胺基酸详细解读

胺基酸详细解读●1胺基酸基本构造●2胺基酸分类

●

3

胜肽●4胺基酸的离子性质：4.1

解离度4.2

等电点除了

水之外，生化课第一个碰到的重要生物分子，就是胺基酸。

这一章将说明胺基酸的构造

与性质，看它长么样子，做什么用途。事实上，所有的生化分子，都可分成构造与性质两方

面来说明，若能确实把握此二重点，往后的生物化学课程必可顺利学好。胺基酸虽然有二十种，但其基本构造骨架是相似的

(第一节)

；我们将描述这些生物体内常见胺

基酸的构造(第二节)

，并且分类,说明其侧链基团的极性或非极性特质。我设计了一张模拟

的地下铁地图，用来说明各种胺基酸之间的构造关系，并且方便记忆。

请注意此图并非代谢

途径

。然后看两个胺基酸间如何连接成胜肽

(第三节)，很多这样的胜肽已经具有生理功能。最后(第四节)说明胺基酸最重要的性质，就是很容易离子化的特性：

一个胺基酸分子上，可

能同时带有正电及负电。当这些胺基酸组合成蛋白质时，这种离子性质也延续到蛋白质上，

造就了蛋白质的离子特性，赋予蛋白质应有的构形与活性。这是学习生物化学成败的第一个

关卡，请一定要痛下决心整理清楚，否则以后的观念都不会正确。另外，要提醒的是『生化读书小组』要赶快开动，各成员先把讲义及教科书念好，并且自行

解答各章的问题，然后聚在一起讨论不明白的部份。建议各小组先把预定进度与时间表编列

出来,以便大家早日规划遵行。A1-1蛋白质的四级构造胺基酸一

级构造二级构造Nelson&Cox(2000)

Lehninger

Principles

of

Biochemistry

(3e)

p.129胺基酸是组成蛋白质的单位小分子，其性质将影响最后所形成蛋白质的构造与特性。胺基酸一个一个以头尾相接，成为一长串的长链，就是一级构造。但是通常在细胞内，蛋白

质并不是如此像一条绳子般摊开着，

而是自动卷曲成几种稳定的构造，最常见的一种是螺旋

形的

α

helix，另一种则是平板状的

β

sheet

，称为二级构造。细胞中也无法看到蛋白质只是以

二级构造的形态存在，而是要再度卷绕成特定的形状,就是三级构造。许多蛋白质在其三级

构造的层次，已经具有活性及完整功能，但有一些蛋白质要再继续聚集，

形成四级构造后，

才能正确行使功能。其实，这种四级构造的分类,都是为了说明方便而提出来的，细胞内的蛋白质并不会如此一

级一级地分次卷绕，而且其卷绕可能也有其他帮手参与，有更复杂的机制

，以后会再提到。

本节的重点要认清形成各级构造的力量为何，以及各级构造的特点。A1-2四级构造三级构造L-FormAminoAcid酸基

COO-胺基+H3

NH

=

Glycine

CH3

=AlanineJuang

RH(2007)

BCbasics当你忘记胺基酸的构造时，胸前画个十字祷告，奇迹马上出现。你只要在这十字的中央，先

填上一个碳原子(叫做α碳)，在周围的四个位置分别填上一个

胺基、酸基

(因为是胺基酸构

造)、氢原子及一个

R基团

，基本的胺基酸构造即完成。R基团可以由最小的H

开始填入，就是最简单的

glycine

；再来

CH3

就是

alanine

；如此越来越

大，并加入其它种类的原子

(如氧或硫)

，或是额外的胺基、酸基或醇基，就可以组成多采多姿

的二十种胺基酸。请特别注意，胺基酸的『胺』不能写成『氨』，因为氨字代表气体(NH3)

，而胺基酸的胺则为

-NH2

的

amino

group

，两者意义完全不同。另外，金属旁的『铵』代表

NH4+

铵离子，与上述

两个字也不一样，例如硫酸铵就必须用这个字(NH4+)2

SO4=

。由此看来,把有机化学念好，对

学习生物化学是很重要的。A1-3R

groupαsp3H胺基酸有镜像异构物α化性相同、物性(旋光度)不同立体构造不同(算是异构物)Juang

RH(2007)

BCbasics请注意

α

碳是不对称的，因为它周围的四个原子或基团都不相同；只有当R基团为氢原子

时，是对称的

α碳

(因为接有两个一样的氢原子)

