A01

第二章  胺基酸

除了水之外，在生化課裡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，同學們若能把握此二重點，往後的生物化學課程必可順利學習好。

最後 (第四節) 說明胺基酸最重要的性質，即其很容易離子化的特性：同一個胺基酸分子上，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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A02

Peptide bond 的生成

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) 的羧基與後一個胺基酸 (2) 的胺基，經脫水反應即可。所生成的雙胜 (1-2) 都還有一個胺基及羧基，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。

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A03

Peptide bond 的性質

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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A04

如何看待一段 peptide

胜肽由多個胺基酸以胜肽鍵組成，其骨架上有 N-C-C-N-C-C- 的重複架構，蛋白質亦是如此。對於這樣的架構，有幾點應該注意而能夠辨別的︰

(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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A05

具有生理功能的 peptides

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都很相似，都是以該胜肽所組成的特殊立體構形，與目標細胞膜上的接受體結合，進而對細胞產生作用。

含有數個至數十個胺基酸者，稱為胜肽 (peptide) 或多肽 (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，例如味素的成分是麩胺酸，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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A06

第四節 胺基酸的離子性質

水分子的強大作用，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，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。胺基酸因含有若干官能基團，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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A07

質子的產生 (氫丟掉電子)

氫原子是唯一不含有中子的原子，因為其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 :H^- (其化合物稱 hydride)；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 (如 -NH₂ 上有一對多餘的電子)，而給後者帶來一個正電荷 (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

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A08

弱酸才可作為緩衝液分子

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，求得 H-H 公式。

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，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])，右項的 log([A^-]/[AH]) 必須為零，而 log1 = 0，亦即 [A^-]/[AH] = 1，因此 [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。

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 公式可以上面的解釋說明之，但總合起來說，還是根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。

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A09

Henderson-Hasselbalch 公式

由平衡常數開始，一步一步可以推出 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，此弱酸或弱鹼有最大的緩衝效果。

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A10

質子可以吸附或脫離一基團

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 (如羧基)，而使該基團成為帶負電。

胺基酸同時帶有上面兩種基團，因此可能同時帶有正電及負電，稱之為雙性離子 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與否，受環境 pH 的影響甚鉅；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)；反之羧基則帶負電如上圖。 在中性溶液中，glycine 因此同時帶有正電及負電各一，是一個 zwitterion。上課講義及課本中會提到帶有更多不同基團的情形，請注意如何算法。

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