第一章 緒論
1.3 由胜肽鍵 (peptide bond) 為骨幹所構成的蛋白質
氫鍵在控制蛋白質結構和生化活性上扮演著重要的角色。但因 為蛋白質本身結構複雜且龐大，要直接進行氫鍵上研究是非常困難 的。也正因為如此，有一些保有部分蛋白質結構及特性的簡單分子 引起研究上的興趣。
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檢視圖1.4蛋白質二級結構的β-折疊片 (β-sheets)15，可以發現蛋 白質是由許多胜肽鍵為骨幹所聚合而成的反式胜肽群 (trans peptide group)。氮-甲基乙醯胺 (N-methylacetamide)，簡稱NMA，是最小的 組成單位，因此它成為分析蛋白質的重要起點，在理論和實驗上都 有大量的研究16,17,18。
圖1.4 蛋白質中部分 β-摺疊片 (β-sheets) 的反平行 (anti-parallel) 結構，圖中虛線代表氫鍵。
[Adapted from Fig. 5 in ref. 15, T. W. Whitfield, G. J. Martyna, S. Allison, S. P. Bates, H.Vass, and J. Crain, J. Phys. Chem. B 110, 3624
(2006).]
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理論上的研究15指出NMA，在純液態時主要是由氫鍵自結合所 形成的線型長鏈 (linear chain)，如圖1.5所示。模擬顯示在常溫下，
線型長鏈彼此會構成類似蛋白質的β-摺疊片 (β-sheets)。但是由氫鍵 所構成的線型長鍊與另一個長鍊之間的作用力很弱，真正的蛋白質 是由醯胺分子彼此先以很強的共軛鍵所鍵結，再透過氫鍵型成網狀 結構，圖1.4所示。
圖1.5 純液態時，氮-甲基乙醯胺 (NMA) 以分子間氫鍵所構成的 類β-摺疊片，虛線代表氫鍵。
[Adapted from Fig. 4 in ref. 15, T. W. Whitfield, G. J. Martyna, S. Allison, S. P. Bates, H. Vass, and J. Crain, J. Phys. Chem. B 110, 3624
(2006).]
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實驗上的研究指出19，NMA 在純液態時，以反式組態透過分子 間氫鍵 (N-H…O=C) 形成很強的線型自結合，致使 NMA 的液體成 為極性最高的溶液之一。30˚C 時介電常數為 178.9，其它醯胺類化 合物在常溫的介電常數如表1.2 所示。表 1.2 中的氮-甲基乙醯胺 (N-methylacetamide) 簡稱 NMA、氮-甲基丙醯胺 (N-methylpropio
amide) 簡稱 NMP，氮-甲基甲醯胺 (N-methylformamide) 簡稱 NMF。
表1.2 醯胺類化合物在純液態的介電常數。
[引自Table II in ref. 19, S. J. Bass, W. J. Nathan, R. M. Meighan, and R. H. Cole, J. Phys. Chem. 68, 509 (1964).]
化合物 介電常數 溫度
NMA
(N-methylacetamide) 178.9 30˚C NMP
(N-methylpropioamide) 163.1 25˚C NMF
(N-methylformamide) 171.0 25˚C 甲醯胺
(Formamide) 108.7 25˚C 氮氮-二甲基甲醯胺
(N,N-Dimethylformamide) 37.2 25˚C
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在NMA 溶於四氯化碳溶劑中時，藉著量測介電常數，可得知 由溶質濃度對溶液表觀偶極矩 (apparent dipole moment, μ2app) 的影 響20，如圖 1.6 所示。濃度越高表觀偶極矩亦增加，驗證了自結合是 以反式組態 (trans configuration) 構成。
圖1.6 氮-甲基乙醯胺 (NMA) 於四氯化碳下，在 20˚C、30˚C、
40˚C、50˚C 時濃度對表觀偶極矩 (μ2app) 的影響。
[引自Fig. 7 in ref. 20, K. Prałat, J. Jadżyn, and S. Balanicka, J. Phys.
Chem. 87, 1385 (1983).]