；也就是说只有

glycine

是对称的胺基酸。因

此，除了

glycine

外，其它胺基酸都有立体异构物，两立体异构物间的化学式完全一样，但互

相成为镜像，以

L-

及D-form

来表示之。地球上的生物都采用

L-form

胺基酸。几年前分析一颗

外太空来的陨石，发现其中的

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像镜-C-

N

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

-C-C-C

C

C

CHN

C-COOHαImino

acid,Circular把

二十种胺基酸构造编在虚拟的台北市地下铁系统中，依其侧基的特性分布在各条线路上，

主要目的是要表达各种胺基酸的构造与特性，因为这在蛋白质中的角色很重要。请特别注

意，这只是虚拟的构造相关图，

并非代谢路径

。一定要把胺基酸的中英文名称、两种缩写法

(三字母及一个字母的缩写)

、分子构造等，努力背

起来,绝对有益你未来的学习与发展

。依照上面各路线的分类来背，比较合乎逻辑，并且容

易记忆。A1-5Gly

GAla

AVal

VIle

ILeu

L胺基酸地下铁道图C-C-C-C环状线Hydroxy

SulfurPolarNon-polarPhe

FCysCMetMGlnQArgRLysKHisHSerSAsnTrpWTyrYGlu

EThrTAspCC-C-C-SHJuang

RH(2007)

BCbasics-C-COOH

-C-C-COOH-C-CC

N

N+Aromatic双和线西北线中山线Amide-C-CONH2-C-C

OHPDN港线-C--OH-C-C-S-CPro-C--CH3-C-OH南-H=胺基酸的极性分类『极性或非极性，是蛋白质性质之所系。』Juang

RH(2007)

Biochemistry不管

二十种胺基酸的构造、名称是否背得起来,熟知各种胺基酸侧链基团的性质，也是同等

重要的事。若大略分成两类,则可分成极性及非极性，可说是最重要的基本分类;因为胺基

酸基团的极性或非极性，最后会影响所形成蛋白质的整体构造与性质。很明显地，非极性胺基酸在大小上有相当大的差别，而且是各种大小都有，好像是一套很完

整的积木，将来可有效地填塞在蛋白质的核心部份，构成坚实的蛋白质构造。另一方面，极

性胺基酸又分成酸性、中性、碱性三大类,每大类又包含二到数种，也有大小上的差异,但

碱性胺基酸的基团都比较长。上表的分类只是参考，

一些比较难以分类的胺基酸

(如

Tyr,

Gly,

His)

，其性质就比较模糊，但

也各有其存在目的，而且经常有相当重要的角色。■

有一件事实相当有趣，就是基因密码由三个硷基组成

(例如

AUG

转译为

Met)，又因为有四种硷基

(AUCG)

，

因此密码总共有

64

个

(4

x

4

x

4)，而胺基酸只有

20

种，因此有许多胺基酸有一个以上的密码来对应之。为何胺

基酸不产生60种，可以更为多样而好用？

或者干脆只有

16种(4x4)？A1-6POLARAcidicNeutralBasicAspGluAsn

SerCys

HGln

ThrArg

isLysNON-POLARPheProIle

LeuAlaValGlyTrpTyrMet各式胺基酸的大小样式齐全Gly

Ala

ValLeu

IleS-S-CH3PheTyrTrpCysMetStryer(1995)

Biochemistry(4e)

p.20非极性

的胺基酸的大小非常齐全，由最小的

Gly

到最大的

Trp

，大多是由饱和碳氢化合物所

组成。当然Tyr

或Gly

的极性也不小，但为了方便比较，也列入其中。对水溶性蛋白质而言，整个球状的蛋白质分子中，大部分非极性胺基酸都挤在分子的核心部

份，形成了坚实的『非极性核心』，使得蛋白质在水溶液中，得以保持其完整三级构造，因

而保持其活性。因此这些非极性胺基酸，就采用各种大小不同的侧基，充分填满蛋白质核心

部份。另外，有两个带有硫原子的胺基酸，在功能上却相差很远。Cys

因为有

–SH

硫醇基，可与另

一个

Cys

形成双硫键

(-S-S-)

，对稳固蛋白质的构造，有极大的贡献

(下一页图)。

Met

的硫并

非硫醇，而是被甲基化，因此无法如Cys

般形成双硫键，但它是一个非常奇特的胺基酸，任

何蛋白质的转译，其第一个胺基酸一定是Met

。A1-7S-SH两种胺基酸对蛋白质构造影响很大Cys

Cys剧烈转折Stryer(1995)

