胺基酸：蛋白質的基本構成單位

B1 胺基酸

胺基酸

Amino Acid

胺基酸是構成蛋白質的基本單位，蛋白質是生物体內最重要的活性分子，其中擔任催化生理

代謝反應的酵素，更是近代生物化學的研究中心。二十種性質各異的胺基酸，連接組成多樣的
蛋白質，且賦予蛋白質特定的分子構形，使蛋白質分子能夠具有生化活性。

1 胺基酸基本構造：

胺基酸種類很多，但有共同的基本構造；先畫一個十字，如下述

方法在四端加上四個化學基團即可。圖 1 為其基本構造，注意單

醣也有類似的基本架構。

a.

分子構造的中心為一碳原子，稱為

α 碳

(

α carbon)。

b.

接在

α 碳上，有一個

胺基

及一個

酸基

(

故名胺基酸)。

c.

另有一氫原子及一基團

(R)

接在α碳上

(

碳為sp

3

軌道)。

d.

α 碳接了四個不同的基團，為

不對稱碳，有

光學異構物

(D/L)

。

通常細胞的代謝只

使用 L 型胺基酸，但有些細菌細胞壁或抗生素上，有 D 型胺基酸。

e.

隨 R 基團的不同，各胺基酸的性質互有差異，組成二十種胺基酸

(

見下頁表 1)。

◆ 碳原子的sp

3

軌道，是整個蛋白質構造化學的根本，請探討其組成及立體構型。

◆ 辨別一個胺基酸時，請先抓出

α 碳，再以此為中心辨認胺基、酸基及 R 基團。當

胺基酸組成蛋白質後，胺基與酸基都用來鍵結，連有 R 基團者即為

α 碳。

2 胺基酸分類：

胺基酸由其 R 基團的化學構造不同，可分為數大類。

a.

胺基酸的基團形形色色，有大有小、有直鏈有環狀、有正有負也有不帶電。右頁表中列

出蛋白質中所用的二十種胺基酸，是以 R 基團的化學構造來分組。

b. R

基團也可以其極性大小來分類，代表它們親水性的強弱；可把胺基酸分為

極性

及

非

極性

兩大類，極性者又分為

酸性、中性、鹼性

三類。

c.

胺基酸本身的性質，以及所組成蛋白質分子的功能與性質，均決定於 R 基團的本質；這

點在講解蛋白質的構造時，將發揮盡致。

◆ 把二十種胺基酸的構造多寫幾次，注意 R 基團的極性、大小與其特殊官能基。

ECX 2005

57

H

H N

3

COO

+

-

R group

α

L-form amino acid

胺

酸

sp

3

圖 1 胺基酸的基本構造

B1 胺基酸

表 1 二十種胺基酸的分類及性質：

分類

名稱

縮寫

R =

說明

(1)

唯一對稱胺基酸甘胺酸 Glycine Gly G -H

(

構造最簡單) P/N

含飽和碳氫基團

丙胺酸

纈胺酸

白胺酸

異白胺酸

Alanine

Valine

Leucine

Isoleucine

Ala

Val

Leu

Ile

A

V

L

I

-CH

3

-C(C)-C

-C-C(C)-C

-C(C)-C-C

N

N*

含芳香基團

苯丙胺酸

酪胺酸

色胺酸

組胺酸

Phenylalanine

Tyrosine

Tryptophan

Histidine

Phe

Tyr

Trp

His

F

Y

W

H

-C-[C

6

H

5

]

-C-[C

6

H

4

]-OH

-C-[indole]

-C-[imidazole]

N*

P

N*

P*

含額外酸基

(及其醯胺)

天冬胺酸

天冬醯胺酸

麩胺酸

麩醯胺酸

Aspartic acid

(Asparagine)

Glutamic acid

(Glutamine)

Asp

Asn

Glu

Gln

D

N

E

Q

-C-COOH

-C-CONH

2

-C-C-COOH

-C-C-CONH

2

P

含額外胺基

離胺酸

精胺酸

Lysine

Arginine

Lys

Arg

K

R

-C-C-C-C-NH

2

-C-C-C-[guanidine]

P*

含有醇基

絲胺酸

穌胺酸

OH-

脯胺酸

Serine

Threonine

Hydroxy Pro

Ser

Thr

S

T

-C-OH

-C(OH)-C

P

P*

P

甲基胺酸

胱胺酸

Methionine

Cysteine

Met

Cys

M

C

-C-C-S-C

-C-SH

N*

P

含有硫

雙胱胺酸

(3)

