得；則胜肽是如何合成出來的？

	◆ Stereochemistry and Stereoisomers (Mol4D 可以在電腦上搬動兩個鏡像分子，要 Chime)
	◆ Lehninger Biochemistry in 3D (請點選 Protein Architecture，要 Chime)
	■ 到幻燈片集成


4	胺基酸的離子性質：

	胺基酸多以離子狀態存在，且經常同時帶有正電及負電基團。
	■ 第四節胺基酸的離子性質 (胺基酸可同時帶有正電或負電荷)