Biochemistry(4e)

p.25,

32硫醇基

被氧化可以去掉氢，双双结合形成双硫键

(-S-S-)

，把两条蛋白质链连结在一起，对蛋

白质的构形有很大的贡献。这种反应是可逆的，也就是说双硫键可以被还原，回去变成硫

醇，因此断掉两条蛋白质间的连结。两个独立的

Cys

(cysteine)

之间，也可以双双氧化硫醇基后形成二元体，特称为

cystine

，缩写

成为(Cys)2

。注意英文写法的不同。Pro

是构造最突出的胺基酸，它的侧基含有三个碳，由α碳出发后，回去与旁边的氮原子接

合，形成一个五员环。这样的构造，

非常别扭，使蛋白质的长链必须转折成固定角度;因此

它在蛋白质的构形上，有非常重要的影响力,遇有Pro

必出现剧烈转折。A1-8双硫键CysCysPro形形色色的胺基酸侧基+S+-+有大有小有正有负有极性非极性S二十种

胺基酸基团在蛋白质分子构形中的模拟位置，可以看出各种基团大小不同，在蛋白质

构造中所造成的不同填充效果。较大的基团(如Trp)

可占据较大的空间，较小如Gly

者几乎看

不到；非极性的胺基酸基团，都可以作为类似积木般的填充单位。另外，各种带有电荷的胺基酸基团，也会对蛋白质的构形或性质做出贡献；比较Asp

与Glu

的侧链长短不同，因此其基团所带的负电荷，在空间中伸出的长度也不同

。带有正电的碱性

基团

(如

Lys,

Arg)

都有相当长的侧链基团，因此有相当大的自由活动空间。至于最别扭的

Pro则在蛋白质表面转折成一个急转角，蛋白质长链通常会在此逆转方向，形成一个turn

。虽然这二十种胺基酸很称职地组合成蛋白质的立体构造，但是其反应性基团的活性都不是非

常高，无法提供极强力的官能基，以供催化反应时的活性基团。因此，许多蛋白质合成出来

之后，经常还要进行各种修饰

(例如磷酸化)

，或添加其它辅助因子

(例如金属或辅脢)

，以便达

成更复杂的任务。A1-9Bio-Lab

广告

Cell83

(4),

1995胜肽键的形成两个胺基酸分子头尾连接起来COOHCarbodiimide

↓

脱水

Juang

RH(2007)

BCbasics胺基酸

像乐高玩具或积木一样，可以一个一个头尾接起来,组成一个巨分子蛋白质。连接的

方法非常简单，前一个胺基酸

(1)

的酸基与后一个胺基酸

(2)

的胺基，经脱水反应即可。所生

成的双胜(1-2)都还有一个胺基及酸基，可以继续连接下去。如此两个胺基酸间所产生的新

键，称为胜肽键(peptide

bond)，如上图中的

C-N。许多胜肽键组成了蛋白质的骨架，蛋白质

是生物的重要分子，因此胜肽键也可以说是组合了生命的基本骨架。在试管中也可以把两个

胺基酸连结在一起，使用脱水剂carbodiimide

，进行如上的操作。A1-10COOHNH22NH21胜肽键的特性●胜肽键

虽是单键却有双键性质●胜肽键

周边六个原子在同一平面上●前后两个胺基酸的α-carbon

在对角(trans)Nsp2

+pαCsp2

sp2sp2

+

lp

CαJuang

RH(2007)

BCbasics胜

肽键看似单键，但

C-N

键旁的

C=O

双键会与它产生共振，因此具有双键的性质；且中心

的

C

与N

原子都是使用sp2

轨道，因此其前后六个原子都躺在同一平面上，称为胜肽平面

(如

上图虚线所围起)

。注意每一个胺基酸的中心是α碳，而两个α碳之间是以胜肽平面连在一

起，因此蛋白质可以说是由许多胜肽平面以α碳为接点连成的。A1-11OCCNHCp

轨道电子共振使胜肽键具双键特性O

Juang

RH(2007)

BCbasics为何胜肽键(-C-N-)具有双键性质？氮原子上面有一对

lone

pair

电子，是以

p

轨道绕行在平面的上下两边；而

–C=O

的双键，是

碳与氧原子的两对p

轨道所形成。因此总共在

O=C-N

上共有三个p

轨道，有时碳与氮的p

轨

道会混在一起，形成短暂的双键；也可以把这三个p轨道的电子，一起混成为一个类似共振

的综合轨道，使得胜肽键具有双键的资格。如此混成所形成的双键，造成胜肽键

(C-N)

