胺 基 酸

● 1 胺基酸基本構造● 2 胺基酸分類● 3 胜肽● 4 胺基酸的離子性質：

4.1 解離度4.2 等電點

一級構造

蛋白質的四級構造

四級構造

二級構造

三級構造

Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.129

胺基酸

COO-

R group

胺基

酸基

L-Form Amino Acid

H = GlycineCH3 = Alanine

H N3+

H

Juang RH (2007) BCbasics

sp3

胺基酸有鏡像異構物

α α鏡 像

化性相同、物性 (旋光度) 不同立體構造不同 (算是異構物)

Juang RH (2007) BCbasics

Leu L

-C-C-CONH2-C-CONH2

-C-COOH -C-C-COOH

-H -CH3

-C-OH -C-SH

-C-C-S-C PPro

-C-C CN N+

-C-C-C-C-NH3+ -C-

-C- -OH

-C-N

雙和線

環狀線

中央線

南港線

中山線

西北線

Aliphatic

Amide

Acidic

Imino acid,Circular

Basic

SulfurHydroxy

Aromatic-C-C-C-N-C-NN+

=

C-C-C-C

C-C-C-C

C C-C

CC CHN C-COOH

α-C-COH

Gln QAsn N

Asp D Glu EPhe F

Arg R

Lys K

His H

Gly G AAAla VVal IIle

YTyr

Ser S

Thr T Met M

Cys C

胺基酸地下鐵道圖

Trp W

Non-polar

Polar

Juan

g R

H (2

007)

BC

basi

cs

PO

LAR

NO

N-

PO

LAR

Tyr His

Gly

Acidic Neutral Basic

Asp

Glu GlnCys

Asn Ser

Thr Lys

Arg

AlaVal

IleLeu Met

Phe TrpPro

胺基酸的極性分類

『極性或非極性，是蛋白質性質之所繫。』

Juang RH (2007) Biochemistry

Gly Ala Val Leu Ile

Phe Tyr Trp Cys Met

S S

Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.20

各式胺基酸的大小樣式齊全

-SH -S-CH3

雙硫鍵

劇烈轉折Pro

Cys

SH

CysSH

Cys

S

Cys S

Cystine

Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.25, 32

兩種胺基酸對蛋白質構造影響很大

Cysteine

Bio-

Lab 廣

告C

ell 8

3 (4

), 19

95

-

-+

+ +

S

S

有大有小

有正有負

有極性非極性

形形色色的胺基酸側基

NH2 COOH1 NH2 COOH2

NH2 C N COOHO

H21

兩個胺基酸分子頭尾連接起來

胜肽鍵的形成

脫水Carbodiimide

Juang RH (2007) BCbasics

N

C

C

α

α

H

NN

C

●● 胜肽鍵 雖是單鍵卻有雙鍵性質

O

●● 胜肽鍵 周邊六個原子在同一平面上

●● 前後兩個胺基酸的 α-carbon 在對角 (trans)

C

胜肽鍵的特性

spsp22 spsp22

Juang RH (2007) BCbasics

sp2 + p sp2 + lp

p 軌道電子共振使胜肽鍵具雙鍵特性

HCC N

CO

Juang RH (2007) BCbasics

兩胜肽鍵平面的交接點為 α-碳

以胜肽鍵平面連接成多肽長鏈

注意 α-碳上面接有各種大小不等的基團Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.136

單位小分子 N-C-C-N-C-C-N-C-C

α-碳為中心 N-C-C-N-C-C-N-C-Cα α α

兩端胺基酸 NN-C-C-N-C-C-N-C-CC

胜鍵的定位 N-C-C-N-C-C-N-C-C

如何檢視一段胜肽

Juang RH (2007) BCbasics

●●腦啡 Enkephalin (YGGFM)●●代糖 L-Aspartame (L-Asp-Phe-CH3)●●短鏈荷爾蒙 Oxytocin, Vasopressin●●抗生素 Gramicidin S (含 D-amino acid)

