Biochemistry Basics |
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胺 基 酸 幻燈片 |
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[Q] 問題集 Reference | |
本頁收集『胺基酸』的補充幻燈片,是上課時所用的自製幻燈片,其他上課圖表取自各家課本或雜誌,因為版權問題無法在此張貼,請依照幻燈片集成的清單所註明的出處,自行找尋原來圖表。 |
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第二章 胺基酸 |
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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。 |
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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 (圖 2),用來說明各種胺基酸之間的構造關係,並且方便記憶;但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。 |
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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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Peptide bond 的生成 |
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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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Peptide bond 的性質 |
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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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如何看待一段 peptide |
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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︰ |
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(1) 兩端的原子分別為何? 各屬於何種官能基團? |
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(2) 骨架上的 a 碳在哪裡? 為何要找出 a 碳? |
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(3) 能否指出每一個單位的胺基酸? |
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(4) 能否指出每一個胜肽鍵在哪裡? |
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具有生理功能的 peptides |
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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。 |
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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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第四節 胺基酸的離子性質 |
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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。 |
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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。 |
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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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質子的產生 (氫丟掉電子) |
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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+)。 |
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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。 |
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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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弱酸才可作為緩衝液分子 |
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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。 |
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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,求得 H-H 公式。 |
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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,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。 |
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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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Henderson-Hasselbalch 公式 |
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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 (pKa),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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質子可以吸附或脫離一基團 |
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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 (如羧基),而使該基團成為帶負電。 |
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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。 |
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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 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。 |
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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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建立日期:2000/1/19 更新日期:2003/10/27 © 版權所有