生化學 - 蛋白質生化

生化學蛋白質生化更新於 2026/3/11

胺基酸的化學性質與代謝

胺基酸的基本特性

兩性電解質特性

  • 兩性電解質 (Ampholyte)兩性分子 (Amphoteric molecule):同時具有 酸性基團 (-COOH) 和 鹼性基團 (-NH2) 的分子。
  • 生理 pH 值 (約 7.4) 下,胺基酸的 胺基質子化-NH3+ (帶正電),羧基去質子化-COO- (帶負電)。
  • 因此,胺基酸在水溶液中可同時作為酸和鹼,展現其 兩性電解質 特性。

側鏈電荷特性 (生理 pH 值下)

  • 胺基酸的電荷取決於其側鏈 (R-group) 的 pKa 值 和環境 pH 值
  • 酸性胺基酸 (如 天門冬胺酸麩胺酸) 在 pH 7.4 時帶 負電
  • 鹼性胺基酸
    • 精胺酸胍基 pKa 約 12.5,在 pH 7.4 時帶 正電
    • 離胺酸ε-胺基 pKa 約 10.5,在 pH 7.4 時帶 正電
    • 組胺酸咪唑環 pKa 約 6.0,在 pH 7.4 時 部分質子化,具 緩衝能力
  • 中性胺基酸:側鏈不帶電荷。

等電點 (Isoelectric Point, pI)

  • 定義:胺基酸、胜肽或蛋白質淨電荷為 pH 值
  • 在此 pH 下,分子上的正負電荷數量相等。
  • 特性:蛋白質在 等電點 (pI)溶解度通常最低

蛋白質結構與鍵結

蛋白質結構層次

  • 二級結構 (Secondary Structure)
    • 主要為 α-螺旋 (α-helix)β-摺疊 (β-sheet)
    • 胜肽主鏈 上的 羰基氧醯胺氫 間的 分子內氫鍵 穩定。
    • R基團 的交互作用主要影響 三級四級結構
    • α-螺旋:右手性,氫鍵沿螺旋軸平行排列。
    • β-摺疊:由平行或反平行多肽鏈組成,鏈間透過氫鍵穩定。

生物分子間的化學鍵與穩定度

  • 共價鍵 (Covalent bonds):鍵能最高,生理條件下最穩定。
  • 離子鍵 (Ionic bonds):水溶液中易被減弱。
  • 氫鍵 (Hydrogen bonds):弱鍵結,但數量多時可穩定結構。
  • 凡得瓦力 (van der Waals interactions):最弱的非共價作用力。

雙硫鍵 (Disulfide Bond)

  • 由兩個 半胱胺酸 (cysteine) 殘基的 硫醇基 (-SH)氧化反應 形成 共價鍵 (-S-S-)
  • 甲硫胺酸 (methionine) 無法 形成雙硫鍵。
  • 性質:增加蛋白質 穩定性,限制構象自由度,對 熱變性 有抵抗力。
  • 斷裂:需透過 還原反應 (如 β-巰基乙醇, DTT)。

蛋白質的合成、修飾與功能

蛋白質的紫外光吸收

  • 蛋白質在 280 nm 波長處吸收紫外光,主要歸因於 芳香族胺基酸 (色胺酸酪胺酸苯丙胺酸)。

胜肽鍵的形成與特性

  • 胺基酸 透過 胜肽鍵 連接,形成時脫去一分子
  • 胜肽鍵 具有 部分雙鍵特性剛性不能自由轉動
  • 蛋白質主鏈構象由 Phi (Φ)Psi (Ψ) 角決定。

蛋白質折疊的熱力學

  • 自發性折疊 是一個 自發性過程,總亂度增加 (ΔS_total > 0),ΔG < 0
  • 蛋白質自身亂度減少,但溶劑亂度增加。

固有無序蛋白 (Intrinsically Disordered Proteins, IDPs)

  • 在生理條件下 沒有固定三維結構
  • 富含 親水性帶電胺基酸

蛋白質摺疊輔助酶

  • 蛋白質二硫鍵異構酶 (PDI):位於 內質網,催化 雙硫鍵 的形成、重排和斷裂。

蛋白質的轉譯後修飾 (Post-translational Modification, PTM)

  • 磷酸化 (Phosphorylation)激酶磷酸基團 加到胺基酸側鏈的 羥基 上,改變蛋白質活性、穩定性和交互作用。
  • 異戊烯化 (Prenylation):將 異戊二烯基團 連接到蛋白質 C端半胱胺酸,將蛋白質 錨定細胞膜
    • Ras蛋白法尼基化 才能發揮功能。
    • 膽固醇 合成共用 甲羥戊酸 路徑。
  • 醣基化 (Glycosylation):將 醣基 連接到蛋白質上。
    • N-鍵結:連接到 天門冬醯胺 (Asn)醯胺氮原子
    • O-鍵結:連接到 絲胺酸 (Ser)蘇胺酸 (Thr)羥基氧原子