Cystine

-C-S-S-C-

雙硫鍵 Cys-Cys

(2)

環狀的亞胺酸脯胺酸

(3)

Proline Pro

P

(imino

acid) N

(1)

打有

*

者是必需胺基酸，須由外界攝取； N, non-polar; P, polar 極性。

(2)

兩分子胱胺酸

(Cys)

以

雙硫鍵

連成二元体。

(3)

這兩個胺基酸對蛋白質的立體構造有很大的影響。

58

ECX 2005

◆ 圖 2 是特地設計用來說明各胺基酸的構造關係，不是代謝途徑，請特別注意。圖

中把各種胺基酸依其 R 基團的性質不同分類，並安排在模擬台北市地下鐵的地圖
上，其中 Ala 是台北總站，因為其他的胺基酸都可由此畫出來。中央線即為忠孝
東路線，由飽和碳氫鏈的胺基酸所組成，與忠孝東路的商業機能有類比關係。

B1 胺基酸

胺基酸分類模擬地下鐵道地圖

3 胜肽：

胜肽是較短的蛋白質，許多胜肽有重要的生物功能或活性。

a.

胜鍵

(peptide bond)

是由一個胺基酸的酸基，與次一胺基酸的胺基，行

脫水縮合反應

而

成的 C-N 鍵，具有雙鍵的性質，與相鄰總共六個原子在同一平面上，因此 C-N 鍵不能

自由轉動；胜鍵是構成蛋白質架構的基本單位，非常重要，請注意研究其立體構成。

◆ 練習畫出胜鍵的化學構造，注意胜鍵平面上各原子的相對位置，不要弄錯。

b.

兩個胺基酸以胜鍵連成的二元体，稱之為

雙胜

(dipeptide)

，三個胺基酸則以兩個胜鍵連

成

三胜

(tripeptide)

，許多胺基酸連成

多胜

(polypeptide)

；再大的胜肽即為蛋白質。

c.

某些胺基酸或胜肽具有較特殊的生理活性，如

味素

(Glu)

、腦啡以及部份

荷爾蒙

等。

ECX 2005

59

Ala

Val

Leu

Ser

Thr

Cys

Trp

Tyr

Phe

Lys

His

ACIDIC

BASIC

AROMATIC

ALIPHATIC

HYDROXYL SULFUR

IMINO, CIRCULAR

AMIDE

R = H

R = CH

3

C C
R = C

C
R = C-C-C

R = C-SH

R = C-C-S-C

R = C
OH

R = C-C
OH

R = C-COO

R = C-C-COO

R = C-CONH

R = C-C-CONH

2

R =

N+

N

R =
C-C-C-C-NH

3

R = C-C-C-N-C-N
N+

R =

OH

C-

R = C-

2

N

R =

HN C-COOH

C

α

Polar

Non-polar

Ile

Arg

+

-

Met

Pro

雙
和

線

南港線

中
央
線

西
北
線

中山線

環狀線

Asp

Glu

Gln

Asn

Gly

圖 2 各種胺基酸的分類

B1 胺基酸

4 胺基酸的離子性質：

胺基酸多以離子狀態存在，且經常同時帶有正電及負電基團。

4.1 解離度

(pK

a

)：

質子是化學層次最小的粒子，很容易由一極性基團解離出來，在水溶液中無所不在；
其解離難易可以解離度

(pK

a

)

表示之，水的pK

a

在 6~7 之間。

a.

質子搶奪：

氫原子若與陰電性大的原子

(

如酸基

-COOH

中的氧原子)

共價，則其電子易遭搶奪而

使質子裸露

(-COO

-

H

+

)

，進而解離成H

+

。質子又易受帶有高電子密度的基團

(

如

-NH

2

)

所吸引，使後者成為一帶有正電的基團

(-NH

3

+

)

。

b. Ampholyte

：

胺基酸的酸基易解離出質子

(

成為帶負電基團

-COO

-

)

，而其胺基又會接受一質子

(

成

為

-NH

3

+

)

。如此一分子同時帶有正電與負電者，稱為ampholyte。

c.