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蛋白質是由許多胜肽鍵所構成，圖1.7 中的胜肽鍵中心的碳與 氮原子以sp2軌域於其他鄰近的原子形成鍵結，形成一個胜肽平面。
而又因為 C=O 會與 N-H 產生兩性離子共振 (zwitterionic resonance)，
共因此胜肽鍵具有部分雙鍵 (partial double bond) 的性質。
圖1.7 醯胺類分子具有的兩種平面構型，圖中 R 代表烷氫基 (alkyl group)。
這兩種不同的平面構型 (cis or trans) 皆因能自身 C=O 與 N-H 的兩性離子共振而穩定下來。這兩者構型間的相互轉換 (intercon-version) 如果夠慢的話，在某些分子上如 NMA21，1H NMR (proton magnetic resonance) 可以直接觀測到，圖 1.8。
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圖1.8 氮-甲基乙醯胺 (NMA) 於四氯化碳中，濃度 1.144 M，溫 度30˚C 下 400MHz 1H NMR 氫譜，圖中順式與反式的訊號 以c 及 t 表示。
[引自 Fig. 1 in ref. 21, M. Akiyama, and H. Torii, Spectrochimica Acta Part A 56, 137 (1999).]
在本論文實驗中所研究的NMP 溶於氘-三氯乙烷 (CDCl3) 下
1H NMR 觀測到的 N-CH3訊號有兩種，分別為順式單體及反式單體
所產生的，見圖1.9。在圖 1.9 中，額外觀測到 1.593ppm 與
1.254ppm 兩根訊號，根據文獻分別為 H2O 及 HDO22，7.263ppm 則 為CHCl3的訊號。
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t
N-CH3
H2O HDO
C-CH3
CHCl3TMS c
t c
t : trans c: cis 圖1.9氮-甲基丙醯胺 (NMP) 於氘-三氯乙烷 (CDCl3) 中，濃度0.0121M，室溫25˚C下所量測的氫譜。圖中順式與反式的訊 號以c及t表示。 [交通大學貴儀中心高解析核磁共振光譜儀，Varian Unity Inova 500 NMR]
N-H N-CH2
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圖1.10 將圖 1.9 的 2.5ppm 到 3.1ppm 處放大。於 2.8-2.9ppm 之間 可以觀測到兩種構型。
由圖1.10 1H NMR 可得知 NMP 於 2.8-2.9ppm 之間可觀測到兩 種構型。由積分的比例上可得知，順式含量約佔3.3%左右。
H3C CH2
O
N CH3
H
(N -methylpropionamide)NMP H3C
CH2 O
N H
CH3
(N -methylpropionamide)NMP
順式 (cis) ～3.3%
反式 (trans) ～96.7%
trans
side band cis side band
N-CH3
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Radzicka 等人23利用400MHz 1H NMR，在 20˚C 下，研究 NMA 及 NMF 在不同溶劑中順反兩式 N-CH3 的分佈比例，見表 1.3。表 1.3 中 NMA 因為在 C6D12受限於溶解度訊號不佳，<2%為估計值。
研究結果顯示NMA 及 NMF 在常溫下以反式為主。
表1.3 20˚C 下 NMA 及 NMF 於順式單體上的含量。
[引自 Table I in ref. 23, A. Radzicka, L. Pedersen, and R. Wolfenden, Biochemistry 27, 4538 (1988).]
在自然界生物系統，由胜肽鍵為骨幹所構成蛋白質中，同樣能 發現到胜肽鍵的順式與反式兩種結構，但一般以反式居多。少數胜 肽鍵會因立體障礙形成順式，如羧肽酶 (carboxypeptidase A) 的 非-脯氨酸順式胜肽鍵24 (non-proline cis-peptide bond)，如圖 1.11 所 示。
NMA NMF
溶劑 濃度(M) % Cis 溶劑 濃度(M) % Cis D2O 0.025 1.88% .D2O 0.05 8.0%
CDCl3 0.025 2.87% CDCl3 0.025 8.7%
C6D12 0.02 .<2% C6D12 0.025 9.25%
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圖1.11 羧肽酶中的部分片段，(X) 及 (Y) 為蛋白質片段中的殘基 (residues)，圖中的虛線代表氫鍵。
[引自 Inset in Table 5 in ref. 24, D. Pal and P. Chakrabarti, J. Mol. Biol.
294, 271 (1999).]
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