蛋白質功能與調控

  • 攜鈣素 (Calmodulin, CaM)鈣結合蛋白,透過與 鈣離子 結合後的構象變化,調節多種 標靶蛋白 活性。
  • 鋅離子 (Zn2+):參與 酵素 活性、蛋白質結構穩定基因表現 等。鋅指蛋白 是常見的 DNA結合蛋白

蛋白質相關疾病

成骨不全症 (Osteogenesis Imperfecta, OI)

  • 俗稱「玻璃娃娃症」。
  • 病因:第一型膠原蛋白 基因突變,導致骨骼脆弱。

鐮刀型貧血 (Sickle cell anemia)

  • 病因:血紅素 β 鏈上的 第六個胺基酸 突變,由 麩胺酸 (Glu) 變為 纈胺酸 (Val)
  • 機制
    • 麩胺酸:帶 負電親水性
    • 纈胺酸不帶電疏水性
    • 突變導致血紅素 S 分子表面出現 疏水性區域
    • 低氧環境 下,血紅素 S 分子間產生 疏水性交互作用,異常聚集形成纖維。
    • 纖維化導致紅血球變形為 鐮刀狀,失去彈性,易阻塞微血管。

蛋白質與核酸的交互作用

組織蛋白 (Histones)

  • 高度保守的蛋白質,存在於細胞核中。
  • 功能:將 DNA 包裝成 染色質,參與 基因表達調控
  • 富含帶 正電荷鹼性胺基酸 (離胺酸, 精胺酸),與 DNA 的負電荷磷酸骨架形成強烈 靜電吸引

血紅蛋白與肌紅蛋白

血紅蛋白的氧氣結合與釋放

  • 四級結構狀態
    • R 狀態 (Relaxed)高氧親和力
    • T 狀態 (Tense)低氧親和力
  • 2,3-BPG 的調節作用:結合於 血紅蛋白 中央腔,穩定 T 狀態降低氧親和力,促進 氧氣釋放
  • 胎兒血紅蛋白 (HbF) vs. 成人血紅蛋白 (HbA)
    • HbA 組成:α2β2
    • HbF 組成:α2γ2
    • HbF2,3-BPG 結合力較弱,氧親和力較高,能從母體高效獲取氧氣。

肌紅蛋白 (Myoglobin)

  • 存在於 肌肉細胞,負責 儲存氧氣
  • 遠端組胺酸 殘基:
    • 與結合在 血基質鐵原子 上的 氧分子 形成 氫鍵,穩定氧氣結合。
    • 提供 空間位阻,降低 一氧化碳 (CO) 的結合效率。

血基質 (Heme) 的合成與分解

  • 合成:起始於 甘胺酸琥珀醯輔酶A,生成 δ-胺基乙醯丙酸 (ALA)
  • 分解:產生 膽紅素 (Bilirubin),代謝異常導致 黃疸 (jaundice)

胺基酸代謝與氨的運輸

芳香族胺基酸的合成與代謝

  • 莽草酸途徑 (shikimate pathway):細菌和植物合成芳香族胺基酸的途徑。
  • 動物無法合成苯丙胺酸色胺酸必需胺基酸
  • 酪胺酸:由 苯丙胺酸 轉化,為 條件性必需胺基酸

同半胱胺酸代謝

  • 同半胱胺酸 (Homocysteine)甲硫胺酸 (methionine) 代謝中間產物。
  • 高濃度心血管疾病神經退化性疾病 的風險因子。
  • 代謝途徑
    1. 再甲基化 (Remethylation):需 葉酸 (folate)維生素 B12 (cobalamin),轉回 甲硫胺酸
    2. 轉硫化 (Transsulfuration):需 維生素 B6 (pyridoxal phosphate),生成 半胱胺酸 (cysteine)

單一碳基團代謝與輔因子

  • 四氫葉酸 (THF):多種 單一碳基團 的載體。
  • S-腺苷甲硫胺酸 (SAM):主要的 甲基供體
  • 生物素 (Biotin):參與 羧化反應,轉移 CO2。長期食用生雞蛋可能導致 生物素缺乏 (因 卵白素 結合)。
  • 磷酸吡哆醛 (PLP)維生素 B6 的活性形式,參與胺基酸代謝。

硫化氫 (H2S) 的生成與功能

  • 重要的 氣體信號分子,由 含硫胺基酸 (主要為 半胱胺酸) 代謝產生。

氨的毒性與運輸

  • 氨 (NH4+) 有毒,需轉化為無毒形式運輸至肝臟進行 尿素循環
  • 運輸形式
    • 麩醯胺酸 (Glutamine):主要形式,由 麩醯胺酸合成酶 催化形成。
    • 丙胺酸 (Alanine)肌肉 運送至肝臟的主要形式,尤其在飢餓狀態下 (透過 丙胺酸循環)。

必需胺基酸 (Essential Amino Acids)