質子解離：

解離程度決定於該水溶液的pH與分子上解離基團pK

a

的高低。 pK

a

值的大小，顯示一

個官能基容不容易放出H

+

，越小的越容易放出。圖 3 列出各種胺基酸的解離基團及

其pK

a

，請注意各種基團在不同的pH下解離。當環境的pH 等於某基團的pK

a

時，該基

團恰有一半數目的分子解離 (pH = pK

a

+ log ([A

-

]/[HA])

，請見圖 4 說明。

4.2 等電點 (pI)：

等電點是所有細胞分子帶電性質的重要指標。

a.

胺基酸

α 碳上的胺基及酸基各有一帶電基團，故有二 pK

a

，分別界定胺基及酸基的

解離pH。此二pK

a

平均值即為該胺基酸的pI (等電點)，即 ( pK

a

1 + pK

a

2)

÷2 = pI。

b.

若環境的 pH 等於某胺基酸的 pI，則此胺基酸的

淨電荷

為零；

因為在此 pH 下，剛

好有一正電基團及一負電基團。 Ampholytes 中淨電荷為零者，其正、負電基團數目

60

ECX 2005

圖 3 各種胺基酸基團的解離及其 pKa

  -COOH                       -COO
  -COOH                       -COO
  -Imidazole-H              -Imidazole
  -SH

-S

-OH

-O

-NH -NH
-NH -NH

+ H
+ H
+ H
+ H
+ H
+ H
+ H

+

3

-

2

pKa = 1.8-2.4
pKa = 3.9-4.3
pKa = 6.0
pKa = 8.3
pKa = 10
pKa = 8.8-11
pKa = 10-12.5

pKa 越小質子越容易放出

R

α

His

Cys

Tyr

α

R

α

His

Cys
Tyr

α

R

+

B1 胺基酸

相等，特稱為 Zwitterion。

c.

胺基酸的淨電荷是正是負，受環境的 pH 所控制；環境 pH > pI 帶負電，反之則帶正
電。上一章圖 3 即說明此一影響，同時請注意環境的 pH 離該分子的 pI 越遠，則其
所帶之正或負淨電荷越大。

d.

某些胺基酸的R基團，有額外的帶電基團

(

例如Lys另有一胺基)，則可有三個pK

a

；即

每個可解離出H

+

或可吸收H

+

的官能基，都有一個pK

a

。這三個pK

a

中，有兩個pK

a

的

胺基酸帶一個淨正電或淨負電，則這兩個pK

a

值的平均即為其pI。

◆ 練習畫出帶電胺基酸的pK

a

滴定曲線，並觀察其電荷改變情形。

e.

多肽在某 pH 下的淨電荷，是所組成的胺基酸各基團所帶正、負電荷的總和。例如一
條十胜所含的十個胺基酸

(AELKVGRRDV)

中，若有五個胺基酸為非極性，三個帶

正電基團，兩個帶負電，則此十胜在中性 pH 下的淨電荷為一個正電荷。

弱酸如何做為緩衝分子？

例如乙酸

3

一、兩邊取
二、移項取出
三、定義為

p

-log

log

(pH = -log[H ])

(pKa = 5)

pH = pKa + log

[A ]

[AH]

-

未解離

已解離

pH

[OH ]

-

pH

p

Ka

乙酸

5

平衡式做數學轉換：

[H ]

+

H-H

公式

AH → A + H

+

-

CH COOH → CH COO + H

-

圖 4 以乙酸為例說明緩衝分子如何在其 pKa 發揮作用

乙酸根會吸收或放出一個質子，可以用解離常數 Ka 描述之；對 Ka 進行數學轉換可得
Henderson-Hasselbalch

公式，此式描述當[A

-

]

等於[AH]時，環境的pH恰等於乙酸的pKa (= 5)，有

最大的緩衝效果。

★

Ka

= =

[A ] [H ]

[AH]

-

1

10

是平衡後兩邊的濃度比：

◎ Ka

[OH ]

-

◎ Ka

+

常數 pKa？....當 [A

-

] = [AH], log 1 = 0

pH =

+

ECX 2005

61

★

B1 胺基酸

問題集

(以下題目都沒有標準答案，許多甚至會引起很大的爭議，這樣就達到問題集之目的了)

1.

請畫出一個胜肽鍵 peptide bond 的構造，並以點線標出 peptide 平面。

2.

為何胜肽鍵平面不能自由轉動？

3. Histidine

有三個可以解離的基團，其pK

a

分別是 1.8, 6.0 及 9.2，請問其pI多少？

4.

