胺基酸詳細解讀●1胺基酸基本構造●2胺基酸分類

●

3

勝肽●4胺基酸的離子性質(zhì)：4.1

解離度4.2

等電點除了

水之外，生化課第一個碰到的重要生物分子，就是胺基酸。

這一章將說明胺基酸的構造

與性質(zhì)，看它長么樣子，做什么用途。事實上，所有的生化分子，都可分成構造與性質(zhì)兩方

面來說明，若能確實把握此二重點，往后的生物化學課程必可順利學好。胺基酸雖然有二十種，但其基本構造骨架是相似的

(第一節(jié))

；我們將描述這些生物體內(nèi)常見胺

基酸的構造(第二節(jié))

，并且分類,說明其側鏈基團的極性或非極性特質(zhì)。我設計了一張模擬

的地下鐵地圖，用來說明各種胺基酸之間的構造關系，并且方便記憶。

請注意此圖并非代謝

途徑

。然后看兩個胺基酸間如何連接成勝肽

(第三節(jié))，很多這樣的勝肽已經(jīng)具有生理功能。最后(第四節(jié))說明胺基酸最重要的性質(zhì)，就是很容易離子化的特性：

一個胺基酸分子上，可

能同時帶有正電及負電。當這些胺基酸組合成蛋白質(zhì)時，這種離子性質(zhì)也延續(xù)到蛋白質(zhì)上，

造就了蛋白質(zhì)的離子特性，賦予蛋白質(zhì)應有的構形與活性。這是學習生物化學成敗的第一個

關卡，請一定要痛下決心整理清楚，否則以后的觀念都不會正確。另外，要提醒的是『生化讀書小組』要趕快開動，各成員先把講義及教科書念好，并且自行

解答各章的問題，然后聚在一起討論不明白的部份。建議各小組先把預定進度與時間表編列

出來,以便大家早日規(guī)劃遵行。A1-1蛋白質(zhì)的四級構造胺基酸一

級構造二級構造Nelson&Cox(2000)

Lehninger

Principles

of

Biochemistry

(3e)

p.129胺基酸是組成蛋白質(zhì)的單位小分子，其性質(zhì)將影響最后所形成蛋白質(zhì)的構造與特性。胺基酸一個一個以頭尾相接，成為一長串的長鏈，就是一級構造。但是通常在細胞內(nèi)，蛋白

質(zhì)并不是如此像一條繩子般攤開著，

而是自動卷曲成幾種穩(wěn)定的構造，最常見的一種是螺旋

形的

α

helix，另一種則是平板狀的

β

sheet

，稱為二級構造。細胞中也無法看到蛋白質(zhì)只是以

二級構造的形態(tài)存在，而是要再度卷繞成特定的形狀,就是三級構造。許多蛋白質(zhì)在其三級

構造的層次，已經(jīng)具有活性及完整功能，但有一些蛋白質(zhì)要再繼續(xù)聚集，

形成四級構造后，

才能正確行使功能。其實，這種四級構造的分類,都是為了說明方便而提出來的，細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)并不會如此一

級一級地分次卷繞，而且其卷繞可能也有其他幫手參與，有更復雜的機制

，以后會再提到。

本節(jié)的重點要認清形成各級構造的力量為何，以及各級構造的特點。A1-2四級構造三級構造L-FormAminoAcid酸基

COO-胺基+H3

NH

=

Glycine

CH3

=AlanineJuang

RH(2007)

BCbasics當你忘記胺基酸的構造時，胸前畫個十字禱告，奇跡馬上出現(xiàn)。你只要在這十字的中央，先

填上一個碳原子(叫做α碳)，在周圍的四個位置分別填上一個

胺基、酸基

(因為是胺基酸構

造)、氫原子及一個

R基團

，基本的胺基酸構造即完成。R基團可以由最小的H

開始填入，就是最簡單的

glycine

；再來

CH3

就是

alanine

；如此越來越

大，并加入其它種類的原子

(如氧或硫)

，或是額外的胺基、酸基或醇基，就可以組成多采多姿

的二十種胺基酸。請?zhí)貏e注意，胺基酸的『胺』不能寫成『氨』，因為氨字代表氣體(NH3)

，而胺基酸的胺則為

-NH2

的

amino

group

，兩者意義完全不同。另外，金屬旁的『銨』代表

NH4+

銨離子，與上述

兩個字也不一樣，例如硫酸銨就必須用這個字(NH4+)2

SO4=

。由此看來,把有機化學念好，對

學習生物化學是很重要的。A1-3R

groupαsp3H胺基酸有鏡像異構物α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請注意

α

碳是不對稱的，因為它周圍的四個原子或基團都不相同；只有當R基團為氫原子

時，是對稱的

α碳

(因為接有兩個一樣的氫原子)