无法自由转动，也就是说胜肽平面所包含的六个原

子，必须平躺在同一平面上。■我常常想象着生命与无生物之间的临界点在那里?当然，细胞可以说是具有生命的形式，而细胞是由很多成

份所组合成的，其中极为重要而具有生物活性的就是蛋白质。若我们假设蛋白质算是有一点生命活性，而组成蛋

白质的是胺基酸，没有人会认为胺基酸是具有生命的物质。因此，看来生命与无生物的界限，好像可以画在蛋白

质与胺基酸之间。当胺基酸一个一个连接起来,组成蛋白质时，每个胺基酸之间的胜肽键，显然扮演非常重要的

角色。因为有了如此的胜肽键，所形成蛋白质才能循序摺叠成正确构形，发挥蛋白质的生物活性与催化特质，成

就了细胞的种种生理现象。A1-12CCN,

H以胜肽键平面连接成多肽长链↓↓两胜肽键平面的交接点为α-碳注意

α-碳上面接有各种大小不等的基团Mathews

et

al(2000)

Biochemistry

(3e)

p.136一个个胜肽平面连接起来,

组成了蛋白质长链，而各平面之间的接点就是

α碳原子。请特别

注意，

α

碳上面就是接着每种胺基酸的独特侧基，有大有小、有正有负、有极性有非极性，每

种胜肽或蛋白质的独特性格，于此开始形成。A1-13如何检视一段胜肽两端胺基酸α-碳为中心单位小分子胜键的定位↓↓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

由胜肽键所组成，其骨架上有-N-C-C-N-C-C-的重复架构，所有的蛋白质也是都如

此，不会改变。

对于这样的固定架构，有几点应该注意，且应仔细辨别︰(1)两端的原子分别为何？各属于何种官能基团？(2)骨架上的α碳在哪里?为何要找出

α碳？(3)能否指出每一个单位的胺基酸？(4)能否指出每一个胜肽键在哪里?A1-14具有生理功能的胜肽或胺基酸●脑啡Enkephalin(YGGFM)●代糖L-Aspartame(L-Asp-Phe-CH3)●短链荷尔蒙Oxytocin,Vasopressin●抗生素Gramicidin

S(含

D-amino

acid)胺基酸Juang

RH(2007)

BCbasics有

许多胜肽已经具有生理功能，而且作用强大

。以上各例请仔细琢磨。这些胜肽的合成方式

都不尽相同，有些是经过蛋白质转译后切下来的片段，有些是要用酵素把一个一个胺基酸接

上去的。它们的基本作用机制很相似

，都是以该胜肽所组成的特殊立体构形，与目标细胞膜

上的受体(receptor)结合，进而对细胞产生作用。味觉对糖类的甜味接受器，与对味素的甘味接受器不同。含有数个至数十个胺基酸者，称为胜肽

(peptide)

或多胜、多肽

(polypeptide)

；百个以上者可称

蛋白质，至于其间的模糊地带，称蛋白质或多肽均可。另一方面，很多胺基酸也有生理作

用，例如味素成分的麸胺酸也是神经传导物质的一种，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麸酸钠

(味素)

Sodium

GlutamateAspartame

L-Aspartyl-L-phenylalanine

methyl

ester人工甘味剂阿斯巴甜其实是由两个胺基酸所组成的，但尾端再修饰成甲酯。虽说是人工甘

味，但原先的Asp-Phe

是天然产物，很早就被分离出来,但没有人尝出其甜味，直到有一天某

科学家一边拿着阿斯巴甜，

一边用手指沾口水翻书

…

…(事实上有点危险)

。Asp-Phe

的甜度比蔗糖高两百倍，阿斯巴甜则更高。其甜味显然与分子构造有关，可模拟蔗糖

与甜味接受器结合而刺激之。有趣的是，若把

Asp-Phe

中的

L-Phe

改成

D-Phe

，则不但没有甜

味，反而呈现苦味。味素会给人『甘味umami

』的味觉，与蔗糖或阿斯巴甜的『甜味』不同，甘味觉与甜味觉分

别有不同的受器，所能接受的分子形状差很多，

一个是糖类,另一是胺基酸。A1-16阿斯巴甜Campbell(

1999)

