B12 Amino acid

B1胺 基 酸胺 基 酸Amino Acid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 。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 。a. 分 子 構 造 的 中 心 為 一 碳 原 子 , 稱 為 α 碳 (α carbon)。b. 接 在 α 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 α 碳 上 ( 碳 為 sp 3 軌 道 )。酸胺+H Nd. α 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 下 頁 表 1)。◆ 碳 原 子 的 sp 3 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 α 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 α 碳 。3R groupα-COOsp 3HL-form amino acid圖 1 胺 基 酸 的 基 本 構 造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 。 右 頁 表 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 。ECX 2005 57

B1胺 基 酸表 1 二 十 種 胺 基 酸 的 分 類 及 性 質 :分 類 名 稱 縮 寫 R = 說 明 (1)唯 一 對 稱 胺 基 酸 甘 胺 酸 Glycine Gly G -H ( 構 造 最 簡 單 ) P/N丙 胺 酸AlanineAlaA-CH 3N含 飽 和 碳 氫 基 團纈 胺 酸白 胺 酸ValineLeucineValLeuVL-C(C)-C-C-C(C)-CN*N*異 白 胺 酸IsoleucineIleI-C(C)-C-CN*苯 丙 胺 酸PhenylalaninePheF-C-[C 6 H 5 ]N*含 芳 香 基 團酪 胺 酸色 胺 酸TyrosineTryptophanTyrTrpYW-C-[C 6 H 4 ]-OH-C-[indole]PN*組 胺 酸HistidineHisH-C-[imidazole]P*天 冬 胺 酸Aspartic acidAspD-C-COOHP含 額 外 酸 基天 冬 醯 胺 酸(Asparagine)AsnN-C-CONH 2P( 及 其 醯 胺 )麩 胺 酸Glutamic acidGluE-C-C-COOHP麩 醯 胺 酸(Glutamine)GlnQ-C-C-CONH 2P含 額 外 胺 基離 胺 酸精 胺 酸LysineArginineLysArgKR-C-C-C-C-NH 2-C-C-C-[guanidine]P*P*絲 胺 酸SerineSerS-C-OHP含 有 醇 基穌 胺 酸ThreonineThrT-C(OH)-CP*OH- 脯 胺 酸Hydroxy ProP甲 基 胺 酸MethionineMetM-C-C-S-CN*含 有 硫胱 胺 酸CysteineCysC-C-SHP雙 胱 胺 酸 (3) Cystine -C-S-S-C- 雙 硫 鍵 Cys-Cys (2)環 狀 的 亞 胺 酸(3)脯 胺 酸Proline Pro P (imino acid) N(1) 打 有 * 者 是 必 需 胺 基 酸 , 須 由 外 界 攝 取 ; N, non-polar; P, polar 極 性 。(2) 兩 分 子 胱 胺 酸 (Cys) 以 雙 硫 鍵 連 成 二 元 体 。(3) 這 兩 個 胺 基 酸 對 蛋 白 質 的 立 體 構 造 有 很 大 的 影 響 。◆ 圖 2 是 特 地 設 計 用 來 說 明 各 胺 基 酸 的 構 造 關 係 , 不 是 代 謝 途 徑 , 請 特 別 注 意 。 圖中 把 各 種 胺 基 酸 依 其 R 基 團 的 性 質 不 同 分 類 , 並 安 排 在 模 擬 台 北 市 地 下 鐵 的 地 圖上 , 其 中 Ala 是 台 北 總 站 , 因 為 其 他 的 胺 基 酸 都 可 由 此 畫 出 來 。 中 央 線 即 為 忠 孝東 路 線 , 由 飽 和 碳 氫 鏈 的 胺 基 酸 所 組 成 , 與 忠 孝 東 路 的 商 業 機 能 有 類 比 關 係 。58 ECX 2005