；也就是說只有

glycine

是對稱的胺基酸。因

此，除了

glycine

外，其它胺基酸都有立體異構物，兩立體異構物間的化學式完全一樣，但互

相成為鏡像，以

L-

及D-form

來表示之。地球上的生物都采用

L-form

胺基酸。幾年前分析一顆

外太空來的隕石，發(fā)現(xiàn)其中的

L-form

胺基酸的比例稍大于D-form

者，令人推想地球上的生物

使用L-form

胺基酸可能有其演化上的原因。A1-4α像鏡-C-

N

-C-C-C-N-C-NN+Basic-C-C-CONH2-C-C-C-C-NH3+AcidicAliphatic中央線C

-C-C-C

C

C

CHN

C-COOHαImino

acid,Circular把

二十種胺基酸構造編在虛擬的臺北市地下鐵系統(tǒng)中，依其側基的特性分布在各條線路上，

主要目的是要表達各種胺基酸的構造與特性，因為這在蛋白質(zhì)中的角色很重要。請?zhí)貏e注

意，這只是虛擬的構造相關圖，

并非代謝路徑

。一定要把胺基酸的中英文名稱、兩種縮寫法

(三字母及一個字母的縮寫)

、分子構造等，努力背

起來,絕對有益你未來的學習與發(fā)展

。依照上面各路線的分類來背，比較合乎邏輯，并且容

易記憶。A1-5Gly

GAla

AVal

VIle

ILeu

L胺基酸地下鐵道圖C-C-C-C環(huán)狀線Hydroxy

SulfurPolarNon-polarPhe

FCysCMetMGlnQArgRLysKHisHSerSAsnTrpWTyrYGlu

EThrTAspCC-C-C-SHJuang

RH(2007)

BCbasics-C-COOH

-C-C-COOH-C-CC

N

N+Aromatic雙和線西北線中山線Amide-C-CONH2-C-C

OHPDN港線-C--OH-C-C-S-CPro-C--CH3-C-OH南-H=胺基酸的極性分類『極性或非極性，是蛋白質(zhì)性質(zhì)之所系?！籎uang

RH(2007)

Biochemistry不管

二十種胺基酸的構造、名稱是否背得起來,熟知各種胺基酸側鏈基團的性質(zhì)，也是同等

重要的事。若大略分成兩類,則可分成極性及非極性，可說是最重要的基本分類;因為胺基

酸基團的極性或非極性，最后會影響所形成蛋白質(zhì)的整體構造與性質(zhì)。很明顯地，非極性胺基酸在大小上有相當大的差別，而且是各種大小都有，好像是一套很完

整的積木，將來可有效地填塞在蛋白質(zhì)的核心部份，構成堅實的蛋白質(zhì)構造。另一方面，極

性胺基酸又分成酸性、中性、堿性三大類,每大類又包含二到數(shù)種，也有大小上的差異,但

堿性胺基酸的基團都比較長。上表的分類只是參考，

一些比較難以分類的胺基酸

(如

Tyr,

Gly,

His)

，其性質(zhì)就比較模糊，但

也各有其存在目的，而且經(jīng)常有相當重要的角色?！?/p>

有一件事實相當有趣，就是基因密碼由三個鹼基組成

(例如

AUG

轉(zhuǎn)譯為

Met)，又因為有四種鹼基

(AUCG)

，

因此密碼總共有

64

個

(4

x

4

x

4)，而胺基酸只有

20

種，因此有許多胺基酸有一個以上的密碼來對應之。為何胺

基酸不產(chǎn)生60種，可以更為多樣而好用？

或者干脆只有

16種(4x4)？A1-6POLARAcidicNeutralBasicAspGluAsn

SerCys

HGln

ThrArg

isLysNON-POLARPheProIle

LeuAlaValGlyTrpTyrMet各式胺基酸的大小樣式齊全Gly

Ala

ValLeu

IleS-S-CH3PheTyrTrpCysMetStryer(1995)

Biochemistry(4e)

p.20非極性

的胺基酸的大小非常齊全，由最小的

Gly

到最大的

Trp

，大多是由飽和碳氫化合物所

組成。當然Tyr

或Gly

的極性也不小，但為了方便比較，也列入其中。對水溶性蛋白質(zhì)而言，整個球狀的蛋白質(zhì)分子中，大部分非極性胺基酸都擠在分子的核心部

份，形成了堅實的『非極性核心』，使得蛋白質(zhì)在水溶液中，得以保持其完整三級構造，因

而保持其活性。因此這些非極性胺基酸，就采用各種大小不同的側基，充分填滿蛋白質(zhì)核心

部份。另外，有兩個帶有硫原子的胺基酸，在功能上卻相差很遠。Cys

因為有

–SH

硫醇基，可與另

一個

Cys

形成雙硫鍵

(-S-S-)

，對穩(wěn)固蛋白質(zhì)的構造，有極大的貢獻

(下一頁圖)。

Met

的硫并

非硫醇，而是被甲基化，因此無法如Cys

般形成雙硫鍵，但它是一個非常奇特的胺基酸，任

何蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)譯，其第一個胺基酸一定是Met

。A1-7S-SH兩種胺基酸對蛋白質(zhì)構造影響很大Cys

Cys劇烈轉(zhuǎn)折Stryer(1995)

