第五章 :
Amino Acids,
Peptides, and Protein
Peptide ( 約小於 50 個胺基酸聚合成的 分子 ) Protein ( 較長的 polypeptide) 蛋白質是胺基酸聚合成的複雜巨分子之 總稱。這些巨分子是由 20 種不同的胺 基酸聚合組成，蛋白質的特性會依胺基 酸聚合排列不同而變化。
胺基酸
(amino acid):
蛋白質水解後變成它們的聚合單體分子 稱胺基酸 每個胺基酸同時具有羧酸基 - COOH 與胺基 - NH2 ，而 R 基則是每個胺基酸 的特性區域。胺基酸的分類 :
1 非極性的中性胺基酸 : 中性的意
思是
R
基 (group) 在生理的 pH 時
並不帶正或負電荷。這類胺基酸的
R group( 原子團 ) 是帶疏水性基
(hydrophobic group)
。
色胺酸與酪胺酸（苯丙胺酸則較差）會吸收紫外 光（圖 3-6 ），這也是蛋白質在波長 280 nm 附近會有強吸光之成因。 圖 3-6 為比較芳香族胺基酸色胺酸與酪胺酸在 pH 6.0 時之吸收光譜，發現兩者在相等莫耳濃 度之下（ 10-3 M ），色胺酸之吸光值為酪胺酸 的 4 倍；兩者之最大吸收波長則均接近 280 nm 。 另一種圖中未標示的芳香族胺基酸苯丙胺酸吸光 值甚低，通常對蛋白質的光譜性質無貢獻。 continued
圖
3-6 芳香族胺基酸可吸收
紫外光。
2 極性的中性胺基酸 : R group 的
組成是具親水性的分子。如
hydroxyl group(-OH) 羥
3 酸性的胺基酸 : 兩個標準的胺基
酸其
R group 在生理濃度下帶有負
電荷。如
aspartic acid
、 glutamic
acid 在生理濃度下 asparate
與
4 鹼性胺基酸 : 在生理 pH 值下，鹼性
胺基酸帶正電荷。如
lysine 、 arginine 、 histidine 。
Histidine 在生理濃度時是一個弱鹼 ( 因
在 pH =7 時只有部分解離 ) ，在許多具 催化活性的酵素中扮演重要的角色。
表
3-1 組成蛋白質的各種常
見胺基酸之基本性質
胺基酸具特有之滴定曲線
圖 3-10 為雙質子態甘胺酸的滴定曲線， 此圖形具有兩個特別顯著的階段，對應於 甘胺酸上兩個不同基團的去質子化過程。 圖 3-10 為 0.1 M 甘胺酸在 25 ℃ 時之 滴定曲線。滴定過程中各階段重要之離子 化物種如圖上方所示。陰影區以 pK1 = 2.34 與 pK2 = 9.60 為中心，顯示這些 區域之 pH 值具有最大的緩衝能力。 continued胺基酸的立體異構物 :
胺基酸的 α 碳接了 4 個不同的基或原子 (H 、 -COOH 、 NH2 與 R) ，這個碳稱 不對稱碳或對掌碳 (chiral carbon) 。 分子內有一個原子像 α 碳特性者，則會 產生光學異構物 (enatiomers) ，這個原 子會形成稱對掌中心 (chiral center) 。 這種空間排列不同所造成的異構物稱立 體異構物 (stereoisomer) 。胺基酸的反應 :
有兩種胺基酸的反應，因為鍵結上
的效應特別引人興趣。
1. Peptide bond 的形成 : Polypeptide
是由 Peptide bonds 連結而成。
peptide bond 中的醯胺連結 (amide
linkage) 是胺基酸上的未配位的電子對 攻擊另一個胺基酸上的 α-carboxyl 上的 碳， 然後脫去水形成 peptide bond 。
Peptide 的表示法 : H2 N-Tyr-Ala-Cys-Gly-COOH Peptide 中第一個胺基酸具有一個自由 的胺基 (amino group) ，又稱 N-terminal(N- 端 ) ，最後一個胺基酸具有 一個自由的羧基 (carboxyl group) 稱 C-terminal(C- 端 ) 。
2. Cysteine oxidation: cysteine 上的 -SH 基相當活潑，這些 --SH 基可以相互 形成氧化狀況的雙硫鍵 (disulfide bond 或 disulfide bridge) 。這種雙硫鍵發生 在單鏈的蛋白內，也發生在 2 個或多個 蛋白鏈的分子間之接合，形成分子間的 橋樑。 disulfide bridge 有助於穩定許多 蛋白結構。