B1胺 基 酸西北線BASICLysR =+C-C-C-C-NH 3R = C-N N+中央線R = C-C-C-N-C-NN+ArgHisGlyR = HR = COHR = C-COH胺 基 酸 分 類 模 擬 地 下 鐵 道 地 圖R = C-R = C-SerThrAROMATIC中 山 線OHTrpTyrPheALIPHATICAla Val Ile LeuR = CH 3雙和線R = C-NCysMetR = C-CONH2R = C-C-CONH 2AsnAspR = C-COO-C CR = CR = C-SHR = C-C-S-CPolarR = C-C-COO-CR = C-C-CPro南 港 線AMIDEACIDIC環 狀 線CR = C-C-CR = CC CHN C-COOHαHYDROXYL SULFUR IMINO, CIRCULAR圖 2 各 種 胺 基 酸 的 分 類GlnGluNon-polar3 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 。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 。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 。ECX 2005 59

B1胺 基 酸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 。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 。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-NH 2 ) 所 吸 引 , 使 後 者 成 為 一 帶 有 正 電 的 基 團 (-NH + 3 )。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 -NH + 3 )。 如 此 一 分 子 同 時 帶 有 正 電 與 負 電 者 , 稱 為 ampholyte。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 。α -COOHα -COO + H-R -COOHR -COO + H+His-Imidazole-HHis -Imidazole + HCys-SH -Cys-S+ HTyr-OH -Tyr -O + H+α -NHα3-NH2+ H+R -NHR -NH 2 + H3-+++++++pKa = 1.8-2.4pKa = 3.9-4.3pKa = 6.0pKa = 8.3pKa = 10pKa = 8.8-11pKa = 10-12.5pKa 越 小 質 子 越 容 易 放 出圖 3 各 種 胺 基 酸 基 團 的 解 離 及 其 pKa4.2 等 電 點 (pI):等 電 點 是 所 有 細 胞 分 子 帶 電 性 質 的 重 要 指 標 。a. 胺 基 酸 α 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 a 1 + pK a 2)÷2 = pI。b. 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60 ECX 2005

B1胺 基 酸相 等 , 特 稱 為 Zwitterion。c. 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. 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. 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 。弱 酸 如 何 做 為 緩 衝 分 子 ?AH → A + H +- 例 如 乙 酸-CH COOH → CH COO + H3 3◎ Ka 是 平 衡 後 兩 邊 的 濃 度 比 :◎ KaH-H公 式pH =[A- +] [H ][AH]Ka = =110★(pKa = 5)平 衡 式 做 數 學 轉 換 :一 、 兩 邊 取 log+二 、 移 項 取 出 [H ]+三 、 定 義 p 為 -log (pH = -log[H ])pH = pKa + log [A -][AH]已 解 離未 解 離常 數 pKa?.... 當 [A - ] = [AH], log 1 = 0+pHpH乙 酸pKa5★-[OH ]-[OH ]圖 4 以 乙 酸 為 例 說 明 緩 衝 分 子 如 何 在 其 pKa 發 揮 作 用乙 酸 根 會 吸 收 或 放 出 一 個 質 子 , 可 以 用 解 離 常 數 Ka 描 述 之 ; 對 Ka 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 。ECX 2005 61

B1胺 基 酸問 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 ,Histidine 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-AlaGly-His-Ala-Glu-Ser7. 請 判 斷 並 說 明 下 列 各 題 的 真 偽 :a. 胺 基 酸 的 α 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 :α 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 )62 ECX 2005

B1胺 基 酸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 □ Trp2) 在 pH 2 溶 液 中 , 那 些 胺 基 酸 可 做 為 此 pH 的 緩 衝 分 子 ?□ Val □ His □ Glu □ Trp3) 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 ?□ CH 4 □ glutamic acid 的 α 碳 □ 甘 胺 酸 的 COOH □ 甘 胺 酸 的 α 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 π 電 子 共 振 □ 胜 肽 鍵 可 以 自 由 轉 動□ 胜 肽 鍵 是 經 加 水 反 應 生 成 的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 ?ECX 2005 63

B1胺 基 酸64 http://ccms.ntu.edu.tw/~juang/JRH/Amino.htmECX 2005