同上題，Histidine 能否用來作為中性 pH 的緩衝液之用？並請解釋為何。

5.

請依括號內的指示寫出下列各胺基酸有何特點或用途：

Glutamate

(

食品) Serine

(

轉譯後修飾) Tryptophan

(

藥品) Cysteine

(

蛋白質三級構造)

Proline (

蛋白質二級構造)

6.

以下兩段胜肽有何異同之處？並請問二者的滴定曲線會不會一樣？為什麼？

Ser-Glu-Gly-His-Ala Gly-His-Ala-Glu-Ser

7.

請判斷並說明下列各題的真偽：

a.

胺基酸的

α

碳都是不對稱碳。

b.

下列胺基酸的 R 基團為非極性者：Ala, Val, Ile, Leu。

c.

下列胺基酸的 R 基團都帶有正電荷：Asp, Lys。

d.

下列胺基酸的 R 基團帶有硫原子或氧原子：Cys, Ser, Thr, Met。

e.

兩個胺基酸可以氫鍵連成雙胜。

f.

蛋白質分子是活動的，因兩為個胜肽平面之間可自由轉動。

g.

胺基酸分子所帶的電荷不會改變。

h.

胺基酸可作為緩衝液是因為其基團官能基是一種強酸。

i.

胺基酸在其等電點時沒有帶任何電荷在分子上。

j. His

上imidazole pK

a

為 6.0，因此可作為細胞內的緩衝物質。

8.

寫出含有硫原子的胺基酸：

(

英文全名)

1

______________

2

_______________

寫出含有芳香基團的胺基酸：

1

_______________

2

_______________

3

______________

寫出含有醇基的胺基酸：

1

_______________

2

_______________

3

______________

寫出含飽和碳氫鏈的胺基酸：

1

_______________

2

_______________

3

______________

寫出側鏈基團帶有

-COOH

的兩種胺基酸：

1

_______________

2

_______________

9.

細胞的各種分子構造中，那些構造或分子含有氫鍵？例如：α helix, 請再回答三個。

那些構造或分子含有疏水鍵？例如：細胞膜請再回答兩個。

10.

有一段 peptide 序列如下： Glu-Phe-Lys-His-Ile-Arg-Val

在 pH = 1 時其淨電荷為 ____；在 pH = 7 時淨電荷為

_____

； pH = 11 時淨電荷為 _____

62

ECX 2005

11.

請不要看書或講義，畫出上題胜肽的分子構造。 (請先畫出胜肽骨架，再填上 R 基團)

B1 胺基酸

12.

是非選擇題

(

答案寫在□內，是→○、非→×)

1)

在中性 pH 溶液中，那些胺基酸可做為此 pH 的緩衝分子？

□ Val □ His □ Glu □ Trp

2)

在 pH 2 溶液中，那些胺基酸可做為此 pH 的緩衝分子？

□ Val □ His □ Glu □ Trp

3)

下列何者為兩性

(amphoteric)

化合物？

□ 胺基酸 □ 水分子 □ 蛋白質 □ DNA □ 葡萄糖

4)

有關pK

a

的性質描述：

□ 解離常數pK

a

是一平衡常數 □ pK

a

越高質子越容易解離 □ pK

a

= 2

的基團在

中性溶液下將會帶負電荷 □ 分子所帶的電荷固定不變

5)

下述碳原子何者為不對稱碳？

□ CH

4

□ glutamic acid的

α

碳 □ 甘胺酸的COOH □ 甘胺酸的

α

碳

6)

有關胜肽鍵的性質描述：

□ 其前後八個原子成一平面 □ 胜肽鍵有

π

電子共振 □ 胜肽鍵可以自由轉動

□ 胜肽鍵是經加水反應生成的

13.

寫出三個具生理功能的胜肽：

1

_______________

2

_______________

3

______________

14.

當一個分子上的正電荷數目等於負電荷，此種離子狀態稱之為

_____________

；而此時

的 pH 則為此分子之 _______。

15.

若某一弱酸的解離常數pK

a

為 5，若此弱酸被用來作為緩衝液分子，其適用範圍多少？

16.

胺基酸是以代謝路徑一個一個合成出來的，而蛋白質是以 DNA 為信息經由 RNA，把胺

基酸連接起來轉譯而得；則胜肽是如何合成出來的？

ECX 2005

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B1 胺基酸

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ECX 2005

http://ccms.ntu.edu.tw/~juang/JRH/Amino.htm