生化學 - 蛋白質生化

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：
  1. 再甲基化 (Remethylation)：需 葉酸 (folate) 和 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 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。