圖 5.14 兩分子半胱胺酸氧化形成
胱胺酸
Peptide:
有許多 peptide 具有生理活性 例如
:
三個胺基酸組成的 Tripeptide: glutathione(γ-glutamyl-L-cysteinylglycine) 。 幾乎存於各種生物體，參與許多重要的 生理功能。Glutathione 的生理功能
DNA 與一些生物分子的合成 藥物與環境毒物的代謝 胺基酸的輸送。
催產素 (Oxytocin) 在分娩時會剌激子宮肌肉 的收縮，哺乳時能促進乳汁的分泌 血管增壓素 (vasopressin) 是抗利尿激素 (antidiuretic hormone) ，在血壓低與高血 鈉濃度被分泌出來，可助腎臟留住水分 Met-enkephalin 與 leu-enkephalin 屬於鴉 片 peptide(opioid peptides) ，能緩解痛產 生興奮的感覺。
心房利鈉因子 : 剌激稀尿的產生，與血 管加壓素具相反效果。 NPY 與 galanin: 抑制食慾的 peptides 。 物質 P 與緩動素 : 剌激痛覺，與鴉片類 peptides 具相反的作用。
蛋白質歸納至少有以下的功能
1 催化 (catalysis): 酵素幾乎全是蛋白質。 2 結構 (structure): 龜甲、蜘蛛絲、指甲與頭 髮等。 3 移動 (movement):tubulin 、 actin 等。 4 防衛 (defense): 蛇毒、蜂毒與抗體等。 5 調節 (regulation): 胰島素、升糖激素等。 6 輸送 (transport): 離子通道、萄
葡糖輸送蛋白與脂蛋白等。
7 儲存 : 酪蛋白、卵清蛋白等。
8 壓力反應 : 熱休克蛋白、金屬硫蛋白
蛋白質的型態可區分兩類 :
1 fibrous protein: 長、棒狀分子，不 溶於水。如皮膚、頭髮、指甲等具有結 構與阻隔的功能。 2 Globular protein: 組成緻密的球狀分 子，通常是可溶的。 依據組成的特性又可區分成簡單 (simple) 或共軛蛋白 (conjugated protein) 。 1 simple protein: 蛋白內僅含有胺基酸， 如血清中的白蛋白 (serum albumin) 。 2 conjugated protein: 據有簡單的蛋白加 上一些非蛋白的組成，這些非蛋白組成稱 prothetic group 。
蛋白質結構上的訊息分為數種
層次
1 一級結構 (primary structure): 胺基
酸序列 (amino acid sequence) ，是基 因訊息的表現。
2 二級結構 (polypeptide chain) 折疊
(folding) 完成時，相臨的胺基酸會形成
3 三級結構 : 當 polypeptide 的三度空
間的結構。
4 四級結構 : 由二個或多個
polypeptide chain 「或稱次單元 (subunit) 」組合成的蛋白質。
一級結構 :
每一個 polypeptide 皆有一個特異的胺
基酸序列 (amino acid sequence) 。序 列內的胺基酸彼此的作用，決定了蛋白 三度空間的結構。 Polypeptide 間具有相似的胺基酸序列 與功能者稱 homologous ，比較物種間 某些 polypeptide 的胺基酸序列的相似 性。即能找出物種間的遺傳關係。
例如粒線體內的 cytochrome c 蛋白。 各個物種中，這個蛋白 (cytochrome c) 的胺 基酸序列相同的區域稱不變區 (invariant) ， 可能是蛋白功能必需的序列。而 (Variant) 變 異區之胺基酸結構的改變不會影響 polypeptide 的功能。
Conservative substitution( 保留
型取代
): 胺基酸取代成支鏈特性相
似者
( 功能類似的胺基酸 ) ，這種
取代不致影響到蛋白質的功能。
conservative
與 variable 這些取代
(substitutions) 位置常用來追蹤進
化關係。
GDVEKGKKIFIMKCSQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRRT GDVEKGKKIFIMKCSQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRRT GDVFKGKRIFIMKCSQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRRT GDVEKGKKIFVQKCAQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRRT GSAKKGATLFKTRCLQCHTVEXGGPHKVGPNLHGIFGRHS GDVAKGEAAFKR-CSACHAIGESAKNKVGPQLNGIIGRTA
1 Human, 2 Chimpanzee, 3 Spider
monkey, 4 Zebra, 5 Yeast, 6 Agrobacterium
鐮刀型性貧血症
鐮刀型性貧血導因於血紅蛋白 (hemoglobin) 的突變，這是血紅蛋白 β-chain 的次單元蛋白中第六個胺酸產生 突變造成的，由疏水性的 Valine 取代帶 負電荷 Glutamic acid ，造成血紅蛋白 與氧的結合力降低，血紅蛋白在缺氧時 聚集成棒狀結構。 此時病人的紅血球變成鐮刀型，易造成 溶血 (hemolysis) 導致嚴重的貧 血。 Sickled cells 造成的微血間歇性阻 塞常導致組織缺氧。 Sickle-cell anemia 的特性就是極痛苦、器官損害 與早期死亡。
圖 5.17 HbA 及 HbS 中 β- 鏈的
部分
二級結構
polypeptide 的二級結構是由數種重複
的結構組成。
最常見到的二級結構是 α-helix 與
β-pleated sheet 。這是組成 polypeptide 的胺基酸間的氫鍵造成的，而氫鍵是由 胺基酸的 -NH 與 -C=O 基形成，許多纖 維蛋白質幾乎是由蛋白的二級結構組成 。
α-helix:
是一個硬且棒狀的結構。由一條
polypeptide chain 以右旋方式纏繞
成的結構。一個胺基與距離
4 個胺基
酸遠的
C=O 基作用形成氫鍵。 3.6
個胺基酸一轉，每一轉有
54 nm ，胺
基酸的
R 基則伸向外面。
有一些胺基酸的
R 基較特殊不易形成
α-helix 。
如 Glu 、 Asp 與
Tryptophan ，另外 proline 因為缺乏
自由的胺基，也是屬於抑制
α-helix
的胺基酸。
β-pleated sheets( 摺板 )
兩個或更多個 polypeptide chain 一列一列的 對齊， β-pleated sheets 是靠分子間的氫鍵來 穩定，相鄰 polypeptides 的胺基與 C=O 形成 對應的雙鍵。 β-pleated sheets 分成兩類 : 1 平行式 : polypeptide chain 排同一方向 2 反平行式 : polypeptide chain 排列方向相反 ，即一條是 N 至 C ，相鄰一條是 C 至 N 。三級結構 :
球蛋白內也可能含有二級結構，三級結
構是三度空間的構形，也可以認為絕大 部分一級結構中胺基酸的支鍵 (side
圖
4-1 胰凝乳蛋白 (
酶 )
（一種球狀蛋白質）之結
穩定三級結構的交互作用 :
1 疏水性的交互作用 (hydrophobic interactions): 2 靜電作用力 : 3 氫鍵 : 4 共價鍵 : 在蛋白合成時或合成後會形 成共價鍵連結來改變 polypeptide 上的 三級結構。影響三級結構最顯著的共價 鍵為雙硫鍵 (disulfide bridges) 。圖 5.22 主要的三級結構之交互
作用力
四級結構 :
許多蛋白質是由數個 polypeptide chains 組成，每一個 polypeptide 稱次 單元 (subunit) 。 次單元間的作用常常受到一些結合的配 位基 (ligand) 影響，在異化作用 (allostery) 中，經由配位基的結合可以 控制蛋白的功能。
一個配位基結合至蛋白一個特異的
位置會啟動蛋白構形的改變，這種
作用稱
allosteric transitions 。引起
此種作用的配位基稱
effectors
或
變性
(denaturation):
蛋白結構周遭的影響特別敏感，許多物
理與化學試劑會破壞蛋白原來的構型， 蛋白質的結構破壞稱 denaturation( 通 常不涉及 peptide bond 的破壞 ) 。
變性的環境如下 :
