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) 或 兩性分子 (Amphoteric molecule):同時具有 酸性基團 (-COOH) 和 鹼性基團 (-NH2) 的分子。
- 在 生理 pH 值 (約 7.4) 下,胺基酸的 胺基 被 質子化 為 -NH3+ (帶正電),羧基 被 去質子化 為 -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 零 的 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) 時 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) 和 β-摺疊 (β-sheet)。
- 由 胜肽主鏈 上的 羰基氧 與 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 和 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) 經 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
- 由 胺基酸 透過 胜肽鍵 連接,形成時脫去一分子 水。
- 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) 和 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 將 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 的 半胱胺酸,將蛋白質 錨定 到 細胞膜。
- Ras蛋白 需 法尼基化 才能發揮功能。
- 與 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) 的 醯胺氮原子。
- O-鍵結:連接到 絲胺酸 (Ser) 或 蘇胺酸 (Thr) 的 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。
- 在 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 的 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。
- HbF 對 2,3-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 和 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 和 色胺酸 是 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 是 心血管疾病 和 神經退化性疾病 的風險因子。
- 代謝途徑:
- 再甲基化 (Remethylation):需 葉酸 (folate) 和 維生素 B12 (cobalamin),轉回 甲硫胺酸。
- 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 氨 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。
- 氨 來源:麩胺酸 經 麩胺酸脫氫酶。
- 氮原子來源:氨 和 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 是 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 和 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 經 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 和 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 由 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) 和 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 NADH 和 FADH2,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。