Biochemistry(4e)

p.25,

32硫醇基

被氧化可以去掉氫，雙雙結合形成雙硫鍵

(-S-S-)

，把兩條蛋白質(zhì)鏈連結在一起，對蛋

白質(zhì)的構形有很大的貢獻。這種反應是可逆的，也就是說雙硫鍵可以被還原，回去變成硫

醇，因此斷掉兩條蛋白質(zhì)間的連結。兩個獨立的

Cys

(cysteine)

之間，也可以雙雙氧化硫醇基后形成二元體，特稱為

cystine

，縮寫

成為(Cys)2

。注意英文寫法的不同。Pro

是構造最突出的胺基酸，它的側基含有三個碳，由α碳出發(fā)后，回去與旁邊的氮原子接

合，形成一個五員環(huán)。這樣的構造，

非常別扭，使蛋白質(zhì)的長鏈必須轉(zhuǎn)折成固定角度;因此

它在蛋白質(zhì)的構形上，有非常重要的影響力,遇有Pro

必出現(xiàn)劇烈轉(zhuǎn)折。A1-8雙硫鍵CysCysPro形形色色的胺基酸側基+S+-+有大有小有正有負有極性非極性S二十種

胺基酸基團在蛋白質(zhì)分子構形中的模擬位置，可以看出各種基團大小不同，在蛋白質(zhì)

構造中所造成的不同填充效果。較大的基團(如Trp)

可占據(jù)較大的空間，較小如Gly

者幾乎看

不到；非極性的胺基酸基團，都可以作為類似積木般的填充單位。另外，各種帶有電荷的胺基酸基團，也會對蛋白質(zhì)的構形或性質(zhì)做出貢獻；比較Asp

與Glu

的側鏈長短不同，因此其基團所帶的負電荷，在空間中伸出的長度也不同

。帶有正電的堿性

基團

(如

Lys,

Arg)

都有相當長的側鏈基團，因此有相當大的自由活動空間。至于最別扭的

Pro則在蛋白質(zhì)表面轉(zhuǎn)折成一個急轉(zhuǎn)角，蛋白質(zhì)長鏈通常會在此逆轉(zhuǎn)方向，形成一個turn

。雖然這二十種胺基酸很稱職地組合成蛋白質(zhì)的立體構造，但是其反應性基團的活性都不是非

常高，無法提供極強力的官能基，以供催化反應時的活性基團。因此，許多蛋白質(zhì)合成出來

之后，經(jīng)常還要進行各種修飾

(例如磷酸化)

，或添加其它輔助因子

(例如金屬或輔脢)

，以便達

成更復雜的任務。A1-9Bio-Lab

廣告

Cell83

(4),

1995勝肽鍵的形成兩個胺基酸分子頭尾連接起來COOHCarbodiimide

↓

脫水

Juang

RH(2007)

BCbasics胺基酸

像樂高玩具或積木一樣，可以一個一個頭尾接起來,組成一個巨分子蛋白質(zhì)。連接的

方法非常簡單，前一個胺基酸

(1)

的酸基與后一個胺基酸

(2)

的胺基，經(jīng)脫水反應即可。所生

成的雙勝(1-2)都還有一個胺基及酸基，可以繼續(xù)連接下去。如此兩個胺基酸間所產(chǎn)生的新

鍵，稱為勝肽鍵(peptide

bond)，如上圖中的

C-N。許多勝肽鍵組成了蛋白質(zhì)的骨架，蛋白質(zhì)

是生物的重要分子，因此勝肽鍵也可以說是組合了生命的基本骨架。在試管中也可以把兩個

胺基酸連結在一起，使用脫水劑carbodiimide

，進行如上的操作。A1-10COOHNH22NH21勝肽鍵的特性●勝肽鍵

雖是單鍵卻有雙鍵性質(zhì)●勝肽鍵

周邊六個原子在同一平面上●前后兩個胺基酸的α-carbon

在對角(trans)Nsp2

+pαCsp2

sp2sp2

+

lp

CαJuang

RH(2007)

BCbasics勝

肽鍵看似單鍵，但

C-N

鍵旁的

C=O

雙鍵會與它產(chǎn)生共振，因此具有雙鍵的性質(zhì)；且中心

的

C

與N

原子都是使用sp2

軌道，因此其前后六個原子都躺在同一平面上，稱為勝肽平面

(如

上圖虛線所圍起)

。注意每一個胺基酸的中心是α碳，而兩個α碳之間是以勝肽平面連在一

起，因此蛋白質(zhì)可以說是由許多勝肽平面以α碳為接點連成的。A1-11OCCNHCp

軌道電子共振使勝肽鍵具雙鍵特性O

Juang

RH(2007)

BCbasics為何勝肽鍵(-C-N-)具有雙鍵性質(zhì)？氮原子上面有一對

lone

pair

電子，是以

p

軌道繞行在平面的上下兩邊；而

–C=O

的雙鍵，是

碳與氧原子的兩對p

軌道所形成。因此總共在

O=C-N

上共有三個p

軌道，有時碳與氮的p

軌

道會混在一起，形成短暫的雙鍵；也可以把這三個p軌道的電子，一起混成為一個類似共振

的綜合軌道，使得勝肽鍵具有雙鍵的資格。如此混成所形成的雙鍵，造成勝肽鍵

(C-N)