色胺酸 (安眠效果) Tryptophan

麩酸鈉 (味素) Sodium Glutamate

具有生理功能的胜肽或胺基酸

胺基酸

Juang RH (2007) BCbasics

H3N+– CH – C – N – CH – C – O – CH3

COO-

CH2 O OCH2

H

L-Aspartyl-L-phenylalanine methyl ester

Aspartame

Cam

pbel

l (19

99) B

ioch

emis

try (3

e) p

.95

阿斯巴甜

腦啡與其受體結合後可以產生鎮痛與麻醉效果

嗎啡可以模擬腦啡的作用因此有類似鎮痛、麻醉的效用

牛頓雜誌 (1991) 第 164 期, p.48-49

嗎啡與腦啡有相似分子構形而與腦啡受體結合

EnkephalinMorphine

Tyr

Gly

GlyPhe Met

Dressler & Potter (1991) Discovering Enzymes, p.247

胺 基 酸

● 1 胺基酸基本構造● 2 胺基酸分類● 3 胜肽● 4 胺基酸的離子性質：

4.1 解離度4.2 等電點

重新看水分子構造

永久的偶極性

陰電性

O 3.5N 3.0C 2.5H 2.1

由各種原子所組合成的官能基，

因為原子間陰電性的不同，造成

官能機的極性大小不同，反應性

也有所差異。

● 水分子的極性

● 水的介電常數

● 水分子間的氫鍵

● 水與 pH 的關係

C-C

+δ

-δ有機化合物

官能基

O

lplp

地球早期的大氣成分 H2 CH4 NH3 H2O

CC

CH3

COOH

RNH2

- +

Juang RH (2007) BCbasics

陰電性對分子化學性質的重大影響

HOH H+ + OH-

3.5

2.1 2.1

[10-7 M] [10-7 M]

氫與氧的懸殊陰電性造成氫的解離

電子都被氧原子搶去

[55 M]

OH H

Juang RH (2007) BCbasics

氫離子

-

H1.008

1

hydride

+

1s

-

氫原子

+-

+質子-

氫離子 hydride → 氫原子 hydrogen → 質子 proton

-

Juang RH (2007) BCbasics

黃河

長江

The University Atlas (1978) p.86

東亞地形圖

中 國

AH A- + H+CH3COOH CH3COO

-

HCl Cl- + H+強酸

pH = pKa + log [A-][AH]

Ka

H-H公式

弱酸或弱鹼才可作為緩衝分子

Juang RH (2007) BCbasics

(1) Ka 的定義

(2) 兩邊取 log

(3) 移項

(4) 定義 -log 為 p

分解右邊 log

Henderson-Hasselbalch 公式描述緩衝液分子的解離常數與其緩衝作用的機制

Ka = [A-] [H+]

[AH]

logKa = [A-][AH]

log[H+]

logKa = log[H+] +[A-][AH]

log

-log[H+] = -logKa +[A-][AH]

log

pH = pKa +[A-][AH]log

如何推導公式

Juang RH (2007) BCbasics

◎ Ka 平衡式做數學轉換一、兩邊取 log二、移項取出 [H+]三、定義 p 為 -log (pH = -log [H+])

醋酸的 pKa

★

CH3COOH = CH3COO- + H+

Ka = =[A-] [H+]