Biochemistry(3e)

p.95脑啡与其受体结合后可以产生镇痛与麻醉效果吗啡可以模拟脑啡的作用因此有类似镇痛、麻醉的效用牛顿杂志

(1991)第

164期,

p.48-49人体

有一种代偿机制，就是受到极大痛苦或折磨之后，脑中会产生一些短链胜肽，与其专一

性受体结合，然后引发一连串信息传导，产生镇痛及欣快感等作用；这些短链胜肽统称为脑

啡。因此，电影中那些烈士们在受尽酷刑折磨后，也不会出卖同伴们，很可能已经产生脑啡。

(演坏人的要注意了,

用刑时在适当时候要休息，以免对方诱生脑啡出来)自然界的罂粟果实会分泌乳剂，提炼后称鸦片，含有一种二次代谢物

morphine(吗啡)

；吗啡

的构造可模拟脑啡，也一样会产生麻醉与止痛的感觉。[Science(2004)304:1983-1986.

Deficit

in

attachment

behavior

in

mice

lacking

the

μ-opioid

receptor

gene]A1-17吗啡与脑啡有相似分子构形而与脑啡受体结合PheGlyGlyTyrMorphine

EnkephalinDressler&

Potter(1991)

Discovering

Enzymes,

p.247Enkephalin是脑啡的一种，由五个胺基酸连接而成，所形成的分子构形，可以与脑啡接受器

结合，引发身体对痛觉的迟钝化。吗啡的部份构造与脑啡很像，因此也会与脑啡接受器作

用。开发新药采取类似策略,可用计算机模拟的方法，对某些目标分子，设计出可以互相结合或作

用的药物，称为computer-aided

drug

design

。A1-18Met胺基酸●1胺基酸基本构造●2胺基酸分类

●3

胜肽●4胺基酸的离子性质：4.1

解离度4.2

等电点水分子

的强大功用，是因于它强大的极性，因此具有极强的介电常数,这是因为氧与氢原子

之间的阴电性相差太大所致。水分子也因此可以解离出质子，而质子浓度是构成溶液酸碱度

的基石。在

4.1

小节将探讨分子的解离特性，并复习缓冲液的作用机制，与酸碱度的计算实例。胺基酸

含有若干官能基团

，都很容易解离,因此是很好的观察实例。这些解离掉的质子，也很容易

回到带有负电或电子的官能基上，这完全决定于环境质子的浓度,也就是酸碱度

pH

。质子的

获取或者失落,会造成官能基分子上电荷的改变；因此一个分子上所附的电荷量多寡，甚或

正负，都会随着环境pH

的改变而改变。在同一个分子上，当环境的

pH

使得该分子所具有的正负电荷基团数目相等时，这个

pH

即称

为该分子的等电点pI

。等电点是一个分子或蛋白质的重要指标，可以利用等电点来控制该分

子的带电性质(只要改变环境的pH

即可)

。A2-1阴电性对分子化学性质的重大影响重新看水分子构造C-C-

+COOHlp

-δ

lpC

NH2CH3+δ由各种原子所组合成的官能基，因为原子间阴电性的不同，造成官能机的极性大小不同，反应性也有所差异。Juang

RH(2007)

BCbasics前面

所提的几个常见重要原子中，氧原子可与两个氢原子结合成氧化二氢，就是水分子；水

分子的一些特性也已经描述过，但还有一个非常重要的性质，是有关质子的解离与酸碱度的

影响。A2-2地球早期的大气成分阴电性O

3.5

N

3.0

C

2.5

H

2.1●

水分子的极性●

水的介电常数●

水分子间的氢键●

水与pH

的关系有机化合物CH4

NH3

H2OO官能基永久的偶极性H2R!C氢与氧的悬殊阴电性造成氢的解离3.5电子都被氧原子抢去O2.12.1Juang

RH(2007)

BCbasics水分子

含有氧与氢两种原子，二者的阴电性相差颇大，因此氢的电子全被氧原子所吸引，氢

的质子几乎是赤裸裸地露在外面，有时就干脆离开水分子，分裂成质子与氢氧离子。但是解

离的水分子还是不多，

一杯纯水中的水浓度约

55.5

M

(水一升有一公斤重，因此每公升浓度为

1,000g

÷

18=55.5M)，只有相当少数的

10-7

M解离，因此含

10-7

M质子；为了方便，只取7

来表示质子的浓度，记为

pH

=

7

。因此，我们平常所说的

pH

，就表示质子的浓度；这个数字

越大，事实上质子浓度越小，因为我们省去了负号；反之，

pH

越低表示质子越浓。当溶液中

的质子浓度越高，例如pH

2

表示有

10-2

M

质子，质子会令我们的味蕾感到酸酸的，因此称为

酸性；反之则感到涩涩的，就是碱性。因为溶度积恒定的关系，[H+]与

[OH-]