無法自由轉(zhuǎn)動，也就是說勝肽平面所包含的六個原

子，必須平躺在同一平面上?！鑫页３Ｏ胂笾c無生物之間的臨界點在那里?當然，細胞可以說是具有生命的形式，而細胞是由很多成

份所組合成的，其中極為重要而具有生物活性的就是蛋白質(zhì)。若我們假設蛋白質(zhì)算是有一點生命活性，而組成蛋

白質(zhì)的是胺基酸，沒有人會認為胺基酸是具有生命的物質(zhì)。因此，看來生命與無生物的界限，好像可以畫在蛋白

質(zhì)與胺基酸之間。當胺基酸一個一個連接起來,組成蛋白質(zhì)時，每個胺基酸之間的勝肽鍵，顯然扮演非常重要的

角色。因為有了如此的勝肽鍵，所形成蛋白質(zhì)才能循序摺疊成正確構形，發(fā)揮蛋白質(zhì)的生物活性與催化特質(zhì)，成

就了細胞的種種生理現(xiàn)象。A1-12CCN,

H以勝肽鍵平面連接成多肽長鏈↓↓兩勝肽鍵平面的交接點為α-碳注意

α-碳上面接有各種大小不等的基團Mathews

et

al(2000)

Biochemistry

(3e)

p.136一個個勝肽平面連接起來,

組成了蛋白質(zhì)長鏈，而各平面之間的接點就是

α碳原子。請?zhí)貏e

注意，

α

碳上面就是接著每種胺基酸的獨特側基，有大有小、有正有負、有極性有非極性，每

種勝肽或蛋白質(zhì)的獨特性格，于此開始形成。A1-13如何檢視一段勝肽兩端胺基酸α-碳為中心單位小分子勝鍵的定位↓↓N-C-C-N-C-C-N-C-Cα

α

αN-C-C-N-C-C-N-C-CN-C-C-N-C-C-N-C-CN-C-C-N-C-C-N-C-CJuang

RH(2007)

BCbasicsPeptide

由勝肽鍵所組成，其骨架上有-N-C-C-N-C-C-的重復架構，所有的蛋白質(zhì)也是都如

此，不會改變。

對于這樣的固定架構，有幾點應該注意，且應仔細辨別︰(1)兩端的原子分別為何？各屬于何種官能基團？(2)骨架上的α碳在哪里?為何要找出

α碳？(3)能否指出每一個單位的胺基酸？(4)能否指出每一個勝肽鍵在哪里?A1-14具有生理功能的勝肽或胺基酸●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)胺基酸Juang

RH(2007)

BCbasics有

許多勝肽已經(jīng)具有生理功能，而且作用強大

。以上各例請仔細琢磨。這些勝肽的合成方式

都不盡相同，有些是經(jīng)過蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)譯后切下來的片段，有些是要用酵素把一個一個胺基酸接

上去的。它們的基本作用機制很相似

，都是以該勝肽所組成的特殊立體構形，與目標細胞膜

上的受體(receptor)結合，進而對細胞產(chǎn)生作用。味覺對糖類的甜味接受器，與對味素的甘味接受器不同。含有數(shù)個至數(shù)十個胺基酸者，稱為勝肽

(peptide)

或多勝、多肽

(polypeptide)

；百個以上者可稱

蛋白質(zhì)，至于其間的模糊地帶，稱蛋白質(zhì)或多肽均可。另一方面，很多胺基酸也有生理作

用，例如味素成分的麩胺酸也是神經(jīng)傳導物質(zhì)的一種，而色胺酸有安眠的作用，牛奶中含有

很多色胺酸。A1-15色胺酸

(安眠效果)Tryptophan麩酸鈉

(味素)

Sodium

GlutamateAspartame

L-Aspartyl-L-phenylalanine

methyl

ester人工甘味劑阿斯巴甜其實是由兩個胺基酸所組成的，但尾端再修飾成甲酯。雖說是人工甘

味，但原先的Asp-Phe

是天然產(chǎn)物，很早就被分離出來,但沒有人嘗出其甜味，直到有一天某

科學家一邊拿著阿斯巴甜，

一邊用手指沾口水翻書

…

…(事實上有點危險)

。Asp-Phe

的甜度比蔗糖高兩百倍，阿斯巴甜則更高。其甜味顯然與分子構造有關，可模擬蔗糖

與甜味接受器結合而刺激之。有趣的是，若把

Asp-Phe

中的

L-Phe

改成

D-Phe

，則不但沒有甜

味，反而呈現(xiàn)苦味。味素會給人『甘味umami

』的味覺，與蔗糖或阿斯巴甜的『甜味』不同，甘味覺與甜味覺分

別有不同的受器，所能接受的分子形狀差很多，

一個是糖類,另一是胺基酸。A1-16阿斯巴甜Campbell(

1999)