[AH]1

105

例如 乙酸

◎ Ka是平衡後兩邊的濃度比

(pKa = 5)

pH = pKa +[A-][AH]

logH-H公式

已解離

未解離

AH A- + H+

pH = 常數 pKa？ ….. 當 [A-] = [AH], log 1 = 0

弱酸如何作為緩衝分子

Juang RH (2007) BCbasics

[OH-]

pH

5

可作為緩衝的 pH 範圍(恰等於其 pKa)

pH = pKa +[A-][AH]

logH-H公式

已解離

未解離

[OH-]

pH 水

pKa

乙酸

弱酸在其 pKa 上下有緩衝作用

★

Juang RH (2007) BCbasics6 = 5 + 1

101

高低

Proton： 最小且最多的生物粒子，影響酸鹼度及分子帶電性質

H+

lone pair electrons

HH

H+

NHH

N胺基

H+

AmpholyteAmpholyte: 一個分子上同時帶有正電及負電基團

酸 基 CO

O

HC

O

O

質子可以吸著或脫離基團

pKa

Juang RH (2007) BCbasics

低高 pKa

COOH

NH2 H+

COO-R-C-H

NH2 H+

R-C-HCOO-

NH2R-C-H

酸性環境 中性環境 鹼性環境

+1 -10

pK1 ~ 2

pK2 ~ 9

等電點

5.5

Juang RH (2007) BCbasics

Zwitterion

12

9

6

3

0外加 [OH] →

★

★

pK1

pK2

環境pH

pIH-C-RCOO-

NH2 H+

等電點 =

pK1 + pK22

胺基酸的緩衝作用範圍

Juang RH (2007) BCbasics

環境酸鹼度影響蛋白質的淨電荷

+Net Charge of a Protein

Buffer pH

Isoelectric point,pI

-

3456789

10

0 -Juang RH (2007) BCbasics

pKa = 1.8~2.4pKa = 3.9~4.3

pKa = 6.0pKa = 8.3pKa = 10

pKa = 8.8~11pKa = 10~12.5

+ H+

+ H+

+ H+

+ H+

+ H+

+ H+

+ H+

-COOH -COO-α α-COOH -COO-R R

-Imidazole·H+ -ImidazoleHis His-SH -S-Cys Cys-OH -O-Tyr Tyr

-NH3+ -NH2α α-NH3+ -NH2R R

pKa 越小質子越容易放出

胺基酸中有很多可以釋出質子或接受質子的基團

各種胺基酸基團的離子化與其 pKa

His 是唯一具有近中性 pKa 基團 (imidazole) 的胺基酸α酸基或胺基的 pKa 都比 R 基團上面者要低 (較容易解離)

Juang RH (2007) BCbasics

在蛋白質中的胺基酸基團 pKa 會受到環境影響而改變 (蛋白質微環境)

Amino acids -COOH -NH2 -RGly G 2.34 9.60Ala A 2.34 9.69Val V 2.32 9.62Leu L 2.36 9.68Ile I 2.36 9.68Ser S 2.21 9.15Thr T 2.63 10.4Met M 2.28 9.21Phe F 1.83 9.13Trp W 2.38 9.39Asn N 2.02 8.80Gln Q 2.17 9.13Pro P 1.99 10.6Asp D 2.09 9.82 3.86Glu E 2.19 9.67 4.25His H 1.82 9.17 6.0Cys C 1.71 10.8 8.33Tyr Y 2.20 9.11 10.07Lys K 2.18 8.95 10.53Arg R 2.17 9.04 12.48

pK1

pK1

pK2

pK2

pK3

[OH-]

pH

等電點

等電點？

pK1 + pK22

三個 pKa

兩個 pKa

?

?

具有多個解離基團的胺基酸

Juang RH (2007) BCbasics

HOOC-CH2-C-COOHNH3+

H

HOOC-CH2-C-COO-

NH3+

H

-OOC-CH2-C-COO-

NH3+

H

-OOC-CH2-C-COO-

NH2

H

+1

0

-1

-2

pK1 = 2.1

pK2 = 3.9

pK3 = 9.8

2.1 + 3.92

= 3.0

first

second

third

Isoelectric point

取 pI 前後的兩個 pK 值平均

pK1

pK2

pK3

Aspartic acid

+1

0

-1

-2

Juang RH (2007) BCbasics

[OH]

Zwitterion

Amino(1) 2007AAmino(2) 2007A