的乘积一定为常数

10-14

，因此代表酸的质子浓度，与代

表硷的氢氧根浓度，互相为共轭消长，也就是说若[H+]浓度升高，则[OH-]就会下降到一定值。

(为什麽？)水溶液中的质子浓度是很重要的指标

，因为质子会影响其他分子的带电性质，使得分子所带

的净电荷改变，进而影响分子活性。A2-3

H+

+

OH-[10-7

M]

[10-7

M]HOH[55M]HH氢离子hydride→氢原子hydrogen

→

质子

protonhydride.+1s+--质子+

H1.008氢离子

氢原子Juang

RH(2007)

BCbasics1氢原子

是唯一不含有中子的原子，因为原子核中只有一个质子，所以不须要中子介入。氢原

子有一个电子，当它获得一个额外电子，即成为氢离子

(称

hydride,

:H-)；若

hydride

丢掉一个

电子，就变回氢原子；当氢原子再失去一个电子，就剩下质子(H+)

。附在分子基团上的氢原子

(如

-COOH

上面的H)

因其阴电性太弱，因此电子常被附近的大原子

抢走，剩下的质子脱出，电子则留在原来的分子，成为带负电基团(-COO-)。游离出来的质

子，很容易吸附到电子较多的基团上

(例如

–NH2

上有一对多余的电子)，而给后者带来一个正

电

(成为

–NH3+)

。这些可放出或吸收质子的基团，就是缓冲液的基本材料。当环境质子太多，

就容易吸收质子；当环境质子太少，就释放质子出来。在水环境中，质子数量的多寡就是酸碱度的指标，会影响分子上各种基团的带电性质。而巨

分子上这些电荷性质的变化，就是生物化学里许多反应机制的根本肇因。虽然环境中到处充斥着质子，但以能量而言，质子并无贡献；因为质子已经失去了电子，而

电子是生物界的能量根源。但具有一个额外电子的

hydride就是具有能量位阶的粒子，是自然

界中能量的贮藏处。汽油是由饱和碳氢化合物所组成(如辛烷)，其碳原子接满氢原子，这些氢原子都拥有足额电

子，有相当的化学能蕴藏。故当汽车燃烧汽油，氧化反应夺取这些电子，

把碳原子变成二氧

化碳，氢变成水分子(氧化二氢H2O)

，同时放出能量。A2-4-黄河中

国长江The

University

Atlas(1978)

p.86中国

大陆有两条大河，北方的黄河与南方的长江。黄河的池滥是有名的，由来已久；长江则

是较为温和，因此馒饱了沿河流域的广大民众。为何两条大河有如此的差异？因为黄河泥沙

淤积极为严重，而长江除了淤积较轻之外，沿河还有几个大湖，随时调节长江的水量，可说

是一种缓衡作用。黄河唯一比较安定的地方是河套，河套在靠近内蒙附近有剧烈分枝，也是

类似调节水量的功能。若把水位的高低，看作如水溶液中的氢质子浓度，则黄河无法调节水位的现象，好像是没有

使用缓衡分子的溶液，很容易池滥或者闹水荒。缓衡分子有如长江的几个大湖，在缺水的时

候释出存水，在高水位时吸收多余的水量，以免池滥。因此，若有某种分子可以吸收或者释

放氢质子者，就可用来作为缓衡分子。A2-5东亚地形图弱酸或弱碱才可作为缓冲分子AHKaA-

+

H+-CH3COOH

CH3COOH-H

公式强

酸

HCl

Cl-

+

H+Juang

RH(2007)

BCbasics那些可放出或吸收质子的基团，就是缓冲液的基本材料︰当环境质子太多，就赶快吸收质

子；当环境质子太少，就释放质子出来。通常都是弱酸或弱碱才可作为缓冲分子，因为强酸

(如HCl)只会释出大量质子，不会回收；而强碱只会拼命吸附质子，无法释出。Henderson-Hasselbalch(H-H)公式可描述弱酸或弱碱的缓冲行为。因为弱酸会释出质子，也会

吸附质子，因此其释出与吸附间会形成一个平衡状态，在平衡状态下，可测得其平衡常数

(Ka)