Biochemistry(3e)

p.95腦啡與其受體結合后可以產(chǎn)生鎮(zhèn)痛與麻醉效果嗎啡可以模擬腦啡的作用因此有類似鎮(zhèn)痛、麻醉的效用牛頓雜志

(1991)第

164期,

p.48-49人體

有一種代償機制，就是受到極大痛苦或折磨之后，腦中會產(chǎn)生一些短鏈勝肽，與其專一

性受體結合，然后引發(fā)一連串信息傳導，產(chǎn)生鎮(zhèn)痛及欣快感等作用；這些短鏈勝肽統(tǒng)稱為腦

啡。因此，電影中那些烈士們在受盡酷刑折磨后，也不會出賣同伴們，很可能已經(jīng)產(chǎn)生腦啡。

(演壞人的要注意了,

用刑時在適當時候要休息，以免對方誘生腦啡出來)自然界的罌粟果實會分泌乳劑，提煉后稱鴉片，含有一種二次代謝物

morphine(嗎啡)

；嗎啡

的構造可模擬腦啡，也一樣會產(chǎn)生麻醉與止痛的感覺。[Science(2004)304:1983-1986.

Deficit

in

attachment

behavior

in

mice

lacking

the

μ-opioid

receptor

gene]A1-17嗎啡與腦啡有相似分子構形而與腦啡受體結合PheGlyGlyTyrMorphine

EnkephalinDressler&

Potter(1991)

Discovering

Enzymes,

p.247Enkephalin是腦啡的一種，由五個胺基酸連接而成，所形成的分子構形，可以與腦啡接受器

結合，引發(fā)身體對痛覺的遲鈍化。嗎啡的部份構造與腦啡很像，因此也會與腦啡接受器作

用。開發(fā)新藥采取類似策略,可用計算機模擬的方法，對某些目標分子，設計出可以互相結合或作

用的藥物，稱為computer-aided

drug

design

。A1-18Met胺基酸●1胺基酸基本構造●2胺基酸分類

●3

勝肽●4胺基酸的離子性質(zhì)：4.1

解離度4.2

等電點水分子

的強大功用，是因于它強大的極性，因此具有極強的介電常數(shù),這是因為氧與氫原子

之間的陰電性相差太大所致。水分子也因此可以解離出質(zhì)子，而質(zhì)子濃度是構成溶液酸堿度

的基石。在

4.1

小節(jié)將探討分子的解離特性，并復習緩沖液的作用機制，與酸堿度的計算實例。胺基酸

含有若干官能基團

，都很容易解離,因此是很好的觀察實例。這些解離掉的質(zhì)子，也很容易

回到帶有負電或電子的官能基上，這完全決定于環(huán)境質(zhì)子的濃度,也就是酸堿度

pH

。質(zhì)子的

獲取或者失落,會造成官能基分子上電荷的改變；因此一個分子上所附的電荷量多寡，甚或

正負，都會隨著環(huán)境pH

的改變而改變。在同一個分子上，當環(huán)境的

pH

使得該分子所具有的正負電荷基團數(shù)目相等時，這個

pH

即稱

為該分子的等電點pI

。等電點是一個分子或蛋白質(zhì)的重要指標，可以利用等電點來控制該分

子的帶電性質(zhì)(只要改變環(huán)境的pH

即可)

。A2-1陰電性對分子化學性質(zhì)的重大影響重新看水分子構造C-C-

+COOHlp

-δ

lpC

NH2CH3+δ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。Juang

RH(2007)

BCbasics前面

所提的幾個常見重要原子中，氧原子可與兩個氫原子結合成氧化二氫，就是水分子；水

分子的一些特性也已經(jīng)描述過，但還有一個非常重要的性質(zhì)，是有關質(zhì)子的解離與酸堿度的

影響。A2-2地球早期的大氣成分陰電性O

3.5

N

3.0

C

2.5

H

2.1●

水分子的極性●

水的介電常數(shù)●

水分子間的氫鍵●

水與pH

的關系有機化合物CH4

NH3

H2OO官能基永久的偶極性H2R!C氫與氧的懸殊陰電性造成氫的解離3.5電子都被氧原子搶去O2.12.1Juang

RH(2007)

BCbasics水分子

含有氧與氫兩種原子，二者的陰電性相差頗大，因此氫的電子全被氧原子所吸引，氫

的質(zhì)子幾乎是赤裸裸地露在外面，有時就干脆離開水分子，分裂成質(zhì)子與氫氧離子。但是解

離的水分子還是不多，

一杯純水中的水濃度約

55.5

M

(水一升有一公斤重，因此每公升濃度為

1,000g

÷

18=55.5M)，只有相當少數(shù)的

10-7

M解離，因此含

10-7

M質(zhì)子；為了方便，只取7

來表示質(zhì)子的濃度，記為

pH

=

7

。因此，我們平常所說的

pH

，就表示質(zhì)子的濃度；這個數(shù)字

越大，事實上質(zhì)子濃度越小，因為我們省去了負號；反之，

pH

越低表示質(zhì)子越濃。當溶液中

的質(zhì)子濃度越高，例如pH

2

表示有

10-2

M

質(zhì)子，質(zhì)子會令我們的味蕾感到酸酸的，因此稱為

酸性；反之則感到澀澀的，就是堿性。因為溶度積恒定的關系，[H+]與

[OH-]

