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第二章 細胞

蛋白質

一、 定義

?        含有C, H, O, N,有一些帶有SP

?        分子質量大

 

二、 基本單元 氨基酸

?        主要有20種氨基酸,擁有以下的基本架構

?        所有氨基酸都有一個氨基和一個羧基,不同在於R。最簡單的氨基酸是甘氨酸glycineR = H;在丙氨酸(alanineR = CH3;在半胱氨酸(cysteineR = HS-C-H2

?        除甘氨酸外,其他氨基酸都有不對稱碳原子,顯示旋光異構現象。天然的氨基酸都是L-(-)的(與碳水化合物相反)。

 

氨基酸的酸鹼特性

?        在溶液中,羧基是酸性的(捐出氫離子),而氨基是鹼性的(接收氫離子)。所以氨基酸是兩性的amphoteric),即能夠與酸或鹼產生反應。

?        在中性的溶液中,羧基中的氫原子會與氨基結合,所以氨基帶正電荷,羧基帶負電荷。因此這時氨基酸是一個偶極的(dipolar)離子,稱為兩性離子zwitterion)。

?        基於以上特性,氨基酸可作為一個緩衝溶液buffer solution),以抗拒溶液pH值的改變。

?        在鹼性條件下,羧基(-COOH)可作為酸基團,捐出氫離子形成-COO-

?        在酸性介質中,氨基(-NH2)可作為鹼基團,接收氫離子形成-NH3+

?        因此,氨基酸溶液作為一緩衝溶液,能抵抗環境中的pH改變。這特性對生物的功能有何重要性?(提示:酶的活性)

 

三、 蛋白質的形成

?        如單糖結合形成多糖一樣,氨基酸結合形成蛋白質。

?        一個氨基酸的羧基和另一個氨基酸的氨基經縮合反應,建立 鍵,形成二 和水。

?        以相同方式延伸長鏈形成多 

?        多 鏈以不同方式(包括氫鍵、二硫鍵)聯結一起形成分支鏈,產生蛋白質(三維立體形狀)。

 

四、 蛋白質的分子結構

4.1  初級結構Primary Structure

?        氨基酸以 鍵組合成氨基酸順序鏈(多 ),形成纖維狀蛋白(fibrous proteins)。(即 aa1 – aa2 – aa3 – aa4 – aa5

?        大部分蛋白質由多條多 構成,以二硫鍵互相連結。

 

4.2  二級結構Secondary Structure

?        多 鏈形成螺旋形架構(a-螺旋體)。

?        形狀透過氫鍵維繫。(由多 鏈中 鍵內的氧原子和鏈中另一位置的氫原子所形成)

 

4.3  三級結構Tertiary Structure

?        多 螺旋體彎折和扭曲形成的密集結構,例如血紅蛋白的a-b-鏈,因而形成球狀蛋白(globular proteins)。

?        透過離子鍵、氫鍵等脆弱的鍵以維持形狀。

?        摺疊成球形,相對結構不穩定。所以任何能打破這些鍵的因素(例如極端的溫度,pH)皆會引起形狀改變(球狀蛋白變成纖維狀,稱為變性)。

?        變性:多 鏈內氨基酸的排序維持不變,但分子的整體形狀會產生永久性或暫時性改變。

?        變性的例子:

1.      高溫把雞蛋內白蛋白凝固,變成纖維狀,難以溶於水。

2.      乳酸桿菌把牛奶乳糖發酵形成乳酸,pH下降,使酪蛋白變性,不溶於水。

?        參與生物體內的代謝作用(例如酶)。

 

4.4  四級結構Quanternary Structure

?        由許多不同的多 鏈組合,並連結於非蛋白基團(輔基prosthetic group)的大型蛋白質分子,形成結合蛋白conjugated proteins)。

?        例子:

蛋白質

存在的地方

輔基

酪蛋白

蛋白質+磷酸

血紅蛋白

血液(紅血球)

兩條a-鏈+兩條b-鏈+血紅素

黏液蛋白

唾液

蛋白質+碳水化合物

核蛋白

核糖體

蛋白質+核酸

 

?       基於形狀有兩類蛋白:

(A)  纖維狀蛋白

?        相互平行的多 長鏈,鏈之間由交聯連結。

?        不溶於水,穩定的分子架構。

?        為生物起了建構性作用。

?        例子:結締組織(connective tissues)內的膠原蛋白(collagen);頭髮、指甲、羽毛內的角蛋白(keratin)。

 

(B)  球狀蛋白

?        多 鏈扭曲成球狀的蛋白。

?        溶解於水的能力不高,所以於水中形成膠體懸浮液。

?        膠體有較大表面積,且有較大吸水的能力,能有助細胞於保留重要物質,維持原生質內的分子組成。

?        例子:酶

 

比較纖維狀蛋白和球狀蛋白

纖維狀蛋白

球狀蛋白

多 鏈形成平行的長鏈

多 鏈摺疊成球形

穩定的結構

比較不穩定的結構

不溶於水

溶解能力低,形成懸浮液

支持和結構性功能

參與代謝作用

 

五、 蛋白質的功能

5.1  結構性功能

?       進行生長的主要物質

?       幫助修補組織

?       作為細胞原生質的主要成份之一

?       生物膜(如細胞膜)的主要成份

 

5.2  功能性分子

?       蛋白質的三維立體形狀會出現活性部位,有助進行以下功能

?       酶:調節細胞內化學反應

?       激素:調節生理過程

?       血紅蛋白:運輸氧

?       肌動蛋白和肌球蛋白:兩者的活動容許骨骼肌的收縮

?       生物膜上的載體:運輸物質經過細胞膜,作為主動運輸、附在膜上的酶、電子受體等。

 

主要活動

蛋白質

功能

營養

消化酶如澱粉酶

催化澱粉水解成麥芽糖

 

葉綠體基粒的纖維狀蛋白

排列葉綠素分子的位置,以接收最大量陽光

呼吸和運輸

血紅蛋白

運輸氧

 

黏液蛋白

使呼吸表面濕潤

 

抗體

進行專一性身體防衛

生長

激素

控制生長和代謝

支持和運動

爪、指甲的角蛋白

堅韌性起保護作用

 

膠原

強化腱和軟骨,增加柔韌性

 

肌動蛋白和肌球蛋白

容許骨骼肌的收縮

協調

胰島素

控制血糖水平

 

六、 蛋白質與膳食

?        植物能合成所有其所需的氨基酸,但動物卻有限。

?        必要性氨基酸:人體不能自行合成的氨基酸,需要以膳食攝取。

?        非必要性氨基酸:人體能透過代謝活動,以其他營養合成的氨基酸。

資料來源:以撒之家