；我们由弱酸的解离公式开始，由其平衡常数

(Ka)依下页的导法，可求得H-H公式。A2-6pH

=

pKa

+

log

[AH]

[A-]

如何推导公式

Henderson-Hasselbalch

公式(1)

Ka

的定义(2)

两边取

log分解右边

log(3)

移项(4)

定义

-log

为

p描述缓冲液分子的解离常数与其缓冲作用的机制Juang

RH(2007)

BCbasics由

平衡常数开始，一步一步推出H-H公式；此式描述弱酸或弱碱的解离常数

(pKa)

，与环境

酸碱度的关系；当两者相等时(pKa

=pH)

，此弱酸或弱碱有最大的缓冲效果。A2-7

弱酸如何作为缓冲分子例如乙酸CH3COOH

=

CH3COO-

+

H+◎Ka

是平衡后两边的浓度比

的

pKapH

=

常数pKa？…

..

当[A-]

=

[AH],

log

1

=0Juang

RH(2007)

BCbasics★H-H

公式的

pH

即环境所测得的酸碱度,

pKa

为该缓冲分子的解离常数再取负指数;例如醋

酸的

Ka

=

10-5

(意指每十万个醋酸分子中，才有一个分子会解离,是弱酸的特性)，则此

pKa

=

5。若环境的pH

刚好

5，则依

H-H公式︰5=

5+

log

([A-]/[AH])

，右项

log

([A-]/[AH])

必须为

零,而log

1=0，即

[A-]/[AH]=

1，即

[A-]=

[AH]

。这表示在pH=5

时，醋酸分子的组成中，

有一半是在未解离的状态[AH]

，而另一半是已解离状态[A-]

。在此情形下醋酸有最大的缓冲

能力,因为不管外来的

pH

如何变化，都有足够的

[A-]

或

[AH]

去吸附或释出质子。以滴定法

做实验，也证实醋酸在pH=5时，外加的酸或硷都不易改变其整体酸碱度。A2-8◎Ka

平衡式做数学转换一、两边取

log二、移项取出

[H+]三、定义

p为

-log

(pH

=-log[H+])已解离未解离

AH

A-

+

H+H-H

公式弱酸在其pKa

上下有缓冲作用可作为缓冲的pH

范围(恰等于其pKa)

[OH-]

[OH-]H-H

公式

6

=

5

+

1Juang

RH(2007)

BCbasics因此，一种缓冲液的缓冲范围，与其解离常数有极大关系；

pKa

等于

5

的弱酸，其缓冲范围就

在

4~6

之间。为何如此奇妙？

当然利用

H-H

公式可以上面的解释说明之，但总合起来说,还

是基于解离常数的数学游戏，以此来描述自然现象，没有特别神奇的地方。pKa

因此成为弱酸(或弱碱)性质的一个指标，当环境的pH

高于其pKa

，则此弱酸开始放出

H+

，反之则会保守住其H+

，会改变其带电性质。A2-9pKa

5乙酸pHpH水★质子可以吸着或脱离基团Proton

：最小且最多的生物粒子，影响酸碱度及分子带电性质lon低

pKa

高酸基

Ampholyte:

一个分子上同时带有正电及负电基团Juang

RH(2007)

BCbasics质子

proton

是宇宙中的奇妙粒子，这是一颗光溜溜的粒子；当氢原子丢掉一个电子后，即可

得到质子，因此写作

H+。

质子可以随时附着到一个带有电子密度的基团

(如胺基)

，使该基团

多带

了一个正电。质子也很容易由某一个基团脱出(如酸基)

，而使该基团成为带负电。胺基酸同时带有上面两种基团，因此可同时带有正电及负电，称为双性离子ampholyte。若胺

基酸同时带有一个正电及一个负电，则其净电荷为零,特称之为zwitterion

。请注意上述基团的解离,受环境

pH

影响甚巨；当环境的

pH

大于此基团的

pKa

时，此基团将

带负电；反之则带正电。因此，

一个基团的pKa

越小(我们说越酸性的物质)，就越容易带负

电，因为其质子很容易跑掉，剩下的分子就呈负电荷。再举一例,

glycine

上有胺基及羧基各一，其

pKa

分别为

9.6

及

2.3

，则在中性

pH

下，其胺基

将带正电如上图(因为环境pH<胺基的pKa)

；反之酸基则带负电如上图。在中性溶液中，

glycine

因此同时带有正电及负电各一，是一个zwitterion

。A2-10胺基

低酸性环境中性环境

碱性环境乙M『tte『『6n

5.5+1U等电点-1Juang

RH(2007)