的乘積一定為常數(shù)

10-14

，因此代表酸的質(zhì)子濃度，與代

表鹼的氫氧根濃度，互相為共軛消長，也就是說若[H+]濃度升高，則[OH-]就會下降到一定值。

(為什麼？)水溶液中的質(zhì)子濃度是很重要的指標

，因為質(zhì)子會影響其他分子的帶電性質(zhì)，使得分子所帶

的凈電荷改變，進而影響分子活性。A2-3

H+

+

OH-[10-7

M]

[10-7

M]HOH[55M]HH氫離子hydride→氫原子hydrogen

→

質(zhì)子

protonhydride.+1s+--質(zhì)子+

H1.008氫離子

氫原子Juang

RH(2007)

BCbasics1氫原子

是唯一不含有中子的原子，因為原子核中只有一個質(zhì)子，所以不須要中子介入。氫原

子有一個電子，當它獲得一個額外電子，即成為氫離子

(稱

hydride,

:H-)；若

hydride

丟掉一個

電子，就變回氫原子；當氫原子再失去一個電子，就剩下質(zhì)子(H+)

。附在分子基團上的氫原子

(如

-COOH

上面的H)

因其陰電性太弱，因此電子常被附近的大原子

搶走，剩下的質(zhì)子脫出，電子則留在原來的分子，成為帶負電基團(-COO-)。游離出來的質(zhì)

子，很容易吸附到電子較多的基團上

(例如

–NH2

上有一對多余的電子)，而給后者帶來一個正

電

(成為

–NH3+)

。這些可放出或吸收質(zhì)子的基團，就是緩沖液的基本材料。當環(huán)境質(zhì)子太多，

就容易吸收質(zhì)子；當環(huán)境質(zhì)子太少，就釋放質(zhì)子出來。在水環(huán)境中，質(zhì)子數(shù)量的多寡就是酸堿度的指標，會影響分子上各種基團的帶電性質(zhì)。而巨

分子上這些電荷性質(zhì)的變化，就是生物化學里許多反應機制的根本肇因。雖然環(huán)境中到處充斥著質(zhì)子，但以能量而言，質(zhì)子并無貢獻；因為質(zhì)子已經(jīng)失去了電子，而

電子是生物界的能量根源。但具有一個額外電子的

hydride就是具有能量位階的粒子，是自然

界中能量的貯藏處。汽油是由飽和碳氫化合物所組成(如辛烷)，其碳原子接滿氫原子，這些氫原子都擁有足額電

子，有相當?shù)幕瘜W能蘊藏。故當汽車燃燒汽油，氧化反應奪取這些電子，

把碳原子變成二氧

化碳，氫變成水分子(氧化二氫H2O)

，同時放出能量。A2-4-黃河中

國長江The

University

Atlas(1978)

p.86中國

大陸有兩條大河，北方的黃河與南方的長江。黃河的池濫是有名的，由來已久；長江則

是較為溫和，因此饅飽了沿河流域的廣大民眾。為何兩條大河有如此的差異？因為黃河泥沙

淤積極為嚴重，而長江除了淤積較輕之外，沿河還有幾個大湖，隨時調(diào)節(jié)長江的水量，可說

是一種緩衡作用。黃河唯一比較安定的地方是河套，河套在靠近內(nèi)蒙附近有劇烈分枝，也是

類似調(diào)節(jié)水量的功能。若把水位的高低，看作如水溶液中的氫質(zhì)子濃度，則黃河無法調(diào)節(jié)水位的現(xiàn)象，好像是沒有

使用緩衡分子的溶液，很容易池濫或者鬧水荒。緩衡分子有如長江的幾個大湖，在缺水的時

候釋出存水，在高水位時吸收多余的水量，以免池濫。因此，若有某種分子可以吸收或者釋

放氫質(zhì)子者，就可用來作為緩衡分子。A2-5東亞地形圖弱酸或弱堿才可作為緩沖分子AHKaA-

+

H+-CH3COOH

CH3COOH-H

公式強

酸

HCl

Cl-

+

H+Juang

RH(2007)

BCbasics那些可放出或吸收質(zhì)子的基團，就是緩沖液的基本材料︰當環(huán)境質(zhì)子太多，就趕快吸收質(zhì)

子；當環(huán)境質(zhì)子太少，就釋放質(zhì)子出來。通常都是弱酸或弱堿才可作為緩沖分子，因為強酸

(如HCl)只會釋出大量質(zhì)子，不會回收；而強堿只會拼命吸附質(zhì)子，無法釋出。Henderson-Hasselbalch(H-H)公式可描述弱酸或弱堿的緩沖行為。因為弱酸會釋出質(zhì)子，也會

