第二章　細胞

蛋白質

一、　定義

?        含有C, H, O, N，有一些帶有S和P。

?        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（glycine）R = H；在丙氨酸（alanine）R = CH3；在半胱氨酸（cysteine）R = 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-和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

奶

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