BCbasics胺基酸

非常特别，同一个分子上同时带有一个弱酸及弱碱；因此可以用胺基酸来作为酸性或

碱性的缓冲液。例如，某胺基酸的酸基

pK1

=

2

，胺基的

pK2

=

9，则此胺基酸在

pH

为

2

或

9

附近，都有缓冲作用。胺基酸质子解离过程中，在某个

pH

条件下，同时带有一个正电及负电

(上图中央)

，其净电荷

恰好为零,这种形式称为zwitterion，这个

pH

则称为此胺基酸的等电点

(pI)

；处于等电点的胺

基酸并非不带电，而是正、负电荷的数目刚好相等。等电点的算法很简单，只要把等电点上下的两个pK值平均即得；如上例中(2+9)

÷2=5.5。A2-11pK2

~

9pK1

~2胺基酸的缓冲作用范围环境

pH129630外加

[OH]→pK2pIpK1Juang

RH(2007)

BCbasics由

上面胺基酸的滴定曲线看来,当环境的[OH-]

逐渐增加时，在其两个

pK

处的

pH

变化最

小，具有缓冲作用；而在其pI

处，几乎完全没有缓冲作用。为何处于等电点的分子，完全不

具缓冲作用？而其分子上有一个H+

，看来可以作为供应质子者；也有一个–COO-

可以作为接

受质子者，非常完美。原因是这个

H+

无法放出，因为携带

H+

的基团是

–NH3+，要到

pH

=

9

才会放出

(因为其

pK

=

9)

；相似的理由，这个

–COO-

也无法接受质子，成为

–COOH，要到

3

以下才行。因此，你可

以得到一个概念,分子上的这些基团能否收放质子，都决定于其自身的

pK。回头想一想，pK

到底是什么东西？pK

就是描述一个基团释出或吸收质子的能力或程度,

pK

越大的基团，就

越不容易释出；反之，

pK越小的基团，容易放出质子，也就是所谓的酸性物质。A2-12★等电点=IpK1

+

pK2

2NH2

H+

H-C-R

●COO-★环境酸碱度影响蛋白质的净电荷Buffer

pH10987Isoelectric

point,6543+

0

-

-NetCharge

ofa

ProteinJuang

RH(2007)

BCbasics通常

一个蛋白质分子上都带有电荷，有正电荷、也有副电荷，这些正、负电荷的净值，即为

此蛋白质所带的

净电荷；蛋白质的净电荷可能为正、也可能为负，在某pH

下蛋白质的净电荷

可能为零,则此pH

称为此蛋白质的『等电点

』(isoelectric

point,

pI)，一个蛋白质的

pI

通常不

会变，除非其胺基酸的组成改变。当环境的pH

大于某蛋白质的的pI

(如上图某蛋白质的pI

=

6，环境

pH

=

9)，则此蛋白质的净

电荷为负；反之则为正值。另外，环境的pH

离其pI

越远，则其所带的净电荷数目将会越

大；越接近

pI

时，所带净电荷变小，最后在其

pI

处净电荷为零。因此，蛋白质溶液的

pH

要

很小心选择，以便使该蛋白质带有我们所需要的净电荷，或者不带有净电荷。细胞中的蛋白质，其pI

大多在4~6之间，因此处于中性的环境时，大都带有负电荷。A2-13pI各种胺基酸基团的离子化与其pKa胺基酸中有很多可以释出质子或接受质子的基团-COO--COO--Imidazole+-S-

+-O-

+

α

-NH3+

R

-NH3+pKa

越小质子越容易放出His

是唯一具有近中性pKa

基团(imidazole)的胺基酸α酸基或胺基的pKa

都比R基团上面者要低(较容易解离)在蛋白质中的胺基酸基团pKa

会受到环境影响而改变(蛋白质微环境)Juang

RH(2007)

BCbasics胺基酸

上面的基团，若属于弱酸或弱碱，能够可逆性地吸收或放出质子，就可以作为缓冲液

之用。每个弱酸或弱碱，都有一个解离常数,通常以pKa

来表示；前面已经说过，

一个可作为

缓冲的基团，其缓冲范围就在它的pKa

附近。而pKa

越小者，越容易放出质子，比较适用在酸

性pH

的缓冲液；

pKa

大者则适用在碱性的

pH

。所有胺基酸的胺基及酸基，其

pKa

都不接近中性，而

R

侧