吸附質(zhì)子，因此其釋出與吸附間會形成一個平衡狀態(tài)，在平衡狀態(tài)下，可測得其平衡常數(shù)

(Ka)

；我們由弱酸的解離公式開始，由其平衡常數(shù)

(Ka)依下頁的導法，可求得H-H公式。A2-6pH

=

pKa

+

log

[AH]

[A-]

如何推導公式

Henderson-Hasselbalch

公式(1)

Ka

的定義(2)

兩邊取

log分解右邊

log(3)

移項(4)

定義

-log

為

p描述緩沖液分子的解離常數(shù)與其緩沖作用的機制Juang

RH(2007)

BCbasics由

平衡常數(shù)開始，一步一步推出H-H公式；此式描述弱酸或弱堿的解離常數(shù)

(pKa)

，與環(huán)境

酸堿度的關系；當兩者相等時(pKa

=pH)

，此弱酸或弱堿有最大的緩沖效果。A2-7

弱酸如何作為緩沖分子例如乙酸CH3COOH

=

CH3COO-

+

H+◎Ka

是平衡后兩邊的濃度比

的

pKapH

=

常數(shù)pKa？…

..

當[A-]

=

[AH],

log

1

=0Juang

RH(2007)

BCbasics★H-H

公式的

pH

即環(huán)境所測得的酸堿度,

pKa

為該緩沖分子的解離常數(shù)再取負指數(shù);例如醋

酸的

Ka

=

10-5

(意指每十萬個醋酸分子中，才有一個分子會解離,是弱酸的特性)，則此

pKa

=

5。若環(huán)境的pH

剛好

5，則依

H-H公式︰5=

5+

log

([A-]/[AH])

，右項

log

([A-]/[AH])

必須為

零,而log

1=0，即

[A-]/[AH]=

1，即

[A-]=

[AH]

。這表示在pH=5

時，醋酸分子的組成中，

有一半是在未解離的狀態(tài)[AH]

，而另一半是已解離狀態(tài)[A-]

。在此情形下醋酸有最大的緩沖

能力,因為不管外來的

pH

如何變化，都有足夠的

[A-]

或

[AH]

去吸附或釋出質(zhì)子。以滴定法

做實驗，也證實醋酸在pH=5時，外加的酸或鹼都不易改變其整體酸堿度。A2-8◎Ka

平衡式做數(shù)學轉(zhuǎn)換一、兩邊取

log二、移項取出

[H+]三、定義

p為

-log

(pH

=-log[H+])已解離未解離

AH

A-

+

H+H-H

公式弱酸在其pKa

上下有緩沖作用可作為緩沖的pH

范圍(恰等于其pKa)

[OH-]

[OH-]H-H

公式

6

=

5

+

1Juang

RH(2007)

BCbasics因此，一種緩沖液的緩沖范圍，與其解離常數(shù)有極大關系；

pKa

等于

5

的弱酸，其緩沖范圍就

在

4~6

之間。為何如此奇妙？

當然利用

H-H

公式可以上面的解釋說明之，但總合起來說,還

是基于解離常數(shù)的數(shù)學游戲，以此來描述自然現(xiàn)象，沒有特別神奇的地方。pKa

因此成為弱酸(或弱堿)性質(zhì)的一個指標，當環(huán)境的pH

高于其pKa

，則此弱酸開始放出

H+

，反之則會保守住其H+

，會改變其帶電性質(zhì)。A2-9pKa

5乙酸pHpH水★質(zhì)子可以吸著或脫離基團Proton

：最小且最多的生物粒子，影響酸堿度及分子帶電性質(zhì)lon低

pKa

高酸基

Ampholyte:

一個分子上同時帶有正電及負電基團Juang

RH(2007)

BCbasics質(zhì)子

proton

是宇宙中的奇妙粒子，這是一顆光溜溜的粒子；當氫原子丟掉一個電子后，即可

得到質(zhì)子，因此寫作

H+。

質(zhì)子可以隨時附著到一個帶有電子密度的基團

(如胺基)

，使該基團

多帶

了一個正電。質(zhì)子也很容易由某一個基團脫出(如酸基)

，而使該基團成為帶負電。胺基酸同時帶有上面兩種基團，因此可同時帶有正電及負電，稱為雙性離子ampholyte。若胺

基酸同時帶有一個正電及一個負電，則其凈電荷為零,特稱之為zwitterion

。請注意上述基團的解離,受環(huán)境

pH

影響甚巨；當環(huán)境的

pH

大于此基團的

pKa

時，此基團將

帶負電；反之則帶正電。因此，

一個基團的pKa

越小(我們說越酸性的物質(zhì))，就越容易帶負

電，因為其質(zhì)子很容易跑掉，剩下的分子就呈負電荷。再舉一例,

glycine

上有胺基及羧基各一，其

pKa

分別為

9.6

及

2.3

，則在中性

pH

下，其胺基

將帶正電如上圖(因為環(huán)境pH<胺基的pKa)