1 強酸或強鹼 2 有機溶劑 3 清潔劑 : 4 還原劑 : 5 鹽濃度 : 6 重金屬 : 7 溫度改變 : 8 機械壓力 : 攪拌、研磨均可破壞蛋白結構。纖維蛋白
(Fibrous protein):
纖維蛋白富含規則的二級結構 ( 如α-helix 、 β-pleated sheets ，造成他們
的形狀似狀或片狀。例如
α-keratin:
纖維蛋白中，一束束螺旋形的 polypeptide 被 絞成一大束。如頭髮、羊毛、皮膚、角與指 甲等皆是一種 α-keratin 的蛋白質。 這種具規則的 α-helix 是因為它們缺乏破壞螺 旋的胺基酸如 proline ，但富含促成螺旋胺基 酸如 alanine 、 leucine 。 而頭髮的捲曲程度，角與指甲的硬度則是以 α-keratin 內含雙硫鍵的程度決定。膠原蛋白
(Collagen):
脊椎動物最豐富的蛋白，是由聯接組織的細胞 所合成，然後再分泌至胞外。膠原蛋白是由三 個左旋的 polypeptide 彼此絞成大束的右旋的 纖維。 主要分於牙、骨、皮膚與肌鍵。膠原蛋的胺基 酸組較特殊， Glycine 約佔胺基酸組成的 1/3 ， proline 與 4-hydroxylproline 約佔 30% 的 胺基酸組成。 Gly-X-Y 重複的胺基酸排列順序。 X 常為 proline 與 4-hydroxylproline ， Y 有時 是 hydroxylproline 。Silk fibroin:
數種昆蟲與蜘蛛會吐絲，這種絲是
β-keratin 的蛋白纖維組成， polypeptide
chains 是反向的 β-pleated sheets 結構。
絲具有強的彈性，這是因為 β-pleated
sheets 結構中， polypeptide chains 分 子與分子彼此間結合力不強，很容易滑 動，此種特性使得絲織品很容彎曲。
球蛋白
(Globular
protein)
與氧結合的肌紅蛋白 (myoglobin) 與血 紅蛋白 (hemoglobin) 是球蛋白研究的 好範例。 兩個蛋白皆是 hemoprotein ，能結合 heme 。能結合氧分子且具可逆性，但 兩個蛋白的生理角色不大一樣。Bohr effect( 波爾效應 ):
氧氣輸送到組織的機制 : 在組織細胞中，二氧化碳擴散至血液形 成 HCO3- 與 H+ ， pH 值下降，使得 H+ 附在 hemoglobin 的一些胺基酸的 R 基 上，同時 CO2 也會結合至一些未帶電荷 的胺基酸，增加 deoxyHb 結構的穩定 ，增加氧的釋放。圖 5.30 血基質的氧結合位由一
個摺疊的球蛋白所形成
圖 5.32(a) 氧化血紅素的三維立
體結構
圖 5.32(b) 去氧化血紅素的三維
立體結構
2,3, Bisphosphoglycerate(BPG) 在調節 hemoglobin 的功能上扮演重要的角色。 缺乏 BPG 時， hemoglobin 對氧有非常 高的親合力，當 H+ 與 CO 2 增加時 BPG 結合 hemoglobin 有助於穩定去氧的 hemoglobin(deoxyHb) 。
圖 5.34 測量血紅素和肌紅素與
氧的親和力之平衡曲線
圖 5.35 2,3- 二磷三甘油酸
(2,3-bisphosphoglycerate)(BPG) 對於氧與 血紅素間親和力的影響
在肺部情形正好相反，高濃度的氧與 hemoglobin 趨使 deoxyHb 成 oxyHb ，導致 H+ 、 CO 2 與 BPG 從 oxyHb 釋出。 H+ 與 HCO 3- 結合形成 carbonic acid(H2CO3) ，然後分離成 CO2 與 H2O 釋出。
蛋白質毒物
霍亂：簡介歷史
圖 5.A 霍亂毒素的 B- 次單
位
蛋白質技術
分離技術 管柱層析 (column chromatography) 1 分子篩層析法 (gel filtration) 2 離子交換層析法 (ion exchanger) 3 HPLC 4 親和性管柱圖 5.D 利用膠體過濾管柱層析
來測定分子量
胺基酸的定序
N 端定序法 : 又稱
Sanger
method
此法是利用
Edman reagent 降解
N 端最後一個胺基酸，再利用
HPLC 的技術決定分解出的胺基酸
。
SDS-PAGE 電泳
分離蛋白質最常用的電法技術
如果想知原理請至實驗室
X-ray 繞射