  • 人體無法合成,需從飲食攝取。共 9種組胺酸異白胺酸白胺酸離胺酸甲硫胺酸苯丙胺酸蘇胺酸色胺酸纈胺酸

胺基酸碳骨架的代謝去向

  • 可轉化為 葡萄糖 (生糖性胺基酸) 或 酮體 (生酮性胺基酸)。
  • 純生酮性胺基酸白胺酸離胺酸
  • 兼具生酮和生醣性胺基酸異白胺酸苯丙胺酸色胺酸酪胺酸

尿素循環 (Urea Cycle)

  • 目的:將有毒 轉化為無毒 尿素
  • 主要發生於 肝臟,起始於 粒線體,後續在 細胞質 進行。
  • 來源:麩胺酸麩胺酸脫氫酶
  • 氮原子來源天門冬胺酸
  • 尿素 透過 簡單擴散 排出,不需 囊泡

麩胺酸作為其他胺基酸的前驅物

  • 麩胺酸脯胺酸精胺酸 (經 鳥胺酸) 的前驅物。

天門冬胺酸的多元代謝功能

  • 參與 尿素循環嘌呤合成嘧啶合成

胺基酸衍生物

神經傳導物質

  • γ-胺基丁酸 (GABA)抑制性神經傳導物質,由 麩胺酸 合成。
  • 麩胺酸 (Glutamate)興奮性神經傳導物質,也是 GABA 前驅物。
  • 兒茶酚胺類 (多巴胺、正腎上腺素、腎上腺素):由 酪胺酸 合成。
    • 酪胺酸 也是 黑色素 的前驅物。
    • 白化症 常因 酪胺酸酶 功能異常引起。
  • 色胺酸衍生物
    • 血清素 (Serotonin):由 色胺酸 合成,與情緒、睡眠相關。
    • 菸鹼酸 (Niacin, 維生素 B3)
    • 褪黑激素 (Melatonin)

一氧化氮 (NO)

  • 重要的 氣體信號分子,由 精胺酸一氧化氮合成酶 (NOS) 合成。

肌酸 (Creatine)

  • 重要的 能量儲存分子
  • 生合成涉及 甘胺酸精胺酸甲硫胺酸 (提供甲基給 胍基乙酸)。

穀胱甘肽 (Glutathione, GSH)

  • 三胜肽 (γ-L-Glutamyl-L-cysteinylglycine)。
  • 重要的 抗氧化劑,參與 解毒
  • GSH/GSSG 循環穀胱甘肽還原酶 催化,消耗 NADPH

蛋白質降解與回收

蛋白質迴轉 (Protein Turnover)

  • 指細胞內蛋白質不斷合成和分解的 動態平衡過程
  • 對於維持細胞功能和適應環境至關重要。

蛋白質降解途徑

  • 泛素-蛋白酶體系統 (Ubiquitin-proteasome system, UPS)
    • 清除 短壽命受損錯誤摺疊 的蛋白質。
    • 機制:泛素化 (E1, E2, E3 酶) 標記蛋白質,需要 ATP 提供能量。
    • 泛素化:將 泛素 分子共價結合到待分解蛋白質的 離胺酸 (lysine) 殘基上。通常需要多個泛素分子形成 多泛素鏈
    • 標記後的蛋白質被 26S蛋白酶體 (proteasome) 降解。
  • 自噬-溶小體途徑 (Autophagy-lysosome pathway)
    • 細胞透過形成 自噬體 (autophagosome) 包裹細胞內受損的細胞器或大分子聚集物。
    • 自噬體與 溶小體 (lysosome) 融合形成 自噬溶酶體 (autophagolysosome)
    • 溶小體內的酸性水解酶分解內容物,使其成分得以回收利用。

細菌孢子形成 (Bacterial Sporulation)

  • 在惡劣環境下,某些細菌透過孢子形成提高生存率。
  • 此過程涉及大量的 蛋白質合成和降解,與蛋白質迴轉密切相關。

支鏈胺基酸 (BCAAs)

定義與種類

  • 側鏈具有分支結構的 必需胺基酸
  • 包括:白胺酸 (leucine)異白胺酸 (isoleucine)纈胺酸 (valine)

代謝特點

  • 代謝起始:主要發生在 肌肉 等周邊組織,而非肝臟,因肌肉組織中 BCAA aminotransferase 活性較高。
  • 能量產生:代謝過程產生 NADHFADH2,可進入電子傳遞鏈產生 ATP。

相關疾病

  • 楓糖尿症 (Maple Syrup Urine Disease, MSUD)
    • 遺傳性代謝疾病。
    • 導因於 branched-chain α-keto acid dehydrogenase complex (BCKDC) 活性缺陷。
    • 導致 BCAAs 及其 α-酮酸衍生物 無法正常分解,堆積在體內。

學完了?來刷題驗收吧!

立即練習相關考題,鞏固你剛讀到的知識點

登入開始刷題