；反之酸基則帶負電如上圖。在中性溶液中，

glycine

因此同時帶有正電及負電各一，是一個zwitterion

。A2-10胺基

低酸性環(huán)境中性環(huán)境

堿性環(huán)境乙M『tte『『6n

5.5+1U等電點-1Juang

RH(2007)

BCbasics胺基酸

非常特別，同一個分子上同時帶有一個弱酸及弱堿；因此可以用胺基酸來作為酸性或

堿性的緩沖液。例如，某胺基酸的酸基

pK1

=

2

，胺基的

pK2

=

9，則此胺基酸在

pH

為

2

或

9

附近，都有緩沖作用。胺基酸質(zhì)子解離過程中，在某個

pH

條件下，同時帶有一個正電及負電

(上圖中央)

，其凈電荷

恰好為零,這種形式稱為zwitterion，這個

pH

則稱為此胺基酸的等電點

(pI)

；處于等電點的胺

基酸并非不帶電，而是正、負電荷的數(shù)目剛好相等。等電點的算法很簡單，只要把等電點上下的兩個pK值平均即得；如上例中(2+9)

÷2=5.5。A2-11pK2

~

9pK1

~2胺基酸的緩沖作用范圍環(huán)境

pH129630外加

[OH]→pK2pIpK1Juang

RH(2007)

BCbasics由

上面胺基酸的滴定曲線看來,當環(huán)境的[OH-]

逐漸增加時，在其兩個

pK

處的

pH

變化最

小，具有緩沖作用；而在其pI

處，幾乎完全沒有緩沖作用。為何處于等電點的分子，完全不

具緩沖作用？而其分子上有一個H+

，看來可以作為供應質(zhì)子者；也有一個–COO-

可以作為接

受質(zhì)子者，非常完美。原因是這個

H+

無法放出，因為攜帶

H+

的基團是

–NH3+，要到

pH

=

9

才會放出

(因為其

pK

=

9)

；相似的理由，這個

–COO-

也無法接受質(zhì)子，成為

–COOH，要到

3

以下才行。因此，你可

以得到一個概念,分子上的這些基團能否收放質(zhì)子，都決定于其自身的

pK?；仡^想一想，pK

到底是什么東西？pK

就是描述一個基團釋出或吸收質(zhì)子的能力或程度,

pK

越大的基團，就

越不容易釋出；反之，

pK越小的基團，容易放出質(zhì)子，也就是所謂的酸性物質(zhì)。A2-12★等電點=IpK1

+

pK2

2NH2

H+

H-C-R

●COO-★環(huán)境酸堿度影響蛋白質(zhì)的凈電荷Buffer

pH10987Isoelectric

point,6543+

0

-

-NetCharge

ofa

ProteinJuang

RH(2007)

BCbasics通常

一個蛋白質(zhì)分子上都帶有電荷，有正電荷、也有副電荷，這些正、負電荷的凈值，即為

此蛋白質(zhì)所帶的

凈電荷；蛋白質(zhì)的凈電荷可能為正、也可能為負，在某pH

下蛋白質(zhì)的凈電荷

可能為零,則此pH

稱為此蛋白質(zhì)的『等電點

』(isoelectric

point,

pI)，一個蛋白質(zhì)的

pI

通常不

會變，除非其胺基酸的組成改變。當環(huán)境的pH

大于某蛋白質(zhì)的的pI

(如上圖某蛋白質(zhì)的pI

=

6，環(huán)境

pH

=

9)，則此蛋白質(zhì)的凈

電荷為負；反之則為正值。另外，環(huán)境的pH

離其pI

越遠，則其所帶的凈電荷數(shù)目將會越

大；越接近

pI

時，所帶凈電荷變小，最后在其

pI

處凈電荷為零。因此，蛋白質(zhì)溶液的

pH

要

很小心選擇，以便使該蛋白質(zhì)帶有我們所需要的凈電荷，或者不帶有凈電荷。細胞中的蛋白質(zhì)，其pI

大多在4~6之間，因此處于中性的環(huán)境時，大都帶有負電荷。A2-13pI各種胺基酸基團的離子化與其pKa胺基酸中有很多可以釋出質(zhì)子或接受質(zhì)子的基團-COO--COO--Imidazole+-S-

+-O-

+

α

-NH3+

R

-NH3+pKa

越小質(zhì)子越容易放出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)在蛋白質(zhì)中的胺基酸基團pKa

會受到環(huán)境影響而改變(蛋白質(zhì)微環(huán)境)Juang

RH(2007)

BCbasics胺基酸

上面的基團，若屬于弱酸或弱堿，能夠可逆性地吸收或放出質(zhì)子，就可以作為緩沖液

之用。每個弱酸或弱堿，都有一個解離常數(shù),通常以pKa

來表示；前面已經(jīng)說過，

一個可作為

緩沖的基團，其緩沖范圍就在它的pKa

附近。而pKa

越小者，越容易放出質(zhì)子，比較適用在酸

性pH

的緩沖液；

pKa

大者則適用在堿性的

pH

。所有胺基酸的胺基及酸基，其

pKa

都不接近中性，而

R

側